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.

Три закона Ньютона

Следующее, что нужно для понимания механики — это законы Ньютона. Можно по-разному относиться к Ньютону, его трудам и правильности всех его убеждений, но его законы самые настоящие три кита современной механики.

Рис.23. Ньютон и три кита

Без них человеку будет сложно разобраться во всём, что происходит вокруг нас и, само собой, не разобраться и в механике.

Вероятно, вы уже слышали, что к Ньютону и его достижениям существует неоднозначное отношение. Некоторые считают его родоначальником классической механики, а кто-то называет фантазером. Дальнейшая же физическая наука занимается, по их мнению, попыткой прикрывать все Ньютоновские недочеты и неточности, чтобы современная физика не обрушалась из-за отсутствия почвы под ногами.

На мой взгляд Ньютон является человеком гениальным и действительно достоин считаться основателем многих современных подходов. Причем, как к механике, так и к другим областям физики. Хотя критики, или, как их модно сегодня называть, хейтеры, всегда находятся. Многие ненавидят логику Ньютона из-за вопросов в неоднозначности описания того же земного тяготения и других фундаментальных понятий. И это далеко не единственный пример.

Поспорить с обстоятельностью законов Ньютона сложно. Ведь есть результаты лабораторных измерений, и любая критика после этого становится не особенно актуальной. Да и большая часть механических устройств, которые сегодня нас окружают, используют Ньютоновские законы в своем функционировании. Отсюда считаю рациональным не отрицать сами закономерности, которые многократно подтверждены и используются, а называть все разногласия «вопросами терминологии и глубины познания». Да, предположим где-то есть пространства и миры, где законы Ньютона не работают, но в нашей среде они работают всегда. Правда лучше говорить «практически всегда».

Вероятно понятие той же самой инертности действительно истолковывается современной физикой неправильно, однако закон работает. Как уже что называется после этого не столь важно. Это как древние люди когда-то использовали метод трения для получения огня без глубокого вникания в суть процесса. Если невозможно объяснить эффект, это не значит, что он отсутствует.

Мы говорим про механику, а тут «что вижу то и пою». Даже если некоторые вопросы, связанные с описанием гравитационных взаимодействий или неоднозначном понимании инерции существуют, выведенные Ньютоном закономерности всё равно работают. Значит, и законы годятся. Да и многие современные машины и механизмы используют описываемую логику в своей работе. Как же они безошибочно функционируют, если законы Ньютона не работают.

Рис.24. Для робота выполняются все законы Ньютона

Возвращаясь к самим законам, отметим, что наша основная цель — не зазубрить стандартные определения, а научиться видеть работу этих законов в окружающей жизни и понимать, как их можно применить и о чем таком вообще говорил Ньютон. Пока закон не увидишь, его и не осознаешь. И применять уж точно не научишься.

Благо с механикой всё довольно просто. Если в памяти висит формулировка закона, то рано или поздно его работу можно увидеть и на практике. Было бы желание, да внимательность бы не подвела.

Закона Ньютона всего три. Это база для всего происходящего в современном мире механики.

В простонародье это так называемые:

— закон инерции

— закон силы

— закон взаимодействия

С их помощью и правда можно описать любое механическое взаимодействие, происходящее в нашем мире и в нашей локации (т.е. на Земле).

Многие «продвинутые» читатели отметят, что законы Ньютона как оно говорится — притянуты за уши. В некотором смысле можно согласиться с этими мыслями и фактов, подтверждающих такое обстоятельство, вполне достаточно.

Но, во-первых, мы говорим про модель реального, имеющую набор неопровержимых доказательств в виде проведенных экспериментов. С результатами экспериментов сложно спорить. Во-вторых, законы в мире вокруг нас всё-таки работают и сдаётся мне, что в имеющейся ситуации это куда важнее, чем их ярая критика.

Теперь поговорим про каждый закон более подробно. У всех них есть специфика, но они объединены общей мыслью и общим взглядом на картину мира. Поэтому, невозможно правильно понять один только закон из перечисленных, не зная остальных. Хотя правильнее было бы сказать, что нельзя увидеть мир глазами Ньютона, не принимая во внимания сразу все его наработки.

