Физика для чайников. Урок 2. Механика.

Механика - это самый простой раздел физики, поэтому мы начнем именно с него. Как я уже говорил на прошлом уроке, механика занимается движением  физических тел и взаимодействием между ними. Вообще, различные механизмы были придуманы еще в глубокой древности, но вот серьезной наука механика стала только в средние века. Поскольку мы говорим о науке (о физике), думаю, имеет смысл напомнить о том, что же такое научный метод познания мира. Вкратце его суть можно выразить вот таким алгоритмом (последовательностью действий):

1. Наблюдаем, накапливаем сведения об окружающем мире.

2. Выдвигаем гипотезы (предположения о том, как этот мир устроен).

3. При помощи эксперимента проверяем, верна ли наша гипотеза. Если эксперимент подтвердил правильность наших предположений, то гипотеза становиться теорией и прибавляется к нашим знаниям о мире. Если эксперимент опроверг гипотезу, мы выдвигаем другую гипотезу.

4. Переходим к пункту 4 и все повторяем заново, но уже с учетом того, что у нас стало больше знаний об окружающем мире.

Как все это происходит применительно к физике? А вот так: сидел ученый под деревом, ему упало на голову яблоко, и бац - в его голове идея - а что если существует такой закон природы, как закон всемирного тяготения? Надо проверить. Взял он, допустим, камень, бросил его. Камень упал. Взял другой камень, тоже бросил - он тоже упал. А вот если взять не камень, а шарик, накаченный гелием - то он не то что не упал, а полетел вверх. Казалось бы, гипотеза о законе всемирного тяготения не верна? Не все притягивает Земля. Получается, что гелий, например, она отталкивает? Но тогда почему никуда не улетает баллон с гелием? Может, потому что он металлический, а металл притягивается к Земле? А еще оказывается, что Земля "отталкивает" не только  гелий, но еще и просто нагретый воздух. Если мы накачает воздушный шар воздухом и разведем в корзинке, прикрепленной к шару, костерчик, который нагреет воздух в шаре, то вся эта конструкция взлетит. А еще, почему камень падает быстро, а пушинка медленно? Может, ей мешает падать воздух, действуя на нее выталкивающей силой? Как это проверить? Можно взять огромный цилиндр, откачать из него воздух и сделать так, что бы в этом цилиндре падали камешек и пушинка. Оказалось, что теперь они падают с одинаковой скоростью! Более того, внутри такого цилиндра и шарик с гелием тоже будут падать. И достигнет дна одновременно с камешком и пушинкой. Тоесть, закон всемирного тяготения подтвердился экспериментом. Вот примерно так и открываются законы физики.

А сейчас мы поговорим о механике более подробно, хотя пока и без формул. Формулы пойдут в следующем уроке. И так, как вы уже знаете, механика состоит из трех разделов: кинематика, статика и динамика.

Начнем с кинематики. На первом уроке я говорил, что этот раздел физики изучает движение. Казалось бы, что тут изучать? Вроде все просто и понятно. Но если вдуматься, то не так то все и просто. Вот возьмем, допустим, повозку. Толкнем ее и она поедет. Но, через какое то время остановиться, если только мы толкнули ее не под горку. Автомобиль тоже сам не едет, ему для этого нужен работающий двигатель. А если мы двигатель выключим, то через некоторое время машина остановиться. И подобных наблюдений можно сделать очень и очень много. Напрашивается вывод, что для того, что бы что то двигалось, надо приложить к нему какую то силу, например толкать. Именно поэтому в средние века люди думали, что не Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце вокруг Земли. С их точки зрения такое утверждение было очень логичным: во первых, они видят что солнце движется по небосводу; во вторых, по мнению людей из прошлого, если бы Земля двигалась, то от нее бы отставал воздух, и это вызывало бы большие ураганы, да и люди, дома и все бы куда то слетало с Земли. Тогда практически никому в голову не могла прийти мысль, что движение возможно по инерции.

