Геоцентрическая система отсчета физика


Часть 1
Механика
Силы и движение

1. Основы механики

Как мы видели, вся классическая физика представляет собой сочетание двух сил – силы тяготения и электромагнитной силы. Поэтому будет естественным для начала объяснить, что такое сила, и определить, как она влияет на движение тел. Для этого нам нужно заглянуть в историю и поинтересоваться механикой, сначала с Галилеем, затем с Ньютоном.

1. Относительность движения

Система отсчета

Необходимость ориентиров для описания движения

Зададим риторический вопрос: что такое движение? Мы видим объекты, которые движутся по отношению к нам (машины, пешеходы…), мы сами перемещаемся по отношению к дороге, к тротуару… «По отношению к» – ключевые слова для описания движения.

Если мы сидим рядом со спящим пассажиром в поезде, он по отношению к нам не движется; однако он движется по отношению к пейзажу, пролетающему за окном. Таким образом, необходим ориентир, чтобы уточнить, по отношению к чему движется объект. В физике подобный ориентир называется системой отсчета, которая является важнейшим понятием.


В предыдущем примере спящий пассажир движется в системе отсчета луга, находящегося снаружи («он движется по отношению к лугу»), но в системе отсчета поезда он не движется («по отношению к поезду пассажир неподвижен»). Если наша цель изучить движение пассажира по отношению к поезду, то мы перемещаемся в систему отсчета поезда. Если наша цель – узнать, когда мы прибудем к месту назначения, необходимо рассмотреть нашу скорость во внешней системе отсчета, то есть луга или просто земной поверхности.

Необходимо запомнить, что выражение «в системе отсчета» является синонимом «по отношению к». По своей природе объект всегда неподвижен в собственной системе отчета: то есть поезд не движется по отношению к поезду.

Земная и геоцентрическая системы отсчета

В повседневной жизни нас чаще всего интересует движение по отношению к земле. Под словом «земля» имеется в виду «земная поверхность». Система отсчета земли, которая кажется нам такой неподвижной, называется «земной системой отсчета», и, по всей вероятности, она является самой главной из всех. Однако она не является абсолютной: Земля вращается вокруг собственной оси, а вместе с ней и ее поверхность… Таким образом, даже будучи неподвижным по отношению к земной поверхности, человек на экваторе преодолевает не менее 40 000 км (окружность Земли) в космосе за один день!


Система отсчета, в которой мы обладаем такой колоссальной скоростью, называется «геоцентрической системой отсчета» (центром является Земля). То есть в земной системе отсчета дом неподвижен, но в геоцентрической системе отсчета он вращается вместе с Землей.

Взгляните на ночное небо: в течение ночи звезды на небе перемещаются. Они движутся по отношению к нам, то есть в земной системе отсчета. Но каждый знает, что их движение связано с вращением Земли: в геоцентрической системе отсчета звезды остаются неподвижны, это мы под ними перемещаемся[2].

Две точки зрения абсолютно идентичны: в повседневной жизни мы наверняка предпочтем считать, что звезды движутся по небу, потому что с нашей точки зрения мы видим это движение (согласно земной системе отсчета). Но космонавт, прилетевший на Марс, увидит, как Земля вращается в космосе, в то время как звезды покажутся ему неподвижными: он предпочтет геоцентрическую систему отсчета.

Рис. 1.1 – Движение дома и сверхзвукового самолета

Перед нами дом в Австралии на Земле и сверхзвуковой самолет, который движется на запад. Через 6 часов самолет, который был на востоке Австралии, окажется на западе Австралии.

Для космонавта, который наблюдает вращение Земли из космоса, в геоцентрической системе отсчета дом за 6 часов переместится, а самолет останется неподвижным. Разумеется, по отношению к земной поверхности (земная система отсчета) самолет переместился на запад, а дом остался неподвижным.


