Закон всемирного тяготения
В 1682 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он звучит так: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:
|
Закон всемирного тяготения F — сила тяготения M — масса первого тела (часто планеты) m — масса второго тела R — расстояние между телами G — гравитационная постоянная G = 6,67 · 10−11м3 · кг−1 · с−2 |
Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше примерно в шесть раз.
Закон всемирного тяготения используют, чтобы вычислить силы взаимодействия между телами любой формы, если размеры тел значительно меньше расстояния между ними.
Если мы возьмем два шара, то для них можно использовать этот закон вне зависимости от расстояния между ними. За расстояние R между телами в этом случае принимается расстояние между центрами шаров.
Задачка раз
Две планеты с одинаковыми массами обращаются по круговым орбитам вокруг звезды. У первой из них радиус орбиты вдвое больше, чем у второй. Каково отношение сил притяжения первой и второй планеты к звезде?
Решение
По закону всемирного тяготения сила притяжения планеты к звезде обратно пропорциональна квадрату радиуса орбиты. Таким образом, в силу равенства масс отношение сил притяжения к звезде первой и второй планет обратно пропорционально отношению квадратов радиусов орбит:
По условию, у первой планеты радиус орбиты вдвое больше, чем у второй, то есть R1 = 2R2.
Это значит, что:
Ответ: отношение сил притяжения первой и второй планет к звезде равно 0,25.
Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Задачка два
У поверхности Луны на космонавта действует сила тяготения 144 Н. Какая сила тяготения действует со стороны Луны на того же космонавта в космическом корабле, движущемся по круговой орбите вокруг Луны на расстоянии трех лунных радиусов от ее центра?
Решение
По закону всемирного тяготения сила притяжения космонавта со стороны Луны обратно пропорциональна квадрату расстояния между ним и центром Луны. У поверхности Луны это расстояние совпадает с радиусом спутника. На космическом корабле, по условию, оно в три раза больше. Таким образом, сила тяготения со стороны Луны, действующая на космонавта на космическом корабле, в 9 раз меньше, чем у поверхности Луны, то есть:
144 : 9 = 16 Н
Ответ: на расстоянии трех лунных радиусов от центра сила притяжения космонавта будет равна 16 Н.
Важный нюанс!
Правильно говорить не «на тело действует сила тяготения», а «Земля притягивает тело с силой тяготения».
Особенности хронографа
Хронографы, это механические механизмы, которые уникальны по своей конструкции, функциям, которые они выполняют и виду. К особенностям прибора относится применение высокоточных секундомеров. Часовой гаджет применяют спортсмены, военные, поклонники разных видов активного отдыха, люди которые занимаются наукой. Но, этот часовой механизм, особенно с несколькими измерительными шкалами, – сложный механический прибор, который требует правильного соблюдения инструкции по эксплуатации и купив его, вы получите много полезных, дополнительных функций для измерений и наблюдений — харизматичный элемент стиля. Пользуйтесь сертифицированными аксессуарами известных мировых компаний и Вы гарантировано приобретёте хитроумное устройство, которое прослужит долго, его можно будет оставить в наследство своим потомкам.
Абсолютное и относительное измерение вакуума
Давления, измеренные на шкале, которая использует нулевое значение в качестве опорной точки, называются абсолютными давлениями. Атмосферное давление на поверхности Земли изменяется, но составляет приблизительно 105 Па (1000 мбар). Это абсолютное давление, потому что оно выражается в отношении нулевого.
Датчик предназначенный для измерения давления, выраженного в отношении атмосферного давления, и, таким образом, показывающий ноль, когда его измерительный порт содержит молекулы при атмосферном давлении. Измерения проводимые таким датчиком известны как измерение давления в относительном режиме. Таким образом, разница между значением абсолютного давления и значением избыточного является переменным значением атмосферного:
Абсолютное = избыточное + атмосферное.
Чтобы избежать серьезных ошибок, важно знать какой режим измерения вакуума используется: абсолютный или относительный
Обратите внимание, что эталонная линия для измерений калибровочной моды не является прямой, что иллюстрирует изменчивость атмосферного давления.
Разновидности хронографов
Все существующие сегодня хронографы делятся на два вида: flyback и сплит-хронограф.
Flyback – это хронограф, в котором предусмотрена возможность моментального перезапуска. Он необходим, если нет надобности в измерении времени до долей секунды. В нем возникает потребность у летчиков, которые выполняют маневры в конкретные промежутки времени. До очередного временного интервала летчик успевает перезагрузить устройство и подготовиться к новой фигуре.
