Властелин механики. 7 великих законов в понятном изложении
- -
- 100%
- +
© Юрий Геннадьевич Трифонов, 2021
ISBN 978-5-0055-3822-2
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Пару слов об этой книге
Так уж сложилось, что почти все книги по физике скучны и совершенно не предназначены для легкого чтения. Даже если человек искренне интересуется вопросом, но не имеет некоторого багажа знаний, то открывает физическую теорию, описываемую в любой обычной книге, и плачет горькими слезами.
Рис.1. Человек пытается читать обычный учебник физики
Материалы обычно изложены таким образом, что разобраться во всем под силу только прирожденному технарю, ну или тому, кто уже «собаку съел» на этом деле. Почитать подобную книжечку перед сном для общего развития не получится. Нужно будет тратить силы на вникание в материал и его осмысление. Есть и ещё одно обстоятельство – читать такую литературу обычно совсем не интересно. Она не увлекает, а голая формулировка физических законов без примеров из жизни кажется набором бессмыслицы.
Очевидно, что сказывается и сама специфика сложного предмета. Физика пронизывает весь наш мир во всех его проявлениях. Это отражается на формулировках и на стиле изложения теории. Такая наука по определению не может быть простой, так как описывает столь многогранный мир!
Однако, теоретическую информацию вполне можно сформулировать в более простой и приятной для читателя форме. Технические дисциплины на самом деле очень интересны! Нужно только найти эту «скрытую от большинства красоту». После этого вы сможете воспринимать физику как интересную науку об окружающей нас природе, а не набор букв и сложных формул.
Рис.2. Физика – наука о природе
Между прочим, в древней Индии некоторые знания специально излагались в очень сложной форме, чтобы понять их могли только избранные читатели, обладающие специальной подготовкой. Использовались различные образы или метафоры, известные только избранным. Всё потому, что знания являлись великим сокровищем, которое можно сделать доступным только для ограниченного числа мудрецов. Другие же могут использовать знания во вред и себе, и обществу. Эта тенденция пронизывает все древние времена.
Сегодня информация стала намного доступнее. Однако, витиеватое изложение не позволяет многим окунуться в этот интересный мир с головой.
Меня зовут Юрий Трифонов. Я ученый, преподаватель и любитель делать различные механизмы своими руками. Руковожу проектом «Инженерные знания», целью которого является популяризация науки.
Рис.3. Давайте знакомиться
Предлагаю вам вместе с этой книгой углубиться в изучение семи самых значимых законов окружающего мира и увидеть собственными глазами, что на самом деле всё это очень интересно и просто.
Постараемся изложить всё в легко читаемой и понятной форме. Очень надеюсь, что мои труды не пройдут напрасно, а читатель в итоге полюбит физику и заинтересуется наукой как методом познания окружающего мира.
Начнем с основных законов механики. Их будет семь. Почему семь? Просто мне нравится это число и оно регулярно «преследует» меня повсюду. Кроме того, цифра семь для многих культур являлась особенной. Это число Осириса, которому приписывалась особая сила. Понятно, что странно слышать от технаря такие изречения. Ведь они на границе с эзотерикой. Однако, узость мышления – ещё одна проблема, с которой мне хотелось бы бороться. Отрицать что-то без глубинного понимания проблемы неправильно и этим страдает вся наша наука.
Рис.4. Странная тайна числа 7
Смею предположить, что правильное понимание изложенного материала сделает из вас настоящих властелинов механики. Законы в книге выбраны не случайно. Они являются базой для понимания множества процессов вокруг нас и всей дальнейшей физической теории. Конечно же, закономерностей в природе намного больше, чем семь. Но начнем с этих, а если вам будет интересно, то продолжим разбирать физику в такой форме.
Сейчас физика видится вам как нечто оторванное от жизни и совершенно бесполезное. Настало время изменить это!
П. с. Написание книги и работа над проектом – это сложный труд. Я постараюсь сделать экземпляры книги максимально доступными для всех. Пожалуйста, не растаскивайте книгу по интернету без её оплаты или хотя бы оставляйте ссылки на мой проект «Инженерные знания»!
Научно-популярный образовательный проект «Инженерные знания» представлен на всех современных платформах и ориентирован на то, чтобы сделать инженерную науку интересной для всех и поднять уровень образованности.
