III. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕЛ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ В РЕШЕНИИ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Вернемся еще раз к основным опытам и наблюдениям, о которых было рассказано в §§ 1 и 43. Эти опыты дали возможность нарисовать полную картину механического движения тел, найти количественные законы, которые управляют их движением. Более внимательное рассмотрение этих опытов позволяет установить также большое разнообразие механических свойств окружающих нас тел. Эти свойства обнаруживаются в самих движениях, взаимодействиях тел и используются в практической жизни.

Изучение свойств тел является необходимым и важным шагом в познании окружающего нас мира, свойств материи вообще. Оно составляет содержание второго основного направления современной физики. Кроме того, без знания механических свойств тел нельзя продвинуться вперед в решении основных задач механики. Действительно, обратная задача динамики состоит в том, чтобы по известным силам рассчитать механические движения. Силы же не могут бьпь получены из законов Ньютона. Для понимания природы сил необходимо изучение механических свойств тел, рассмотрение движений, которые могут происходить внутри тел.

В § 1 говорилось о том, что механическим движением называется также изменение положения частей тел друг относительно друга с течением времени. До сих пор такие движения детально не рассматривались. Для описания этих движений необходимо научиться характеризовать не только их конечные результаты, но и сами движения частей тела. Другими словами, необходимо построить своеобразную кинематику движения частей тела друг относительно друга.

§ 58. Как ведут себя тела в свободном состоянии? Способность тел сохранять свою форму и объем

На основании наблюдений за способностью тел сохранять свою форму и объем в земных условиях было сделано разделение всех тел на три группы: твердые, жидкие и газообразные.

Возьмем какой-нибудь кусок металла, какой-то объем воды, некоторое количество каких-нибудь паров или газа.

Рис. 3.1.

Рис. 3.2.

Если предоставить их самим себе, то все они будут вести себя совершенно по-разному.

Кусок металла, как бы его ни располагали, будет сохранять свою форму и объем такими, какие ему были приданы при изготовлении. При этом для сохранения формы куску металла не нужно никаких поддерживающих стенок (рис. 3.1).

Твердыми телами называются такие тела, которые в свободном состоянии способны сохранять неизменными форму и объем.

Отметим, что и отдельные части этих тел в свободном состоянии способны сохранять неизменным свое относительное расположение.

Если воду наливать в разные сосуды, то каждый раз она будет принимать форму этих сосудов (рис. 3.2). Объем же данной массы воды все время будет оставаться одним и тем же. Если сосуд разбить, то вода без поддерживающих ее стенок разольется и займет самое низшее из всех возможных положений. При этом ее свободная верхняя поверхность будет всюду перпендикулярна направлению силы тяжести.

Жидкими телами, или жидкостями называютсятакие тела, которые в земных условиях способны сохранять объем, но не способны сохранять форму.

Способность жидкости принимать форму сосуда широко используется в повседневной жизни и на производстве (например при приготовлении пищи и литье металлов).

Это определение предполагает, что жидкость находится в земных условиях и каждая ее частица подвергается действию сил тяжести. Если жидкое тело поместить в такие условия, при которых действие сил тяжести не сказывается на состоянии тела, то оно будет вести себя совсем по-другому. Такое состояние жидкости наблюдали космонавты. Когда они находились на космических кораблях в состоянии невесомости, то должны были вытряхивать или выжимать жидкость из сосудов.

Рис. 3.3.

После вытряхивания любая жидкость - немедленно свертывалась в шар (конечно, если она до чего-нибудь не дотрагивалась).

Это же состояние жидкости можно наблюдать дома, не улетая в космос. Откройте немного кран водопровода и понаблюдайте за каплями, которые одна за другой будут вытекать из него. Как только очередная капля оторвется от крана, она окажется точно в таком же состоянии невесомости, как в космическом корабле. И в этот момент она немедленно начнет принимать форму шара. Во время падения капли вы сможете увидеть то, что происходит с любой жидкостью во время космического полета (рис. 3.3).

Таким образом, более правильно было бы определить жидкое тело так: жидким называется тело, которое сохраняет свой объем неизменным и в свободном состоянии имеет одну-едииственную собственную форму — форму шара. Эта особенность жидкостей заставила поставить ряд специальных экспериментов в космосе, например эксперимент по сварке металлов. Жидкий металл в условиях невесомости должен был соединять твердые детали. Но как его заставить растекаться по этим деталям, а не свертываться в капли, можно было проверить только на опыте.

К определению жидкости, конечно, нужно добавить, что все части ее способны совершенно свободно передвигаться друг относительно друга (конечно, трение при этом не учитывается).

В отличие от жидких твердые тела способны в свободном состоянии сохранять любую форму, которую им придали.

Газообразными телами или газами называются такие тела, которые в земных условиях не способны сохранять ни форму, ни объем.

Если колбу с сероводородом открыть, то неприятный запах этого газа будет чувствоваться во всей комнате. Газ распространится по большему объему, как только ему будет предоставлена такая возможность.

Это, хотя и очень грубое, разделение всех тел нужно обязательно учитывать при определении их механических свойств и при решении задач механики, связанных с расчетом движения тел. Именно эти различия привели к разделению механики на несколько самостоятельных направлений: теорию упругости, гидромеханику, аэро- и газодинамику.