1ist (1ist) wrote,
1ist
1ist

Category:

Повторение опытов Галилея поможет конструкторам автомобилей

Новости зазеркалья

Физики повторили классический опыт Галилея со скатывающимися по наклонной плоскости телами, которые позволили ученому выяснить, как именно движутся предметы под действием силы тяжести. Результаты повторения опыта потянули на научную статью в одном из лучших физических журналов.

В статье , которую ученые из Массачусетского технологического института ( MIT ) опубликовали в Physical Review Letters, фундаментальные законы механики не опровергаются. Но незначительная, на первый взгляд, модификация эксперимента, с которого началась современная физика, позволила узнать нечто новое. Достаточно оказалось заменить твердые шары на гибкие резиновые ленты, свернутые в колечки.

Эксперимент Галилея в своем классическом виде. Воспроизведен для образовательной программы на Science Channel Джимом и Рондой Моррис Источник www.scitechantiques.com

С точки зрения механики, впрочем, такая замена отнюдь не маловажна. Твердые тела движутся совершенно не так, как гибкие и деформируемые: при скатывании с наклонной плоскости у гибкой ленты часть потенциальной энергии переходит в энергию ее деформации и эта деформация вдобавок ко всему непрерывно меняется. Одни участки резинового колечка сжимаются, другие растягиваются, и рассчитать точную траекторию каждой его точки далеко не столь тривиальная задача, как может показаться на первый взгляд.

Классический опыт Галилея В оригинальном эксперименте по наклонной плоскости скатывались твердые однородные шары и засекалось время, за которое они преодолевали свой путь. Благодаря этому эксперименту исследователь смог показать, что тело движется вниз с постоянным ускорением, и что это ускорение не зависит от массы тела. Дальнейшая работа, когда к наклонной плоскости добавилось изучение падения тел, привела к открытию того факта, что траектория брошенных предметов представляет собой параболу. До опытов Галилея люди не знали, как именно движутся предметы под действием силы тяжести. Считалось, например, что пушечные ядра сначала летят вверх, а потом вертикально падают вниз. Галилей не просто установил законы движения – не менее важно то, что он сделал это опытным путем, перейдя от умозрительных построений к экспериментальному методу, основе физики как таковой. Именем ученого был назван в 1990-е годы космический аппарат, изучавший Юпитер и открытые Галилеем спутники этой планеты.

Чтобы убедиться в этом, можно провести для начала эксперимент мысленный – представьте, как будет меняться форма катящегося кольца. Сначала, конечно, оно примет вид гусеницы от трактора, с горизонтальным нижним участком, двумя закруглениями по бокам и слегка выпуклой верхней частью – а что дальше? Может, оно по мере набора скорости станет более округлым? Или, напротив, вытянется вдоль поверхности земли? Как показал опыт, оба этих варианта оказались неверны.

Форма резинового кольца при различных скоростях (синее стоит на месте, красное движется быстрее всех). Источник Rolling Ribbons – Clanet et.al

И хотя то, что ученые в итоге наблюдали в эксперименте, сошлось с данными предварительных компьютерных расчетов, результат все равно оказался довольно интересным (впрочем, корректнее сказать что как раз совпадение с расчетами имело наибольшую ценность, это значило что физики имеют адекватную модель явления). Кольцо превратилось в двухгорбую фигуру, и чем больше становилась скорость, тем сильнее выпячивался передний горб.

О деталях

Необходимо заметить, что исследователи вовсе не стали строить в лаборатории наклонные плоскости, с которых потом спускались бы их резиновые кольца. Вместо этого был взят большой стальной барабан, напоминающий барабан стиральной машины – а уже в него клались экспериментальные образцы. Барабан приходил в движение, колечко в нем начинало катится по стенке и так моделировалась бесконечная наклонная плоскость, на которой можно было не ограничиваться несколькими долями секунды.

Другой знаменитый опыт Галилея (вероятно, даже более известный) – со сбрасыванием предметов с Пизанской башни. По сути, в нем изучалось то же самое явление, движение тел под действием силы тяжести; ученый показал, что скорость падающих ядер не зависит от их массы. Источник John Lienhard

Кроме того, ученые отметили сходство поведения ленты в их опыте с движением капель жидкости на несмачиваемой поверхности. Вода, скатываясь по натертой воском или маслом плоскости, ведет себя схожим образом – так что не исключено, что повторение классического опыта в новом исполнении найдет и какое-нибудь сугубо практическое применение.

Знание механики капель далеко не бесполезно, к примеру, конструкторам ветровых стекол, ведь залитое водой стекло автомобиля может стать причиной аварии.

Галилео Галилей знаменит не только как физик, но и как астроном. На этой странице из его записей в 1609 году запечатлены спутники Юпитера, впоследствии получившие имя “галилеевых” – Ганимед, Европа, Ио и Каллисто. Сегодня их может увидеть каждый владелец даже не телескопа, а цифрового фотоаппарата с достаточно крупным увеличением

Об энергии

Задача о движении различных тел в теоретической механике сводится к расчету того, как и куда переходит энергия. Когда кольцо поднято вверх и покоится, оно обладает только потенциальной энергией, а при движении эта энергия становится кинетической энергией движения, энергией упругой деформации и (этот вид энергии остается за рамками школьной программы) энергией вращения.

Наглядный пример тела, чья механическая энергия складывается в основном из энергии вращения – гироскоп. Кинетическая энергия прибора в целом равна при этом нулю, а потенциальная может быть пренебрежимо мала: все остальное сосредоточено во вращающемся маховике. Источник Kiko2000

Кстати, пренебрежение последней в школьном курсе физики приводит к тому, что часто используемая учащимися трактовка опытов Галилея с наклонной плоскостью попросту неверна. Шарик, который скатывается с плоскости, будет иметь вовсе не ту скорость, которую посчитали исходя из предположения “вся потенциальная энергия перешла в кинетическую” – часть потенциальной энергии уйдет на раскручивание шарика вокруг своей оси!

Источник: http://www.gzt.ru/topnews/science/-povtorenie-opytov-galileya-pomozhet-konstruktoram-/324313.html?from=reader

Tags: Наука
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments