120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Малютин Антон

Так на Землю падают и не могут упасть все космические тела, в том числе и Луна. А сама Земля в своём орбитальном движении падает на Солнце, но из-за орбитальной скорости около 30 км/с остаётся почти на одинаковом расстоянии от светила. Этому закону подчиняются вообще все тела, движущиеся в поле тяготения – начиная от крошечных метеоритов, и завершая огромными галактиками, которые сталкиваются друг с другом.

Что такое баллистический маятник?

Как определить скорость пули, тягу реактивного двигателя или эффективность взрывчатки? Может показаться, что это очень сложная задача, однако в действительности всё довольно просто. Нам на помощь приходят элементарные законы физики и простейший прибор – баллистический маятник.

В самом простом

случае баллистический маятник представляет собой мешок или ящик с песком, подвешенный на одном или нескольких подвесах. Как понятно из названия, маятник может раскачиваться на подвесах. Масса маятника должна быть строго известной, иначе эксперименты будут давать ошибку.

Итак, встанем на некотором расстоянии от маятника, и выстрелим в него – маятник в момент попадания пули отклонится и поднимется на некоторую высоту. Измерив эту высоту и проделав несложные вычисления, можно узнать скорость пули. Как это возможно? Благодаря закону сохранения количества движения.

Баллистический маятник. До удара он покоится, после столкновения с движущимся снарядом – отклоняется назад

Снаряд и маятник можно считать замкнутой системой, в которой не участвуют внешние силы (сопротивлением воздуха можно пренебречь), а в любой замкнутой системе действует закон сохранения количества движения. В начале эксперимента пуля была подвижной, а маятник – неподвижным, затем пуля передала маятнику некоторый импульс, в результате чего маятник приобретает скорость и отклоняется – при всём этом общее количество движения системы осталось неизменным.

Но как высота подъёма маятника связана со скоростью пули? Всё дело в той кинетической энергии, которую приобретает маятник от пули – в наивысшей точке подъёма маятника вся его кинетическая энергия переходит в потенциальную. Измерив высоту подъёма, мы рассчитаем потенциальную энергию маятника (по формуле E=mgh, где m – масса маятника вместе с пулей, h – высота полёта, а g – ускорение свободного падения), отсюда найдём кинетическую энергию (E=mv²/2, где v – скорость движения маятника), а значит – скорость движения маятника. Наконец, закон сохранения количества движения (исходя из соотношения mv=(M+m)v₁, где m – масса пули, M – масса маятника, v – скорость пули, v₁ – скорость маятника после попадания пули) поможет из скорости маятника получить скорость пули.

Сегодня существует масса разновидностей баллистических маятников – они выполняются в виде небольших пушек с зарядами, в виде стендов с реактивными двигателями, и т.д. Но все они основаны на одних законах, поэтому позволяют легко измерять скорости, импульсы и многие другие физические величины различных предметов и приборов.

Как фигурист изменяет скорость своего вращения?

Наверняка, вы не раз видели, как фигуристы выполняют самые удивительные трюки – это красиво и очень интересно. Но обращали ли вы внимание на то, как фигуристы вращаются? Вот спортсмен закручивается с раскинутыми руками, затем притягивает руки к груди, и резко увеличивает скорость вращения – это они могут проделывать в полёте, в приседе, и даже в паре. Но как у фигуристов получается так раскручиваться, ведь они, кажется, даже не прилагают для этого особых усилий?

Фигуристы опираются на закон сохранения момента импульса (или закон сохранения углового момента), который сводится к следующему: каждое вращающееся тело имеет некоторое количество движения, или момент импульса, который без воздействия внешних сил со временем остаётся неизменным. Для вращающегося тела также присуща ещё одна величина – момент инерции, который зависит от массы и конфигурации тела. Например, большой маховик обладает высоким моментом инерции, так как вращающаяся масса находится на некотором расстоянии от центра вращения – такой маховик трудно раскрутить и не менее трудно остановить. А стержень такой же массы имеет гораздо меньший момент инерции, так как вся вращающаяся масса сосредоточена у оси вращения.

Наконец, мы подошли к самому главному: момент импульса вращающегося тела находится в простой зависимости от угловой скорости и от момента инерции: L = I? (где L – момент импульса, I – момент инерции, ? – угловая скорость). Теперь становится понятным, что если тело раскрутить и уменьшить его протяжённость, то оно вследствие уменьшения момента инерции станет вращаться быстрее, и наоборот.

В этом и заключается секрет фигуристов. Раскручиваясь, спортсмен приобретает некоторый момент импульса. Притянув руки к груди, фигурист уменьшает момент инерции, и вследствие закона сохранения момента импульса его скорость вращения возрастает. Для остановки вращения фигурист сначала разводит руки в стороны (увеличивает момент инерции), а затем гасит оставшуюся скорость трением коньков об лёд.

Закон сохранения момента импульса является одним из фундаментальных законов сохранения в природе, и играет важную роль во Вселенной. Например, при взрывах Сверхновых звёзд возникают нейтронные звезды или чёрные дыры, которые имеют огромную скорость вращения – до нескольких тысяч оборотов в секунду! Это вращение возникает вследствие описанных выше эффектов: Сверхновыми взрываются массивные (в 8 – 10 раз тяжелее Солнца) и большие (диаметром в миллионы километров) звезды, имеющие невысокую скорость вращения. В момент взрыва светило сбрасывает с себя внешнюю оболочку, а на его месте остаётся тяжёлая нейтронная звезда (или даже чёрная дыра) диаметром в лучшем случае километров 30. Такое катастрофическое уменьшение момента инерции и приводит к колоссальному увеличению скорости вращения. Конечно, это только один из примеров действия закона, но он очень показателен.

Так что в следующий раз помните, какие важные законы стоят за красотой элементов фигурного катания.

Почему тормозит автомобиль?

При необходимости остановить автомобиль водитель жмёт на педаль тормоза, и машина замедляет своё движение. А вы задавались когда-нибудь вопросом: почему вообще работают тормоза? Если разобраться в этом, то ответ может показаться несколько неожиданным.

Движущаяся машина имеет некоторую кинетическую энергию, и чем выше скорость, тем выше энергия. Для остановки следует уменьшить количество кинетической энергии – как это сделать? Самое простое – поставить перед движущимся телом препятствие, при ударе о которое вся кинетическая энергия перейдёт… А во что она перейдёт? По большей части – в тепло. Тело и препятствие в результате столкновения нагреются, а некоторая часть энергии перейдёт в деформации. Можно использовать и более щадящий способ: перед движущимся телом поместить поверхность с высоким коэффициентом трения или просто песок. В этом случае вся энергия за счёт сил трения тоже перейдёт в тепло и деформации.

Для транспорта эти способы не годятся, хотя последний из них представляет определённый интерес, но в изменённом виде – нужно поверхность с высоким коэффициентом трения возить с собой. Например, на колёса поставить подвижные и неподвижные детали, которые в нужный момент приводились бы в соприкосновение и испытывали трение. Именно так и устроены фрикционные тормоза – есть диски или барабаны, вращающиеся вместе с колёсами, и неподвижные тормозные колодки, которые в момент остановки плотно прижимаются к дискам.