Что такое инерция? Представим автомобиль. Вот она разогнался, едет. И тут впереди на дорогу выбежал какой то придурок.  что бы не сбить бедолагу, водитель вынужден резко жать на тормоз. Но машина то не останавливается стразу, как вкопанная. Она некоторое время продолжает движение. И проходит так называемый тормозной путь. Кроме того, при резком торможении все находящиеся в автомобиле летят вперед. И могут даже удариться о лобовое стекло и разбить его. Или даже вылететь, если остановка вообще очень резка - например, когда автомобиль куда то врезался. Именно по этому, кстати, нужно пристегиваться ремнями безопасности, садясь в машину. А вот теперь представим маршрутку. Она битком набита людьми. Автобус резко трогается с места и толпа падает назад. Или резко тормозит. Тогда люди падают вперед. Вот все это и есть инерция. Но если маршрутка или автомобиль едут с постоянной скоростью, то никто никуда не падает и не вылетает через лобовое стекло.  Как вы думаете, почему? А потому, что они движутся с той же скоростью, что и машина. Но почему? К ним же не приложена никакая сила, двигатель толкает вперед только автомобиль. Можно, конечно предположить,  что люди, стоящие на ногах в автобусе, просто цепляются ногами за  пол, поэтому сила двигателя передается и им. Хорошо. но тогда представим поезд. Вот он едет по прямой линии с постоянной скоростью. Допустим, в поезде едет маленький мальчик, который очень любознательный и решил проверить, что будет, если он поднимет руку с теннисным мячиком и отпустит его. И так, юный физик поднимает руку, разжимает пальцы. Теннисный мяч прямо падает вниз. Прямо! Но почему? В данном случае, пока мячик в воздухе, он ни за что не зацепляется. А потому, что мячик, кроме того, что падает вниз, он еще и летит вперед с той же скоростью, что и поезд. Поэтому для тех, кто в поезде мячик летит только вниз.  Так что оказывается, для того, что бы тело двигалось, совсем не нужно что бы на него действовала какая то сила. Сила нужна для того, что бы предмет поменял скорость или направление движения. Но об этом мы поговорим в уроках, посвященных соответствующим разделам физики.

Вернемся к вопросу о том, что же вокруг чего вращается: Земля вокруг Солнца или Солнце вокруг Земли? Как же все таки узнали, что Земля вращается вокруг Солнца? Дело в том, что в свое время известный ученый Николай Коперник задался вопросом: а почему одни небесные тела (звезды) двигаются строго по кругу, и каждые сутки описывают один и тот же круг по небосводу, а вот другие светла (планеты) каждый день меняют свое местоположение и зачастую их траектория(путь) выглядит довольно экзотически, например, делает всякие петли и так далее. И тогда он предположил, что в центре Вселенной не Земля, а Солнце, и что вокруг него вращается Земля и другие планеты. А Земля к тому же, вращается вокруг своей оси. И из за этого кажется, что Солнце бегает по небу вокруг Земли. Как он проверил свое предположение? А очень просто. Исходя из своей модели вычислил движения планет. И эти вычисления совпали с реальным.

Но почему, если Земля вращается вокруг Солнца, мы наблюдаем прямо противоположную картину? Дело в том, движение происходит всегда относительно какой либо системы отчета. Оно не может быть само по себе. И, в зависимости от того, из какой системы отчеты мы наблюдаем, мы увидим разный характер движения. Поясню сказанное. Девайте опять представим поезд. Вот он стоит на станции. На соседнем пути стоит другой состав. И вот он тронулся. И вот, первые несколько секунд, некоторые люди не могут понять: это мы поехали или они? По сути, если мы стоит, а другой поезд едет, то мы видим перемещение его вагонов относительно нас. Если наоборот, мы едем, а другой состав стоит, то мы все равно видим перемещение вагонов соседнего поезда относительно нас. Вот это и есть относительность движения. О ней более подробно речь пойдет в разделе кинематика, на следующем уроке.

А вот теперь усложним картину, добавив в наши рассуждение такое понятие, как сила. С точки зрения физики, сила - это некоторое воздействие на тело, которое заставляет его менять направление или скорость движения. Чем больше сила, тем сильнее меняется скорость или направление движения. Но у тела есть еще и масса, которая мешает силе воздействовать на тело. Но об этом речь пойдет на уроке, который будет посвящен такому разделу механики, как динамика.

Наконец, статика. Дело в том, что на тело может воздействовать несколько сил одновременно. В результате они складываются в какую то единую результатирующую силу, которая и воздействует, в конечном счете, на данный объект. Но результатирующая сила может быть и нулевая. В этом случае тело находиться в равновесии. Именно такие явления изучает наука статика, которой тоже будут посвящены уроки этого цикла.