Ссылка на проект «Инженерные знания»
Введение
Мы живем в очень интересном мире, который ещё полностью не изучен. Стоит копнуть чуть глубже, и становится понятно, что ответы на вопросы «Что такое масса» или «Что такое электричество» наука не может дать до сих пор.
На каждый счёт есть множество гипотез и множество споров об их состоятельности. Но однозначных ответов, подкреплённых реальными экспериментами, так и нет. Если есть подтверждение, то часто находится некоторое обстоятельство, которое ставит всю логику под большой вопрос.
Во многих ситуациях возможно только лишь нащупать закономерности, сформулировать их и попытаться объяснить. В некоторых отраслях всё гораздо проще. Закономерности сами лежат на поверхности. Остается зафиксировать это и, как это называется, навести систематику.
К этой сфере относится механика. Там всё просто и линейно, а глубинные ответы на вопросы «почему» не так сложны. Остается, по сути дела, правильно описать окружающий мир.
Механика – это наука об искусстве строить машины. Она линейная и понятная. Применительно к физике это слово используется для обозначения целого раздела, который изучает большую часть взаимодействий между материальными телами.
Рис.5. Искусство строить машины
Интересно отметить, что обнаруженные в этом разделе закономерности работают во всей физике. Скажем, ускорение существует не только относительно велосипедиста, который летит с горы, но и применительно к частицам, из которого состоит тело или электронам.
Мы рассмотрим семь значимых законов механики, которые следует знать и понимать каждому современному образованному человеку. Без них не обходится ни одно взаимодействие в нашей жизни. Будь-то покраска стен в вашем доме или копка колодца. Я очень надеюсь, что в результате прочтения и изучения материала вы и сами сможете всё это увидеть и заинтересоваться вопросом.
Почему это интересно и важно
Физика изучает окружающий мир и, являясь по своей сути, наукой о природе, пытается не просто зафиксировать какое-либо явление, но и выявить однозначные закономерности. Она редко кажется интересной. Увы, но среди всех предметов, она становится иногда чуть ли не самым нелюбимым, хотя на деле и является фундаментальным. Эта участь распространяется и на механику, о которой мы говорим в этой книге.
Виной всему своеобразный подход к преподаванию этой великолепной дисциплины. Никто даже и не подозревает, что речь в физической теории идёт о природе вокруг нас. Просто набор буковок, циферок и неясных изречений.
Ну а когда изучается закон рычага в школе, ребята не представляют, что использование этого нехитрого правила может в дальнейшем помочь открутить прикипевшую гайку на колесе, накинув трубу на ключ. Согласитесь, такой подход сделает жизнь куда более насыщенной, интересной и простой.
Начиная с первых уроков в школе и заканчивая экзаменами в университете, изучение предмета превращается только в повинность.
Вместо того, чтобы показать, как законы механики помогают нам и для чего это полезно изучать, школьников или студентов заставляют штудировать формулы и решать задачки. От такого подхода предмет кажется скучным и неимоверно сложным. Это впечатление закрепляется на долгие годы и «отстрелявшись» человек навсегда забывает физику.
Рис.6. Ничего не понятно на уроке физики
На самом же деле, большая часть взаимодействий вокруг нас становится более приятным, когда оно осознано. Когда-то первобытные люди боялись грозу и не знали, что можно ожидать от такого явления. Каждый удар грома вызывал панику и непонимание. Наша же задача разобраться во всем происходящем вокруг и улучшить себе жизнь пониманием природы. В этом и заключается задача властелина механики! Зная закономерности использовать их себе во благо.
Кстати, винить одних только преподавателей неправильно. Большая часть учеников действительно интересуются только жизнью «звёзд» с экрана. Но правильный подход позволит увеличить количество людей, которым будет приятно разбираться в окружающем мире. Есть ещё и всяческие стандарты на образование, которые на корню ломают интересность. Но рассуждать и жаловаться неправильно.
Давайте всё-таки переходить к изучению нашего предмета с правильным настроем и отличающимся от большинства подходом. Начнем с самого важного.
