Физика для гуманитариев-1
У меня в друзьях много гуманитариев, и это будет пост для них. Технарям будет не очень интересно, но можете слать ссылки на этот пост своим друзьям-гуманитариям. Всё польза.
Итак, я периодически с ужасом замечаю у людей какие-то невообразимые пробелы в школьных знаниях о физике, а потому в серии постов мы рассмотрим такие явления, как инерция, гравитация и невесомость, причём на простом бытовом уровне, без формул (почти) и на спичках. А заодно, конечно, попытаемся разобраться, чего там у нас происходит в космосе. Я ж всё про космос талдычу, как начал, так не заткнуть.
Инерция — это удивительное свойство нашего мира, которое на первый взгляд просто и понятно, как пень. Но на самом деле, если тщательно подумать, то инерция — это какая-то подлинная магия. Лично для меня это что-то невообразимое, я открыл для себя инерцию где-то на шестой-седьмой день от рождения, и до сих пор меня это явление удивляет намного больше желтопрессных чудес. Если прям при мне кто-то начнёт исцелять парализованных, ходить по воде и читать мысли других людей, я вообще не удивлюсь. Более того, я знаю ребят, которые делают стартапы в этих тематиках.
А вот инерция — подлинное и необъяснимое пока чудо, и его проявление я вижу каждую секунд и ему поражаюсь. Так что же это такое?
Абсолютно любое тело в нашей Вселенной, ежели на него не действуют никакие внешние импульсы, хочет двигаться прямолинейно и без ускорения. Ну, в крайнем случае — покоиться и не двигаться вообще. А вот чтоб изменить скорость движения этого тела или направление этого движения, необходимо сообщить телу некий импульс.
Импульс же передаёт телу некое волшебное «количество движения», которое пропорционально массе этого тела. Почему «количество движения» в кавычках? Да потому что это действительно некая мера движения, а вернее — энергии тел, а именно — её кинетической составляющей. Ну, «кинезис» это и есть «движение», так что мы тут как всегда лишь заложники русского языка, совершенно негодного под физику (в отличие от немецкого, например), и сказали очередное масло масляное.
Банальный пример инерции — обычный поезд. Когда вы едете в Шанхае от ЛуняньЛу до Пудунского аэропорта, вы вообще думали хоть раз, что пролетаете 32 километра за 7.5 минут? И скорость ваша, относительно рельсов аж 430 километров в час — это быстрее любого серийного суперкара на планете. При этом вы не ощущаете вообще ничего, будто сидите на диване дома. Просто огромный тяжелённый поезд сообщает вашей легкой заднице импульс очень плавно, и у вас даже чаёк в стакане не плещется. Но когда вы выйдите на конечной, посмотрите на следы от комаров на лобовом стекле маглева. О! То-то же!
Кароч, если мы кинем в космосе посреди ничто камень, он будет лететь прямо и с постоянной скоростью вечно. И если мы хотим изменить направление и/или скорость полёта этого камня, нам надо чем-то его пихнуть. И изменение скорости (а равно и направления) будет прямо пропорционально силе нашего пиха и массе камня, и никак иначе. Если камень тяжелый, а пих слабый, ничего особо в движении камня не изменится. Если же камень лёгкий, а пих наш силён — улетит камень к чертовой матери.
То бишь, инерция тела пропорциональна его массе. Это кажется нам абсолютно естественным и понятным, потому как мы сталкиваемся с этим каждый божий день. Лёгкий мячик легко пнуть через забор, тяжелую тачку трудно остановить, чо тут собственно вообще думать?
Но на самом деле, это и есть основа всей нашей физики, и если прям глубоко погрузиться в тему инерции, то совершенно непонятно, почему тела себя ведут именно так, да и что такое масса вообще? Мы сейчас не будем вдаваться в подробности, но инерция — это некое уникальное базовое свойство пространства-времени, которое существует абсолютно везде во Вселенной и связано с абсолютно любым материальным объектом, обладающим массой.
У физиков есть классный пример: представим себе зернышки пенопласта, которые будто бы ничего вообще не весят и легко разлетаются от ветра. Но представим их же на поверхности воды, опа! Теперь они колышутся вместе с водой, текут вместе с водой, но уже никуда не улетают так просто. Ну вот, так и физические тела "налипают" на некую основу нашего пространства-времени и обретают инерцию. Правда, если вода не даёт двигаться зернышкам пенопласта вообще никуда, то инерция позволяет бесплатно двигаться прямолинейно, не меняя ни скорости, ни направления. Вот такое волшебство.
То есть, инерция не зависит ни от гравитации других объектов* (звёзд, планет, галактик), ни от среды, вообще ни от чего. Она есть везде и всегда по умолчанию. И вот в чем чудо: у разных физических тел масса различных характеристик, но по факту — типов энергий. Эти энергии могут переходить из одного вида в другой, и даже делают это постоянно. Материальные тела обмениваются всем подряд, и мы даже придумали целую кучу разных устройств, основанных на этих разнообразных обменах.
