Квант

42

В. Нахшин

Уравнение
думают за нас

Решение любой расчетной задачи по физике состоит из двух частей — физической и математической.

Пока мы обдумаем условия задачи, анализируем, в соответствии с какими физическими законами происходит данное явление, и составляет соответствующее систему уравнений, мы — физики. После этого физика временно отходит на задний план. Теперь мы — математики, и перед нами стоит иные проблемы: как наиболее рационально решить полученную систему уравнений и найти ответ? Причем ответ нужно найти в общем (буквенном) виде, чтобы следа от знака равенства столяюю искомая величины (в буквенном обозначении), а справа — комбинация из только известных величины (то же в соответствующих буквенных обозначениях).

Но вот ответ в общем виде получен, и мы снова обращаемся к физике: прежде чем подставить числовые данные, надо проверить размерность искомой величины и проанализировать ответ с точки зрения егоравоподобности. Если размерность верна и ответ правоподобен, можно подставлять данные и считать.

Описанные этапы решения присущии практических всем задачам. Однако иногда — а именно о таких случаях и будет расссказано в статье — после расчетов получается необходимый абсурдный результат, что свидетельствует о неверном решении. Так бывают, например, когда ни условие задачи, ни интуция, ни здравый смысл не могут подсказать, в какую сторону протекает тот или иной процесс или каков конечный результат.

Приступая к решению такой задачи, мы вынуждены предположить какой-то вариант и в соответствии с ним составить систему уравнений. Если ответ получится абсурдным, отмечаться не стоит. Просто нам не повезло: наше предположение оказывается неверным. Однако определению информации мы все же получили — в предполагаемом направлении процесс не идет. Что же, допустим другой вариант и так далее. Задчача превращается в небольшое исследование, а уравнения — как бы в товарейшей по размышлению. В конце концов они нас не подведут (разумеется, если мы их не подведем, то есть не ошибемся в составлении и решения) и расскажут нам об истинном направлении процесса или о конечном результате.

Рассмотрим несколько конкретных задач.

Задача 1. На вершине церехохватой наклонной плоскости укреплен блок, через которой переброщена нить (рис. 1). К концу пути прикреплены два тела массами m1=3m_1=3 кг и m2=2m_2=2 кг. Найдите ускорение системы и силу треня между первым телом и плоскостью, если коэффициент треня μ=0,5\mu=0,5 и угодна плоскости к горизонту α=30∘\alpha=30^\circ.

Куда ускоряется система и движется ли она вообще? Из условия задачи не ясно. Между тем, знать это очень важно. Так, если система

44

плоскости. Это — проекция силы тяжестии, равная по модулю m1gsin⁡α=15m_1 g \sin \alpha = 15 Н, и сила натяжения нити, модель которого найти из условия покоя второго тела: T=m2g=20T = m_2 g = 20 Н. Следовательно, сила треня покоя направлена вдоль плоскости вниз и равна по модулю

Fтр.п=T−m1gsin⁡α=5 Н.F_{\text{тр.п}} = T - m_1 g \sin \alpha = 5 \text{ Н}.

Кстати, нетрудно убедиться в том, что в данном случае сила треня Fтр.п=5F_{\text{тр.п}} = 5 Н действительно меньше μN=μm1gcos⁡α≈13\mu N = \mu m_1 g \cos \alpha \approx 13 Н.

Задача 2. В калоритер, содержащий m1=3m_1 = 3 ке льда при температуре t1=−10∘Ct_1 = -10^\circ C, влажот m2=2m_2 = 2 ке воды при температуре t2=80∘Ct_2 = 80^\circ C. Какая температура устанавливается в результате теплобмена? Теплоемкость калоритера не учитывать.

Ясно, что конечная температура tt находится в промежутке от — 10 до +80° С:

−10∘C<t<80∘C.-10^\circ C < t < 80^\circ C.

Следовательно, она может быть больше 0°С — температуры тяжения льда, меньше этой температуры или равной ей. Какой именно она оказывается, заранее сказаать нельзя. Будем к целю пробираться «наощупь», перебирая возможность варианты и полагаясь на волю уравнения.

