Физика для "чайников"
Шрифт:
Фаза и начальная фаза. А это ещё более мутное понятие. Если циклическую частоту и амплитуду ещё худо-бедно можно себе представить, то это - вообще тушите свет. В учебниках их определения никакой смысловой нагрузки не несут, просто "величина в скобках называется фазой", и всё - понимай как хочешь. Я бы это объяснил так. Если фаза меняется на 2пи, то это получится одно полное колебание - синус (или косинус) пробежит все свои возможные значения от первоначального через 0, -1, снова 0 и 1 - опять до первоначального. Если представить, опять-таки, наш многострадальный маятник, то получится так. Сначала для удобства прикинем, что крайние левые и правые положения у него отстоят ровно на 90 градусов от среднего, то есть за полколебания (справа налево) наш маятник опишет развёрнутый угол в 180 градусов. Тогда получается, что фаза - это такой воображаемый угол, на который в данный момент времени отклонился маятник. Причём угол этот считается по-хитрому: после того, как он прошёл первое крайнее положение (а качается он справа налево - тогда это будет левое), угол не уменьшается, а по-прежнему возрастает - после 180 будет 181 и так далее, вплоть до 360, пока не вернётся снова в первоначальное положение. Но это всё очень условно - обычно хоть тот же маятник отклоняется на меньший угол, и фазу именно таким образом будет не посчитать. (А представить по-прежнему можно будет, но она при этом как бы сожмётся в гармошку - реально тело отклонится на градус, а фаза увеличится на несколько "градусов", хотя её почти всегда измеряют в радианах.) То есть, получается, фаза (условно) - это какая-то цифирь от 0 до 2пи, отвечающая за то, в каком положении (из всех возможных) полного колебания тело сейчас находится. Или, если попробовать поменять на более русское слово, это как бы та стадия колебания (из всех возможных),
И вот теперь со всем этим грузом предстоит считать. Обычно принимают, что колебания, о которых идёт речь в задачах, - гармонические и свободные. Свободные - значит, происходят без участия внешних сил и сами по себе. Похоже на сказку, в жизни колебания рано или поздно затухают - попросту из-за того, что колеблющееся туловище теряет энергию хотя бы опять на то же трение или на тот же нагрев. Но в задачах обычно такое опускают. И мучают в двух направлениях: колебания груза на пружине и математический маятник. Последний отличается от обычного маятника тем, что считается, что нить, на которой висит грузик, очень-очень длинная - гораздо длиннее, чем то расстояние, на которое он отклоняется (чтобы было легче считать) и нерастяжимая, да ещё и невесомая - чтобы расчётам не мешали сила, с которой натягивается нить, и сила её собственной тяжести. Самое сложное (и основное) в этих колебаниях - период, он считается так: T = 2пи*корень квадратный из (l/g). T - период, l - длина нити, g - ускорение свободного падения. Зная период, можно, в принципе, рассчитать и всё остальное.
Груз же на пружине колеблется гармонически, если пружина деформируется всё по тому же самому закону Гука, ну и при этом достаточно мало трение. Тогда период будет: T = 2пи*корень квадратный из (m/k), m - масса груза, k - жёсткость пружины.
Ладно, это всё были свободные колебания. Есть ещё вынужденные - это те, которые происходят не от хорошей жизни, а оттого, что какой-то вредный дядька их снаружи подталкивает. Например, те же качели - только не которые были в статике (на которых двое садятся), а одноместные, на которых ещё "солнышко" (подъём с переворотом) делать можно. Качаешь их время от времени - и они либо ускоряются, либо замедляются. Если они ускоряются, то это будет то, что называют ещё одним малопонятным словом "резонанс". Это увеличение амплитуды колебаний при совпадении частоты колебаний системы с частотой, с которой изменяется внешняя колеблющая сила. Во как, аж язык сломаешь. По-русски. Когда та частота, с которой качаются качели, и та частота, с которой ты их качаешь, близки или совпадают, качели начинают раскачиваться сильнее. Вот то, что они при этом раскачиваются сильнее, - это и есть резонанс. Другой пример, который живьём увидеть гораздо сложнее - это когда мост рушится от роты солдат, которые идут по нему в ногу. Если та частота, с которой их ноги топают, совпадает с той частотой, с которой колеблется мост (да, он тоже колеблется - просто это незаметно невооружённым глазом), то он начнёт ходить ходуном, по нему пойдёт что-то типа волны на воде, и, в конце концов, он из-за такой трясучки развалится. Ну и ещё один пример резонанса, не из механики - настройка телевизора или радиоприёмника. В тот момент, когда достигается резонанс электронной начинки принимающего устройства аппарата с тем сигналом, который передают теле- или радиовышка, изображение или звук становятся самыми чёткими. Что-то в таком духе.
