Новосибирск 1999

1. Использование законов сохранения импульса и момента импульса в современной цивилизации

Законы сохранения импульса и момента импульса выполняются при любом взаимодействии, об этом свидетельствуют многочислен­ные экспериментальные данные. Таким образом, эти законы спра­ведливы в мега-, макро- и микромире, и называются великими за­конами сохранения.

В мега мире закон сохранения момен­та импульса объясняет наблюдаемую форму галактик. Каждая галактика об­разовывалась из очень большой массы газа (порядка 1039—1040 кг), обладаю­щей первоначальным моментом им­пульса.

Широкое применение в современ­ной технике имеет гироскоп. Гироскоп — это осе симметричное тело, быстро вращающееся вокруг своей геометрической оси. Простейшим примером этого прибора слу­жит знакомая всем еще с детства игрушка — волчок. Ось вращения сохраняет свое направления в пространстве неизменным, если для удержания гироскопа использовать так называемый карданов подвес. Такие устройства нашли широкое применение в авиации и космо­навтике, в устройствах, обеспечивающих ориентацию судов вблизи магнитного поля Земли.

При выборе огнестрельного оружия предпочтение отдается нарез­ному по сравнению с гладкоствольным. Нарезное оружие, как изве­стно, стреляет на большие расстояния и с большей точностью. Про­ходя через ствол, пуля закручивается и приобретает момент импуль­са, направленный вдоль скорос­ти ее движения. Этот момент им­пульса придает пуле устойчивую ориентацию в пространстве, так, что различные турбулентности воздуха, возникающие в силу быстрого ее движения, не могут отклонить ее от цели.

Из опытных данных хорошо известно, что элементарные час­тицы обладают внутренним мо­ментом импульса.

Экспериментальные методы исследования элементарных частиц основаны на законе сохранения импульса. При столкновении элемен­тарные частицы оставляют видимые следы (треки) в специальных камерах, заполненных перенасыщенными парами воды или перегре­той жидкостью. При этом выводы о массе и свойствах эле­ментарных частиц делаются на основании закона сохранения импульса.

В игре "бильярд" сталкиваются шарики с равной массой. Как мож­но заметить из опыта или заключить из закона сохранения импуль­са, при столкновении двух шариков с равной массой, один из кото­рых покоился, движущийся шарик при столкновении передаст часть или весь свой импульс покоящемуся, а сам замедлит или остановит свое движение. При столкновении шариков с существенно разными массами направление и скорость движения изменит только легкий шарик. По этой причине во многих видах спорта участников сорев­нований делят на группы с примерно одинаковой массой участни­ков в каждой из них.

Любое движение материальных тел осуществляется в строгом со­ответствии с законом сохранения импульса. Поэтому освоение око­лоземного пространства и полеты в космос невозможны без приме­нения реактивной тяги. Закон сохранения импульса ставит непрос­тые вопросы перед "уфологами" периодически вступающими в "кон­такт" с "инопланетным разумом".

2. поясните понятие инертной и гравитационной массы. Исходя из каких фактов делается утверждение об их эквивалентности? Чтобы изменилось в окружающем мире, если бы эти массы не были пропорциональны друг другу.

Галилей открыл явление падения всех тел на Земле с одинако­вым ускорением. Масса m связана с весом тела, но сам вес зависит от массы того тела, к которому притягивается масса m. Следовательно, вес не может служить коэффициентом пропорциональности между силой и ускорением, поэтому и вводят понятие инертной массы M, которая характеризует "нежелание" тела сдвинуться с места. Мас­са не зависит от направления движения (это многократно проверя­лось экспериментально) и с точностью до 10-9является скалярной (лат. scataris "ступенчатый") величиной.

Ньютон связал понятия массы и веса тела. Чтобы проверить выводы Галилея, Ньютон провел серию опытов с маятниками и убедился, что свинцовый и деревянный шары пада­ют с одинаковыми ускорениями, значит, Земля в этом случае оди­наково действует на оба шара. Такое влияние Земли на каждый шар (или каж­дое тело) можно выражать тяжестью, измеренной на весах путем сравнения с тяжестью тела, принятой за единицу. Развивая мысль Галилея, Ньютон вводит понятие силы F = MW как меру действия одного тела на другое, отождествляя вес с силой действия, оказыва­емого на него Землей.

У Ньютона масса — единственная причина гравитационноного вза­имодействия.

Массы входящие в уравнение закона всемирного тяготения, называют гравитационными. В отличие от инертных масс которые служат коэффициентом пропорциональности между силой, действующей на тело, и его ускорением, гравитационные массы определяют силу гравитационного взаимодействия между телами.Инертная масса была определена в динамическом опы­те: прикладывается известная сила, измеряется ускорение, и из фор­мулы F = MW выводится масса М. В законе гравитационного взаимо­действия иная масса, она может определяться из статического экспе­римента: измеряют силу взаимодействия между двумя телами, рас­положенными на определенном расстоянии.

Галилей пришел к выводу о пропорциональности гравитационной m и инертной М масс, сбрасывая тела с высоты. Попробуем просле­дить за его рассуждениями. Допустим, мы бросили вниз одновремен­но два тела, отличающиеся весом, — m1g и m2g. Согласно второму закону Ньютона, их ускорения соответственно будут определятся из соотношений: F1 = M1W1 и F2 = M2W2. Сила, действующая на каждое тело, равна его весу: m1g = M1W1 и m2g = M2W2. Ускорение каждого тела при падении равно: W1 = (m1/M1)g и W2 == (m2/M2)g. Эксперимент Галилея показал, что все тела при отсутствии сопротивления падают с одинаковым ускорением, т. е. отношение ускорений равно едини­це, или (W1/M2)= (m1/М1)(М2/m2) = 1. Это возможно только при про­порциональности инертной и гравитационной масс.

Последние эксперименты подтверждают равенство m = М с точ­ностью до 10-11. Опыты венгерского физика барона Лоранда фон Эт-веша показали универсальный характер пропорциональ­ности гравитационной и инертной масс, т. е. при соответствующем выборе единиц измерения коэффициент пропорциональности можно сделать равным единице. Универсальность означает пропорциональ­ность масс для всех веществ, поэтому они измеряются в граммах. Теория Ньютона не объясняет причину этой пропорциональности.

Наглядным подтверждением совпадения инертной и гравитационной масс служит тот факт, что все тела независимо от массы и состава падают на Землю с одним и тем же ускорением свободного падения. Состояние невесомости - это состояние свободного падения.

3. Поясните принцип Ле Шателье. Найдите примеры применения этого принципа вне химии

Поскольку большинство химических реакций не идет до конца, то становится важным понятие равновесия между прямой и обрат­ной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в дан­ной системе при данных условиях установится динамическое равновеcue. Вывести систему из равновесия можно только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи Ле: "Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и на­оборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие".