Страница 4 из 43
Вкратце и поумнее: свободное падение - это модель, при которой тело падает на поверхность Земли исключительно под действием силы собственной тяжести. Имеет свои ограничения, но для тел большой плотности и падающих со скоростью, меньшей скорости звука, сгодится. Ускорение свободного падения, соответственно, показывает, насколько меняется скорость при этом свободном падении. Строго говоря, не всегда постоянно: незначительно меняется на разных широтах и при разных высотах. Но вблизи поверхности Земли в среднем получается 9.8 м/(c^2), обозначается g.
Всё, покончили с кинематикой. Часть вторая - динамика. Как можно вспомнить (после всего вороха подробностей выше это трудно, но ещё можно), она объясняет, почему тело двигается (а не "как"). Или - если совсем в общем - а с чего это вообще скорость тела вдруг меняется. Если тело пьяное, то только одному ему это известно. А если тело физическое, то это вполне можно объяснить очередным количеством математики. Самый ответственный за всю эту бодягу дальше - товарищ по имени-фамилии Исаак Ньютон. Да, тот самый, которому яблоко на голову упало. Хотя поговаривают, что это не яблоко было, а птицы постарались... В любом случае, эффект был один. Но о нём попозже.
Ньютон собрал всю динамику в охапку и сказал: чуваки, да здесь все, в общем-то, просто: всё происходящее можно описать всего лишь тремя закономерностями. Которые впоследствии обозвали его именем - законами Ньютона. Если совсем по-простому, то они сводятся к следующему:
1) Пока не пнёшь - не полетит.
2) Как пнёшь - так и полетит.
3) Как пнёшь - так и получишь.
А теперь поподробнее.
1) Пока не пнёшь – не полетит.
"Не полетит" в простом смысле значит - не будет двигаться. То бишь пока не подействуешь своим туловищем на тележку, она не сдвинется. Разве что если у тебя очень сильные лёгкие, и ты сумеешь сдуть её с места. Но даже в этом случае она поедет не сама по себе, а потому, что её подхватит потоком воздуха - то есть вместо твоего туловища на неё подействует ветер - движение воздуха. А так относительно тебя или относительно той же многострадальной Земли она стоит себе тихонько, никого не трогает. То бишь ускорение у тележки равно нулю, поскольку она стоит на месте и никуда не поедет.
И всё бы хорошо, да здесь есть маленький подводный камень. Ньютон, зараза этакая, подумал даже о космосе и обобщил свой закон даже для него. В космосе же на тебя ничего не действует, значит, если там что-то начнёт лететь - оно так и будет так же лететь даже после отключения двигателей, то есть двигаться равномерно и прямолинейно. В таком случае первый закон Ньютона смело предсказывает, что этот космический корабль так и будет лететь себе дальше, никого не трогая, пока его кто-нибудь не тронет. То есть, опять-таки, двигаться без ускорения. Здесь фразу можно изменить на такую: "пока не пнёшь - не полетит по-другому".
Вот теперь точно полная формулировка. Заумно, да. Но зато описывает чуть ли не абсолютно всё.
Так вот, такие системы отсчёта, относительно которых наше тело двигается без ускорения, называются заумным словом "инерциальные". Почему такое умное слово? Потому что слово "инертность" означает эту самую способность тела сохранять свою скорость постоянной, если на него ничего не действует. Потому как мир неидеален, и даже в космосе на самом деле есть хоть очень-очень маленькое, но отрицательное ускорение - и через какое-то пусть очень-очень большое время, но наш корабль рано или поздно станет лететь медленнее. Просто мы не можем сказать, насколько оно (ускорение) мало, оттого и считаем, что его нет.
Но просто "инертность" - это тупой набор букв, физика такое не оправдывает. Надо, чтоб были цифры. А чтоб были цифры, ввели меру инертности. За этим заумным словосочетанием скрывается не что иное, как самая обыкновенная масса. Чем больше масса, тем меньше будет ускорение, которое получит тело при одном и том же воздействии на него - то бишь тем более инертным будет тело. И наоборот, чем больше масса, тем медленнее тело будет тормозить при одном и том же отрицательном ускорении (ускорении торможения). Ну и, наконец, самое очевидное: чем больше масса тела, тем оно сильнее притягивается к земле. Измеряется масса, как ни странно, не в граммах, а в килограммах. Как в старой задачке - что тяжелее: килограмм ваты или килограмм железа? Правильный ответ - ничего, они оба одинаковы. Потому что и там 1 кг, и там. Хотя воображение пугается - это ж насколько много должно быть ваты, чтоб её набрать целый килограмм?..
