Страница:
Что мешает двигаться по инерции?
Вернемся к нашему автомобилю: а что же мешает ему двигаться с выключенным двигателем по инерции? Отчего он замедляется? Сопротивление воздуха – давайте его исключим, ведь на Луне, где почти нет атмосферы, луноходам тоже что-то мешало двигаться. Ответ напрашивается сам собой – трение. Эта вездесущая сила всегда направлена против движения, причем даже предполагаемого. Хотим мы толкнуть автомобиль – он не поддается: сила трения, возникающая между колесами и дорогой, не позволяет сдвинуть машину. Такое трение, когда относительного движения тел еще нет, называется трением покоя. Оно несколько больше, чем трение в движении, и это мы почувствуем, когда автомобиль уже удалось сдвинуть. Но силы трения всегда направлены против относительного движения, то есть для нашего случая – назад по движению.
А могут ли силы трения быть направлены вперед по движению? Нет, но иллюзия этого есть. Когда автомобиль (или любое наземное транспортное средство) движется, его ведущие колеса в контакте с дорогой стремятся двигаться – скользить, буксовать – назад. Это хорошо видно на скользкой дороге, на льду. Вот сила трения F и приложена к колесам против этого движения, (но вперед, по ходу автомобиля). Она-то и движет автомобиль и все наземные машины, а не что-нибудь другое (рис. 45). От ведущих колес сила действует на оси этих колес, на подвеску, а от нее – на кузов. Вот и движется автомобиль, преодолевая все то же трение, но уже ведомых колес.
F трения = f N норм. давл.,
и коэффициент f назвать коэффициентом трения, не вдаваясь особенно в природу трения, если вы только не выберите триботехнику – науку о трении – своей специальностью.
Но почти во всех случаях трение качения меньше трения скольжения. Сухого, заметьте. С жидкостным трением многое обстоит иначе. Поэтому еще с древних времен пытались поставить тяжелые предметы на катки, а потом и на колеса. Это делали даже древние египтяне (рис. 49, а). Подшипник качения изобрел еще лет 500 назад Леонардо да Винчи (рис. 49, б), правда, время использования его пришло много позже. Да и конструкция Леонардо была достаточно несовершенной, разве только отражала самый принцип действия.
Поэтому перевод опор валов многих машин с опор скольжения на опоры (подшипники) качения почти всегда дает выигрыш. Так, например, буксы-подшипники колес поездов еще лет 30—40 назад почти полностью перевели на подшипники качения. Но в некоторых случаях, например, в двигателях внутреннего сгорания, подшипники скольжения еще прочно держат свои позиции!
С трением связано много поразительного. Вот, например, картина мира, если бы трение совершенно исчезло. Понятно, перестал бы двигаться транспорт, ходить люди, все предметы «съехали» бы в самые низкие места и выбраться оттуда не смогли бы. Но вот чтобы мгновенно расплелась вся наша одежда, развязались все шнурки и узлы, отпали все пуговицы – об этом мы, наверное, и не догадывались! Предлагаю вам самим подумать, что еще могло бы случиться, не будь трения!
Трение можно сильно уменьшить и вовсе без смазки. Если преодолеть, сорвать силу трения в одном направлении, то она почти исчезает и в другом. Например, если автомобиль, тормозя, перешел на юз и скользит вперед, то его уже почти ничего не удерживает в боковом направлении, поэтому его так легко и заносит вбок! Помните об этом! Это явление исчезновения трения часто не понимают и не учитывают, и попадают в опасные ситуации.
А вот чисто научный метод резкого уменьшения сухого трения. Оказывается, если в глубоком космическом вакууме облучать потоком электронов почти любые трущиеся материалы, то их трение падает… почти до нуля! Это открытие сделали российские ученые, некоторых из которых автор хорошо знает. Открытие это будет иметь огромное значение при конструировании механизмов для космоса. Но и на Земле, где нужно вращение в безвоздушном пространстве (например, супермаховиков, о чем речь пойдет дальше), подшипники сверхнизкого трения, работоспособные в вакууме, очень пригодились бы!
Хорошо, снижать трение мы умеем. А вот как увеличить его? Прежде всего использовать так называемые фрикционные пары, из которых делают накладки тормозов, например. Или резиновые подошвы и шины, которые имеют высокий коэффициент трения об асфальт. Шины специальных гоночных машин – драгстеров вообще «размазываются» о бетон дороги, но обеспечивают коэффициент трения существенно больше единицы, чего обычно не бывает.
А как увеличить трение в 5, 10… 100 раз? Можно, оказывается, и это. Нужно только обмотать один трущийся предмет о другой, например, веревку о вал или опору. Так делают, когда закрепляют корабли на пристанях, обматывая канат вокруг кнехтов – столбиков на причале. Влияние навивки на силу трения просто поразительное!
