Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Классификация физических систем на реальных примерах

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Пример физической системы-источника и физической системы-стока.
2. Примеры реальных физических систем в электромагнетизме.
3. Примеры реальных физических систем в гидравлике и теплотехнике.
4. Пример реальных физических систем в механике.
5. Причины некорректной трактовки прямолинейного движения тела.
6. Пример реальных физических систем в механике вращения.
7. Сводная таблица реальных физических систем.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Пример физической системы-источника и физической системы-стока.

Примером системы-источника (в тепловой форме движения) является топка тепловой электростанции, внутри которой химическая энергия топлива постоянно переходит в тепловую энергию водяного пара. Примером системы-стока (в гидравлической форме движения) является мировой океан, обладающий практически неограниченной емкостью для координаты состояния этой формы движения. Теоретически и ту, и другую системы можно считать функционирующими как угодно долго.

2. Примеры реальных физических систем в электромагнетизме.

Представим себе два разных участка электрической цепи постоянного тока.

Непроточной системой является участок цепи с ёмкостью (конденсатором). Внутри любого проводника изначально имеется какое-то количество единичных электрических зарядов q (количество электронов проводимости). Если изменить разность потенциалов на зажимах участка цепи, то на обкладках конденсатора изменится количество электрических зарядов q. Оно будет меняться только во время переходного процесса, то есть, пока меняется разность потенциалов. В этот промежуток времени по подводящим проводам течет ток (ток зарядки или разрядки конденсатора), который и приводит к изменению количества заряда на обкладках конденсатора. В тот период, когда разность потенциалов неизменна, ток зарядки равен нулю.

Проточной системой является обычный проводник, условно не имеющий ёмкости. Если на клеммах проточного участка существует разность потенциалов и ее значение неизменно, то через этот участок электрический ток течет постоянно. Но общее количество электронов проводимости q внутри такого проводника при течении электронов остается постоянным. Оно не зависит от того, каково значение тока в проводнике. Сколько электронов проводимости входит на входную клемму, столько же сходит и с выходной клеммы. Электроны перемещаются по проводнику со скоростью v = dl/dt, где dl − длина элементарного участка проводника. Таким образом, на каждом участке элементарной длины dl с элементарным количеством заряда dq существует элементарный движущийся заряд (dq v). Это координата состояния процесса переноса в электрической форме движения. Отношение элементарного движущегося заряда (qv) к длине элементарного участка dl , равное (dq/dl v), называют электрическим током и обозначают символом i.

А теперь подключим параллельно друг другу участки с ёмкостью и без нее. Такая система состоит как бы из двух частей: непроточной и проточной. Она и является комплексной системой. При изменении разности потенциалов на клеммах комплексной системы по проводнику с ёмкостью на короткое время пойдет дополнительный ток, меняя заряд на обкладках конденсатора. Только в этот период времени включается в работу непроточная часть комплексной системы. А на общих клеммах токи проточной части и непроточной части суммируются по закону Кирхгофа.

3. Примеры реальных физических систем в гидравлике и теплотехнике.

Приведем пример открытой проточной системы. Вдоль трубы постоянного сечения, заполненной текущей жидкостью, статическое давление и плотность жидкости, пусть и незначительно (если речь идет о капельной жидкости), но снижаются, а количество молекул в единице объема жидкости уменьшается. И хотя средняя по сечению продольная скорость частиц жидкости вдоль трубы не изменяется (о чем свидетельствует уравнение неразрывности потока), общая кинетическая энергия молекул уменьшается вследствие уменьшения их количества в единице объёма. Не менее важно то, что уменьшается доля упорядоченно движущихся молекул, то есть доля тех молекул, чья кинетическая энергия переходит на выходе из трубы в потенциальную энергию молекул системы-стока. А потерянная механическая энергия переходит в тепловую энергию, незначительно нагревающую жидкость в трубе.

