Такие игрушки могут стрелять 6-ти миллиметровыми пластиковыми шариками - пульками, которые разгоняются струей сжатого воздуха. Давление воздуха обеспечивается предварительно сжатой от руки пружиной. Небольшая масса пульки при достаточно высокой скорости, около 40 метров в секунду, обеспечивает не очень большую энергию выстрела, менее 3 джоулей, что дает возможность не опасаться причинения вреда здоровью стрелка и окружающим. Впрочем, несмотря на малую мощность выстрела направлять игрушку на других людей или животных инструкция к игрушке категорически запрещает, а потому контроль над играющим со стороны старших или родителей необходим и обязателен. Игрушка стреляет достаточно точно, при этом увидеть пульку в полете, конечно, невозможно — это дает возможность рассказать о главном физическом понятии кинематики - скорости движения материальных объектов.
Слово "скорость" на интуитивном уровне ассоциируется с движением чего-то в пространстве, однако это слово часто используется гораздо шире. Например, в вычислительной технике используется выражение data transfer speed – скорость передачи данных, при которой ничего реально не движется, а выражения "скорость мысли" (speed of thought) или" головокружительная скорость" (breakneck speed) вообще можно отнести лишь к образным выражениям. Понятие скорость на бытовом уровне понимается как интенсивность изменения того или иного процесса – вода закипает быстро или медленно – скорость кипения, химические процессы могут идти быстрее или медленнее – скорость химической реакции и так далее.
Как физическое понятие, связанное с изменением положения материального тела в пространстве, определение термина «скорость» было сформулировано относительно недавно. Так во времена античности в среде выдающихся философов определение понятия «движение» вызывало ожесточенное дискуссии. Было даже философское направление, отрицавшее возможность движения как такового. Несмотря на всю абсурдность этого направления, сегодня широко известен парадокс о черепахе и Ахиллесе автором которого является Зенон Элейский (V век до нашей эры). В этом парадоксе утверждается, что даже если Ахиллес бежит в сотню раз быстрее, чем движется черепаха, то, находясь изначально позади от неё в сотне метров, он не сможет догнать ползущую от него черепаху. Объясняется это так – пока Ахиллес пробежит сто метров, черепаха уползёт от него на один метр, и это будет расстояние между ними. Если Ахиллес продвинется вперед еще на один метр, то черепаха тоже проползет вперед на одни сантиметр, и опять между ними будет, хотя и очень маленькое, но расстояние. Ахиллес еще вперед, черепаха тоже - и так до бесконечности. Расстояние между ними будет все время сокращаться, но догнать ползущую черепаху нельзя, поскольку нет предела делению единиц времени и расстояния. Конечно, на практике парадокс себя не оправдывает, поскольку категории времени и пространства дискретны, т.е. имеют вполне однозначные, имеющие строго определенную физическую природу - интервалы.
В античные времена еще не было принятой сегодня математической записи скорости как расстояния, деленного на время. Тогда, оценивая скорость движения, только сравнивали либо расстояния, пройденные за одинаковые промежутки времени, либо наоборот – времена, необходимые для преодоления одного и того же расстояния. Великий Аристотель дает определение для равномерного движения, как движение, при котором «тела в равные времена проходят одинаковые расстояния».
Исаак Ньютон (1642—1727 г.г.) в 1665—1666 годах и независимо от него Лейбниц в 1675 года разрабатывают математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, появляться современное толкование понятия мгновенной скорости как расстояния пройденного за единицу времени. В прямолинейном движении характер изменения скорости может быть различным. Скорость может быть постоянной, такое движение называется равномерным. В общепризнанной системе единиц измерения СИ единицами измерения скорости являются метры за секунду (м/с). В технике широко распространены и другие - километры в час (км/час), мили в час (миль/час) и другие.
Скорость может увеличиваться или замедляться с одинаковой интенсивностью, которая называется ускорением, единицами ускорения в международной системе единиц СИ служат метры дленные на секунду в квадрате [м/(сек)]^2. При постоянном увеличении скорости, движение называется равноускоренным. Если скорость равномерно замедлятся, то в механике это означает, что движение происходит по-прежнему с ускорением и разница лишь в знаке ускорения - теперь оно отрицательно. Такое движение называется равнозамедленным.
Однако движение редко бывает прямолинейным, практически все материальные тела в нашей жизни движется по криволинейным траекториям. Даже двигаясь, по прямому как стрела автобану, мы движемся по криволинейной траектории с огромным радиусом кривизны равным радиусу Земного шара. Простейшим случаем криволинейного движения является вращение. В теоретической механике кинематическими характеристиками вращательного движения являются направление вращения, угловая скорость и угловое ускорение. Средняя угловая скорость это отношение угла поворота к промежутку времени за который происходит поворот, записывается как
Единицами измерения угловой скорости в международной системе единиц СИ являются обратные секунды (1/сек), отсутствие единицы измерения в числителе объясняется тем, что углы поворота в системе единиц СИ измеряются в радианах, которые являются безразмерной величиной.
Любая точка вращающиеся тела имеет линейную скорость Vt, направленную по касательной к ее круговой траектории. Такая скорость в механике называется окружной и имеет прямую связь с угловой скоростью, которая выражается формулой:
где R - радиус кругового вращения
Именно эта взаимосвязь позволяет измерить высокую скорость пули с помощью довольно остроумного технического решения, которое можно реализовать вместе с юным стрелком в ходе занимательного опыта, используя пневматическую стреляющую игрушку. Точность измерения в Вашем опыте, конечно, будет весьма приблизительной, но главным здесь будет объяснение самого принципа измерения, основанного на взаимосвязи линейной окружной и угловой скорости вращения.
Для проведения опыта Вам понадобится лыжная палка, два диска из тонкого картона или плотной бумаги диаметром около 20 сантиметров, шнур длиной около полутора метров и два стула. Общая схема «экспериментальной установки» показана ниже:
Картонные диски плотно крепятся на лыжной палке перпендикулярно к ее оси и на расстоянии примерно L=100 см. друг от друга. На лыжную палку наматывается около 15-20 витков шнура, и она вместе с картонными дисками, укладывается на спинки стула как показано на рисунке. Если равномерно потянуть на себя шнур, то, сматываясь с лыжной палки, он заставит ее вращаться вместе с картонными дисками с постоянной угловой скоростью ω. Во время сматывания шнура с лыжной палки, примерно 1-2 секунды, необходимо подсчитать количество сматываемых витков шнура. Разделив число количество смотанных витков на время сматывания можно определить число оборотов вращающихся дисков n и тогда угловую скорость ω легко вычислить по формуле:
Так, например, при 3-х сматываемых витках за одну секунду угловая скорость будет равна ω =3х2х3,14=18,84 (1/сек). Для измерения скорости полета пульки V1 необходимо во время вращения картонных дисков выстрелить по ним из игрушечного пневматического оружия так, чтобы пластиковая пулька пробила оба диска.
При этом важно тщательно прицелится, обеспечив максимально точное совпадение траектории полета пульки с линией, параллельной оси лыжной палки. Соблюдение условия параллельности во многом обусловит точность измерения. Пулька, пробив первый диск, должна будет пролететь расстояние L после чего пробьет второй диск. Время, за которое пулька будет лететь вдоль лыжной палки между дисками очень мало, и измерить его очень трудно, однако в этом и нет необходимости - его легко можно вычислить.