У Жюля Верна в романе «Матиас Сандорф» описан случай, когда силач Матифу силой своих рук задержал спуск целого корабля, который должен был потерпеть аварию. Правда, он успел намотать канат-швартов на вбитую в землю железную трубу и держал, как показано на рис. 50. В романе не сказано, сколько раз силач обмотал канат вокруг трубы, а это принципиально важно, и вот почему. Силы натяжений входящего в намотку F1 и выходящего из нее F0 канатов относятся между собой как основание натуральных логарифмов e = 2,718 в степени, которая равна произведению коэффициента трения f на угол намотки ? в радианах:
Эта формула выведена великим Эйлером. По этой формуле легко рассчитать, что если бы Матифу обмотал канат вокруг трубы всего 3 раза, то уменьшил бы натяжение каната в 500 раз! Тут и ребенок мог бы удержать его: даже если судно, съезжая со стапелей, натягивало канат с силой F1 = 50 кН, то на Матифу пришлось бы всего 100 Н.
Очень интересны так называемые «шпили», также работающие по формуле Эйлера. Представьте себе вращающийся «шпиль» барабана, на который намотан несколькими витками канат, один конец которого привязан к тяжеленному грузу – судну, грузовому вагону, контейнеру и т. п. А другой конец свободно лежит на земле. Подходит человек, слегка тянет за конец каната – и огромная тяжесть ползет к «шпилю». Вращение «шпиля» медленное, его почти не заметно, и кажется, что человек тянет такой груз сам. На самом деле человек тянет конец каната с небольшой силой F0, допустим, 50 Н; если канат навит на шпиль всего в три оборота, то таким усилием человек может сдвинуть контейнер массой 104 кг или железнодорожный вагон массой до 2,5 х 105 кг!
А могут ли силы трения быть направлены вперед по движению? Нет, но иллюзия этого есть. Когда автомобиль (или любое наземное транспортное средство) движется, его ведущие колеса в контакте с дорогой стремятся двигаться – скользить, буксовать – назад. Это хорошо видно на скользкой дороге, на льду. Вот сила трения F и приложена к колесам против этого движения, (но вперед, по ходу автомобиля). Она-то и движет автомобиль и все наземные машины, а не что-нибудь другое (рис. 45). От ведущих колес сила действует на оси этих колес, на подвеску, а от нее – на кузов. Вот и движется автомобиль, преодолевая все то же трение, но уже ведомых колес.
Рис. 45. Сила трения движет колесо
Трение делится обычно на трение скольжения и качения. Трение верчения, иногда рассматриваемое, представляет собой частный случай трения скольжения. Трение скольжения возникает из-за множества причин. Это нам только кажется, что сделай поверхности более гладкими и трение уменьшится почти до нуля. Есть такие зеркально-гладкие плитки Иогансона, они так прилипают друг к другу, как магниты, – не сдвинешь. Процесс «сухого» трения, то есть без жидкой смазки, так многообразен, что нам остается только признать силу трения F пропорциональной нормальному (т. е. перпендикулярному поверхности) давлению N на трущиеся тела (рис. 46):F трения = f N норм. давл.,
и коэффициент f назвать коэффициентом трения, не вдаваясь особенно в природу трения, если вы только не выберите триботехнику – науку о трении – своей специальностью.
Рис. 46. Определение трения скольжения
Ну а как же с трением качения? Поставим колесо на дорогу, приложим к нему силу тяжести G, нормальную силу N со стороны дороги и будем давить на ось колеса силой P, пытаясь сдвинуть. Мешает ли теоретически нам что-нибудь? Да нет! Получается парадокс – выходит, при качении нет никакого сопротивления (рис. 47)? Но заметьте, что мы совершенно не учли деформацию колеса, оно у нас как бы «абсолютно твердое», тверже алмаза. Тогда, конечно, сопротивления нет. Поэтому, чтобы уменьшить сопротивление трению качения, колеса и дорогу делают из очень твердых материалов – не алмаза, конечно, а например, из стали. Железнодорожные колеса имеют сопротивление в несколько раз меньше, чем автомобильные, более мягкие.Рис. 47. Сопротивления качению… нет?
Что же происходит с «мягким» колесом при его движении? В контакте с дорогой его немного расплющивает, и из-за гистерезиса (неупругих потерь, которые всегда есть в любом упругом теле при его деформациях, мы о них еще поговорим) сила давления дороги N чуть смещается вперед по движению (рис. 48). Вот и появилось плечо силы a, которое надо преодолевать, а значит, и трение качения! Чем больше диаметр колеса и чем тверже оно (при твердой дороге), тем меньше оно сопротивляется качению.Рис. 48. Реальное сопротивление качению
Вот почему у вездеходов большие (до 17 м диаметром!) колеса, а у поездов и трамваев они такие твердые. Легковому автомобилю, к сожалению, нельзя позволить себе ни того, ни другого. Если колеса будут слишком большими, как у старинных велосипедов, например, автомобиль станет уродливым, с трудом сможет поворачивать, колеса будут излишне тяжелыми. Ну а вот твердыми их тоже сделать нельзя, они будут резать асфальт, как сошедший с рельсов трамвай, а если не резать, то тряска будет невозможной – мягкие шины «демпфируют» вибрации от неровностей дороги. Вот и приходится идти на компромисс!Но почти во всех случаях трение качения меньше трения скольжения. Сухого, заметьте. С жидкостным трением многое обстоит иначе. Поэтому еще с древних времен пытались поставить тяжелые предметы на катки, а потом и на колеса. Это делали даже древние египтяне (рис. 49, а). Подшипник качения изобрел еще лет 500 назад Леонардо да Винчи (рис. 49, б), правда, время использования его пришло много позже. Да и конструкция Леонардо была достаточно несовершенной, разве только отражала самый принцип действия.
Поэтому перевод опор валов многих машин с опор скольжения на опоры (подшипники) качения почти всегда дает выигрыш. Так, например, буксы-подшипники колес поездов еще лет 30—40 назад почти полностью перевели на подшипники качения. Но в некоторых случаях, например, в двигателях внутреннего сгорания, подшипники скольжения еще прочно держат свои позиции!
С трением связано много поразительного. Вот, например, картина мира, если бы трение совершенно исчезло. Понятно, перестал бы двигаться транспорт, ходить люди, все предметы «съехали» бы в самые низкие места и выбраться оттуда не смогли бы. Но вот чтобы мгновенно расплелась вся наша одежда, развязались все шнурки и узлы, отпали все пуговицы – об этом мы, наверное, и не догадывались! Предлагаю вам самим подумать, что еще могло бы случиться, не будь трения!
Трение можно сильно уменьшить и вовсе без смазки. Если преодолеть, сорвать силу трения в одном направлении, то она почти исчезает и в другом. Например, если автомобиль, тормозя, перешел на юз и скользит вперед, то его уже почти ничего не удерживает в боковом направлении, поэтому его так легко и заносит вбок! Помните об этом! Это явление исчезновения трения часто не понимают и не учитывают, и попадают в опасные ситуации.
А вот чисто научный метод резкого уменьшения сухого трения. Оказывается, если в глубоком космическом вакууме облучать потоком электронов почти любые трущиеся материалы, то их трение падает… почти до нуля! Это открытие сделали российские ученые, некоторых из которых автор хорошо знает. Открытие это будет иметь огромное значение при конструировании механизмов для космоса. Но и на Земле, где нужно вращение в безвоздушном пространстве (например, супермаховиков, о чем речь пойдет дальше), подшипники сверхнизкого трения, работоспособные в вакууме, очень пригодились бы!
Хорошо, снижать трение мы умеем. А вот как увеличить его? Прежде всего использовать так называемые фрикционные пары, из которых делают накладки тормозов, например. Или резиновые подошвы и шины, которые имеют высокий коэффициент трения об асфальт. Шины специальных гоночных машин – драгстеров вообще «размазываются» о бетон дороги, но обеспечивают коэффициент трения существенно больше единицы, чего обычно не бывает.
А как увеличить трение в 5, 10… 100 раз? Можно, оказывается, и это. Нужно только обмотать один трущийся предмет о другой, например, веревку о вал или опору. Так делают, когда закрепляют корабли на пристанях, обматывая канат вокруг кнехтов – столбиков на причале. Влияние навивки на силу трения просто поразительное!
У Жюля Верна в романе «Матиас Сандорф» описан случай, когда силач Матифу силой своих рук задержал спуск целого корабля, который должен был потерпеть аварию. Правда, он успел намотать канат-швартов на вбитую в землю железную трубу и держал, как показано на рис. 50. В романе не сказано, сколько раз силач обмотал канат вокруг трубы, а это принципиально важно, и вот почему. Силы натяжений входящего в намотку F1 и выходящего из нее F0 канатов относятся между собой как основание натуральных логарифмов e = 2,718 в степени, которая равна произведению коэффициента трения f на угол намотки ? в радианах:
Очень интересны так называемые «шпили», также работающие по формуле Эйлера. Представьте себе вращающийся «шпиль» барабана, на который намотан несколькими витками канат, один конец которого привязан к тяжеленному грузу – судну, грузовому вагону, контейнеру и т. п. А другой конец свободно лежит на земле. Подходит человек, слегка тянет за конец каната – и огромная тяжесть ползет к «шпилю». Вращение «шпиля» медленное, его почти не заметно, и кажется, что человек тянет такой груз сам. На самом деле человек тянет конец каната с небольшой силой F0, допустим, 50 Н; если канат навит на шпиль всего в три оборота, то таким усилием человек может сдвинуть контейнер массой 104 кг или железнодорожный вагон массой до 2,5 х 105 кг!
Рис. 51. Защита от вора по формуле Эйлера: 1 – веревка; 2 – груз; 3 – болт; 4 – тонкая нить
Пригодилась формула Эйлера когда-то и автору. Повадился как-то в его мастерскую вор. Отпирает замок, заходит, берет, что захочет. И вот автор подвесил веревками на двух болтах над дверью тяжелую доску, а на нее еще слой цемента насыпал. А веревку 5 раз обернул вокруг болтов и к концам веревок привязал тончайшую «паутинную» нить, которую провел над порогом (рис. 51). Ночью вор, конечно же, не заметил этой «паутинной» нити, порвал ее и освободил концы веревок, держащих через намотку довольно большой груз. И по формуле Эйлера доска рухнула на вора, к тому же щедро напудрив его сверху цементом!
МАГИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
Можно ли вращаться по инерции?
Действительно, раскрутил карусель, – и вертись себе по инерции. Если подшипники карусели хорошие, то это можно делать достаточно долго. Современные маховики в накопителях энергии вращаются без помощи мотора более недели. Чем не вращение по инерции? Более того, если «помогать» этому маховику мотором, то он будет вращаться с совершенно постоянной угловой скоростью. Можно ли это назвать вращением по инерции?
Строго говоря, нет. Мы же раскритиковали Галилея, который именно движение точки по кругу считал инерционным. Но это потому, что на точку в этом случае должна обязательно действовать внешняя сила. А тогда движение уже не инерционное.
Поступим хитрее – возьмем много точек, расположенных по кругу, скрепим их друг с другом покрепче и раскрутим. Вот мы и получили маховик, который вращается, заметьте, без приложения внешних сил (мы его не трогаем!). Поместим такой маховик в космическое пространство – не понадобится ни подвес, ни мотор. Предмет сам собой вращается, никаких сил не требует.
Отвечайте, коллеги-физики, – по инерции он движется или нет?
Вопрос, казалось бы, для школьника, но боюсь, что он станет проблемой и для специалиста-физика.
Ответ первый:
– Да он вообще не движется, центр его масс, который находится на оси, неподвижен, стало быть, маховик неподвижен!
– Нет, – не согласимся мы, – а как же его кинетическая энергия? Может ли неподвижное тело обладать кинетической энергией и немалой?
Второй ответ:
– Это движение по инерции, потому что оно происходит без какого-либо внешнего воздействия!
– Позвольте, – возразим мы, – но такое движение согласно первому закону Ньютона может быть только прямолинейным и равномерным. Может, Ньютон чего-нибудь не учел?
Все учел Ньютон, просто вопрос не так уж тривиален, как может показаться сразу.
В чем различие между инерцией прямолинейного и вращательного движения?
Как известно, инерция, или инертность, массивной точки зависит только от ее массы. Масса является мерой инертности тела при прямолинейном движении. Значит, при таком движении на инерцию не влияет распределение масс в теле, и это тело можно смело принять за материальную (массивную) точку. Масса этой точки равна массе тела, а расположена она в центре тяжести, или, что почти то же, в центре масс, или центре инерции тела (поэтому «тело» в законах Ньютона справедливо заменено «материальной точкой»).
Проведем следующий опыт. Попытаемся вращать вокруг вертикальной оси стержень с насаженными на него массами (грузами), например, металлическими шарами. Пока эти шары находятся близ центра, раскрутить стержень легко, инертность его мала. Но если мы раздвинем массы на края стержня, то раскрутить такой стержень станет намного труднее, хотя масса его осталась без изменения (рис 52). Стало быть, инертность тела при вращении зависит не только от массы, но и (даже в большей степени) от распределения этих масс относительно оси вращения. Мерой инертности тела при вращении является так называемый момент инерции.
Таким образом, разница в мере инертности прямолинейного движения и вращения состоит в том, что в первом случае она измеряется массой, а во втором – моментом инерции.
Далее. Как мы знаем, закон инерции устанавливает эквивалентность относительного покоя и равномерного прямолинейного движения – движения по инерции. Ибо нельзя никаким механическим опытом установить, покоится ли данное тело или движется равномерно и прямолинейно. Во вращательном движении это не так. Например, совсем не безразлично, покоится ли волчок или вращается равномерно, с постоянной угловой скоростью. Угловая скорость твердого тела является величиной, характеризующей его физическое состояние. Угловая скорость может быть определена (например, измерением центростремительных сил) без какой-либо информации о положении тела по отношению к «абсолютной» системе координат. То есть если даже вся Вселенная исчезнет, а останется только наше вращающееся тело, то мы и в этом случае узнаем его угловую скорость. Поэтому термин «абсолютная угловая скорость тела» в отличие от «абсолютной скорости точки» должен употребляться в прямом смысле (без кавычек).
Таким образом, механические явления в покоящейся и вращающейся системах будут протекать по-разному, не говоря уже о том, что падение и движение тел во вращающейся системе происходят иначе, чем в неподвижной: достаточно хорошенько ее раскрутить – и она развалится на части из-за возникших в ней напряжений.
Поэтому второе отличие состоит в том, что прямолинейное движение и покой эквивалентны, а вращение, даже с постоянной угловой скоростью, может быть четко отделено не только от покоя, но и от вращения с другой угловой скоростью.
Вот, пожалуй, и все основные отличия. Остальное настолько одинаково, что можно взять на себя смелость сформулировать по образу и подобию ньютоновых законов «закон» инерции вращательного движения абсолютно твердого тела: «Изолированное от внешних моментов абсолютно твердое тело будет сохранять состояние покоя или равномерного вращения вокруг неподвижной точки или оси до тех пор, пока приложенные к телу моменты внешних сил не заставят его изменить это состояние».
Почему же абсолютно твердое тело, а не любое? Потому что у нетвердого тела из-за вынужденных (или заранее предусмотренных) деформаций при вращении может измениться момент инерции, а это равносильно изменению массы тела в прямолинейном движении. Мы же не упоминаем этого случая, когда формулируем закон инерции, иначе он бы начинался так: «Изолированная от внешних воздействий материальная точка постоянной массы…» А эта точка может легко менять свою массу. Самолет или ракета, двигаясь за счет сжигания горючего, довольно существенно изменяют свою массу. Даже человек, пройдя достаточное расстояние, изменяет свою массу настолько, что это фиксируется медицинскими весами. А как отразится это изменение массы на инерции? Ведь при изменении массы возникает дополнительная, так называемая реактивная сила. О каком же движении по инерции может идти речь, когда на тело действует сила?
Так и в случае вращательного движения: если момент инерции непостоянен, приходится принимать постоянной не угловую скорость, а произведение угловой скорости на момент инерции – так называемый кинетический момент. В этом случае закон инерции примет такую форму : «Изолированное от внешних моментов относительно оси вращения тело будет сохранять кинетический момент относительно этой оси постоянным».Этот закон (в несколько иной формулировке) носит название закона сохранения кинетического момента.
Для демонстрации этого закона удобно воспользоваться простым прибором, называемым платформой (скамьей) Жуковского. Это круглая горизонтальная платформа на подшипниках, которая с малым трением может вращаться вокруг вертикальной оси (рис. 53). Если человек, стоя на этой платформе и вращаясь с некоторой угловой скоростью, разведет в сторону руки (еще лучше с грузами в них, например, гантелями), то его момент инерции относительно вертикальной оси повысится, а угловая скорость сильно упадет. Опуская руки, человек внутренним усилием сообщает себе первоначальную угловую скорость. Даже стоя на платформе неподвижно, можно повернуть корпус в любую сторону, вращая вытянутую вверх руку в противоположном направлении. Таким способом изменения угловой скорости широко пользуются в балете, акробатике и т. п., даже кошки успешно приземляются на лапы благодаря вращению хвоста в соответствующем направлении.
Строго говоря, нет. Мы же раскритиковали Галилея, который именно движение точки по кругу считал инерционным. Но это потому, что на точку в этом случае должна обязательно действовать внешняя сила. А тогда движение уже не инерционное.
Поступим хитрее – возьмем много точек, расположенных по кругу, скрепим их друг с другом покрепче и раскрутим. Вот мы и получили маховик, который вращается, заметьте, без приложения внешних сил (мы его не трогаем!). Поместим такой маховик в космическое пространство – не понадобится ни подвес, ни мотор. Предмет сам собой вращается, никаких сил не требует.
Отвечайте, коллеги-физики, – по инерции он движется или нет?
Вопрос, казалось бы, для школьника, но боюсь, что он станет проблемой и для специалиста-физика.
Ответ первый:
– Да он вообще не движется, центр его масс, который находится на оси, неподвижен, стало быть, маховик неподвижен!
– Нет, – не согласимся мы, – а как же его кинетическая энергия? Может ли неподвижное тело обладать кинетической энергией и немалой?
Второй ответ:
– Это движение по инерции, потому что оно происходит без какого-либо внешнего воздействия!
– Позвольте, – возразим мы, – но такое движение согласно первому закону Ньютона может быть только прямолинейным и равномерным. Может, Ньютон чего-нибудь не учел?
Все учел Ньютон, просто вопрос не так уж тривиален, как может показаться сразу.
В чем различие между инерцией прямолинейного и вращательного движения?
Как известно, инерция, или инертность, массивной точки зависит только от ее массы. Масса является мерой инертности тела при прямолинейном движении. Значит, при таком движении на инерцию не влияет распределение масс в теле, и это тело можно смело принять за материальную (массивную) точку. Масса этой точки равна массе тела, а расположена она в центре тяжести, или, что почти то же, в центре масс, или центре инерции тела (поэтому «тело» в законах Ньютона справедливо заменено «материальной точкой»).
Проведем следующий опыт. Попытаемся вращать вокруг вертикальной оси стержень с насаженными на него массами (грузами), например, металлическими шарами. Пока эти шары находятся близ центра, раскрутить стержень легко, инертность его мала. Но если мы раздвинем массы на края стержня, то раскрутить такой стержень станет намного труднее, хотя масса его осталась без изменения (рис 52). Стало быть, инертность тела при вращении зависит не только от массы, но и (даже в большей степени) от распределения этих масс относительно оси вращения. Мерой инертности тела при вращении является так называемый момент инерции.
Рис. 52. Изменение момента инерции тела при неизменной его массе: 1 – стержень; 2 – груз
Моментом инерции тела относительно данной оси называется величина, равная сумме произведений масс всех частиц тела на квадраты их расстояний от этой оси.Таким образом, разница в мере инертности прямолинейного движения и вращения состоит в том, что в первом случае она измеряется массой, а во втором – моментом инерции.
