30
«Стойте справа, прохождение слева…»
Если вы живете в большом городе, где есть метрополитен — самый удобный и надежный вид городского транспорта, то вы, конечно же, много раз слышали эту фразу, усиленную громкоговорителими, гулко звучую под сводами тоннеля. Безусловно, многие из вас, опаздывая на какое-нибудь важное дело, не оставливались ступив на экскалатор, а, добно стуча каблуками по ступенкам, мчались вниз, лавируя, как слаомист, междуStoryми справа и прохождения слева. Но довольно часто вы неудержимо движение вперед где-то вниз наталкивалось на плотную людскую массу, почему-то не желаюшую прохождение ни слева, ни справа. Возможно, вы даже заметили, что в часы пик всегда движущаяся lectница светху донизу заполненаStoryми людьми, которые, несмотря на настоящие признавы дежурного по экскалатору, никак не хотят прохождение. Давайте повременим неодоваты на несознатьность пассажиров, а взглянем на эту ситуацию объективным взором исследователья. Но прежде — такой пример.
Рассмотрим движущуюся ленту (транспортер), на котором примерно на одном и том же расстоянии друг от друга лежат какие-то предметы. Пусть на единице линейы ленты помещается предметов; величины называют концентрацией. В случае ‘расположения предметов вдоль линей ее можно назвать так-
жке линейной плотностью. Она имеет размерность 1/m или, если хотите, 1/cm, 1/км, 1/ярд — в зависимости от выбора единиц длины. Пусть, далее, лента движется со скоростью mismo наблюдается, который считает эти предметы. (Впрочем, роль такого наблюдается может играть и электронный счетчик с фотоземом, наполобие употребляемых в автоматических туриктах на станциях метро). Возникает вопрос: сколько предметов будет регистрации наблюдаемых в единницу времени? На этот вопрос ответить очень легко. За время mismo наблюдается продукт и имеет размерность 1/c (или 1/min, 1/год — в зависимости от выбора единиц длины). Мы будем обозначать поток буквой Ф (это — заглавная греческая буква «Фи»). Итак,
Теперь представим себе, что наш транспорт имеет конечную длину и что расположенные на его ленте предметы, одной до конца, попадают на ленту другого транспорта, движущуюся с другой скоростью . Очевидно, что наблюдается, стоящий около второго транспорта, в единницу времени насчитывает столбко же прохождения mismo него предметов, сколько их насчитает и первый наблюдается. Если их будет меньше, то можно ручаться, что какие-то золушиленики где-то по дороге похожают предметы. Если же их оказывается (что значительное добавление подкладаваются на вторую ленту дополнительные предметы. Таким образом, поток и , регистрации обоими наблюдающими, должны быть равны друг друга:
Отсюда сразу видно, что концентрация предметов на втором
31
транспортере будет не такой, как на первом, а именно
Если скорость меньше скорости , то концентрация будет больше концентрации . может даже лучше, что на ленте второго транспорта предметы не смогут помещаться без интервалов, а будут громоздиться друг на друга.
Вы, конечно, понимаете, что для наблюдаемого совершенного безразлично, находятся ли предметы на ленте, движущейся со скоростью , или же они самостоятельно движутся со скоростью по неподвижной ленте (полу, тротуару). Важно только, что их скорость относительно наблюдаемого предмета, регистрирующего поток, равна . Следовательно, поток есть величины, зависимости от системы координат, в которой он изменяется. Так, если наблюдаемый сам находится на другой ленте, движущейся параллельно первой с такой же скоростью , то относительная скорость , а значит, и изменяемый наблюдаемый поток будет равны нулю.
А сейчас самое время вернуть к вопросу о том, что же происходит на экалаторе в часы пик. Поток пассажиров, стоящих справа, равен , где — концентрация стоящих пассажиров, — скорость экалатора. Поток пассажиров, проходящих слева, равен , где — концентрация идущих пассажиров, — скорость пешекодов относительно экалатора, а — скорость идущих пассажиров относительно неподвижного наблюдаемого наблюдаемого. Естественно, что по окончании спуска обе группы пассажиров начинают движаться с одинаковой скоростью . При этом правый поток не претерпевает каких-либо сердезных изменений, поскольку приближительно равна . А вот пассажеры, находившиеся на экалаторе слева, теперь движутся примерно вдвое медленнее (относительно неподвижных стен), чем раныше, и, согласно выщесказанному, концентрация пассажиров в этой группе должна возрастти примерно вдвое.