Чтобы облегчить представление, из массы появляется вторая важная черта тела - плотность. Она показывает, насколько большая масса содержится в объёме. То есть плотность - это масса делить на объём. Так она и мерится - килограмм на метр кубический. Ясен пень, что у железа плотность гораздо больше, чем у ваты, поэтому, чтобы получить килограмм, его нужно гораздо меньше по объёму. Плотность железа - 7874 кг/(м^3), то бишь для получения 1 кг его нужно будет 1/7874 = 1.27*10^-4 кубических метра, то есть 0.13 кубических дециметров (проще говоря, литров). Какая плотность у ваты, сказать сложнее - это зависит от материала ваты. У самой плотной, которой я находил, была плотность 225 кг/(м^3). Итого 1 кг такой ваты должен быть в 1/225 = 0.004 кубических метра, или 4 литра. (А у самой "воздушной" плотность была 25 кг/(м^3). Вредное домашнее задание: посчитать, какой объём должен занимать 1 кг такой ваты.)
2) Как пнёшь – так и полетит.
Здесь всё попроще. Вот мы толкнули тележку, она поехала. С каким-то ускорением. Чтобы посчитать, чему оно равно, надо нашу прилагаемую силу всего лишь разделить на массу тележки. То есть: ускорение - это сила делить на массу. Осталось только понять, нет ли в слове "сила" каких-нибудь подвохов. А то слова простые, да товарищи физики временами таких свиней подкладывают, что диву даёшься, как всё непросто.
На первый взгляд, ничего сложного. Сила характеризует действие на тело. Но определяется она этой самой формулой масса*ускорение только в инерциальных системах отсчёта. Почему так? Потому, что если на наше туловище уже действуют какие-то силы, то ускорение, которое получим от нашей силы, которую считаем, может быть искажено. То есть если, например, взять человека в машине и систему отсчёта "столб у дороги". Машина едет, не справляется с управлением и врезается в этот столб. Это не инерциальная система отсчёта - машина ехала с каким-то ускорением относительно нашего столба. Когда она стукнулась, то на столб подействовала сила от машины. Но с каким ускорением он полетит сам относительно себя - чёрт ногу сломит считать. Не знаю, до какого маразма нужно дойти, чтобы считать ускорение столба относительно самого себя, так что эту оговорку (про инерциальную систему) многие спокойно забывают. Но физика здесь намертво сцеплена с математикой, а последняя здесь строго грозит пальцем: так нельзя, это не по понятиям, ахинею насчитаешь.
Ладно, все эти заумные предположения про ускорения оставим теоретикам в бакалаврских (или магистерских?) шапках. Последнее, что хотел сказать о силе, - её единица измерения. И здесь не обошлось без товарища Ньютона - она названа его именем. 1 ньютон (Н) - это сила, которая телу массой в 1 кг даст ускорение 1 м/(c^2). Если совсем наглядно (но для школьной физики формулировка уже будет неправильная): это сила, которую нужно приложить, чтобы удержать тело массой 1 кг на одной высоте. То есть ньютон можно выразить в более простых единицах так: Н = кг*м/(с^2).
3) Как пнёшь – так и получишь.
Самый простой закон из этих трёх. Если машина врежется в столб, то не только машина подействует силой на столб, но и наоборот - столб подействует на машину с такой же силой, только противоположной по направлению. Собственно, именно поэтому при сильных столкновениях авто складывается в гармошку именно спереди. То есть столб и машина действуют друг на друга с силами, одинаковыми по величине, но направленными друг против друга. По той же причине становится больно при падении с высоты - не только ты действуешь ногами на поверхность земли со своей силой тяжести, но и земля отвечает тебе точно такой же любезностью - ровно с той же силой отвечает твоим ногам. (Больно становится оттого, что такая механическая нагрузка на организм уже слишком большая, и он "сигналит" тебе таким образом: эй, ты так можешь сломать то, на что я указываю тебе болью, - аккуратнее, мол!)