Про векторные и скалярные величины
В книге мы постоянно будем встречать такое понятие, как векторная величина. Уж так устроена механика, что всё там держится на векторах. Поскольку мы исходим из того, что основные знания об этой штуке у вас уже всё же имеются, то и не расписываем подробно действия над векторами, да и само определение вектора не приводим.
Однако, мы же хотели сделать из сложных теорий увлекательное и интересное чтение, поэтому если вы по какой-то причине не знакомы с понятиями о векторах, то сейчас мы внесем некоторую ясность, достаточную для понимания изложенного ниже материала.
Из школьного курса, или даже уже из институтского, многие запомнили, что «каждому ректору в кое-куда по вектору!». Отсюда легко сделать вывод, что вектор должен хорошо втыкаться. Хорошо втыкается у нас что-то типа стрелы или копья. Вот и вектор представляет собой что-то типа стрелы или копья.
В физике вектор – это направленный отрезок прямой. Он обладает некоторой длиной, как и любой другой отрезок. Длина равна величине вектора.
Рис.7. Вектор в физике
Если возникают проблемы с пониманием этого момента, то просто представьте, что отрезок, длиной 10 см, состоит из 10 отрезков по 1 см. Любую величину можно записать таким образом. Скажем, 15 яблок можно нарисовать в виде прямой, равной 15 см, предположив, что 1 яблоко = 1 см. Это скалярная величина.
Рис.8. Скалярная величина
Но, по сравнению с обычным отрезком или скалярной величиной, имеющей только длину, вектор имеет ещё и направление.
Представить себе «направление величины» не всегда просто. Для упрощения всегда говорят о движении или воздействии на другое тело. Например, мы можем осознанно толкнуть человека в одном из направлений. Направление, куда мы его толкнули и будет направлением вектора. Сила, с которой толкнули – будет величиной вектора.
Вот и получается, что сила толчка (боже, как звучит!) будет определяться величиной (или модулем) и направлением.
Рис.9. Сила толчка
Это направление рисуется стрелочкой, а сила – отмечается в масштабе на длине вектора. Собственно, большего знать про вектора пока и не нужно.
Для окончательного закрепления проведите аналогию в голове между количеством яблок, отмеченным на отрезке (скалярная величина), которое никуда не направлено и вектором, описывающим направление действия удара (векторная величина).
Разве что, нужно помнить – вектора можно складывать, вычитать, умножать и производить с ними самые разные математические действия.
О ценности механики в нашей жизни
Механика – это наука о движении материальных тел и взаимодействиях между ними. Ощущаете ли вы, какой потенциал скрывается за этими относительно простыми словами? Одна эта формулировка описывает, без преувеличения, всю нашу жизнь! Материальные тела всё, что есть, вокруг нас. Движение и взаимодействие таких тел – неотъемлемая часть жизни. Поднять машину домкратом с целью замены колеса тоже механика. И проколовшееся колесо – тоже законы механики. Законы механики – это работа подъемного крана и даже хождение по асфальту без проскальзывания.
Именно механика является наиболее хорошо изученным разделом физики. Его гораздо легче исследовать, потому что всегда можно создать прототип или рабочую модель, а на её примере выявить закономерность. Хотя периодически и появляются пробелы из серии «что такое механическая энергия» или «что является носителем импульса», остальное поддается прямым измерениям.
С законами механических взаимодействий столкнулись ещё при строительстве пирамид. Авантюра безжалостная, бессмысленная и бездумная, однако рабы на своей шкуре испытали все прелести земного притяжения и силы трения. Тогда и стали появляться первые конструкции, способные упростить этот ужасный труд. Первые лифты, рычаги, системы неподвижных и подвижных блоков и другие простые механизмы. Возможно, интересно будет узнать, что первый лифт был придуман одним из египетских рабов, который трудился над строительством пирамиды. Но после того, как он построил это устройство и рассказал об этом фараону, раб был казнён. Цель предположить не сложно. Ведь эти знания не должны были достаться больше никому! Кроме, само собой, фараона.
К большому сожалению, история полна примеров безумного уничтожения и порабощения людей ради неоправданных целей и мы, как люди образованные, должны это понимать. Да и казней из-за излишних знаний предостаточно. Посадить на бочку с порохом за изобретение дельтаплана или сжечь на костре за исследование космоса – в целом-то обычное дело.
Механика является всеобъемлющей. На понимании принципов классической Ньютоновской механики держится и понимание многих других разделов физики. Так, даже элементарные частицы подчиняются законам Ньютона. Именно поэтому важно усвоить все законы механики. Ведь дальнейшее изучение природы будет опираться на эти знания.
Правда тут тоже всё не однозначно. Современные исследования показали, что Ньютоновская механика работает далеко не везде и далеко не всегда. Но это уже совсем другое направление работы. Причем малодоступное Ньютону и физикам того времени из-за отсутствия возможности выполнять столь сложные исследования. От того не стоит так сильно критиковать классическую механику при выявлении некоторых несоответствий в более тонких материях. Кроме того, как мы узнаем чуть позже, труды того же Ньютона часто интерпретировались неправильно, а суть изложения менялась относительно оригинала.
В любом случае, все существующие законы механики позволяют вполне неплохо существовать нам в рамках нашего мира и строить различные машины. Ваш автомобиль или велосипед – это классическая механика и эти устройства работают и подтверждают выведенные законы. По ним были рассчитаны все машины. Всё ещё возникают мысли, что это ошибки? Изучить классическую механику следует обязательно даже если вы собрались её ругать, чтобы было с чем сравнивать.
Выделить самые важные законы механики невозможно. Ведь каждый закон, который был изучен и сформулирован, ценен по-своему. Каждый из них делает вклад в общую картину мира. Но вот отобрать наиболее часто встречающиеся на нашем жизненном пути закономерности вполне можно. Это мы и сделаем. Выберем те, которые встречаются в повседневной жизни чаще других.
Сделать это будет не сложно. Мы вышли из квартиры, и закрывающаяся дверь прищемила палец собственным весом. Только что мы наблюдали закон сохранения механической энергии. Ещё у нас с собой сумка, а она обладает потенциальной энергией. Если выпустить её из рук, то сумка упадет и опять сработает закон сохранения.
Рис.10. Физика всегда работает вокруг нас
При этом первый закон Ньютона подсказал, что дверь продолжит двигаться по инерции и прищемит нам палец, причем палец испытает такое же воздействие, которое передаст и двери уже по третьему закону Ньютона. Исходя из второго закона Ньютона кто-то толкнет нас в метро с некоторой силой, придавая ускорение, а закон тяготения при этом заставит притянуться к полу и упасть.
Закон Паскаля поможет сработать гидравлическому тормозу на транспортном средстве, которое везет нас на работу или по делам.
Закон Гука расскажет о том, насколько сильно прогнется стол, когда мы поставим на него баклажку с водой и выдержит ли вообще такую нагрузку. Но в скором времени появится свободное время и благодаря закону сохранения импульса мы полетим в отпуск на реактивном самолете. Дальше будем купаться и закон Архимеда не даст утонуть в море.
Примерно так и были выбраны семь значимых законов для рассмотрения. Их работу можно увидеть чуть ли не в каждой секунде нашей жизни.
Закон сохранения механической энергии
На базе понимания процессов сохранения строится вся физика. Энергия сохраняется в самых разных процессах. Нас же пока интересует только механика.
Не случайно закон сохранения механической энергии мы разбираем самым первым. Властелин механики просто обязан познать этот принцип для контроля надо окружающим материальным миром.
Начинается всё с простых явлений и заканчивается самыми сложными. Поспорить с существованием данного закона не смогли даже квантовые физики, которые любят регулярно «отменять» классические представления о природе процессов и частенько обращаются к нему.
Базовое представление о факте сохранения энергии заложили ещё античные философы. Более-менее похожее нашему представлению пониманию сформулировал Рене Декарт в 1644 году.
Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит своё собственное движение.
Правда про количество движения тут стоило бы сказать отдельно, но это совсем другая история. Пока вернемся к сохранению.
Как и во многих других случаях, проще всего разбираться с законом сохранения исходя из механики. Существует тут такой закон сохранения механической энергии. На этом примере и становится понятной основная логика сохранения энергии: если где-то что-то убыло, то где-то столько же этого и прибыло. Кстати, примерно так сформулировал закон сохранения энергии когда-то великий М. В. Ломоносов. Песня немножко из другой оперы, но легко применяется во всей физике.
