Механика без формул

Вера Максимова, 2021

Книга «Механика без формул» является первой книгой из серии «Физика для начинающих». В серию будут включены следующие книги: «Молекулярная физика и теплота», «Электричество и магнетизм», «Оптика. Строения вещества. Ядерная физика». Отличительной особенностью этих книг является системное изложение законов физики (школьной программы), но только без формул. Поэтому главное внимание уделено физической сути явлений. В этой связи книги этой серии могут быть использованы школьниками младших, средних и старших классов средней школы. Книги могут быть полезны любителям физики. В книге «Механика без формул» рассмотрены вопросы статики, кинематики, динамики материальных тел, законы аэро- и гидростатики и динамики жидкостей и газов.

Часть I

Механика без формул

Есть многое в природе, друг Горацио,

Что и не снилось нашим мудрецам.

В. Шекспир. Гамлет

Пространство и время

Нет пространства и времени, а есть их единство.

Альберт Эйнштейн

Общие понятия

Это неважно, что медленно ты идёшь…

главное — не останавливайся.

Конфуций, древнекитайский философ

Механика является первым разделом для начинающих изучать физику.

Объектом изучения механики является любой предмет окружающий нас. Это может быть автомобиль, стоящий на парковке или мчащийся по автобану. Самолет, футбольный мяч, летящий в окно. Камень, лежащий на обочине дороги, или брошенный рукой человека камень, планета Земля или любая другая планета солнечной системы и даже само Солнце. А также другие звезды Вселенной, мерцающие в ночном небе. Ученые-физики называют эти предметы — телами.

Поэтому механика изучает механическое движение тел. А что такое механическое движение?

Механическое движение это перемещение тел в пространстве за какой-то промежуток времени. Перемещение — это когда тело в начальный момент времени находится в одном месте пространства, а через какой — то промежуток — в другом.

Пространство и время — это фундаментальные, то есть основные физические понятия. По словам крупнейшего физика 20 столетия Альберта Эйнштейна (1879–1955 г.) нет пространства и времени, а есть их единство.

Все, что мы видим, существует в пространстве и во времени.

Рисунок 1. Альберт Эйнштейн (1879–1955 г.).

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Einstein_1921_by_F_Schmutzer_-_restoration.jpg/548px-Einstein_1921_by_F_Schmutzer_-_restoration.jpg

Пространство это то, где мы и все, что нас окружает находиться. Например, мы находимся в пространстве комнаты, дома, Земли, Солнечной системы, Вселенной. Пространство имеет три измерения: длину, ширину и высоту. В пространстве мы можем перемещаться из пункта А в пункт Б и наоборот. То есть, если есть движение в какую — либо сторону, то существует движение обратное ему, то есть назад. В этом смысле пространство обратимо. В механике разделяют такие два важных понятия как движение и покой. В чем их различие и схожесть?

Понятия движение и покой относительны. Относительность их в том, что одно и то же тело можно считать одновременно движущимся и покоящимся. Как такое может быть? Дело в том, что при рассмотрении движения тела всегда надо выбрать систему отчета. Система отсчета — это когда выбирается, какое либо тело или место в пространстве относительно которого рассматривается состояние данного тела. Пример. Мы все живем на планете Земле. Поэтому можно выбрать Землю за начало системы отсчета. Если рассматривать движение Земли вокруг Солнца, за начало системы отсчета надо выбрать Солнце. Если рассматривать движение Солнца в Мировом пространстве, то мы выбираем за начало системы отсчета удаленную звезду (любую). То есть принцип здесь такой, что за начало системы отсчета выбирается объект, который мы думаем, что не движется. Так, например, находясь на Земле, мы не ощущаем ее движение по орбите вокруг Солнца без специально поставленных опытов и у нас создается впечатление, что она находится в покое. Когда мы рассматриваем движение Земли вокруг Солнца, то считаем, что оно покоится. При рассмотрении движения Солнца в космическом пространстве, мы считаем, что удаленные звезды покоятся. Кстати, звезды тоже как наше Солнце движутся в Мировом пространстве с огромными скоростями. Но ввиду огромных расстояний до них они нам кажутся неподвижными. Так Солнце относительно других звезд движется со скоростью 30 километров в секунду. Поскольку абсолютно неподвижных объектов в природе не существует, то выбирая систему отсчета, мы считаем ее условно неподвижной. На практике часто словосочетание условно неподвижная система отсчета заменяют на неподвижную систему отсчета. Но всегда надо помнить, что абсолютно неподвижной системы не существует. Состояние покоя и движения относительны. Абсолютного покоя нет и не может быть. Физики считают, абсолютного покоя принципиально быть не может. В этом случае во Вселенной наступил так называемая «тепловая смерть». Об этом феномене мы с вами поговорим во второй части «Физика без формул. Теплота и молекулярная физика».

