Физика в истории железных дорог


С.М. КОКИН, В.А. СЕЛЕЗНЁВ




                ФИЗИКА В ИСТОРИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2016

Рецензент:

Доцент кафедры общей физики МФТИ А.Д. Калашников




  С.М. Кокин, В.А. Селезнёв
    Физика в истории железных дорог: Учебное пособие / С.М. Кокин, В.А. Селезнёв — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2016. — 296 с.
  ISBN 978-5-91559-214-7

    В книге рассказывается об использовании фундаментальных физических законов в одной из важнейших отраслей современной техники — на железнодорожном транспорте.
    Изложение материала построено в соответствии со школьным курсом физики; каждый параграф содержит теоретическое вступление, примеры, раскрывающие действие физических законов, а также — вопросы и задачи для самостоятельного решения (решение типичных задач разбирается).
    Отличительной особенностью книги является то, что примеры, поясняющие теоретический материал, носят конкретный характер — они взяты из практики железнодорожного транспорта. Чтобы заинтересовать как можно более широкий круг читателей, приводятся некоторые исторические сведения, связанные с развитием железных дорог и с использованием на них достижений физики. Книга доставит удовольствие любителям чтения: она написана лёгким для восприятия языком, содержит массу занимательных, порой неизвестных или забытых фактов и может служить пособием-хрестоматией для старшеклассников, интересующихся техникой, а также для преподавателей, подбирающих материал, который иллюстрирует применение естественнонаучных знаний в практических целях.
    Книга написана преподавателями физики Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).






  ISBN 978-5-91559-214-7    © 2016, С.М. Кокин, В.А. Селезнёв
                             © 2016, ООО Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ













Вступление..................................................6

Глава 1
КИНЕМАТИКА................................................ 11
    1.1. Скорость......................................... 11
        1.1.1. Что такое скорость?........................ 11
        1.1.2. Первые локомотивы: «Догоним и перегоним лошадей!».......................................... 17
        1.1.3. Скорости бывают разные..................... 26
    1.2. Ускорение........................................ 31
        1.2.1. Это необходимое ускорение.................. 31
        1.2.2. Ускорение на криволинейных участках пути... 41
    Задачи для самостоятельного решения....................47

Глава 2
ДИНАМИКА.................................................. 50
    2.1. Силы и моменты сил............................... 50
        2.1.1. Почему поезд движется?..................... 50
        2.1.2. Что вращает колесо?........................ 60
        2.1.3. Как не перевернуться на повороте........... 71
    2.2. Законы сохранения в механике .................... 86
        2.2.1. Закон сохранения импульса и реактивное движение........................................... 86
        2.2.2. Работа и энергия. Закон сохранения механической энергии............................................ 89
    Задачи для самостоятельного решения...................101

—Оглавление

Глава 3 МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.................................104
    3.1. Колебания и вибрации в поезде.........................104
        3.1.1. Колебательное движение в поездке по железной дороге ............................................104
        3.1.2. Внимание: вынужденные колебания! ...............113
    3.2. Упругие волны.........................................119
        3.2.1. Звук, инфразвук, ультразвук на транспорте.......119
    Задачи для самостоятельного решения........................128

Глава 4 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА............................130
    4.1. Молекулярные явления в твердых, жидких и газообразных телах..................................130
        4.1.1. Зимой и рельсы короче...........................130
        4.1.2. Законы для идеального и реального газа при перевозках.....................................133
        4.1.3. Воздух поддерживает, воздух перемещает, но и мешает движению...........................................140
        4.1.4. Капиллярные эффекты на железной дороге..........146
    4.2. Элементы термодинамики................................151
        4.2.1. Первое начало термодинамики: варианты использования......................................151
        4.2.2. Заставим газ работать ..........................158
    Задачи для самостоятельного решения........................167

Глава 5 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ.........................................171
    5.1. Постоянный электрический ток..........................171
        5.1.1. Электричество приходит на железную дорогу.......171
        5.1.2. По пути наименьшего сопротивления...............174
        5.1.3. Постоянный ток на железной дороге — хорошо, но не всегда.......................................182
        5.1.4. Как заставить электрические заряды двигаться....188
        5.1.5. Об энергии в электрической цепи: что-то теряем, что-то находим.....................................193
    5.2. Магнитные явления.....................................197
        5.2.1. Магнитное поле как источник сил, действующих на проводник с током...............................197
        5.2.2. Попробуем использовать магнетизм на транспорте .205

