Февраля

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Гравитационное взаимодействие.Оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Отсюда следует, что чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы.

Классификация зданий

Здания в зависимости от назначения подразделяется на четыре основных типа: жилые, общественные, промышленные и сельскохозяйственные.

Жилые здания предназначены для постоянного, временного или кратковременного проживания в них людей. Они включают жилые дома, гостиницы, общежития, дома-интернаты для престарелых.

По характеру застройки различают жилые дома для городского и сельского строительства. Они предназначены для постоянного проживания семей малого (1-2человека), среднего (3-4человека) и большего численного состава.

Жилые дома подразделяются на одноквартирные, двухквартирные и многоквартирные. Многоквартирные дома бывает индидуальные, блокированного, секционного, коридорного и галерейного типа.

Общественные здания предназначаются для временного пребывания людей и осущестлений в них определенных функциональных процессов, связанных с образованием, здравоохранением, зрелищами, спортом, отдыхом и т.д..

С развитием общественного строя получают дальнейшее развитие и новое содержание не только сложившиеся веками общественные здания (театра, цирка, школы и др.), но и новые типы, отвечающие новым формам общественный жизни. Например, детские сады, дома отдыха, административные здания и т.д. В настоящее время общественные здания по назначению подразделяются на 14 групп: здания просвещения, здравоохранения, культуры, спорта и т.д..

Промышленные включают в себя проиводственные, вспомогательные, энергетические, складские и другие здания.

-производственные, в которых размещают основные технологические процессы предприятия (мартеновские, прокатные, сборочные, ткацкие, кондитерские цехи и др.);

-подсобно-производственные, предназначенные для размешения вспомогательных процессов производства (ремонтные, инструментальные, тарные цехи и т.п.);

-энергетические, в которых размещают установки, снабжаюшие предприятие электроэнергией, сжатым воздухом, паром и газом (ТЭЦ, компрессорные, газогенераторные и воздуходувные станции и др.);

-транспортные, предназначенные для размещения и обслуживания средств транспорта, находящегося в распоряжении предприятия (гаражи, электровозные депо и др.);

-складские, необходимые для хранения сырья, заготовок, полуфабрикатов, готовой продукции, горюче-смазочных материалов и пр.;

-санитарно-технические, предназначенные для обслуживания сетей водоснабжения и канализации, для защиты окружающей среды от загрязнения (насосные и очистные станции, водонапорные башни, брызгальные бассейны и т. п.);

-вспомогательные и общезаводские (административно-бытовые здания, заводоуправления, пожарные депо и т. п.).

К специальным сооружениям промышленных предприятий относят резервуары, газгольдеры, градирни, силосы, дымовые трубы, эстакады, опоры, мачты и пр.

К сельскохозяйственным зданиям относятся животноводческие постройки (коровники, свинарники, конюшни, овчарни), птичники, парники, кормовые цеха и пункты, зерно- и овощехранилища, ветеринарные постройки и др.

В зависимости от материала, применяемого для возведения наружных стен здания подразделяется на каменные, кирпичные, бетонные, железобетонные, деревянные, саманные, глиновальковые.

По количеству этажей здания и сооружения делятся на одноэтажные, малоэтажные, средней этажности, многоэтажные и выотные. Кроме этого, они классифицируются на здания из мелкоразмерных и крупноразмерных элементов; с подвалом и безподвальные; чердачные и безчердачные и т.д.

2. 2.Требования предъяляемые к зданиям

Здания любого типа должны в определенной степени удовлетворять функциональным, техническим, архитектурно- художественным и экономическим требованиям. Для достижения этого необходим согласованный и целенаправленный труд коллектива специалистов, разрабатывающих проект здания - архитекторов, конструкторов, специалистов по инженерным сетям иоборудованиям, экономистов и технологов.

Требования функциональной целесообразности проектного решения предусматривают максимальное соответствие помещений зданий протекающим в них функциональным процессам. Параметры среды – габариты помещений здания в соответствии с их назначением, состояние воздушной среды (температурно-воздушный режим), световой режим (показатели необходимой естественной или искусственной освещенности), звуковой режим (условия слышимости в помещении и защита его от шумов, проникающих из внешней среды) – устанавливается для каждого вида здания согласно СНиП. Соблюдение требований действующих СНиП является обязательным при проектировании.

Требование технической целесообразности проектного решения подразумевает выполнение его конструкции в полном соответствии с законами строительной механики, строительной физики, в результате чего здание должно быть прочным и устойчивым.

Внешние воздействия условно подразделяются на силовые и несиловые. К силовым относятся следующие виды нагрузок: постоянные, временно-длительные и кратковременные, особые. К несиловым относят воздействия: изменение температур, атмосферные и грунтовые влаги, солнечная радиация, инфильтрация наружного воздуха, химической агрессии водорастворимых примесей в воздушной среде, биологические.

При проектировании должны быть учтены все эти воздействия Это требование обеспечивается прочностью, устойчивостью и жесткостью несущих конструкций, долговечностью и стабильностью эксплуатационных качеств зданий.

Прочность конструкции – способность воспринимать силовые нагрузки и воздействия без разрушения. Устойчивость – способность конструкции сохранять равновесие при силовых нагрузках и воздействиях.

Долговечность – предельный срок сохранения физических качеств конструкций здания в процессе эксплуатации. По долговечности основных конструктивных элементов здания и сооружения подразделяются на 3 степени:

1-ая степень – с повышенным сроком службы (более 100 лет), 2-ая степень – со средним (50-100 лет), 3-я степень – с пониженным сроком службы (20-50 лет). Здания со сроком службы менее 20 лет относятся к категории временных.

