На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









10. Применения классического принципа относительности в технике

Мы приспособились к окружающему миру. Это значит, что каждый человек приобрел определенный опыт, который помогает ему действовать целесообразно. Этот опыт, накопленный в течение жизни, представляет не что иное, как практическое руководство, вытекающее из закономерностей природы. Законы природы известны не всем, в виде опыта эти законы учитывают все.
 
Принцип относительности — один из тех законов, о котором помнят немногие, хотя он и имеет решающее значение в формировании нашего представления о мире. Можно было бы привести бесконечный список действий, в которых люди подсознательно учитывают принцип относительности.
 
Понаблюдайте, например, за стюардессой самолета. Ее походка совершенно не зависит от того, идет ли она в направлении движения самолета или в противоположном направлении, хотя самолет летит со скоростью около 200 м/сек. Воздушный лайнер, летящий относительно земной поверхности равномерно и прямолинейно согласно классическому принципу относительности, является системой отсчета, совершенно равноправной с Землей, какова бы ни была скорость самолета. Стюардесса, которая может и не знать о принципе относительности, опираясь на свой опыт, передвигается в самолете так же уверенно, как и на земной поверхности, но лишь до тех пор, пока самолет движется прямолинейно и равномерно. Как только самолет идет на посадку, никто уже не чувствует себя в нем столь уверенно, как на земле.
 
Приведем несколько простых проектов, которые в принципе осуществимы благодаря принципу относительности.
 
Тротуары будущего. Удобно спускаться на эскалаторе в метро. Разве не было бы замечательно, если бы все тротуары в городах двигались так же, как эскалаторы в метро? У пешехода не было бы тогда необходимости шагать по улице он мог бы спокойно стоять на тротуаре и читать газету. Нужно только вовремя сойти. Плохо лишь, что скорость такого движущегося тротуара должна быть невелика, не более 5 км/час. При большей скорости не всякий осмелится прыгнуть на тротуар, и удовольствие кататься на тротуаре было бы доступным только молодым. Езда же па медленном тротуаре отнимала бы очень много времени. Как сконструировать быстрые тротуары для всеобщего пользования? Ответ на этот вопрос дает принцип относительности.

Маленькое изображениеРис. 12. Схема многополосного тротуара.
На рисунке отмечены скорости полос относительно земной поверхности

Чтобы увеличить скорость, можно построить тротуар из нескольких полос, как показано на рис. 12. Три полосы тротуара движутся в одном и том же направлении, скорость первой полосы относительно земной поверхности 5, второй—10 и третьей—15 км/час. Переход на первую полосу совершенно безопасен,  так как ее  скорость относительно Земли мала.  Ступая на первую полосу, пешеход переходит из одной инерциальной системы (Земля) в другую инерциальную систему (полоса). Согласно принципу относительности   все   движения  в  обеих    инерциальных системах происходят одинаково. Человек на первой полосе будет чувствовать себя точно так же, как если бы он находился на земной поверхности. Рядом с первой полосой бежит вторая. Скорость ее относительно земной поверхности 10 км/час,   относительно    же    первой   полосы всего 5 км/час. Следовательно, человек без всяких опасений может перейти на вторую полосу, а оттуда уже   на третью.  На последней    он   передвигается    относительно земной   поверхности    с   вполне    приемлемой    скоростью 15 км/час. Если потребуется еще большая   скорость,   то достаточно будет увеличить число полос. Сходить с такого движущегося тротуара надо будет в обратном порядке: с третьей полосы на вторую, со второй на первую и оттуда уже на землю.
 
Возможно, в городах будущего построят такие движущиеся тротуары. Они уже применялись на некоторых выставках для освобождения посетителей от утомительного хождения.
 
Поезд, который не останавливается. Очень много времени скорый поезд теряет на остановки. Много энергии теряется как при торможения тяжелого поезда, прибывающего на станцию, так и при его разгоне после остановки. Каким образом устранить эти потери? Этого можно будет достичь только в том случае, если поезд будет забирать пассажиров, не останавливаясь на станции. Представьте себе следующую картину.   Пассажиры, которым предстоит  посадка на прибывающий поезд, входят в мотовагон, стоящий на рельсах, параллельных основному пути. На станции дается сигнал, предупреждающий о приближении поезда, включается мотор, и мотовагон начинает двигаться. К тому времени как поезд поравняется со станцией, вагон успевает приобрести одинаковую с ним скорость, так что из вагона поезд кажется неподвижным. Можно объявлять посадку. Между поездом и мотовагоном следует перекинуть трап, и посадка будет происходить с теми же удобствами, как и с платформы на стоящий поезд. Когда все пассажиры займут свои места, можно убрать трап и медленно остановить мотовагон.
 
Пассажиры сели в поезд, который не останавливался, и чувствовали себя в мотовагоне, двигавшемся прямолинейно и равномерно, точно так же, как на платформе станций. При посадке в поезд, они, возможно, даже забыли о большой (относительно земной поверхности) скорости поезда и своей.
 
Безопасный железнодорожный переезд. Черный силуэт паровоза на желтом треугольнике, как известно, — знак, предупреждающий о переезде через железную дорогу. Здесь нужна осторожность, иначе может случиться несчастье. Используя принцип относительности, можно построить автоматическую защиту на переездах железных дорог.
 
Работающий мотор заставляет машину двигаться по дороге. Согласно принципу относительности несущественно, движется ли дорога относительно земли или нет. Поэтому сконструировать безопасный переезд, который не даст автомашине приблизиться к поезду, можно следующим образом.
 
Прилегающая к железной дороге часть шоссе заменяется широкой лентой на роликах. Как только поезд приблизится к переезду, лента начинает автоматически катиться в обратном направлении от переезда. Ничего страшного не произойдет, если даже водитель не заметит дорожного знака, и автомашина будет мчаться к переезду, не снижая скорости. Лента подхватит машину и унесет ее от железной дороги. Как бы быстро машина ни шла, к железной Дороге она не приблизится, если лента движется с такой же скоростью, как автомашина. Поезд прошел, лента останавливается, машина может беспрепятственно продолжать путь.

Маленькое изображениеРис. 13. Схема безопасного переезда

Разумеется, коробка скоростей автомобиля, въезжающего на движущуюся ленту, должна быть устроена так, чтобы резкое увеличение числа оборотов колес не причинило вреда автомашине. Можно построить и несколько подвижных лент подряд: первая из них движется медленно, другая быстрее, третья еще быстрее и т. д. Это все технические вопросы. Идея, однако, ясна: применение классического принципа относительности дает возможность строить безопасный переезд через железнодорожные пути.
 
Вполне вероятно, что потребности в таком переезде на самом деле и нет — проще строить виадуки. Однако описанное устройство используется у целого ряда машин для предотвращения несчастных случаев на производстве: в момент опасности начинает двигаться лента, которая отводит руку рабочего из-под пресса или штампа.
 
Наземное испытание самолетов. Конструктор работает над созданием нового самолета. Проблем при этом множество. Необходимо найти наиболее обтекаемую форму самолета, самое практичное сечение несущей поверхности и т. д. Чтобы решить эти проблемы, нужно исследовать завихрения воздуха, которые образуются вокруг летящего самолета. Как это сделать? Можно было бы установить измерительные приборы на внешней поверхности самолета и проводить измерения во время полета. Это и делается, однако лишь после того, как новый тип самолета более или менее окончательно разработан.
 
В соответствии с принципом относительности безразлично, летит ли самолет в воздухе или относительно самолета движется воздух. Поэтому вместо завихрений, образующихся вокруг летящего самолета, можно изучать завихрения в быстром воздушном потоке, обдувающем неподвижный самолет. Весь самолет, его уменьшенная модель или отдельные части, которые нуждаются в исследовании, помещают на испытательный стенд в аэродинамической трубе, где воздух течет с такой же скоростью, с которой должен происходить полет. Все завихрения образуются теперь точно так же, как и вокруг летящего самолета, только изучать их несравненно проще. Аэродинамическая труба — надежный помощник авиа- и автоконструкторов.
 
В космическом корабле. Уже в нашем столетии, вероятно, осуществится давняя мечта человечества — покинуть Землю и устремиться к другим планетам. Чтобы такой космический корабль смог преодолеть притяжение Земли, ему нужно сообщить очень большую скорость: около 11 км/сек. Это во много раз больше, чем скорость современных реактивных истребителей.
 
Предположим теперь, что принцип относительности перестал действовать. Быстро летящий космический корабль и Земля не будут тогда равноправными системами, т. е. в корабле движение тел будет происходить не по тем законам, которые действуют на Земле. Это значит, что находящийся в космическом корабле человек будет чувствовать скорость движения своего корабля. Скорость, намного превосходящая привычную, влияла бы на организм космонавта так же отрицательно, как, например, чересчур яркий свет или непомерно громкий звук. Очень легко могло бы случиться, что скорость, равная 11 км/сек, оказалась бы за пределом человеческой выносливости. Пришлось бы распроститься с надеждой хоть когда-нибудь покинуть Землю.
 
К счастью, дело обстоит иначе. Принцип относительности действует, и его прямым следствием является то, что человек чувствует только ускорение, но не скорость. Постепенно увеличивая скорость космического корабля (т. е. ограничиваясь умеренным ускорением), можно сообщить ему скорость, необходимую для преодоления силы притяжения Земли. После вывода космического корабля на орбиту космонавты чувствуют себя примерно так же, как в современном пассажирском лайнере или на земной поверхности. Разница обнаруживается только в явлениях, связанных с отсутствием силы тяжести, о которой речь пойдет в четвертой главе книги.
 
Все приведенные примеры говорят о том, что принцип относительности классической механики верен. Более внимательный анализ приведенных примеров может сообщить нам нечто большее.
 
Рассмотрим еще раз пример со стюардессой самолета, которая, как уже отмечалось, чувствует себя в движущемся равномерно и прямолинейно самолете точно так же, как и на земле. Если бы человек был роботом, состоящим из зубчатых колес, рычагов и т. п., то тогда было бы достаточно принципа относительности классической механики, чтобы объяснить нормальное самочувствие стюардессы. Но в человеческом организме, кроме механических процессов, происходит еще множество других процессов (электрические, химические, физиологические, психические и др.). Если человек чувствует себя в летящем с большой скоростью самолете точно так же, как и на земле, то отсюда следует, что принцип относительности справедлив не только для механических явлений, но также и для электрических, химических, физиологических, психических и т. д. процессов. По-видимому, все эти и другие процессы в природе происходят во всех инерциальных системах одинаково. Такое обобщение действительно справедливо (подробнее этот вопрос мы рассмотрим в главе III).



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:


Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.