Оглавление —' у-  5

    5.3. Электромагнетизм....................................210
        5.3.1. К чему приводит изменение магнитного поля.....210
        5.3.2. Электрический контур — сам источник ЭДС.......216
        5.3.3. Магнитное поле для записи информации..........218
    5.4. Переменный электрический   ток......................222
        5.4.1. Ток не может быть все время постоянным .......222
        5.4.2. Железная дорога: переходим от постоянного тока
             к переменному...................................228
        5.4.3. Трансформатор — устройство для преобразования переменного тока.....................................236
    5.5. Электромагнитные волны..............................243
        5.5.1. Электромагнитное поле вокруг нас: его влияние и использование......................................243
    Задачи для самостоятельного решения......................250

Глава 6
ОПТИКА. АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА.............................257
    6.1. Свет и цвет на железнодорожном транспорте...........257
        6.1.1. Геометрическая оптика на железной дороге .....257
        6.1.2. Использование волновых свойств света
             для обеспечения безопасности движения...........269
    6.2. На железную дорогу приходят квантовая, атомная и ядерная физика..........................................276
        6.2.1. Воспользуемся квантовыми свойствами света.....276
        6.2.2. Атомная и ядерная физика на железной дороге — это серьезно! .......................................283
    Задачи для самостоятельного решения......................287

Заключение...................................................288

Ответы к задачам.............................................292

            ВСТУПЛЕНИЕ










           Так уж устроен человек, что он очень быстро привыкает к новым достижениям науки и техники, постепенно проникающим в повседневную жизнь. Еще с десяток лет назад, например, позвонить прямо из автобуса откуда-то, скажем, из Вологды, своему другу в Южно-Сахалинск было нереально, а сейчас собеседника можно при этом не только услышать, но и увидеть! Мы помним время, когда любой полет человека в космос представлялся подвигом, а ныне некоторые желающие уже имеют возможность записаться в космические туристы. На заре кинематографа люди убегали из зала, когда на них с экрана двигался поезд, а теперь в 3D вас чуть ли не за нос хватает какое-нибудь чудище — и ничего, это никого не пугает!
   Всего-то два столетия назад движущаяся без помощи лошадей повозка приводила в восторг обывателей, а теперь никого не удивляет состав, несущийся по рельсам со скоростью нескольких сотен километров в час — ну что тут такого: поезд себе, и поезд. Но неужели вы никогда не задумывались о том, как такая здоровая махина не только едет, не проскальзывая, по гладким (!) рельсам, да еще тащит за собой кучу вагонов? А взять, например, старый музейный паровоз: разве вам ни разу не хотелось залезть в кабину и посмотреть, потрогать: что там внутри? Быть может, вам приходилось когда-нибудь растерянно стоять на заброшенной железнодорожной колее, уходящей куда-то в лес, и безуспешно пытаться угадать, откуда она здесь взялась и куда ведет?
   Сколько интересного обнаруживается, когда, пробуя в чем-то разобраться, знакомишься с историей вопроса, и, в частности, — с историей науки и техники!
   Развитие цивилизации тесно связано с техническими достижениями, с открытием новых физических явлений и законов. Желез