Flyback-хронограф
Сплит-хронограф потребуется тогда, когда нужно измерить время пары действий. К примеру, если тренеру необходимо замерить бег атлетов, которые соревнуются один с другим. С помощью split-хронографа он легко это выполнит.
Сплит-хронограф
Существуют модели, в которых предусмотрено две секундные стрелки. Они находятся посередине циферблата и располагаются друг над другом. Тем не менее, если необходимо замерить длительность двух действий, которые начинаются одновременно, а заканчиваются в разное время, то лучше отдать предпочтение обыкновенному хронографу, обладающему опцией сплит.
Особенности современных хронометров
Современные хронометры могут иметь различный вид и по-разному функционировать. Кроме того, большинство хронометров ныне обладают опцией хронографа. Сегодня можно увидеть:
- усложненные и прихотливые механические либо многофункциональные механизмы и безукоризненно работающие кварцевые модели;
- простые и суммирующие хронометры;
- однострелочные и многострелочные аксессуары;
- тахометрические экземпляры.
Поскольку получить статус «невероятно точных часов» достаточно трудно, то встретить хронометры в коллекционных сериях наручных ходиков довольно сложно.
Однострелочный хронометр
Общее дело
Судя по древнейшим сохранившимся устроениям, первые приборы измерения времени были календарно-астрономическими. Воткнутая в землю палка отслеживала движение солнечной тени, в ночные часы ее сменяло устройство, фиксирующее положение созвездий. Наблюдение за лунными фазами привело к появлению концепции календарного месяца. Более сложные архитектурные конструкции позволяли рассчитывать длительные годовые циклы, опять же основанные на вращении небосвода. То есть фактически за «время» было принято обычное движение физических тел — планет, звезд и спутников — и их условное соотношение.
На первых порах это никак не помогло людям понять правду об устройстве Вселенной или хотя бы Солнечной системы, но зато мысль о времени способствовала другому: люди смогли между собой договориться.
Если речь идет о скромной жизни аграриев, которым достаточно помнить, когда сеять, когда жать, и не забыть, зачем они все это посадили, то условного сезонного календаря вполне достаточно. Но чтобы организовать более сложную жизнь социума, в котором есть и общественный порядок дел, и запланированные события, то уже не обойтись без общих, понятных каждому часов и календаря.
Хронометр – часы? Или нет?
Сейчас любые часы можно называть хронометром, однако в часовой индустрии в профессиональных кругах этим термином принято называть максимально точные часы. Главное достоинство любого измерителя времени заключается в его точности. Любой статусный атрибут, украшенный самым роскошным корпусом, считается непригодным и бесполезным, если не выполняет свою важнейшую функцию – сообщать точное время.
Что такое хронометр в современном мире? Мы можем наблюдать, как их сейчас оснащают различными сложными функциями. Их количество вызывает, порой, трепет и ужас перед современными технологиями. Как уже упоминалось, происходит некоторая путаница в понятиях, ведь еще хронометр частенько путают с таким термином как хронограф, который является отдельным механизмом в хронометре для записывания времени. Вобщем, ошибаться не нужно. На сегодня хронометр — часы с максимальной точностью, получившие соответствующий сертификат COSC после многочисленных испытаний. Прошедшие их на «отлично». Одним словом, эта статья поможет вам разобраться в том, что такое хронометр.
Вакуумный диод
Одним из типичных устройств, использующих проводимость безвоздушного пространства, является вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Если на её положительный вывод подаётся обратное напряжение, то все испущенные катодом электроны возвращаются. При прямом же смещении носители зарядов устремляются к аноду. Другими словами, происходит выпрямление переменного сигнала. Устройство работает как диод.
Исследовать появление электрического тока в вакууме и газах можно с помощью радиоэлемента, состоящего из следующих частей:
- запаянной колбы;
- электрода из металла (анод);
- вольфрамовой спирали (катод);
- реостата.
Реостатом можно регулировать температуру катода. Переменным сопротивлением устанавливается разность потенциалов между положительным и отрицательным выводом. Вольт-амперная характеристика, то есть зависимость анодного тока от напряжения будет формироваться следующим образом. Допустим, напряжения нет. Тогда электроны, вылетевшие из катода, притянутся обратно. Ток в цепи анода не течёт. Если на вывод подать отрицательный сигнал, то электроны будут отталкиваться. Ток снова не течёт.
