Изучая физику в 7 классе, вы узнали о механическом движении, ознакомились с простейшей его разновидностью — равномерным прямолинейным движением. Раздел механики, который изучает движение тел и при этом не рассматривает причины, которыми это движение вызвано, называют кинематикой (от греч. «кинематос» — движение). Мы продолжим изучать кинематику, и сегодня вы узнаете о равноускоренном прямолинейном движении и физических величинах, его характеризующих.
повторяем основные понятия кинематики
Механическое движение — это изменение со временем положения тела в пространстве относительно других тел.
Рассмотрите рис. 28.1. Относительно каких тел движутся тела? Относительно каких тел они находятся в состоянии покоя? Почему механическое движение называют относительным?
Описывая механическое движение тела, мы, как правило, не рассматривали движение отдельных точек тела, а обращались к его физической модели — материальной точке. И далее, решая задачи на механическое движение тела, будем считать тело материальной точкой.
Материальная точка — это физическая модель тела, размерами которого в условиях задачи можно пренебречь.
В каком случае тела на рис. 28.1 можно считать материальными точками? В зависимости от формы траектории различают криволинейное и прямолинейное движения. Длина траектории равна пути, который преодолело тело. Путь l — это скалярная физическая величина. А вот перемещение s — направленный отрезок прямой, соединяющий начальное и конечное положения тела, — это векторная физическая величина (рис. 28.2).
Механическое движение называют равномерным прямолинейным, если тело за любые равные интервалы времени осуществляет одинаковые перемещения. Скорость v такого движения не изменяется ни по значению, ни по направлению; направление вектора скорости совпадает с направлением перемещения
Даём определение ускорения
Проведем простой опыт с длинным желобом и шариком. Приподняв один край желоба, положим на него шарик и отпустим. Шарик начнет скатываться (рис. 28.3, а). Видим: чем дальше будет шарик от верхнего края желоба, тем большее расстояние он будет преодолевать за 1 с. Это означает, что скорость движения шарика со временем увеличивается.
Повторим опыт, увеличив угол наклона желоба (рис. 28.3, б), — в этом случае скорость движения шарика будет увеличиваться еще быстрее. Говорят, что шарик движется с большим ускорением.
Ускорение — это векторная физическая величина, которая характеризует скорость изменения скорости движения тела и равна отношению изменения скорости движения тела к интервалу времени, за который это изменение произошло:
где а — ускорение движения тела; v 0 — начальная скорость (скорость движения тела в момент начала отсчета времени); V — скорость движения тела через интервал времени t.
Чтобы избежать сложных математических действий с векторами, будем пользоваться данной формулой, записанной в проекциях на ось координат (например, на ось OX):
Единица ускорения в СИ — метр на секунду в квадрате:
Рис. 28.2. Перемещение показывает, в каком направлении и на какое расстояние переместилось тело за некоторый интервал времени
Рис. 28.3. Положение шарика, скатывающегося по желобу, через 1 с, 2 с и 3 с после начала движения
Повторяем математику
Если направление вектора совпадает с направлением оси координат, то проекция вектора на эту ось равна модулю вектора.
Если направление вектора противоположно направлению оси координат, то проекция вектора на эту ось равна модулю вектора, взятому со знаком «-».
Для случая, представленного на рисунке: a x =-a; v x = v.
Рис. 28.5. Идя в школу, вы то быстрее, то медленнее увеличиваете скорость своего движения, иногда замедляете скорость, а какие-то интервалы времени движетесь с неизменной скоростью
Рис. 28.6. График зависимости a x (ί) для равноускоренного прямолинейного движения
Направление ускорения совпадает с направлением равнодействующей сил, которые действуют на тело.
Если ускорение направлено в сторону движения тела (ТТ v), скорость движения тела увеличивается (равнодействующая «подталкивает» и разгоняет тело).
Если ускорение направлено противоположно движению тела (Т1 и), скорость движения тела уменьшается (равнодействующая «мешает» движению и замедляет его).
Если a = 0, то силы, действующие на тело, скомпенсированы и тело движется равномерно прямолинейно или находится в состоянии покоя.
Для каждого случая (рис. 28.4) определите, увеличивается или уменьшается скорость движения тела в данный момент времени. Приведите примеры таких движений.
Узнаём, какое движение называют равноускоренным прямолинейным
Если тело движется неравномерно, его скорость непрерывно изменяется, причем обычно за равные интервалы времени скорость движения тела изменяется неодинаково (рис. 28.5).
В этом учебном году вы рассмотрите простейший вид ускоренного движения — равноускоренное прямолинейное движение и узнаете, что такое движение бывает, когда равнодействующая сил, приложенных к телу, неизменна.