Вкратце и поумнее: механические колебания - это повторяющиеся отклонения тела от положения равновесия в разные стороны. Период колебаний - минимальное время, за которое тело возвращается в первоначальное положение (совершает одно полное колебание). Частота - количество полных колебаний в секунду. Гармонические колебания - колебания, при которых некая физическая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса: x = x0*sin(wt+ф), x0 - амплитуда (максимальное отклонение тела от положения равновесия), w - циклическая частота (2пи*частота), ф - начальная фаза (для простоты её принимают равной нулю), аргумент синуса называется фазой. Свободные колебания - колебания, происходящие без участия внешних сил (как вариант - поддерживающиеся сами собой, хотя это и не очень точно). При гармонических колебаниях груза на пружине (пружина деформируется по закону Гука, трением можно пренебречь) период равен 2пи*корень квадратный из (m/k), где m - масса груза, k - жёсткость пружины. При гармонических колебаниях математического маятника (массивный груз на длинной нерастяжимой невесомой нити) период составляет 2пи*корень квадратный из (l/g), l - длина нити, g - ускорение свободного падения. Затухающие колебания - колебания, амплитуда которых со временем уменьшается за счёт потерь энергии в системе. Вынужденные колебания - колебания, которые происходят за счёт периодического воздействия внешней силы. Резонанс - явление увеличения амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты, с которой колеблется система, с частотой воздействия внешней силы.
Медленно, но верно подбираемся к самому последнему здесь. Математика вся позади, остались только слова. Волны. Это что-то, похожее на колебания, только колебания происходят с каким-то телом около какого-то положения, а волна распространяется в пространстве, и тела для своего распространения не требует. Если точно, то волна - это периодический процесс, распространяющийся в пространстве. Тоже характеризуется частотой (волны и секунды не слишком любят друг друга, термин "период" для волн не используют - в основном из-за того, что он мал у тех волн, что чаще всего рассматривают) и, кроме этого, есть скорость распространения волны. Их разделяют по нескольким признакам, основные из них: по признаку распространения, по геометрии распространения и плоскости распространения. Волна бывает - соответственно: бегущей или стоячей; плоской, сферической или спиральной; продольной или поперечной. О втором пункте будет отдельный разговор, о нём пока подзабудем. Бегущая волна - это значит, что, грубо говоря, на пути её нет каких-либо препятствий, от которых она отразится или которые заставят её погаснуть. Стоячая - если на её пути такие препятствия есть, от этого она может отразиться обратно и как бы складывается со своим "хвостом", который нагоняет её сзади. В жизни бегущая волна - это волна на воде, стоячая - волна, возникающая при колебаниях струны музыкального инструмента. Бежит в одну сторону, ударяется о струнодержатель, поворачивает обратно, попутно складывается со своим "хвостом", идущим следом, и на другом конце происходит то же самое, всё это распространяется по всей струне, получается непонятная каша, из которой каким-то макаром выходит звук. Звук, - это, кстати, тоже механическая волна, но о нём чуть-чуть попозже. Продольная волна - это значит, что то, что колеблется (образует собой волну), колеблется параллельно тому направлению, в котором эта волна идёт. Пример - тот же звук: крикнул прямо по курсу - там (прямо) тебя и услышат, а не слева или справа. Поперечная волна - это если колеблется перпендикулярно направлению, в котором волна идёт. Здесь примеров много, но они все плохо понятные. Самый яркий (и, наверное, самый понятный) из них - это волна на воде. Вода поднимается и опускается вверх-вниз, но волна при этом идёт вперёд (или назад, если на неё удаётся залезть и переплыть). Вот, кстати, этот же гребень волны - или её ложбину, неважно - можно условно обозначить как её "голову" и заявить, что именно с этого участка волна идёт вперёд, оставляя за собой колебания. Такой участок по-умному называется фронтом волны и строго описывается как "геометрическое место точек, имеющих одинаковую фазу колебаний". То есть все эти умные слова означают одно: участок волны, в котором все колеблющиеся находятся, держась за руки друг с другом, в одной и той же стадии колебания, и есть фронт. Опять непонятно? Ну хорошо, вот снова возьмём волну на воде. Кинули камень, и от него пошли круги. Вот этот круг и есть фронт нашей волны. Он бежит вперёд, постепенно расширяясь и оставляя за собой колебания - другие круги, каждый из которых, в свою очередь, повторяет действия первопроходца. Вот как-то так. И именно по форме фронта можно тоже разделить волны - та, что на воде, это сферическая (круги идут и вглубь
