"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:
:..
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:
:..
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
:..
Рассмотрим, как вычисляется общая жесткость k последовательно соединенных пружин.
.....
Если общее суммарное растяжение "грозди" пружин обозначить через х, то оно, естественно, складывается из растяжений каждой из составляющих "гроздь" пружин:При этом сила
kx, с которой мы тянем за "гроздь" последовательно соединенных пружин, равна, по третьему закону Ньютона, силе натяжения каждой из пружин:Выражая смешение х, каждой из пружин через
k и хи используя выражение для х, получим:
:..
Сравните его с выражением для емкости последовательно соединенных конденсаторов. Они тождественны. А теперь посмотрим, какой будет общая жесткость параллельно соединенных пружин.
:..
При этом, растягивая их все одновременно на расстояние х, мы должны уравновесить суммарную силу натяжения всех пружин:Сокращая х, получим:
?
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:
:..
А для конденсатора запасённая им энергия такова::..
В эту же компанию можно добавить и всем знакомое выражение для кинетической энергии тела:.
:..
Ну, и для полного удовольствия вспомним еще, как выглядит энергия катушки с индуктивностью при прохождении по ней тока I :.
:..
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:,
а для параллельного соединения
.