Когда на анод поступает положительное напряжение, то возникает электрическое поле. Оно создаёт силу, направленную в сторону анода. Скорость полёта электронов разная, так как некоторые из них отталкиваются от уже ранее вылетевших частиц. Чем больше будет напряжённость поля, тем сильнее начнёт протекать ток. Но изменение будет происходить не линейно. Например, если увеличить напряжение в два раза, то число электронов, вылетевших из катода, увеличится в больше раз, чем это число. Чем больше разность потенциалов, тем меньше пространственный заряд электронов.
На графике эта зависимость будет представлять полукубическую параболу. Описать её можно приблизительной формулой: I = U3/2. Если продолжить поднимать напряжение, то напряжённость становится намного больше поля, создаваемого пространственным облаком. Все электроны начнут добираться до анода. Сила тока уже не будет зависеть от напряжения. На ВАХ это изображается прямой линией, а эффект называется током насыщения.
Все течет
Следующие, кто всерьез, даже с некоторым отчаянием, задумались о времени, были античные философы V века до н. э. Представители Элейской школы Парменид и Зенон, Гераклит Эфесский и впоследствии развивший его идеи Аристотель не удовлетворялись ощущением времени как простым отображением физического движения и вечно повторяющегося цикла. Главным достижением античной мысли было то, что время — это тоже вид движения, но иного рода, выражающийся, например, в созидании и энтропии. Даже неподвижный физический объект «движется», потому что каждый миг «меняется», и хоть это движение нельзя зафиксировать, его и нельзя сбрасывать со счетов.
Что можно найти в вакууме?
Традиционно, в учебниках физики и при описании технологий используется слово вакуум без глубокого погружения в осознание этого термина. Обсудим лишь основные примеры и покажем, что тот вакуум, который мы когда-то считали пустотой, вовсе не пустота.
Космическое пространство
Тут всё довольно занятно. С древних времен считается, что в космосе совсем ничего нет. Так написано в некоторых учебниках и используется такая абстракция для упрощения.
Это убеждение было полностью раскритиковано, когда выяснилось, что радиоволны путешествуют по этому пространству вполне себе неплохо, хотя не магнитных полей, ни другой пригодной среды для существования волны там нет. Тут же появлялись и теории эфира, которые обычно очень сильно критикуются.
Современная наука предполагает, что космический вакуум не пустой. Там, как минимум, можно встречать единичные атомы водорода или другие частицы, попавшие туда самыми разными способами. Но присутствие других объектов пока предположить сложно. Получается, космос не пуст и вакуум там — лишь условность. Значит, и стандартное представление про пустоту не состоятельно.
Вакуум в технической установке
Даже если представить, что внутри камеры какой-либо установки удалось создать сверхвысокий вакуум, то нужно помнить ещё кое о чём. Сама установка имеет специфику рассыпать в вакууме.
Вы когда-нибудь нюхали металл? Нет? А зря!
Металлические образцы имеют некоторый запах. Это частицы поверхностного слоя начинают диффундировать и образуют запах. Также ведут себя и стенки камеры. Они будут диффундировать во внутренне пространство и загрязнять вакуум. Причем, даже более активно, чем без технического вакуума.
Ну а помимо этого есть и ещё множество составляющих вакуума, которые будут присутствовать внутри и пока мы не понимаем, что это именно.
Вакуум в современной физике
Современная же физика относится к этому вопросу весьма интересно и настороженно. Физики говорят, что вакуум не пустой, но что именно там находится никто до конца не понимает. Всё начинается с того, что и состояние обычного вещества никто полностью описать не может.
Недавно я рассказывал, что наука пока не понимает, из чего состоит вещество и что является мельчайшей его частью. Значит, предположить, что именно может остаться в вакууме после его получения и выкачивания основной массы тоже очень сложно.
Нужно помнить, что помимо «классических частиц», типа атомов или молекул, в пространстве вакуума могут находиться и такие частицы, как фотоны или нейтрино, которые путешествуют в пространстве и не ощущают преград.
Атомы выкачать насосом вполне можно, однако как быть с частицами, из которых атомы состоят уже не совсем ясно. Не зная строения вещества сложно предположить, что там может остаться. Природа тех же кварков не описана полностью и только изучается. Следовательно, от атомов в пустоте может остаться любой след, но мы пока не понимаем, что он есть.
Вакуум у квантовых физиков — шаг к осознанию?
В квантовой физике вакуум уже не воспринимается как абсолютная пустота, а выдвигается мнение, что если такая среда и существует, то это лишь низшее энергетическое состояние квантового поля. Это не подразумевает полное отсутствие там частиц, а уж тем более и отсутствия квазичастиц.