Равноускоренное прямолинейное движение — это движение, при котором скорость движения тела за любые равные интервалы времени изменяется одинаково.
Иначе говоря, равноускоренное прямолинейное движение — это движение, при котором тело движется по прямолинейной траектории с неизменным ускорением. Во время такого движения ускорение тела не изменяется со временем, поэтому график зависимости a x (ί) представляет собой отрезок прямой, параллельной оси времени (рис. 28.6).
Определяем скорость равноускоренного прямолинейного движения
Если тело движется равноускоренно, скорость его движения все время изменяется. Поэтому далее, говоря о скорости равноускоренного движения тела, мы будем иметь в виду его мгновенную скорость.
Мгновенная скорость — это скорость движения тела в данный момент времени, скорость движения в данной точке траектории.
Для вычисления скорости равноускоренного прямолинейного движения тела воспользуемся определением ускорения.
Будем использовать эту формулу, записанную в проекциях на ось OX, которую направим вдоль траектории движения тела:
Если задано уравнение проекции скорости движения тела, то заданы и начальная скорость (v 0 , и ускорение (а) движения тела.
Например, уравнение проекции скорости имеет вид: v x = 20 - 3t. Это означает, что v 0 x = 20 м/с (начальная скорость равна 20 м/с, а ее направление совпадает с направлением оси OX); а х = -3 м/с 2 (ускорение равно 3 м/с 2 , а знак «-» показывает, что направление ускорения противоположно направлению оси OX).
Определите начальную скорость и ускорение движения тела, если уравнение проекции скорости имеет вид: v x = -10 + 2t.
Зависимость v x = v 0x + a x t линейна, поэтому график проекции скорости — график зависимости v x (t) — это отрезок прямой, наклоненной под некоторым углом к оси времени (рис. 28.7). В момент t = 0 скорость движения тела равна его начальной скорости
(v x = v 0 x , то есть график v x (t начинается на
оси ординат в точке с координатами (; v 0 x).
Если проекция ускорения положительна (x > 0 , то график скорости поднимается (график 1 на рис. 28.7). Если проекция ускорения отрицательна (x < 0 , то график скорости опускается (график 2 на рис. 28.7).
Обратите внимание: точка B графика 2 на рис. 28.7 — это точка разворота.
Учимся решать задачи
Задача 1. Автомобиль, движущийся со скоростью 90 км/ч, останавливается перед светофором. Определите время торможения автомобиля, считая его движение равноускоренным прямолинейным с ускорением 5 м/с 2 .
Анализ физической проблемы. Автомобиль останавливается, значит, его конечная скорость равна нулю (v = 0, а направление вектора ускорения противоположно направлению скорости движения.
Выполним пояснительный рисунок, на котором укажем ось координат (ее направление пусть совпадает с направлением движения), направление начальной скорости и направление ускорения движения автомобиля.
Задача 2. Тело двигалось прямолинейно вдоль оси OX. По графику зависимости v x (ί) (рис. 28.8): 1) опишите характер движения тела; 2) запишите уравнение проекции скорости движения тела; 3) постройте график зависимости проекции ускорения движения тела от времени.
Анализ физической проблемы, решение
1. График v x (ί) — прямая, значит, движение тела равноускоренное.
Первые 4 с тело двигалось в направлении, противоположном направлению оси OX(проекция скорости отрицательна), скорость его движения уменьшалась. В момент ί= 4 тело остановилось, а затем начало движение в обратном направлении (знак проекции скорости сменился на противоположный). Следующие 3 с тело двигалось в направлении оси OX, скорость его движения увеличивалась.
2. Запишем уравнение проекции скорости движения в общем виде:
Конкретизируем это уравнение:
а) по графику найдем проекцию начальной скорости: v 0 x = -8 м/с;
б) выберем на графике произвольную точку, например точку, которой соответствуют ί= 4с и v x = 0, и найдем проекцию ускорения:
в) полученные значения подставим в уравнение проекции скорости движения: v x = -8 + 2ί.
3. Ускорение тела неизменно (a x = 2 м/с 2), поэтому график a x ((— прямая, параллельная оси времени и расположенная выше этой оси (рис. 28.9).
Подводим итоги
Равноускоренное прямолинейное движение — это такое движение, при котором скорость движения тела за любые равные интервалы времени изменяется одинаково.
Ускорение a — это векторная физическая величина, которая характеризует скорость изменения скорости движения тела и равна отношению изменения скорости движения к интервалу времени, за который это изменение произошло:
Контрольные вопросы
1. Какое движение называют равноускоренным прямолинейным? 2. Дайте определение ускорения. 3. Какова единица ускорения в СИ? 4. Какой вид имеет график зависимости a x ((для равноускоренного прямолинейного движения? 5. Запишите уравнение зависимости v x ((для равноускоренного прямолинейного движения. Какой вид имеет график этой зависимости? 6. Как движется тело, если направление его ускорения: а) совпадает с направлением скорости движения? б) противоположно направлению скорости движения? Как движется тело, если его ускорение равно нулю?
Упражнение № 28
1. Может ли тело двигаться с большой скоростью, но с малым ускорением?
2. С каким ускорением двигался тронувшийся с места автомобиль, если через 10 с после начала движения его скорость была равна 15 м/с?
3. Шарик толкнули вверх по наклонной плоскости, придав скорость 2 м/с. Определите скорость движения шарика через 0,5 с; через 1 с; через 1,5 с после начала движения, если ускорение движения шарика 2 м/с 2 . Объясните полученные результаты.
4. При прямолинейном движении с неизменным ускорением 0,2 м/с 2 велосипедист достиг скорости 5 м/с за 25 с. Какой была начальная скорость движения велосипедиста?
5. Вычислите, сколько времени требуется автобусу для изменения скорости движения от 54 км/ч до 5 м/с, если его ускорение неизменно и равно 0,5 м/с 2 .
6. Даны уравнения проекции скорости движения для трех тел, движущихся вдоль оси OX: а) v x = 2 +1; б) v x = -20 + 5t;
в) v x = 10 - 3t. Все величины представлены в единицах СИ. Для каждого тела определите: 1) как двигалось тело; 2) каковы начальная скорость и ускорение движения тела; 3) если тело остановится, то через какое время.
7. На рис. 1 представлены графики зависимости a x (t) для двух тел. Для каждого тела запишите уравнение и постройте график зависимости v x ((, если v 01 x = - 4 м/с, v 02 x = 8 м/с.
8. На рис. 2 представлены графики зависимости v x ()для четырех тел. Для каждого тела запишите уравнение проекции скорости движения, постройте график зависимости a x (t).
9. Тело двигалось равноускоренно длительное время. На рис. 3 представлен график зависимости v x (t) для этого тела начиная с некоторого момента времени. Выясните время, когда тело изменило направление скорости своего движения.
10. По рис. 3 определите путь, пройденный телом за первые 4 с наблюдения.
Это материал учебника
При прямолинейном равноускоренном движении тело
- двигается вдоль условной прямой линии,
- его скорость постепенно увеличивается или уменьшается,
- за равные промежутки времени скорость меняется на равную величину.
Например, автомобиль из состояния покоя начинает двигаться по прямой дороге, и до скорости, скажем, в 72 км/ч он двигается равноускоренно. Когда заданная скорость достигнута, то авто движется без изменения скорости, т. е. равномерно. При равноускоренном движении его скорость возрастала от 0 до 72 км/ч. И пусть за каждую секунду движения скорость увеличивалась на 3,6 км/ч. Тогда время равноускоренного движения авто будет равно 20 секундам. Поскольку ускорение в СИ измеряется в метрах на секунду в квадрате, то надо ускорение 3,6 км/ч за секунду перевести в соответствующие единицы измерения. Оно будет равно (3,6 * 1000 м) / (3600 с * 1 с) = 1 м/с 2 .
Допустим, через какое-то время езды с постоянной скоростью автомобиль начал тормозить, чтобы остановиться. Движение при торможении тоже было равноускоренным (за равные промежутки времени скорость уменьшалась на одинаковую величину). В данном случае вектор ускорения будет противоположен вектору скорости. Можно сказать, что ускорение отрицательно.
Итак, если начальная скорость тела нулевая, то его скорость через время в t секунд будет равно произведению ускорения на это время:
При падении тела «работает» ускорение свободного падения, и скорость тела у самой поверхности земли будет определяться по формуле:
Если известна текущая скорость тела и время, которое понадобилось, чтобы развить такую скорость из состояния покоя, то можно определить ускорение (т. е. как быстро менялась скорость), разделив скорость на время:
Однако тело могло начать равноускоренное движение не из состояния покоя, а уже обладая какой-то скоростью (или ему придали начальную скорость). Допустим, вы бросаете камень с башни вертикально вниз с приложением силы. На такое тело действует ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с 2 . Однако ваша сила придала камню еще скорости. Таким образом, конечная скорость (в момент касания земли) будет складываться из скорости, развившийся в результате ускорения и начальной скорости. Таким образом, конечная скорость будет находиться по формуле:
Однако, если камень бросали вверх. То начальная его скорость направлена вверх, а ускорение свободного падения вниз. То есть вектора скоростей направлены в противоположные стороны. В этом случае (а также при торможении) произведение ускорения на время надо вычитать из начальной скорости:
Получим из этих формул формулы ускорения. В случае ускорения:
at = v – v 0
a = (v – v 0)/t
В случае торможения:
at = v 0 – v
a = (v 0 – v)/t
В случае, когда тело равноускоренно останавливается, то в момент остановки его скорость равна 0. Тогда формула сокращается до такого вида:
Зная начальную скорость тела и ускорение торможения, определяется время, через которое тело остановится:
Теперь выведем формулы для пути, которое тело проходит при прямолинейном равноускоренном движении . Графиком зависимость скорости от времени при прямолинейном равномерном движении является отрезок, параллельный оси времени (обычно берется ось x). Путь при этом вычисляется как площадь прямоугольника под отрезком. То есть умножением скорости на время (s = vt). При прямолинейном равноускоренном движении графиком является прямая, но не параллельная оси времени. Эта прямая либо возрастает в случае ускорения, либо убывает в случае торможения. Однако путь также определяется как площадь фигуры под графиком.
При прямолинейном равноускоренном движении эта фигура представляет собой трапецию. Ее основаниями являются отрезок на оси y (скорость) и отрезок, соединяющий точку конца графика с ее проекцией на ось x. Боковыми сторонами являются сам график зависимости скорости от времени и его проекция на ось x (ось времени). Проекция на ось x - это не только боковая сторона, но еще и высота трапеции, т. к. перпендикулярна его основаниям.
Как известно, площадь трапеции равна полусумме оснований на высоту. Длина первого основания равна начальной скорости (v 0), длина второго основания равна конечной скорости (v), высота равна времени. Таким образом получаем:
s = ½ * (v 0 + v) * t
Выше была дана формула зависимости конечной скорости от начальной и ускорения (v = v 0 + at). Поэтому в формуле пути мы можем заменить v:
s = ½ * (v 0 + v 0 + at) * t = ½ * (2v 0 + at) * t = ½ * t * 2v 0 + ½ * t * at = v 0 t + 1/2at 2
Итак, пройденный путь определяется по формуле:
s = v 0 t + at 2 /2
(К данной формуле можно прийти, рассматривая не площадь трапеции, а суммируя площади прямоугольника и прямоугольного треугольника, на которые разбивается трапеция.)
Если тело начало двигаться равноускоренно из состояния покоя (v 0 = 0), то формула пути упрощается до s = at 2 /2.
Если вектор ускорения был противоположен скорости, то произведение at 2 /2 надо вычитать. Понятно, что при этом разность v 0 t и at 2 /2 не должна стать отрицательной. Когда она станет равной нулю, тело остановится. Будет найден путь торможения. Выше была приведена формула времени до полной остановки (t = v 0 /a). Если подставить в формулу пути значение t, то путь торможения приводится к такой формуле.
Если мгновенная скорость движущегося тела растет, то движение называют ускоренным, если мгновенная скорость уменьшается, то движение называют замедленным.
Скорость в различных неравномерных движениях изменяется по разному. Например, товарный поезд, отходя от станции, движется ускоренно; на перегоне - то ускоренно, то равномерно, то замедленно; подходя к станции, он движется замедленно. Пассажирский поезд также движется неравномерно, но его скорость изменяется быстрее, чем у товарного поезда. Скорость пули в канале ствола винтовки возрастает от нуля до сотен метров в секунду за несколько тысячных долей секунды; при попадании в препятствие скорость пули уменьшается до нуля также очень быстро. При взлете ракеты ее скорость растет сначала медленно, а потом все быстрее.
Среди разнообразных ускоренных движений встречаются движения, в которых мгновенная скорость за любые равные промежутки времени увеличивается на одну и ту же величину. Такие движения называют равноускоренными. Шарик, начинающий скатываться по наклонной плоскости или начинающий свободно падать на Землю, движется равноускоренно. Заметим, что равноускоренный характер этого движения нарушается трением и сопротивлением воздуха, которые пока учитывать не будем.
Чем больше угол наклона плоскости, тем быстрее растет скорость скатывающегося по ней шарика. Еще быстрее растет скорость свободно падающего шарика (примерно на 10 м/с за каждую секунду). Для равноускоренного движения можно количественно охарактеризовать изменение скорости с течением времени, вводя новую физическую величину - ускорение.
В случае равноускоренного движения ускорением называют отношение приращения скорости к промежутку времени, за который это приращение произошло:
Ускорение будем обозначать буквой . Сравнивая с соответственным выражением из § 9, можно сказать, что ускорение есть скорость изменения скорости.
Пусть в момент времени скорость была , а в момент она стала равной , так что за время приращение скорости составляет . Значит, ускорение
(16.1)
Из определения равноускоренного движения следует, что эта формула даст одно и то же ускорение, какой бы промежуток времени ни выбрать. Отсюда видно также, что при равноускоренном движении ускорение численно равно приращению скорости за единицу времени. В СИ единица ускорения есть метр на секунду в квадрате (м/с2), т. е. метр в секунду за секунду.