Возьмем в качестве примера сверхзвуковой самолет, летящий на запад, чья скорость равна скорости вращения Земли. С точки зрения космонавта самолет неподвижен, а Земля вращается под ним. Однако для человека на Земле самолет перемещается с огромной скоростью (➙ рис. 1.1)…

Гелиоцентрическая система отсчета

Теперь поговорим о Солнце. Из-за вращения Земли кажется, что Солнце проходит по небу за 24 часа. Но не следует забывать, что Земля вращается еще и вокруг Солнца. Это составляет целый комплекс движений, которые к тому же зависят от разных систем отсчета!

Переместимся в горячую точку и представим себя на месте Солнца: Земля делает оборот вокруг нас за один год. Мы находимся в «гелиоцентрической системе отсчета» (Солнце расположено в центре). Однако с точки зрения геоцентрической системы отсчета Земля не перемещается, а лишь вращается вокруг своей оси, а вот Солнце как будто делает круг за 365 дней (➙ рис. 1.2).

В конце концов, древнее представление о том, что Солнце вращается вокруг Земли, вероятно, не так уж неверно… с определенной точки зрения! В дальнейшем мы увидим, почему представление Коперника, несмотря ни на что, было обоснованным.

Рис. 1.2 – Движение Земли и Солнца

С точки зрения космонавта, наблюдающего Солнечную систему со стороны, Земля вращается вокруг неподвижного Солнца (гелиоцентрическая система отсчета).


Человек на Земле видит, что Солнце, находившееся в созвездии Тельца, через три месяца переместилось в созвездие Льва: с точки зрения геоцентрической системы отсчета именно Солнце движется по отношению к звездам.

Мы могли бы продолжить путешествие по Вселенной и рассмотреть мир с точки зрения «галактикоцентрической» системы отсчета: по отношению к центру Галактики наша скорость просто феноменальна, поскольку Земля вращает нас со скоростью 0,5 км/с, вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, а в составе Солнечной системы мы делает виток вокруг центра Галактики со скоростью 217 км/c: то есть мы в среднем преодолеваем 217 километров каждую секунду!

Завершим на этом наше космическое путешествие. Благодаря ему мы познакомились с тремя системами отсчета: земной, геоцентрической и гелиоцентрической. Таких систем мы можем найти бесконечное множество: например, поезд или галактика… Однако чаще всего мы будем использовать земную систему отсчета.

Геоцентрическая система отсчета физика

А ЧТО ЖЕ АРИСТОТЕЛЬ?

Мы оставили Аристотеля, испуганного перспективой быть расплющенным о спинку сиденья транспортного средства, движущегося со скоростью 50 км/ч. Но что же мы только что узнали? Что наша скорость 217 км/с, или 30 км/с, или 0,5 км/с, или же 0 км/с (в галактикоцентрической, гелиоцентрической, геоцентрической и земной системах отсчета соответственно).

Таким образом, становится ясно, что скорость не является ключевым параметром в понятии силы.


Геоцентрическая система отсчета физика

ВЫВОД: ТРИ ВАЖНЫЕ СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА

• Земная система отсчета: поверхность Земли неподвижна. Солнце, Луна и звезды вращаются на небе. Такова наиболее распространенная точка зрения.

• Геоцентрическая система отсчета: Земля вращается вокруг своей оси, но не перемещается. Звезды неподвижны (на первый взгляд), но Солнце перемещается по небесному своду.

• Гелиоцентрическая система отсчета: Солнце не перемещается, а лишь вращается вокруг собственной оси. Земля делает виток вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. Звезды кажутся неподвижными (на первый взгляд).

В первую очередь необходимо запомнить, что понятие движения и скорости связаны с системой отсчета: они относительны и имеют смысл только по отношению к какому-либо ориентиру.

Системы отсчета Галилея

Движение изолированного объекта

В предыдущем параграфе мы увидели, что, по всей видимости, абсолютной системы отсчета не существует: все точки зрения справедливы.

Это мы установили на примере движения сверхзвукового самолета, летящего на запад, противопоставленного вращению Земли: человек на Земле (земная система отсчета) видит самолет, летящий с большой скоростью. Человек в космосе (геоцентрическая система отсчета) видит, что самолет неподвижен, а Земля вращается. Оба человека правы.


Однако две эти системы отсчета не равнозначны для всех точек зрения, и именно это мы попытаемся продемонстрировать ниже.