Приведем пример закрытой проточной системы, в которой отсутствует поток вещества, но существует поток энергоносителей в виде волн в упругом теле (например, в теплопроводящей стенке). При отсутствии теплопередачи интенсивность тепловых колебаний молекул, из которых состоит тело стенки, стабильна. При возникновении температурного напора по обе стороны стенки более интенсивные колебания молекул горячей поверхности стенки передают свой импульс молекулам холодной поверхности, интенсивность колебаний молекул уменьшается в этом направлении, что и является свидетельством переноса энергоносителей. А заодно и нагрева самой стенки.

Одна и та же физическая система может быть проточной для одних форм движения и непроточной – для других. Например, при перекачке жидкости по трубопроводу система рассматривается как проточная только для гидравлической формы движения и как непроточная для других форм движения (если не учитывать того, что тепловой заряд диссипации, возрастающий при трении жидкости о стенки трубы, частично уходит в окружающую среду через стенки трубы).

4. Пример реальных физических систем в механике.

Классификация физических систем поясняется обычно наглядными примерами из гидродинамики и электродинамики. Значительно сложнее проиллюстрировать ее примерами из механики. В качестве примера приведем прямолинейное движение твердого тела.

На рисунке изображена физическая система в виде большого прямоугольника, ею является участок пространства, через которое перемещается тело. Перемещение центра масс тела является координатой состояния в механической форме движения. Скорость перемещения центра масс будет определять значение потока энергоносителей.

На рис. а показан тот случай, когда внутри системы находится только центральная часть перемещаемого тела. В этом варианте при перемещении тела через систему масса того участка тела, который входит в систему слева, такая же, как и та, что выходит из системы справа. Так что, согласно классификации физических систем, в этом варианте мы имеем дело с механической формой движения в проточной системе, а в ней полное количество энергоносителей не изменяется. Энергоносители только перемещаются через проточную систему.

На рис. б окружающая среда слева от системы играет роль системы-источника для той части тела, которая находится уже внутри физической системы. В системе наблюдается увеличение массы тела, а центр масс той части тела, которая находится внутри физической системы, перемещается слева направо. Это изменяет количество энергоносителей внутри системы, и поэтому систему следует считать непроточной.

На рис. в окружающая среда справа от физической системы является системой-стоком для той части тела, которая еще находится внутри физической системы. В системе наблюдается уменьшение количества энергоносителей, так как центр масс тела перемещается в сторону выхода из системы. Систему также следует считать непроточной.

Наконец, в случае, показанном на рис. г, физическая система является неравновесной, так как количество энергоносителей внутри системы не изменяется, тело, перемещаясь, не выходит за пределы системы. Правда, вариант, показанный на рисунке г, можно всегда мысленно сузить до варианта, представленного на любом из первых трех вышеприведенных вариантов.

5. Причины некорректной трактовки прямолинейного движения тела.

Сложность восприятия перемещения тела, как процесса переноса энергоносителей при механическом прямолинейном движении, на самом деле психологическая. Причиной этого является то, что физическое содержание движения тела не сразу становится понятным вследствие выбора центра масс тела в качестве движущейся координаты состояния. В нашем сознании перемещение тела не ассоциируется с движущимися энергоносителями, потому что в реальном пространстве имеет место перемещение реального тела, имеющего объём и массу, а не перемещение каких-то бестелесных материальных точек, понятие о которых положено в основу кинематики. На самом деле следует говорить о перемещении центра масс реального тела, а материальная точка в природе не существует. Говоря о материальной точке, мы вступаем в противоречие с условием реальности, что препятствует процессу систематизации физических величин. А вместе с этим начинаются трудности и при преподавании.

Мы просто перестали замечать, что в современной механике перемещение массы тела сначала искусственно переводится в перемещение объёма тела путем деления массы на плотность. Затем точно так же искусственно перемещение объёма переводится в перемещение материальной точки путем деления объёма на площадь поперечного сечения. И, наконец, материальная точка совмещается с центром масс тела. Но этот мыслительный математический процесс при преподавании не поясняется, даже если он понятен самому преподавателю. К сожалению, есть подозрение, что многие преподаватели просто не задумываются над этим. Студенты тем более.