Далее. Как мы знаем, закон инерции устанавливает эквивалентность относительного покоя и равномерного прямолинейного движения – движения по инерции. Ибо нельзя никаким механическим опытом установить, покоится ли данное тело или движется равномерно и прямолинейно. Во вращательном движении это не так. Например, совсем не безразлично, покоится ли волчок или вращается равномерно, с постоянной угловой скоростью. Угловая скорость твердого тела является величиной, характеризующей его физическое состояние. Угловая скорость может быть определена (например, измерением центростремительных сил) без какой-либо информации о положении тела по отношению к «абсолютной» системе координат. То есть если даже вся Вселенная исчезнет, а останется только наше вращающееся тело, то мы и в этом случае узнаем его угловую скорость. Поэтому термин «абсолютная угловая скорость тела» в отличие от «абсолютной скорости точки» должен употребляться в прямом смысле (без кавычек).
Таким образом, механические явления в покоящейся и вращающейся системах будут протекать по-разному, не говоря уже о том, что падение и движение тел во вращающейся системе происходят иначе, чем в неподвижной: достаточно хорошенько ее раскрутить – и она развалится на части из-за возникших в ней напряжений.
Поэтому второе отличие состоит в том, что прямолинейное движение и покой эквивалентны, а вращение, даже с постоянной угловой скоростью, может быть четко отделено не только от покоя, но и от вращения с другой угловой скоростью.
Вот, пожалуй, и все основные отличия. Остальное настолько одинаково, что можно взять на себя смелость сформулировать по образу и подобию ньютоновых законов «закон» инерции вращательного движения абсолютно твердого тела: «Изолированное от внешних моментов абсолютно твердое тело будет сохранять состояние покоя или равномерного вращения вокруг неподвижной точки или оси до тех пор, пока приложенные к телу моменты внешних сил не заставят его изменить это состояние».
Почему же абсолютно твердое тело, а не любое? Потому что у нетвердого тела из-за вынужденных (или заранее предусмотренных) деформаций при вращении может измениться момент инерции, а это равносильно изменению массы тела в прямолинейном движении. Мы же не упоминаем этого случая, когда формулируем закон инерции, иначе он бы начинался так: «Изолированная от внешних воздействий материальная точка постоянной массы…» А эта точка может легко менять свою массу. Самолет или ракета, двигаясь за счет сжигания горючего, довольно существенно изменяют свою массу. Даже человек, пройдя достаточное расстояние, изменяет свою массу настолько, что это фиксируется медицинскими весами. А как отразится это изменение массы на инерции? Ведь при изменении массы возникает дополнительная, так называемая реактивная сила. О каком же движении по инерции может идти речь, когда на тело действует сила?
Так и в случае вращательного движения: если момент инерции непостоянен, приходится принимать постоянной не угловую скорость, а произведение угловой скорости на момент инерции – так называемый кинетический момент. В этом случае закон инерции примет такую форму : «Изолированное от внешних моментов относительно оси вращения тело будет сохранять кинетический момент относительно этой оси постоянным».Этот закон (в несколько иной формулировке) носит название закона сохранения кинетического момента.
Для демонстрации этого закона удобно воспользоваться простым прибором, называемым платформой (скамьей) Жуковского. Это круглая горизонтальная платформа на подшипниках, которая с малым трением может вращаться вокруг вертикальной оси (рис. 53). Если человек, стоя на этой платформе и вращаясь с некоторой угловой скоростью, разведет в сторону руки (еще лучше с грузами в них, например, гантелями), то его момент инерции относительно вертикальной оси повысится, а угловая скорость сильно упадет. Опуская руки, человек внутренним усилием сообщает себе первоначальную угловую скорость. Даже стоя на платформе неподвижно, можно повернуть корпус в любую сторону, вращая вытянутую вверх руку в противоположном направлении. Таким способом изменения угловой скорости широко пользуются в балете, акробатике и т. п., даже кошки успешно приземляются на лапы благодаря вращению хвоста в соответствующем направлении.
Рис. 53. Платформа Жуковского и человек
На явлении инерции вращательного движения основаны многочисленные приборы и машины, в частности, инерционные двигатели – аккумуляторы, сохраняющие кинетическую энергию при инерционном вращении маховика, и гироскопические приборы, сохраняющие, образно говоря, его кинетический момент. Существуют также и маховики переменного момента инерции, напоминающие по принципу действия человека на платформе Жуковского.
Реальны ли центробежные силы?
Мы уже знаем, что так называемые силы инерции, которые мы добавляем к реально действующим силам якобы для облегчения решения задач, на самом деле не существуют. Слово «якобы» автор употребил потому, что иногда это «облегчение» оборачивается такой ошибкой, что лучше бы и не использовать этих сил инерции вообще. Тем более сейчас, когда всю счетную работу выполняют компьютеры, а им почти все равно, облегчили мы расчеты или нет.
Так вот для вращательного движения вопрос с силами инерции обстоит гораздо запутаннее, чем для прямолинейного. И последствия ошибок могут быть хуже. Чего стоят хотя бы пресловутые центробежные силы? Почти каждый из нас, включая даже научных работников, думает, что такие силы есть и действуют они на вращающуюся точку или тело. И бывают очень обескуражены, когда узнают, что их нет и быть не может.