Первопроходцем в этой области был Галилей. Ему пришла в голову следующая мысль: каким будет движение одиночного объекта при отсутствии какого-либо окружения в зависимости от определенной системы отсчета?

Подобный одиночный объект называется изолированным. Проблема в том, что полностью изолированных предметов, с которыми можно было бы провести опыт, не существует, тем более на Земле! Как бы там ни было, Галилей попытался провести такой опыт, постаравшись максимально снизить влияние окружающей среды. Например, повинуясь земному притяжению, шарик мог бы упасть еще ниже, но его задерживает поверхность земли: эти два условия компенсируют друг друга, и объект называется псевдоизолированным.

Но что же произойдет, если покатить шарик по земле?

• Первый факт: шарик катится все время прямо, его траектория по отношению к земной поверхности прямолинейна.

• Второй факт: его скорость не уменьшается, по крайней мере если достаточно снизить сопротивление воздуха (необходимое условие для псевдоизолированного объекта). Такую скорость называют равномерной, она остается постоянной по отношению к земной поверхности.

Таким образом, естественному движению изолированного объекта в земной системе отсчета свойственна «равномерная прямолинейная» траектория.

Действительно, если наша машина поворачивает налево, нас прижимает к правой дверце, потому что наше тело «хочет» двигаться прямо, а машина нам в этом мешает (➙ рис. 1.3).


Когда машина тормозит, наше тело наклоняется вперед, потому что мы не «хотим» терять равномерную скорость, с которой двигались (➙ рис. 1.4). В любом случае наше тело стремится сохранить прямолинейную равномерную траекторию.

Рис. 1.4 – Машина в момент торможения

На рисунке представлены три положения машины в течение одной секунды. Между 2-й и 3-й позицией машина начала тормозить. Но тело человека, сидящего внутри (кружок), стремится сохранить прямолинейную равномерную траекторию, поэтому человек оказался прижатым к лобовому стеклу.

Очень необычная система отсчета

Выйдем из машины и положим мяч на горизонтальную земную поверхность: он останется лежать неподвижно там, куда его положили. На самом деле это частный случай «прямолинейной равномерной траектории», о которой уже говорилось раньше: слово «равномерный» означает, что скорость остается постоянной. А если скорость нулевая, она останется нулевой…

Проблема в том, что это справедливо только для земной системы отсчета. Сядем снова в машину и положим мяч на плоскую поверхность. Если машина повернет влево, наш мяч покатится вправо, так же как мы наклоняемся к правой дверце. Это видно на рис. 2.3: мяч (кружок) в определенный момент оказывается в правой части машины. Также если машина затормозит, мяч покатится вперед, как мы наклоняемся к лобовому стеклу. Это также наглядно показано на рис. 2.4, где мяч на секунду оказывается перед машиной.


Таким образом, в системе отсчета машины неподвижный предмет не остается неподвижным: поскольку он испытывает ускорение, его движение перестает быть прямолинейным и равномерным.

То есть законы движения зависят от системы отсчета, а прямолинейная равномерная траектория изолированного объекта применима лишь в некоторых особых системах отсчета. Эти особые системы отсчета очень важны, ибо мы видим, что наша старая добрая земная система отсчета на первый взгляд относится к этой категории. Такие системы называются «инерциальными системами отсчета».

Таким образом, движение изолированного объекта в инерциальной системе отсчета является прямолинейным и равномерным по определению этой системы отсчета.

Какие системы отсчета являются инерциальными?

Загвоздка в том, что земная система отсчета не такая уж инерциальная. Покатим наш мяч по плоской поверхности в несколько километров длиной, предположив, что трения не существует: если долго смотреть на его траекторию, мы увидим, что мяч немного отклоняется вправо и описывает широкую дугу. Причина этого в том, что Земля вращается вокруг своей оси: именно это явление заставляло наш мяч катиться вправо в машине, которая поворачивала налево.

Мы постараемся более детально вникнуть в точное движение мяча по отношению к Земле в следующей главе: а сейчас достаточно констатировать, что система отсчета не является инерциальной при длительном наблюдении за движением из-за вращения Земли.


