Физика для «чайников». Несерьезное пособие

Кинематика

Что это вообще такое, и зачем это нужно?

Раздел школьной механики про движение состоит из трёх основных частей: кинематики, динамики и статики.

Проще всего это объяснить так. Например, ты идёшь по улице, и вдруг на пути появляется яма. Не заметив её, ты падаешь. Говоря умным словом – движешься.

И все эти три раздела смотрят на это движение каждый со своей стороны.

Так вот. Кинематика – это:

Как ты движешься? (Вниз, ускоряясь.) Когда остановишься? (Когда долетишь до дна.) Через какое расстояние остановишься? (Ровнёхонько глубина ямы, ну и углубление, оставленное туловищем, если хорошо упадёшь.)

Динамика – это: почему ты начал двигаться, почему продолжаешь это делать и почему закончил (если закончил). Например: начал потому, что это сила притяжения Земли к тебе такая вредная, и продолжаешь лететь, потому что она по-прежнему действует.

А статика – это что надо делать, чтобы ты оставался в равновесии. То есть когда занёс одну ногу над ямой, надо было успеть сообразить, что делаешь, и убрать её обратно, и в то же время податься туловищем немного назад.

Говоря чуть более умным языком: кинематика как бы отвечает на вопрос «как тело движется?», динамика – «почему тело движется?», а статика – «при каких условиях тело будет в равновесии?».

Кругом умное слово: движение. Оказывается, и это тоже понятие! Причём оно настолько заумное, что означает всего-навсего изменение. Просто изменение, и всё. В широком смысле – то есть в физике вообще. Если брать более узко, то механическое движение – это когда что-то меняет своё положение.

Но есть один подкол. Вспомним детство: едем на машине, автобусе, электричке… это не так важно, – и смотрим в окно. И кажется, будто дома или деревья едут мимо тебя, а ты стоишь на месте. А вот если на тебя посмотрит кот из окна первого этажа дома (мимо которого проезжаешь) – ему будет казаться, что ты движешься.

Короче, суть всей этой маленькой шизофрении – движением можно считать что-то, только если это движется относительно чего-то.

Нет, это ещё не страшная теория относительности Эйнштейна, не надо пугаться. Обзывается сие хозяйство «системой отсчёта». Вот поставил на себе жирную белую точку мелом – всё, теперь считаешь себя точкой с координатами (0;0;0). А тот момент, когда поставил точку – это считаешь, что пошло время (с 0 секунд и до бесконечности… плюс бесконечности – для особых умников). Всё, теперь ты – система отсчёта! Относительно тебя, например, крутятся Земля и другие планеты. Ну прямо центр Вселенной!

Вкратце и поумнее: для положения тела необходимо определить систему отсчёта (это «отправная» точка с координатами (0;0;0) и начало отсчёта времени), относительно которой будет считаться всё, что связано с тем, как оно движется. Если относительно данной системы отсчёта тело меняет своё положение, то считаем, что оно двигается.

Материальная. И точка!

Вот не могут физики без упрощений, хоть убей. Что мешает взять, например, самолёт и посчитать, как он летит? Нет, это слишком сложно для умных мозгов местных учёных! Для этого, видите ли, надо считать, как движется чуть ли не каждая точка сего транспортного средства. А из скольких точек состоит самолёт? А пёс его знает. Даже что такое точка, те же умники учёные сказать не могут: это настолько простой термин, что его даже не определить. Поэтому тут в мозгах у них происходит что-то, похожее на деление на ноль в калькуляторе: точек настолько много, что их всех не посчитаешь. А значит, не посчитаешь и весь самолёт! Ну и что тогда делать?

А вот что. Мы встанем далеко-далеко от самолёта – говоря проще, вернёмся с неба на землю. Нет, совсем на землю. А самолёт поднимем ещё выше. Настолько высоко, чтобы он казался точечкой. Во, теперь получилась материальная точка.

Самолёт кажется отсюда настолько малым, что его размерами можно пренебречь: сколько он там метров в длину, и какой у него размах крыльев, уже не интересует. Летит себе одной точкой, и всё: одну эту точку теперь можно посчитать. Материальную точку, выражаясь умным языком. Но главное – не отрываться при этом от земли! Ну и, чтобы всё совсем было хорошо, надо на земле поставить точечку (0;0;0) и включить секундомер. Всё, поехали… то есть полетели. Считать.

