ФОРМУЛЫ ПРОПУЩЕНЫ, BOЗМOЖНЫ OШИБКИ, СВЕРЯЙТЕ С ОРИГИНАЛОМ
ПРЕДИСЛОВИЕ
При рассмотрении роли, которую играет в жизни людей физика, прежде всего бросается в глаза такое ее свойство, как полезность. Польза физики заключается в том, что ее достижения значительно облегчают жизнь и труд людей. Даже в быту нас окружают телевизоры, магнитофоны, стиральные машины, холодильники и другие устройства, облегчающие нам ведение домашнего хозяйства и украшающие наш досуг. И когда говорят, что физика окружает нас повсюду, то чаще всего имеют в виду именно этот процесс стремительного внедрения достижений физики во все сферы человеческой деятельности.
Однако люди занимаются физикой не только потому, что оиа полезна. Физика еще и красива. Разговор о красоте физики вести гораздо сложнее, чем о ее полезности — здесь многое зависит от индивидуальной точки зрения. Одни видят красоту физики в изящности ее логических построений, в возможности объяснения огромного многообразия явлений с помощью небольшого количества первопринципов. Другие находят очарование в лаконичности и ясности языка формул, на котором Природа формулирует свои законы. Третьи видят красоту физики в ее неисчерпаемости, бесконечности познания окружающего мира. Четвертые — в яростной напряженности мысли и остроте споров, из которых рождается истина. А есть еще точки зрения пятых, шестых...
Одно из проявлений красоты физики автор этой книги видит в том, что даже в тех явлениях, к которым мы привыкли настолько, что не обращаем на них внимания, можно обнаружить интереснейшие физические процессы. Иногда внимательное рассмотрение привычных, обыденных явлений открывает в них совершенно неожиданные стороны. Примерам таких «физических неожиданностей» и посвящена эта книга.
Поскольку факт, воспринимаемый одним читателем как неожиданность, другим будет восприниматься как нечто совершенно очевидное, следует отметить, что все разделы этой книги могут читаться независимо друг от друга. Если содержание какого-то раздела вам хорошо известно, то его можно пропустить без ущерба для восприятия остального материала.
Книга предназначена для школьников, поэтому разбиение материала по главам примерно соответствует основным разделам школьного курса физики: механика, колебания и волны, молекулярно-кинетическая теория, электричество, оптика. В каждой главе приведено несколько примеров из соответствующего раздела физики.
В некоторых примерах рассмотрены довольно сложные явления. Чтобы облегчить усвоение материала, изложение каждого такого примера разбито на несколько этапов, и уровень сложности от одного этапа к другому постепенно возрастает. Сначала, как правило, формулируется вопрос, затем дается ответ иа него на качественном уровне, без формул, а только потом начинается более сложный этап, связанный с конкретными вычислениями. Таким образом, читатель с любым уровнем подготовки сможет извлечь из книги что-то полезное. Знаний, выходящих за пределы школьной программы, при чтении книги не понадобится.
Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору Л. Г. Асламазову, А. В. Митрофанову и В. Б. Посоховскому за сделанные замечания, а также
О. Р. Грундайте, Е. Н. Кудрявцевой и другим студентам физико-математического факультета Даугавпилсского педагогического института за помощь при подготовке рукописи.
МЕХАНИКА
1. КАК ПОВОРАЧИВАЮТ ПОЕЗДА? Первые неожиданности
К числу явлений, которые при внимательном рассмотрении обнаруживают неожиданные стороны, относится поворот поездов. «Что тут может быть неожиданного?» — недоуменно спросит читатель. «Здесь все предельно ясно. Поезд движется по рельсам, и если рельсы поворачивают, то должен повернуть и поезд. Куда же ему еще деваться?» На самом деле все обстоит далеко не так просто, и чтобы убедиться в этом, рассмотрим несколько фактов.
Первый факт совершенно элементарен и заключается в том, что при повороте любой повозки колеса, находящиеся на одной оси, проходят разные пути. Взгляните, например, на телегу, которая поворачивает вправо (рис. 1). Очевидно, что дуга АВ длиннее дуги А'В' и левое колесо на повороте пройдет больший путь, чем правое. Очевидно также, что для того, чтобы пройти больший путь, левое колесо должно сделать большее число оборотов, чем правое.
Колеса у телеги подвешены независимо друг от друга, вращение одного никак не влияет на вращение другого и никаких проблем с поворотом телеги не возникает.
Но железнодорожный вагон — не телега! Существенное различие между ними состоит в том, что колеса вагона, имеющие общую ось, связаны между собой и не могут вращаться независимо друг от друга.
Различие конструкций вагона и телеги объясняется различием условий их движения. Телега «работает» на широкой дороге, и если по какой-то причине расстояние между колесами у нее немного изменится, то ничего страшного не произойдет. Для вагона дело обстоит иначе: он движется по рельсам и из соображений безопасности движения его колеса должны находиться на постоянном и строго определенном расстоянии одно от другого. По существующим в СССР стандартам у вагонов, предназначенных для движения со скоростями, меньшими 120 км/ч, расстояние между внутренними гранями колес должно быть равно 1440l1l2 мм. У скоростных вагонов (о120 км/ч) это расстояние составляет 1440±f мм. Как видите, требования очень жесткие: для скоростных вагонов уменьшение расстояния между колесами хотя бы на 1,5 мм по сравнению со значением 1440 мм уже недопустимо, поскольку может привести к аварии.
При независимой подвеске колес добиться требуемой точности практически невозможно, поэтому колеса железнодорожных вагонов соединяют друг с другом в жесткую конструкцию с помощью общей оси. Два колеса и соединяющая их ось образуют так называемую колесную пару и при движении вагона колесная пара вращается как единое целое. Выясняется, что вагон не может повернуть так, как это делает телега: одно колесо не может сделать больше оборотов, чем другое. Тем не менее одно из колес должно проходить на повороте больший путь. Как такое может быть?
После некоторого размышления напрашивается только один ответ: для того чтобы при одинаковом количестве оборотов колеса могли проходить разные пути, одно из них неизбежно должно проскальзывать относительно рельса. Однако этот ответ, на первый взгляд кажущийся единственно возможным, неверен! Правилами эксплуатации железных дорог проскальзывание колеса вагона относительно рельса категорически запрещается. Исключение составляют только немногочисленные особые случаи, типа экстренного торможения. Проскальзывание колеса относительно рельса является основной причиной износа пути и подвижного состава железных дорог, ухудшает устойчивость вагона на рельсах, отрицательно влияет на безопасность движения, и поэтому, если такое проскальзывание достигает хотя бы нескольких миллиметров на сто метров пути, дорога в эксплуатацию не принимается.
Теперь перед нами возникла загадочная ситуация. Е одной стороны, все мы прекрасно знаем, что поезда благополучно поворачивают. С другой стороны, совершенно непонятно, как колеса одной колесной пары могут на повороте пройти разные пути, если они делают одинаковое количество оборотов и не имеют возможности проскальзывать относительно рельса.
Вы уже убедились, вероятно, что вопрос о том как поворачивают поезда, не является бессмысленным Попытайтесь самостоятельно найти ответ на него — и вы увидите, что это далеко ие просто. Для тех, кто захочет отложить книгу и поломать голову над этой загадкой ключом к решению может послужить фотография на рис. г. Вероятно, многие читатели и раньше обращали внимание на светлую полосу, которая видна на верхней поверхности рельса. Подумайте, как она образовалась и вы многое поймете.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