Но если геоцентрическая система не вращается вокруг своей оси, является ли она инерциальной, в отличие от земной? Увы, Земля вращается вокруг Солнца, а вместе с ней и геоцентрическая система отсчета: это сопровождается теми же последствиями для движения тел. То же самое происходит с гелиоцентрической системой, которая «вращается» вокруг центра Галактики.

На самом деле ни одна из этих трех систем отсчета не является инерциальной, но более или менее к ней приближена. Земная система отсчета может в целом рассматриваться как инерциальная, кроме тех случаев, когда нас интересуют крупномасштабные пространственные явления (например, движение масс воздуха и океанов) или когда мы хотим очень подробно изучить некоторые движения. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы отсчета являются вполне инерциальными для большинства изучаемых движений.

Геоцентрическая система отсчета физика

АБСОЛЮТНАЯ СИСТЕМА ОТСЧЕТА?

И последнее: поскольку инерциальная система отсчета так интересна, можем ли мы считать ее «абсолютной», считать ее системой отсчета Вселенной, в которой все предметы находятся в движении?

На самом деле можно продемонстрировать, что инерциальная система отсчета не единственная и существует множество других.

Возьмите лист бумаги и ручку, которая будет представлять изолированный объект. Проведите вертикальную черту сверху вниз, двигая ручку с постоянной скоростью: у вас получилась красивая равномерная прямолинейная траектория, а ваш лист представляет собой инерциальную систему отсчета.


Теперь проделайте то же самое, медленно передвигая лист влево с одинаковой скоростью: на этот раз черта будет диагональной, но по-прежнему прямой и нарисованной с постоянной скоростью. То есть лист, медленно перемещенный влево, также представляет собой инерциальную систему отсчета.

Таким образом, оба ваших листа представляют собой инерциальные системы отсчета, находящиеся в движении по отношению друг к другу.

В действительности любая система отсчета, которая равномерно перемещается по прямолинейной траектории по отношению к инерциальной системе отсчета, также является инерциальной: таким образом, существует бесконечное множество инерциальных систем отсчета, находящихся в движении по отношению друг к другу.

Идея «абсолютной системы отсчета» не имеет решительно никакого смысла.

Существует ли совершенная инерциальная система? Да, существует, но она представляет мало интереса… Как правило, мы стремимся изучить движение тела по отношению к чему-то конкретному (к земной поверхности, к планете Земля, к Солнцу), а вместе с этим возникает и определенная система отсчета.

Может возникнуть вопрос, зачем так подробно останавливаться на понятии инерциальной системы. В действительности, как мы увидим в дальнейшем, в этой системе отсчета законы механики наиболее просты: поэтому всегда приятно, когда можешь считать свою систему отсчета инерциальной…

2. Сила и инерция

Некоторые уточнения по поводу ускорения

В повседневной речи ускорение означает увеличение скорости. С точки зрения физика это не всегда верно по двум главным причинам:

• Ускорение – это алгебраическая величина, то есть оно может быть положительным и отрицательным, в зависимости от того, увеличивается скорость или уменьшается. Физик никогда не скажет «замедление», для него речь идет об «отрицательном ускорении»… То есть машина, которая тормозит, испытывает ускорение!

• Еще важнее то, что скорость представляет собой вектор, то есть стрелку, направление которой указывает направление траектории (например, на север), а длина указывает величину скорости (например, 50 км/ч обозначается стрелкой длиной 50 мм).

Однако физик считает, что ускорение наступает тогда, когда меняется вектор скорости: то есть когда меняется скорость, но и когда меняется направление траектории.

Например, машина, которая поворачивает налево, испытывает ускорение, даже если ее скорость (50 км/ч) не меняется: зато меняется направление вектора скорости.

Итак, необходимо запомнить два очень разных влияния ускорения:

• Если ускорение параллельно траектории, оно меняет скорость, но не направление машины. В этом случае ускорение называется тангенциальным (➙ рис. 1.5).