Вкратце и поумнее: материальная точка – это модель тела, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Для простоты счёта все тела, которые можно рассматривать как материальные точки, рассматриваем именно так.

Траектория? Перемещение? Не, не слышал

Ну хорошо, выбираем самолёт. Посмотрим, как он летит весь свой путь. Вот он разгоняется на взлётно-посадочной полосе в аэропорту, отрывается от земли, взмывает ввысь, летит… Затем снова снижается, тормозит и останавливается уже на месте назначения. Если бы он чертил за собой линию, то получилась бы дуга. (Напоминаю, мы смотрим по-прежнему настолько издалека, что самолёт кажется точкой. Будь мы ближе – конечно, это была бы не дуга.) По-умному сия дуга называется траекторией. Если померить её длину, то получим путь. Тот самый, который в начальной школе считается, как скорость, умноженная на время. Но если бы всё было так просто… Помимо пути, есть ещё перемещение. Слово похожее, но значит другое. Перемещение – это если соединить начальную и конечную точки прямой линией. То есть, получается, самый короткий из всех возможных путей: обычный путь может быть изогнут хоть буквой Зю, а этот всегда только отрезок. Но здесь есть ещё один подвох. Перемещение – это ещё и направленный отрезок. Зачем такое умное нагромождение? Потому, что физика тесно сплетена с математикой. Мы же не просто так поставили точку (0;0;0) и включили время – теперь в тех координатах, которые мы создали, можно считать всё, что требуют от бедных нас в тоннах задач. И считать нужно именно по перемещению, а не по пути. В конце концов, нам же выгоднее добираться до места назначения быстрее всего, то бишь кратчайшим путём? А стрелочка ставится затем, чтобы точно знать, откуда и куда держим наш путь… нет, наше перемещение.

Вкратце и поумнее: траектория – воображаемая линия, по которой движется материальная точка. Путь – длина траектории. Перемещение – направленный отрезок (или уж совсем по-умному – вектор), соединяющий точки, соответствующие начальному и конечному положению тела.

И всё-таки: ну зачем нужны все эти упрощения?!

Всё, наконец-то все приготовления закончили. Теперь, собственно, а зачем всё это было нужно. Считается, что полный венец любой решённой задачи механики, когда всё становится хорошо, – это когда мы можем знать:

а) в какой момент наше подопытное туловище где находится;

б) суметь предсказать его движение в дальнейшем,

или в) по нынешнему его движению показать, что было «до того». (Ну прямо как детектив.)

Вроде бы кажется страшно сложным, но строгая математика тут грозит пальцем: для неё ничего сложного здесь нет. Почему? Потому, что можно выделить всего три основных вида движения: равномерное прямолинейное, неравномерное и равномерное движение по окружности.

Равномерное прямолинейное – это как на шоссе. Втопил газу до круиз-контроля на 120 – и езжай хоть целый день, если дорога достаточно длинная. Всё время едешь постоянно 120 км/ч – значит, движешься равномерно. И прямолинейно, если без крутых поворотов. Если 120 вдарить на кольцевой дороге, получится движение по окружности. А если нажать на тормоз и держать педаль в одном положении, пока не остановишься – получится неравномерное движение. Если совсем точно – равнозамедленное: тормозишь, едешь всё медленнее и медленнее, причём каждую секунду скорость понижается одинаково.

То есть, по-русски: равномерное – значит, за любой промежуток времени у тебя будет одно и то же перемещение. Если взять ту же машину, то за каждый час это будет 120 километров ровно, за каждую минуту – 20 км, ну и так далее. Неравномерное – это всё, что отличается от равномерного. За один час проехал 119 км, а за второй 120, – всё, если считать строго, это уже неравномерно. Движение по окружности стоит особняком: там перемещение получается всегда меньше, чем любой из путей (особенно если приезжаешь ровно в ту же точку, откуда уехал). Но если скорость по значению остаётся одна и та же, то оно будет равномерным.

Да. Скорость. К счастью, это та же самая скорость, с которой привыкли обычно иметь дело. Только в физике мерят её не в километрах в час, а в метрах в секунду. Это если говорить о её значении, или – по-умному – о модуле. Да-да, тот самый модуль с палочками из математики. К сожалению, он не полностью определяет скорость в физике. А полностью будем определять, если ещё и зададим ей направление. То есть – по-умному – получается вектор. Отрезок со стрелочкой: если знаешь, куда он направлен и сколько у него длина, только тогда всё хорошо. Тогда скорость известна.