Если путь и время измерены в других единицах, то и для ускорения надо принимать соответственные единицы измерения. В каких бы единицах ни выражать путь и время, в обозначении единицы ускорения в числителе стоит единица длины, а в знаменателе - квадрат единицы времени. Правило перехода к другим единицам длины и времени для ускорения аналогично правилу для скоростей (§11). Например,
1 см/с^2=36 м/мин^2.
Если движение не является равноускоренным, то можно ввести, пользуясь той же формулой (16.1), понятие среднего ускорения. Оно охарактеризует изменение скорости за определенный промежуток времени на пройденном за этот промежуток времени участке пути. На отдельных же отрезках этого участка среднее ускорение может иметь разные значения (ср. со сказанным в § 14).
Если выбирать такие малые промежутки времени, что в пределах каждого из них среднее ускорение остается практически неизменным, то оно будет характеризовать изменение скорости на любой части этого промежутка. Найденное таким образом ускорение называют мгновенным ускорением (обычно слово «мгновенное» опускают, ср. § 15). При равноускоренном движении мгновенное ускорение постоянно и равно среднему ускорению за любой промежуток времени.
Механика
Формулы кинематики:
Кинематика
Механическое движение
Механическим движением называется изменение положения тела (в пространстве) относительно других тел (с течением времени).
Относительность движения. Система отсчета
Чтобы описать механическое движение тела (точки), нужно знать его координаты в любой момент времени. Для определения координат следует выбрать тело отсчета и связать с ним систему координат . Часто телом отсчета служит Земля, с которой связывается прямоугольная декартова система координат. Для определения положения точки в любой момент времени необходимо также задать начало отсчета времени.
Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для измерения времени образуют систему отсчета , относительно которой рассматривается движение тела.
Материальная точка
Тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, называют материальной точкой .
Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстояниями от него до других тел.
Траектория, путь, перемещение
Траекторией движения называется линия, вдоль которой движется тело. Длина траектории называется пройденным путем . Путь – скалярная физическая величина, может быть только положительным.
Перемещением называется вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории.
Движение тела, при котором все его точки в данный момент времени движутся одинаково, называется поступательным движением . Для описания поступательного движения тела достаточно выбрать одну точку и описать ее движение.
Движение, при котором траектории всех точек тела являются окружностями с центрами на одной прямой и все плоскости окружностей перпендикулярны этой прямой, называется вращательным движением.
Метр и секунда
Чтобы определить координаты тела, необходимо уметь измерять расстояние на прямой между двумя точками. Любой процесс измерения физической величины заключается в сравнении измеряемой величины с единицей измерения этой величины.
Единицей измерения длины в Международной системе единиц (СИ) является метр . Метр равен примерно 1/40 000 000 части земного меридиана. По современному представлению метр – это расстояние, которое свет проходит в пустоте за 1/299 792 458 долю секунды.
Для измерения времени выбирается какой-нибудь периодически повторяющийся процесс. Единицей измерения времени в СИ принята секунда . Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения атома цезия при переходе между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния.
В СИ длина и время приняты за независимые от других величины. Подобные величины называются основными .
Мгновенная скорость
Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.
Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времени t называется отношение очень малого перемещения Ds к малому промежутку времени Dt, за который произошло это перемещение:
Мгновенная скорость – векторная величина. Мгновенная скорость перемещения всегда направлена по касательной к траектории в сторону движения тела.
Единицей скорости является 1 м/с. Метр в секунду равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой точка за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.
Ускорение
Ускорением называется векторная физическая величина, равная отношению очень малого изменения вектора скорости к малому промежутку времени, за которое произошло это изменение, т.е. это мера быстроты изменения скорости:
Метр в секунду за секунду – это такое ускорение, при котором скорость тела, движущегося прямолинейно и равноускоренно, за время 1 с изменяется на 1 м/с.
Направление вектора ускорения совпадает с направлением вектора изменения скорости () при очень малых значениях промежутка времени, за который происходит изменение скорости.
Если тело движется по прямой и его скорость возрастает, то направление вектора ускорения совпадает с направлением вектора скорости; при убывании скорости – противоположно направлению вектора скорости.
При движении по криволинейной траектории направление вектора скорости изменяется в процессе движения, вектор ускорения при этом может оказаться направлен под любым углом к вектору скорости.
Равномерное, равноускоренное прямолинейное движение
Движение с постоянной скоростью называется равномерным прямолинейным движением . При равномерном прямолинейном движении тело движется по прямой и за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути.
Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называют неравномерным движением . При таком движении скорость тела изменяется с течением времени.
Равнопеременным называется такое движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется на одинаковую величину, т.е. движение с постоянным ускорением.
Равноускоренным называется равнопеременное движение, при котором величина скорости возрастает. Равнозамедленным – равнопеременное движение, при котором величина скорости уменьшается.
При постоянном ускорении скорость физического тела равномерно возрастает, начиная с нуля.
Расстояние, пройденное равноускоренным телом, начиная с нулевой скорости, пропорционально квадрату времени.
Галилео Галилей относится к числу людей, прославившихся совсем не тем, за что им следовало бы пользоваться заслуженной славой. Все помнят, как этого итальянского естествоиспытателя в конце жизни подвергли суду инквизиции по подозрению в ереси и заставили отречься от убеждения, что Земля вращается вокруг Солнца. На самом же деле, этот судебный процесс на развитие науки практически не повлиял — в отличие от ранее проделанных Галилеем опытов и сделанных им на основании этих опытов выводов, которые фактически предопределили дальнейшее развитие механики как раздела физической науки.
Движение физических тел изучалось с незапамятных времен, и основы кинематики были заложены задолго до рождения Галилея. Элементарные задачи описания движения сегодня изучают уже в начальной школе. Например, все знают, что если автомобиль равномерно движется со скоростью 20 км/ч, то за 1 час он проедет 20 км, за 2 часа — 40 км, за 3 часа — 60 км и т. д. И до тех пор, пока машина движется с постоянной скоростью (стрелка спидометра не отклоняется от заданного деления на его шкале), рассчитать пройденное расстояние труда не составляет — достаточно умножить скорость машины на время, которое она находится в пути. Этот факт известен настолько давно, что имя его первооткрывателя наглухо затерялось в тумане античных времен.
Сложности возникают, как только объект начинает двигаться с переменной скоростью. Трогаетесь вы, к примеру, от светофора — и стрелка спидометра ползет от нуля вверх, пока вы не отпустите педаль газа и не нажмете педаль тормоза. На самом деле стрелка спидометра на месте практически не стоит — она всё время движется вверх или вниз. В начале каждой отдельно взятой секунды реальная скорость машины одна, а в конце секунды — уже другая, и пройденный ею за секунду путь точно рассчитать не так-то просто. Эта проблема — описание движения с ускорением — волновала естествоиспытателей задолго до Галилея.
Сам же Галилео Галилей подошел к ней новаторски и, фактически, задал направление всего дальнейшего развития современной методологии естествознания. Вместо того чтобы сидеть и умозрительно решать вопрос о движении ускоряющихся тел, он придумал гениальные по своей простоте опыты, позволяющие экспериментально проследить, что в действительности происходит с ускоряющимися телами. Нам может показаться, что ничего особенно новаторского в таком подходе нет, однако до Галилея основным методом решения проблем «натурфилософии» — о чем говорит само название тогдашней естественной науки — было умозрительное осмысление происходящего, а не его экспериментальная проверка. Сама идея проведения физических экспериментов была в то время по-настоящему радикальной. Чтобы понять идею опытов Галилея, представьте себе тело, падающее под воздействием силы земного притяжения. Выпустите какой-нибудь предмет из рук — и он упадет на пол; при этом в первое мгновение скорость его движения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю. Если мы сможем описать падение предмета на землю, мы затем сможем распространить это описание и на общий случай равноускоренного движения.
Сегодня измерить динамику падения предмета не сложно — можно с большой точностью зафиксировать время от начала падения до любой промежуточной точки. Однако во времена Галилея точных секундомеров не было, да и любые механические часы по современным стандартам были весьма примитивны и неточны. Поэтому ученый первым делом разработал экспериментальный аппарат, позволяющий обойти эту проблему. Во-первых, он «разбавил» силу тяжести, замедлив время падения до разумных, с точки зрения имеющихся инструментов измерения, пределов, а именно — заставил тела скатываться по наклонной плоскости, а не просто падать отвесно. Затем он придумал, как обойти неточность современных ему механических часов, натянув на пути скатывающегося по наклонной поверхности шара ряд струн, чтобы он задевал их по дороге и можно было хронометрировать его движение по извлекаемым звукам. Раз за разом спуская шар по наклонной под рядом струн, Галилей перемещал струны, пока не добился, чтобы шар на всем своем пути, задевая натянутые струны, извлекал звуки через равные промежутки времени.