• Если ускорение перпендикулярно траектории движения, оно меняет направление машины, но не меняет ее скорость: в этом случае ускорение называют центростремительным (➙ рис. 1.6).

Конечно, может быть и так, что оба ускорения действуют одновременно, меняя скорость и направление.

Геоцентрическая система отсчета физика

ВЕЛИЧИНА УСКОРЕНИЯ

Тангенциальное ускорение показывает изменение скорости за секунду: так, если скорость машины меняется за секунду с 30 м/с на 20 м/с, ее ускорение равно – 10 м/с² (потеря скорости составляет 10 м/с каждую секунду).

А как обстоит с центростремительным ускорением? Как можно его измерить, если скорость машины не меняется? В этом случае необходимо значение, указывающее на «размер изменения направления».

Предположим, что за одну секунду вектор скорости меняется с v;1 на v;2, меняя только направление (см. схему справа). Мы видим, что стрелка вектора описала дугу, длина которой и составляет величину ускорения (математика очень точно нам это демонстрирует). Чем длиннее стрелки и больше угол между векторами, тем длиннее будет дуга.

Таким образом, центростремительное ускорение равно скорости, помноженной на изменение угла за единицу времени.

Испытание силы…

Действие окружающей среды

Снова возьмем наш объект, движущийся в инерциальной системе отсчета. Предположим, что это космический корабль, затерянный в безвоздушном межзвездном пространстве: то есть он является изолированным объектом, а его траектория равномерная и прямолинейная. А теперь представим, что он приближается к какой-то планете: его траектория искажается, несмотря на то что он не взаимодействует с планетой.

Если говорить в гораздо более широком смысле, мы наблюдаем, что малейшее материальное окружение искажает траекторию любого объекта. Это влияние может быть самым разным, например, стена жестко изменит нашу равномерную прямолинейную траекторию, если мы в нее врежемся. Если мы захотим пролететь по прямой линии с крыши одного дома на крышу другого, Земля может помешать нам проделать путь по прямолинейной траектории, заставив нас упасть. Или если мы едем на велосипеде, а ветер встречный, воздух может сильно тормозить наше движение, заставляя нас терять равномерную скорость, и т. д.

Таким образом, во всех случаях наша прямолинейная равномерная траектория искажается под действием окружающей среды:

• она или перестает быть равномерной, то есть на нас действует тангенциальное ускорение;

• или же она перестает быть прямолинейной, то есть мы испытываем влияние нормального ускорения.

В обоих случаях возникает ускорение, которого не существовало бы, если бы мы были изолированным объектом.

Запомним: в инерциальной системе отсчета присутствие материальной окружающей среды приводит к ускорению рассматриваемого объекта.

Два важнейших параметра: сила и инерция

Чем больше ускорение, тем больше мы уклоняемся от первоначальной равномерной и прямолинейной траектории, то есть воздействие на нас окружающей среды будет «сильнее». Следовательно, сила, с которой на нас воздействует окружающая среда, измеряется относительно нашего ускорения.

Таким образом, действующую на нас силу мы можем считать равной нашему ускорению. Однако интуитивно понятно, что это не так, и это можно продемонстрировать на простом примере.

Предположим, что вас попросили толкнуть детскую коляску так, чтобы она переехала улицу: вы сможете это сделать без особых усилий. Чуть погодя вас просят помочь подтолкнуть заглохшую машину: вам будет очень трудно сдвинуть ее – то есть придать ей ускорение – в одиночку. Таким образом, мы видим, что одна и та же сила, направленная на два разных объекта, приводит к двум различным ускорениям.

Каждый объект, испытывающий ускорение, обладает присущим ему свойством, а именно инертностью, которая является способностью объекта сопротивляться всякому ускорению в заданном пространстве.

Напрашивается вывод: чем более крупным и тяжелым выглядит объект (например, машина), тем сложнее, кажется, придать ему ускорение, а следовательно, тем больше его инертность. Вот почему инертность еще называют инертной массой («инертная» от слова «инерция») и выражают ее в килограммах.