Вот как описывается мнимая пустота в физическом вакууме .
Такие рассуждения подводят нас к тому, что вещество — это всё же энергия. Появление материи происходит благодаря энергии. Но и сама энергия в «пустом пространстве» должна иметь некоторый «носитель», который остается в вакууме без материи.
Здесь мы упираемся в терминологию и не совсем понятно, можно ли называть эти «остатки» материей в классическом смысле или нет. Ведь речь про энергии и поля, которые не могут сопоставляться с теми же молекулами.
Резюмируя отметим, что ученые сегодня не могут сказать является ли вакуум пустотой с материальной точки зрения или нет. Но даже из известных данных следует, что вакуум не может быть пустой и само слово правильнее использовать лишь как абстракцию для упрощения описания множества процессов.
————
————-
Советую также прочитать на нашем канале:
- Три случая из жизни, когда физика кажется волшебством
- Наука до сих пор не знает из чего состоит вещество. Что уже известно?
- 5 веселых способов уничтожить резьбу
——
Хронографы и хронометры
Пожалуй, чаще всего неразбериха возникает именно вокруг этих двух понятий — хронограф и хронометр. Хронометрами называют особо точные часы, прошедшие тестирование и получившие специальный сертификат, подтверждающий идеальную работу механизма. Хронограф же — это часы с возможностью измерения и фиксации интервалов времени, грубо говоря — часы-секундомер.
На часах-хронометре обычно красуется надпись Certified Chronometer. Чтобы получить это гордое звание, часы отправляют в швейцарский институт хронометрии COSC, где механизм тестируют в различных положениях и при разных температурах. Если показатели всех тестов соответствуют стандартам, установленным COSC, то механизм получает заветный сертификат. Разумеется, такая процедура обходится в кругленькую сумму, добавляя к конечной стоимости часов еще две-три сотни евро.
Практическая ценность: Нужно отметить, что дорогостоящее тестирование вовсе не гарантирует абсолютную точность каждого конкретного хронометра, поскольку точность хода зависит в первую очередь, от привычек владельца часов. Разница температур, активный или пассивный образ жизни, частота завода — все это оказывает самое непосредственное влияние на механизм и может свести на нет все старания производителя. Пожалуй, единственное, что гарантирует сертификат — это гордость обладателя перед своими не сертифицированными конкурентами.
Часы-хронограф можно узнать по дополнительной круговой шкале, нанесенной по периметру циферблата, и двум кнопкам управления, расположенным рядом с головкой завода часов. Изначально разработанные для любителей скачек и регаты, хронографы быстро завоевали расположение представителей самых разных профессий: от спортсменов и военных до инженеров и врачей. Профессиональные хронографы позволяют определять скорость, расстояние до объекта по звуку, пульс и частоту дыхания, и многое другое. Среди популярных моделей наиболее часто встречаются тахиметры — хронографы, измеряющие скорость движения.
Практическая ценность: В профессиональном спорте наручные хронографы практически не применяются из-за низкой точности, а измерять с их помощью скорость движения — удовольствие на любителя. Впрочем, хронограф может оказаться полезен в самой неожиданной ситуации. Например, если во время взрыва на космическом корабле выйдут из строя все приборы, механический хронограф все равно позволит вам провести все необходимые расчеты для возвращения на Землю (доказано на практике). Кроме того, устройство хронографа, обеспечивающее независимую работу секундомера и основного стрелочного механизма, в два раза сложнее, чем в обычных часах — а значит, в нем в два раза больше различных шестеренок, рычажков и винтиков, что не может не вызвать восхищение ценителей.
Солнечные часы и водные часы
Мы никогда не узнаем, кто стал первым, кто попытался изучить структуру измерения времени. Известная нам эволюция приборов для измерения времени началась в Египте. Древние египтяне использовали простые солнечные часы и делили дни на меньшие части. Считается, что уже в 1500 году до нашей эры они разделили интервал между восходом и закатом солнца на 12 частей.
Наши знакомые разделения времени – происходят от вавилонян и евреев (семидневная неделя в Книге Бытия).
Древние римляне во время республики имели восемь дней – включая день покупок, когда люди покупали и продавали вещи. Когда римский император Константин сделал христианство государственной религией в начале 4 века нашей эры, то семь дней в неделю было утверждено официально.
Солнечные часы (это конечно, эффективный инструмент только тогда, когда светит солнце), были доработаны греками и усовершенствованны еще римлянами через несколько веков.