Первый закон Ньютона

Первый закон Ньютона называют законом инерции. Он является всеобъемлющем (ну или по крайне мере считается таковым в рамках Ньютоновской механики и нашего пространства) и описывает особенности механического взаимодействия всех объектов друг с другом. Частенько можно услышать, что первый закон ещё называют законом инерции.

Рис.25. Если исключить все внешние воздействия, то едущая машина будет ехать вечно! И бензин бесплатно!

Именно из-за инерции этот закон сильно критикуется среди продвинутых в данном вопросе людей. Дело в том, что вводится такое понятие, как инертность. Но что такое инертность никто в полной мере объяснить пока не может. Она есть как факт, но не понятна с точки зрения физики! Мы можем отметить, что такое свойство присуще всем материальным телам, как минимум на Земле, а то и в ближайшем космосе. Но когда ученые начали искать причину существования инертности и самой инерции, так и не удалось составить какую-либо внятную картину происходящего. Из-за этих недопониманий и возникает впечатление, что закон Ньютона, как это принято говорить, «ниочем». А если и описывает происходящее, то не может претендовать на глобальность, так как и сущность явления не до конца ясна, что ставит его в один ряд с эзотерикой.

Основы формулировки первого закона заложил ещё Галилей, сформулировав закон инерции. Из него следует, что при отсутствии внешних сил тело либо покоится, либо движется равномерно.

Рис.26. Чем-то Галилей похож на Деда Мороза

Ньютон же «осовременил» и дополнил эту формулировку, обозначив понятие относительности. Правда увы, оно тоже весьма условно. Ведь сам-то Ньютон не включал его в собственную формулировку первого закона, а замечание про относительность появились позднее. Кстати, наверняка интересно будет узнать, что вовсе не Эйнштейн впервые заговорил про относительность в физике, как это принято считать исходя из СМИ. Эти размышления были присущи ещё ранней физике, и тот же Коперник упоминал вопрос относительности в своих рассуждениях, но в слегка размытой для нашего понимания форме.

Понимание первого закона категорически важно для дальнейшего технического развития вне зависимости от изобилия критики и постоянных сомнениях в его правильности. На данный момент это вполне самодостаточный теоретический постулат, не противоречащий в общем смысле окружающему миру. Без осознания, что закон работает, мы не сможем правильно строить механизмы и планировать их работу. Ведь практически в каждом действии есть первый закон Ньютона. Сомневаетесь?

Рис.27. Интересный опыт со стаканом, демонстрирующий логику первого закона

Тогда поставьте стакан воды на лист бумаги и резко выдерните бумагу из-под стакана. Стакан останется на месте, а закон сработает.

Где можно наблюдать работу первого закона Ньютона

Для того, чтобы увидеть работу первого закона Ньютона идти далеко не придётся. Самый простой пример — это лифт. Начинаем спускаться вниз и ощущаем, будто пол уходит у нас из-под ног. Вот вам и здрасти! Закон отработал. Наша инертность не дала упасть сразу со скоростью лифта, и мы почувствовали, что парим в воздухе и у нас пропал вес.

Рис.28. Инерция позволяет ощутить уменьшение своего веса в лифте

Или другой пример. Едем на велосипеде, нажимаем тормоза и какое-то время ощущаем, что велосипед тянет вперед. Всему виной инерция и на то, чтобы «погасить» этот эффект потребуется некоторое время. Пока энергии не попревращаются несколько раз одна в другую, тело будет тянуть вперед. Применительно к велосипеду есть и ещё один пример. Нажмите передний тормоз резко при большой скорости движения. Гарантированно вас перевернет через переднее колесо. В простонародье этот трюк называется «черезрулька».

Рис.29. В общем-то, Ньютон виноват в падениях через руль!

Это коварный Ньютон со своим первым законом вставил нам палки в колёса. Инерция перевернула через руль поскольку такова наша система.

Примерно такая же картина наблюдается если мы стоим в вагоне метро, а поезд или резко трогается, или резко останавливается.

Во всех этих случаях появляется ситуация, при которой мы летим или вперед, или назад. Вспоминается шутка из Гриффинов, где Брайн болтался внутри едущего фургона и постоянно бился о стены изнутри. Ведь он же собака. А собаке тяжело устоять в движущейся машине.

Если проанализировать подобную схему, можно будет понять, что подобная особенность движения тоже связана с инерцией и пропорциональна нашей массе. Масса же, как мы узнаем чуть дальше, является мерой инертности тела. Чем оно тяжелее, тем сложнее привести его в движение или остановить.

Получается, что любое движение в нашем механическом мире будет подчиняться первому закону Ньютона. Конкретные примеры можно больше и не приводить. Их очень много и книги на всё это не хватит. Запомните пример про поездку в метро и его резкое торможение. Это и будет демонстрацией работы первого закона, а в голове такое осядет очень хорошо.

Полезно будет отметить, что работа первого закона активно используется в конструкциях машин и механизмов.

Так, маховик в двигателе внутреннего сгорания призван сохранить энергию вращения коленвала и сгладить провалы в работе. Маховик выполнен в виде массивного металлического тела, обладающего приличной массой.

Рис.30. Маховик позволяет двигателю вращаться плавнее благодаря собственной инертности

Именно масса заставляет его длительное время вращаться по инерции, что и является следствием работы первого закона.

Интересно отметить, что на попытке сохранить эту энергию строятся целые научные направления. Например, известный ученый Гулиа Н. В., старался сделать механический аккумулятор или энергетическую капсулу, опираясь на эффект инерции. На сей счёт он написал немалое количество научных трудов.

Сформулируем первый закон Ньютона и разберем его на болтики

Давайте сформулируем первый закон Ньютона так, как это обычно сделано в учебниках.

Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тела движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют никакие силы или действие других сил скомпенсировано.

Вот, вроде бы, мало написано. Но о чём тут вообще? Если вы впервые читаете такую формулировку, то запутаться совсем несложно. Да и уже имея знания по физике и подзабыв что-то, потерять мысль рассуждения вполне вероятно.

Первая мысль, которая появляется при прочтении этих строк — для чего это вообще и что это за бред? Да, именно бред. Набор слов и не более. Такие мысли возникают у большинства читателей.

Когда нам рассказывают про этот закон в школе, аналитическое мышление ещё не до конца сформировано и жизненного опыта маловато. Закон кажется нам набором слов, а память об этом закрепляется на всю жизнь. Поэтому, сейчас будем разбирать вопрос буквально по буквам.

После нашей аналитической работы вы будет воспринимать первый закон Ньютона как один из фундаментальных законов механики, а не что-то там из учебника.

Вся сложность ни в первом законе, а в мудреной формулировке. Оно как на древнерусском языке написано.

Существуют такие системы отсчёта… Стоп-слово системы отсчёта. Что такое система отсчёта? Ничего сверхъестественного!

В данном случае, это обстоятельство указывает на принадлежность рассматриваемых тел к одной системе отсчёта.

Системой отсчета называется совокупность неподвижных относительно друг друга тел (тело отсчёта), по отношению к которым рассматривается движение (в связанной с ними системе координат), и отсчитывающих время часов (системы отсчёта времени), по отношению к которой рассматривается движение каких-либо тел. Если коротко и просто — то это пространство, в котором мы перемещаемся, и часы, а также точка отсчёта, от которой мы отмеряем расстояние. Всё это необходимо для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность сопоставить разные виды движения и движения разных тел, а также правильно выполнить расчёты.

Рис.31. Система отсчёта

Например, если мы едем на поезде и проезжаем мимо станции, то можно рассматривать и поезд, и станцию в одной системе отсчёта, а можно как разные.

В одной общей системе отсчёта, привязанной к станции, поезд будет ехать, а станция стоять.

В другой, привязанной к поезду, поезд будет стоять, а станция проедет мимо.

Мы можем сидеть на стуле в комнате, а земля в это время крутится. Относительно земли мы сидим, а относительно пространства или, скажем, луны, мы вращаемся.

Именно это обстоятельство и обозначается понятием система отсчёта.

