Квант
Калейдоскоп «Кванта»

А так ли хорошо знакомы вам физические принципы?

Леонович А. А.

Знание некоторых принципов избавляет от необходимости знания многих фактов. Клод Адриан Гельвеций

Теплота не способна переходить сама собой от более холодного тела к более теплому. Принцип Клаузиуса

… одни и те же принципы управляют движениями светил, … равновесием и колебаниями морей, … распределением света, … словом, самыми сложными действиями природных сил… Жан Батист Фурье

Существуют великие принципы, применимые к любым явлениям, такие, как законы сохранения энергии и момента количества движения. Ричард Фейнман

… я открыл принцип, могущий служить основой всех законов движения… Пьер Мопертюи

По Лейбницу, наш мир является лучшим из всех возможных миров, и потому его законы можно описать экстремальными принципами. Карл Зигель

А так ли хорошо знакомы вам физические принципы

«За деревьями не видно леса». Подобным же образом множество частных физических законов порой заслоняют более глубокие, базовые утверждения, называемые принципами, хотя именно их и зачастую воплощают. Наша рубрика их не скрывала – в «Калейдоскопе» были представлены принципы и относительности, и сохранения, и суперпозиции, и виртуальных перемещений … Но, конечно, их перечень этим не исчерпывается, и сегодня мы познакомимся еще с некоторыми из этой знатной когорты. Тем же из вас, кто продолжит серьезно овладевать наукой, предстоят удивительные встречи с новыми принципами, в том числе и с такими, что выходят за рамки даже столь разросшейся дисциплины, как физика. Что ж, остается принципиально, не жалея сил, продвигаться к их постижению. Оно того стоит…

Вопросы и задачи

  1. Из отверстия в стенке сосуда, находящегося в вагоне поезда, вытекает вода. Зависит ли скорость ее истечения от того, стоит поезд на месте или движется равномерно и прямолинейно?2.прямолинейно?^{2.} Стальной шарик, движущийся горизонтально со скоростью 4v, упруго ударяется о массивную стальную вертикальную плиту, удаляющуюся от него со скоростью 3v относительно земли. Какой станет скорость шарика после отскока?

?

  1. В геометрическом центре правильного шестиугольника ABCDEF приложены силы 1 H, 9 H, 5 H, 7 H, 3 H, 11 H, направленные к его вершинам A, B, C, D, E, F соответственно. Найдите модуль и направление равнодействующей силы.4.силы.^{4.} С помощью системы блоков груз массой m 100 кг подняли на высоту h 3 м, прикладывая силу F 250 H. На сколько пришлось вытянуть свободный конец веревки? Массой блоков и трением в них пренебречь.5.пренебречь.^{5.} К двум вбитым на одном уровне гвоздям подвесили цепочку. Затем вместо нее к тем же гвоздям подвесили два стержня такой же длины, скрепленные свободными концами. У какой из этих двух систем центр тяжести ниже?6.ниже?^{6.} Конический буек плавает в воде так, что его ось вертикальна и вершина обращена вверх. Плотность материала конуса составляет 7 8 плотности воды. Во сколько раз высота надводной части конуса меньше всей его высоты?7.высоты?^{7.} Возможен ли идеальный процесс, при котором вся теплота, заимствованная из теплового резервуара, превращается в работу?8.^{8.} Колебания в электрическом контуре затухают. Значит, максимальная величина заряда на любой из пластин его конденсатора становится все меньше. Не противоречит ли это закону сохранения заряда?

34

КВАНТ 2022/№2

(Начало см. на с. 28)

(возникшей час с небольшим назад) частицей. На какое примерно максимальное расстояние равное L удалялась частица от места своего рождения? Почитать о том, что думают физики о нейтрино, можно здесь:

https: elementy.ru nauchno-populyarnaya_biblioteka 435437 Zagadka_malykh_mass_neytrino

Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, однако гравитация на нейтрино действует. Для того чтобы лаборатория и нейтрино снова оказались рядом через такое (сравнительно небольшое) время, равное 69 минутам, нужно, чтобы траектория движения нейтрино и траектория движения лаборатории в системе отсчета (СО), в которой центр Земли считается покоящимся, а оси координат направлены на далекие звезды, лежали в одной плоскости. Это означает, что обе эти траектории находятся в плоскости экватора Земли. Возможны различные гипотетические варианты. В одном из них нейтрино двигалось выше поверхности Земли, а в другом летало в толще Земли (рис.1). При полете

Рис. 1

над Землей форма траектории нейтрино – это часть эллипса, один из фокусов которого совпадает с центром Земли. Для рассмотрения полета нейтрино под поверхностью Земли нужно учитывать, что масса внутри Земли распределена неравномерно, поэтому ускорение свободного падения вплоть до глубины порядка 2800 км остается почти неизменным, а на еще больших глубинах убывает практически линейно до нуля в центре Земли (рис.2). Численные расчеты с учетом зависимости g от глубины показывают, что вариант с движением под поверхностью Земли приводит к времени полета нейтрино большему, чем 69 минут. Это будет так, даже если считать, что ускорение свободного паде-

Рис. 2

ния от поверхности до центра Земли сохраняет свою величину, а после прохождения через центр просто изменяет направление. Иными словами, при любой начальной скорости нейтрино, направленной к центру Земли (в нашей CO), даже в случае постоянства ускорения свободного падения по величине получается время движения туда и обратно больше 69 минут. Поэтому для расчетов остается только вариант с полетом над поверхностью Земли. Известна задача с таким условием: у планеты с такой же гравитацией и с такими же геометрическими размерами, как у Земли, отсутствует атмосфера; планета не вращается; нужно найти время падения камня с высоты, равной радиусу этой планеты, если начальная скорость камня по отношению к планете равна нулю. В этой задаче траектория падения камня – это вырожденная в прямую линию часть эллипса. Первая космическая скорость на этой планете равна v = gR = 7,905 км с. Время одного оборота вокруг этой планеты камня, брошенного с первой космической скоростью горизонтально, равно T = 2 S R v = = 84,335 мин. Поскольку для движения камня в поле тяжести планеты выполняются законы Кеплера, в частности второй закон о секториальных скоростях, то время падения камня будет равно T ( S + 1 ) ( 4 S ) = = 27,785 мин. К моменту падения на поверхность этот камень приобретет скорость, как раз равную первой космической. Следовательно, если камень бросить с поверхности планеты вертикально вверх с такой начальной скоростью, то он поднимется на высоту, равную радиусу плане-