Физика

Скорость движения, или Кто самый быстрый

Если какое-нибудь тело движется относительно другого (или других), то со временем его положение в пространстве меняется. Опыт наблюдения за движением тел показывает, что эти изменения различны: у кого-то они больше, у кого-то – меньше.

Для того чтобы описывать движение тел, чтобы определить, где будет находиться определенное тело в определенный момент времени, физики применяют физическую величину скорость.

Когда говорят о скорости какого-то тела, чаще всего указывают, какой путь оно проходит за определенный промежуток времени. Например, если автомобиль равномерно движется и за 1 час проезжает 70 километров, мы говорим, что его скорость 70 километров в час (сокращенно 70 км/ч). А если другой автомобиль проехал 140 км за два часа или 210 км за три часа, то его скорость… тоже 70 км/ч.

Надеемся, вы поняли, почему значение скорости оказалось прежним. Действительно, скорость – это физическая величина, которая показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Именно поэтому, чтобы получить значение скорости, нужно значение пути разделить на время: 210 км: 3 часа = 70 км/ч.

В Международной системе единиц (СИ) единицей скорости является метр в секунду (м/с), но на практике достаточно часто используют другие единицы, например, километр в час (км/ч). Поскольку 1 км = 1000 м, а 1 час = 3600 с, то скорость 1 км/ч = 1000 м/3600 с «0,28 м/с.

Так же, как и с измерением времени и длины, из истории измерения скорости сохранились еще и другие, так называемые внесистемные единицы. Например, моряки применяют такую меру скорости судов, как узел, равный 0,514444 м/с.

Если нам известно, с какой скоростью (V) прямолинейно равномерно движется тело, мы можем рассчитать путь (Б), который оно пройдет за определенное время (1):

S = v · t.

Физико-математическое «лирическое» отступление: векторные и скалярные величины

То, о чем было сказано выше, касается движения в одном направлении с постоянной скоростью. Но ведь мы знаем, что реальные объекты могут двигаться так, что направление их движения будет меняться. Для того чтобы учесть и значение, и направление, в физике применяют векторные величины. Следовательно, скорость движения – это векторная величина! Из этого следует, что, если какая-то физическая задача требует нахождения скорости, нужно найти не только числовое значение этой величины, но и указать ее направление.

В отличие от векторных, скалярные величины характеризуются только своим числовым значением. К скалярным величинам относятся, например, время, масса, температура, плотность и другие. С этими величинами можно выполнять обычные алгебраические действия.

Векторные физические величины нельзя просто прибавлять или вычитать, как скалярные, для действия с ними существуют особые математические правила. И это не выдумка физиков и математиков, а отражение того, что мы видим в природе.

Например, представьте себе, что вы поднимаетесь по ступенькам эскалатора метро со скоростью 1 м/с относительно ступенек. Но вы стали не на тот эскалатор: он едет вниз со скоростью 1,5 м/с! Куда и с какой скоростью вы движетесь относительно стен?

Наверное, вы уже догадались, что, просто сложив 1 м/с и 1,5 м/с, реальный результат мы не получим!

Если хорошо подумать, можно найти и другие физические величины, являющиеся векторными. Например, физическая величина перемещение является векторной величиной; в ее определение, кроме значения, входит еще и направление.

Пусть какое-то тело двигалось по дуге окружности и через некоторое время прошло расстояние l = 5 м. Перемещение тела за это время изображают направленным отрезком прямой; этот отрезок соединяет начальную и конечную точки движения тела. Если на рисунке изобразить путь и перемещение тела, то можно увидеть, что они не совпадают. Числовые значения пути и перемещения будут разными, а перемещение, кроме того, характеризуется направлением.

Путь и перемещение

Интересно, что можно найти и такие случаи, когда за определенное время тело прошло довольно значительный путь, а его перемещение оказалось нулевым. Надеемся, вы догадались, в каких случаях это бывает?

Если тело движется в одном направлении вдоль прямой, то числовые значения пути и перемещения будут совпадать. Однако и в этом случае нельзя считать, что это одинаковые величины, потому что перемещение имеет еще и направление.

Векторные и скалярные величины отличаются обозначениями: векторные величины имеют стрелку над символом величины. Например, скорость обозначается , а перемещение – .

С учетом векторного характера скорости и перемещения более точно и корректно формулу скорости прямолинейного равномерного движения следует писать так:

Вернемся к разговору о скорости.

Различные объекты живой и неживой природы движутся со скоростями, значения которых достаточно сильно различаются.

Приблизительные значения некоторых скоростей движения в живой природе и технике

В технике значение скорости движения тел или их частей различаются еще больше.

Поговорим немного о том, каким образом в разных случаях измеряют скорость движения.

Скорость автомобиля определяют с помощью спидометра (англ. speed – скорость и греч. metreo – измерять). Действие этого прибора основано на возникновении электрического тока в цельном алюминиевом диске при вращении перед ним магнита (в физике это явление называют электромагнитной индукцией). Магнит начинает вращаться благодаря специальному валу, связанному с валом автомобиля. Шкала такого прибора градуирована в единицах скорости.

Понятно, что таким способом определить скорость самолета в воздухе невозможно: нет тех колес и тех дорог в воздухе, позволяющих по принципу автомобильного спидометра определить скорость самолета. Поэтому применяют метод, связанный с определением так называемой «воздушной скорости», то есть скорости относительно воздуха, в котором перемещается самолет. Открытые физиками законы аэродинамики позволяют сопоставлять давление воздуха с его скоростью относительно определенного тела.

