Академия! Курс "Как работают вещи?" 1 и 2 недели.

Вступление в курс: "Как работают вещи?"

Этот курс преподается в Университете Вирджинии уже более 20 лет. В нем речь идет о базовой физике в повседневном мире. В первой части этого курса изучаются 6 явлений и предметов: скольжение, мячи, пандусы, качели, колеса и электрические машинки.

Скольжение
Рассмотрим движение на скейте, его главное отличие от ходьбы - свободное скольжение вперед и назад практически без трения. Неподвижный скейт со временем остается на месте, а движущийся продолжает ехать в том же направлении. Этот наблюдение наглядно демонстрирует принцип инерции: объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в покое, объект в движении имеет тенденцию движение продолжать. Если же что-то толкнет скейт, то он изменит свою скорость, ее направление или оба эти параметра.

Почему неподвижный скейт остается неподвижным?
Неподвижный объект стремится оставаться неподвижным. Чтобы проверить это проведем несколько экспериментов.

Выполним классический фокус - вытянем скатерть из-под предметов на столе так, чтобы при этом те остались на месте. По-настоящему это просто демонстрация принципа инерции. Если взять скатерть из очень скользкого шелка и быстро ее вытягивать, то внешнее воздействие мало, и тела, стремящиеся оставаться в покое, практически не двигаются.

Почему скользящий скейтбордист продолжает движение?
Двигающийся объект стремится сохранить характер своего движения. Подтвердим это утверждение экспериментально.

Возьмем банан и острый нож, бросим банан на лезвие ножа, банан стремится сохранить свое движение, поэтому разрезается ножом.

Заметим, что неподвижное состояние - просто движение с нулевой скоростью, тогда мы можем объединить наши тезисы и получить первый закон Ньютона: "Тело, на которое не влияют внешние силы, движется по прямой и преодолевает равные расстояния за равные промежутки времени".

Как описать свободное движение скейтера?
Ответ на этот вопрос: "с постоянной скоростью", но для этого нужно ввести несколько физических понятий: положение, скорость, сила.

Положение определятся тремя характеристиками: точка отсчета, расстояние от описываемой точки до точки отсчета, направление от точки отсчета до описываемой точки. Если не знать хотя бы один из этих 3ех параметров, то вы не сможете определить положение изучаемой точки.
Физические величины делятся на скалярные (характеризуют количество чего-либо) и векторные (имеет не только модуль, но и направление).

Скорость - векторная величина. Ее модуль - темп, в котором двигается объект, а направление - направление движения объекта. Чтобы получить полную информация о скорости тела нужно знать и ее модуль, и ее направление.

Сила - тоже векторная величина, которая характеризует взаимодействие между телами. Если давить на предмет, то модуль силы действия руки на объект показывает, насколько сильно вы давите на объект, а направление совпадает с направлением усилий.

Познакомившись с этими понятиями, мы можем переформулировать первый закон Ньютона, перейдя от "воздействия" к физической величине: "силе". Тело, на которое не действуют силы, движется с постоянной скоростью. Избежать действия всех сил невозможно, но некоторые можно скомпенсировать, например с двух противоположных сторон давить на скейт с одинаковой по величине силой.

Как объекту начинать движение, останавливаться или поворачивать
Ответ в том, что тело двигается с ускорением, если на него действуют силы. Введем физическое понятие: ускорение. Ускорение - тоже векторная величина, она характеризует изменение скорости за какой-то промежуток времени. Если на объект не действуют никакие силы, то он двигается с постоянной скоростью - она имеет постоянный модуль и направление, в таком случае его ускорение равно нулю.

Рассмотрим пример. Человек стоит - силы, которые действуют на него, компенсируют друг друга, его ускорение равно нулю, скорость постоянна и равна нулю.
Человек начинает идти - его скорость стала не равной нулю, значит, он двигался с ненулевым ускорением, на него действовали нескомпенсированные силы. Если считать, что человек все время от начала движения до данного момента двигался равноускоренно, то есть с постоянным по модулю и направлению ускорением, то направление ускорения совпадает с направлением конечной скорости.
Наоборот, если человек шел, но в какой-то момент остановился, считая его движение равноускоренным, ускорение направлено против скорости. Такое, направленное против скорости ускорение, называют замедлением.

Мы рассмотрели только случай, когда вектора скорости и ускорения коллинеарны (лежат на одной прямой), в таком случае направление скорости может только остаться прежним или поменяться на противоположное. Если такое условие не соблюдается - меняется направление скорости.
Рассмотрим частный случай - движение по окружности, в таком случае вектор ускорения перпендикулярен вектору скорости - модуль вектора скорости не меняется, а его направление поворачивается с постоянной угловой скоростью.

Для определения ускорения нужно провести не менее 3ех измерений. Например, определяем координаты тела 3 раза с промежутком в 1 секунду, тогда мы можем определить скорость на первом промежутке и на втором. Только зная эти две скорости, мы определяем ускорение, как их разность, деленную на 1 секунду.

Рассмотрим такой объект, что на него действует несколько сил, можно сложить все их векторы и получить вектор результирующей силы. Направление вектора ускорения тела совпадает с направлением вектора результирующей силы, а отношение модуля вектора силы и модуля вектора ускорения характеризует инерционные свойства тела и называется массой. В несколько другом виде это соотношение называется 2ым законом Ньютона.

Зачем человеку лед или колеса, чтобы скользить
Ответ прост: лед или колеса помогают уменьшить влияние трения. Вообще, в реальном мире сложно проиллюстрировать первый закон Ньютона, так как на тела в любом случае действуют разные силы. В первую очередь сила гравитационного притяжения, речь о которой пойдет в следующей лекции. 

Объект, движущийся по горизонтальной поверхности, например, книга на столе, не имеет ускорения в вертикальном направлении, значит действие гравитации скомпенсировано действием поверхности на объект, но это не объясняет необходимость во льде или колесах.

Движение книги, как и любого объекта, описывается первым и вторым законом Ньютона. Если действовать на книгу с какой-то силой, то ее ускорение в вертикальном направлении останется нулевым, а в горизонтальном может стать ненулевым, но будет описываться вторым законом Ньютона, только если мы учтем действие силы трения на книгу. Если подействовать на книгу, а затем перестать, то она сначала получит скорость благодаря вам, а потом остановится из-за трения. Использую лед или колеса, мы практически полностью избавляемся от трения, которое старается замедлить двигающийся объект.

Что было наиболее интересно на этой неделе

Интересен подход, с которыми авторы курса рассматривают обычные, на первый вид, вещи. Это напоминает ребенка, который спрашивает у взрослого, поехав с ним на работу - а почему? И взрослый, который уже 5 лет ездит по одному и тому же маршруту на работу, вдруг задается вопросом: "А действительно, почему?". Почему дерево никто не спилит возле его офиса, почему тетя пьет пиво, почему окно выкрашено одно в зеленое, а другое в белое? Почему?

Что было легко - в целом легко то, как курс преподается. Тяжело было иногда сочетание с физикой, которую я не очень понимаю.

 Конспект подготовлен для Академии Голоса @academy.