А если рядом с нашей едущей машиной проедет другая? Тоже со скоростью 120 километров в час? Тогда получится, что относительно нас она стоит на месте. Потому что скорости одинаковые. Если будет чуть быстрее (например, 121) – то очень медленно станет двигаться вперёд. Чуть медленнее (ну, скажем, 119) – так же медленно, но назад. То есть скорость нашей машины вычитается из той, второй. 121 минус 120 будет 1 – понятно, медленно ползёт вперёд. А 119 – 120 будет -1 (минус один). Что означает – она по-прежнему едет, но не вперёд, а в противоположную сторону, задом наперёд. Что нам и кажется – она как бы медленно даёт задний ход с той же скоростью 1 км/ч.

Вкратце и поумнее: при равномерном прямолинейном движении тело за один и тот же промежуток времени совершает одинаковые перемещения. Если хотя бы для одного промежутка времени это не соблюдается, движение не считается равномерным. Скорость при равномерном движении – это перемещение, которое совершили, делить на время, за которое оно было совершено, т.е. тоже вектор, причём постоянный по модулю. Единица измерения – метр в секунду (м/с). При движении двух тел в некоторой системе отсчёта, чтобы посчитать скорость движения второго тела относительно первого, достаточно из скорости второго тела вычесть скорость первого.

А в реальности всё по-другому…

Ну, это всё был идеал. Равномерное движение – это то, чего хотят составители расписания автобусов, поездов метро и прочего транспорта. Которое, как мы видим, толком и не соблюдается (а даже если и соблюдается, то не секунда в секунду, а всё равно с отклонениями). Потому что движение там хоть и прямолинейное, но никак не равномерное. Трудно очень удержать одну и ту же скорость в наше нелёгкое время. Для этого физика предусмотрела более широкий вариант под названием «переменное движение».

При переменном движении тоже есть скорость, только она имеет немного другой характер. Это всё то же «перемещение поделить на время», но есть одно «но». Скорость-то, зараза такая, всё время меняется… если смотреть от того момента, как начал двигаться, до того, как закончил. То есть за большое время. А если посмотреть время поменьше – скорость будет меняться не так резко. Ну и, наконец, если совсем-совсем сузить обзор, то будет казаться, что скорость вообще постоянная (но за очень маленький промежуток времени). Вот за это и можно зацепиться!

Поэтому здесь получается так: очень маленькое перемещение делить на очень маленькое время. Они настолько маленькие, что первое стремится к точке, а второе – к мигу. То бишь, оба стремятся к нулю. В страшной математике (на которую, увы, физика опирается) такую дробь называют производной. Если совсем по-русски – то это скорость изменения по тому, по чему «производят». То есть получается, что наша многострадальная скорость – это скорость, с которой перемещение меняется во времени. Или, совсем по-простому, – как с течением времени меняется то самое разное расстояние, которое мы проезжаем на нашей машине.

И всё бы хорошо, да не помогает это избавиться от основной головной боли: скорость-то эта всё равно меняется всё время! И считать её получается совсем невыгодно: чтобы точно знать, как что движется, придётся считать эту скорость чёрт-те сколько раз. (Сколько? Ну, попробуйте посчитать, сколько бесконечно маленьких промежутков времени, например, в одной секунде.) Поэтому придумали ещё одну фишку.

Называется она ускорением. Это как бы вторая производная – оно показывает, как меняется скорость. Если смотреть так же: при очень маленьком времени это будет изменение нашей «типа постоянной» скорости (тоже может быть близким к нулю, хотя по факту точно не ноль) делить на наше очень маленькое время. То есть получается, что ускорение – скорость изменения скорости. Тоже получается всё тот же несчастный вектор (из-за того, что скорость векторная, а время – число, на которое вектору по барабану, умножат его или разделят). А в чём мерят ускорение, можно даже догадаться. Если скорость (метр в секунду) разделить на время (секунду), получится метр на секунду в квадрате. Звучит странно, но именно в таких единицах и мерят. Хорошо ещё, что не обзывают никак дополнительно. А то в физике местами есть такие загоны – все величины называть именами кого-нибудь. (К счастью, в механике это ещё не так заметно.)

