Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 6

Коли яке-небудь тіло рухається відносно іншого (або інших), то з часом його положення у просторі змінюється. Досвід спостереження за рухом тіл показує, що ці зміни різні: у когось – більші, у когось – менші.

Для того щоб описувати рух тіл, щоб мати можливість визначити, де буде знаходитися певне тіло у певний момент часу, фізики застосовують фізичну величину швидкість.

Коли говорять про швидкість якогось тіла, найчастіше вказують, який шлях воно проходить за певний проміжок часу. Наприклад, якщо автомобіль рівномірно рухається і за 1 годину проїжджає 70 кілометрів, ми скажемо, що його швидкість 70 кілометрів за годину (скорочено 70 км/год). А якщо інший автомобіль проїхав 140 км за дві години або 210 км за три години, то його швидкість… теж 70 км/год.

Сподіваємося, ви зрозуміли, чому значення швидкості виявилося тим самим. Дійсно, швидкість – це фізична величина, яка показує, який шлях проходить тіло за одиницю часу. Саме тому, щоб одержати значення швидкості, треба значення шляху поділити на час: 210 км/3 год = 70 км/ год.

У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею швидкості є метр за секунду (м/с), але на практиці досить часто використовують інші одиниці, наприклад, кілометр за годину (км/год). Оскільки 1км = 1000 м, а 1 год = 3600 с, то швидкість 1 км/год = 1000 м/3600 с « 0,28 м/с.

Так само, як і з вимірюванням часу та довжини, з історії вимірювання швидкості збереглися ще й інші, так звані позасистемні одиниці. Наприклад, моряки застосовують таку міру швидкості суден, як вузол, який дорівнює 0,514444 м/с.

Якщо нам відомо, з якою швидкістю (V) прямолінійно рівномірно рухається тіло, можемо розрахувати шлях (S), який воно пройде за певний час (t):

S = v.t

Фізико-математичний «ліричний» відступ: векторні та скалярні величини

Те, про що було сказано вище, стосується руху в одному напрямку з постійною швидкістю. Але ж ми знаємо, що реальні об’єкти можуть рухатися так, що напрямок їх руху змінюватиметься. Для того щоб урахувати і значення, і напрямок, у фізиці застосовують векторні величини. Отже, швидкість руху – це векторна величина! З цього випливає, що, коли якась фізична задача потребує знаходження швидкості, треба знайти не тільки числове значення цієї величини, але й вказати її напрямок.

На відміну від векторних, скалярні величини характеризуються тільки своїм числовим значенням. До скалярних величин належать, наприклад, час, маса, температура, густина та інші. З цими величинами можна виконувати звичайні алгебраїчні дії.

Векторні фізичні величини не можна просто додавати або віднімати, як скалярні; для дії з ними існують особливі математичні правила. І це не вигадка фізиків та математиків, а відображення того, що ми бачимо в природі.

Наприклад, уявіть собі, що ви піднімаєтеся по сходинках ескалатора метро зі швидкістю 1м/с відносно сходинок. Але ви стали не на той ескалатор: він їде вниз зі швидкістю 1,5 м/с! Куди і з якою швидкістю ви рухаєтеся відносно стін?

Мабуть, ви вже здогадалися, що, просто склавши 1м/с та 1,5 м/с, реальний результат ми не отримаємо!

Якщо добре подумати, можна знайти й інші фізичні величини, що є векторними. Наприклад, фізична величина переміщення є векторною величиною; в її визначення, крім значення, входить ще й напрямок.

Хай якесь тіло рухалося по дузі кола і за певний час пройшло шлях І = 5 м. Переміщення тіла за цей час зображають напрямленим відрізком прямої; цей відрізок з’єднує початкову та кінцеву точки руху тіла. Якщо на малюнку зобразити шлях та переміщення тіла, то можна побачити, що вони не збігаються. Числові значення шляху та переміщення будуть різними, а переміщення, крім того, характеризується напрямком.

Цікаво, що можна знайти і такі випадки, коли за певний час тіло пройшло досить значний шлях, а його переміщення виявилося нульовим. Сподіваємося, ви здогадалися, в яких випадках це може бути?

Якщо тіло рухається в одному напрямку вздовж прямої, то числові значення шляху та переміщення збігатимуться. Проте і в такому випадку не можна вважати, що це однакові величини, бо переміщення ще й має напрямок.

Векторні та скалярні величини відрізняються позначеннями: векторні величини мають стрілку над символом величини. Наприклад, швидкість позначається v , а переміщення S.