В конце концов Галилею удалось накопить достаточный объем экспериментальной информации о равноускоренном движении. Тело, стартующее из состояния покоя, далее движется так, как это описано в самом начале данной статьи. В переводе на язык математических символов равноускоренное движение описывается следующими уравнениями:
где a — ускорение, v — скорость, d — расстояние, пройденное телом за время t. Чтобы прочувствовать смысл этих уравнений, достаточно пристально пронаблюдать за падением предметов. Скорость падения зримо возрастает со временем, прошедшим с начала падения. Это следует из первого уравнения. Очевидно и то, что в процессе падения на прохождение первой части пути у тела уходит больше времени, чем на оставшуюся часть пути. Именно это и описывает вторая формула, поскольку из неё следует, что чем дольше тело ускоряется, тем больший отрезок пути оно преодолевает за одно и то же время.
Галилей сделал и еще одно важное наблюдение о теле, находящемся в состоянии свободного падения под воздействием силы гравитационного притяжения, хотя и не смог подтвердить его непосредственными измерениями. Экстраполировав результаты, полученные им при наблюдении скатывающихся по наклонной плоскости предметов, он сумел определить ускорение свободного падения тела на поверхность Земли. Ускорение свободного падения принято обозначать g, и оно равняется (приблизительно):
g = 9,8 м/с 2 (метра в секунду за секунду)
То есть, если уронить предмет из состояния покоя, за каждую секунду падения его скорость будет возрастать на 9,8 метра в секунду. На исходе первой секунды падения тело будет двигаться со скоростью 9,8 м/с, на исходе второй — со скоростью 2 × 9,8 = 18,6 м/с и так далее. Величина g определяет коэффициент ускорения падения тела, находящегося в непосредственной близости от земной поверхности, в связи с чем g принято называть ускорением свободного падения , или гравитационным ускорением .
Здесь следует сделать два важных замечания относительно полученных Галилеем результатов. Во-первых, ученый получил чисто экспериментальное значение величины g , ни на каких теоретических прогнозах не основывающееся. Значительно позже Исаак Ньютон в своих знаменитых работах показал, что величину g можно рассчитать теоретически, исходя из сочетания сформулированных им законов механики Ньютона и закона всемирного тяготения Ньютона . Именно первопроходческий труд Галилея и проложил дорогу последующим триумфальным открытиям Ньютона и формированию классической механики в её общеизвестном виде.
Второй важнейший момент состоит в том, что ускорение свободного падения не зависит от массы падающего тела. По сути, сила притяжения пропорциональна массе тела, но это полностью компенсируется большей инерцией, присущей более массивному телу (его нежеланию двигаться, если хотите), а посему (если не учитывать сопротивление воздуха) все тела падают с одинаковым ускорением. Это практическое заключение вступало в полное противоречие с умозрительными предсказаниями древних и средневековых натурфилософов, которые были уверены, что всякой вещи свойственно стремиться к центру мироздания (коим им, естественно, представлялся центр Земли) и что чем массивнее предмет, тем с большей скоростью он к этому центру устремляется.
Свое видение Галилей, конечно же, подкрепил экспериментальными данными, но вот опыта, который ему традиционно приписывают, он, скорее всего, вовсе не проводил. Согласно околонаучному фольклору, он сбрасывал предметы различной массы с «падающей» Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что они достигают поверхности земли одновременно. В этом случае, однако, Галилея ждало бы разочарование, поскольку более тяжелые предметы неизбежно падали бы на землю раньше легких из-за разницы в удельном сопротивлении воздуха. Если бы сбрасываемые с башни предметы были одного размера, сила сопротивления воздуха, тормозящая их падение, была бы одинаковой для всех предметов. При этом из законов Ньютона следует, что более легкие предметы затормаживались бы воздухом интенсивнее тяжелых и падали на землю позднее тяжелых предметов. А это, естественно, противоречило бы предсказанию Галилея.
См. также:
Суд над Галилеем
Суд римско-католической инквизиции над Галилеем - такой же стойкий околонаучный миф, как и яблоко, якобы упавшее на голову Ньютону. И, как обычно и бывает в мифологии, к действительности эта история имеет мало отношения. Если верить этому мифу, Галилей привел суду неопровержимые доказательства правильности взглядов Николая Коперника на устройство Солнечной системы, согласно которым Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, а затем был сломлен Церковью, желавшей подавить эту теорию, и принужден публично отречься от своих взглядов. На самом же деле Коперник, будучи весьма изощренным церковным политиком, представил свою гелиоцентрическую теорию в таком виде, что она вполне удовлетворяла богословские авторитеты того времени (в частности, называя её не иначе, чем «гипотезой»). Теория Коперника широко обсуждалась до Галилея и учеными, и даже самими ватиканскими богословами.