Но! Тела никогда не обмениваются инерцией (точнее сказать, инертностью, то есть способностью инерцию порождать, но мы тут снова заложники языка). То есть, инерция — это некая своеобразная паутина нашего мира, на которую мы все налипли, как мухи, и продолжаем жужжать, и один зажужжал, а ему ответил второй, а за ним и третий (если мы о кулоновском взаимодействии сейчас, например). А один качнул паутину, почувствовали все, но в итоге вернулись туда же (это в про гравиволны, конечно же).
Но при этом покинуть эту паутину, а научнее сказать — некое поле, мы не просто не умеем, а даже и не предполагаем, как можно научиться. Это подлинное чудо, не похожее ни на что другое в эти мире. Но так как мы встречаемся с инерцией раньше, чем, например, с электромагнетизмом, срабатывает синдром утёнка, и нам это чудом не кажется.
Когда мы станем мультипланетным видом, по заветам Элона Эрроловича нашего Маска, это чудо инерции станет очевиднее для нас, но об этом тоже позднее. Сидя на дне родного гравитационного колодца, мы пока не готовы осознать это волшебство в объективных ежедневных ощущениях, но скажу вам по секрету: если вас прямо сейчас переместить на Марс или Луну, вы обалдеете, насколько непривычно станут себя вести привычные вам с детства предметы. Причём, настолько обалдеете, что даже можете получить серьезные травмы от привычных вещей, в третьем посте я расскажу это подробно.
Выше был много раз упомянут импульс тела. Ну так вот, это тоже самое базовое понятие физики. Закон сохранения импульса гласит, что если у нас есть не одно тело, а несколько, то их суммарный импульс постоянен, вот как бы они не соударялись и не взаимодействовали другими способами (например, гравитационно). Этот закон проистекает опять же из самих свойств нашего пространства-времени, а именно из его симметрии. И хотя он тоже кажется очевидным, его истинная природа нифига не понятна до конца, и даже он иногда нарушается. Но это неточно**.
Сохранение импульса на практике мы видели тыщу раз. Классический пример — шары на бильярде. Один шар двигается со определённой скоростью, попадает в другой шар. После удара первый шар останавливается, а второй — начинает двигаться с той же скоростью, что двигался и первый шар. Почему? Потому что масса у них одинакова, и первый шар передал свой импульс второму полностью. Сумма импульсов тут какая? Постоянная, верно.
Если бы второй шар имел массу вдвое больше, то покатился бы дальше со скоростью вдвое меньше. А сумма импульсов? Осталась бы снова постоянной, потому как импульс тела — это его масса умножить на скорость. То на то и выходит.
Какую известную голливудскую хрень вскрывает закон сохранения импульсов, а? Правильно: хороший парень стреляет в плохого, и плохой от попадания пули улетает в окно. Минуточку!
Пороховой заряд с одинаковым импульсом толкает и хорошего парня (а вернее, хорошего парня, плюс ружьё в его руках), и пулю. Но так как пуля легкая, она улетает намноооого быстрее вперёд, чем ружьё толкает хорошего парня в плечо назад. Потом пуля попадает в плохого парня и передаёт ему свой импульс полностью (если не на вылет проходит). Это тот же самый импульс, что получил хороший парень от отдачи ружья, дополнительной энергии тут взяться неоткуда. Даже наоборот, пуля немного утратила свой импульс в полёте, разбазарив его на сопротивление воздуха (ну так и ружьё тоже сожрало немало энергии отдачи). Так почему же плохой парень в окно улетел, а хороший как стоял, так и стоит?
Вооот! Вроде бы такой очевидный ляп, но давно стал киноштампом и никого не смущает. Наверное, просто мы в обычной жизни редко стреляемся в людей, а вот в тот же бильярд играем много чаще. Ну да ладно.
Да, вы правильно заметили. Стреляющий получил тот же импульс, что и его жертва. Просто пуля маленькая, а приклад большой и широкий. Плюс в оружии есть ещё некоторые приблуды, чтоб уменьшить отдачу для стрелка. Но в целом с точки зрения энергии — всем достаётся поровну, поэтому оружие — главный залог демократии и равноправия.
Раз уж мы добрались до ружей, можно заметить ещё одно свойство импульсов: чтоб изменить скорость тела, вовсе и не обязательно по нему чем-то попадать и чем-то толкать. Можно как бы инвертировать задачу: взять какой-то кусок этого тела и выкинуть его подальше. Ну, вот ровно как с пулей и ружьем.
Тогда пуля, улетая вдаль, передаст ружью и стрелку, который его держит, импульс, равный скорости пули, умножить на массу пули. И стрелок полетит в противоположную сторону со скоростью, равной этому импульсу, делить на массу стрелка. Ведь стрелок обладает инерцией, как и любое другое тело Вселенной.
