"Майкл опустил
стекло и высунулся.
.- Где мы?
.- А бог его 
знает, сэр ".

Д. Голосуорси.

"Сага о Форсайтах".

КОЕ-ЧТО ИЗ ЛИЧНОЙ ЖИЗНИ ПРУЖИН И КОНДЕНСАТОРОВ

:..Умеете ли вы соединять между собой конденсаторы? Вернее, вычислять общую емкость определенным образом соединенных конденсаторов. Сейчас мы напомним вам, как это делается. Если конденсаторы соединены в "затылочек" друг к другу, то такое соединение называется последовательным:

При этом, как показывается в школьном курсе физики, общая емкость С последовательно соединенных конденсаторов вычисляется следующим занятным образом:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..Как видно из приведенной формулы, складываются "опрокинутые вверх ногами" емкости конденсаторов. В случае же, когда конденсаторы соединены параллельно,

их емкости ведут себя вполне прилично и складываются в сумму без всяких опрокидывании, давая при этом общую емкость системы:

Image339.gif (1397 bytes)

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..Эти формулы широко применяются в физике и электротехнике и хорошо известны каждому мало-мальски старательному школьнику. Интересно, что у приведенных выше способов соединения конденсаторов имеются свои удивительные аналогии в том разделе физики, который изучает упругие свойства тел, в частности пружин. Пружины вообще очень распространенный элемент в нашей жизни. С пружинами мы встречаемся в часах, в дверных замках, в авторучках, в часах, во многих амортизирущих устройствах и так. Даже политики употребляют сражение "нажать на тайные пружины общества". Пружины, оказывается, тоже можно соединять между собой различным образом, образуя параллельные и последовательные схемы. При этом жесткости соответствующих пружин ведут себя аналогично емкостям конденсаторов. Напомним, что под жесткостью k пружины подразумевается коэффициент пропорциональности между расстоянием х, на которое мы растянули пружину, и силой, которой она будет сопротивляться растяжению (при малых деформациях пружин):

f = - kx

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..Рассмотрим, как вычисляется общая жесткость k последовательно соединенных пружин.

ProfessorR.gif (1744 bytes)

.....Если общее суммарное растяжение "грозди" пружин обозначить через х, то оно, естественно, складывается из растяжений каждой из составляющих "гроздь" пружин:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

При этом сила kx, с которой мы тянем за "гроздь" последовательно соединенных пружин, равна, по третьему закону Ньютона, силе натяжения каждой из пружин:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

Выражая смешение х, каждой из пружин через k и х

ProfessorR.gif (1744 bytes)

и используя выражение для х, получим:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..Сравните его с выражением для емкости последовательно соединенных конденсаторов. Они тождественны. А теперь посмотрим, какой будет общая жесткость параллельно соединенных пружин.

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..При этом, растягивая их все одновременно на расстояние х, мы должны уравновесить суммарную силу натяжения всех пружин:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

Сокращая х, получим:

?

ProfessorR.gif (1744 bytes)

выражение, полностью совпадающее с формулой для емкости параллельно соединенных конденсаторов. Надо сказать, что ситуация с конденсаторами и пружинами в общих чертах представляется достаточно понятной. Дело в том, что пружины, как и конденсаторы, можно считать своеобразными накопителями энергии. Действительно, в сжатом или растянутом состоянии они обладают запасом потенциальной энергии:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..А для конденсатора запасённая им энергия такова:

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..В эту же компанию можно добавить и всем знакомое выражение для кинетической энергии тела:

.ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..Ну, и для полного удовольствия вспомним еще, как выглядит энергия катушки с индуктивностью при прохождении по ней тока I :

.

ProfessorR.gif (1744 bytes)

:..Гермес, думается, был бы доволен, взглянув на это семейство из формул-близнецов. Сопоставляя их между собой, нетрудно видеть, что масса тела m, ёмкость конденсатора C, индуктивность катушки L, являются аналогами величины k и играют роль "жесткости" соответствующей системы. В заключение напомним, что параллельно и последовательно можно соединять и проводники электрического тока. И если ввести величину, обратную величине сопротивления проводника, называемую проводимостью, ? = i/k, то для последовательного соединения проводников их общая проводимость ? вычисляется по формуле:

,

ProfessorR.gif (1744 bytes)

а для параллельного соединения

.

ProfessorR.gif (1744 bytes)