Относительность: для старших школьников и младших студентов

Необходимо сделать следующие предупреждения. Предлагаемая брошюра адресована достаточно узкому кругу читателей. Прежде всего, она не имеет прагматического предназначения, поэтому не может быть полезной для подготовки к ЕГЭ или к экзамену по физике в вузе. Вряд ли она окажется необходимой большинству преподавателей. Эта книга не является учебным пособием, поскольку по существующим стандартам учебное пособие должно быть аффилировано с определенным учебникам и лишь дополнять его. Между тем материал, представленный ниже, отсутствует в традиционных учебных изданиях.

Авторы надеются, что, как говаривал Н. Гоголь, «книга сия найдет своего читателя». Предлагаем ее умным школьникам старших классов и любознательным студентам младших курсов вузов. В качестве прецедента можно указать на одну из лекций, проведенных академиком Н.Н. Красовским в УПИ. Перед ее началом великий ученый потребовал, чтобы «аудиторию покинули все преподаватели и остались только студенты». Один из авторов настоящей книги хотел спрятаться под партой и послушать, но постеснялся.

В фундаменте физики находится принцип относительности. Если этот «камень» убрать, все здание рухнет. Принцип был открыт в начале 17-го века Галилео Галилеем. Затем, через столетие, он был использован Исааком Ньютоном и принят сообществом ученых в виде первого закона динамики. Общую формулировку обсуждаемого принципа нетрудно найти в учебнике, а сущность его выражают следующие частные утверждения.

1) Любое движение – относительно. Любое тело может одновременно и покоиться, и двигаться с любыми скоростями.

2) Покой относителен, он является лишь одним из видов движения.

3) Движение может складываться из неограниченного числа реальных независимых движений.

4) Всякое движение можно разложить также и на воображаемые, гипотетические движения, в частности, параллельно координатным осям.

5) Значения не только скорости, но также импульса и кинетической энергии относительны, зависят от выбора наблюдателем системы отсчета.

Как известно, «короля делает его свита». Так говорил когда-то придворный итальянского герцога Н. Микиавелли (https://upravlenie.org/468-stratagema-korolja-delaet-svita.html ). Опишем в настоящей брошюре «свиту» принципа относительности, представив его в форме реальных ситуаций, эффектов и казусов.

Полет на воздушном шаре

Обратимся сначала к персонажу №2 из представленного выше списка свиты принципа относительности. Действительно ли покой и движение относительны? Рассмотрим ситуацию «воздухоплавание».

Задача 1. На рис.1.1 изображены картины движения воздушного шара. Стрелка – направление ветра. В каких рисунках художник допустил ошибки? В чем они заключаются?

Рис.1.1. Полет аэростата в воздушном потоке; стрелка – направление ветра

Решение. Можно привести доводы в пользу правильности изображения для всех трех вариантов. Вариант «а»: «ветер тянет легкую круглую оболочку, при этом тяжелая квадратная корзина отстает»; «б» – и шар, и корзина двигаются вместе, как целое; «в» – тяжелая корзина тянет за собой легкий пузырь.

Чтобы выбрать правильный ответ, вспомним, что воздушный шар относится к летательным аппаратам типа воздухоплавания. Аппарат плывет вместе с воздухом. Ветер – это просто движущийся воздух. Поэтому шар вместе с корзиной неподвижен относительно движущегося воздуха. Заметим попутно, что различные части воздушного шара и пассажир вообще не должны ощущать ветра, потому что вся рассматриваемая система как бы заключена в движущийся воздух, перемещается вместе с ним.