Когда скорость автомобиля составляет 120 км/ч, почему муха в автомобиле не попадает в заднее стекло?

Почему скорость мухи внутри машины равна скорости автомобиля?

 

Вы наверняка не раз сталкивались с ситуацией, когда к вам в машину залетала муха, овод, комар или оса. К сожалению, не всегда так легко выгнать насекомых из салона автомобиля. В итоге очень часто подобные пассажиры путешествуют в машине вместе с нами. Но вы когда-нибудь задумывались, почему, например, муха летает внутри салона и не попадает в заднее стекло, когда машина движется на скорости 120 км/час? То есть насекомые в машине ведут себя точно так же, как будто автомобиль стоит на месте. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно .

 

В мире науки есть такая поговорка: «Стационарность относительна, а движение абсолютно». В физике изменение положения объекта называется движением. Движение – это универсальный закон объекта. Вся Вселенная движется абсолютно. Стационарному объекту нужен объект в качестве эталона. . 

 

Представьте, что, садясь в машину, вы увидели в салоне муху. Когда автомобиль начинает двигаться, сила (толчок) инерции заставляет вас двигаться вместе с автомобилем. Это будет происходить только во время ускорения автомобиля. Как только автомобиль разовьет постоянную скорость, сила инерции больше не будет сильно воздействовать на вас, вдавливая вас в сиденье. 

 

Если вы бросите мяч прямо внутри машины, которая развила постоянную скорость, мячик поднимется и опустится точно так же, как если бы автомобиль стоял на месте. Почему так происходит? Все дело в том, что в машине в момент разгона все было разогнано (ускорено) до одинаковой скорости – вы, мяч, воздух и насекомое. 

 

Попробуйте провести эксперимент: сделайте небольшой маятник (привяжите к веревке груз) и подвесьте за веревку в машине. Далее при разгоне вы увидите, что пока автомобиль ускоряется, веревка будет отклоняться и висеть под углом. Веревка будет тянуть объект (груз) вперед, чтобы разогнать его до той же скорости, с которой движется автомобиль. 

 

Но как только автомобиль будет ехать с постоянной скоростью, веревка с грузом будет висеть вертикально вниз. То есть точно так же, как если бы автомобиль стоял на месте. При постоянной скорости веревка не будет тянуть объект вперед. 

 

Теперь вернемся к мухе или любому насекомому, которое залетело в машину. Представьте, что насекомое влетело в салон и село на сиденье рядом с вами. Когда автомобиль начнет разгоняться, муху будет прижимать к сиденью точно так же, как и вас. 

Как только автомобиль разгонится и начнет двигаться с постоянной скоростью, муху перестанет тянуть вперед. В этот момент муха не будет знать, движется автомобиль или стоит на месте. Муха сможет летать в салоне автомобиля, находящегося в движении, точно так же, как если бы находилась в комнате квартиры или дома. То есть при постоянной скорости машины мухе не нужно лететь вперед, чтобы не отставать от машины. 

 

Точно так же ведет себя и маятник, подвешенный в машине. При постоянной скорости машины веревке не нужно тянуть груз вперед. 

А как будет, если муха, залетев в стоящую машину, не сядет на сиденье, а , когда автомобиль начнет ускорение? В этом случае мухе придется немного лететь вперед, чтобы ускориться вместе с автомобилем. Это будет необходимо, пока машина будет разгоняться. Кстати, на самом деле мухе не нужно сильно лететь вперед. То есть не так сильно, как если бы муха пыталась снаружи не отставать от машины. 

 

Все дело в том, что насекомые очень легкие и воздух в салоне оказывает на нашу муху большое влияние. Когда машина начала разгоняться, внутри нее все начало разгоняться с той же скоростью. В том числе и воздух в салоне. Воздух в машине, разгоняясь вместе с ней, толкает вперед и насекомое. 

Поэтому чтобы поспевать за ускорением машины, мухе нужно мало энергии, чтобы двигаться вместе с автомобилем. 

 

 Простой эксперимент, объясняющий как ведут себя объекты в автомобиле, который разгоняется

 

Так что если муха хочет оставаться внутри машины прямо перед вашим носом, она должна лететь немного вперед, когда машина набирает скорость. Но когда машина движется с постоянной скоростью, ей нужно лишь зависнуть на месте. 