Подведем итог: в инерциальной системе отсчета ускорение объекта тем больше, чем меньше его инертная масса и чем больше сила воздействия окружающей среды. Таким образом, ускорение является следующим соотношением силы (связанной с окружающей средой) и инертной массы (присущей объекту): a; = F;/m (где a; – это ускорение, F; – сила, а m – инертная масса).

Записывают также и по-другому: (F; = ma😉 в инерциальной системе отсчета.

Геоцентрическая система отсчета физика

УТОЧНЕНИЯ ПО ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

До сих пор мы говорили об объектах, чья скорость была определена. Но как обстоит дело, к примеру, с вращающимся диском? Если нас интересует его центр, то в земной системе отсчета его скорость является нулевой. Если же нас интересует его поверхность, то она вращается с большой скоростью. По правде говоря, каждая точка диска имеет разную скорость и ускорение. Какая же сила приложена к этому объекту, если его ускорение в разных точках не является одинаковым?

Подобные вращающиеся объекты мы рассмотрим в главе 7. А пока ограничимся объектами, чья скорость и ускорение во всех точках одинаковы, то есть такими, которые находятся в поступательном движении, а не вращаются вокруг своей оси.

Та же проблема возникает, если объект деформируется (в каждой точке возникает разная скорость), и тем более если он распадается на две части. Например, так происходит с ракетой, теряющей сгоревшие газы по мере своего ускорения: газы, бывшие неотъемлемой частью ракеты, внезапно оказываются предоставленными самим себе и обретают собственную скорость.

Но подобные случаи, в общем, достаточно редки, и в дальнейшем повествовании мы с легкостью будем их избегать.

Это простое уравнение описывает дифференциальный закон механического движения, или второй закон Ньютона (см. врезку ниже). С тех пор в честь этого выдающегося ученого сила выражается в ньютонах: эту единицу измерения мы крайне редко используем в повседневной жизни, но для каждого физика она является основополагающей!

Заметим, что до сих пор мы не сказали ничего революционного: мы ограничились определением инерциальной системы отсчета и силы так, чтобы они наилучшим образом соответствовали интуитивному смыслу, имея при этом четко определенные рамки. Что касается инертной массы, мы чувствуем, что она тем или иным образом связана с весом объекта, однако пока что ограничимся тем, что речь идет о некоем загадочном свойстве, присущем каждому объекту.

Геоцентрическая система отсчета физика

СИЛА И ЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Сила, описанная во втором законе Ньютона, складывается из общего влияния окружающей среды. Но мы всегда ради интереса можем мысленно поделить эту силу на несколько составляющих.

Например, возьмем машину, которая движется по улице с ускорением. Поскольку она движется с ускорением, это значит, что на нее действует сила окружающей среды, направленная вперед. Мы можем разделить эту силу на четыре составляющих (см. схему ниже):

• сила тяги, которую создают мотор и колеса, направленная вперед;

• сила трения, которое создает воздух, направленная назад;

• вес машины, направленный вниз;

• сопротивление почвы, не дающее машине пройти сквозь нее, направленное вверх.

Эти четыре составляющих и создают силу F;, которая позволяет машине двигаться с определенным ускорением (F= ma;), где F; – равнодействующая всех сил. В последующих главах мы более подробно остановимся на происхождении и выражении этих разных сил.

Настало время четко понять, как окружающая среда оказывает влияние на объекты, что приведет нас к описанию двух основополагающих сил Вселенной: силы притяжения и электромагнитной силы. Нам кажется, что повседневной жизнью управляет множество других сил (когда мы ударяемся о стену, на нас действует некая самостоятельная сила, не правда ли?): мы увидим, что все они являются следствием этих двух фундаментальных сил.

Геоцентрическая система отсчета физика

ПОНЯТИЕ «ЗАКОНА» В ФИЗИКЕ

При описании дифференциального закона механического движения мы впервые столкнулись с понятием «закон»: в дальнейшем мы познакомимся и с другими. Необходимо усвоить, что «физические законы» ни в коем случае не являются эмпирическими константами, универсальность которых можно было бы допустить. Чаще всего речь будет идти об отношениях, вводящих новую величину, которые верны по определению, по своей природе определенные законы не могут быть ложными.

