Г. Покровский - Физика в технике

Почему так происходит? В чем причина такого, на первый взгляд, парадоксального явления?

Рассмотрим уравнение Бернулли, которое в упрощенном виде можно записать так:

Здесь Р — давление, ρ — плотность жидкости, v — скорость. Обозначение const указывает, что это некоторая постоянная величина («константа»).

Для того чтобы сумма этих двух слагаемых оставалась постоянной, необходимо, чтобы при уменьшении (или увеличении) одного из этих слагаемых другое слагаемое увеличивалось (или уменьшалось) на такую же величину.

Поскольку плотность жидкости — величина постоянная (жидкость почти несжимаема), то увеличение скорости ее течения должно уменьшать давление, и наоборот. Уравнение Бернулли выведено с помощью высшей математики; оно основывается на законе непрерывности течения и законе сохранения массы.

Эффект уменьшения давления в жидкости при увеличении скорости течения можно наблюдать, если в струю воды, направленную вверх, поместить легкий пробковый шарик. Такой шарик будет все время «стараться» находиться ближе к центру струи, где скорость ее течения максимальна, за счет давления со стороны более медленно движущихся слоев воды на границе струя — воздух.

Такой ка первый взгляд «безобидный» эффект может привести к далеко не столь безобидным результатам. Известны случаи, когда два судна, движущиеся параллельным курсом на небольшом расстоянии друг от друга, сталкивались между собой вследствие того, что скорость потока воды между ними оказывалась больше скорости потока вне их. Такое увеличение скорости движения жидкости между судами объясняется тем, что «ворота» между кораблями, в которые должна пройти вода, сужаются и поэтому нужна большая скорость, чтобы всей массе воды пройти сквозь более узкие «ворота» (рис. 3).

Используя уравнение Бернулли, Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин и другие ученые создали теорию подъемной силы крыла самолета.

Запросы техники, которая стала особенно стремительно развиваться в начале XIX.в., привели к созданию новых отраслей гидромеханики, и в частности гидромеханики вязкой жидкости, теории так называемого пограничного слоя, который образуется перед носовой частью тела, движущегося в жидкости или газе. В дальнейшем теория пограничного слоя получила применение в расчетах, связанных с движением сверхзвуковых самолетов и баллистических ракет, а также при расчетах новых форм корпусов кораблей, формы лопаток газовых и водяных турбин и т. д.

Применяя законы гидромеханики и гидродинамики, в наши дни созданы совершенные по своим ходовым качествам скоростные суда на подводных крыльях, которые могут развивать скорость 80–90 км/час и выше. Это далеко не все примеры применения гидромеханики.

Развитие науки и техники всегда идет вместе, и эта органическая связь между ними как раз и обусловливает тот научный и технический прогресс и достижения, свидетелями которых мы сейчас являемся.

НОВЕЙШИЙ ЭТАП В РАЗВИТИИ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ

Современное развитие физики и техники характерно тем, что и в теоретической физике, и в технике за последние шестьдесят лет достигнуты значительные успехи в овладении силами природы и использовании их в интересах человека.

На службу человеку пришла атомная энергия; на повестку дня поставлен вопрос об использовании в мирных целях термоядерной энергии, запасы которой практически неисчерпаемы.

Создание теории относительности коренным образом изменило наши представления о пространстве и времени, продвинуло вперед исследования микромира, структуры атомов и атомных ядер, «элементарных» частиц материи и различных физических полей.

Успехи в области изучения электрических и магнитных явлений позволили совершить гигантский скачок в технике радиосвязи, передаче и обработке информации.

Освоение техники полупроводниковых приборов сделало возможным создание быстродействующих, малогабаритных и экономичных электронных вычислительных машин. Это позволило приступить к конструированию станков с программным управлением, различного рода самонастраивающихся систем, решать многие задачи, которые ранее не могли быть решены из-за необходимости проводить сложнейшие и громоздкие вычисления.

