18.01 Механика → 18.01.01 Банк ФИПИ

Знаменитый голландский математик и механик Симон Стевин (1548-1620 гг.) известен современникам своими работами во многих областях науки. В математике он ввёл десятичные дроби и на практике применил десятичные счисления для монет, весов и мер. Стевин изобрёл ветряную повозку, использующую парус. Повозка развивала скорость до 34 км/ч, при первом испытании в ней находились 28 человек.

В физике учёный занимался различными вопросами механики и гидростатики, в частности, открыл и опытным путём доказал «гидростатический парадокс». Парадоксом (от греч. paradoxos — неожиданный, странный) в физике обычно называют необычное, неожиданное явление, которое не соответствует привычным представлениям, противоречит (иногда только на первый взгляд) здравому смыслу.

Нальём в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, одну и ту же жидкость до одного уровня (рис. 1). Количество налитой жидкости окажется разным, а давление на дно одинаковое. Таким образом, жидкость может действовать на дно сосуда с силой, превосходящей её собственный вес.

Рис. 1

На рис. 2 представлена схема прибора Стевина, с помощью которого он экспериментально доказал, что давление жидкости на дно сосуда не зависит от формы сосуда.

Рис. 2

В доньях двух сосудов одинаковой высоты были проделаны одинаковые отверстия в виде круга. Отверстия закрывались сверху одинаковыми деревянными дисками K, и в сосуды наливалась вода. Опыт показывал, что деревянные диски прижимались ко дну сосуда с некоторыми силами, измерить которые можно было с помощью противовесов T и S. Измерения показали, что T = S, т.е. силы давления со стороны воды были одинаковые в обоих сосудах.

Один из важнейших законов в разделе физики, изучающем движение потоков жидкости или газа, – закон Бернулли.

Рассмотрим закон Бернулли на примере движения жидкости в трубе переменного сечения (рис. 1). В широких частях трубы жидкость должна течь медленнее, чем в узких, так как количество жидкости, протекающей за одинаковые промежутки времени, одинаково для всех сечений трубы. Давление же внутри жидкости, которое измеряется с помощью манометрических трубок, ведёт себя противоположным образом: давление жидкости больше там, где скорость движения жидкости меньше, и наоборот. Эта зависимость между скоростью жидкости и её давлением известна
в физике как закон Бернулли.

Рисунок 1

Закон Бернулли позволяет объяснить возникновение подъёмной силы – силы, поднимающей самолёт в воздух. Установим крыло под углом к потоку (рис. 2). Скорость движения воздушного потока над верхней поверхностью крыла становится больше скорости под нижней поверхностью. Соответственно, давление воздуха на верхнюю поверхность крыла меньше, чем давление на нижнюю поверхность. Из-за разницы давлений возникает подъёмная сила крыла самолёта.

На скорость света не влияет ни скорость источника света, ни скорость наблюдателя. Постоянство скорости света в вакууме имеет огромное значение для физики и астрономии. Однако частота и длина световой волны меняются с изменением скорости источника или наблюдателя. Этот факт известен как эффект Доплера.

Предположим, что источник, расположенный в точке О, испускает свет с длиной волны λ₀. Наблюдатели в точках A и B, для которых источник света находится в покое, зафиксируют излучение с длиной волны λ₀ (рис. 1). Если источник света начинает двигаться со скоростью v, то длина волны меняется. Для наблюдателя A, к которому источник света приближается, длина световой волны уменьшается. Для наблюдателя B, от которого источник света удаляется, длина световой волны увеличивается (рис. 2). Так как в видимой части электромагнитного излучения наименьшим длинам волн соответствует фиолетовый свет, а наибольшим  — красный, то говорят, что для приближающегося источника света наблюдается смещение длины волны в фиолетовую сторону спектра, а для удаляющегося источника света  — в красную сторону спектра.

Изменение длины световой волны зависит от скорости источника относительно наблюдателя (по лучу зрения) и определяется формулой Доплера:

Эффект Доплера нашёл широкое применение, в частности в астрономии, для определения скоростей источников излучения.

Примерно 100 лет назад американский астроном Весто Слайфер обнаружил, что длины в спектрах излучения большинства галактик смещены в красную сторону

В 1607 году Галилео Галилей впервые в истории физики предпринял попытку определить скорость света с помощью следующего опыта: два наблюдателя (А и В), снабжённые закрывающимися фонарями, расходились на большое расстояние D друг от друга (рисунок 1). Наблюдатель А открывал свой фонарь, и свет через некоторый промежуток времени доходил до наблюдателя В, который в тот же момент открывал свой фонарь. Когда второй сигнал доходил обратно до наблюдателя А, тот отмечал время t, протёкшее от момента подачи им сигнала до момента его возвращения. Тогда скорость света с можно было бы рассчитать по формуле: c=2D/t

Рис. 1

Однако опыты Галилея оказались неудачными и не позволили определить скорость света.

Похожая схема опыта была применена в 1630 году французским учёным М. Марсенном для определения скорости звука в воздухе. Марсенн поставил на определённом расстоянии D двух человек. Один выстрелил из мушкета (огнестрельного оружия), а другой отметил время τ, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до него звуком. Поделив расстояние на время, Марсенн нашёл, что скорость звука v равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 метрам в секунду (м/с). Опыты Марсенна оказались неточными (скорость звука в воздухе на самом деле составляет примерно 330 м/с), но впервые позволили оценить порядок величины для скорости звука. В 1738 году французская Академия наук повторила опыт по измерению скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду.

В 1826 году швейцарские физики Ж. Колладон и Ш. Штурм на Женевском озере провели опыт по измерению скорости звука в воде. Экспериментаторы разъехались на лодках на расстояние D = 14 км друг от друга. На одной лодке производилась вспышка пороха, и одновременно молоток ударял по колоколу, опущенному в воду. На другой лодке измерялось время между вспышкой от пороха и появлением звука в слуховом рупоре, также опущенном в воду (рис. 2). Для скорости звука в воде было получено значение, равное 1440 м/с.

История наших знаний о Меркурии уходит корнями в глубокую древность, это одна из первых планет, известных человечеству. Меркурий наблюдали еще в древнем Шумере, одной из первых развитых цивилизаций на Земле. Древние римляне назвали планету в честь бога Меркурия
(в греческом варианте Гермеса), покровителя торговли, ремесел, а также посланца других олимпийских богов.

С чем связана такая ассоциация? Год на планете длится всего 88 дней, Меркурий – самая быстрая планета.

Меркурий – это ближайшая к Солнцу и самая маленькая планета Солнечной системы. При пролёте мимо Меркурия космического аппарата «Маринер-10», запущенного в 1973 г., было установлено наличие у планеты предельно разреженной атмосферы, давление которой в 5⋅10¹¹ раз меньше давления земной атмосферы. В таких условиях атомы чаще сталкиваются
с поверхностью планеты, чем друг с другом. Атмосферу составляют захваченные из солнечного ветра или выбитые солнечным ветром
с поверхности атомы гелия, натрия, кислорода, калия, аргона, водорода. Имеющейся у Меркурия гравитации недостаточно для поддержания плотной атмосферы.