"Покорный вектор", как величайшее изобретение человечества

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Покорный вектор", как величайшее изобретение человечества

Шумков В.Н.,

курсант филиала ВУНЦ ВВС «ВВА» в г. Сызрани

Россия, г. Сызрань

В статье описывается применение в повседневной жизни, авиации, медицине такой физической и математической величины как вектор.

Ключевые слова: геометрия, вектор, математика, физика, авиация.

Abstract

The article describes the application in everyday life, aviation, medicine of such a physical and mathematical quantity as a vector.

Key words: geometry, vector, mathematics, physics, aviation.

Всякая направленная величина в физике, то есть величина, для характеристики которой надо знать не только ее абсолютное значение, но и направление в пространстве, называется вектором. Величина, вполне определяемая численным значением, называется скаляром. Конечно, само по себе существование векторов от человека не зависит. Векторы были и до возникновения жизни на нашей планете. По вектору падало дерево, не выдерживающее собственной массы, подлетал камень, выброшенный извержением вулкана, по вектору двигались планеты. И все же без человека мир как бы «скалярен». «Скалярен» в том смысле, что векторы такого мира действуют хаотично, в целом служат не порядку в мире а, наоборот, беспорядку. Примеры этого можно встретить и в повседневной жизни.

Дачник, открывающий весной после долгого отсутствия двери своей дачи, обязательно находит непонятные перемещения: книга, оставленная на столе, почему-то оказалась под столом; аккуратно сложенная стопка бумаги рассыпалась; ваза для цветов, стояла в день отъезда полгода назад на этажерке, а сейчас ее обломки валяются на полу. Почему, например, не бывает так, чтобы книга, брошенная на кровати, оказалась на книжной полке? Почему никогда не наблюдается хоть маленького увеличения порядка? В этом виновата «скалярность» безнадзорной обстановки. Нет человеческого глаза -- нет «вектора порядка», той полезной для людей направленности работы векторов, которая им так важна.

Делая экскурс в прошлое нашего рода, можно сказать, что человек стал человеком в тот самый день, когда понял разницу между скаляром и вектором. И когда научился «покорять» векторы, заставлять их на себя работать, либо толково прилаживался к действию естественных векторов, либо создавал искусственные.

Интересно, что в своем естественном развитии ни один нормальный человек не минует фазы, которую довольно точно можно было бы назвать фазой обучения векторам.

Чудесные законы развития индивида таковы, что он обязан прежде остального повторить путь эволюции своего рода. Вначале, уподобляясь фантастическому существу, он с головокружительной быстротой в утробе матери переживает удивительные метаморфозы. Поочередно он и амеба, и рыба, и ящерица, и обезьяна, наконец, родившийся человек. Ребенок, потом юноша продолжает этот бег. Только вместо биологической эволюции он мчится по дистанции эволюции психологической: царство примитивных, неосознанных инстинктов постепенно перестраивается в нем в государство разума [1].

Именно здесь, на второй дистанции, человек обучается «векторам». Это игры, обыкновенные физические игры. Вначале проба сил и вместе с тем открытие возможностей окружающего «скалярного» мира -- его энергий, масс и т. д.: игра в песочек, бег, возня, подбрасывание мячика. Затем знакомство с «векторами» (конечно, неосознанное) и постепенное усложнение «векторных» игр: бег на дистанции, футбол, хоккей.

Игры -- очень важные тренировки в достижении цели. Тренируются не только руки или ноги, тренируется само сознание. Настанет время, и юноша и девушка с такою же страстностью, как в игре, начнут искать нужный «вектор» и в серьезном деле: на заводе или в поле, в конструкторском бюро или в лаборатории [1].

Но вернемся к векторам в узком, физическом смысле слова. В механике поведение их определяется главным образом законами движения Ньютона. Поэтому когда великий английский естествоиспытатель сформулировал свои три закона, перед учеными и инженерами открылось необозримое поле деятельности по практическому их применению.

Эти законы применяются во многих областях, например: физика летательных аппаратов, движение бросаемых тел или метательных снарядов.

Область движения бросаемых тел, в частности, имеет ограниченное применение (за редким исключением только в военной сфере и используется). Люди больше заинтересованы в движениях тел, возвращающихся к исходной точке: вращательных и круговых, колебательных, возвратно-поступательных, несимметричных. От тел, совершающих такого рода движения, можно получать систематическую отдачу, полезную работу. Успехи в области использования этих движений огромны.

Пожалуй, самые распространенные из перечисленных движений, имеющие наибольшее практическое значение в деятельности и жизни людей, -- это движения вращательные, особенно равномерно вращательные.

Крутятся детали на станках, крутятся колеса вагонов и автомобилей, на самолетах вращается гироскоп, помогающий летчику придерживаться заданного курса, -- все это лишь немногие из фактически существующих применений в технике и на транспорте равномерного вращательного движения.

