Дизайнер обложки Марта Миронова

Иллюстратор Екатерина Аникина

© Андрей «Dront» Ильин, 2018

© Марта Миронова, дизайн обложки, 2018

© Екатерина Аникина, иллюстрации, 2018

ISBN 978-5-4490-2051-2

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

От автора

В школьные годы меня очень раздражало то, что учебники по всем предметам пишутся сухим академическим языком. По мне, читать такие учебники, не имея представления о предмете, – адская мука из серии «без пол-литра не разберёшь». Иногда мне даже казалось, что именно по этой причине особо тянущиеся к знаниям ученики (равно как и те, кто школьные знания жёстче всего отторгают) могут быстро начать пить.

Ладно, глупые шутки в сторону. Поскольку школьная и студенческая жизнь у меня остались позади вместе со всеми наивными надеждами на тему «есть ещё такие учебники или неофициальные издания, в которых объясняются все те же вещи, что и в школе, но как можно более простым языком», я решил написать собственный опус на эту тему.

Почему именно физика? Полагаю, потому, что у меня техническое образование, и сей предмет впрессовывали в мою голову тысячами часов и сотнями страниц (я серьёзно), как в школе, так и в университете. Однако, смотря на то, как мучаются другие люди в попытке понять, как, зачем и почему происходят все те природные явления (не побоюсь этого заумного выражения), факты о которых так скрупулезно и точно разъясняются в учебниках (или читаются на лекциях), возникло желание помочь всем страждущим. А поскольку вся техника держится на физике, то волей-неволей приходилось разбираться во всех свалившихся на голову умных изречениях.

А вот дальше нужно написать большими красными буквами:

ВНИМАНИЕ! Это «собрание сочинений» нельзя использовать как учебник!

Книгу вполне можно считать за шпаргалку, «объяснялку», или даже использовать не по назначению (мало ли будет плохое настроение, да ещё вдобавок не поймёте очередную порцию умных мыслей… всякое бывает). Но если будет соблазн прийти на экзамен, держа в зубах только эту книгу, – не надо. Не поймут. Или поймут, но неправильно. Система образования (и – уж тем более – науки) терпеть не может, когда научные вещи объясняют простыми словами. Именно поэтому в конце каждого раздела я буду подсказывать, как можно рассказывать объяснённые вещи более сухим, но и более правильным языком.

1 / 5: Механика

Кинематика
Что это вообще такое, и зачем это нужно?

Раздел школьной механики про движение состоит из трёх основных частей: кинематики, динамики и статики.

Проще всего это объяснить так. Например, ты идёшь по улице, и вдруг на пути появляется яма. Не заметив её, ты падаешь. Говоря умным словом – движешься.

И все эти три раздела смотрят на это движение каждый со своей стороны.

Так вот. Кинематика – это:

Как ты движешься? (Вниз, ускоряясь.) Когда остановишься? (Когда долетишь до дна.) Через какое расстояние остановишься? (Ровнёхонько глубина ямы, ну и углубление, оставленное туловищем, если хорошо упадёшь.)

Динамика – это: почему ты начал двигаться, почему продолжаешь это делать и почему закончил (если закончил). Например: начал потому, что это сила притяжения Земли к тебе такая вредная, и продолжаешь лететь, потому что она по-прежнему действует.

А статика – это что надо делать, чтобы ты оставался в равновесии. То есть когда занёс одну ногу над ямой, надо было успеть сообразить, что делаешь, и убрать её обратно, и в то же время податься туловищем немного назад.

Говоря чуть более умным языком: кинематика как бы отвечает на вопрос «как тело движется?», динамика – «почему тело движется?», а статика – «при каких условиях тело будет в равновесии?».

Кругом умное слово: движение. Оказывается, и это тоже понятие! Причём оно настолько заумное, что означает всего-навсего изменение. Просто изменение, и всё. В широком смысле – то есть в физике вообще. Если брать более узко, то механическое движение – это когда что-то меняет своё положение.

Но есть один подкол. Вспомним детство: едем на машине, автобусе, электричке… это не так важно, – и смотрим в окно. И кажется, будто дома или деревья едут мимо тебя, а ты стоишь на месте. А вот если на тебя посмотрит кот из окна первого этажа дома (мимо которого проезжаешь) – ему будет казаться, что ты движешься.

Короче, суть всей этой маленькой шизофрении – движением можно считать что-то, только если это движется относительно чего-то.

Нет, это ещё не страшная теория относительности Эйнштейна, не надо пугаться. Обзывается сие хозяйство «системой отсчёта». Вот поставил на себе жирную белую точку мелом – всё, теперь считаешь себя точкой с координатами (0;0;0). А тот момент, когда поставил точку – это считаешь, что пошло время (с 0 секунд и до бесконечности… плюс бесконечности – для особых умников). Всё, теперь ты – система отсчёта! Относительно тебя, например, крутятся Земля и другие планеты. Ну прямо центр Вселенной!

Вкратце и поумнее: для положения тела необходимо определить систему отсчёта (это «отправная» точка с координатами (0;0;0) и начало отсчёта времени), относительно которой будет считаться всё, что связано с тем, как оно движется. Если относительно данной системы отсчёта тело меняет своё положение, то считаем, что оно двигается.

Материальная. И точка!