Вступление

нодорожный транспорт является ярким примером одной из тех областей практической деятельности, для обеспечения прогресса в которой особенно требуется широта знаний. «На железнодорожном транспорте стыкуется множество отраслей науки и техники», — это слова известного советского инженера-мостостроителя, а затем и крупнейшего специалиста по электросварке Е.А. Патона. А вот что говорил своим студентам Ф.Е. Максименко — первый директор училища по подготовке инженеров транспорта, основанного в 1896 г. (ныне Московский государственный университет путей сообщения): «Именно железная дорога, органически сочетающая множество отраслей науки и техники, требует от инженера обширных знаний, постоянного самообразования и самостоятельного мышления».
    Разве предполагали создатели паровозов, что прогресс железнодорожного транспорта потребует от них знания законов электричества? А затем, в свою очередь, и конструкторы электровозов — что им нужно будет изучать и применять в своей деятельности новейшие достижения теории магнетизма и сверхпроводимости? От использования мускульной силы лошадей — к применению тепловой энергии паровых машин, затем — энергии электромагнитного поля (а теперь уже и атомной энергии) — такова явная тенденция расширения сферы знаний в области физики для инженеров, занимающихся транспортной техникой. Развитие скоростного пассажирского сообщения, внедрение автоматики, информационных и управляющих систем потребовало от специалистов железнодорожного транспорта изучения электроники, физики твердого тела, волновой и квантовой оптики: примеры можно продолжать и продолжать. Впрочем, все это вы поймете и сами, когда прочтете книгу.
    Хотя, может быть и не стоит физикам уделять железнодорожному транспорту столько внимания? Ведь самолеты — быстрее, автотранспорт — мобильнее, морской и речной транспорт — дешевле.
    Вопрос не праздный... Не зря же в свое время известный американский писатель-фантаст Айзек Азимов предсказывал, что к 1990 г. «железные дороги выйдут из употребления, и сообщение между городами будет осуществляться посредством грузовиков и автобусов, которые достигнут небывалых размеров и бесконечного разнообразия форм».

Вступление

       В том, что не сбылось это предсказание, проявляется одно из преимуществ железнодорожного транспорта для перевозок грузов и пассажиров при средних скоростях движения на расстояния порядка сотен — тысяч километров: грузоподъемность и вместимость. Железная дорога дает возможность перевозить тяжелые грузы и одновременно большое количество пассажиров, причем для этого требуется гораздо меньшее усилие, чем в любом другом случае передвижения по земной поверхности. Вот, например, как характеризовал важность и полезность железной дороги академик Владимир Николаевич Образцов (вам, наверное, больше известен его сын — основатель Центрального театра кукол народный артист СССР Сергей Владимирович Образцов): «Главное отличие железной дороги от шоссейной и грунтовой состоит, прежде всего, в том, что здесь телеги, называемые вагонами, едут не прямо по дороге, а по металлическим балкам-рельсам и при этом идут не по отдельности, а целыми поездами. Всем известно, что чем глаже путь, тем легче тащить по нему груз; толкнуть и сдвинуть груженую телегу по обычной грунтовой дороге человек не в состоянии, столкнуть телегу по шоссе легче, а тянуть сани по снегу — еще легче. Рельсы представляют такой гладкий путь, по которому тащить еще легче, чем по шоссе или по снегу... Опыты показывают, что по плохой грунтовой дороге сила, нужная для передвижения телеги, равна 0,1 от веса телеги... По хорошей грунтовой дороге сила эта равна 0,05 от веса, по шоссе — 0,03 от веса, а по железной дороге — всего 0,003 от веса».
       Это заметили еще древние греки и римляне, прокладывавшие каменные колеи, на смену которым затем и пришли рельсы — вначале также каменные, потом просто деревянные или деревянные, но обитые железом, и, наконец, чугунные (такая дорога называлась «чугункой»), железные («железка») и теперешние стальные. Уже сейчас существуют дороги, на которых можно обойтись только одним магнитным рельсом, а то и просто направляющей железобетонной балкой. Причем, с этим рельсом или балкой при движении вообще нет никакого непосредственного контакта! А это означает, что для смещения груза по такой дороге не потребуется почти никакого усилия, как в случае любого предмета, подвешенного в воздухе!
       Еще одно немаловажное преимущество железнодорожного транспорта состоит в том, что он гораздо более безопасен эколо