Приведем простейший, но тем не менее убийственный для этих сил пример. Известно, что Луна вращается вокруг Земли. Спрашивается, действуют ли на нее центробежные силы? Спросите, пожалуйста, об этом своих товарищей, родителей, знакомых. Большинство ответит: «Действуют!» Тогда вы поспорьте с ними на что хотите и начинайте доказывать, что этого не может быть.
Основных довода – два. Первый: если бы на Луну действовала центробежная сила (то есть сила, направленная от центра вращения наружу), то она могла бы действовать только со стороны Земли, так как других тел поблизости нет. Думаю, что напоминать о том, что силы действуют на тела только со стороны других тел, а не «просто так», уже не надо. А если все так, то, значит, Земля не притягивает, а отталкивает Луну – от себя наружу. Между тем, как мы знаем, существует закон всемирного тяготения, а не отталкивания. Поэтому на Луну может действовать со стороны Земли только одна-единствен-ная сила – притяжения P, направленная точно наоборот – от Луны к Земле. Такая сила называется центростремительной, и она реально есть, она-то и сворачивает Луну с прямолинейного инерционного пути и заставляет вращаться вокруг Земли. А центробежной силы, извините, нет (рис. 54).
Второй довод. Он для тех, кто не знает о существовании закона всемирного тяготения или забыл его. Тогда если бы на Луну действовала центробежная сила (естественно, со стороны Земли, так как других тел, как мы уже знаем, поблизости нет), то Луна не стала бы вращаться вокруг Земли, а улетела бы прочь. Если на Луну не действовало бы вообще никаких сил, то она спокойно пролетела бы мимо Земли по инерции, то есть по прямой (мы же забыли о всемирном тяготении!). А если бы со стороны Земли на Луну действовала центробежная сила, то Луна, подлетая к Земле, свернула бы в сторону и под действием этой силы улетела бы навсегда в космическое пространство. Только бы мы ее и видели! Но раз этого не происходит, стало быть, центробежной силы нет. Вы выиграли спор, причем в любом случае. А появилась эта центробежная сила оттуда же, откуда и силы инерции в прямолинейном движении – из принципа Даламбера. Здесь, во вращательном движении, этот принцип еще более облегчает решение задач, чем в прямолинейном. Еще бы, прикладываем к существующей центростремительной силе несуществующую центробежную – и Луна как бы зависает на месте! Делайте с ней, что хотите, определяйте ускорения, скорости, радиусы орбиты, периоды обращения и все остальное. Хотя все это можно определить и без использования принципа Даламбера.
И вот студенты попросили автора научить их, как убедить инспектора ГАИ в отсутствии центробежной силы. Запоминайте, и вам может пригодиться!
Если на автомобиль и действует какая-нибудь сила P, то только со стороны дороги на колеса (воздух здесь ни при чем, его не учитываем). Если эта сила центробежная, то она будет прогибать шины от центра наружу, а если центростремительная – то, наоборот, к центру. А любой инспектор ГАИ отлично знает, что на повороте шины автомобилей прогибаются по направлению к центру (рис. 56). Значит, и сила P действует туда же, и она центростремительная. Скольких аварий удалось бы избежать, если бы в ГАИ «не злоупотребляли» принципом Даламбера!
Поясним это на примере велосипеда, а заодно станет ясно, почему он так устойчив. Представьте себе едущий велосипед, который начинает поворачивать (рис. 58). Взглянем на него сверху. Колеса начинают «уходить» к центру поворота, влекомые силой трения с дорогой, а весь верх, включая седока, или байкера по-современному, стремится продолжать свой путь прямолинейно – по закону инерции. Что же получается? Колеса «выезжают» из-под седока вбок, и он падает набок – наружу от поворота. Но ни в коем случае не так, как объясняют это в ГАИ, – не наружу от касательной к повороту, от своего предыдущего прямолинейного пути. А точнее – где-то между окружностью поворота и этой касательной. Этим же действием инерции объясняется устойчивость движения велосипеда. Стоит начать ему падать набок, как сознательно или автоматически велосипедист поворачивает руль в сторону падения и как бы «подводит» колеса под положение наклон себя.
Так вот для вращательного движения вопрос с силами инерции обстоит гораздо запутаннее, чем для прямолинейного. И последствия ошибок могут быть хуже. Чего стоят хотя бы пресловутые центробежные силы? Почти каждый из нас, включая даже научных работников, думает, что такие силы есть и действуют они на вращающуюся точку или тело. И бывают очень обескуражены, когда узнают, что их нет и быть не может.
Приведем простейший, но тем не менее убийственный для этих сил пример. Известно, что Луна вращается вокруг Земли. Спрашивается, действуют ли на нее центробежные силы? Спросите, пожалуйста, об этом своих товарищей, родителей, знакомых. Большинство ответит: «Действуют!» Тогда вы поспорьте с ними на что хотите и начинайте доказывать, что этого не может быть.
