Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики: читать начало книги онлайн

Это последнее замечание, однако, представляет собой не что иное, как выражение первого закона движения Ньютона. Из этого следует, что второй закон движения включает в себя первый закон как частный случай. То есть если справедливость второго закона признана, нет никакой необходимости в первом законе. Значение первого закона в значительной степени психологическое. Частный случай f = 0, будучи однажды принятым, освобождает от того, чтобы учитывать основанное на «здравом смысле» аристотелевское понятие того, что естественной тенденцией объектов является стремление к состоянию покоя. Приняв такой частный случай, можно уже рассматривать и более общий.

Взаимодействие тел

Чтобы существовать, сила должна происходить от чего-либо и быть приложена к чему-нибудь. Очевидно, что-то не может быть сдвинуто с места, если другое что-то не подталкивает его. Также должно быть очевидно, что что-то не может подталкивать, если не существует самого предмета подталкивания. Попробуйте представить себе, что вы тянете или толкаете вакуум.

Значит, два тела соединяет сила, и соответственно возникает вопрос: какое же из тел является толкающим, а какое подталкиваемым? Если в процесс вовлечен некий живой организм, мы привыкли думать о нем как об источнике происхождения силы. Мы думаем о себе как о толкающем пушечное ядро, а о лошади — как о том, кто тянет фургон, а не наоборот: о пушечном ядре, толкающем нас, и о фургоне, тянущем лошадь.

В случае же, если рассматриваются два неодушевленных объекта, мы не можем быть настолько уверенными. Стальной шар, падающий на мраморный пол, собирается толкнуть этот пол в момент удара, то есть приложить к нему силу. С другой стороны, в тот момент, когда стальной шар ударяется об пол, пол начинает прикладывать силу по отношению к шару. Принимая во внимание, что сила, которую прикладывает шар, направлена вниз на пол, понятно, что сила, которую прикладывает пол, должна быть направлена вверх на шар.

В этом и во многих других подобных случаях, как мы видим, имеются две силы, равные по величине и противоположные по направлению.

Ньютон сделал обобщение, что такое явление существует всегда и обязательно и истинно во всех случаях. Он отобразил это в своем третьем законе движения. Часто этот закон формулируют в краткой форме: «Для каждого действия имеется равное противодействие». По этой причине третий закон Ньютона иногда упоминается как «закон действия и противодействия».

Возможно, однако, это не лучший вариант формулировки. Говоря относительно действия и противодействия, мы все еще думаем о живом объекте, прикладывающем силу к некоторому неодушевленному предмету, который соответственно реагирует автоматически. Одна сила («действие») кажется более важной и предшествующей по времени другой силе («реакции»).

Но это не так. С точки зрения физики обе силы имеют абсолютно равную важность и существуют одновременно. Любая из них может рассматриваться как «действие» или как «реакция». Поэтому было бы лучше сформулировать закон примерно в такой форме:

В такой форме данный закон может называться «законом взаимодействия».

Третий закон движения может вызвать некоторое замешательство. Люди имеют тенденцию спрашивать: «Если каждая сила вызывает равную и противоположную противосилу, почему же обе силы всегда не уничтожают друг друга при векторном сложении, не оставляя никакой суммарной силы вообще?» (Если бы это было так, то ускорение было бы невозможным и второй закон был бы бессмысленным.)

Ответ заключается в том, что две равные и противоположные по направлению силы уничтожают друг друга в том случае, когда они приложены к одному и тому же телу. Если сила была приложена к данному конкретному камню и равная и противоположная сила была также приложена к этому камню, то не будет никакой результирующей силы: камень будет оставаться в покое независимо от того, насколько большой была каждая из сил. (Силы могут быть достаточно большие, чтобы «растереть» камень в порошок, но они не будут перемещать его.)

Закон взаимодействия, однако, относится к равным и противоположным по направлению силам, приложенным к двум разным телам. Таким образом, если вы прикладываете силу к камню, равная и противоположная сила приложена камнем к вам; и камень и вы — каждый получает отдельную неуравновешенную силу. Если вы прикладываете силу к камню и в то же время отпускаете его, то камень, в ответ на эту отдельную силу, ускоряется в направлении этой силы, то есть вдаль от вас. Вторая сила приложена к вам, и вы, в свою очередь, ускоряетесь в направлении этой второй силы, то есть в направлении, противоположном тому, в котором полетел камень. Обычно если вы стоите на неровном основании (земле), то трение между вашими ботинками и основанием порождает новые силы, которые предохраняют вас от перемещения. Ваше ускорение поэтому замаскировано, так что истинный эффект закона взаимодействия может пройти незамеченным. Однако если бы вы стояли на очень гладком, скользком льду и швырнули тяжелый камень, например в восточном направлении, то вы бы начали скользить на запад.

