Яков Перельман – Занимательная механика (страница 5)

Эти практические мелочи очень существенны, незнание их зачастую приводит к самым нелепым ошибкам.

Отдача огнестрельного оружия

В качестве примера применения нашей таблицы рассмотрим отдачу ружья. Пороховые газы, выбрасывающие своим напором пулю в одну сторону, отбрасывают в то же время и ружьё в обратную сторону, порождая всем известную отдачу. С какой скоростью движется отдающее ружьё? Вспомним закон равенства действия и противодействия. По этому закону давление пороховых газов на ружьё должно быть равно давлению пороховых газов на пулю, выбрасываемую пулю. При этом обе силы действуют одинаковое время. Заглянув в таблицу, находим, что произведение силы (f) на время (t) равно «количеству движения» mv, т. е. произведению массы m на её скорость v:

ft = mv.

Так как ft для пули и для ружья одинаково, то должны быть одинаковы и количества движения. Если m – масса пули, v – её скорость, M – масса ружья, w – его скорость, то согласно сейчас сказанному

mv = Mw,

откуда

Подставим в эту пропорцию числовые значения её членов. Масса пули старой военной винтовки – 9,6 г, скорость её при вылете – 880 м/с, масса винтовки – 4500 г. Значит,

Следовательно, скорость ружья примерно равна 1,9 м/с. Нетрудно вычислить, что отдающее ружьё несёт с собой в 470 раз меньшую «живую силу» , нежели пуля; это значит, что разрушительная энергия ружья при отдаче в 470 раз меньше, нежели пули, хотя – заметим это! – количество движения для обоих тел одинаково. Неумелого стрелка отдача может всё же опрокинуть и даже поранить.

Рис. 9. Почему ружьё при выстреле отдаёт?

Для нашей старой полевой скорострельной пушки, весящей 2000 кг и выбрасывающей 6-килограммовые снаряды со скоростью 600 м/с, скорость отдачи примерно такая же, как и у винтовки – 1,9 м/с. Но при значительной массе орудия энергия этого движения в 450 раз больше, чем для винтовки и почти равна энергии ружейной пули в момент её вылета. Старинные пушки откатывались отдачей с места назад. В современных орудиях скользит назад только ствол, лафет же остаётся неподвижным, удерживаемый упором (сошником) на конце хобота. Морские орудия (не вся орудийная установка) при выстреле откатываются назад, но, благодаря особому приспособлению, сами после отката возвращаются на прежнее место.

Читатель, вероятно, заметил, что в наших примерах тела, наделённые равными количествами движения, обладают далеко не одинаковой кинетической энергией.

В этом, разумеется, нет ничего неожиданного: из равенства

mv = Mw

вовсе не следует, что

Второе равенство верно лишь в том случае, когда v = w (в этом легко убедиться, разделив второе равенство на первое). Между тем среди людей, не изучавших механику систематически, весьма распространено неправильное убеждение, будто равенство количеств движения (а значит, и равенство импульсов) обусловливает собой равенство кинетической энергии. Многие изобретатели-самоучки, как я заметил, исходят из того, что равным импульсам соответствуют равные количества работы. Это ведёт, конечно, к плачевным неудачам и лишний раз доказывает необходимость для изобретателя хорошо усвоить основы теоретической механики.

Знание обиходное и научное

При изучении механики поражает то, что во многих весьма простых случаях наука эта резко расходится с обиходными представлениями. Вот показательный пример. Как должно двигаться тело, на которое неизменно действует одна и та же сила? Здравый смысл подсказывает, что такое тело должно двигаться всё время с одинаковой скоростью, т. е. равномерно. И наоборот, если тело движется равномерно, то в обиходе это считается признаком того, что на тело действует всё время одинаковая сила. Движение телеги, паровоза и т. и. как будто подтверждает это.

Рис. 10

Механика говорит, однако, совершенно другое. Она учит, что постоянная сила порождает движение не равномерное, а ускоренное, так как к скорости, ранее накопленной, сила непрерывно добавляет новую скорость. При равномерном же движении тело вовсе не находится под действием силы, иначе оно двигалось бы неравномерно (см. с. 20).

Неужели же обиходные наблюдения так грубо ошибочны?

Нет, они не вполне ошибочны, но относятся к весьма ограниченному кругу явлений. Обиходные наблюдения делаются над телами, перемещающимися в условиях трения и сопротивления среды. Законы же механики имеют в виду тела, движущиеся свободно. Чтобы тело, движущееся с трением, обладало постоянной скоростью, к нему действительно надо приложить постоянную силу. Но сила тратится здесь не на то, чтобы двигать тело, а лишь на то, чтобы преодолевать трение, т. е. создать для тела условия свободного движения. Вполне возможны поэтому случаи, когда тело, движущееся с трением равномерно, находится под действием постоянной силы.