В обыденной практике за начало системы отсчета выбирается начальный пункт движения. Например, вы вышли из дома и пошли в школу. За начало отсчета выбирается ваш дом, а путь измеряется расстоянием которое вы прошли от дома до данного места в этот момент времени.

Если мы были в пункте А в момент времени t₁ (читается тэ один), то приходим в пункт Б в момент времени t₂ (читается тэ два) (рисунок 1). Причем момент времени t₂ больше чем момент времени t₁. Возвращаемся в пункт А в момент времени t₃. Момент времени t₃ больше, чем момент времени t₂. Время идет только в одну сторону, то есть следующий момент времени больше предыдущего. На языке физиков это можно сказать, что пространство обратимо, то есть если есть движение в какую либо сторону, то существует и движение обратно. А вот время необратимо! Так что, ребята, берегите время и не тратьте его попусту. Как сказал известный советский писатель Николай Островский (1904–1936 г.) «…чтобы не было мучительно больно за бесцельно прожитые годы».

Рисунок 1

Механика традиционно подразделяется на три раздела: статику, кинематику и динамику.

Статика

Статика — изучает силы и условия нахождения тел в состоянии покоя или неподвижности.

Под состоянием покоя или неподвижностью понимается, что тело в любой момент времени будет находиться в одном и том же месте пространства относительно условно неподвижной системы отчета.

Сила является одним из основных понятий в механике, но и во всей физике. Что такое сила и каковы основные свойства силы? Сила F (читается эф, рисунок 2) определяется тремя характеристиками: точкой приложения — точка О, численной величиной — длиной стрелки L (читается эль), направлением стрелки.

Рисунок 2

Сила — это мера взаимодействия между телами. Например, камень лежит на столе. Какими основными свойствами обладает камень как предмет, изучаемый в механике. Один камень поднять легко, другой тяжелее, а третий вообще поднять невозможно. Это свойство связано, с какой силой Земля притягивает любые предметы к себе. Почему тело, находящееся на поверхности Земли никуда не улетают? Дело в том, что их притягивает Земля. Великий английский физик Исаак Ньютон (1642–1727) открыл закон Всемирного тяготения. По легенде находясь в саду, на его голову упало яблоко.

— Эврика! — воскликнул Ньютон, — Я понял, что все тела притягиваются Землей!

Так это было или не совсем так, но суть в том, что Ньютон открыл один из основных законов природы — закон всемирного тяготения. Согласно этому закону все тела притягиваются между собой с определенной силой. Отчего зависит эта сила? Тела притягиваются вследствие того, что они материальные, то есть имеют массу. А что такое масса тела? Это то, что

Рисунок 2. Исаак Ньютон (1642–1727).

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg

может создавать вокруг себя гравитационное поле. Чем больше масса тела, тем на большее расстояние распространяется его гравитационное поле и тем, оно сильнее. Сила взаимодействия гравитационного поля очень сильно убывает с увеличением расстояния между телами. Причем два тела независимо от массы и расстояния между ними притягиваются между собой с одинаковой силой (рисунок 3). На рисунке 3 сила F₁ (читается эф один) действует со стороны первого тела на второе. Сила F₂ (читается эф два) действует со стороны второго тела на первое. Тот факт, что величины сил F₁ и F₂ одинаковые в математике записывается: F₁ = F₂. А словами это равенство сил можно сформулировать так: с какой силой первое тело действует на второе, с такой же силой второе тело действует на первое. В физике это утверждение называется третьим законом Ньютона.

Кроме этого определения, массу как меру гравитационного взаимодействия, можно охарактеризовать как меру инерции. А что такое инерция и ее мера? Например, если качели пустые, то есть на них никто не

Рисунок 3.

сидит, то раскачать и потом остановить их сравнительно просто. Если на качелях будет сидеть ребенок, то раскачать или остановить будет их труднее. А если на качели сядет взрослый человек, то и раскачать и остановить их уже совсем будет сложно. Вот это и есть проявление свойств инерции. Причиной движения тела является приложенная к нему сила. Рассмотрим изолированную систему, в которой на тело действует только одна сила. Изолированная система, это когда на тело действуют силы входящие в эту систему, а силы вне данной системы отсутствуют. Примером такой изолированной системы может служить Солнечная система (рисунок 4).

Конец ознакомительного фрагмента.