Основных довода – два. Первый: если бы на Луну действовала центробежная сила (то есть сила, направленная от центра вращения наружу), то она могла бы действовать только со стороны Земли, так как других тел поблизости нет. Думаю, что напоминать о том, что силы действуют на тела только со стороны других тел, а не «просто так», уже не надо. А если все так, то, значит, Земля не притягивает, а отталкивает Луну – от себя наружу. Между тем, как мы знаем, существует закон всемирного тяготения, а не отталкивания. Поэтому на Луну может действовать со стороны Земли только одна-единствен-ная сила – притяжения P, направленная точно наоборот – от Луны к Земле. Такая сила называется центростремительной, и она реально есть, она-то и сворачивает Луну с прямолинейного инерционного пути и заставляет вращаться вокруг Земли. А центробежной силы, извините, нет (рис. 54).
Второй довод. Он для тех, кто не знает о существовании закона всемирного тяготения или забыл его. Тогда если бы на Луну действовала центробежная сила (естественно, со стороны Земли, так как других тел, как мы уже знаем, поблизости нет), то Луна не стала бы вращаться вокруг Земли, а улетела бы прочь. Если на Луну не действовало бы вообще никаких сил, то она спокойно пролетела бы мимо Земли по инерции, то есть по прямой (мы же забыли о всемирном тяготении!). А если бы со стороны Земли на Луну действовала центробежная сила, то Луна, подлетая к Земле, свернула бы в сторону и под действием этой силы улетела бы навсегда в космическое пространство. Только бы мы ее и видели! Но раз этого не происходит, стало быть, центробежной силы нет. Вы выиграли спор, причем в любом случае. А появилась эта центробежная сила оттуда же, откуда и силы инерции в прямолинейном движении – из принципа Даламбера. Здесь, во вращательном движении, этот принцип еще более облегчает решение задач, чем в прямолинейном. Еще бы, прикладываем к существующей центростремительной силе несуществующую центробежную – и Луна как бы зависает на месте! Делайте с ней, что хотите, определяйте ускорения, скорости, радиусы орбиты, периоды обращения и все остальное. Хотя все это можно определить и без использования принципа Даламбера.
Рис. 55. Занос автомобиля на повороте (схема ГАИ)
Но Луна Луной, это все пустяки по сравнению с получением водительских прав в ГАИ. Автор преподает на автомобильном факультете, где все его студенты обязаны получать права и все стонут от ГАИвской физики. Жалуются, что в ГАИ им объясняют движение автомобиля на повороте так: «Поскольку при повороте на автомобиль действует сила тяги, направленная вперед по касательной, и центробежная сила, действующая наружу, то занести машину может только наружу от касательной» (см. схему на рис. 55). Но так как вместо центробежной на автомобиль действует центростремительная сила, направленная точно наоборот, то занесет машину внутрь от касательной! Если, конечно, не учитывать других причин – увода колес, переворачивания, бокового ветра, удара сбоку и т. д. Таким образом, центробежная сила, вернее, учет ее вместо центростремительной, может привести к аварии, или ДТП, так как автомобиль поедет совсем не туда, куда рассчитывали.И вот студенты попросили автора научить их, как убедить инспектора ГАИ в отсутствии центробежной силы. Запоминайте, и вам может пригодиться!
Если на автомобиль и действует какая-нибудь сила P, то только со стороны дороги на колеса (воздух здесь ни при чем, его не учитываем). Если эта сила центробежная, то она будет прогибать шины от центра наружу, а если центростремительная – то, наоборот, к центру. А любой инспектор ГАИ отлично знает, что на повороте шины автомобилей прогибаются по направлению к центру (рис. 56). Значит, и сила P действует туда же, и она центростремительная. Скольких аварий удалось бы избежать, если бы в ГАИ «не злоупотребляли» принципом Даламбера!
Рис. 56. Шины при повороте прогибаются к центру поворота
Но ради справедливости заметим все-таки, что центробежные или просто направленные от центра силы все-таки бывают, но действуют они вовсе не на то тело, которое вращается, а на связь, удерживающую это тело (рис. 57). То есть не на автомобиль, а на дорогу, не на Луну, а на Землю, не на камень в праще, а на веревку и руку человека и т. д.Рис. 57. Действие центробежных сил
Может возникнуть вопрос, а почему же все-таки падает велосипед наружу при крутом повороте, если не успел наклониться внутрь, почему опрокидываются наружу при поворотах на большой скорости трамваи, поезда и автомобили? Ведь центробежной силы нет, что же толкает эти машины наружу при повороте?Поясним это на примере велосипеда, а заодно станет ясно, почему он так устойчив. Представьте себе едущий велосипед, который начинает поворачивать (рис. 58). Взглянем на него сверху. Колеса начинают «уходить» к центру поворота, влекомые силой трения с дорогой, а весь верх, включая седока, или байкера по-современному, стремится продолжать свой путь прямолинейно – по закону инерции. Что же получается? Колеса «выезжают» из-под седока вбок, и он падает набок – наружу от поворота. Но ни в коем случае не так, как объясняют это в ГАИ, – не наружу от касательной к повороту, от своего предыдущего прямолинейного пути. А точнее – где-то между окружностью поворота и этой касательной. Этим же действием инерции объясняется устойчивость движения велосипеда. Стоит начать ему падать набок, как сознательно или автоматически велосипедист поворачивает руль в сторону падения и как бы «подводит» колеса под положение наклон себя.