14 мая 2010 г.

Энергия пружины и волки

Добрый день.

Сегодня мы начнём разбираться с недавней задачкой о растворении сжатой пружины, а потом перейдём к интересному эксперименту с волками. Итак, в недавней заметке о сохранении энергии мы задались следующим вопросом: куда девается энергия сжатой пружины после растворения пружины в кислоте?

Правильное размещение пружины в ёмкости с кислотойВо-первых, следует обратить внимание вот на какой момент: в исходной заметке была предложена не очень правильная картинка. Дело в том, что центры масс двух пружинок находились на разных высотах. Поэтому потенциальная энергия пружин в поле тяжести была разная: сжатая пружина была ниже. Другими словами, доля потенциальной энергии сжатой пружины была выше (из-за сжатия), а другая доля - ниже (из-за меньшей её высоты). Поэтому мысленный эксперимент не был чистым (здорово, что нашёлся комментатор, заметивший это).

Чтобы исправить эту проблему можно поступить одним из следующих способов:
1) считать, что эксперимент проводится в невесомости (это классическое физическое решение :)
2) растопыривать пружинку в аквариуме чуть выше, чтобы центры масс были на одном уровне (как на исправленной картинке).

Теперь у нас почти всё хорошо с чистотой эксперимента, поэтому можно разбираться с процессом сжатия пружин. Давайте поставим следующие мысленные эксперименты:

I. Возьмём обычную пружину, сожмём её (в этот момент запасём в ней потенциальную энергию), после чего позволим ей распрямиться. Куда делась энергия сжатой пружины? Кстати, чтобы было чище, давайте считать, что этот эксперимент проводится в безвоздушном пространстве.

II. Теперь возьмём ту же сжатую пружинку, но поместим её в ёмкость, например, с водой. И теперь внезапно разожмём пальцы. А куда теперь делась энергия сжатой пружины?

Разобравшись с этими двумя вопросами, мы приблизимся к пониманию задачки о кислоте. Скоро мы разберём нашу задачу III - её понимание будет основано на решениях этих двух. А пока давайте не некоторое время перейдём к удивительному общению с дикой природой. Если сознание сразу хочет поверить в идею Киплинга о маленьком Маугли, воспитанном стаей волков, то представить взаимодействие взрослого человека с опасными хищниками в их естественной среде не очень легко. Но очень интересно!

Ясон Бадридзе несколько лет прожил в стае волков и передал обоим видам важные знания друг о друге. «Людям он рассказал о культуре зверей. Волков научил избегать человека и домашний скот.» - это начало статьи «Между человеком и волком».

Вообще-то у меня сразу возникла ассоциация с фильмом «Аватар», так как в статье интересно описан обмен знаниями. Цитата: «я изначально был экспериментатором, изучал физиологию поведения. Но вскоре осознал, что мы изучаем механизмы того, смысла чего не знаем. Жизнь зверя в природе была почти неизвестна, публикаций о волке тогда почти не было. Я попробовал заняться групповым поведением собак, но скоро понял, что они потеряли многие поведенческие черты. И тогда я решил пожить с волками. Поехал туда же, в Боржомское ущелье, нашел одну семью. Меня интересовало, как формируется поведение, как они обучают волчат охоте…».

И если учёный поселился с волками, чтобы изучать их, то звери приняли его не только из любопытства. Исследователь утверждает, что волки догадались, что их не трогают, пока с ними человек. Цитата: «Взрослые приняли после той встречи, переярки понаблюдали за родителями, поняли, что я не опасен. А потом щенки родились – они вообще не знали, что меня там быть не должно. Дело еще в том, что волки эти меня намного раньше увидели, чем я их. Пока я их следы изучал, они меня физиономически уже знали. И они поняли, что мое присутствие обеспечивает им спокойную жизнь от егерей. Там браконьерство жуткое было: постоянно капканы ставили, гонялись за ними – за волка пятьдесят рублей давали. А я с егерями договорился под угрозой мордобоя: пока я здесь, никаких волков не трогать.»

Эта статья интересным образом перекликается с недавней заметкой о том, что иногда лучше много не думать, а позволить внутренним низкоуровневым процессам взять управление на себя. Цитата:

«А ваше сознание не мешало вам?