Нагрузил по самое "не могу"? Спокойно. Страшные термины позади, теперь осталось самое простое. Три цифры, подсчёт которых не проще школьной формулы s=v*t. Частота волны, длина волны и скорость волны. Частота - логика подсказывает, что это то количество колебаний, которое волна делает в секунду. Единственная поправка здесь - поскольку волна идёт туды-сюды, мы как бы хватаем её за одну точку и смотрим, сколько в ней раз она будет колебаться (в остальных будет так же). Тоже меряется в тех же герцах. Длина волны - тоже логика подсказывает, что это то расстояние, за которое колеблющаяся точка вернётся в то же самое положение. По-умному - это минимальное расстояние между двумя фронтами волны. Обозначается буквой "лямбда". Да, та самая, которую создатели одной (сами знаете, какой) игрушки обозвали периодом полураспада. Лямбдой обозначают длину волны! Измеряется в метрах. О периоде полураспада если разговор и будет, то в самом-самом конце. Ну а скорость, как уже можно догадаться, - это скорость распространения этого самого фронта волны. Ну и отсюда получаем: v = лямбда * ню. v - скорость волны, лямбда - длина волны, ню - частота (пишется почти как v, поэтому пишу русскими буквами, дабы не путать).
Выходим на финишную прямую! Остался лишь один звук. В широком и заумном смысле - это механические колебания частиц и давления, распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твёрдых телах. Сам не понял, что написал. В узком смысле - это механические колебания, частота которых составляет от примерно 16 Гц до 20 кГц (килогерц, то есть 20 000 Гц), которые воспринимает слуховой аппарат человека. Три его основных характеристики: скорость, громкость и высота. Скорость, поскольку звук - это волна, ничем не отличается от скорости другой волны. Вообще говоря, она зависит от среды (ну уж точно не от понедельника или четверга), в которой звук распространяется. Чем плотнее среда, тем больше скорость. В воздухе это примерно 331 км/с, в воде - 1348 км/с (если вода идеально чистая; если она тёплая, солёная или на большей глубине - скорость будет расти), в твёрдом теле звук распространяется ещё быстрее и сложнее - там появляются ещё поперечные звуковые волны, с которыми мне совершенно не хочется никого знакомить. Громкость звука в основном зависит от его амплитуды, ну а высота - от частоты. Выше частота - выше звук. (В музыкальных инструментах получается как раз от колебаний струны - но, как сильно струну ни дёргай, звук будет тихим - с малой амплитудой. Для того чтобы его стало слышно лучше, используется резонанс: так, в акустических гитарах это специальное отверстие, вырезанное в корпусе, размеры его специально рассчитаны так, чтобы звук, зайдя внутрь (а внутрь он зайдёт обязательно - он распространяется во все стороны!), стал поддерживать сам себя - то есть получается, что звук усиливается оттого, что частота его колебаний поддерживается им же - именно поэтому вступает в силу резонанс, и звук становится громче. В электрической гитаре хитрее: там используется несколько "звукоснимателей", "слышащих" струну каждый на отдельном её участке, эти звукосниматели превращают звук в электрический сигнал, который потом усиливается "начинкой" специального усилителя, после чего все полученные электрические сигналы складываются и превращаются обратно в звук - получаем то, что слышим из динамика. Именно из-за этого электрического преобразования электрогитара может звучать совершенно по-разному, от мягкого джаза до какого-нибущь жесточайшего punk-metal-death-hardcore.)
Ну и на закуску: те звуковые волны, что по частоте ниже тех, что мы слышим (0...20 Гц) - это инфразвук, выше 20 кГц - ультразвук. Ни то, ни другое мы не слышим, но воспринимать говорят, что можем. А некоторые животные слышат их, но глухи к некоторым нашим звукам. Вот такие дела.
