Читать книгу: «Физика Самой Средней Школы», страница 3

Name: Физика Самой Средней Школы
Rating: 5.0 (2 reviews)
Author: Андрей Владимирович Швец

Шрифт:

5 Давление и плотность

Давление – это сила на единицу площади, то есть распределение силы. Вы, наверняка, провалитесь в глубокий снег, если встанете на него в ботинках. Но надев лыжи, вы распределите свой вес по большей площади, и давление, которое измеряется в паскалях (Па), уменьшится. Чем меньше давление – тем меньше вы проваливаетесь. По этой же причине тяжелый лось не проваливается в болоте – у него очень широкие копыта.

Итак, давление равно силе, деленной на площадь поверхности:

Сила и здесь чаще всего вес тела – mg. Поэтому опять вернемся к массе. Масса равна произведению плотности на объем, потому что плотность – и есть масса единицы объема.

Вообще, плотность вещества может быть гораздо больше привычной. Вещество вашего мира, почти полностью состоит из пустоты. Поэтому Землю можно сжать до размеров мячика. И тогда его плотность будет такая же как у нейтронных звезд или черных дыр. Вы уже, наверное, слышали, что из-за своей плотности и массы черные дыры удерживают почти все, и даже свет. Поэтому они и называются черными. В них останавливается даже время, и я слышала, что их можно использовать в качестве порталов между мирами. По крайней мере, жители мира К56789 умеют это делать, благодаря тому, что их тела состоят не из материи, а из информации, которую, как считают физики, черные дыры не могут удержать.

Кстати, ваши ученые любят называть темным все то, чего не видят. Например, они не понимают почему галактики движутся таким образом, как они наблюдают. Чтобы объяснить это движение им необходимо наличие огромных масс невидимой материи, которую они назвали темной. И по их оценкам масса такой материи во Вселенной превышает обычную более, чем в пять раз.

Вернемся к давлению. По закону Паскаля давление в газах и жидкостях распределяется равномерно и во все стороны. Значит в гидравлическом поршне давление в узкой и широкой части будет одинаковым, но благодаря разной площади поршней сила будет тоже отличаться.

Приравняем выражения для давлений первого и второго поршней и получим, что на сколько больше площадь поршня – на столько же больше и сила на нем.

Немного поиграемся формулами:

Мы получили формулу давления, столбика какого либо вещества:

Чаще всего эту формулу используют для определения давления столба жидкости высотой h. А еще можно сказать, что это давление жидкости с плотностью p , на глубине h.

Закон Паскаля приводит еще и к тому, что на погруженное в жидкость тело снизу действует давление жидкости, потому что по этому закону давление жидкости распространяется во все стороны, в том числе и вверх. Так появляется выталкивающая сила Архимеда.

И она равна:

где V – объем погруженной части.

Этот закон справедлив и для газов. Благодаря нему поднимаются в воздух аэростаты и воздушные шары. Атмосферное давление имеет такую же причину, что и давление жидкости на глубине – столб атмосферы давит вниз своей тяжестью.

Впервые, как считается, атмосферное давление изучил Торричелли при помощи ртутного барометра. В нем давление столба ртути уравновешивало атмосферное давление, давящего на открытую поверхность. Поэтому до сих пор синоптики измеряют атмосферное давление в милиметрах ртутного столба.

Вы слышали о темной энергии? Еще одна невидимая “чернота”, при помощи которой физики объясняют факт ускоренного расширения Вселенной. По идее, расширение должно или не изменяться во времени или замедляться, но ваша Вселенная, судя по всему, расширяется все быстрее и быстрее. И ваши ученые не долго думая придумали темную энергию, которая составляет 68% всей энергии-массы мира и которая должна создавать дополнительное давление.

Девушка , ученица старших классов Самой Средней Школы, поняла, почему Вселенная ускоренно расширяется – секрет заключается в понятии ее границы. Ведь при расширении должна двигаться и граница, но что за ней? Чтобы это ни было, это тоже будет считаться Вселенной, и, следовательно, уже не граница. У девушки часто менялось настроение и в зависимости от него весь мир то сжимался то расширялся. И это еще, я думаю, сведет с ума ученых далекого будущего, потому что об изменениях размеров Вселенной мы судим по далеким звездам, свет от которых идет к Земле очень долго.

Напишите о явлении, суть которого вы бы хотели постичь, чтобы управлять им. И как бы вы воспользовались своей суперспособностью? Если бы вы убедились, что не только на поведение галактик, но и на наше собственное влияют невидимые (“темные”) тела, то как бы вы ими управляли?.