Римляне также использовали водяные часы, которые они откалибровывали от солнечных часов, и поэтому они могли измерять время, даже когда Солнце не светило – ночью или в туманные дни. Известные как клепсидра, эти часы использовали поток воды для измерения времени. Обычно емкость наполняется водой, и вода стекает медленно и равномерно. Маркировка используется для показа прохождения времени.
Изменение продолжительности дня вместе с изменениями времен года в римском мире делало измерения времени гораздо более сложным процессом. Часы исчислялись для дневного времени и основывались на разделении дня. Водяные часы позволял измерять время простым и достаточно надежным способом.
Критика концепции дискретного вакуума
Некоторые считают, что идеи о том, что какие-либо дискретные частицы могут составлять основу физического вакуума, вступают в противоречие с фундаментальными принципами физики, например, с принципом Паули.
Но такое не понимание концепций дискретного вакуума связанно с тем, что такие ученные применяют дискретность к сложно составным понятиям, а затем удивляются почему получилось несоответствие с реальностью.
Несмотря на то, что П. Дирак считал, что физический вакуум порождает дискретное вещество, некоторые предлагают другую концепцию:
Применение такой словесной эквилибристики не должно нас вводить в заблуждение. Конечно, нужно отрываться от стереотипного понимания, но не доводя это до абсурда, когда четкие термины размываются не ясным содержанием. И конечно, же для моделей дискретного физического вакуума связь с теорией эфира очень отдаленная и скорее просто историческая. А поиск более фундаментальной сущности как раз зависит от того на сколько детальна проработана теория физического вакуума, а не от того, что эта теория базируется на дискретности величин. Ведь любую непрерывную величину можно всегда представить с должной точностью дискретными числами, весь вопрос в выборе маштаба. Поэтому вопрос не в том дискретна или непрерывна модель, а в том на сколько она описывает те взаимодейсвия которые происходят в природе. Наоборот, используя дискретную модель мы можем с достаточной точность рассчитать, промоделировать и ясно себе представить, то какие взаимодействия происходят в физическом вакууме.
А тут не нужно путать, то какую малость частиц с развитием техники обнаруживали ученные, с принципиальной картиной мироздания. Уже само то, что признается, что дискретность свойственна веществу, позволяет говорить о том, что на другой стороне у нас есть только иследование не-вещества, некой субстанции которую мы не можем наблюдать. И такое понимание о физическом вакууме не вносит ни какой ясности.
Здесь можно лишь сказать, что такое представление о непрерывном физическом вакууме превращает науку в религию.
Даже сейчас еще можно услышать следующие заявления о критериях фундаментальности:
Здесь стоит только заметить, что такие возрения непременно скатываются к религии, и провозглошению бессконечного Бога. И за всей этой полемикой скрывается псевдонаучные возрения о континуальном вакууме, где объект исследования не может быть наблюдаемым, т.е. ни как себя не проявляет, а представление о его структуре заменяется размытыми понятиями о непрерывности. А говорить о какой-либо эксперементальности вообще не приходится, т.к. признается, что для этого необходимо использовать дискретные модели. Поэтому получаем, что как раз только дискретные модели вакуума могут претендовать на статус научности. Поэтому аргументы аналогичные приведенным в предыдущем разделе не могут считаться объективными и строго научными.
Факторы, влияющие на точность механических часов
Прежде всего, это базовые основы физики – закон силы тяжести. При повседневном ношении положение часов на руке постоянно меняется, что влияет на степень воздействия силы тяжести на колесо баланса. Таким образом, точность хода в разных положениях может различаться, вследствие чего возникает погрешность, которая называется позиционной ошибкой.
С целью минимизации позиционной ошибки швейцарские часы регулируются в нескольких положениях (от двух до шести в зависимости от класса механизма): 1– циферблатом вверх; 2 – циферблатом вниз; 3 – заводной головкой вверх; 4 – заводной головкой вправо; 5 – заводной головкой влево; 6 – заводной головкой вниз. Количество измеряемых положений зависит от качества механизма и желаемой степени точности. Отклонение хода между любыми двумя положениями не должно превышать 20 секунд в сутки.
Колебания температуры являются еще одним негативным фактором. При повышении или понижении температуры стальные детали механизма соответственно расширяются и сжимаются, причем с разной скоростью, что неизменно сказывается на точности.
Магнитные поля также влияют на точность. Это особенно заметно, когда под действием намагниченности слипаются витки спирали баланса, и часы внезапно ускоряют ход на 30 и более секунд в час. В таких ситуациях потребуется специальное размагничивающее устройство, которое желательно иметь каждому любителю механики.
