Относительность: для старших школьников и младших студентов

Предисловие

Необходимо сделать следующие предупреждения. Предлагаемая брошюра адресована достаточно узкому кругу читателей. Прежде всего, она не имеет прагматического предназначения, поэтому не может быть полезной для подготовки к ЕГЭ или к экзамену по физике в вузе. Вряд ли она окажется необходимой большинству преподавателей. Эта книга не является учебным пособием, поскольку по существующим стандартам учебное пособие должно быть аффилировано с определенным учебникам и лишь дополнять его. Между тем материал, представленный ниже, отсутствует в традиционных учебных изданиях.

Авторы надеются, что, как говаривал Н. Гоголь, «книга сия найдет своего читателя». Предлагаем ее умным школьникам старших классов и любознательным студентам младших курсов вузов. В качестве прецедента можно указать на одну из лекций, проведенных академиком Н.Н. Красовским в УПИ. Перед ее началом великий ученый потребовал, чтобы «аудиторию покинули все преподаватели и остались только студенты». Один из авторов настоящей книги хотел спрятаться под партой и послушать, но постеснялся.

Введение

В фундаменте физики находится принцип относительности. Если этот «камень» убрать, все здание рухнет. Принцип был открыт в начале 17-го века Галилео Галилеем. Затем, через столетие, он был использован Исааком Ньютоном и принят сообществом ученых в виде первого закона динамики. Общую формулировку обсуждаемого принципа нетрудно найти в учебнике, а сущность его выражают следующие частные утверждения.

1) Любое движение – относительно. Любое тело может одновременно и покоиться, и двигаться с любыми скоростями.

2) Покой относителен, он является лишь одним из видов движения.

3) Движение может складываться из неограниченного числа реальных независимых движений.

4) Всякое движение можно разложить также и на воображаемые, гипотетические движения, в частности, параллельно координатным осям.

5) Значения не только скорости, но также импульса и кинетической энергии относительны, зависят от выбора наблюдателем системы отсчета.

Как известно, «короля делает его свита». Так говорил когда-то придворный итальянского герцога Н. Микиавелли (https://upravlenie.org/468-stratagema-korolja-delaet-svita.html ). Опишем в настоящей брошюре «свиту» принципа относительности, представив его в форме реальных ситуаций, эффектов и казусов.

Полет на воздушном шаре

Обратимся сначала к персонажу №2 из представленного выше списка свиты принципа относительности. Действительно ли покой и движение относительны? Рассмотрим ситуацию «воздухоплавание».

Задача 1. На рис.1.1 изображены картины движения воздушного шара. Стрелка – направление ветра. В каких рисунках художник допустил ошибки? В чем они заключаются?

Рис.1.1. Полет аэростата в воздушном потоке; стрелка – направление ветра

Решение. Можно привести доводы в пользу правильности изображения для всех трех вариантов. Вариант «а»: «ветер тянет легкую круглую оболочку, при этом тяжелая квадратная корзина отстает»; «б» – и шар, и корзина двигаются вместе, как целое; «в» – тяжелая корзина тянет за собой легкий пузырь.

Чтобы выбрать правильный ответ, вспомним, что воздушный шар относится к летательным аппаратам типа воздухоплавания. Аппарат плывет вместе с воздухом. Ветер – это просто движущийся воздух. Поэтому шар вместе с корзиной неподвижен относительно движущегося воздуха. Заметим попутно, что различные части воздушного шара и пассажир вообще не должны ощущать ветра, потому что вся рассматриваемая система как бы заключена в движущийся воздух, перемещается вместе с ним.

Ответ: правильная картинка – 2; движение шара относительно, он покоится относительно движущегося воздуха.

Чтобы проверить авторов, совершите путешествие на резиновой лодке по горной реке. Допустим, что Вашим товарищем оказался заядлый курильщик. Он бросил окурок из лодки в бурную воду. Что будет с окурком: вода унесет его вперед, он отстанет, или будет болтаться рядом с лодкой?

Или, если у Вас имеются достаточные денежные средства, наймите воздушный шар и во время полета вывесьте флаг с его борта. Интересно, что будет с полотнищем: вытянется по ветру, отстанет от несущегося шара или будет висеть вниз?

Чтобы рассмотреть персонаж №1 из свиты короля, перенесемся мысленно на поля сражений войны 1914-го года.

Можно ли поймать пулю рукой?

Мысленно на поля сражений войны 1914-го года.

