Физика для «чайников». Несерьезное пособие

Главное – многообещающе произнести это слово

Наконец потихоньку подбираемся к этой непонятной энергии (которую тоже чёрт-те как представишь). Объяснить это замысловатое словечко можно так. Если какое-то тело (или группа тел) может (могут) совершить работу, то говорят, что оно (они) обладает (обладают) энергией. Слово «работа» здесь не просто так. Это в жизни что-то абстрактное, что не волк и в лес не убежит. А в физике это число. Да, работу можно посчитать. Звучит странно, но оно так и есть. Вообще говоря, у работ существует целая куча разновидностей. Но поскольку мы всё ещё в механике, то не буду грузить уймой умных слов, а расскажу только про механическую работу. Тем более, в школьной физике других работ, тьфу-тьфу, на контрольных и прочих работах по механике не дают.

Всё, заканчиваю свои глупые шутки. Механическая работа считается способом, который в математике называется «скалярное произведение векторов». Надо как бы перемножить два вектора, впихнув в произведение косинус угла между ними. Почему такая страшная форма формулы – это спрашивайте у математиков, это они притащили такой способ вычисления. Но, к сожалению, считать придётся именно так, и это будет правильно. Два вектора, которые мы как бы перемножаем, – это вектора силы и перемещения. Понятное дело, стрелочку на стрелочку не умножишь, поэтому считаем «модуль силы умножить на модуль перемещения». А угол идёт типа как компенсация за стрелочки. Потому, что если сила направлена против перемещения, то работа будет отрицательной: угол между силой и перемещением будет 180 градусов, его косинус – -1. Если сила направлена в ту же сторону, что и перемещение, – угол 0, косинус его +1. Если же сила направлена перпендикулярно перемещению, то получается, что она вообще от работы нагло отлынивает: косинус 90 градусов – это ноль, и все модули обращаются в баранку. У остальных углов надо смотреть косинусы и не забывать про знак «минус», если угол получится тупым (от 90 до 180 градусов).

Если посчитать единицу измерения работы, получится Н. м. Но, видимо, так писать не понтово, поэтому решили эту вещь обозвать фамилией ещё одного учёного – Джоуля – и писать Дж. Итого: 1 Дж – это работа, которую совершает сила в 1 ньютон при перемещении тела на 1 метр, при условии, что сила сонаправлена с вектором перемещения. Кошмар, какая мутная формулировка. Попробую по-русски: берёшь 100-граммовую гирьку, прицепляешь к ней безмен (ручные весы). И поднимаешь этот снаряд при помощи весов так, чтобы он отодвинулся ровно на 1 метр от пола, а указатель весов держался на отметке 0.1 кг (что будет соответствовать твоей силе в 1 Н). Как только поднимешь до конца, ты совершишь работу в 1 Дж. (Вообще говоря, я лукавлю, потому что у безмена тоже есть своя масса – то бишь поднимаешь не 100 г ровно, а чуть побольше. Но надеюсь, что общую суть передал понятно.)

Со словом «работа» как-то сложно работать. В жизни вместо непонятных «работа» или «энергия» используют другое, родственное, понятие. Мощность. Это скорость изменения работы – A/t (A – работа, t – время, за которое она была совершена). Единица измерения – Дж/с, которую тоже обозвали именем учёного Уатта. Правда, когда обзывали, то было принято говорить Ватт. Так и повелось – Дж/с = Вт. Мощность, к примеру, чайника в 150 Вт означает, что за секунду такой чайник совершит работу в 150 Дж, за минуту – 9000 Дж, за час выйдет 54000 Дж, ну и так далее. Если брать непрерывную работу, конечно (но зачастую так и есть).