Например, дифференциальный закон механического движения позволил ввести такое понятие, как «сила» и «инертная масса». Также мы увидим, что «первый закон термодинамики» всего лишь описывает понятие «полной энергии», придуманное физиками.

Таким образом, нам станет ясно, что физика вовсе не является объемным каталогом экспериментальных законов: вся классическая физика действительно сводится к выражению двух фундаментальных сил.

Геоцентрическая система отсчета физика

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Понятие движения имеет смысл только по отношению к определенной характеристике, которую физики называют системой отсчета.

• В большинстве случаев нас интересует движение по отношению к поверхности земли: земная система отсчета.

• В инерциальной системе отсчета движение объекта по определению является равномерным и прямолинейным. Земную систему отсчета можно считать инерциальной, учитывая большинство видов движения в повседневной жизни.

• С точки зрения физика ускорение приводит к изменению вектора скорости, а значит, к изменению величины скорости и/или ее направления.

• Инертная масса оказывает сопротивление ускорению объекта в инерциальной системе отсчета в заданном пространстве.

• В инерциальной системе отсчета сила, с которой окружающая среда воздействует на твердый объект в поступательном движении, определяется как произведение ускорения объекта и его инертной массы.

Источник: fictionbook.ru

Источник: mash-xxl.info

Венсан Бокео

Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно

Vincent Boqueho

TOUTE LA PHYSIQUE À PORTÉE DE MAIN

© Dunod, 2010, 2013, 2016

© Чуракова О., перевод на русский язык, 2018

© Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2018 КоЛибри®

Предисловие

Цель этой книги – представить законы природы в их совокупности и с их помощью объяснить бóльшую часть явлений окружающего мира. Мы рассматриваем вопросы от самых наивных (почему мы не проваливаемся сквозь землю) до самых сложных (почему, для того чтобы освещать и согревать нас, Солнцу достаточно водорода), раскрываем суть природных явлений (почему небо и море синие), рассказываем и о творениях самого человечества (к примеру, как создается электричество и как благодаря ему работают транзисторы наших компьютеров).

Изучив эти явления во всех подробностях, мы убедимся, что в их основе – одни и те же фундаментальные причины и один и то же закон может дать ответ на все перечисленные вопросы. Когда мы задумаемся о том, что лежит в основе всех этих явлений, природа, словно по волшебству, внезапно предстанет перед нами единым целым.

Нам хотелось показать вам эти почти невидимые связи, ставшие предметом исследования разных физических дисциплин, границы которых весьма условны: механики, термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики и теории относительности…

Мы сами поставили перед собой, казалось бы, утопическую задачу – выстроить большинство окружающих нас явлений в единую линию, чтобы понятно их описать. К концу книги эта линия будет вычерчена, и в заключении мы подведем итоги нашего пути.

Постоянное обращение к первопричинам явлений требует, чтобы мы использовали прежде всего физические, а не математические термины. Математика необходима физике, чтобы наглядно продемонстрировать результат, но она порой заставляет забыть о реальном мире, который должна описывать. Конечно, всегда можно отложить карандаш и вспомнить о первоначальных физических причинах, из которых вытекает этот самый полученный результат. Однако все возможно объяснить и без математики, хотя этим порой пренебрегают…

Таким образом, основным правилом этой книги будет следующее: объяснять все процессы, происходящие в окружающем мире, вплоть до самых сложных, без использования математики. То есть мы будем придерживаться элементарных математических понятий, которые, как мы полагаем, знакомы читателю: речь идет о простых математических действиях (сложение, умножение, возведение в степень, извлечение корня…). Мы также используем понятие вектора, но только для наглядного изображения в схемах: никаких специальных знаний для этого не потребуется. Таких понятий, как производная, мы будем старательно избегать.

Таким образом, рассуждения в этой книге призваны не просто продемонстрировать, а объяснить «на пальцах» глубинные причины физических явлений. Наша цель – показать, что таким простым способом можно понять действующие механизмы, не прибегая к сложным математическим вычислениям.