З урахуванням векторного характеру швидкості та переміщення більш точно та коректно формулу швидкості прямолінійного рівномірного руху треба писати так:

Повернімося до розмови про швидкість.

Різні об’єкти живої та неживої природи рухаються зі швидкостями, значення яких досить сильно різняться.

Приблизні значення деяких швидкостей руху в живій природі та техніці

У техніці значення швидкості руху тіл або 'іх частин різняться ще більше.

Поговорімо трохи про те, як у різних випадках вимірюють швидкість руху.

Швидкість автомобіля визначають за допомогою спідометра (від англійського слова speed – швидкість). Дія цього приладу базується на виникненні електричного струму в суцільному алюмінієвому диску під час обертання перед ним магніту (у фізиці це явище називають електромагнітною індукцією). Магніт починає обертатися завдяки спеціальному валу, що зв’язаний з валом автомобіля. Шкала такого приладу градуйована в одиницях швидкості.

Зрозуміло, що в такий спосіб визначити швидкість літака в повітрі неможливо: немає тих коліс та тих доріг у повітрі, які б дозволяли за принципом автомобільного спідометра визначити швидкість літака. Тому застосовують метод, який пов’язаний з визначенням так званої «повітряної швидкості», тобто швидкості відносно повітря, в якому переміщується літак. Відкриті фізиками закони аеродинаміки дозволяють зіставляти тиск повітря з його швидкістю відносно певного тіла.

Ідея цього методу полягає саме в застосуванні зв’язку між швидкістю літака та тиском з боку зустрічного потоку повітря. За допомогою спеціального приладу для вимірювання тиску – манометра – визначають тиск повітря, але шкала манометра проградуйована вже в одиницях швидкості.

Окрім приладу, який знаходиться безпосередньо на літаку, застосовують ще й інший метод визначення швидкості. Цей метод називається радіолокацією.

За допомогою спеціального потужного радіопередавача випромінюють радіохвилі, які, досягаючи літака, відбиваються від нього. Тепер треба «спіймати» цей відбитий сигнал і, знаючи швидкість його поширення у повітрі, розрахувати швидкість літака.

На метеорологічних станціях швидкість вітру визначають за допомогою спеціального флюгера з вітромірною дошкою. Коли вітру немає, дошка висить вертикально. Що сильніший вітер, то на більший кут відхиляється дошка. За спеціальними покажчиками біля дошки визначають швидкість вітру.

Зрозуміло, що цей спосіб визначення швидкості не дуже точний, тому кращі результати метеорологи отримують за допомогою іншого пристрою – анемометра. Цей прилад містить легку крильчатку («Робінзонів хрест»), яка може обертатися під впливом вітру. Під час обертання крильчатка приводить до дії зубчастий механізм, який підраховує кількість обертів крильчатки за певний час.

На жаль, якщо швидкість вітру менша за 1м/с, точність вимірювання різко знижується. Втім, існують і більш чутливі анемометри, принципи дії яких відрізняються від дії анемометра з робінзоновим хрестом. У цих приладах застосовується вимірювання тиску повітря, Анемометр охолодження повітрям дроту, який нагрівався електричним струмом, та інші.

У 1806 р. англійський адмірал Ф. Бофорт розробив шкалу, за допомогою якої можна оцінювати швидкість вітру за його дією на наземні предмети або за хвилюванням у відкритому морі. Ця дванадцятибальна шкала прийнята Всесвітньою метеорологічною організацією (див. таблицю на стор. 45).

Сподіваємося, що шторми та урагани ми з вами бачимо тільки в кіно, а не наяву.

Для порівняння цікаво подивитися й на значення швидкості падіння парашутистів з відповідної висоти. Тут мається на увазі так звана стала (максимальна) швидкість падіння до моменту розкриття парашута.

Досить часто швидкість руху тіл не залишається незмінною – такий рух називають нерівномірним. Для того щоб характеризувати зміну швидкості за певний час, фізики використовують спеціальну фізичну величину – прискорення.

Можна записати:

Ця величина теж є векторною; її позначають а . Математично записати визначення прискорення можна так:

Як фізична величина прискорення вимірюється певними одиницями. Якщо подивитися, наприклад, на словесне визначення прискорення, можна побачити, що при зміні швидкості 1м/с за час 1 с прискорення дорівнює «1 м/с за 1 с», тобто 1м/с².

Причини зміни швидкості, або інакше – причини появи прискорення, хвилювали дослідників давно, та відповіді на ці питання були знайдені тільки Ньютоном.