_______________________________________________________

______________________________________________________

6 Работа, мощность и простейшие механизмы

Можно перенести 12 ящиков за два раза, если брать по 6,

или за 12 раз если брать по одному. Но работа будет выполнена одинаковая. Можно сказать, что произведение силы на перемещение не меняется. Это произведение и в физике называется работой и измеряется в джоулях (Дж).

Стоит заметить, что эта формула справедлива, если сила и перемещение сонаправлены. Рассмотрим же случай, когда сила направлена под углом к перемещению.

Разложим силу на взаимно перпендикулярные составляющие. Fy – приподнимает ящик, Fx – собственно тянет его по поверхности. И работа силы F будет равна произведению ее проекции Fx на перемещение. А вот, кстати, работа силы трения будет отрицательной, потому что она всегда направлена против движения.

Но вернемся к ящикам. Если они слишком тяжелые, чтобы взять их сразу, то мы можем носить по одному, но при этом придется больше ходить. Поэтому говорят, что выигрывая в силе – столько же проигрываем в перемещении. Это золотое правило механики и по этому принципу работают, так называемые простые механизмы. Самый известный из которых – рычаг. Если вы двигаете его длинный конец, то при повороте он проделывает больший путь, чем короткий. Вы проигрываете в перемещении, и следовательно – выигрываете в силе.

Рассмотрим задачу о равновесии рычага, к концам которого приложены силы, с точки зрения совершаемой работы.

Мы знаем плечи этих сил – расстояние от точек приложения сил до оси вращения (в нашем случае) и величину первой силы, а найти нужно вторую. Применим принцип возможных перемещений. Несмотря на то, что рычаг неподвижен – представим себе, что он совсем чуть чуть повернулся в направлении первой силы. Тогда работа этой силы будет положительной, а второй – отрицательной, так как она будет направлена против перемещения. По принципу возможных перемещений, равновесие наступит в том случае, если сумма работы всех сил равна нулю. То есть по модулю работы обоих сил должны быть равны. А поскольку перемещение концов рычага пропорционально длине плеч, то можно записать следующее условие равновесия такого рычага:

Из этого равенства легко можно найти вторую силу. Кстати, произведение силы на плечо называется вращающим моментом:

И тогда условие равновесия рычага можно перефразировать по-другому: вращающие моменты, направленные по часовой стрелке, должны быть равны вращающим моментам, направленным против. И тогда никто никуда вращаться не будет. А если примем вращение против часовой стрелки положительным, то вращение по часовой автоматически станет отрицательным. И тогда условие равновесия будет звучать еще проще: сумма вращающих моментов равна нулю.

В мире А56788 ученые-шаманы уверены, что существует дух простых механизмов (ДПМ), который помогает людям, давая им выигрыш в силе, но требуя плату в виде увеличения перемещения, во столько же раз, во-сколько увеличивается сила. Никто этих духов не видел, но ученые считают, что его существование доказано экспериментально. Например они говорят, что вкатить бочку по наклонной доске будет легче, потому что ДПГ поможет. Причем, по закону ДПГ, если длина доски больше высоты на которую поднимают бочку в три раза, то силы понадобится в три раза меньше. Опыт подтверждает этот вывод и, следовательно, подтверждает наличие духа простых механизмов.

Когда мы говорили о простых механизмах, то подразумевали, что работа полезная, которую совершает механизм, равна работе, которую совершает человек, и отличается только соотношение приложенных сил. Но в реальных механизмах часть работы теряется, чаще всего из-за сил трения, которые совершают отрицательную работу. Поэтому важной характеристикой механизмов является коэффициент полезного действия (КПД):

Он показывает сколько процентов совершенной работы превращается в полезную.

Одну и ту же работу можно совершать быстро, а можно – медленно. Скорость совершения работы называется мощностью и измеряется в ваттах (Вт). Мощность равна работе деленной на время:

Силы могут быть консервативными. Прямо как политические партии. Например, сила тяжести. Если вы возьмете тело, переместите его по причудливой траектории и вернете в ту же точку, то суммарная работа силы тяжести будет равна нулю. На горизонтальных участках траектории работа не будет совершаться, при опускании – работа будет положительной, а при подъеме – отрицательной. Силы, суммарная работа которых на замкнутой траектории равна нулю называются консервативными. От латинского слова “консерва” – сохраняю. А, пример, неконсервативной силы – сила трения. Ее работа на замкнутой траектории отрицательна и не равна нулю.

Напишите о явлении, суть которого вы бы хотели постичь, чтобы управлять им. И как бы вы воспользовались своей суперспособностью? Возможно, вы бы научились нарушать золотое правило механики.

_______________________________________________________

______________________________________________________