Ну, стрелок стоит (или лежит) на земле, между ним и опорой есть трение, да и пуля хоть и быстро летит, но так-то легкая, а потому никуда стрелок, конечно же, не улетит. Но вот если стрелка поставить на ролики и дать ему автомат, то его можно в целом неплохо так разогнать даже.
И заметьте: совершенно неважно, где мы стреляем, на Земле, на Марсе, в глубинах космоса, в атмосфере, в вакууме, или даже по водой — закон сохранения импульса работает абсолютно везде и всегда.
Примерно 1900 лет назад грек по имени Герон взял чайник и припаял к нему сразу два носика. Вот такой он был фантазёр, как и все античные греки. Да не просто какие-то два носика и не просто припаял, а изогнул их буквой Г и припаял боком. Так, что чайник при взгляде сверху стал напоминать недорисованную свастику — дырки носиков смотрели в противоположные стороны.
Чтоб было повеселее, Герон налил в этот чайник воды и повесил его на веревке над огнём. Чайник, что характерно, закипел и… начал крутиться!
Не, ну а что, пар — это не тело, что ли? У него нет инерции и он не передаёт импульс чайнику, когда вылетает из носиков? Да точно так же передаёт!
Причём! Совершенно не важно, опять же, где находится этот чайник: в воздухе ли, в пустоте ли, на Земле или в галактике Андромеды. Где работает сохранение импульса? Верно, везде абсолютно.
Так Герон придумал реактивный двигатель, который мы используем ныне для авиации и ракетостроения. Но, правда, своего открытия Герон оценить не смог, решил, что такой чайник — это просто забавная и бесполезная игрушка, от которой никогда не будет никакого практического толка. Корпорация Боинг так не считает, например.
Итак, что делает двигатель космической ракеты? Он берет некий газ и выплевывает из себя. И чем быстрее вылетает из двигателя этот газ, а также чем больше масса этого газа (не его молекул, а общая масса выплюнутого), тем больше импульса передаётся ракете, и тем быстрее она летит. Да, желательно, чтоб этот газ был офигенно горячий, ведь температура — это не что иное, как скорость движения атомов. Вот этим и занимаются рокетсайенс-инженеры — сидят и выдумывают, как бы выплюнуть газ из сопла двигателя побыстрее да погорячее. Всё просто, хотя на самом деле — нет.
Да, вернёмся к шарам на бильярде: попал четко в шар — первый остановился, а второй поехал дальше. Попал криво, полетели оба, но медленней. Каков вывод? Импульсы имеют вектор. Ну, то есть надо считать ещё и углы между нынешним инерционным движением тела и прилетающим в него импульсом.
О! Многие уже заметили, что я избегаю слова «сила», к которому мы так привыкли ли с самого седьмого класса и тащим с собой сквозь века, да?
Да, действительно, все механические силы из учебника физики седьмого класса, а равно и прочих учебников вплоть до сопромата, можно на самом деле свести к банальному обмену импульсами между телами. И окажется, что никаких механических сил на свете и нету вообще, а это просто условность. Потому что не бывает силы просто так самой по себе, это всегда какое-то взаимодействие каких-то тех и обмен импульсами, не более того. Именно поэтому умный Зодд Зверев (это я) начал данную серию постов именно с инерции и импульсов, а не каких-то там сил, ибо он, как и подавляющее большинство современных физиков, полагает механические силы лишь ненужной условностью, которая только усложняет науку, но ничо хорошего в неё не приносит.
Но далее, в следующих постах, я буду иногда использовать термин «сила». Воспринимайте его как интегральную сумму импульсов. Но даже когда я буду его использовать, я потом буду сводить силы к обмену импульсами, либо доказывать, что действует в данном случае никакая не сила (да, я щас про гравитацию, угадали).
В этом посте про инерцию не упомянуто такое явление, как момент инерции, зависящий от формы тела, а не от массы. Это очень интересная штука, как раз доказывающая связь инерции и геометрии нашей Вселенной (но это доказывает не только момент инерции, а вообще как бы всё наше сущее, кстати). Почему? Потому что я обещал без формул и для гуманитариев. Далее в постах тоже будут опускаться нескоторые моменты, чтоб не зарываться в отвратительные для них формулы.
Однако, я бахнул картинку в честь МИ! Да святится имя его.
Продолжим в следующих постах.
*в некоторых условных матмоделях получается, что тело в условной вселенной, где нет других масс, моментом инерции вообще не обладает. Но это, похоже, какой-то баг.
** вероятно, на ранних этапах жизни Вселенной её пространство-время не обладало симметрией, а потому закон сохранения импульса не работал как надо. В любом случае — суммарный импульс всех тел во Вселенной не равен нулю, хотя довольно долго считалось, что равен. Тогда физики полагали, что Вселенная в итоге сожмётся обратно в точку, но нет.