Ну, вот и наконец подобрались к самой энергии. Очень скользкое понятие, если попытаться объяснить её в общем случае. У этой энергии видов чуть ли не больше, чем у работы. Поэтому, опять-таки, ограничиваюсь механикой и несколькими словами на тему того, что вне нее. В механике энергия – это мера, характеризующая движение и взаимодействие тел. Она тоже может быть отрицательной. Когда тело совершает работу, его энергия понижается. Когда над телом совершают работу, его энергия повышается. (Хоть что-то очевидное.) То есть, в общем случае: энергия – это какая-то нематериальная штука, имея которую, тело может раздавать люлей в виде работы всем, кто встретится. А если тело не имеет энергии (или она мала по сравнению с энергией остальных), то у него высокий шанс получить люлей от тех, у кого этой энергии больше. Но при этом, получив пенделя, «бедное» тело получит ту энергию, которую ей передали, и со временем сможет дать сдачи. А тот, кто устраивал раздачу, сам окажется под ударом. Но при таких дальнейших расправах над причинившим ему вред злом бывший «бедный» будет энергию терять, передавая её другому… Вот это и есть в совсем-совсем простом и топорном варианте закон сохранения энергии: энергия замкнутой системы тел постоянна.

Но… опять «но». Закон сохранения энергии действует, только если внутри системы тел действуют только так называемые «консервативные силы» – силы, работа которых не зависит от траектории движения тела. Это, например, сила тяжести или сила упругости. А вот сила трения – она не консервативная. И что же делать, если это чёртово трение постоянно мешается под ногами? Очень просто. Энергия по-прежнему будет сохраняться, просто часть её уйдёт как работа силы трения (которая отрицательна).

Чтобы мозги закипели окончательно, расскажу ещё про виды механической энергии. Всего их выделяют две штуки, но вторую ещё можно условно разделить на две части.

Первая – это кинетическая энергия. Ей тело обладает, если просто движется. Можно ли её посчитать? Да, и вот как: E = m.v2/2. E – энергия, m – масса тела, v – его скорость. Как видно, эта энергия не может быть отрицательной – на крайняк ноль, если «туловище» стоит на месте (скорость равна нулю, и вся дробь превращается в дырку от бублика). Меняется эта энергия под воздействием внешних сил, а именно от какой-то работы, ими совершённой. Какой именно – это надо копать, зависит от задачи.

Второй вид, делящийся ещё на два подвида, – потенциальная энергия. Да-да, она образована от того же латинского «potentia», что и то слово, которое засело сейчас в голове. Только означает оно всего-навсего «возможность». Вообще говоря, эта не совсем понятная штука характеризует взаимодействие между телами. А именно: любое тело у поверхности Земли обладает потенциальной энергией из-за собственной силы тяжести. По-русски: притяжение Земли уже само собой означает возможное взаимодействие между телом и поверхностью Земли. Она может быть тоже как положительной, так и отрицательной (в зависимости от того, какой уровень принять за ноль). Часто за ноль считают уровень моря. Тогда тело, просто находящееся над поверхностью, будет иметь потенциальную энергию E = m.g.h, где E – энергия, m – масса тела, g – ускорение свободного падения, h – высота над «нулём». А если её опустить на поверхность Мёртвого моря, которое ниже уровня моря, то это тоже получится m.g.h, только h будет отрицательной. Какое тут может быть взаимодействие? Да хотя бы удар от падения. Печальные случаи с падением обломков, отваливающихся от старых зданий, на прохожих – это тоже проделки в том числе и энергии, в том числе и потенциальной.

Другой подвид, потенциальной энергии немного более безобидный – это потенциальная энергия упруго деформированного тела вроде той же пружины. Если такая деформация подчиняется закону Гука, то энергия такой деформации будет равна k.x2/2. Почти как тот же закон Гука, только икс в квадрате и ещё пополам делить. Буквы все означают то же самое: жёсткость и изменение размера. Самый дубовый пример такой энергии: пуск шарика в пинболе или детском бильярде. Толкатель – пружину – сжимаем усилием руки, он при отпускании толкает шарик – потенциальная энергия толкателя превращается в кинетическую энергию шарика. Она при залетании на верх игрового поля полностью переходит в потенциальную энергию уже шарика. Потом он начинает падать – потенциальная энергия переходит в кинетическую, – и, наконец, при падении кинетическая энергия частично передается той фишке на поле, куда шарик ударился. Короче говоря, потенциальная энергия – это что-то вроде того же импульса в неподвижном состоянии: имея её, то или иное туловище способно надавать люлей в виде энергии всем близлежащим, даже не двигаясь. Почему тогда такое разделение на импульс и энергию, если и одно, и другое можно передать друг другу, и оба сохраняются? У них несколько разное происхождение. Импульс может иметь как тело, так и сила, и он характеризует только движение (когда тело неподвижно, его импульс ВСЕГДА ноль). А энергия имеет более широкий смысл: она может быть и у неподвижного тела, и охватывает не только то, что туловище с энергией может тоже задвинуть кому-нибудь, но и то, что может вообще произойти с тем, кому задвигают. Потому что от избыточной энергии тот, на кого подействовали, может: нагреться, испускать какие-нибудь лучи во все стороны, зарядиться электрически, или вообще начать разрушаться. В общем смысле любая энергия, будь то механическая, тепловая, химическая, электрическая, какая угодно – меряется тоже в джоулях, как работа. Грубо говоря, импульс – больше величина механическая, чем физическая вообще. Энергия же используется во всей физике, в равной степени практически во всех её отраслях.

Один маленький момент, который ещё хочется отметить про потенциальную энергию. Народ приметил принцип, который назвали «минимум потенциальной энергии». Он означает, что любое тело стремится занять такое положение, при котором его потенциальная энергия будет минимальна. Поэтому пружина разжимается. В том числе и поэтому тела падают. Поэтому при устойчивом равновесии тот шарик в канавке возвращался обратно в самую глубокую её точку. Чтобы легче это понять, можно вспомнить лирику типа «природа не терпит возмущений», «природа стремится к равновесию», «со временем всё устаканится», «и это пройдет»… Кому что больше нравится.

В заключение, ещё чуть-чуть о законе сохранения. Он говорит: если система тел вся такая из себя идеальная, что внутри нет никаких «сопротивляющихся» сил, да и над самой системой никакие силы работу не совершают – вот только тогда общая механическая энергия будет постоянной. На деле это не совсем так (как я уже сказал). Если под ногами мешается «сопротивляющаяся» сила, то она совершает отрицательную работу, и её нужно просто добавить к общей энергии – то есть вычесть. Если над нашими телами кто-то ещё совершает работу, тогда эта посторонняя работа положительна, и к общей энергии её добавляем – приплюсовываем.

Вкратце и поумнее: механическая энергия – величина, характеризующая движение тел и взаимодействие между ними, характеризующая способность тела совершить работу. Механическая работа – это скалярное произведение векторов силы и перемещения (A = F s cosα, где A – работа, F – модуль силы, s – модуль перемещения, cosα – косинус угла между векторами силы и перемещения). Работа – величина скалярная (не векторная, это число), измеряется в джоулях (Дж). Мощность – скорость изменения работы, P = A/t (также обозначается буквой N). P – мощность, A – работа, t – время, за которое она была совершена. Единица измерения – ватт (Вт). Механическая энергия бывает кинетической и потенциальной.

Кинетическая – энергия движения, её тело имеет, когда движется. E = m.v2/2, m – масса, v – скорость. Потенциальная энергия – энергия взаимодействия. Для тела, поднятого на высоту h над условным «нулевым» уровнем высоты (уровнем моря, уровнем пола, уровнем первого этажа и т.п.) Вычисляется: E = m.g.h, где m – масса тела, g – ускорение свободного падения, h – высота над уровнем «нуля» (тогда она положительна) или глубина под уровнем «нуля» (тогда она отрицательна). У упруго деформированной пружины также есть потенциальная энергия; если деформация соответствует закону Гука, то энергия такой пружины будет равна: E=k.x2/2, k – жёсткость пружины, x – изменение размера. Принцип минимума потенциальной энергии – тело стремится занять такое положение, при котором его потенциальная энергия будет минимальна. Единица измерения любой энергии – тоже джоуль (Дж). Закон сохранения механической энергии: механическая энергия изолированной системы (работа внешних сил по отношению к которой равна нулю и внутри которой действуют только консервативные силы) остаётся постоянной. В случае, если работа внешних сил или неконсервативные силы всё-таки есть, в закон сохранения нужно добавить работу внешних сил со знаком «+» и/или работу неконсервативных сил со знаком «-».

Гидростатика и аэростатика

Солнце, воздух и вода. Нет, солнце лишнее.

Покончили наконец с энергиями и импульсами. Остались два ещё более-менее важных блока механики, которыми компостируют мозги в школе. Первый блок – гидро- и аэростатика. Эти два раздела отвечают за равновесные состояния жидкостей и газов (соответственно). (Твёрдые тела не трогаем, потому что только жидкости и газы принимают форму сосудов, в которых их поместили – именно на основе этого всё строится дальше.) Казалось бы, подумаешь – налили в стакан воду (или наполнили баллон газом) – и всё. Всё-то всё, только и у тех, и у других есть параметры «спокойного» состояния, с которыми тоже можно что-то делать.

Например, давление. Это штука означает, что жидкость или газ давит на стенки сосуда (тех же стакана или баллона), в котором находится. Обычно стенки рассчитываются так, что держат это давление, но если перестараться, то они разорвутся. Так, воздушный шарик, если его надуть слишком сильно, просто-напросто лопнет, и от него останется только «хвостик», через который надуваешь. Остальная – шаровая – часть разорвётся на мелкие кусочки и улетит во все стороны. Что, кстати, тоже объясняется той же физикой. Вообще, давление – это сила (с которой что-то давит), делённая на площадь (на которую это «что-то» давит). В том числе поэтому по рыхлому снегу удобнее ехать на лыжах, чем ходить в ботинках: у лыж площадь больше, и при той же нашей силе тяжести давление на снег будет меньше – значит, проваливаться будем не так сильно.

Несмотря на то, что сила вроде бы вектор, здесь надо смотреть только её значение, поэтому давление – не вектор, а число. Меряется оно в… Н/м2? Так-то оно так, только и эту размерность обозвали именем учёного Паскаля и стали обозначать Па. Этот же товарищ вывел закон, который обозвали его же именем: давление на жидкость или газ распространяется во всех направлениях одинаково. Собственно, поэтому лопнувший шарик разбрасывает клочки резины именно во все стороны. На эту же тему может попасться забавный вопросец: что будет, если выстрелить из пневматической винтовки в сырое яйцо. Правильный ответ – оно так же лопнет и разлетится, потому что на жидкость (которая внутри сырого яйца) закон Паскаля тоже действует. А вот на твёрдое – нет: если выстрелить в сваренное вкрутую яйцо, то там просто останется дырочка.

Помимо паскаля, который используют в общей физике, есть ещё одна единица измерения давления, которую любят метеорологи и синоптики, предсказывающие погоду: миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) Это давление, которое создаёт столбик ртути высотой в 1 мм. Почему именно миллиметр и почему именно ртуть? Как любят отвечать те же физики, так исторически сложилось. Был другой умный чувак, по фамилии Торричелли, который мерил давление при помощи столбика ртути. Поскольку ртуть – штука тяжёлая и давит сильно, то решили взять миллиметр как 1 условную единицу. И понеслось. Сейчас в этих «мм рт. ст.» пишут атмосферное давление в прогнозах погоды. 1 мм рт. ст. примерно равен 133.3 Па. А атмосферное давление – это давление, которое создаёт воздух силой своей тяжести. Нормальное атмосферное давление на уровне моря считается равным 760 мм рт. ст., что примерно равно 101300 Па. Почему нас не продавливает, ведь это же достаточно много? А это уже проделки матери-природы. Наше тело само по себе устроено так, что оно изнутри даёт примерно такое же давление, итого получается эдакое равновесие. Более того, оно даже может переносить перепады давления – правда, не слишком большие, миллиметров 30 в обе стороны. Есть люди, у которых такая способность слабо выражена, их называют метеозависимыми: при значительном изменении давления им уже становится дурно. Поскольку с высотой воздух становится менее плотным, то и давление его постепенно падает – примерно на тот же 1 мм рт. ст. с каждым 1 м высоты. В космосе давление настолько низкое, что почти ноль. И если человек, не надев скафандр, попытается войти в открытый космос, его, должно быть, разорвёт изнутри. Неприятность.

Ну ладно, что-то опять в космос улетели. Обратно на землю, где особо пытливые умы уже дёргают за рукав: а почему миллиметр ртутного столба считается по высоте? Давление – это же сила на площадь! Отвечаю: так-то оно так, но если для жидкости в сосуде посчитать это давление, то получится, что оно от площади не зависит:

p = m.g/S = ρ.g.V/S = ρ.g.h. Проще говоря: вспоминаем, что масса – это плотность на объём, а объём – это площадь на высоту. Площадь сокращается, остаётся одна высота. Итого: p – давление жидкости, ρ – её же плотность, g – ускорение свободного падения, h – высота уровня жидкости. Лично я запоминал это так: роже – х. Или роже – аш, как удобнее.

И жидкость, и газ – субстанции, которые не любят, когда в них оказывается что-то постороннее. И вода, и воздух стремятся вытолкнуть из себя это постороннее. Правда, вода это делает гораздо сильнее, чем воздух: если спокойно лечь на воду, то она ещё будет держать туловище на поверхности. В воздухе, увы, так же «летать» не получится. Полёт вообще основан на других принципах, и их в школьной механике, кстати, не проходят. Зато вот про плавание (как в воде, так и в воздухе) говорят.

Чтобы тело держалось на поверхности, надо, чтобы та сила, с которой вода выталкивает из себя, была хотя бы равна силе тяжести плавающего тела. Да, это всё то же вездесущее состояние покоя – две одинаковые по значению и противоположные по направлению силы при сложении дадут 0, или равновесие, или умиротворённость, или дзен…

Короче. Выталкивающую силу почему-то очень любят называть именем древнего товарища Архимеда. Мужик сел в наполненную до краёв ванну, отчего из неё вытек такой же объём воды, какой занимал товарищ. Говорят, после этого и родилась та формула, о которой пойдёт речь дальше.

В общем, чтобы посчитать эту архимедову силу, надо умножить g на плотность жидкости и на объём той части тела, которая погружена в жидкость. Отсюда можно вытащить такое следствие: всё зависит от плотности тела. Почему? Если считать, что тело погрузилось в воду как раз на весь свой объём (плавает, точь-в-точь соприкасаясь своей верхушкой с поверхностью), то в равенстве m.g = ρ.g.V «сократятся» обе g. К тому же, m в левой части равно V.ρ тела – так что и обе V можно тоже убрать. Получается, если плотность тела равна или меньше плотности жидкости, то такое тело будет плавать (или всплывать, выталкиваться до тех пор, пока погружённая часть не станет настолько мала, чтобы архимедова сила воды уравновесила силу тяжести). Если плотность тела больше плотности воды – оно утонет.

На этом принципе основаны в том числе плавание судов и воздухоплавание лёгких аппаратов типа воздушных шаров. Корабль, хоть и сделан из стали (которая почти в 8 раз плотнее воды), погружается таким образом, что под ватерлинией (уровнем воды) оказывается не только стальной корпус, но и трюм – с воздухом. А воздух менее плотный, чем вода. При правильном соотношении воздух-сталь получится, что общая плотность погружённой в воду части судна уравновесит его силу тяжести, и корабль будет держаться на поверхности. Понятно, что если образуется пробоина, и в трюм хлынет вода, то корабль утонет – архимедова сила воды уже не сможет противостоять силе тяжести стали и воды, вместе взятых. Примерно такой же принцип и у воздушных шаров: он наполняется газом, более лёгким, чем воздух (например, гелием), который как бы компенсирует собой большую плотность материалов, из которых сделан шар, и человека (по сравнению с воздухом).

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.