У равномерного вращательного движения есть одна существенная особенность. Хотя оно и равномерно, все же оно ускоренное движение. Любой элемент вращающегося предмета (кроме центра), следуя закону инерции, стремится оторваться и двигаться дальше по прямой линии, в данном случае по касательной. Но он не отрывается, на него действует постоянно направленная к центру вращения особая, центростремительная сила. А там, где сила, -- там, согласно второму закону Ньютона, и ускорение. Оно, как и сила, -- вектор и «смотрит» туда же, куда вектор силы: в центр вращения. И всегда, в отличие от прямолинейного движения, вектор скорости здесь перпендикулярен вектору ускорения [1].

В этом случае действует и третий закон Ньютона -- закон действия и противодействия. Он проявляет себя в том, что наряду с центростремительной силой есть равная ей по величине, но противоположно направленная центробежная сила.

Как замечательно работает вектор центробежной силы, можно показать на примере устройства, основанного на использовании в наиболее чистом виде вращательного движения,-- центрифуги.

Сегодня применение центрифуг в различных областях техники значительно расширилось. Их применяют как быстрые и эффективные сушильные устройства. В барабан закладывают ткани или растительные продукты, вода при вращении выбрасывается из их пор, а затем и из барабана через специальные отверстия в его стенках. Медики пользуются центрифугами, чтобы выделять из плазмы крови кровяные тельца или вирусы и микробы. Химики во вращающихся барабанах очищают от твердых примесей самые различные смеси.

По существу, все современные механические устройства и машины -- прежде всего материализация, воплощение законов Ньютона. Если с точки зрения конструктивной в основе большинства из них лежат все те же шесть простых машин, что применялись древними три тысячи лет назад (человек и тогда видел правильно природу): рычаг, блок, ворот, наклонная плоскость, клин, винт, -- то в смысле принципиальном современные устройства не что иное, как более умелое и тонкое пользование векторами.

Что значит «более умелое пользование векторами», можно пояснить на примере транспортных конструкций. О каком бы виде транспорта мы ни говорили, мы ясно представляем, что основной, интересующий всех вектор в этом случае -- вектор скорости. Кажется, так просто «в лоб» и надо стремиться «удлинять» его, то есть увеличивать быстроту движения: все более совершенствуя старые конструкции двигателей, выбирая лучшие виды топлива, высокопрочные и жароустойчивые материалы, повышая коэффициент полезного действия двигателей, снижая всяческие потери. В авиации применение реактивных и турбореактивных двигателей вместо поршневых дало возможность увеличить скорость самолетов до тысячи и больше километров в час, в то же время увеличив их грузоподъемность.

Все идет хорошо, вектор скорости транспортных установок «удлиняется». Но наступает день, и конструкторы вдруг убеждаются, что они выжали из старых идей, по которым создавались самолеты, корабли. Нужны какие-то новые идеи, такие, о которых говорят, что они несут с собой научную или техническую революцию. Дальнейшее увеличение вектора скорости производится уже иным, революционным путем. Та скорость, с которой сейчас летают реактивные пассажирские самолеты, близка к скорости звука, то есть приближается к 1200 км/час. Чтобы воздушные корабли летали вдвое, втрое, вчетверо быстрее этой скорости, нужно решить ряд новых задач, которые не возникали раньше. Например, преодолеть очень быстро возрастающее давление воздуха перед самолетом. При скорости полета, вдвое превышающей скорость звука, давление воздуха может увеличиться в 7 раз против атмосферного, при трехкратной скорости звука -- в 36 раз, при четырехкратной -- в 150 раз. Еще немного, и самолет сожмет воздух до плотности воды (вода плотнее приземной атмосферы в 770 раз).

Решение задачи создания самолетов с еще более высокими скоростями подсказывает инженеру блестящую идею: превратить плохое в хорошее, заставить высокое давление воздуха не мешать полету, а работать на него. Так появляется проект двигателя будущего гиперзвукового (то есть летящего намного быстрее скорости звука) самолета в виде так называемого прямоточного воздушно-реактивного двигателя, или, как иногда говорят, «летающей топки». В нем нет компрессора, сжимающего воздух в двигателях современных турбореактивных самолетов (воздух сжат и так!), нет и турбины, не отделимой от компрессора [1].

Это в буквальном смысле слова революционное конструктивное решение, особенно интересное и тем, что оно отражает еще одну тенденцию технического прогресса: сперва все усложняется, затем резко упрощается.

Использованные источники

вектор скаляр транспортный скорость

1. В. Келер. Возвращение чародея. Литмир электронная библиотека. [Электронный ресурс]. URL: https://www.litmir.me/br/?b=190565(дата обращения: 10.05.2021).

Размещено на Allbest.ru