feanoturi | Одиннадцать научных законов и теорий, которые должен знать каждый-2

Продолжаем знакомство с обязательными для знания научными законами и теориями, начатое тут. Правда за время пути собака могла подрасти вместо круглого числа "10" таких обязательных знаний стало уже "11"

7: Законы движения Ньютона

Прошлый пост закончился Законом всемирного тяготения от сэра Исаака Ньютона, этот тоже начнется с Ньютона, но уже с других его законов – три закона равноускоренного движения (чаще просто «три закона Ньютона») являются существенным компонентом современной физики. И, как и большинство физических законов, они элегантны в своей простоте.

Первый закон Ньютона утверждает, что объект, находящийся в состоянии равномерного движения (или в состоянии покоя) будет находиться в состоянии такого движения (или покоя) до воздействия на него внешнего воздействия (силы). Так, мячик, который катится по полу, со временем прекращает сове движение из-за того, что на него воздействует сила трения или меняет направление своего движения в результате удачного пинка или просто удара о стену.

Второй закон Ньютона устанавливает взаимосвязь между массой объекта (m) и его ускорения (a). Это закон выражается математической формулой F = m × a, в которой F – сила, выраженная в Ньютонах. Сила и ускорение представляют собой векторные величины, то есть величины, которые помимо значения характеризуются еще и направлением. Значение ускорения может использоваться для определения силы и наоборот.

Третий закон Ньютона, пожалуй, самый известный из всех его трех законов движения. Чаще всего его вспоминают в виде «Сила действия равна силе противодействия», хотя правильнее было бы: «Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению». На основании третьего закона мы может сделать вывод о том, что в гравитационной системе из двух тел происходит не только гравитационное влияние более тяжелого тела на более легкое, но и более легкое тело притягивает к себе более тяжелое. Так, в системе Земля/Луна влияние Луны на Землю проявляется в приливах и отливах.

6: Законы термодинамики

Британский физик и писатель Сноу как-то сказал, что человек, который не занимается наукой, не знающий второго закона термодинамики, такой же недоучка, как ученый, который никогда не читал Шекспира. Эта максима не только подчеркивает важность термодинамики в системе наук, но и то, что ее основы должен знать каждый, кто не хочет считать себя недоучкой.

В общем случае термодинамика изучает то, как энергия производит работу в любой системе, будь то двигатель или ядро планеты. В основе термодинамики лежит три принципа, которые в формулировке того Сноу звучат так:

Ты не можешь выиграть.
Ты не можешь сделать перерыв в игре.
Ты не можешь выйти из игры.

Как это понять? Говоря о том, что выиграть невозможно, Сноу отмечает, что мы не можем получить одно, не отказываясь от другого – для того, чтобы система производила работу, необходима подача энергии (нагрев), в противном случае такая система работать не будет, даже для полностью изолированного случая. Более того, в реальном мире не существует идеально изолированных систем, и в реальном случае часть энергии, которую мы передаем системе для совершения работы, передается окружающей среде и в дело вступает второй закон термодинамики.

Второе утверждение Сноу о невозможности сделать перерыв в игре, означает, что благодаря увеличению энтропии в закрытой системе, лишенной внешнего воздействия, мы не можем просто так вернуться в прежнее энергетическое состояние. Можно сказать, что энергия, сконцентрированная в одном объеме, будет перераспределяться в области с более низкой концентрации энергии.

И наконец, третий закон термодинамики, касающийся невозможности выхода из игры, относится к абсолютному нулю, состоянию материи при нуле Кельвинов или минус 273,15°C. При достижении системой абсолютного нуля должно прекратиться все движение молекул, что означает отсутствие кинетической энергии, достижение нулевого значения энтропии и формирование идеально упорядоченной системы. Тем не менее, абсолютный ноль представляет собой физически идеальное состояние, в реальном мире, даже в самых холодных областях космического пространства, достижение абсолютного нуля невозможно – можно лишь приближаться к этому состоянию/значению температуры.

5: Закон постоянства состава и свойств химических веществ.

Французский ученый-химик Жозеф Луи Пруст в 1808 году написал: «От одного полюса Земли до другого соединения имеют одинаковый состав и одинаковые свойства. Никакой разницы нет между оксидом железа из Южного полушария и Северного. Малахит из Сибири имеет тот же состав, как и малахит из Испании. Во всем мире есть лишь одна киноварь». Это было первой формулировкой закона состава и свойств химических веществ.

Атомно-молекулярное учение позволяет объяснить закон постоянства состава. Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен. Развитие химии показало, что наряду с соединениями постоянного состава существуют соединения переменного состава. По предложению Н.С. Курнакова первые названы дальтонидами (в память английского химика и физика Дальтона, к дальтонидам относятся все вещества молекулярного строения ), вторые - бертоллидами (в память французского химика Бертолле, предвидевшего такие соединения; это вещества с атомными, ионными и металлическими решетками). Теперь мы формулируем этот закон следующим образом: «Всякое чистое вещество молекулярного строения независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав».

Поскольку большая часть веществ, которые, так или иначе, попадают в наш организм (с пищей, косметическими препаратами, лекарственными препаратами) имеют молекулярное строение, значение закона постоянства состава и свойств химических веществ заключается в том, что, например, «натуральные» ароматизаторы и ароматизаторы «идентичные натуральным» представляют собой одни и тем же вещества – компонент фруктовых эссенций этилацетат, зарегистрированный в качестве пищевой добавки E1504, одинаков, если его и получили в колбе в результате реакции этерификации и выделили из яблока; карбамид (мочевина), которая используется в зубных пастах или жевательных резинках имеет одинаковое строение и свойства будь это вещество выделено из мочи или синтезировано химическим путем.

4: Закон плавучести Архимеда

По легенде, древнегреческий мыслитель, математик и инженер Архимед, открыл закон, погрузившись в ванну и увидев, что часть воды выплеснулась наружу, после чего с криком «Эврика!» побежал по улицам Сиракуз в том, в чем был во время приема ванны (то есть не в чем).

В соответствии с законом Архимеда на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа). Этот закон используется для определения плотностей неизвестных веществ (поскольку плотность растворов определяется концентрацией компонентов, по принципу закона Архимеда работают и бытовые спиртометры, которые продаются в магазинах хозяйственных товаров).

Закон Архимеда незаменим для разработки аппаратов для подводного плавания и летательных аппаратов легче воздуха (воздушных шаров, аэростатов, дирижаблей и цеппелинов). Ну и, конечно, закон Архимеда предостерегает нас от того, чтобы залезть в ванну, наполненную до краев, если мы, конечно, не хотим потом вытирать пол в ванной комнате и ждать визита агрессивных соседей снизу.