МЕНЮ
Гостевая книга
Форум
ЧТО ТАКОЕ СКОРОСТЬ?
Скорость великолепна. Но физикам интересны не только автомобильные
гонки, но и вообще, любое движение. Поэтому сначала они замеряют
так много примеров, как могут. Выборка из таких измерений приведена
в таблице 3.
Каждый день мы узнаем множество фактов о движении: объекты могут
обгонять друг друга, или двигаться в разных направлениях. Мы также
видим, что скорости можно увеличивать и уменьшать достаточно плавно.
Точный список свойств, которые приведены в таблице 4, математики
назовут специальным термином, они скажут, что скорости формируют
Евклидово векторное пространство. Вскоре мы узнаем больше о
таком странном термине. А пока, мы пока заметим, что в описании
природы, математики описывают все наиболее аккуратно и точно.
Когда скорость принимается за Евклидов вектор, она называется
Галилеевой скоростью. Скорость это глубокая концепция. Например,
для определения скорости не нужно определять измерение пространства
и времени. А вот и нет! Разве вы сможете измерить скорость без
измерения пространства и времени? Если сможете, то можете сразу читать
том 2 - и не смотреть на 2000 лет попыток людей, которые пытались это
сделать. Если вы не можете этого сделать - то помните - когда мы
измеряем что-то, мы считаем, что любой другой тоже сможет это измерить -
и все получат одинаковый результат. Другими словами, измерение
это сравнение со стандартом. То есть, мы неявно подразумеваем,
что такой стандарт есть, то есть существует некая "идеальная"
скорость. Вообще, сначала изучение движения проходило мимо данного
вопроса, потому что много веков никто не мог найти такую стандартную
скорость. Поэтому вы не одиноки.
Таблица 3: Некоторые измеренные значения скорости
| Наблюдение | Скорость |
| Рост кристалла марганца глубоко под водой | 80 аттометров в секунду |
| А найдите еще что-нибудь медленнее | Это задание вам |
| Рост сталагмита | 0,3 пикометра в секунду |
| Средняя скорость движения континентов | 0,3 нанометра в секунду |
| Рост человека в детстве, рост волос | 4 нанометра в секунду |
| Рост дерева | до 30 нанометров в секунду |
| Движение спермы | от 60 до 160 микрометров в секунду |
| Скорость света в центре Солнца | 0,1 миллиметров в секунду |
| Самая низкая скорость света, которую измерили на Земле | 0,3 метра в секунду |
| Скорость снежинок | от 0,5 до 1,5 метров в секунду |
| Скорость передачи нервных испульсов в человеке | от 0,5 до 120 метров в секунду |
| Скорость капель дождя (зависит от радиуса) | от 2 до 8 метров в секунду |
| Самая быстрая рыба (Istiophorus platypterus) | 22 метра в секунду |
| Рекорд 2006 года по плаванию на 500 м (установил Finian Maynard) | 25,1 метров в секунду |
| Рекорд 2008 года по плаванию на 500 м (установил Alex Caizergues) | 26,0 метров в секунду |
| Рекорд 2009 года по плаванию на 500 м (установил Hydroptere) | 26,4 метров в секунду |
| Самое быстрое животное, Acinonyx jubatus | 30 метров в секунду |
| Скорость ветра при урагане | более 33 метров в секунду |
| Скорость воздуха при чихании | 42 метра в секунду |
| Самый быстрый бросок (мяч для крикета был брошен во время бега) | 50 метров в секунду |
| Свободное падение человека (в зависимости от одежды) | от 50 до 90 метров в секунду |
| Самая быстрая птица, Falco prergrinus | 60 метров в секунду |
| Самая быстрая подача в бадминтоне | 70 метров в секунду |
| Средняя скорость молелкулы кислорода в воздухе при комнатной температуре | 280 метров в секунду |
| Скорость звука в сухом воздухе на уровне моря и стандартной температуре | 330 метров в секунду |
| Скорость пули, выпущенной из винтовки | 1 километр в секунду |
| Скорость трещины, распространяющейся по стеклу | 5 километров в секунду |
| Самая высокая скорость, достигнутая человеком (спутник Вояджер) | 14 километров в секунду |
| Скорость полета Земли во Вселенной | 370 километров в секунду |
| Самая высокая скорость для достаточно большого объекта измеренная в нашей галактике | 0,97*108 метров в секунду |
| Скорость электронов в наших телевизорах | 1*108 метров в секунду |
| Скорость радиопереговоров в космосе | 299792458 метров в секунду |
| Самая высокая измеренная групповая скорость света | 10*108 метров в секунду |
| Скорость движения пятна от Земного маяка, когда свет попадает на Луну | 2*109 метров в секунду |
| Самая высокая возможная скорость для пятна света или для тени | без ограничений |
Таблица 4: Свойства каждодневной (или Галилеевой) скорости
| Скорости | Физическое свойство | Математическое название | Определение |
| можно отличить друг от друга | Различаемость | Элемент набора | в 3 томе |
| изменяются на любую величину | Континуум | Реальное векторное пространство | глава 3 первого тома |
| указывают куда-нибудь | Направление | Векторное пространство, размерность | глава 3 первого тома |
| можно сравнить | Измеряемость | Метрика | в пятом томе |
| можно складывать | Аддитивность | Векторное пространство | глава 3 первого тома |
| имеют определенные углы | Направление | Евклидово векторное пространство | глава 3 первого тома |
| не имеют максимального значения | Бесконечность | Неограниченность | в третьем томе |
Некоторые исследователи специализируются в изучении самых маленьких скоростей,
которые есть в природе - они называются "геологами". Не упускайте возможности
прогуляться и послушать одного из них.