Вступление

    гически. А ведь в позапрошлом веке, на заре развития железных дорог, скептики обещали: «Железные дороги помешают коровам пастись, а курам — нести яйца... Отравленный паровозами воздух будет убивать птиц... Лошади потеряют всякую цену... Путешествие по железным дорогам будет крайне опасно, так как паровики будут взрываться, и пассажиры при этом будут разрываемы на куски». В Германии в те же времена медицинская комиссия пришла к выводу, что быстрота движения (это тогда-то!), несомненно, должна развивать у пассажиров болезнь мозга. Некий журнал в Америке утверждал, что пассажиры от быстрого движения в поездах теряют память.
       Как будто, к счастью, ничего подобного не случается. Что же касается безопасности движения, то, хотя мы порой и слышим о печальных происшествиях на железнодорожном транспорте, он по-прежнему остается самым безопасным средством сообщения. Люди предпочитают добираться до пункта назначения, особенно на средние расстояния (сотни, тысячи километров), поездом — так надежнее и безопасней. Ну а перевозку грузов железные дороги удешевили в несколько раз!
       Так что, без железных дорог не обойтись. Более того, необходимость в них все возрастает. Не случайно в туннеле под Ла-Маншем проложен именно железнодорожный путь. В железнодорожных перевозках оказываются заинтересованными даже другие средства сообщения. Авиакомпании субсидируют постройку рельсовых скоростных магистралей город—аэропорт. Судовладельцы рассчитывают подход железнодорожных путей прямо к причалам порта. Владельцы автомобильного транспорта пользуются вагонами-платформами для перевозки своих автомобилей железнодорожным транспортом к удобной автомобильной магистрали.
       А ведь постройка первых железных дорог вызывала вначале яростное противодействие хозяев земельных участков, не пускавших в свои владения инженеров, рабочих и часто ломавших их приборы и инструменты. И лишь когда выгода от железнодорожного транспорта стала очевидной, и акции железнодорожных компаний выросли в цене, некоторые стали согласны даже «провести дорогу через свою спальню, а постель уступить под станцию».
       Так что вопрос о целесообразности развития железнодорожного транспорта давно уже не ставится. И только указывается на непременное его соответствие экологии и нормам проживания

—Вступление

    людей. Но для того, чтобы железные дороги отвечали современным требованиям, предъявляемым к средствам передвижения, они должны постоянно совершенствоваться, вбирая все новые достижения современной науки и, в частности, физики.
       Цель этой книги — показать, как известные вам законы физики работают на железнодорожном транспорте. Некоторые основные положения школьного курса физики кратко повторены для большего закрепления в памяти. Для желающих проверить свои знания и понимание сути прочитанного в конце каждой главы дается несколько вопросов-задач для самостоятельного решения.
       В книге вы встретите много отступлений от физических «материй», описание исторических фактов, связанных с использованием в железнодорожном деле достижений науки. Разве не интересно узнать, почему и как появились первые железные дороги? Кто их создавал, где впервые они были построены и когда?
       Авторы стремились составить пособие-хрестоматию для дополнительного изучения отдельных глав школьного курса физики с учетом исторического развития и современного применения физических знаний на железнодорожном транспорте и надеются, что их труд не покажется напрасным.
       Остается пожелать вам приятного чтения!

ГЛАВА



            КИНЕМАТИКА



1

1.1.      СКОРОСТЬ

        1.1.1.    Что такое скорость?

          Конкуренция видов транспорта. — Что такое скорость? — Задача для полицейского. — Скорость при равномерном прямолинейном движении. — Мгновенная скорость. — Перемещение Аг. — Вектор скорости v = Ar/A t.

          Все мы время от времени становимся пассажирами, совершая поездки на длинные и короткие расстояния, и всем нам не безразлично, какое время мы проведем в пути. Стремление к все более высоким скоростям — главное направление развития любых типов транспортных средств. Вне конкуренции здесь сейчас авиация — крейсерские скорости самолетов составляют более 900 км/ч. Однако наряду с этим несомненным достоинством, самолет, как транспортное средство, имеет и существенные недостатки: зависимость от погодных условий, высокую стоимость перевозки грузов, потребление большого количества высококачественного горючего. Кроме того, аэропорты часто находятся далеко за пределами городов, и для того, чтобы добраться до них из дома, требуется, порой, чуть ли не столько же времени, сколько тратится непосредственно на перелет в пункт назначения.
   А железнодорожные вокзалы: вот они, пожалуйста, в центре города! Поэтому, если время в пути составляет 4—6 часов (считается, что это время человек может проводить в пути, не утомляясь), то пассажиры предпочитают железнодорожный транспорт. Если к тому же не требуется слишком спешить, и пассажир не