Но это вовсе вовсе не говорит о сознательном уходе от реальности при преподавании. Именно таким путем и развивались исторически наши знания о природе: от наглядного к содержательному, от частного к обобщенному. Просто в одних явлениях обобщенное вырисовывалось раньше, в других – позже. Жаль только, что к тому моменту, когда обобщение уже стало вырисовываться, очень трудно отходить от привычных разжеванных веками методик преподавания.

6. Пример реальных физических систем в механике вращения

Еще сложнее придать ясность процессу вращения тела вокруг неподвижной оси. Представим себе в качестве механической системы цилиндрическое тело, например, вал трансмиссии, торцевые поверхности которого жестко связаны с другими цилиндрическими телами (другими валами), вращающимися с той же угловой скоростью и идентифицируемыми как система-источник и система-сток. В качестве системы-источника может выступать вал двигателя, а в качестве системы-стока – вал рабочего механизма. Тогда вал трансмиссии выступает в роли проточной механической системы.

Пусть угловая скорость системы-источника (вала двигателя) или системы-стока (вала рабочего механизма), или обеих систем вместе, в какой-то момент времени станет не равной угловой скорости проточной системы (вала трансмиссии). Это будет равносильно изменению энергообмена в проточной системе (вале трансмиссии). Проявляется это в том, что каждое сечение вала трансмиссии поворачивается по сравнению с предыдущим сечением на какой-то угол, пусть даже и незначительный, что равносильно угловому деформированию вала трансмиссии. Деформируемые участки тела и являются энергоносителями, переносимыми через протоную систему.

Как и в случае с прямолинейной формой движения, в роли движущейся координаты состояния после различных математических преобразований становится угол поворота. И тогда потоком координаты состояния становится угловая скорость вала трансмиссии. В реальности же движущейся координатой состояния при вращении тела, как проточной системы, является угловое перемещение сектора сечения тела.

Таким образом, и в этом случае физическое содержание приносится в жертву мнимой наглядности.

7. Сводная таблица реальных физических систем.

Физическое
явление
Класификация физических систем
по балансу
энергообмена
по количеству
форм движения
по количеству форм
силового поля
Прямолинейное движение тела
Движение тела по дуге окружности
Движение по криволинейной траектории
Вращение тела вокруг своей оси
Упругая деформация твердого тела
Движение жидкости в закрытом канале
Движение электропроводящей жидкости
Движение жидкости в открытом канале
Изотермическое движение газа в канале
Диффузия газа в сосуде
Диффузия жидкости в сосуде
Конвекция газа
Конвекция жидкости
Сжатие (расширение) газа
Теплопроводность через стенку
Нагрев (охлаждение) тела
Распространение звуковых волн
Движение зарядов в проводнике
Движение зарядов в магнитном поле
Поляризация диэлектрика
Поворот контура с током в магнитном поле
Перемагничивание магнитной цепи
проточная
проточная
проточная
проточная
непроточная
проточная
проточная
комплексная
непроточная
непроточная
непроточная
комплексная
комплексная
непроточная
проточная
непроточная
проточная
проточная
проточная
непроточная
непроточная
непроточная
с одной формой
с одной формой
с двумя формами
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с двумя формами
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с двумя формами
с двумя формами
с двумя формами
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одной формой
с одним полем
независимая
с одним полем
независимая
независимая
с одним полем
с двумя полями
с одним полем
независимая
независимая
с одним полем
независимая
с одним полем
независимая
независимая
независимая
независимая
с одним полем
с одним полем
с одним полем
с одним полем
с одним полем


© И. Коган Дата первой публикации 01.03.2008
Дата последнего обновления 31.03.2015

Оглавление раздела Предыдущая Следующая