Предположим, что t>0∘Ct > 0^\circ C, то есть что в калоритере будет только вода. Тогда лед получает тепло в три этапа: будучи собственно льdom, нагреваясь от — 10 до 0°С, превращаясь в воду при 0°С и, будучи уже водой, нагреваясь от 0°С до tt. При этом вода отдает тепло только при охлаждении от температуры t2t_2 до tt. Запишем соответствующее уравнение теплового баланса:

c1m1(0−t1)+λm1+c2m2(t−0)+c2m2(t−t2)=0,c_1 m_1 (0 - t_1) + \lambda m_1 + c_2 m_2 (t - 0) + c_2 m_2 (t - t_2) = 0,

где c1=2,1⋅103c_1 = 2,1 \cdot 10^3 Дж/(кг·К) и c2=4,2⋅103c_2 = 4,2 \cdot 10^3 Дж/(кг·К) — удельные теплоемкости льда и воды, а λ=3,4⋅105\lambda = 3,4 \cdot 10^5 Дж/кг — удельная теплота плавления льда. Отсюда найдем

t=c1m1t1+c2m2t2−λm1c2(m1+m2).t = \frac{c_1 m_1 t_1 + c_2 m_2 t_2 - \lambda m_1}{c_2 (m_1 + m_2)}.

Подставив числовые данные, получаем t<0∘Ct < 0^\circ C. Значит, нашед предположение неверно.

Теперь допустим, что t<0∘Ct < 0^\circ C. В таком случае вода отдает тепло в три этапа — охлаждаясь до 0°С, превращаясь в лед при 0°С и в качестве льда охлаждаясь до искомой температуры tt, а первогочный лед получает тепло только в один этап — нагреваясь от t1t_1 до tt:

c1m1(t−t1)+c2m2(0−t2)−λm2+c1m2(t−0)=0.c_1 m_1 (t - t_1) + c_2 m_2 (0 - t_2) - \lambda m_2 + c_1 m_2 (t - 0) = 0.

Решив это уравнение, получаем

t=c1m1t1+c2m2t2+λm2c1(m1+m2).t = \frac{c_1 m_1 t_1 + c_2 m_2 t_2 + \lambda m_2}{c_1 (m_1 + m_2)}.

Подставим числовые данные и убедемся, что t>0∘Ct > 0^\circ C. Следовательно, и второе предложение было неверным.

Остается единственный вариант: t=0∘Ct = 0^\circ C. Это и будет ответом задачи.

Здесь мы предвидим некоторое устройство досады у читателя: почему автор нарочито подбирает примеры, где все пероначальные предложения оказываются неверными, и оба столбцы громоздких решений приводят к сравнительно простым результатам (a=0,t=0∘Ca = 0, t = 0^\circ C)? Почему бы, в самом деле, не предложить заранее именно эти простые варианты?

Такой путь возможно, но облегчения он не сулит. Так, в первой задаче, предложив покой и не имея при этом формулы для силы треня покоя, мы должны создать систему из трех уравнений равновесия, но, решив ее и найти силу треня, надо обязательно проверить, действительность ли она меньше силы треня скольжения. Если оказывается, что нет, придется все решения, описанное выше, начинать сначала.

Во второй задаче, предложив t=0∘Ct = 0^\circ C, мы должны подтвердить это уравнение теплового баланса, но неизвестно, как его составить. Мы не знаем, что равные до нулю: лед «снизу» или вода «сверху», и как следствие — расплавился ли часть (и какая часть) льда или замерзла часть воды? Можно, конечно, что-то предложить, но число вариантов будет не меньше, а даже больше, чем в приведенном выше решении.

Задча 3. Найди теки во всех ветях схемы, изображенной на рисунке 4. Здесь G1=G2=G3=1\mathcal{G}_1 = \mathcal{G}_2 = \mathcal{G}_3 = 1 В,

45

Рис. 4.

r1=r2=r=1 Ом и R1=R2=R3=R=10 Ом.r_1 = r_2 = r = 1 \text{ Ом} \text{ и } R_1 = R_2 = R_3 = R = 10 \text{ Ом}.

