Чому поїзд не може набирати швидкість нескінченно
Усі, хто вивчає фізику навіть у середній школі, знають просту формулу швидкості рівноприскореного руху: (V = at), де V – це швидкість; a – прискорення; t – час дії прискорення. Це означає, що при постійному прискоренні зі збільшенням часу зростає, виходить, до нескінченності. Так воно має бути і насправді.
Якщо поїзд рухається під дією локомотива постійної сили, то з формули Ньютона (F = ma) знаходимо прискорення: a = F/m, яке теж є постійною величиною, оскільки сила локомотива і маса поїзда величини постійні (за умовою). ‘
Однак зростання швидкості відбувається тільки до певної величини.
Нескінченний набір швидкості суперечить правилам безпечної експлуатації залізничного транспорту. Я навіть не можу уявити поїзд, що рухається зі швидкістю звуку. Чим швидше рухається поїзд, тим вище сила тертя кочення коліс поїзда об рейки. Сила тертя залежить від сили тяжіння та швидкості руху поїзда. При досягненні певної швидкості ці дві сили врівноважують одна одну. Тому розгін поїзда припиняється. Потяг міг би розганятися і далі, якби не було тяжіння Землі. Є ще одна обставина, що нічого не може рухатися швидше за швидкість світла. Максимальна швидкість поїзда записана у його технічному паспорті та записана у правилах безпечної експлуатації залізничного транспорту.
Слухайте, ну які на фіг "правила безпечної експлуатації", якщо питання - на шкільну фізику!
Значиться, тут у чому річ? У другому законі Ньютона: a = F/m. Тепер вдумаємося в його "справжнє" формулювання: прискорення прямо пропорційно рівнодіє всіх сил, що діють на тіло. Ось у слові "рівнодіюча" іслід шукати відповідь.
Так, сила тяги стала. А сила тяги - зовсім не єдина сила, що діє на тіло. Як тільки виникає рух - виникає і сила опору цьому руху, причому ця сила часто (майже завжди) залежить від швидкості. А значить, при певній швидкості сила опору зрівняється з силою тяги - і рівнодіюча буде рівною нулю .
Але справа не лише у зростанні сили опору із зростанням швидкості. Швидкість не може зростати нескінченно навіть за постійної сили опору.
Існує відома формула: P = Fv. Потужність - добуток швидкості на силу опору. Адже на що витрачається потужність двигуна за постійної швидкості (для якої, якщо формально дивитися на другий закон Ньютона, сила взагалі не потрібна)? На подолання сили спротиву. А що таке потужність? Це у нас робота за одиницю часу. Ну, а що таке робота? А це витвір сили на переміщення. З іншого боку, швидкість – це переміщення в одиницю часу. Значить, чим більше переміщення, тим більшу роботу (проти сил опору руху) треба здійснити для цього переміщення. І чим більша швидкість - тим швидше цю роботу треба виконувати, тому що тим за менший час долатиметься відповідна відстань. І ось самекінцева потужність двигуна - навіть при незалежній від швидкості силі опору - і обмежує максимальну швидкість локомотива або автомобіля.