Властелин механики. 7 великих законов в понятном изложении

Рис.22. Белка в колесе – тоже вечный двигатель

В качестве вывода выжимки отметим, что закон сохранения механической энергии учит нас главному принципу нашего материального мира. Энергия не появляется и не пропадает, а только превращается из одного вида в другой.

Записывается аналитически это как ?Е = 0 или изменение общей энергии системы равно нулю. Ну а энергией в физике принято называть меру совершения телом работы или «количество движения», которым обладает тело подобно сжатой пружине или летящей пуле.

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