Огнестойкость зданий характеризуется группой возгораемости и пределом огнестойкости применяемых строительных материалов. По возгораемости строительные материалы и конструкций подразделяются на три группы – несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. В зависимости от группы возгораемости и предела огнестойкости частей здания устанавлено 5 степеней их огнестойкости.

Эсплуатационные требования предусматривают создание нормальных условий эксплуатации зданий и сооружений в течение всего срока их службы. В жилых, общественных и промышленных зданиях такие условия обеспечиваются составом помещений, нормами их площадей и объемом, качеством отделки, степенью оборудования инженерными и санитарно-техническими устройствами.

В зависимости от эксплуатационных требований, а также долговечности и огнестойкости основных конструктивных элементов здания подразделяются на 4 класса (I-IV). Например, к I–классу здания предъявляются повышенные эксплуатационные требования (имеются водопровод, канализация, центральное отопление, высококачественная отделка помещений и т.д.). Класс зданий и сооружений назначается организацией, выдающей задание на проектирование с учетом рекомендаций норм проектирования по установлению класса здания.

Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех известных современной науке взаимодействий. Гравитация, будучи очень слабой силой, тем не менее определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля, участвуют в гравитационном взаимодействии. В микромире гравитационная сила слабая, в макромире она господствует. Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью.

Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между гравитонами, или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Гравитация всегда проявляется только как притяжение.

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и осуществляется между любыми телами в микро-, макро-и мегамире. Благодаря электромагнитным связям (взаимодействию):

возникают атомы, молекулы и макроскопические тела;

все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ;

сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Как и гравитационные силы, электромагнитные взаимодействия являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, электромагнитное взаимодействие подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

В отличие от гравитационной силы, электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле — между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное — между двумя движущимися заряженными частицами.

Теория названа квантовой электродинамики: электрический заряд создает поле, переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В случае разноименных зарядов возникает эффект притяжения, а в случае одноименных — отталкивания. В этом состоит еще одно отличие электромагнитного взаимодействия от гравитационного, которое проявляется только как притяжение.

Слабое взаимодействие — третий тип фундаментального взаимодействия, которое действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Слабое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и явлениях космического масштаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Слабое взаимодействие значительно слабее электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях. Первая теория слабого взаимодействия: взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида — в кварки другого вида.

Сильное взаимодействие, занимающее первое место по силе и являющееся источником огромной энергии, также было открыто только в XX в. Основная функция сильного взаимодействия — соединять кварки и антикварки в адроны. С его помощью ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue — клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия — до 10^-13 см (порядка атомного ядра).

Ядерное взаимодействие. До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Однако с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10^-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. Таким образом, кварки всех барионов связываются в единую систему — атомное ядро.

Ядерные силы — это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.

4. Пространство и время

Ньютон основал понятия пространства и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Он предложил различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время. Абсолютное пространство (по Ньютону) предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности.

Лейбниц предложил реляционную концепцию пространства и времени - говорил о неразрывной связи материи с пространством и временем.

Утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

Свойства пространства-времени. Общие свойства пространства.

Общими свойствами пространства являются:

протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы; трехмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением.

Общие свойства времени. Общими свойствами времени являются:

длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего;

необратимость времени — общее свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему;

одномерность времени, проявляющаяся в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.

Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. Пространству присущи свойства изотропности и однородности. Изотропность — это отсутствие вьщеленных направлений (верх, низ и т.д.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Однородность — это одинаковость свойств пространства по всем направлениям.

5.Теория относительности

Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. Так, в механике господствовал классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциальных систем отсчета, а в электродинамике — концепция эфира, или ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство и являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими системами.

Специальная теория относительности. Основал Эйнштейн Специальная теория относительности (СТО) базируется на двух постулатах. Первый постулат СТО — расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Для путешественника, плывущего на корабле, книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы пустой тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим и действует не только в механике, но и в электродинамике.

Второй постулат СТО Эйнштейн позаимствовал из электродинамики — это принцип постоянства скорости света, которая в вакууме примерно равна 300 000 км/с. Второй постулат говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, в которых находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, то наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важнейшие выводы специальной теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов. Релятивистские эффекты — это изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света.

Их три: 1) сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше будут его размеры для наблюдателя. Если бы корабль смог двигаться со скоростью света, то его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю, что невозможно;

2) увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движущегося тела с точки зрения неподвижного наблюдателя оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим появилась самая известная формула теории относительности, связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать, что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е = тс²;

3) замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быстро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на космическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биологических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию был предложен так называемый парадокс близнецов. Если бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к звездам, то космонавт с точки зрения земного наблюдателя старился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после возвращения домой космонавт обнаружил бы, что брат значительно старше его. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем большей будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространстве-времени.

6. Общая теория относительности.

В рамках общей теории относительности, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. В ней были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности основывается на трех постулатах.Первый постулат общей теории относительности — расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл только по отношению к фактору, его определяющему.Второй постулат — принцип постоянства скорости света — остается неизменным.Третий постулат — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях. Сделанный вывод неразрывно связывал общую теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась. Эйнштейн использовал геометрию Б. Римана, которая верна для поверхности сферы, и сделал вывод о кривизне пространства-времени.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики — модели звезд и планет. Шарик будет прогибать лист резины тем больше, чем больше его масса. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела, подтверждает правоту Римана.

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала, отправленного на такое же расстояние, Солнца не будет.

Существование черных дыр было предсказано общей теорией относительности. Если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км), оно превратилось бы в черную дыру. Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы.

Дата добавления: 2014-01-11