Вот не могут физики без упрощений, хоть убей. Что мешает взять, например, самолёт и посчитать, как он летит? Нет, это слишком сложно для умных мозгов местных учёных! Для этого, видите ли, надо считать, как движется чуть ли не каждая точка сего транспортного средства. А из скольких точек состоит самолёт? А пёс его знает. Даже что такое точка, те же умники учёные сказать не могут: это настолько простой термин, что его даже не определить. Поэтому тут в мозгах у них происходит что-то, похожее на деление на ноль в калькуляторе: точек настолько много, что их всех не посчитаешь. А значит, не посчитаешь и весь самолёт! Ну и что тогда делать?

А вот что. Мы встанем далеко-далеко от самолёта – говоря проще, вернёмся с неба на землю. Нет, совсем на землю. А самолёт поднимем ещё выше. Настолько высоко, чтобы он казался точечкой. Во, теперь получилась материальная точка.

Самолёт кажется отсюда настолько малым, что его размерами можно пренебречь: сколько он там метров в длину, и какой у него размах крыльев, уже не интересует. Летит себе одной точкой, и всё: одну эту точку теперь можно посчитать. Материальную точку, выражаясь умным языком. Но главное – не отрываться при этом от земли! Ну и, чтобы всё совсем было хорошо, надо на земле поставить точечку (0;0;0) и включить секундомер. Всё, поехали… то есть полетели. Считать.

Вкратце и поумнее: материальная точка – это модель тела, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Для простоты счёта все тела, которые можно рассматривать как материальные точки, рассматриваем именно так.

Траектория? Перемещение? Не, не слышал

Ну хорошо, выбираем самолёт. Посмотрим, как он летит весь свой путь. Вот он разгоняется на взлётно-посадочной полосе в аэропорту, отрывается от земли, взмывает ввысь, летит… Затем снова снижается, тормозит и останавливается уже на месте назначения. Если бы он чертил за собой линию, то получилась бы дуга. (Напоминаю, мы смотрим по-прежнему настолько издалека, что самолёт кажется точкой. Будь мы ближе – конечно, это была бы не дуга.) По-умному сия дуга называется траекторией. Если померить её длину, то получим путь. Тот самый, который в начальной школе считается, как скорость, умноженная на время. Но если бы всё было так просто… Помимо пути, есть ещё перемещение. Слово похожее, но значит другое. Перемещение – это если соединить начальную и конечную точки прямой линией. То есть, получается, самый короткий из всех возможных путей: обычный путь может быть изогнут хоть буквой Зю, а этот всегда только отрезок. Но здесь есть ещё один подвох. Перемещение – это ещё и направленный отрезок. Зачем такое умное нагромождение? Потому, что физика тесно сплетена с математикой. Мы же не просто так поставили точку (0;0;0) и включили время – теперь в тех координатах, которые мы создали, можно считать всё, что требуют от бедных нас в тоннах задач. И считать нужно именно по перемещению, а не по пути. В конце концов, нам же выгоднее добираться до места назначения быстрее всего, то бишь кратчайшим путём? А стрелочка ставится затем, чтобы точно знать, откуда и куда держим наш путь… нет, наше перемещение.

Вкратце и поумнее: траектория – воображаемая линия, по которой движется материальная точка. Путь – длина траектории. Перемещение – направленный отрезок (или уж совсем по-умному – вектор), соединяющий точки, соответствующие начальному и конечному положению тела.

И всё-таки: ну зачем нужны все эти упрощения?!

Всё, наконец-то все приготовления закончили. Теперь, собственно, а зачем всё это было нужно. Считается, что полный венец любой решённой задачи механики, когда всё становится хорошо, – это когда мы можем знать:

а) в какой момент наше подопытное туловище где находится;

б) суметь предсказать его движение в дальнейшем,

или в) по нынешнему его движению показать, что было «до того». (Ну прямо как детектив.)

Вроде бы кажется страшно сложным, но строгая математика тут грозит пальцем: для неё ничего сложного здесь нет. Почему? Потому, что можно выделить всего три основных вида движения: равномерное прямолинейное, неравномерное и равномерное движение по окружности.

Равномерное прямолинейное – это как на шоссе. Втопил газу до круиз-контроля на 120 – и езжай хоть целый день, если дорога достаточно длинная. Всё время едешь постоянно 120 км/ч – значит, движешься равномерно. И прямолинейно, если без крутых поворотов. Если 120 вдарить на кольцевой дороге, получится движение по окружности. А если нажать на тормоз и держать педаль в одном положении, пока не остановишься – получится неравномерное движение. Если совсем точно – равнозамедленное: тормозишь, едешь всё медленнее и медленнее, причём каждую секунду скорость понижается одинаково.

То есть, по-русски: равномерное – значит, за любой промежуток времени у тебя будет одно и то же перемещение. Если взять ту же машину, то за каждый час это будет 120 километров ровно, за каждую минуту – 20 км, ну и так далее. Неравномерное – это всё, что отличается от равномерного. За один час проехал 119 км, а за второй 120, – всё, если считать строго, это уже неравномерно. Движение по окружности стоит особняком: там перемещение получается всегда меньше, чем любой из путей (особенно если приезжаешь ровно в ту же точку, откуда уехал). Но если скорость по значению остаётся одна и та же, то оно будет равномерным.

Да. Скорость. К счастью, это та же самая скорость, с которой привыкли обычно иметь дело. Только в физике мерят её не в километрах в час, а в метрах в секунду. Это если говорить о её значении, или – по-умному – о модуле. Да-да, тот самый модуль с палочками из математики. К сожалению, он не полностью определяет скорость в физике. А полностью будем определять, если ещё и зададим ей направление. То есть – по-умному – получается вектор. Отрезок со стрелочкой: если знаешь, куда он направлен и сколько у него длина, только тогда всё хорошо. Тогда скорость известна.