Глава 1. Кинематика

прочь переночевать в поезде, то время неутомительного путешествия возрастает до 12—16 часов, что при нынешних скоростях соответствует перемещениям на расстояние до 2000 км. И когда скорости поездов повсеместно достигнут 250—300 км/ч, железнодорожный транспорт составит конкуренцию воздушному в пассажирских перевозках даже на более дальних маршрутах. А на расстояниях до 300 км он становится просто незаменимым! Уже сейчас граждане предпочитают жить в небольших городках, а работать в мегаполисе, добираясь до работы высокоскоростным железнодорожным транспортом меньше, чем за час. Железнодорожный транспорт вытесняет из этой сферы услуг автомобильный с его пробками, парковками, выхлопными газами, выбрасываемыми в атмосферу.
   Конечно, не только пассажиров, но и грузы тоже желательно перевозить как можно быстрее, особенно — скоропортящиеся. И если до недавнего времени эффективность грузоперевозок оценивалась в тонно-километрах (а еще раньше в пудо-верстах), то теперь в расчет эффективности входит и их скорость.
   Итак, скорость, скорость и еще раз скорость!
   Когда задаются вопросом, что такое скорость, то, кажется, нет ничего проще, чем дать соответствующее определение, ведь в нашей повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с этим понятием. При этом мы чаще всего имеем в виду то, как быстро движется какой-либо предмет, скажем, какое-нибудь транспортное средство: автомобиль, поезд, самолет. Но иногда в это понятие вкладывается и смысл, не связанный с непосредственным перемещением предмета в пространстве. Например: скорость чтения, скорость счета и так далее.
   Поэтому следует сразу оговориться, что в механике рассматриваются только скорости материальных тел, связанные с их перемещением в пространстве. В этом случае скорость характеризует быстроту этого перемещения.
   Казалось бы, для нахождения скорости тела надо просто измерить его перемещение за некоторое время и подсчитать, какой путь проходит тело за единицу времени (скажем, за один час). Допустим, поезд прошел 200 км за 2 часа, тогда, считая, что он прошел за один час 100 км, получаем его скорость 100 км/ч.
   Вроде бы все просто? А что, если поезд был в пути не два часа, не час, а меньше? И к тому же еще делал остановки, то замедляя, то убыстряя свой ход?

1.1. Скорость —1 I3 13

    Вот, например, какую забавную ситуацию описывает (и тут же ее разбирает) в курсе лекций по физике известный американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман.
    «Автомобиль... был остановлен полицейским. Он подходит к машине и говорит: «Мадам (ибо за рулем была женщина), Вы нарушили правила уличного движения. Вы ехали со скоростью 90 километров в час». Женщина отвечает: «Простите, это невозможно. Как я могла делать 90 километров в час, если я еду всего лишь 7 минут!» Предположим, вы хотите честно доказать нарушительнице ее вину и пытаетесь объяснить ей, что означает скорость 90 км/ч. Как это сделать? Вы скажете: «Я имел в виду, мадам, что если бы Вы продолжали ехать таким образом, то через час Вы бы проехали 90 км». «Да, но я ведь затормозила и остановила машину, — может ответить она. — Так что теперь-то я уже никак не могла бы проехать 90 километров в час»... Нарушительница могла бы вам еще ответить и так: «Если бы я продолжала ехать, как ехала, еще час, то налетела бы на стену в конце улицы!» В общем, как видите, полицейский оказался бы в очень трудном положении, пытаясь объяснить, что он имел в виду.
    Многие физики думают, что единственным определением любого понятия является способ его измерения. Но тогда при объяснении вы должны прибегнуть к прибору, измеряющему скорость. «Смотрите, — скажете вы в этом случае. — Ваш спидометр показывает 90». «Мой спидометр сломан и давно не работает» — ответит она. Но достаточно ли этого, чтобы поверить, что машина не двигалась?
    Очевидно, что понятие «скорость» не зависит от спидометра. Спидометр нужен только для того, чтобы измерять ее. Давайте посмотрим, нельзя ли придумать лучшее определение понятия «скорость».
    Вы скажете: «Разумеется, мадам, если бы Вы ехали таким же образом в течение часа, то налетели бы на стену, но за 1 секунду Вы бы проехали 25 метров, так что Вы делали бы 25 метров в секунду, и если бы продолжали ехать таким образом, то в следующую секунду опять проехали бы 25 метров, а стена стоит гораздо дальше». «Но правила запрещают делать 90 километров в час, а не 25 метров в секунду!»
    Как вы думаете, удастся ли полицейскому объяснить, что 90 км/ч и 25 м/с — это одно и то же?