Яков Перельман – Занимательная механика (страница 3)

Вы согласитесь с этим, если вспомните, что ни один астроном, не исключая и самого Коперника, не отказывался от птолемеевского выражения «Солнце восходит» и не заменял его коперниковским «Земля в своём вращательном движении подставляет лучам Солнца то место, в котором я нахожусь». Для определения времени дня воззрение Птолемея удобнее Коперника, и мы без колебания становимся в этом случае на точку зрения древнего грека. Кто вздумал бы описывать солнечный восход в терминах учения Коперника, тот не сразу был бы понят даже самым убеждённым коперниканцем.

Астрономы, предвычисляя те или иные небесные явления, часто вовсе не думают о движении земного шара: им удобнее вести расчёты так, как будто всё небо обращается вокруг неподвижной Земли[7].

Читатель не забыл, вероятно – а может, и в самом деле успел забыть, – что поводом к так далеко отвлёкшей нас беседе послужила задача об ударяющихся яйцах. Вспомнив об этом, читатель поймёт, что если бы по сломанной скорлупе можно было узнавать, какое из яиц находится в «истинном» движении и какое «в абсолютном» покое, то это было бы открытием мирового значения, настоящим переворотом в механике. Американский журнал, беспечно полагавший, что им установлено различие между соударяющимися яйцами, не подозревал, что он находился в преддверии вечной славы[8].

Как надо понимать закон инерции

Теперь, после того, как мы подробно побеседовали об относительности движения, необходимо сказать несколько слов о тех причинах, которые вызывают движение, – о силах. Прежде всего нужно указать на закон независимости действия сил, он формулируется так: действие силы на тело не зависит от того, находится тело в покое или движется по инерции либо под влиянием других сил.

Это следствие второго из трёх законов, которые положены Ньютоном в основу всей механики. Первый – закон инерции; третий – закон противодействия.

Второму закону Ньютона будет посвящена вся следующая глава, поэтому здесь мы скажем о нём всего несколько слов. Смысл этого закона состоит в том, что изменение скорости, мерой которой служит ускорение, пропорционально действующей силе и имеет одинаковое с ней направление. Этот закон можно выразить формулой

где ƒ – сила, действующая на тело, m – его масса и а – ускорение тела. Из трёх величин, входящих в эту формулу, труднее всего понять, что такое масса. Нередко смешивают её с весом, но в действительности масса ничего общего с весом не имеет. Массы тел можно сравнивать по тем ускорениям, которые они получают под влиянием одной и той же силы. Как видно из только что написанной формулы, масса при этом должна быть тем больше, чем меньше ускорение, приобретённое телом под влиянием этой силы.

Закон инерции, хотя и противоречит привычным представлениям, наиболее понятен из всех трёх[9]. Однако же иные понимают его совершенно превратно. Именно его формулируют нередко как свойство тел «сохранять своё состояние, пока внешняя причина не нарушит этого состояния». Такое распространённое толкование подменяет закон инерции законом причинности, утверждающим, что ничто не происходит (т. е. никакое тело не изменяет своего состояния) без причины. Подлинный закон инерции относится не ко всякому физическому состоянию тел, а исключительно к состояниям покоя и движения. Он гласит: всякое тело сохраняет своё состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения до тех пор, пока действие сил не выведет его из такого состояния.

Значит, каждый раз, когда тело

1) приходит в движение,

2) меняет своё прямолинейное движение на непрямолинейное или вообще движется по кривому пути,

3) прекращает, замедляет или ускоряет свое движение, мы должны заключить, что на тело действует сила.

Если же ни одной из этих перемен в движении не наблюдается, то на тело никакая сила не действует, как бы стремительно оно ни двигалось. Надо твёрдо помнить, что тело, движущееся равномерно и прямолинейно, вовсе не находится под действием сил (или же все действующие на него силы уравновешиваются). В этом существенное отличие современных механических представлений от взглядов мыслителей древности и Средних веков (до Галилея). Здесь обыденное мышление и мышление научное резко расходятся.

Сказанное объясняет нам, между прочим, почему трение о неподвижное тело рассматривается в механике как сила, хотя никакого движения оно вызвать не может. Трение есть сила потому, что оно замедляет движение. Такие силы, которые сами не могут породить движения, а способны лишь замедлять уже возникшее движение (или уравновешивать другие силы), называются пассивными, в отличие от сил движущих, или активных.

Подчеркнём ещё раз, что тела не стремятся оставаться в покое, а просто остаются в покое. Разница тут та же, что между упорным домоседом, которого трудно выманить из квартиры, и человеком, случайно находящимся дома, но готовым по малейшему поводу покинуть его. Физические тела по природе своей вовсе не «домоседы»; напротив, они в высшей степени подвижны, так как достаточно приложить к свободному телу хотя бы самую ничтожную силу, и оно приходит в движение. Выражение «тело стремится сохранять покой» ещё и потому неуместно, что выведенное из состояния покоя тело само собой к нему не возвращается, а, напротив, сохраняет навсегда сообщённое ему движение (при отсутствии, конечно, сил, мешающих движению).

Немалая доля тех недоразумений, которые связаны с законом инерции, обусловлена этим неосторожным словом «стремится», вкравшимся в учебники физики и механики.

Не меньше трудностей для правильного понимания представляет третий закон Ньютона, к рассмотрению которого мы сейчас и переходим.

Действие и противодействие

Желая открыть дверь, вы тянете её за ручку к себе. Мышца вашей руки, сокращаясь, сближает свои концы: она с одинаковой силой влечёт дверь и ваше туловище одно к другому. В этом случае ясно, что между вашим телом и дверью действуют две силы, приложенные одна к двери, другая – к вашему телу. То же самое, разумеется, происходит и в случае, когда дверь открывается не на вас, а от вас: силы расталкивают дверь и ваше тело.

Рис. 5. Силы (Р, Q, R), действующие на грузик детского воздушного шара. Где силы противодействующие?

То, что мы наблюдаем здесь для силы мускульной, верно для всякой силы вообще независимо от того, какой она природы. Каждое напряжение действует в две противоположных стороны; оно имеет, выражаясь образно, два конца (две силы): один приложен к телу, на которое, как мы говорим, сила действует, другой приложен к телу, которое мы называем действующим. Сказанное принято выражать в механике коротко – слишком коротко для ясного понимания – так: действие равно противодействию.

Смысл этого закона состоит в том, что все силы природы – силы двойные. В каждом случае проявления действия силы вы должны представлять себе, что где-то в ином месте имеется другая сила, равная этой, но направленная в противоположную сторону. Эти две силы действуют непременно между двумя точками, стремясь их сблизить или растолкнуть.

Пусть вы рассматриваете (рис. 5) силы P, Q и R, которые действуют на грузик, подвешенный к детскому воздушному шарику. Тяга Р шара, тяга Q верёвочки и вес R грузика – силы как будто одиночные. Но это лишь отвлечение от действительности; на самом деле для каждой из трёх сил имеется равная ей, но противоположная по направлению сила. А именно сила, противоположная силе Р, приложена к воздушному шарику (рис. 6, сила Р₁); сила, противоположная силе Q, действует на руку; сила, противоположная силе R, приложена в центре земного шара (рис. 6, сила R₁), потому что грузик не только притягивается Землёй, но и сам её притягивает.

Рис. 6. Ответ на вопрос предыдущего рисунка: P₁, Q₁, R₁ – силы противодействующие

Ещё одно существенное замечание. Когда мы спрашиваем о величине натяжения верёвки, концы которой растягиваются силами в 1 Н, мы спрашиваем, в сущности, о цене 10-копеечной почтовой марки. Ответ содержится в самом вопросе: верёвка натянута с силой 1 Н. Сказать «верёвка растягивается двумя силами в 1 Н» или «верёвка подвержена натяжению в 1 Н» – значит выразить буквально одну и ту же мысль. Ведь другого натяжения в 1 Н быть не может, кроме такого, которое состоит из двух сил, направленных в противоположные стороны. Забывая об этом, впадают нередко в грубые ошибки, примеры которых мы сейчас приведём[10].

Задача о двух лошадях

Две лошади растягивают пружинный безмен[11] с силой 1000 Н каждая. Что показывает стрелка безмена?

Многие отвечают: 1000 + 1000 = 2000 Н. Ответ неверен. Силы по 1000 Н, с какими тянут лошади, вызывают, как мы только что видели, натяжение не в 2000, а только в 1000 Н.

Рис. 7. Каждая лошадь тянет с силой 1000 Н. Сколько показывает пружинный безмен?

Поэтому, между прочим, когда магдебургские полушария растягивались 8 лошадьми в одну сторону и 8 в противоположную, то не следует думать, что они растягивались силой 16 лошадей. При отсутствии противодействующих 8 лошадей остальные восемь не произвели бы на полушария ровно никакого действия. Одну восьмёрку лошадей можно было бы заменить просто стеной.

Задача о двух лодках

К пристани на озере приближаются две одинаковые лодки. Оба лодочника подтягиваются с помощью верёвки. Противоположный конец верёвки первой лодки привязан к тумбе на пристани; противоположный же конец верёвки второй лодки находится в руках матроса на пристани, который также тянет верёвку к себе. Все трое прилагают одинаковые усилия. Какая лодка причалит раньше?