Властелин механики. 7 великих законов в понятном изложении

Юрий Геннадьевич Трифонов

Механика тоже бывает интересной! Эта книга для тех, кому нравится физика, но не нравятся учебники. При повествовании используется живой разговорный язык и разбираются те неясные моменты, которые обычно никогда не рассматриваются на стандартных уроках физики или в привычных учебниках. Начинаем изучение мы с самых значимых законов механики, поскольку это база для всей современной науки. Искренне надеюсь, что книга откроет для вас увлекательный и интересный мир физики.

Введение

Мы живем в очень интересном мире, который ещё полностью не изучен. Стоит копнуть чуть глубже, и становится понятно, что ответы на вопросы «Что такое масса» или «Что такое электричество» наука не может дать до сих пор.

На каждый счёт есть множество гипотез и множество споров об их состоятельности. Но однозначных ответов, подкреплённых реальными экспериментами, так и нет. Если есть подтверждение, то часто находится некоторое обстоятельство, которое ставит всю логику под большой вопрос.

Во многих ситуациях возможно только лишь нащупать закономерности, сформулировать их и попытаться объяснить. В некоторых отраслях всё гораздо проще. Закономерности сами лежат на поверхности. Остается зафиксировать это и, как это называется, навести систематику.

К этой сфере относится механика. Там всё просто и линейно, а глубинные ответы на вопросы «почему» не так сложны. Остается, по сути дела, правильно описать окружающий мир.

Механика — это наука об искусстве строить машины. Она линейная и понятная. Применительно к физике это слово используется для обозначения целого раздела, который изучает большую часть взаимодействий между материальными телами.

Рис.5. Искусство строить машины

Интересно отметить, что обнаруженные в этом разделе закономерности работают во всей физике. Скажем, ускорение существует не только относительно велосипедиста, который летит с горы, но и применительно к частицам, из которого состоит тело или электронам.

Мы рассмотрим семь значимых законов механики, которые следует знать и понимать каждому современному образованному человеку. Без них не обходится ни одно взаимодействие в нашей жизни. Будь-то покраска стен в вашем доме или копка колодца. Я очень надеюсь, что в результате прочтения и изучения материала вы и сами сможете всё это увидеть и заинтересоваться вопросом.

Почему это интересно и важно

Физика изучает окружающий мир и, являясь по своей сути, наукой о природе, пытается не просто зафиксировать какое-либо явление, но и выявить однозначные закономерности. Она редко кажется интересной. Увы, но среди всех предметов, она становится иногда чуть ли не самым нелюбимым, хотя на деле и является фундаментальным. Эта участь распространяется и на механику, о которой мы говорим в этой книге.

Виной всему своеобразный подход к преподаванию этой великолепной дисциплины. Никто даже и не подозревает, что речь в физической теории идёт о природе вокруг нас. Просто набор буковок, циферок и неясных изречений.

Ну а когда изучается закон рычага в школе, ребята не представляют, что использование этого нехитрого правила может в дальнейшем помочь открутить прикипевшую гайку на колесе, накинув трубу на ключ. Согласитесь, такой подход сделает жизнь куда более насыщенной, интересной и простой.

Начиная с первых уроков в школе и заканчивая экзаменами в университете, изучение предмета превращается только в повинность.

Вместо того, чтобы показать, как законы механики помогают нам и для чего это полезно изучать, школьников или студентов заставляют штудировать формулы и решать задачки. От такого подхода предмет кажется скучным и неимоверно сложным. Это впечатление закрепляется на долгие годы и «отстрелявшись» человек навсегда забывает физику.

Рис.6. Ничего не понятно на уроке физики

На самом же деле, большая часть взаимодействий вокруг нас становится более приятным, когда оно осознано. Когда-то первобытные люди боялись грозу и не знали, что можно ожидать от такого явления. Каждый удар грома вызывал панику и непонимание. Наша же задача разобраться во всем происходящем вокруг и улучшить себе жизнь пониманием природы. В этом и заключается задача властелина механики! Зная закономерности использовать их себе во благо.

Кстати, винить одних только преподавателей неправильно. Большая часть учеников действительно интересуются только жизнью «звёзд» с экрана. Но правильный подход позволит увеличить количество людей, которым будет приятно разбираться в окружающем мире. Есть ещё и всяческие стандарты на образование, которые на корню ломают интересность. Но рассуждать и жаловаться неправильно.

Давайте всё-таки переходить к изучению нашего предмета с правильным настроем и отличающимся от большинства подходом. Начнем с самого важного.

Про векторные и скалярные величины

В книге мы постоянно будем встречать такое понятие, как векторная величина. Уж так устроена механика, что всё там держится на векторах. Поскольку мы исходим из того, что основные знания об этой штуке у вас уже всё же имеются, то и не расписываем подробно действия над векторами, да и само определение вектора не приводим.

Однако, мы же хотели сделать из сложных теорий увлекательное и интересное чтение, поэтому если вы по какой-то причине не знакомы с понятиями о векторах, то сейчас мы внесем некоторую ясность, достаточную для понимания изложенного ниже материала.

Из школьного курса, или даже уже из институтского, многие запомнили, что «каждому ректору в кое-куда по вектору!». Отсюда легко сделать вывод, что вектор должен хорошо втыкаться. Хорошо втыкается у нас что-то типа стрелы или копья. Вот и вектор представляет собой что-то типа стрелы или копья.

В физике вектор — это направленный отрезок прямой. Он обладает некоторой длиной, как и любой другой отрезок. Длина равна величине вектора.

Рис.7. Вектор в физике

Если возникают проблемы с пониманием этого момента, то просто представьте, что отрезок, длиной 10 см, состоит из 10 отрезков по 1 см. Любую величину можно записать таким образом. Скажем, 15 яблок можно нарисовать в виде прямой, равной 15 см, предположив, что 1 яблоко = 1 см. Это скалярная величина.

Рис.8. Скалярная величина

Но, по сравнению с обычным отрезком или скалярной величиной, имеющей только длину, вектор имеет ещё и направление.

Представить себе «направление величины» не всегда просто. Для упрощения всегда говорят о движении или воздействии на другое тело. Например, мы можем осознанно толкнуть человека в одном из направлений. Направление, куда мы его толкнули и будет направлением вектора. Сила, с которой толкнули — будет величиной вектора.

Вот и получается, что сила толчка (боже, как звучит!) будет определяться величиной (или модулем) и направлением.

Рис.9. Сила толчка

Это направление рисуется стрелочкой, а сила — отмечается в масштабе на длине вектора. Собственно, большего знать про вектора пока и не нужно.

Для окончательного закрепления проведите аналогию в голове между количеством яблок, отмеченным на отрезке (скалярная величина), которое никуда не направлено и вектором, описывающим направление действия удара (векторная величина).

Разве что, нужно помнить — вектора можно складывать, вычитать, умножать и производить с ними самые разные математические действия.