В настоящее время созданы совершенно новые источники света, отличающиеся огромной яркостью и экономичностью.

Создание ядерных реакторов предоставило в руки людей поистине громадный и практически неисчерпаемый источник энергии, а работы в области ракетной техники сделали возможным /совершить первые полеты в космос.

Физические поля и элементарные частицы

Человек давно стремился объяснить такие, некогда загадочные, явления, как свет, земное притяжение, электрические и магнитные взаимодействия.

Еще в конце XVII — начале XVIII в. Ньютон предложил для объяснения взаимного притяжения материальных тел так называемую гипотезу дальнодействия. Согласно этой гипотезе тела, находящиеся в различных точках пространства, обладают свойством взаимно притягиваться без участия какой-либо промежуточной среды. Это является таким же первичным свойством тел, как их протяженность или инерция. При этом считалось, что всякое взаимодействие между телами происходит мгновенно, т. е. если с каким-либо телом из группы взаимодействующих тел произошли некоторые изменения (например, быстрое перемещение), то все остальные тела «узнают» об этом в это же самое мгновение.

Благодаря простоте математических формулировок и успехам применения теории всемирного тяготения к телам солнечной системы (расчеты траекторий небесных тел) гипотеза Ньютона получила в то время весьма широкое распространение.

Кроме гипотезы дальнодействия, существовала и гипотеза близкодействия Декарта.

Декарт считал, что взаимодействие между телами может передаваться и осуществляться только через некоторую промежуточную среду (эфир) и определяться свойствами последней.

На основе своей гипотезы Декарт создал полуколичественную теорию Вселенной, согласно которой взаимодействие тел между собой объяснялось вихревыми движениями эфира, заполняющего все мировое пространство.

Несмотря на то что гипотеза Декарта во многом уступала ньютоновской теории дальнодействия в количественном объяснении тяготения, она была более содержательной и материалистичной, что не могло не повлиять на ход развития дальнейших представлений на механизм взаимодействия тел.

Позднее А. Эйнштейном была создана новая теория тяготения, которая является более общей и более точной, чем теории Ньютона и Декарта. В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей, основываясь на идее близкодействия, дал картину электромагнитного поля как совокупности «натяжений» эфира, заполняющего все мировое пространство. Эта гипотеза Фарадея послужила основой для создания теории электромагнитного поля Дж. Максвеллом, который теоретически установил взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

Согласно воззрениям Максвелла всякое изменение электрического поля вызывает в, окружающем пространстве появление магнитного поля, которое, в свою очередь, приводит к возникновению электрического поля. Таким образом, при изменении расстояния между какими-либо двумя противоположными электрическими зарядами или при изменении величины этих зарядов должна возникнуть электромагнитная, волна, распространяющаяся в пространстве с огромной скоростью — 300 000 км/сек. Этот процесс распространения в мировом эфире электрических и магнитных «натяжений», по мнению Максвелла, и является процессом распространения электромагнитной волны (рис. 4).

Опыты Герца, в результате которых были открыты электромагнитные волны, явились блестящим подтверждением наличия электромагнитного поля Фарадея — Максвелла.

Однако существование в окружающем пространстве мировой среды (эфира) должно каким-то образом проявляться при движении в нем материальных тел. Для этого в начале XX века был проведен ряд экспериментов по обнаружению «эфирного ветра».

Опыты Физо и Майкельсона — Морли были попыткой обнаружить «эфирный ветер» при движении Земли вокруг Солнца, однако они дали отрицательные результаты, что послужило основанием для отказа от гипотезы о существовании эфира. Таким образом, представление об электромагнитном поле как об особом состоянии эфира было заменено новым представлением: электромагнитное поле стало рассматриваться как особая форма существования материи.

В настоящее время теоретическая физика изучает различные типы физических полей: электромагнитное, гравитационное (или поле тяготения), мезонное, электронно-позитронное и др.