Физика в истории железных дорог

С.М. КОКИН, В.А. СЕЛЕЗНЁВ
ФИЗИКА В ИСТОРИИ 
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

© 2016, Ñ.Ì. Êîêèí, Â.À. Ñåëåçí¸â
© 2016, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

Ñ.Ì. Êîêèí, Â.À. Ñåëåçí¸â
Ôèçèêà â èñòîðèè æåëåçíûõ äîðîã: Ó÷åáíîå ïîñîáèå /
Ñ.Ì. Êîêèí, Â.À. Ñåëåçí¸â – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2016. – 296 ñ.

 êíèãå ðàññêàçûâàåòñÿ îá èñïîëüçîâàíèè ôóíäàìåíòàëüíûõ
ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ â îäíîé èç âàæíåéøèõ îòðàñëåé ñîâðåìåííîé òåõíèêè – íà æåëåçíîäîðîæíîì òðàíñïîðòå.
Èçëîæåíèå ìàòåðèàëà ïîñòðîåíî â ñîîòâåòñòâèè ñî øêîëüíûì êóðñîì ôèçèêè; êàæäûé ïàðàãðàô ñîäåðæèò òåîðåòè÷åñêîå
âñòóïëåíèå, ïðèìåðû, ðàñêðûâàþùèå äåéñòâèå ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ, à òàêæå – âîïðîñû è çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ (ðåøåíèå òèïè÷íûõ çàäà÷ ðàçáèðàåòñÿ).
Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ êíèãè ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ïðèìåðû, ïîÿñíÿþùèå òåîðåòè÷åñêèé ìàòåðèàë, íîñÿò êîíêðåòíûé õàðàêòåð – îíè âçÿòû èç ïðàêòèêè æåëåçíîäîðîæíîãî òðàíñïîðòà. ×òîáû çàèíòåðåñîâàòü êàê ìîæíî áîëåå øèðîêèé êðóã
÷èòàòåëåé, ïðèâîäÿòñÿ íåêîòîðûå èñòîðè÷åñêèå ñâåäåíèÿ, ñâÿçàííûå ñ ðàçâèòèåì æåëåçíûõ äîðîã è ñ èñïîëüçîâàíèåì íà íèõ
äîñòèæåíèé ôèçèêè. Êíèãà äîñòàâèò óäîâîëüñòâèå ëþáèòåëÿì
÷òåíèÿ: îíà íàïèñàíà ë¸ãêèì äëÿ âîñïðèÿòèÿ ÿçûêîì, ñîäåðæèò ìàññó çàíèìàòåëüíûõ, ïîðîé íåèçâåñòíûõ èëè çàáûòûõ ôàêòîâ è ìîæåò ñëóæèòü ïîñîáèåì-õðåñòîìàòèåé äëÿ ñòàðøåêëàññíèêîâ, èíòåðåñóþùèõñÿ òåõíèêîé, à òàêæå äëÿ ïðåïîäàâàòåëåé,
ïîäáèðàþùèõ ìàòåðèàë, êîòîðûé èëëþñòðèðóåò ïðèìåíåíèå
åñòåñòâåííîíàó÷íûõ çíàíèé â ïðàêòè÷åñêèõ öåëÿõ.
Êíèãà íàïèñàíà ïðåïîäàâàòåëÿìè ôèçèêè Ìîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà ïóòåé ñîîáùåíèÿ (ÌÈÈÒ).

ISBN 978-5-91559-214-7

ISBN 978-5-91559-214-7

Ðåöåíçåíò:

Äîöåíò êàôåäðû îáùåé ôèçèêè ÌÔÒÈ
 À.Ä. Êàëàøíèêîâ

КИНЕМАТИКА

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 ∆r. — Вектор скорости v = ∆r/∆t.