Анализируя процессы превращения механической энергии очень легко понять и основную суть рассматриваемого вопроса. Ведь исходя из этого очень легко прослеживается постоянный обмен энергией, а не её неожиданное появление и расходование в пустоту.
Где мы видим работу закона сохранения энергии
Закон сохранения энергии встречается нам повсеместно. За прошедший день вы столкнулись с ним как минимум сотню, а то и тысячу раз. Только сделали вы это необдуманно и ничего не заметили.
Но мы же с вами хотим научиться видеть работу подобных законов на практике! Для этого всего лишь следует внимательно наблюдать за окружающим миром. Ведь прежде, чем над чем-то властвовать, нужно научиться это что-то контролировать. Контроль подразумевает длительное наблюдение и выявление закономерностей. Это примерно, как процесс охоты. Рысь охотится на зайца и часами сидит в засаде, выжидая удачный момент для прыжка. Аналогичным образом и мы должны охотиться за знаниями об окружающем мире, хладнокровно фиксируя наблюдения.
Для того, чтобы хорошо ориентироваться в законах физики, нужно научиться видеть их в мире. В случае с механикой это гораздо проще, чем с другими разделами физики. Запомните, чему учит закон, а потом обнаружьте его в природе. Сможете сделать наоборот – встанете в один ряд с Архимедом и Ньютоном.
Но что-то мы отвлеклись от темы. Это было лирическое отступление. Мне кажется так гораздо интереснее что-то изучать, поглощая при этом и другие сопутствующие мысли. В книге и дальше повествование будет строиться таким образом. Так вот…
Закон сохранения энергии можно наблюдать при срабатывании тормозов автомобиля. Колодки нажимают на диск, диск начинает замедляться, а колодки нагреваются. Так энергия движения автомобиля частично передалась колодкам. Механическая энергия превратилась в тепловую. Тепловая энергия в колодках тоже не останется без дела. Она частично превратится во внутреннюю энергию. Кстати, внутренняя энергия тела – это энергия, которой обладают частички тела, входящие в его структуру. Ведь они перемещаются или колеблются, а для этого нужна энергия. Внутренняя энергия тормозных колодок и дисков, в свою очередь, израсходуется на расширение тела.
Подобный пример можно наблюдать при забивании гвоздя. Мы стучим молотком по шляпке гвоздя, а сам гвоздь при этом нагревается. Вновь кинетическая энергия удара молотка превращается во внутреннюю энергию структуры гвоздя, что и приводит к увеличению его температуры.
Рис.11. Превращение энергии при ударе шляпки гвоздя
Закон сохранения энергии легко увидеть в различных процессах, связанных «с перемещениями уровней высоты». Например, если велосипедист пытается заехать на высокую горку, то поднявшись на её вершину, он наберет достаточное количество потенциальной энергии, чтобы скатиться вниз без кручения педалей.
Следующий классический пример – лук со стрелами. Там потенциальная энергия, накопленная в результате деформации лука, передается стреле посредством тетивы. Сама же стрела растрачивает эту энергию на передачу тепла воздуху из-за трения о его частички и поражение цели.
При сжатии пружины кинетическая энергия воздействия переходит в потенциальную энергию сжатой пружины. Вот вам очередное превращение.
Подобным образом можно рассмотреть абсолютно любой процесс, происходящий вокруг нас и увидеть работу закона сохранения. Правда помните, что смотреть следует очень внимательно!
Что такое энергия в физике
Сохранение – это конечно хорошо! Но давайте зададим себе вопрос: понимаем ли мы что такое энергия? Что мы в итоге сохраняем? Скорее всего нет. Положительный ответ будет означать неполное знакомство с рассматриваемым вопросом.
Современная физика не способна на него ответить полностью. Слишком много заковырок и противоречий. Самое значимое из них – что именно в пространстве является носителем энергии? Это атом или молекула? А как тогда быть с процессами, где не участвует как таковое вещество? Там энергии нет, потому что её негде сохранить? Как дела с тепловой энергией? Вопросов очень много, а ответов очень мало. Именно поэтому пока стоит отстраниться от поиска правильного ответа и обратиться к существующему определению. Тем более, что для нас сейчас наибольший интерес представляет механическая энергия и воспринимаем мы её только как некоторую величину.