Хорошо, когда речь идёт о таких безобидных ситуациях. Но если говорить про аварии на дорогах, то там уже система отсчёта не кажется такой бесполезной штукой. Ведь в системе автомобиль-водитель, скорости при встречном столкновении с другим автомобилем будут суммироваться, что делает столкновение ещё более опасным. Значит, нужно правильно рассчитать нагрузку, чтобы укрепить автомобиль подходящим образом. Для этого нужно правильно выбрать систему отсчёта и вникнуть в понятие относительности движения.

Следующее новое слово — инерциальная система отсчёта.

Всё тоже очень просто. Это система отсчёта, в которой существует инерция. Инерциальной называется система отсчёта, по отношению к которой пространство является однородным и изотропным, а время — однородным. Или, если перевести это на нормальный язык, то это система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно либо покоятся.

Что такое инерция? Это мы, пожалуй, выделим даже в отдельный пункт. Больно важная понятие в физической теории, которое будет преследовать нас постоянно.

Что такое инерция в физике

Инерция есть способность тела сохранять скорость как по направлению, так и по величине, при отсутствии воздействий на тело или компенсации этих действий.

Рис.32. Примерно так инерция работает на практике. Платформа только тронулась и человек падает.

Если поезд разгоняется, мы начинаем падать противонаправлено его движению, когда тормозит — падаем вперед. Вот она инерция. Врезаемся передним колесом велосипеда в бордюр и что-то тянет нас через руль. Опять инерция.

Она появляется в следствие того, что у тела есть некоторая собственная масса. И в случае с поездом, эта масса продолжает своё свободное движение по инерции, тогда как колёса поезда уже тормозятся.

Как мы помним, первый закон Ньютона — это ещё и закон инерции. Количество инерции пропорционально массе. Правда тут стоит отметить некоторый парадокс, обозначенный Эйнштейном. Он установил в своё время, что инерционность одной массы будет зависеть от расстояния до других масс. Чем это расстояние больше, тем меньше будет инерция тела, удаленного от других масс. Значит, инерция зависит не только от массы, но и от взаимного расположения тел, но пока забудем об этом.

Отношение к понятию инерция в физике вообще не однозначное. Большая часть ученых приходят к выводу, что никакой инерции не существует и рассматривать её как силу ни в коем случае нельзя. Допускается воспринимать это понятие только как механизм, упрощающий наше взаимодействие с окружающим миром.

Причиной же инерции (стоит дописать — по последним данным) считается воздействие на тело поля Хиггса, которое ускоряет частицы, придавая им некоторые свойства. Согласно этой гипотезе, существует всепроницающее вакуумное поле Хиггса, и при ускорениях масс поле создает инерцию массы.

Но мы уже слишком далеко отошли от механики. Для нас сейчас принципиально разобраться в самой Ньтоновской закономерности. Поэтому, продолжаем анализировать первый закон.

Следующее, что там было отмечено — это что тела движутся равномерно и прямолинейно.

Здесь, наверное, ничего пояснять и не нужно.

Прямолинейно — это по прямой линии. Равномерно — значит за любые равные промежутки времени проходит одно и то же расстояние, и имеет неизменную скорость.

На них не действуют никакие силы… Для чего это обозначается?

В реальной жизни и в нашем пространстве, мы всегда испытываем действия каких-либо сил.

Если санки катятся с горы, то на них, как минимум, действует сила притяжения Земли и сила трения, возникающая между полозьями и снегом. Представить себе обратную ситуацию в реальной жизни довольно сложно. Тут на этом заостряется внимание специально. Инерция «ломается», если ей мешают другие силы. То есть инерциальное движение пропадет, в случае, когда телу препятствуют внешние воздействия. Опять же, уместен пример с любимым метро. Если поезд резко тормознул, а мы держались за поручень, то инерция не заставит нас упасть, потому что вмешалась вот такая внешняя сила. Она представлена тут рукой, которая держится за поручень и создает противодействие. Мы стабилизируем своё состояние в системе поезд-мы, чтобы исключить своё движение относительно самого поезда.

Действие других сил скомпенсировано…

Понятие более сложное, чем предыдущее. Как представить себе компенсацию сил?

Представьте, что лыжник скатывался с горы и в какой-то момент подул ветер, который остановил лыжника. В момент остановки силы и были скомпенсированы. Или, результирующая всех сил была равна нулю.

