Физика для инженера

Колебание, которое распространяется в пространстве и переносит энергию, но не вещество. У волны есть длина λ (расстояние между соседними гребнями), частота f и скорость v, связанные формулой v = λ·f. Волны бывают на воде, в верёвке, звуковые в воздухе, радиоволны. Встречая преграду, волна отражается — так получается эхо.

✗ «Волна уносит с собой воду (вещество)». Нет: бежит только колебание, а сама вода или воздух остаётся на месте и лишь качается — поплавок на волнах не уплывает вдаль, а прыгает вверх-вниз.

Взаимное притяжение всех тел, у которых есть масса; чем масса больше, тем притяжение сильнее. Земля притягивает тела силой тяжести, и без сопротивления воздуха все они падают одинаково быстро: молоток и пёрышко в вакууме падают вместе.

✗ «Земля притягивает как большой магнит». Нет: магнит действует только на железо, а гравитация — на всё, у чего есть масса: на яблоко, воду и тебя.

Сила, делённая на площадь опоры: P = F/S. Единица — паскаль, 1 Па = 1 Н на квадратный метр. При той же силе меньше площадь — больше давление: поэтому нож точат, а фундамент делают широким. Жидкости и газы передают давление во все стороны и давят на все стенки сосуда.

✗ «Чем больше сила, тем больше давление». Нет: давление зависит ещё от площади: кнопка входит в доску не потому, что давят сильно, а потому что остриё крошечное.

Волна сжатий и разрежений, бегущая от колеблющегося источника по воздуху, воде или твёрдому телу. Частота колебаний определяет высоту звука (чаще — выше), размах — громкость. В воздухе звук пробегает примерно 340 метров за секунду.

✗ «В космосе слышны взрывы, как в кино». Нет: звук — это колебания среды; в пустоте, где нет воздуха, звуку не в чем распространяться.

Свойство тел сохранять свою скорость, пока другие тела не подействуют на них с силой. Мера инерции — масса: чем она больше, тем труднее тело разогнать или остановить. Поэтому при одинаковой силе торможения тяжёлый робот останавливается дольше лёгкого.

✗ «Если тело движется, его всё время что-то толкает». Нет: сила нужна, чтобы менять скорость; ровно катиться тело может само — мешают лишь трение и воздух.

Коэффициент полезного действия — какая часть затраченной энергии стала полезной работой: КПД = полезная / затраченная × 100 %. Всегда меньше 100 %: часть энергии уходит в тепло из-за трения и нагрева проводов. Каждая ступень машины добавляет потери: мотор с редуктором имеет КПД ниже, чем мотор без него.

✗ «У идеальной машины КПД 100 %, надо только доработать конструкцию». Нет: КПД выше 100 % означал бы энергию из ниоткуда, а ровно 100 % не даёт достичь трение и нагрев — часть энергии всегда уходит в тепло.

Мера вращательного действия силы: момент = сила × плечо, где плечо — расстояние от оси вращения до линии действия силы. Редуктор увеличивает момент во столько раз, во сколько уменьшает обороты. Момент серво пишут в кг·см: серво на 10 кг·см удержит груз 1 кг на рычаге 10 см от оси.

✗ «Чем быстрее крутится мотор, тем он «сильнее»». Нет: сила вращения — это момент; редуктор убавляет обороты, но во столько же раз увеличивает момент.

Прозрачное тело с криволинейными поверхностями, которое преломляет — изламывает — лучи света. Выпуклая (собирающая) линза сводит параллельные лучи в фокус и может строить изображение на экране; вогнутая (рассеивающая) разводит лучи. Линзы стоят в очках, фотоаппарате, проекторе и в твоём глазу.

✗ «Линза всегда увеличивает». Нет: лупа увеличивает только вблизи; посмотри через неё на дальнее окно — увидишь его маленьким и перевёрнутым.

Тело, вокруг которого существует магнитное поле — невидимая область, где на железо и другие магниты действует сила; у полюсов поле сильнее. Кроме постоянных магнитов есть электромагниты: катушка с током становится магнитом, пока по ней течёт ток.