Задача 2. Во время Первой мировой войны летчик рассказывал о следующем случае. «Господа, пролетая на высоте полумили над полем сражения, я наблюдал множество взрывов и выстрелов. И вдруг я увидел небольшой блестящий предмет, висящий в 2-х футах от моего аэроплана. Я схватил его рукой. Представьте мое изумление, господа! Это была пуля! Горячая ружейная пуля!»

Возможно ли это?

Решение. В принципе, возможно. Пуля, выпущенная с земли под углом к горизонту, меняет направление и величину скорости своего движения, при этом траектория приобретает форму параболы, изображенной на рис.2. Поэтому, в соответствии с принципом относительности Галилея, летящая пуля в некоторой точке траектории может приобрести скорость, равную скорости самолета. В результате эффекта относительности пуля в этой фазе полета может практически покоиться относительно самолета, летящего в том же направлении. Следует, правда, заметить, что покой пули будет продолжаться недолго. Вывод: покой и движение пули – относительны!

Рис. 1.2. Относительное движение пули и самолета в задаче 1.2; штриховая линия – траектория пули

Ответ. В принципе, возможно.

Необходимо все же отметить, что для осуществления подобного события необходимо соотнести скорость аэроплана, угол наклона винтовки и момент выстрела. Необходимо также учесть величину начальной скорости пули и высоту полета летчика.

Чтобы не утомлять читателя, точное решение задачи и определение «коридора» параметров предоставим на самостоятельную работу.

Относительность на яхте

Перемесимся как-либо образом на яхту. Продолжим проверку правила «любое движение относительно».

Задача 3. Металлический шар подвешен на мачте яхты, двигающейся вперед со скоростью 10 м/c. В какой точке платформы (а, б или в), изображенной на рис.1.3, следует ожидать падения сорвавшегося груза?

Решение. С точки зрения «здравого смысла» – все три варианта имеют право на рассмотрение. Можно считать, что яхта движется вперед, а болванка – вниз (вариант «а»). Или, наоборот, мачта «толкнет» шар вперед, и он опередит ее (вариант «в»).

Предлагаемую задачу можно решить традиционным, «математическим методом», но можно использовать метод «мысленного эксперимента». Он заключается в следующем. Жизненный опыт показывает, что если окружить падающий шар ширмой и встать вовнутрь ее, то движение яхты станет незаметным. Мы увидим, что болванка упадет строго вниз, под точку подвеса «б».

Можно применить также чисто «математическое» решение. Используем упомянутое выше правило 4. Согласно ему, можно разложить движение системы на независимые, горизонтальное и вертикальное. Учтем, что платформа движется вправо со скоростью V0. Шар падает вниз со скоростью Vy.= gt. и вправо со скоростью V0. За время падения шара платформа и болванка пройдут одинаковый путь по горизонтали.

Ответ. Шар упадет в точку «б».

Рис.3. Возможные направления движения сорвавшегося груза

Рассмотренный пример имеет свое происхождение от задачи, которую придумал еще Галилео Галилей. Возможно, он предлагал ее придворным Лоренцо Медичи, чтобы, чтобы убедить их в правильности своих «странных» утверждений о незаметности движения. Наверно, он показывал кому-нибудь падение предмета с мачты корабля и предлагал убедиться самим, что груз падает к подножию мачты, независимо от скорости самого корабля.

По легенде, Галилей открыл свой закон именно на корабле, в каюте. Он заснул в ней, а когда проснулся, не мог определить, отчалил ли корабль от пристани. Въедливый ученый не стал открывать иллюминаторы, а попытался определить состояние корабля по движению предметов в каюте. Оказалось, что движение бросаемых предметов было таким же, как если бы корабль стоял. Лишь выйдя на палубу, ученый убедился, что корабль стремительно удаляется от берега.

Полет на самолете со скоростью 800 км/час

Мы можем также обратиться и к современному опыту. При этом упростим задачу. Вместо покупки яхты, приобретем билет на самолет.

Рис. 1.4. Самолет движется со скоростью 800 км/час; в кружочке изображен шарик, висящий внутри салона

Если мы находимся внутри самолета (или едущего поезда, при условии, что он едет с постоянной скоростью и по прямой), то не ощутим этого движения. Мы знаем также, что и внутри салона самолета любые процессы не зависят от скорости полета. Действительно, если в авиалайнере мы подвесим на нитке шарик (рис.4), то он натянет нить вертикально вниз. Это означает, что грузик не «отстает» и не «опережает» самолет. Или, например, если уронить в самолете монетку, она упадет вертикально, к Вашим ногам. Если бы движение самолета влияло на падение монетки, ее, возможно, отбросило бы в хвостовую часть салона.

Таким образом, движение самолета со скоростью 800 км/час относительно, оно существует для зрителей на земле, летающих птиц и облаков вокруг него, но отсутствует внутри лайнера. Покой – относителен!

Внутри колеса

Чтобы продемонстрировать тот факт, что движение всегда происходит лишь относительно чего-либо, рассмотрим следующую простую задачу.

Задача 5. На рис.5 изображено колесо, катящееся, вправо со скоростью 10 м/с. Радиус колеса 1 м. Чему равна скорость движения точки А, расположенной на ободе, относительно точки на оси «О» колеса?

Ответ. Условия задачи оказались провокационными. Расстояние между точками А и О не меняется! Поэтому их взаимная скорость равна нулю. В этом можно убедиться визуально, если закрепить в точке «А» диска видеокамеру и направить ее к точке «О». На экране мы увидим, что, точка «А» покоится относительно оси «О» (хотя и движется относительно земли).

С относительностью, сложением и разложением скоростей мы сталкиваемся регулярно на автомобильных дорогах. И хорошо было бы, если бы иногда такое «сложение» – было лишь воображаемым. Рассмотрим некоторые эффекты аварийных движений в следующих задачах.

Рис.5. Диск, катящийся вправо

Откуда берется внезапное вращение автомобиля?

Яркими курьезами, связанными со сложением скоростей, могут служить ситуации, связанные со сложением вращательного и поступательного движения. Рассмотрим сценарий из повседневной       жизни.

Задача 6. На рис.6 изображена схема аварийной ситуации. При движении автомобиля на скользком вираже А-В произошла потеря сцепления колес с дорогой и машину выбросило на обочину ВС. Как известно из практики вождения, в подобных ситуациях возникает вращение автомобиля в горизонтальной плоскости. Почему это происходит? Чему равна частота вращения?

Решение. При рассмотрении данной ситуации необходимо учесть, что реальное тело, в отличие от материальной точки, может одновременно двигаться поступательно и совершать вращение «как целое». Поступательное движение характеризуется линейной скоростью v, измеряемой в м/c, а вращательное движение – угловой скоростью ω, измеряемой в радианах в секунду.

Нетрудно видеть, что до точки «А» движение автомобиля было «простым»: поступательным и прямолинейным. После входа в вираж «АВ» движение автомобиля делается сложным. Можно видеть, что машина начинает менять свою ориентацию. В частности, пройдя четверть поворота, ее ось, направленная от заднего сидения к переднему, совершит поворот φ на 90 градусов, то есть на π/2 радиан. Можно констатировать, что машина приобрела угловую скорость ω= Δφ /Δt, где φ – угол поворота, символ Δ означает «величину изменения».

Сложный характер движения на участке AB незаметен, но он проявится сразу после того, как как машина вылетит на скользкую обочину ВС. При этом центр тяжести автомобиля продолжит свое движение со скоростью v прямолинейно и сохранится полученное вращение как целого, со скоростью ω (рис.6).

Рис.6. Движение автомобиля на скользком вираже; B – потеря контакта, прямая стрелка – вектор скорости поступательного движения, дуговая стрелка обозначает угловую скорость

Оценим масштаб наблюдаемого эффекта вращения. Пусть скорость v = 50 м/с и радиус виража R = 25м. Тогда скорость вращения ω легко оценить, используя равенство: ω = Δφ /Δt, где Δφ и Δt – изменение угла и времени при движении по виражу. Если выражать Δφ в радианах, а ω – в радианах в секунду, то нетрудно продолжить полученное равенство: ω = v/R, то есть величина ω пропорциональна v и обратно пропорциональна значению радиуса виража R. Заключаем: в рассматриваемых условиях период вращения будет равен T = 2 π / ω = 3,14 сек.

Ответ. Частота вращения равна ω = v/R.

В рассмотренном примере проявился сложный характер движения, характеризуемый наличием двух независимых составляющих: вращательного и поступательного. Частота вращения ω пропорциональна скорости v и обратно пропорциональна радиусу виража R . Попутно заметим, что в реальности приходится сталкиваться с автомобилями разных размеров, массы. Как это сказывается на скорости вращения? Может ли инициировать вращение ряд инцидентов: столкновения с препятствиями и другими машинами, состояние шин, дорожного полотна. Выносим эти вопросы на самостоятельное изучение.

Может ли лед сжигать?