Сначала мешало, пока я думал, что делать. А потом – нет, абсолютно. Уже через несколько месяцев. А месяцев через восемь я уже мог точно описать, что делает волк у меня за спиной. Потому что все-таки все время было напряжение: это дикие звери, надо контролировать. И, видимо, это напряжение пробудило третий глаз или как это называется.
»

Статья очень интересная, поэтому рекомендую прочитать её целиком. Например, в ней написано не только, что волки не помнят, где спрятали мясо, но и объясняется, почему это хорошо. Или доказывается интересная мысль о том, что охота - это в большой степени традиция, передаваемая из поколения в поколение (цитата: «В одной и той же местности могут жить семьи, которые умеют охотиться только на лося или только на оленя»). Или показан конфликт волчьей неофобии с любопытством - они боятся всего нового, но не могут устоять перед ним. Или продемонстрирован момент непонятного альтруизма - однажды волки спасли учёного от смерти.

Кстати, если вам понравится эта история про волков, то, скорее всего, будет интересно прочитать интересные прогулки с медвежатами (ссылка на них была здесь чуть меньше года назад).

Хороших выходных!

8 комментариев:

  1. >Чтобы исправить эту проблему можно поступить одним из следующих способов:
    >1) считать, что эксперимент проводится в невесомости (это классическое физическое решение :)
    >2) растопыривать пружинку в аквариуме чуть выше, чтобы центры масс были на одном уровне (как на исправленной картинке).

    Есть третий способ, проще: считать, что на исходной картинке изображён не вид сбоку, а вид сверху, и пружинка в обоих случаях лежит на дне.

    ОтветитьУдалить
  2. I. Если сжатую пружину отпустить в вакууме и в невесомомси, то пружина начнет колебаться (растягиваться и сжиматься). Для реальной пружины колебания будут затухающими, энергия которых перейдет во нутреннюю энергию пружины, т.е. ее на нагрев. Идеальная пружина так и не остановится. Излучением волн вследствие колебаний мы пренебрегаем.

    ОтветитьУдалить
  3. self-perfection, это отличный выход :)
    Надо только жидкость подрисовать в верхней части аквариума, чтобы выглядело похоже.

    Николай, да, это первый шаг к решению исходной задачи. Мне кажется, что для понимания задачи с кислотой необходимо убедиться в правильном понимании простых процессов. Это мы сейчас и делаем.

    ОтветитьУдалить
  4. II. Если сжатую пружину отпустить в жидкости то энергия колебаний будет прередаватся жидкости. Затрачиваться эта енергия может на разгон жидкости, на работу против внутреннего трениеня жидкости(вязкость?), на кавитацию, если пружина будет двигаться достаточно быстро. Энергия колебаний может быть передана опосредованно, через нагрев жидкости от нагреваемой пружины. В итоге температура нашей системы повысится.

    ОтветитьУдалить
  5. III. Если сжатую пружину поместить в сосуд с кислотой так, чтобы она осталась сжатой пока пружина растворяется то, скорее всего, реакция будет протекать на большей скорости, нежели растворение расслабленной пружины. Я считаю, что потенцияльная энергия атомов (металлическая пружина) в напряженном метале снизит энергию активации химической реакции. Если в какой-то момент пружина разрушится, то она ее фрагменты смогут колебаться как в II. Если же пружина будет растворяться равномерно по всей длинне, то потенциальная энергия ее сжатия целиком перейдет на поддержание реакции. Энергетический выход химической реакции будет выше.

    ОтветитьУдалить
  6. это классическое физическое решение :)
    Вечно эти физики лукавят: http://xkcd.ru/669/ :)

    ОтветитьУдалить
  7. Николай, спасибо за соображения!

    LisandreL, да, этот комикс как раз подходит сюда :)

    И приглашаю всех к разбору этих и исходной задачек.

    ОтветитьУдалить
  8. 1. В энергию колебаний пружины
    2. В энергию колебаний жидкости. Если жидкость вязкая - в тепло.
    3. В тепло?

    ОтветитьУдалить

Понравилась заметка? Подпишитесь на RSS-feed или email-рассылку.

Хотите поделиться ссылкой с другими? Добавьте в закладки:



Есть вопросы или предложения? Пишите письма на адрес mytribune АТ yandex.ru.

С уважением,
      Илья Весенний