✗ «Магнит притягивает любой металл». Нет: только железо, сталь, никель и некоторые сплавы; медь и алюминий магнит не притягивает.

Груз, подвешенный на нити и качающийся под действием силы тяжести. Один полный размах туда-обратно — это период; частота (в герцах) — сколько размахов в секунду. Главное: период зависит от длины нити, а не от массы груза — чем длиннее нить, тем медленнее качается. На этом стоял точный ход старинных маятниковых часов.

✗ «Тяжёлый груз качается быстрее лёгкого». Нет: период маятника зависит от длины нити, а не от массы груза; чтобы качался чаще, нить укорачивают, а не меняют груз.

Передача энергии от горячего тела к холодному, пока их температуры не сравняются. Три пути: теплопроводность (жало паяльника), конвекция (тёплый воздух поднимается), излучение (жар от лампы). Металлы проводят тепло хорошо, пластик и воздух — плохо.

✗ «Температура и количество тепла — одно и то же». Нет: кружка чая и ванна воды одной температуры содержат разное количество тепла — ванна может согреть целую комнату.

Возврат лучей света от поверхности. Закон отражения: угол падения равен углу отражения. Гладкая поверхность отражает лучи упорядоченно — видно изображение (зеркало); шероховатая рассеивает их во все стороны — так мы видим обычные предметы.

✗ «Свет отражает только зеркало». Нет: свет отражают все предметы — поэтому мы их и видим; зеркало отражает лучи упорядоченно, а стена рассеивает их во все стороны.

Масса единицы объёма: ρ = m/V. У воды плотность 1 г/см³ (1000 кг/м³); вещество плотнее воды тонет, менее плотное — всплывает. Плотность — свойство самого вещества, а не размера куска: и гайка, и стальная балка плотнее любого бруска сосны.

✗ «Тяжёлое тонет, лёгкое плавает». Нет: дело в плотности, а не в весе: огромное бревно плавает, а маленькая гайка тонет.

Материал (чаще всего кремний), который проводит ток хуже металла, но лучше изолятора, а главное — его проводимостью можно управлять. Добавляя примеси, свет, тепло или напряжение, из полупроводника делают детали, которые пропускают ток в одну сторону (диод), усиливают или переключают его (транзистор) или реагируют на свет (фоторезистор).

✗ «Полупроводник наполовину проводит ток — как плохой проводник». Нет: суть не в «половине»: его проводимостью можно управлять — светом, теплом, примесями, напряжением; на этом работают диоды, транзисторы и микросхемы.

Упругость — свойство тела восстанавливать форму после сжатия, растяжения или изгиба. Закон Гука: сила упругости пропорциональна деформации, F = k·x, где k — жёсткость пружины. Работает до предела упругости: перетянутая пружина остаётся деформированной. На упругости устроен безмен: по растяжению пружины он показывает силу.

✗ «Пружину можно растягивать сколько угодно — она всегда вернётся». Нет: у упругости есть предел; перетянутая пружина остаётся вытянутой навсегда.

Резкий рост размаха колебаний, когда частота толчков совпадает с собственной частотой системы. У каждого маятника, пружины или струны есть своя частота; попадая в неё, даже слабые толчки в такт накапливаются в большой размах. На резонансе струна отзывается на «свою» ноту, а строй солдат может раскачать мост, если идёт в ногу.

✗ «Резонанс — это просто громкое эхо». Нет: резонанс — раскачка на собственной частоте: даже слабые толчки, если попадают точно в такт, накапливаются в большой размах.

Стержень, который может поворачиваться вокруг точки опоры. Правило рычага: сила × плечо с одной стороны равна силе × плечу с другой; плечо — расстояние от опоры до места приложения силы. Плечо втрое длиннее — сила нужна втрое меньше, но двигать конец придётся втрое дальше.

✗ «Рычаг даёт выигрыш из ниоткуда». Нет: выиграл в силе — проиграл в расстоянии: длинный конец приходится двигать дальше, а работа остаётся той же.