Идея этого метода заключается именно в применении связи между скоростью самолета и давлением со стороны встречного потока воздуха.

С помощью специального прибора для измерения давления – манометра – определяют давление воздуха, но шкала манометра проградуирована уже в единицах скорости.

Схема спидометра – прибора для измерения скорости автомобиля

Кроме прибора, находящегося непосредственно на самолете, применяют еще и другой метод определения скорости – радиолокацию.

С помощью специального мощного радиопередатчика излучают радиоволны, которые, достигнув самолета, отражаются от него. Теперь нужно «поймать» этот отраженный сигнал и, зная скорость его распространения в воздухе, рассчитать скорость самолета.

На метеорологических станциях скорость ветра определяют с помощью специального флюгера с ветромерной доской. Когда ветра нет, доска висит вертикально. Чем сильнее ветер, тем на больший угол отклоняется доска. По специальным указателям, расположенным у доски, определяют скорость ветра.

Анемометр

Понятно, что этот способ определения скорости не очень точный, поэтому лучшие результаты метеорологи получают с помощью другого устройства – анемометра. Этот прибор содержит легкую крыльчатку («крест Робинзона»), которая может вращаться под воздействием ветра. При вращении крыльчатка приводит в действие зубчатый механизм, который подсчитывает количество оборотов крыльчатки за определенное время.

К сожалению, если скорость ветра меньше 1 м/с, точность измерения резко снижается. Впрочем, существуют и более чувствительные анемометры, принципы действия которых отличаются от действия анемометра с «крестом Робинзона». В этих приборах используется измерение давления воздуха, охлаждение воздухом проволоки, которая нагревалась электрическим током, и другие.

В 1806 г. английский адмирал Ф. Бофорт разработал шкалу, с помощью которой можно оценивать скорость ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Эта балльная шкала принята Всемирной метеорологической организацией (см. таблицу на с. 45).

Надеемся, что штормы и ураганы мы с вами видим только в кино, а не наяву.

Для сравнения интересно посмотреть и на значение скорости падения парашютистов с соответствующей высоты. Здесь имеется в виду так называемая постоянная (максимальная) скорость падения до момента раскрытия парашюта.

Довольно часто скорость движения тел не остается неизменной – такое движение называют неравномерным. Для того чтобы охарактеризовать изменение скорости за определенное время, физики используют специальную физическую величину – ускорение. Можно записать:

Эта величина также является векторной; ее обозначают . Математически записать определение ускорения можно так:

Как физическая величина ускорение измеряется в определенных единицах. Если посмотреть, например, на словесное определение ускорения, можно увидеть, что при изменении скорости 1 м/с за время 1 с ускорение равно «1 м/с за 1 с», то есть 1 м/с2.

Причины изменения скорости, или причины появления ускорения, волновали исследователей давно, но ответы на эти вопросы были найдены только Ньютоном.

Взаимодействие тел, или… «Сила есть!..»

Слово «сила» мы слышим и применяем довольно часто: и когда говорим о силе воли, и когда ссылаемся на силу привычки, и когда жалуемся на то, что потратили на какое-то дело много сил… А кто-то еще говорит, что у него «не хватает сил», а о ком-то скажут: «сила есть…», ну и так далее.

В таких случаях очень трудно определить и сравнить эти силы. Однако слово «сила» является еще и одним из важнейших понятий физики, поэтому именно как физическое понятие оно имеет достаточно четко определенный смысл, о чем мы сейчас и поговорим.

В свое время, когда Ньютон закладывал основы классической механики, важнейшим научным фактом стали представления о взаимодействии тел. Речь идет о том, что всегда причиной изменения состояния какого-то движущегося тела, является его взаимодействие с другим телом (телами). Для того чтобы количественно оценить степень такого взаимодействия, физики и применяют такую физическую величину, как сила (символ этой величины – В).

Эта физическая величина является векторной, т. е. такой, которая характеризуется и числом, и направлением. С этим легко согласиться, если подумать о результате действия сил, одинаковых по значению, но разных по направлению. Представьте себе, что было бы, если бы земля действовала на вас с силой, направленной не вниз, а вверх!..

А теперь оглядитесь вокруг. Возможно, вы сейчас видите яблоко, которое неподвижно лежит на тарелке, и вам кажется, что никакие тела на него не действуют? Но это не так! На него действуют тарелка и Земля, а само яблоко в свою очередь (в ответ!..) тоже действует на эти тела. То есть существует важная особенность, о которой физики так и говорят: действие одного тела на другое имеет характер взаимодействия – если одно тело действует на другое, то и другое тело обязательно действует на это первое.

Великий Ньютон открыл законы, с помощью которых можно объяснить много реальных механических явлений, происходящих в природе. Эти законы сформулированы именно для сил. Теперь в современных школьных учебниках знаменитые законы Ньютона формулируются несколько иначе, чем это делал сам ученый. А хотите ли вы узнать, как они были записаны в те давние времена?

Оказывается, они были записаны на латыни, которая в те времена была международным языком ученых и играла такую же роль, как сейчас, видимо, играет английский. (Кстати, в России в учебнике по физике 1915 г. формулировка великих законов Ньютона тоже приводилась на языке оригинала – латыни.)