 

Что говорят ? Муха, которая находится внутри машины, имеет нулевую скорость относительно машины. Если машина движется со скоростью 120 км/час, с точки зрения наблюдателей, которые стоят на обочине дороги, автомобиль, вы и муха в салоне движетесь со скоростью 120 км/час (относительно стоящих на дороге наблюдателей). По отношению к любому, кто сидит с вами в машине, вы просто сидите в машине, не двигаясь ни с какой скоростью. 

 

По той же причине когда вы едете в поезде, который движется со скоростью 120 км/ч, вы можете самостоятельно идти по проходу, не бегая со скоростью 120 км/час. В этом случае вы идете по полу, который движется со скоростью 120 км/час. 

 

Один из первых, кто заметил это явление, был Галилей. Он прекрасно описывает это явление в своем главном сочинении :

 

«Уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой какого-нибудь корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими подобными мелкими летающими насекомыми; пусть будет у вас там также большой сосуд с водой и плавающими в нем маленькими рыбками; подвесьте, далее, наверху ведерко, из которого вода будет падать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, подставленный внизу.  
Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно, как мелкие летающие животные с одной и той же скоростью движутся во все стороны помещения; рыбы, как вы увидите, будут плавать безразлично во всех направлениях; все падающие капли попадут в подставленный сосуд, и вам, бросая какой-нибудь предмет, не придется бросать его с большей силой в одну сторону, чем в другую, если расстояния будут одни и те же; и если вы будете прыгать сразу двумя ногами, то сделаете прыжок на одинаковое расстояние в любом направлении. Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает никакого сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно, все должно происходить именно так. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно.
 
Прыгая, вы переместитесь по полу на то же расстояние, что и раньше, и не будете делать больших прыжков в сторону кормы, чем в сторону носа, на том основании, что корабль быстро движется, хотя за то время, как вы будете в воздухе, пол под вами будет двигаться в сторону, противоположную вашему прыжку, и, бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большой силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей; рыбы в воде не с большим усилием будут плыть к передней, чем к задней части сосуда; настолько же проворно они бросятся к пище, положенной в какой угодно части сосуда; наконец, бабочки и мухи по-прежнему будут летать во всех направлениях, и никогда не случится того, чтобы они собрались у стенки, обращенной к корме, как если бы устали, следуя за быстрым движением корабля, от которого они были совершенно обособлены, держась долгое время в воздухе; и если от капли зажженного ладана образуется немного дыма, то видно будет, как он восходит вверх и держится наподобие облачка, двигаясь безразлично, в одну сторону не более, чем в другую.
 
И причина согласованности всех этих явлений заключается в том, что движение корабля обще всем находящимся на нем предметам, так же как и воздуху; поэтому-то я и сказал, что вы должны находиться под палубой, так как если бы вы были на ней, т. е. на открытом воздухе, не следующем за бегом корабля, то должны были бы видеть более или менее заметные различия в некоторых из названных явлений: дым, несомненно, стал бы отставать вместе с воздухом, мухи и бабочки вследствие сопротивления воздуха равным образом не могли бы следовать за движением корабля в тех случаях, когда они отделились бы от него на довольно заметное расстояние; если же они будут держаться вблизи, то, поскольку сам корабль представляет собой сооружение неправильной формы и захватывает с собой ближайшие к нему части воздуха, они без особого усилия будут следовать за кораблем; подобным же образом мы видим при езде на почтовых, как надоедливые мухи и слепни следуют за лошадьми, подлетая то к одной, то к другой части их тела; в падающих же каплях различие будет незначительным, а в прыжках или брошенных телах — совершенно неощутимым.»

 

Это наблюдение привело Галилея к утверждению, что законы механики инвариантны при изменении . В настоящее время считается, что не только законы механики, но и законы физики должны быть инвариантны при изменении любой системы отсчета. фундаментальный принцип физики, называемый .

 

Ограничивая себя механикой, это означает, что нет никакого механического эксперимента, способного обнаружить абсолютное движение инерциальной системы отсчета. Это правило на самом деле содержится в первом законе Ньютона (который принадлежит Галилею). Когда муха попадает в машину, движущуюся на скорости 120 км/ч, ее скорость по отношению к земле становится также 120 км/час.

 

Когда муха поднимается вверх, как утверждает этот первый закон Ньютона, скорость мухи должна сохраниться на уровне 120 км/час, так как нет силы, толкающей или тянущей муху в горизонтальном направлении. В итоге муха может лететь в машине со скоростью 5 м/сек, несмотря на то что автомобиль едет на скорости 120 км/час. То есть точно так же, как если бы муха находилась на улице, летя над поверхностью земли.