Ладно, отвлеклись. Зачем вообще нужны все эти заумные скорости, ускорения, скорости изменения скорости и ещё чёрт знает чего… А вот зачем. Переменное движение, вообще говоря, может быть либо ускоренным, либо замедленным. Когда едем на той же машине, мы либо потихоньку ускоряемся, либо потихоньку тормозим. И в большинстве случаев это движение бывает равноускоренным или равнозамедленным. Это означает, что ускорение при нём постоянно!

То есть, если посчитать ускорение, то можно размотать клубок в обратном направлении: посчитать скорость в тот момент, который нам нужен, а из неё уже можно получить перемещение за общее время. Больше, как правило, не просят, так что дальше можно расслабиться. Более того, разница между ускоренным и замедленным движением состоит всего лишь в знаке ускорения. Когда ускоряемся – оно положительно (здравый смысл рулит), а когда замедляемся – оно отрицательно. Как это так? Отрицательное ускорение означает, что скорость со временем не увеличивается, а уменьшается. Чтобы узнать, насколько, надо то число, которое стоит после минуса, умножить на то время, за которое тормозим. Например, за две секунды машина равнозамедленно движется с ускорением -4 м/ (с2). Это значит, что за каждые 2 секунды скорость машины снижается на 2.4 = 8 метров в секунду. То есть ехала сначала 30 метров в секунду, через 2 секунды – 22 м/с, ещё через 2 – 14, ещё через 2 – 6, а до следующих двух дойти не успеем – она остановится.

Расстояние тут посчитать посложнее, но всё-таки возможно. Если посчитать, а сколько она метров проехала за эти 6 секунд, получится следующее. Надо умножить начальную скорость на общее время и сложить с этим следующее: ускорение, умноженное на квадрат общего времени, и всё это делённое пополам. Не спрашивайте, почему именно пополам – тут по-простому, без математики, к сожалению, не объяснишь. (А вот почему именно квадрат времени, могу кинуть подсказку: нам надо «метры, делённые на секунду в квадрате» умножить на что-то, чтобы получить метры. Логично, хотя и непривычно, предположить, что это должны быть секунды в квадрате. Это одна из фишек всех формул физики: смотри, чтобы размерность того, что считаешь, сошлась! Потом это ещё увидим.)

В общем, получается такая штука:

30.6 = 180 метров.

К этому надо ещё прибавить ту страшную дробь, а она получится так:

– 4.62/2 = -2.36 = -72 метра. Именно с минусом, потому что ускорение отрицательное: не забываем, что мы тормозим!

И в итоге получим 180 + (-72) = 108 метров.

То есть, получается, если ты шпаришь на машине со скоростью 30 м/с (это 108 км/ч) и будешь плавно тормозить по 8 м/с (это почти 29 км/ч) в секунду, то значительно замедлишься только почти через 100 метров, а остановишься ещё дальше. (Для любознательных – вредное домашнее задание: посчитать, в какой момент времени наша машина остановится.)

Вкратце и поумнее: скорость переменного движения – это отношение перемещения тела к промежутку времени, за которое оно было совершено, при условии, что промежуток времени бесконечно мал (стремится к нулю). Ускорение – это скорость изменения скорости: отношение изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло – опять-таки, при условии, что промежуток времени бесконечно мал (иначе говоря – стремится к нулю). Это также векторная величина, в общем случае может меняться. Единица измерения – метр на секунду в квадрате (м/с2). Частные случаи переменного движения – равноускоренное и равнозамедленное движение, по характеру отличаются лишь знаком ускорения, по модулю же оно будет постоянно в обоих случаях. Подсчёт скорости (v) при равноускоренном или равнозамедленном движении такой: v = v0 + a.t, где v0 – начальная скорость (с которой двигались в начальный момент времени t = 0), a – ускорение, t – время. Перемещение считается следующим образом: s = v0.t + a.t2/2.

Пони бегает по кругу. Ай, то есть, по окружности

Это всё было прямолинейное движение. То есть: когда беззаботно летим по шоссе, траектория наша является прямой линией, и всё хорошо. Но вот теперь мы въехали в город и едем по круглой площади. Это уже криволинейное движение – траектория не прямая. Если начать умничать, то перемещение здесь получится меньше пути, скорость будет менять своё направление и, более того, направления скорости и ускорения не будут совпадать. То есть если тут что-то надо будет считать – ребята, тушите свет. Если в общем случае…

Но здесь, опять-таки, есть случаи частные. Самый распространённый здесь – равномерное движение по окружности. При нём траектория – окружность, а скорость по модулю не меняется. Всего два уточнения, но от них становится легче. Почему?