Таким же образом газы, сформированные горящим топливом в двигателе ракеты, прикладывают силу к внутренним стенкам двигателя, в то время как стенки двигателя прикладывают равную и противоположную силу к газам. Газы вынуждены ускоряться вниз, в то время как стенки (и присоединенная к ним ракета) вынуждены ускоряться по направлению вверх. Каждая взлетающая в воздух ракета является свидетельством правильности третьего закона движения Ньютона.

В рассмотренных случаях оба вовлеченных объекта были физически разделены или могли бы быть физически разделены. Одно тело могло ускоряться в одном направлении, а другое — в противоположном. Но что же делать в случае, когда эти два вовлеченных тела связаны вместе? Что делать с лошадью, тянущей фургон? Фургон также тянет лошадь в противоположном направлении, с равной силой. И все же лошадь и фургон не ускоряются в противоположных направлениях. Они связаны вместе, и оба движутся в одном и том же направлении.

Если бы силы, соединяющие фургон и лошадь, были единственными из вовлеченных, то действительно не имелось бы никакого совместного движения. Фургон и лошадь, стоящие на очень скользком льду, не сдвинулись бы с места, независимо от того, как барахталась бы лошадь. На обычном же основании (земле) существуют фрикциональные эффекты. Лошадь прикладывает силу к Земле, а Земля прикладывает противосилу на лошадь (и связанный с ней фургон). Следовательно, лошадь перемешается вперед, а Земля — назад.

Но так как Земля имеет массу намного большую, чем лошадь, то ее ускорение назад (помните, что ускорение, произведенное силой, обратно пропорционально массе ускоряемого тела) настолько мало, что практически неизмеримо. Мы видим только движение лошади, и поэтому нам кажется, что лошадь тянет фургон. Достаточно трудно осознать, что фургон в то же время тянет лошадь.

Глава 4.

ТЯГОТЕНИЕ

Комбинация сил

Еще будучи двадцатилетним, Ньютон обратил внимание на очень важный и глубокий вопрос. Законы движения применимы только к Земле или они справедливы и для небесных тел? Наблюдая на ферме матери падение яблока с дерева[15], он стал задаваться вопросом, действуют ли на Луну те же силы, что и на яблоко.

На первый взгляд могло бы показаться, что Луна не может быть во власти той же самой силы, что и яблоко, поскольку яблоко упало на Землю, а Луна этого не делает. Конечно, если бы одна и та же самая сила была приложена к обоим этим объектам, то она вызвала бы одно и то же ускорение, и они бы оба упали. Однако это — упрощение. Что, если Луна действительно находится во власти той же самой силы, что и яблоко, и поэтому перемещается вниз к Земле; но, кроме того, что, если Луна также подвержена второму движению? Что, если комбинацией этих двух движений является такое, которое заставляет Луну кружиться над Землей и никогда не падать на нее?

Это понятие полного движения, составленного из двух или более движений в различных направлениях, было весьма нелегким для восприятия концепцией для ученых того времени. Когда Николай Коперник (1473–1543) предположил, что Земля вращается вокруг Солнца (а не наоборот), некоторые из наиболее ярых возражений были те, что, если Земля вращается на своей оси и (что еще хуже) перемещается в пространстве в своем вращении вокруг Солнца, на поверхности Земли невозможно будет находиться чему-либо подвижному. Любой, кто подпрыгнул бы в воздух, опустился бы на много ярдов дальше, так как земля под ним передвигалась бы в то время, как он был в воздухе. Спорящие таким образом были настолько уверены в очевидности своих аргументов, что даже не принимали никаких возражений.

Те, кто принимал коперниковское понятие о движении Земли, должны были доказать, что для объекта действительно возможно обладать двумя движениями сразу: то есть что прыгающий человек во время перемещения вверх и вниз может также двигаться вместе с поворачивающейся Землей и поэтому опускается на то же самое место, с которого он прыгал вверх.

Галилео показал, что объект, брошенный вниз с верхушки мачты двигающегося судна, упал в точку у основания мачты. Судно не «выехало» из-под падающего объекта, и он не упал в море. Следовательно, падающий объект, в то время как он перемещался вниз, должно быть, также участвовал и в горизонтальном движении судна. На практике Галилео не пробовал выполнить описанное выше, он предложил то, что сегодня мы называем «мысленный эксперимент». Но даже при том, что данный эксперимент был предложен только в мысленной форме, он был крайне убедительным; суда плавали по морям в течение тысяч лет, и множество предметов, должно быть, было сброшено с верхушек мачт в течение всех этих лет, и все же ни один моряк никогда не сообщал о том, что судно выплыло из-под падающего предмета. (И конечно, в наше время мы можем щелкать монетами о край бьющей струи и ловить их, поскольку они снижаются, без того, чтобы переместить нашу руку. Монета участвует в движении струи, а также — в перемещении вверх и вниз.)

Почему тогда некоторые ученые XVI и XVII столетий уверенно утверждали, что объекты не могут обладать двумя различными движениями одновременно? Очевидно, потому, что они все еще «страдали греческой болезнью» — принимать за основу кажущиеся явными основные предположения и не всегда испытывать необходимость проверить эти заключения в условиях реальной Вселенной.

Например, ученые XVI столетия рассуждали, что снаряд, которым выстрелили из орудия или катапульты, потенциально подчиняется воздействию двух движений: во-первых, импульса, данного ему орудием или катапультой и, во-вторых, его «естественного движения» к земле. Предположив для начала, что объект не может обладать двумя движениями одновременно, можно сделать справедливый вывод, что одно движение должно закончиться перед тем, как начнется второе. Другими словами, утверждается, что пушечное ядро будет перемещаться по прямой в направлении выстрела, пока импульс, вызванный взрывом пороха, не исчерпает себя, а затем — упадет вниз, по прямой.

Галилео придерживался весьма отличной от такой точки зрения. Безусловно, снаряд будет перемещаться вперед, в направлении выстрела из орудия. Больше того — он будет делать это с постоянной скоростью, так как сила взрыва пороха была приложена к нему только один раз и больше не прикладывалась. (Как позже объяснил Ньютон — без непрерывной силы не существует и непрерывного ускорения.) Кроме того, однако, пушечное ядро начинает снижаться, как только оно покидает ствол орудия, в соответствии с законами падающих тел, причем с постоянно увеличивающейся скоростью, увеличивающейся из-за постоянного ускорения (вызванного благодаря непрерывному присутствию постоянной силы тяжести). Легко показать геометрическими методами, что объект, который передвигается в одном направлении с постоянной скоростью, а в другом — со скоростью, которая возрастает прямо пропорционально со временем, будет двигаться по кривой, называемой «парабола». Галилео также доказал, что максимальная дальность полета пушечного ядра будет достигаться в том случае, если орудие будет направлено вверх под углом 45° к земле.

Орудие, направленное под некоторым углом к горизонту, способно было бы доставить пушечное ядро на одно расстояние, если ранние представления о движении пушечного ядра были правильны, и на совсем другое расстояние в том случае, если верными были взгляды Галилео. Показать, что именно подход Галилео был верным, не представляло особой трудности.

Действительно, во все времена стрелки, которые, возможно, и не понимали много в теории, нацеливали свои орудия так, чтобы воспользоваться преимуществами параболического движения пушечного ядра[16]. Короче говоря, возможность тела обладать двумя или более движениями одновременно ни разу не была подвергнута сомнению со времен Галилео.

[15] Яблоко не падало ему на голову, несмотря на то что сотни карикатуристов утверждают обратное.

[16] В наше время, когда снаряды запускают за много миль, правильный выбор если требует большего, чем идеализированная парабола Галилео. На движение снаряда влияет множество факторов, таких, например, как кривизна поверхности Земли, изменение скорости вращения в зависимости от широты, величина сопротивления воздуха (которая изменяется в зависимости от высоты и температуры), сила и направление ветра, движение объекта, на который нацелено орудие, и объекта, несущего это орудие (если, например, оба объекта — военные корабли) и т. д. Однако все эти эффекты просто изменяют форму параболы, не затрагивая основного принципа, выведенного Галилео, который в своей базовой форме может служить только для представления очень упрошенной, но в то же время весьма полезной модели реальной ситуации.