Âñå ìû âðåìÿ îò âðåìåíè ñòàíîâèìñÿ ïàññàæèðàìè,
ñîâåðøàÿ ïîåçäêè íà äëèííûå è êîðîòêèå ðàññòîÿíèÿ, è âñåì íàì
íå áåçðàçëè÷íî, êàêîå âðåìÿ ìû ïðîâåäåì â ïóòè. Ñòðåìëåíèå ê
âñå áîëåå âûñîêèì ñêîðîñòÿì — ãëàâíîå íàïðàâëåíèå ðàçâèòèÿ
ëþáûõ òèïîâ òðàíñïîðòíûõ ñðåäñòâ. Âíå êîíêóðåíöèè çäåñü ñåé÷àñ àâèàöèÿ — êðåéñåðñêèå ñêîðîñòè ñàìîëåòîâ ñîñòàâëÿþò áîëåå
900 êì/÷. Îäíàêî íàðÿäó ñ ýòèì íåñîìíåííûì äîñòîèíñòâîì, ñàìîëåò, êàê òðàíñïîðòíîå ñðåäñòâî, èìååò è ñóùåñòâåííûå íåäîñòàòêè:
çàâèñèìîñòü îò ïîãîäíûõ óñëîâèé, âûñîêóþ ñòîèìîñòü ïåðåâîçêè
ãðóçîâ, ïîòðåáëåíèå áîëüøîãî êîëè÷åñòâà âûñîêîêà÷åñòâåííîãî ãîðþ÷åãî. Êðîìå òîãî, àýðîïîðòû ÷àñòî íàõîäÿòñÿ äàëåêî çà ïðåäåëàìè ãîðîäîâ, è äëÿ òîãî, ÷òîáû äîáðàòüñÿ äî íèõ èç äîìà, òðåáóåòñÿ, ïîðîé, ÷óòü ëè íå ñòîëüêî æå âðåìåíè, ñêîëüêî òðàòèòñÿ íåïîñðåäñòâåííî íà ïåðåëåò â ïóíêò íàçíà÷åíèÿ.
À æåëåçíîäîðîæíûå âîêçàëû: âîò îíè, ïîæàëóéñòà, â öåíòðå
ãîðîäà! Ïîýòîìó, åñëè âðåìÿ â ïóòè ñîñòàâëÿåò 4—6 ÷àñîâ (ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ýòî âðåìÿ ÷åëîâåê ìîæåò ïðîâîäèòü â ïóòè, íå óòîìëÿÿñü), òî ïàññàæèðû ïðåäïî÷èòàþò æåëåçíîäîðîæíûé òðàíñïîðò.
Åñëè ê òîìó æå íå òðåáóåòñÿ ñëèøêîì ñïåøèòü, è ïàññàæèð íå

Г Л А В А
1

В

0

С
С

В
vB

vA = 0

v0

vC

0

A

Поверхность
головки
рельса

A

В

!"#$"%&!'!"Вагон

Направляющие колеса

Балкамонорельс

Ведущие
колесакатки

!"S

h

v

g

a

S

v

h

v0

!"#$%%&&v0

–v0

v
r

aцс
a

v

R

ДИНАМИКА

2.1.
СИЛЫ И МОМЕНТЫ СИЛ

2.1.1.
Почему поезд движется?

Первый закон динамики Ньютона. — Масса тела — мера его
инертности. — Второй закон Ньютона. — О сцеплении колеса с рельсом. — Сила трения скольжения: Fтр.ск = μскN. — От
чего зависит коэффициент трения скольжения? — Песок под
колесами локомотива. — Сила трения качения. — Сила сопротивления движению Fсопр = μкN ′/Rк.

Ëþáîå òåëî ñòðåìèòñÿ ñîõðàíÿòü ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè
äâèæåíèÿ ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ (òî åñòü ðàâíîìåðíîãî è ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ) â îòñóòñòâèå âîçäåéñòâèÿ íà íåãî äðóãèõ
òåë, à òàêæå â ñëó÷àå, êîãäà òàêèå âîçäåéñòâèÿ åñòü, íî óðàâíîâåøåíû. Òàêîâ ïåðâûé çàêîí äèíàìèêè Íüþòîíà.
Ñòðåìëåíèå òåëà ñîõðàíèòü ñâîþ ñêîðîñòü íàçûâàåòñÿ ÿâëåíèåì èíåðöèè: òåëà êàê áû «ïðîòèâÿòñÿ» èçìåíåíèþ ñêîðîñòè.
Äëÿ òîãî, ÷òîáû ïðåîäîëåòü èíåðöèþ (ñêàæåì, çàñòàâèòü òåëî
äâèãàòüñÿ), òðåáóåòñÿ íåêîòîðîå âíåøíåå âîçäåéñòâèå, íåóðàâíîâåøåííîå äðóãèìè. Ïðè ýòîì ðàçíûå òåëà ïî-ðàçíîìó ðåàãèðóþò íà îäèíàêîâûå âîçäåéñòâèÿ: îäíè ëåãêî ïîëó÷àþò óñêîðåíèÿ, à äðóãèå — íàîáîðîò, íå î÷åíü-òî îõîòíî ìåíÿþò ñâîþ ñêîðîñòü. Èíåðòíîñòü òåëà òåì áîëüøå, ÷åì áîëåå ìàññèâíî òåëî.
Êîëè÷åñòâåííîé ìåðîé èíåðòíîñòè, îïðåäåëÿþùåé ðåàêöèþ òåëà
íà âîçäåéñòâèå, ÿâëÿåòñÿ ìàññà òåëà m (â ÑÈ â èçìåðÿåòñÿ â
êèëîãðàììàõ — êã).

Г Л А В А
2

 N

v

Fдв
F

mлg

S

v

h

mлg

Fдв
F

Fск
F

N

v

mлg

N

Fдв
F

Fсопр
F

N N mвg

 !"#$
%&d1
d2

0

F1
F

F2
F

Fдв
F

v

F

0

F

Колесо локомотива