Скорость на всегда является проста. Физики любят говорить, что то, чего
нельзя измерить вообще не существует. Вот скажем, сможете ли вы измерить
свою собственную скорость, если вы будете в космосе, и весь остальной
космос будет абсолютно пуст?
Как мы измеряем скорость в повседневной жизни? Животные и люди определяют
свою скорость двумя путями: сравнивая со своими движениями (скажем шагами),
либо пользуются глазами, ушами, чувством прикосновения, чувством вибрации,
чтобы определить, как их изменение позиции соотносится с окружающей средой.
Но некоторые животные имеют и другие возможности, скажем некоторые
змеи могут определять скорость с помощью органов, чувствительных к
инфракрасному излучению, другие делают это с помощью органов, чувствительных
к магнитному полю. Некоторые животные испускают звуки, которые создают
эхо, чтобы измерить скорость достаточно точно. Такие же методы используют
и люди в своих технических устройствах.
Скорость интересна как инженерам, так и биологам. Вообще, самодвижущиеся
системы тем быстрее, чем они больше. Например, на рисунке 17 показано,
как это применимо для скорости летающих вещей и организмов. Вообще,
скорость полета соотносится с корнем шестой степени из веса, как показано
на рисунке (а вы можете объяснить, почему именно шестой?). И вообще,
похожие отношения со степенями есть для многих других свойств живых
систем - это мы увидим позже.
Рисунок 17. Как размер крыла и скорость на уровне моря соотносятся с
весом для летающих объектов, в сравнении с общей линией тренда
(по графику Henk Tennekes)
Таблица 5: Устройства измерения скорости в биологических и технических системах
| Что измеряем | Устройство | Диапазон |
| Собственная скорость насекомых, млекопитающих и людей | Частота пульса, измеренная внутренними часами организма | От 0 до 33 метров в секунду |
| Скорость машины | Тахиометр, прикрепленный к колесу | От 0 до 150 метров в секунду |
| Хищник измеряет скорость жертвы | Зрение | От 0 до 30 метров в секунду |
| Полицейский измеряет скорость машины | Радар | От 0 до 90 метров в секунду |
| Летучая мышь измеряет скорость жертвы ночью | Сонар | От 0 до 20 метров в секунду |
| Дверь на фотоэлементах измеряет скорость людей | Сонар | От 0 до 3 метров в секунду |
| Собственная скорость рыб и людей | Деформация кожи | От 0 до 30 метров в секунду |
| Собственная скорость дельфинов и кораблей | Сонар до дна | От 0 до 20 метров в секунду |
| Скорость погружения рыб, животных, дайверов и подводных лодок | Изменение давления | От 0 до 5 метров в секунду |
| Водные хищники и рыбацкие лодки измеряют скорость жертвы | Сонар | От 0 до 20 метров в секунду |
| Собственная скорость по отношению к скорости земли у насекомых | Иногда никакое (кузнечики) | - |
| Собственная скорость по отношению к скорости земли у птиц | Зрение | От 0 до 60 метров в секунду |
| Собственная скорость по отношению к скорости земли у аэропланов или ракет | Радар | От 0 до 8000 метров в секунду |
| Собственная скорость по отношению к воздуху земли у птиц | Изменение геометрии пера | От 0 до 60 метров в секунду |
| Собственная скорость по отношению к воздуху земли у самолетов | Трубка Pitot-Prandtl | От 0 до 340 метров в секунду |
| Измерение скорости ветра на метеорологических станциях | Анемометры | От 0 до 80 метров в секунду |
| Летучая мышь измеряет скорость жертвы | Сонар | От 0 до 20 метров в секунду |
| Пилоты измеряют скорость цели | Радар | От 0 до 1000 метров в секунду |
| Любое движение на Земле | GPS, Galileo, Глонасс | От 0 до 100 метров в секунду |
| Движение звезд | оптический эффект Допплера | От 0 до 1000 километров в секунду |
| Движение космических кораблей | оптический эффект Допплера | От 0 до 200 мегаметров в секунду |
Еще скорость интересна по другой причине: скоро мы узнаем, что все семь свойств таблицы 4 только приблизительны - на самом деле, ни одно из них не является точным. Более точные эксперименты покажут нам исключения для любого свойства Галилеевой скорости. Отказ от последних трех свойств таблицы 4 приведет нас к специальной и общей теории относительности, отказ от двух средних - к квантовой теории, а отказ от первых двух - к общему описанию природы. Но пока мы привязаны к Галилеевой скорости, и продолжим разбор другой Галилеевой концепции, которая получается из нее - времени.
Рисунок 18. Типичный путь, который проходит камень, брошенный в воздухе -
парабола - с фотографиями мяча для настольного тенниса, отскакивающего
от стола и фотографией капли, отскакивающей от очень гидрофобной
поверности (Andrew Davidhazy, Max Groenendijk).
| Назад | Содержание | Вперед |