Мера действия одного тела на другое. Сила меняет скорость тела или его форму; у силы есть величина и направление. Измеряется в ньютонах: чтобы удержать груз 100 г, нужна сила около 1 Н. Несколько сил складываются: если они уравновешивают друг друга, скорость тела не меняется.

✗ «Сила — это запас энергии в теле». Нет: сила — действие одного тела на другое прямо сейчас (толчок, тяга, притяжение); запасти силу нельзя, а энергию — можно.

Величина, равная пути, делённому на время движения: v = s/t. Единицы — метры в секунду и километры в час, 1 м/с = 3,6 км/ч. Средняя скорость считается за весь путь, мгновенная — в данный момент: спидометр показывает мгновенную.

✗ «Кто прошёл больший путь, тот двигался быстрее». Нет: важно ещё время. Черепаха за час уползёт дальше, чем спринтер пробегает за 10 секунд, но спринтер быстрее.

Заряды, разделённые при трении или контакте и оставшиеся на месте — в отличие от тока, где заряды движутся по цепи. Накопленный заряд уходит искрой-разрядом: щелчок от дверной ручки зимой; молния — такой же разряд между тучей и землёй, только огромный. На изоляторах заряд держится долго, с проводников стекает.

✗ «Раз искра от свитера крошечная, статика безобидна». Нет: для человека — да, а микросхему такой разряд может испортить, поэтому платы возят в антистатических пакетах.

Сила, возникающая при соприкосновении поверхностей и направленная против скольжения. Растёт, когда поверхности сильнее прижаты, и зависит от материала; трение качения меньше трения скольжения — поэтому груз возят на колёсах. При трении механическая энергия переходит в тепло.

✗ «Трение всегда вредно, его надо убирать». Нет: без трения колёса буксовали бы, ноги скользили, а винты выкручивались сами — трение не только мешает, но и держит.

Величина, которая показывает, как быстро меняется скорость: a = Δv/t. Измеряется в м/с²: ускорение 2 м/с² значит, что скорость каждую секунду растёт на 2 м/с. Ускорение есть и при разгоне, и при торможении (тогда оно отрицательное), и при повороте — везде, где скорость меняется по величине или направлению.

✗ «Ускорение — это большая скорость». Нет: ускорение — это как быстро скорость меняется. Можно ехать очень быстро без ускорения (равномерно) и медленно, но с большим ускорением (резкий старт с места).

Точка, к которой приложена сила тяжести всего тела. Тело стоит устойчиво, пока вертикаль из центра тяжести проходит внутри опоры; чем ниже центр тяжести и шире опора, тем устойчивее. Поэтому тяжёлые батарейки в роботе ставят как можно ниже.

✗ «Центр тяжести всегда в середине предмета». Нет: он смещён туда, где больше массы, а у кольца или подковы вообще лежит вне материала — в пустоте.

Механизм передачи вращения с вала на вал. Передаточное отношение равно отношению чисел зубьев: шестерня на 12 зубьев крутит шестерню на 36 — та вращается втрое медленнее, зато втрое сильнее. Так редуктор превращает быстрое, но слабое вращение мотора в медленное и сильное.

✗ «Шестерни нужны только чтобы передать вращение дальше». Главное другое: пара разных шестерён меняет скорость и силу вращения — как переключение передач на велосипеде.

Катушка провода, по которой течёт ток: ток создаёт вокруг неё магнитное поле, а железный сердечник (гвоздь) усиливает его. Чем больше витков и чем больше ток, тем сильнее магнит. Электромагнитом можно управлять из цепи — на этом работают реле, электродвигатели и электрические звонки.

✗ «Электромагнит — слабая игрушечная копия настоящего магнита». Нет: электромагниты бывают сильнее любых постоянных — кранами на металлобазе поднимают автомобили; главное отличие — им управляет ток.

Мера того, сколько работы может совершить тело или система. Виды: механическая (движение, поднятый груз), тепловая, электрическая, химическая (батарейка, еда). Энергия не берётся из ниоткуда и не исчезает — только переходит из одного вида в другой.

✗ «Энергия тратится и исчезает». Нет: она не исчезает, а переходит в другой вид — чаще всего в тепло; просто собрать её обратно в батарейку уже не получится.