Мы видим, в чём грешит обиходная механика: её утверждения почерпнуты из недостаточного материала. Научные обобщения имеют более широкую базу. Законы научной механики выведены из движения не только телег и паровозов, но также планет и комет. Чтобы делать правильные обобщения, надо расширить поле наблюдений и очистить факты от случайных обстоятельств. Только так добытое знание раскрывает глубокие корни явлений и может быть плодотворно применено на практике.

В дальнейшем мы рассмотрим ряд явлений, где отчётливо выступает связь между величиной силы, двигающей свободное тело, и величиной приобретаемого им ускорения, связь, которая устанавливается уже упоминавшимся вторым законом Ньютона. Это важное соотношение, к сожалению, смутно усваивается при школьном прохождении механики. Примеры взяты в обстановке фантастической, но сущность явления выступает от этого ещё отчетливее.

Пушка на Луне

Артиллерийское орудие сообщает снаряду на Земле начальную скорость 900 м/с. Перенесите его мысленно на Луну, где все тела становятся в 6 раз легче. С какой скоростью снаряд покинет там это орудие? (Различие, обусловленное отсутствием на Луне атмосферы, оставим без внимания.)

На вопрос этой задачи часто отвечают, что так как сила взрыва на Земле и на Луне одинакова, а действовать на Луне приходится ей на вшестеро более лёгкий снаряд, то сообщённая скорость должна быть там в 6 раз больше, чем на Земле: 900 × 6 = 5400 м/с. Снаряд вылетит на Луне со скоростью 5,4 км/с.

Подобный ответ при кажущемся его правдоподобии совершенно неверен.

Между силой, ускорением и весом вовсе не существует той связи, из какой исходит приведённое рассуждение. Формула механики, являющаяся математическим выражением второго закона Ньютона, связывает силу и ускорение с массой, а не с весом: f = ma. Но масса снаряда нисколько на Луне не изменилась: она там та же, что и на Земле; значит, и ускорение, сообщаемое снаряду силой взрыва, должно быть на Луне такое же, как и на Земле: а при одинаковых ускорениях и времени – одинаковы и скорости (согласно формуле v = at).

Итак, пушка на Луне выбросила бы снаряд точно с такой же начальной скоростью, как и на Земле. Другое дело, как далеко или как высоко залетел бы на Луне этот снаряд. В этом случае ослабление тяжести имеет уже существенное значение.

Например, высота отвесного подъёма снаряда, покинувшего на Луне пушку со скоростью 900 м/с, определится из формулы

которую мы находим в справочной табличке (с. 31). Так как ускорение силы тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле, т. е. , то формула получает вид:

Отсюда пройденный снарядом отвесный путь

На Земле же (при отсутствии атмосферы):

Значит, на Луне пушка закинула бы ядро в 6 раз выше, чем на Земле (сопротивление воздуха мы не принимали во внимание), несмотря на то что начальная скорость снаряда в обоих случаях одинакова.

Наган на дне океана

Для этой задачи взята также необычная обстановка – дно океана. Глубочайшее место океана, какое удалось промерить – Марианская впадина, – находится близ Антильских островов – 11 000 м.

Вообразите, что на этой глубине очутился наган и что заряд его не промок. Курок спущен, порох воспламенился. Вылетит ли пуля?

Вот сведения о нагане, необходимые для решения задачи: длина ствола 22 см, скорость пули при выходе из дула – 270 м/с, калибр (диаметр канала) – 7 мм, вес пули – 7 г.

Итак, выстрелит ли наган на дне океана?

Задача сводится к решению вопроса: какое давление на пулю больше – пороховых газов изнутри или воды океана снаружи? Последнее рассчитать несложно: каждые 10 м водяного столба давят с силой одной атмосферы, т. е. 1 кг на 1 см². Следовательно, 11 000 м водяного столба окажут давление в 1100 атмосфер, или больше тонны на 1 см².

Рис. 11. Выстрелит ли наган на дне океана?

Теперь определим давление пороховых газов. Прежде всего вычислим силу, движущую пулю. Для этого найдём среднее ускорение движения пули в стволе (принимая это движение за равномерно-ускоренное). Отыскиваем в табличке соотношение

v² = 2aS,

где v – скорость пули у дульного обреза, а – искомое ускорение, S – длина пути, пройденного пулей под непосредственным давлением газов, иными словами – длина ствола. Подставив v = 270 м = 27 000 см/с, S = 22 см, имеем

27 000² = 2а × 22,

ускорение а = 16 500 000 см/с² = 165 км/с².

Огромная величина ускорения (среднего) – 165 км/с² – не должна нас удивлять, ведь пуля проходит путь по каналу нагана в ничтожный промежуток времени, который тоже поучительно вычислить. Расчёт выполняем по формуле v = at: