Archive for Октябрь, 2011

Антиавтомобиль

Энергия не исчезает и не возникает из ничего, поэтому источником энергии может быть только система, способная энергию накапливать. Не желаете ли принять участие в одном необычном деле? Давайте изобретем автомобиль наоборот или, если хотите, антиавтомобиль. Но прежде надо решить одну проблему. В вашем распоряжении имеется 1 кг водяного пара с температурой чуть больше 100°С и 1 кг льда с температурой -100°С. Что вы предпочтете для приведения в движение даже не автомобиля, а хотя бы игрушечной тележки?

— Конечно, пар, — наверное, ответите вы. — Что же тут сомневаться? Пар вращает огромные турбины, да и, вообще, горячий пар содержит больший запас энергии, чем холодный лед.

Вы, несомненно, правы, но, чтобы привести в движение игрушечный или настоящий автомобиль, лед может послужить ничуть не хуже водяного пара. Водяной пар совершает работу потому, что его температура выше температуры окружающего воздуха. С тем же успехом можно использовать какую-нибудь жидкость с температурой кипения, скажем, -80° С.

Проведите сначала такой опыт. Обложите закупоренную бутылку с низкокипящей жидкостью кусками льда, температура которого-100° С. Как вы думаете, что-нибудь случится? Ничего особенного, жидкость останется жидкостью.

Read the rest of this entry »

Ахиллес и черепаха

Древнегреческий философ Зенон, живший в V веке до н. э., построил несколько парадоксальных рассуждений — апорий, которые озадачили его сверстников и продолжают озадачивать многих наших современников. Быстроногий Ахиллес, утверждал Зенон, никогда не догонит медлительную черепаху. Пусть Ахиллес способен двигаться в 2 раза быстрее черепахи. За то время, пока Ахиллес покроет отделяющее его от черепахи расстояние, черепаха отползет на половину этого расстояния. Пробежит Ахиллес половину, а черепаха отползет еще на одну четверть, и так далее до бесконечности.

Какие рассуждения можно услышать сегодня по поводу этой апории Зенона? Наш повседневный опыт утверждает, говорят одни, что тот, кто движется быстрее, обязательно догонит того, кто движется медленнее. Поэтому нечего тратить время на пустяки.

Любители точных расчетов вооружаются цифрами. Черепаха проползает сначала половину, потом четверть, йотом одну восьмую и так далее расстояния, равного тому, которое первоначально отделяло ее от Ахиллеса. Примем это расстояние за единицу. Сумма дробей: одна вторая, плюс одна четвертая, плюс одна восьмая, плюс и т. д. (ее называют суммой ряда) стремится к пределу, равному единице. Следовательно, пока продолжаются все эти рассуждения, черепаха неуклонно приближается к точке, отстоящей на единицу от первоначального положения. Read the rest of this entry »

Мир движется в сторону энтропии

По-другому звучат теперь для нас слова Демокрита. — Ты был прав,— сказали бы мы нашему мудрому предку.— Мир и впрямь движется вниз, если под словом «вниз» понимать «в сторону увеличения энтропии». Еще несколько слов по этому поводу. Достигнув состояния, характеризуемого наивысшей энтропией, большую часть времени система будет находиться в этом состоянии. Наблюдая систему в каждый момент, мы могли бы убедиться, что энергия распределяется между шариками (молекулами) каждый раз по-разному, но в подавляющем большинстве случаев равномерно. Состояния с равномерным распределением энергии практически не отличимы друг от друга, и можно сказать, что подавляюще большую часть времени система находится в одном и том же состоянии, в котором ничего не меняется. Синонимом для выражения «ничего не меняется» служит слово «равновесие». Так мы пришли к формулировке очень важного положения: энтропия системы, находящейся в равновесии, равна максимально возможному для данной системы значению.

Каким же законам подчиняются тепловые явления? Во-первых, закону сохранения энергии и, во-вторых, закону неубывания энтропии. Величина энергии показывает, сколько работы может совершить система (как вы скоро увидите, с некоторыми ограничениями), а величина энтропии — куда будет направлена эта работа. Read the rest of this entry »

О силах

Возьмите концы нитки и потяните в разные стороны, дернули посильнее — нитка разорвалась. Что послужило причиной разрыва нити? Нитка плотно прилегает к пальцам, вы тянете ее с силой, и она, в свою очередь, тоже с силой (сила реакции) врезается в пальцы (если нитка достаточно крепкая, пальцы можно поранить, но этого мы от вас не требуем), сама нитка натягивается все сильнее и наконец разрывается.

Теперь немножко пофантазируйте. Представьте себе, что вы проделываете все то же самое, но смотрите на происходящее через микроскоп, увеличивающий в сотни миллиардов раз. Нитка, как и все, что нас окружает, состоит из молекул. Те, в свою очередь, состоят из атомов. Атомы состоят из ядер и электронов. Read the rest of this entry »

О скорости вращательного движения

Все сказанное справедливо по отношению к линейным скоростям и ускорениям. Что же можно сказать о вращении? Скорость вращательного движения относительная или абсолютная? С одной стороны, вроде бы относительная. Например, если представить себе вращающуюся комнату, то все расположенные в ней предметы также вращаются, но относительно комнаты остаются неподвижными. Вспомним интересный мысленный опыт, который впервые рассматривал еще Ньютон. На веревке висит ведро с водой. Закрутили веревку и дали ей возможность свободно раскручиваться. Веревка заставляет вращаться ведро, а вращение ведра постепенно передается воде. Read the rest of this entry »

Так все-таки вертится оно или нет?

Что значит направление в абсолютно пустом пространстве, где нет ничего, кроме вращающегося ведра? Вопрос этот далеко не праздный. Нельзя вообще говорить о направлении, если отсутствует что бы то ни было, кроме поверхности воды в том же ведре, с чем можно это направление сравнить. Не имея никаких ориентиров, как узнать, что ведро вращается?

Попробуем облегчить задачу. Предположим, в абсолютно пустом пространстве, из которого удалена вся материя, вы разместили три вращающихся гироскопа и объявили оси их вращения системой отсчета. Останутся ли эти направления неизменными во веки веков? Ведь тогда нашу систему следует признать абсолютной системой отсчета. Read the rest of this entry »