В 1616 году Галилей опубликовал книгу «Звездный вестник» , в которой обобщил телескопические наблюдения и привел сильные доводы в пользу системы Коперника. Причем написана книга была на итальянском, а не на латыни, что сделало ее доступной не только ученым, но и широкому кругу образованных читателей. В ответ на упреки, что книга якобы противоречит церковным канонам, Коллегия кардиналов вызвала Галилея на свое заседание. Далее начинаются неясности, вызванные противоречивостью дошедших до нас свидетельств участников этого заседания. Согласно официальной версии, Галилею было указано на недопустимость дальнейших публичных обсуждений идей Коперника в иной форме, кроме как с указанием на то, что это всего лишь гипотеза, пока не будут представлены неопровержимые доказательства ее правильности. Галилей же стоит на том, что подобного предупреждения не получал.
Как бы то ни было, в 1632 году Галилей опубликовал работу , где привел развернутые аргументы в пользу гелиоцентрической системы Коперника, вложив при этом официальные возражения Папы в уста персонажа по имени Симпличо (по-итальянски «простак». - Прим. переводчика ). Вот тогда-то против Галилея и было впервые выдвинуто обвинение в «подозрении на ересь»; при этом нужно понимать, что в устах инквизиции это обвинение соотносится с обвинением в собственно «ереси», примерно так же, как в современном гражданском судопроизводстве обвинение в непреднамеренном убийстве соотносится с обвинением в предумышленном убийстве при отягчающих обстоятельствах. От подозрения в ереси Галилей себя очистил, публично заявив, что сам не верит в то, что написал, после чего остаток жизни провел всего лишь под домашним арестом у себя во Флоренции. (В 1992 году Римско-католическая церковь официально пересмотрела приговор суда на том основании, что судьи не сумели отделить вопросов веры от научных фактов.)
Так что мы выносим из всей этой истории? По моему личному разумению, она описывает не более чем умышленное раскручивание маховика неповоротливой бюрократической машины человеком, намеренно стремящимся к конфронтации с ней. (Мне, например, представляется, что у Совета кардиналов имелись в то время дела и поважней, чем разбирательство с ученым по поводу абстрактной космологической теории.) Правда тут еще и в том, что доводы Галилея в пользу системы Коперника на поверку вовсе не являются такими уж убедительными. Более того, с точки зрения современной науки можно сказать, что Галилей пришел к верному заключению путем ошибочных рассуждений. Суда над ученым это, естественно, не оправдывает, однако всё действо, в этой связи, предстает в ином - куда менее мифологическом - свете.
Galileo Galilei, 1564-1642
Итальянский ученый. Родился в Пизе. Галилея можно по праву назвать отцом современной экспериментальной науки. Его отец Винченцо Галилей был известным музыкантом и со временем переехал вместе с семьей во Флоренцию. Образование Галилео начал получать в Пизанском университете, где он числился на медицинском факультете, хотя большую часть времени уделял изучению математики. Его увлечение вылилось в то, что Галилей стал заведующим кафедрой математики этого университета.
После смерти отца Галилей переехал в Падую и занял должность профессора математики в местном университете (причина переезда, судя по всему, была прозаичной: в университете Падуи платили лучше, чем в Пизанском). В Падуе и определились три главных темы исследований, которые всю жизнь потом занимали ученого. Во-первых, Галилей начал исследование тел в состоянии свободного падения — работу, которая со временем приведет к настоящему перевороту в механике. Во-вторых, он заинтересовался новыми астрономическими идеями Николая Коперника (см. Принцип Коперника). Наконец, он изобрел инструмент под названием «пропорциональный компас», продажами которого в основном и обеспечивал себя материально (как и большинство изобретений Галилея, пропорциональный компас широко используется и в наши дни).
Зимой 1609-1610 года, используя телескоп собственной конструкции, построенный на новых идеях, зародившихся в умах голландских оптиков того времени, Галилей увлекся наблюдением за небесными телами. Не он первый, должно быть, занялся изучением траекторий планет, но именно он впервые широко опубликовал результаты своих наблюдений и выводы, которые из них следуют. Он наблюдал спутники Юпитера, горы на Луне, кольца Сатурна (хотя и составил неверное представление об их природе), фазы Венеры... Любого из этих открытий хватило бы, чтобы усомниться в древней теории Аристотеля, согласно которой Земля покоится в центре Вселенной, и поддержать новый взгляд на мир, предложенный Коперником. Его книга «Диалог о двух главнейших системах мира» — красноречивая защита Вселенной по Копернику. Именно взгляды Галилея на устройство мира, изложенные в этой книге, послужили основанием для его привлечения к суду по подозрению в ереси.
Уже после суда Галилей написал еще один фундаментальный труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» , где обобщаются его открытия в областях, которые сегодня принято называть материаловедением и кинематикой. Как и во всех других трудах ученого, в этой работе Галилей подчеркивает важность эксперимента как средства проверки теории.