Вкратце и поумнее: волна - это периодический процесс, распространяющийся в пространстве. Характеризуется частотой, длиной волны и скоростью. Признаки, по которым делят волны: по признаку распространения, по плоскости распространения, по геометрии распространения, соответственно: бегущая/стоячая, продольная/поперечная, плоская/сферическая/спиральная. Фронт волны - линия или поверхность, образованная частицами, колеблющимися в одной и той же фазе. Частота волны - количество полных колебаний в единицу времени (секунду), которые совершаются в той или иной точке пространства. Единица измерения - герц. Длина волны - минимальное расстояние между фронтами волны. Единица измерения - метр. Скорость волны - скорость распространения фронта волны. Единица измерения - метр в секунду. Звук в широком смысле - это механические колебания частиц и давления, распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твёрдых телах, в узком смысле - механические колебания с частотой от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые слуховым аппаратом человека. Скорость звука зависит от среды распространения - чем плотнее среда, тем выше скорость (в воздухе - 331 км/с, в воде - 1348 км/с), громкость зависит от амплитуды звука (чем больше - тем громче), высота - от частоты (чем больше - тем выше).
2. Молекулярная физика и термодинамика.
Всё, покончили с громадной механикой. Дальше будет покороче, хотя (скорее всего) и посложнее. Но прорвёмся.
В прошлом абзаце я неаккуратно выражался про частицы. Колеблющиеся частицы, частицы в среде... Что за частицы? Молекулярная физика зарывается настолько глубоко, что невооружённым глазом уже не увидишь ничего - в строение твёрдых тел, жидкостей и газов. Ещё какие-то древние чуваки решили договориться между умными сотоварищами, что все тела состоят из маленьких частиц - настолько крохотных, что, казалось бы, они ни на что больше не разделятся. В каком-то смысле так и оказалось - именно поведением этих составных частичек можно объяснить "жизнь" того или иного тела. Самых мелких стали называть атомами, а их группы - молекулами. Это не совсем точно, потому что бывает так, что молекула состоит из одного атома, то есть это получается одно и то же. Но так бывает не всегда. Основным подопытным кроликом будет именно молекула и всё, что с ней связано. Поскольку глазами их сумели увидеть только при помощи мощных микроскопов и не так давно (десятки лет назад), то всё их поведение описывали чисто теоретически, "наощупь". Считали, что все беды (и радости) происходят от движения молекул, поэтому обозвали всё это хозяйство молекулярно-кинетической теорией (МКТ). Здесь всё основывается на трёх вещах. Во-первых, как я уже сказал, все тела считаются состоящими из молекул. Во-вторых, эти молекулы имеют какие-то размеры, и между ними есть промежутки. И, в-третьих, эти молекулы движутся, между ними есть силы притяжения и отталкивания. По размеру они настолько малы, что можно привести такое сравнение: молекул в одной песчинке примерно столько же, сколько песчинок на морском берегу. Наглядно такой набор можно представить так: взять мешок с шариками и всё время его трясти. Ясное дело, как плотно шарики ни упакуешь, какое-то "пустое" пространство между ними будет, они всё время двигаются и то приближаются друг к другу, то отталкиваются. Почему тогда тела не разваливаются? Если проводить полную аналогию с шариками - развяжешь мешок, и они все высыплются кто куда. Так-то оно так, да не совсем. Если перемешивать шарики в мешке - это получится что-то вроде сильно увеличенных молекул жидкости. А если рассыпать - то это получится как бы газ. (Чтобы получить твёрдое тело, надо внутри мешка все шарики ещё соединить прутиками друг с другом, чтобы прутики держали все шарики вместе.) Вот этот "мешок", или "прутики", которые держат молекулы вместе, образно можно назвать связью между молекулами. В реальности что-то похожее наблюдал товарищ по фамилии Броун - он видел в микроскоп, как мелкие частички вещества (не молекулы, конечно, но и не шарики - шарики шибко побольше будут) непрерывно хаотично движутся тудыть-сюдыть. Это потом назвали "броуновским движением" и решили, что молекулы двигаются точно так же - всё время, и несёт их чёрт-те куда.
Обычно, всегда, когда начинается какая-нибудь непонятная тема, язык поворачивается спросить: ну зачем вообще это нужно? Механика - та ладно ещё, считать движение тел ещё куда ни шло. Но тут? У молекулярной физики одной определённой задачи, как у механики, нет, но она суёт свой нос во всё, что касается поведения веществ на уровне молекул, как то: почему текут жидкости, почему сжимаются газы, почему тела находится в разных агрегатных состояниях (твёрдые тела, жидкости, газы) и как поменять то или иное состояние; что будет происходить, если заставить два туловища долго соприкасаться друг с другом, почему над водой всегда есть пар, почему по воде могут ходить мелкие насекомые, а более крупные в неё проваливаются со всплеском (и почему вода плещет, тоже), и так далее. Короче, общая мысль - молекулярная физика описывает свойства вещества как целого, опираясь на его молекулярное строение - то есть любой "каприз" вещества объясняется тем или иным родом толчеи молекул, копошащихся внутри него.