Потому, что при этом гораздо проще посчитать путь (это просто длина окружности). Раз. Второе – гораздо проще посмотреть, куда направлено ускорение. Тут оно называется заумным словом «центростремительное» – типа, когда едешь по кругу, невольно стремишься к центру. Как следует из названия, его «стрелочка» направлена к центру окружности. Скорость же при этом направлена по касательной к окружности (едешь-то как будто прямо). Получается, что центростремительное ускорение всегда перпендикулярно скорости. Повёрнуто под 90 градусов по отношению к ней, то бишь.

То есть, по-русски. Когда ты едешь по кругу, то получается, что как будто всё время стремишься к центру: каждый момент поворачиваешь на какой-то маленький уголок, и эти повороты заставляет тебя ехать дальше не «абсолютно прямо», а «чуть криво», чтобы постоянно держать одно и то же расстояние от центра. Тогда, собственно, и получается окружность. Это самое центростремительное ускорение и показывает, насколько сильно меняется направление твоего движения (по-умному – направление вектора скорости).

А считается оно как квадрат скорости, делённый на радиус окружности. Опять бредовая формула? А это потому, что скорость берём линейную (метры в секунду). Если же мысленно смотреть из центра и крутить головой, смотря на едущую по кругу машину, то за какое-то время голова повернётся на какой-то угол. Скорость, с которой она повернётся, будет угловой (радианы в секунду). Вот если через такую скорость считать, то будет… квадрат угловой скорости, умноженный на радиус. Опять не угодил?! Почему квадрат? Да пёс его знает, если честно. Одно из лучших оправданий физиков при вопросах «Почему формула такая бредовая?!» – размерность. Если посчитать размерность по формуле, и она получится равной размерности того, что хотим получить, то в 75% случаев формула правильная. (Число 75% беру с потолка. Кто уже точно рассчитал, что на самом деле не 75, а 76%, – смело кидайте тухлые помидоры.)

Смеха ради проверим это предположение про размерность. Если для формулы ускорения взять обычную скорость, то получится: метры в квадрате, делённые на секунду в квадрате, делить на метры. Итого получится – метр на секунду в квадрате – размерность ускорения. Не придерёшься. Если брать угловую, то тут похитрее: радианы в подсчёте размерности считаются безразмерными. (Это одна из причин, почему радианы стали использовать как единицу измерения. Не просто так же брать какую-то непонятную цифирь в 57.3 градуса с потолка.) Поэтому здесь выходит так: метры умножить на обратную секунду в квадрате (1/c2). То есть – опять м/с2.

Достаточно всех этих прибамбасов для того, чтобы посчитать, как же наше несчастное тело движется по окружности? Ну, хоть в той же машине? Почти. Остаётся последнее «но». В какое-то время мы проедем один круг и вернёмся в точности в то же положение, с которого начинали. Через такое же время (так как движение равномерное, то оно будет точно таким же) – опять вернёмся, и так до бесконечности. При таком раскладе путь считать становится накладным (может кто-нибудь навскидку сказать, как посчитать длину куска окружности?), а перемещение и вовсе теряет смысл. Чтобы внести ясность, через какое время мы будем в какой точке, придумали ещё одну величину: период. Это минимальное время, за которое мы вернёмся в первоначальное положение (которое было тогда, когда запустили тот самый воображаемый секундомер, и время побежало прочь от нуля). Измеряется в секундах, как обычное время. Но на случай, если период очень маленький, придумали вторую, родственную ему, штуку: частоту. Это число оборотов в единицу времени (читай: секунду). Соответственно, она обратна периоду и измеряется в обратных секундах (1/с). В простонародье… э-э, простите, в физике, это обозначается «Гц». По фамилии учёного Генриха Герца. У той же машины есть прибор под названием тахометр – он показывает количество оборотов в минуту или секунду, которые делает вал внутри двигателя. На них обычно пишут циферки от 1 до 10, но с припиской «умножить на тысячу». То есть количество этих оборотов измеряется тысячами! А что будет, если вместо частоты станет период? Некрасивые цифры в виде 0.005 и тому подобные. Как-то проще, когда имеешь дело с тысячами, а не с тысячными.