Относительными могут быть не только скорость и покой различных объектов, но также и иные характеристики движения, в частности кинетическая энергия. Чтобы продемонстрировать это утверждение, рассмотрим следующую задачу.

Задача 7. Может ли энергия, заключенная в куске холодного льда, испепелить огромный район Земли?

Ответ. Астрономы утверждают, «да!» Известно, что в 1908 году упал Тунгусский метеорит. Результаты падения иллюстрируют рис.7 а,б.

1) 

2) 

Рис. 1.7. Эпицентр взрыва в настоящее время (а) и фотография экспедиции 1927-го года Леонида Кулика на Подкаменную Тунгуску (б), http://www.planetsecret.ru/tungusskij-meteorit-zagadki-i-tajny/

Астрономы говорят, что Тунгусское небесное тело состояло в основном из замороженного льда, то есть являлось кометой. На поверхность подобного объекта можно было бы безопасно посадить космический зонд. Однако при столкновении метеорита и Земли внезапно проявилась огромная кинетическая энергия их относительного движения. Метеорит превратился в огромное огненное облако. Эта замороженная, «безопасная» вода произвела испепеляющий взрыв, мощность которого оказалась выше, чем у сотен и даже тысяч атомных бомб! Таким образом, кинетическая энергия небесных тел – относительна. Для космического зонда, севшего на его поверхность она неощутима, а для планеты, на которую упадет пришелец – катастрофически велика.

Воробей-убийца

Задача 8. Может ли порхающий в воздухе воробей пробить стальной лист?

Ответ. Оказывается, может. Действительно, на аэродромах существует подобная острая проблема. Птица может повредить летящий самолет, благодаря сложению их скоростей. Таким образом, импульс тела – величина относительная. На рис.8 изображен результат подобного столкновения, произошедшего в Международном аэропорту Денвера, США 31 июля 2013 года. Согласно данным сайта birdstrike.org, столкновения с птицами наносят ущерб гражданской и военной авиации США на сумму свыше 600 миллионов долларов ежегодно. В частности, в Бразилии, за год фиксируют более 500 столкновений пассажирских самолетов с птицами.

Рис. 8. Фото Боинга 737 после столкновения с птицей, http://novostey.com/auto/news425847.html

Сложные движения

Задача 9. Может ли свободно движущееся тело, например, снаряд, «облететь» препятствие?

Ответ. Подобная ситуация реализуется в артиллерии, при движении снаряда по «навесной» криволинейной траектории, в частности при использовании мортир, минометов и подствольных гранатометов. Схема движения снаряда, поражающего скрытую цель, представлена на рис.8.

В рассматриваемом случае движение тела – сложное. Оно состоит из суперпозиции (сложения) двух движений – равномерного по горизонтали и ускоренного по вертикали. Однако следует заметить, что такое движение возможно лишь в вертикальной плоскости. По горизонтальной плоскости такие траектории осуществимы лишь при использовании дополнительной вынуждающей силы. В настоящее время разрабатываются «умные» пули, меняющие траекторию движения по заданной программе.

Рис.9. Штриховая линия – траектория движения снаряда.

Дорожно-транспортные иллюзии

Задача 10. Легковой автомобиль обгоняет грузовой и при этом «подрезает» его. Схема движения изображена на рис.9. Произойдет ли ДТП? Насколько будут серьезны последствия? Скорость легкового автомобиля vлегк = 70 км/час, грузового составляет vгруз = 60 км/час. Руль при обгоне был повернут на угол α = 30 градусов.

Решение. На рис.9а изображена схема движения автомобилей, как она выглядит для внешнего наблюдателя, например, для сотрудника ГИБДД. Объекты двигаются с большой скоростью по сходящимся траекториям и пересекающимся, представленным на рисунке пунктирными линиями. Однако пересечение линий еще не означает реального столкновения. Ведь к моменту, когда грузовик пересечет траекторию движения легковушки, она может уже проскочить вперед или, наоборот, отстать и пропустить грузового монстра.

Однозначное решение задачи осложняется тем, что двигаются сразу два тела. Задач значительно упростится, если одно из тел покоится. Оказывается, принцип относительности позволяет это сделать. Ведь движение – относительно. Применим один из стандартных приемов кинематики относительного движения. Перейдем к системе отсчета, связанной с легковым автомобилем. В этой системе легковая машина покоится, а движется только грузовик.

Рис.10. Обгон грузового автомобиля легковой машиной; а – схема движения для внешнего наблюдателя, б – векторное вычитание скоростей, в – картина столкновения в системе отсчета, связанной легковым автомобилем.

Чтобы выполнить такую операцию, необходимо прейти в такую систему отсчета, в которой из скоростей всех тел вычитается скорость автомобиля vлегк. Вычитание можно произвести графически, так, как изображено на рис. «в». Направление и величину новой скорости относительного движения можно найти, произведя векторное вычитание vотн = vгруз – vлегк , изображенное на рис. 9б. В результате приходим к картине движения, представленной на схеме 9в. На нем легковушка покоится, а движется лишь грузовик. Видно, что новая, «относительная», траектория грузовика пересекает силуэт его соседа. Столкновение произойдет! Левая точка переднего бампера грузового должна ударить в заднюю часть правого крыла легкового автомобиля.

Проведенные математические вычисления можно заменить видеорегистратором или просто пассажиром, сидящим в легковой машине. Они бы зафиксировали, что если отвлечься от окружающих дорогу предметов, то будет казаться, что кабина легкового автомобиля и все его содержимое покоятся, а грузовик приближается сбоку, слегка отставая и «целясь» в корму.

Ответ. Легковой автомобиль ожидает существенный ремонт кузовной части, грузовик лишится фары.

Движется ли Солнце по небу?

Перейдем к следующей задаче. На рис.11 изображена фотография заходящего Солнца. А все-таки, что движется – Солнце, или Земля? Обсудим этот вопрос.

Рис.11. Бога Ра везут. Фото автора (И.Н. Сачкова)

Вопрос 11. Правильно ли говорить: «утром солнце встает, а вечером – уходит за горизонт»? Ведь известно, что это Земля вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца? Решил ли Коперник этот вопрос окончательно?

Обсуждение. На рис.12 изображены портреты двух великих людей. Они оба были очень хорошими математиками и механиками. Но на поставленный выше вопрос они дали бы взаимоисключающие ответы. Первый из ученых – Клавдий Птолемей, живший в 100 –170 гг. и работавший в знаменитом Александрийском Мусейоне. Он создал теорию, согласно которой Солнце вращается вокруг Земли.

Второй – Николай Коперник, 1473-1543 гг., государственный деятель Германии и Польши. Согласно его теории огромная Земля движется, как кораблик, вокруг солнечного диска.

Рис.11. Портреты двух великих астрономов; сверху – Клавдий Птолемей, создавший теорию вращения Солнца и планет вокруг Земли; снизу – Николай Коперник, предложивший схему вращения Земли и ее движения вокруг Солнца

Так кто же прав?

Обсуждение проблемы мы сделаем попозже. Там имеются нюансы. Но принципиальный ответ можно сделать уже сейчас. Любое движение относительно, можно считать, что Земля покоится, а можно утверждать, что летит вокруг Солнца. Так говорит закон относительности. А закон всегда есть закон!

Речь идет о важнейшей проблеме 17-го столетия. Из-за ее трактовки церковь сожгла на костре Джордано Бруно, замучила и сделала инвалидом Галилея. Лишь заступничество тогдашнего государя, герцога Лоренцо Медичи, спасло жизнь великому ученому. Проблему иллюстрирует

рис. 1.12, на котором сопоставлены две схемы. На верхней из них Солнце и Луна вращаются вокруг неподвижной Земли. Эта модель называется «геоцентрической». Ее разработал и усовершенствовал великий ученый античности, Клавдий Птолемей примерно в 100 – 170 гг. На нижней части рисунка представлен и схема, согласно которой Земля вращается и вместе с Луной движется вокруг Солнца. Эту теорию представил. Николай Коперник.

С точки зрения принципа относительности движения – обе схемы равноправны. Однако имеется один дополнительный фактор, который влияет на признание теории истинной. Дело в том, что теории должны еще быть связаны с другими теориями так, чтобы не противоречить им. Ситуация подобна детской игре – собрать картинку из кусочков, «пазлов».

В частности, любое положение кинематики не должно противоречить ни одному положению динамики или теории сохранения энергии.

Теория Птолемея противоречит и теории гравитации, и динамике Ньютона, и законам сохранения момента вращения. Оказывается, что не может тяжелое Солнце вращаться вокруг легкой Земли. Ну и, конечно, полеты космических кораблей окончательно делают правым Коперника.

Существует еще несколько доказательств правильности теории вращения Земли. Они заключены в эффектах закручивания атмосферных и океанических течений. Кроме того, известна общая особенность: если река течет с севера на юг в северном полушарии, то ее правый берег – крутой, а левый – пологий. Однако эти особенности требуют отдельного рассмотрения и выходят за рамки настоящей брошюры.