Рис.33. Лыжника остановило ветром. Результирующая сила равна нулю

Проще всего представить себе эту ситуацию, когда мы говорим про плавание. Плавающее тело в точке равновесия имеет скомпенсированное воздействие внешних сил.

Обратите внимание, что только при таком раскладе будет работать первый закон Ньютона! В случае влияния на тело нескольких сил, только в точке равновесия возможна работа инерции. Чтобы сделать это явление более понятным, представим себе, что мы поставили банку с плавающей в ней телом на тележку. Затем разогнали тележку. И потом увидели, что на тело внутри банки оказала влияние внешняя инерция. Получается, что плавающее тело испытывало на себе скомпенсированное влияние двух сил. Но это не помешало воспринять инерцию!

Простая формулировка первого закона Ньютона

Теперь, изучив всю «матчасть», мы можем сформулировать первый закон в очень простой форме.

Тело, которому передали некоторое движение, будет ехать, пока на него что-то не подействует снаружи. При этом скомпенсированные воздействия и силы не считаются.

Если велосипедист едет по абсолютно ровной дороге, после того, как его кто-то толкнул вперед, дорога без наклона и сила трения колёс, а также сопротивление ветра (как и ВСЕ внешние сопротивления) отсутствуют или уравновешены, то он будет катиться так с одинаковой скоростью бесконечно долго.

Но в реальной системе ВСЕГДА будут действовать силы противодействия (трение, ветер, кочки) и велосипедист начнет останавливаться, если не будет крутить педали. Силы эти всегда не скомпенсированы.

Как бы выглядела бы компенсация сил на примере такого велосипедиста? Довольно хитро.

Пусть в лицо велосипедисту дует ветер и воздействует на него с силой 50 Ньютонов, а за спиной у велосипедиста будет винт, как у Карлсона, который создает силу движения вперед 50 Ньютонов. Вот мы и уравновесили все имеющие силы и получили результирующий ноль. Теперь в этом скомпенсированном бутерброде будет работать инерция и если, как и раньше мы будем исключать трение и т. п. и т.д., то велосипедист будет катиться неограниченно долго по прямой.

Как сам Ньютон сформулировал первый закон и где мы неправы

В начале объяснения мы обозначили, что Ньютон сформулировал первый закон изначально чуть иначе. Звучит он так:

Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Согласитесь, все наши объяснения можно было и не делать, будь закон сформулирован именно так в учебниках изначально. Но позвольте, где тут хоть слово про всякие системы отсчета? А где про «существование таких систем отсчёта». Ничего нет.

Всё дело в том, что критика, которая потом посыпалась на Ньютона, как раз-таки и основана на тех самых допущениях. Допущения и приписки сделаны не самим Ньютоном. Ньютон различал только кажущиеся и истинные движения. Кажущиеся читай как относительные. В этом «относительном» всё и завязло. Ведь первый закон про истинные движения.

Вот как сказал сам Ньютон:

Истинное движение не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к самому движущемуся телу, тогда как кажущееся движение тела может быть и произведено, и изменено без приложения сил к этому телу.

Вроде бы и всё тоже самое, только вопрос относительности не выпячен. Может быть, это слегка упрощает закон, но делает его правильным.

Ещё стоит обратить внимание на системы отсчёта, которые «существуют». Ведь их не существует. Систем, описанных в первом законе в реальности нет! При точных измерениях всегда выявится ускорение из-за той или иной причины (начиная от вращения земли и кончая дуновением ветерка), что уже стирает логику равномерного движения в реальности. Ни одна система отсчета, которую можно представить не является инерциальной в полноценном её понимании. Всё это допущения.

Самое важное про первый закон

Собственно, всё сказанное выше было лишь попыткой расширить кругозор. Нам же сейчас следует запомнить, что существует такая штука, как инерция, которая переворачивает велосипедистов через руль, и что тело будет двигаться по инерции до тех пор, пока ему что-то не помешает.

Рис.34. Если поезд резко дёрнется, то тяжелый человек пролетит дальше благодаря большой массе

Количество инерции измеряется массой тела и чем оно массивнее, тем сильнее эта инерция. Такое свойство называют инертностью.

Конец ознакомительного фрагмента.