Предположим, что точки I1,I2I_1, I_2 и I3I_3 направлены так, как показано на рисунке 4, хотя мы достоверно этого и не знаем. Если мы ошиблись, соответствующие уравнения нас поправят.

Поскольку в точках разветвления (узлах) электрический заряд не накапливается, заряд, поступающий в единицу времени в узел, равен заряду, уходящему из узла за то же время, то есть

I1=I2+I3.I_1 = I_2 + I_3.

Выделим в данной схеме два простых замкнутых контура, например левый и правый, и выберем в них направления обхода, например против часовой стрелки. Согласно закону сохранения энергии, алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме подений направления:

E=I1R+I1r+I2r+I2R,\mathcal{E} = I_1 R + I_1 r + I_2 r + I_2 R,
−E=−I2R−I2r+I3R.-\mathcal{E} = -I_2 R - I_2 r + I_3 R.

Обединиим полученные уравнения в систему и для простоты подставим числовые данные:

{I1=I2+I3,10I1+I1+I2+10I2=0,10I2+I2−10I3=1.\begin{cases} I_1 = I_2 + I_3, \\ 10 I_1 + I_1 + I_2 + 10 I_2 = 0, \\ 10 I_2 + I_2 - 10 I_3 = 1. \end{cases}

Решив эту систему, найдем

I1=−131 А,I2=131 А,I3=−231 А.I_1 = -\frac{1}{31} \text{ А}, \quad I_2 = \frac{1}{31} \text{ А}, \quad I_3 = -\frac{2}{31} \text{ А}.

Первый и третий точки получились отрицательными. Это означает, что наши предположения об их направлениях оказались неверными. Числовые значения мы нашли верно, а направления этих токов — противоположны предполагаемым.

Задча 4. Тело брошено вертикально вверх с начальной скоростью v0=25 м/сv_0 = 25 \text{ м/с}. Через какое время оно будет на высоте h=40 мh = 40 \text{ м}?

Запишем извесную формулу для координаты тела, брошенного вертикально вверх (положительный считаем направление вверх):

h=v0t−gt22.h = v_0 t - \frac{g t^2}{2}.

Решая его относительно tt, получим

t=v0±v02−2ghg.t = \frac{v_0 \pm \sqrt{v_0^2 - 2gh}}{g}.

Однако при подстановке числовых данных выясняется, что выражение под корнем отрицательно. Что это означает?

Оказывается, это уравнение на своем языке подсказывает нам, что данное тело вообще не достигает такой высоты. В самом деле, максимальная высота подема hmax=v02/2g≈31,5 мh_{\text{max}} = v_0^2 / 2g \approx 31,5 \text{ м}, что меньше h=40 мh = 40 \text{ м}.

Так что бывают случаи, когда уравнение «думают» неожиданно, незапланированно.

Англійский естественный томас Гексли однажды сравнил математику с жерновами, перемалывощими только то, что в них засыпано, не более того. Приведенные примеры иллюстрируют эту мысль — если в уравнение была заложена неверная идея, решение выдост «шелуxy» и тем самым подолкнет нас к пониску рационального «зерна».

Уражнения

  1. Оdnородный рычаг массой m=10m = 10 кг опирается на опор, находящегося на расстоянии l1=25l_1 = 25 см от его левого конца. Длина рычага l=1l = 1 м. Клевому концу рычага подвешен груз массой m1=2m_1 = 2 кг. С какой силой надо действовать на правый конец вниз под углом α=30∘\alpha = 30^\circ к горизонту, чтобы рычаг находился в равновесии?

  2. В卡尔итерр, где находится m1=1m_1 = 1 кг льда при температуре t1=0∘Ct_1 = 0^\circ \text{C}, впускают m2=500m_2 = 500 г водяного пара при температуре t2=100∘Ct_2 = 100^\circ \text{C}. Какая температура установится после того, как произойдет теплобмен? Теплоемкость卡尔итера можно пребежать.

  3. Тело брошено вертикально вверх с начальной скоростью v0=15 м/сv_0 = 15 \text{ м/с}. Какой путь пройдёт оно за t=2t = 2 с полета? Ускорение свободного падения считать равным g=10 м/с2g = 10 \text{ м/с}^2.