Рассуждения о физических процессах в некоторых областях довольно сложны и требуют сосредоточенности. Для того чтобы это не задерживало чтение книги, самые сложные умозаключения мы вынесли в рамки (со значком ): только там мы позволим себе использовать математику в самой элементарной форме. Тем более что для читателей с математическим складом ума простое уравнение будет яснее и понятнее, чем длинные рассуждения… В других рамках (со значком ) поясняются конкретные вопросы, приводятся исторические факты и известные применения описанного закона.

Читатель может не обращать внимания на эти вставки, чтобы не терять нить повествования: нужно будет принять некоторые выводы, но это не помешает понять физические процессы, описанные в следующих главах.

Так ли необходимо прочесть все от начала и до конца? Разумеется, эта книга логически структурирована и интереснее будет следовать за нитью Ариадны. Однако если читатель уже обладает какими-то познаниями в физике, он может сразу перейти к главе, которая его интересует.

Кому же в итоге предназначена эта книга? Здесь представлен обзор большинства физических понятий, начиная со школьной программы (электричество, механика) до третьего курса университета (квантовая физика, теория относительности, ядерная физика). В то же время все разделы начинаются с азов, и чтение не требует специальной предварительной подготовки.

Так что эта книга заинтересует и студента, и школьника старших классов, которым захочется закрепить полученные знания с помощью более общего и менее вычислительного взгляда на физику. Но она также пригодится каждому любознательному человеку, желающему понять суть и истоки повседневных явлений природы.

Обнаружить волшебное единство Вселенной за ее внешним разнообразием – ни с чем не сравнимое удовольствие. Мы надеемся, что эта книга сумеет пробудить в читателе стремление одним взглядом охватить ВСЁ…

Пролог: введение в физику

1. К какому виду принадлежит физик?

Целью физики является ни больше ни меньше как определение фундаментальных законов, которые управляют Вселенной и ее развитием: знание прошлого, понимание настоящего, предвидение будущего. Помимо открытия механизмов, действующих в природе, именно физика обеспечила стремительный технический прогресс, который продолжается и сегодня: автомобили и самолеты, телевизоры и холодильники, компьютеры и музыкальные центры, различные промышленные машины, которые шьют одежду и производят бетонные блоки для наших домов…

Физика дает ответ на самые простодушные наши вопросы: что такое материя? Что такое свет? Почему мы, как и свет, не можем проходить сквозь стену, а звук может? Почему все вокруг окрашено в разные цвета, почему небо голубое? Почему Земля круглая и почему она вертится? Что скрывается за словом «магнетизм», что такое электричество и молния?

Сила физики, ее поистине волшебное свойство в том, что ответы на все – абсолютно все! – эти вопросы содержатся в одной-единственной фразе. Эта фраза также описывает все разделы физики, перечисленные выше. Вот как она звучит:

«От мира атомов до целых галактик во Вселенной существует две основополагающие силы – сила гравитации и электромагнитная сила».

Понятно, почему физики-исследователи XXI в. делают основную ставку на объединение этих двух сил: как прекрасно было бы привести все к единой Силе, управляющей Вселенной!

На самом деле существование этих двух сил, которое мы можем лишь констатировать, служит основой того, что мы называем классической физикой. Однако, произнеся фразу о силах Вселенной «от мира атомов до целых галактик…», мы немного схитрили, подразумевая, что это верно для материи любого масштаба. Это неправда!

Если заглянуть внутрь атома, мы обнаружим два новых вида взаимодействия: слабое и сильное. На этом уровне возникает совершенно новая физика, особенности которой на первый взгляд не имеют ничего общего с физикой классической: речь идет о квантовой физике. Законы этого измерения становятся затейливой игрой вероятностей, где даже вопросы «где?» и «когда?» теряют свой смысл.

Означает ли это, что следует различать две разные системы законов – физики квантовой и классической? Нет, потому что квантовая физика охватывает и физику классическую, которая является лишь частным случаем первой. Например, согласно квантовым законам, наше тело не имеет четких пространственных пределов. Но эта размытая граница имеет столь малую протяженность, что ее невозможно увидеть под микроскопом.

Источник: www.litmir.me


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.