Доклад на тему «Что такое механическое явление»

Введение

Падение яблока, качание маятника в старинных часах, полёт мяча, вращение колеса велосипеда, звук гитарной струны – всё это механические явления. В школьном курсе физики с них начинается знакомство с природой: в 7 классе изучают механическое движение, скорость, силу, давление. Механика – самый древний раздел физики, её законы были сформулированы раньше законов электричества и оптики.

Механическим движением в учебнике физики называют изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени [1]. Механическими явлениями – явления, связанные с движением тел и их взаимодействием: падение, вращение, колебания, распространение звука, деформация. Без механики невозможно было бы построить ни дом, ни мост, ни автомобиль, ни космическую ракету.

Цель доклада – объяснить, что такое механическое явление, и показать примеры механических явлений в природе и технике. Для этого нужно познакомиться с основными понятиями механики, классифицировать механические явления и рассмотреть их примеры в природе и технике вместе с законами, которые их описывают.

В докладе использованы школьный учебник физики для 7 класса, «Элементарный учебник физики» под ред. Г. С. Ландсберга и справочные издания [1; 2; 4]. Основные виды механических явлений с примерами собраны в таблице 1.

Таблица 1 – Виды механических явлений и примеры

Примечание – Составлено автором по [1; 2].

Глава 1. Основные понятия механики

1.1 Основные понятия механики

Главное понятие механики – механическое движение. Слова «относительно других тел» в его определении очень важны. Пассажир, сидящий в вагоне поезда, неподвижен относительно вагона, но движется относительно станции. Поэтому, говоря о движении, всегда нужно указывать тело отсчёта, с которым связывают систему координат и часы.

Линию, по которой движется тело, называют траекторией. След самолёта в небе, лыжня на снегу, мелом начерченная линия на доске – наглядные примеры траекторий. По форме траектории движение бывает прямолинейным и криволинейным; частный случай криволинейного – движение по окружности.

Длину траектории называют путём, его обозначают буквой s и в Международной системе единиц (СИ) измеряют в метрах. Время обозначают буквой t и измеряют в секундах. Единицы СИ и правила их записи в России установлены ГОСТ 8.417-2002 [3].

Таблица 2 – Основные величины механики в 7 классе

Примечание – Составлено автором по [1; 3].

Быстроту движения характеризует скорость. При равномерном движении скорость равна отношению пути ко времени: v = s / t. Единица скорости в СИ – метр в секунду (м/с); в быту чаще используют километры в час, причём 1 м/с = 3,6 км/ч. Насколько различаются скорости разных тел, видно из рисунка 1.

Рисунок 1 – Скорости движения различных тел, м/с (логарифмическая шкала)

Примечание – Типичные значения; скорость «Сапсана» – максимальная эксплуатационная, звука – при 20 °C, МКС – орбитальная скорость.

На рисунке использована логарифмическая шкала, иначе скорость пешехода была бы просто незаметна рядом со скоростью космической станции. Пешеход идёт со скоростью около 1,4 м/с (5 км/ч), а Международная космическая станция облетает Землю примерно за 90 минут со скоростью около 7,7 км/с. Разница – более чем в пять тысяч раз.

Неравномерное движение (скорость меняется) описывают средней скоростью: v_ср = s_общ / t_общ. Типичная задача: велосипедист проехал 6 км за 20 мин, затем 4 км за 20 мин. Ответ – 10 км за 40 мин, т. е. 15 км/ч; если бы участки занимали разное время, среднее арифметическое скоростей (18 и 12 км/ч) дало бы неверный результат.

Изменение скорости вызывает сила (единица – ньютон, 1 Н; прибор – динамометр). При скомпенсированных силах тело сохраняет скорость: инерция. Опыты с шарами на наклонных плоскостях поставил Г. Галилей; И. Ньютон сформулировал I закон движения в «Математических началах натуральной философии» (1687) [2].

Масса m – мера инертности, единица 1 кг (до 2019 г. – по международному прототипу в Севре, с 2019 г. – через постоянную Планка). На 1 кг у поверхности Земли действует сила тяжести ≈ 9,8 Н; в задачах 7 класса берут g ≈ 10 Н/кг.

1.2 Классификация механических явлений

По характеру движения различают поступательное (любой отрезок, проведённый в теле, остаётся параллельным себе: кабина лифта, ящик на полу) и вращательное (точки тела описывают окружности вокруг оси: колесо, лопасть вентилятора, Земля с периодом ≈ 24 ч). Реальное движение часто сочетает оба вида: колесо велосипеда вращается и одновременно движется вперёд вместе с рамой.

Колебания – движения, повторяющиеся через равные промежутки времени (период T). Г. Галилей заметил, что период маятника почти не зависит от размаха; по формуле T = 2π√(l/g) маятник длиной ≈ 1 м совершает одно качание «туда» за 1 с (так называемый секундный маятник). Х. Гюйгенс в 1656–1657 гг. применил маятник в часах, и ошибка хода снизилась с десятков минут до десятков секунд в сутки.

Колебания, передающиеся в среде, – механические волны. Звук в воздухе проходит ≈ 340 м/с, свет – 300 000 км/с, поэтому вспышку молнии видно сразу, а гром приходит с задержкой; 3 с задержки ≈ 1 км до места разряда. В воде звук быстрее (≈ 1500 м/с), на этом основаны эхолоты и гидролокаторы.

Взаимодействие тел меняет их скорость или форму. Изменение формы – деформация: упругая исчезает после снятия нагрузки (пружина, резиновый мяч), пластическая остаётся (пластилин, смятый лист жести). Для упругой деформации Р. Гук в 1660-х гг. установил закон: сила упругости пропорциональна удлинению, F = kx.

Ещё одно деление – по месту наблюдения: в природе (листопад, течение рек, приливы, обращение Луны вокруг Земли за ≈ 27,3 сут) и в технике (машины, транспорт, подъёмные краны). Примеры этих групп и законы, которые их описывают, – тема второй главы доклада.

Механические явления легко наблюдать самому. Достаточно секундомера на телефоне и рулетки: можно измерить время, за которое мяч скатывается по наклонной доске, или период качаний груза на нитке разной длины. Галилей проводил похожие опыты с шарами на наклонном жёлобе, отмеряя время по количеству воды, вытекшей из сосуда, – часов с секундной стрелкой тогда ещё не было.

Среди физических явлений школьный курс выделяет механические, тепловые, электрические, магнитные, звуковые, световые [1]. Двигатель внутреннего сгорания соединяет два вида: сгорание бензина (тепловое) толкает поршни и через коленчатый вал вращает колёса (механическое). Велосипедное динамо – обратный пример: вращение колеса превращается в электрический ток.

Приливы – механическое явление планетарного масштаба. Луна и, в меньшей степени, Солнце притягивают ближнюю и дальнюю стороны Земли с разной силой, и уровень океана дважды в сутки поднимается и опускается. В Пенжинской губе Охотского моря высота прилива достигает примерно 13 м – это наибольшее значение для морей России; в заливе Фанди (Канада) отмечены приливы до 16 м. На Баренцевом море, в губе Кислой на Кольском полуострове, в 1968 г. построена экспериментальная Кислогубская приливная электростанция.

Трение сопровождает почти любое движение на Земле. Шайба, пущенная по льду, проезжает десятки метров, а по асфальту – всего несколько: коэффициент трения резины или стали о лёд в десятки раз меньше, чем о шероховатую поверхность. Поэтому зимой дорожные службы посыпают тротуары песком, а водителям нужны зимние шины с шипами. В технике трение то уменьшают (смазка, подшипники качения), то используют (тормозные колодки, ремённые передачи).