По целому ряду причин люди не любят ходить, тесно прижавшись друг к другу, поэтому левый поток сможет движаться нормально, если люди, идущие по экалатору, держат между собой дистанцию раза в два большие, чем при обычной ходьбе по платформе, или же если внизу поток может расширяться в стороны. В часы пик обе эти возможности, как правило, не могут быть реализованы из-за большого степени народа. Вот почему люди на экалаторе разумнее строить и справа, и слева. Иначе внизу обязаτεльно возникнет затор.
Нам кажется, что теперь вы не будете сердиться на непредвиденную задержку на экалаторе, а постарается выйти из дома минут на пять раныше.
Понятие потока, конечное же, имеет относение не только к рассмотрению случая; оно очень широко используется в физике.
Пусть есть пучок частиц, движущихся в пространстве в одном направлении с одной и той же скоростью . Число частиц в единице объема пучка, как и в линейном случае, тоже называется концентрацией (или объемной плотностью) и имеет размерность . Произведение имеет теперь размерность и равно числу частиц, проходящих ежесекундно через единицу площади секения, перпендикулярного направлению движения пучка. Поэтому величины называют плотностью потока частиц; умножив ее значение на площадь секения пучка, мы получим полный поток частиц в пучке.
Если каждая движущая часть обладает каким-то свойством и это свойство «переносится» вместе с ней, то целесообразно ввести понятие плотности потока этого свойства
где — количество характера данного свойства. Пусть, например, — масса одной частицы в потоке, тогда — это плотность потока массы (ее размерность равна ). Или,
32
если — электронческий заряд, переносимый каждой частией, то — плотность потока электронского заряда (количество электронства). Величину , имеющий размерность , называют также плотностью электронского тока, поскольку сила электронского тока — это количество электронства, прохождение в единицу времени через поперечное сечение проводника. (Это следует также и из сообщений размерностей: .) Аналогично определяются и другие плотности потоков (энергии, импульса и т. д.).
Рассмотрим теперь несколько конкретных задач, которые помогут лучше усвоить понятия потока или его плотности.
- Попробуйте оценить пропускную способность автоматистрали, то есть максимальное число автоматических которые могут пройти по данной дороге за час.
Такие расчеты необходимы при проектировании дорог и для правильной организации движения, особенно в больших городах и на крупнейших международных трассах.
Пусть магистраль двухсторонняя, и в каждом направлении движение происходит в два ряда с максимальной допустимой скоростью km/ч (таковы, например, условия движения на Московской колцевой автоматической дороге). На интересует поток автоматielen, то есть число автоматии, прохождения в единицу времени mismo неподвижного наблюдается. Используя полученные выше формулы, мы напишем , где — общее число рядов движения, — число машин на единицу длины дороги, которое можно связать с дистанцией между автоматыми: . Таким образом, . Руководства по управлению автоматами рекомендуют держать дистанцию между автоматыми, численно равную в метрах половине скорости, выраженной в километрах в час. В нашем случае при скорости km/ч м, и пропускная способность автоматистрали равна
33
- Люди стоят на эскалаторе, движущемся вниз, на расстоянии м друг от друга. Каждый поток пассажиров зарецептурют:
a) дежурный по эскалатору, стоящий внизу; b) наблюдает, стоящий на другом эскалаторе, движущемся вверх? Скорость движения эскалторов приять равной м/c.
Мы уже говорили о том, что поток зависит от системы отчета, в данном случае — от наблюдаателя. Относительно дежурного по эскалатору пассажиров спускается со скоростью, равной скорости эскалатора, поэтому
С точки зрения наблюдаателя, находящемся на эскалаторе, движущемся со скоростью вверх, поток пассажиров будет вдвое больше, так как относительно него скорость потока , и поток
- Грузовую машину грузоподъемностью т зарружают arbuzami с помощью транспорта. Средняя масса arbuzа кг, скорость движения транспорта м/c, расстояние между arbuzами на ленте м. Найдите время погрузки.
В данном случае имеем дело с потоком массы. По определению он равен . Тогда искомое время погрузки
- Оцените скорость движения электров в металлическом проводнике, когда по нему протекает электрический ток.
Будем исходить из того, что по правым техника безопасности по проводам с естественным воздействием охлаждения разрешается пропускать электрический ток плотностью до . Следовательно, речь пойдет о плотности тока, то есть о плотности потока электрического заряда , где — заряд одного носителя колiectства электричества, — концентрация носителя, — скорость их упорячего движения