Физика. Великие открытия: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Тело круглой формы, подвешенное на пружине, в воздухе имеет вес р, а будучи погруженным в жидкость — меньший вес q. Разность этих весов и дает величину выталкивающей силы, действующей на тело в жидкости. Она равна весу вылившейся из мензурки воды (r — s = p — q).

Закон Архимеда лежит в основе действия гидрометра (Б), используемого для контроля плотности кислоты в автомобильных аккумуляторах. Трубку прибора погружают в кислоту батареи, а грушу сжимают, чтобы удалить из нее воздух. Затем грушу отпускают, и кислота всасывается в основной канал трубки. Тогда гидрометр погружается в воду на глубину, зависящую от плотности кислоты.

Рис. 4. Огромные количества сырой нефти перевозятся в танкерах. Согласно закону Архимеда, танкер плавает, поскольку вес морской воды, вытесненной им, больше веса груза, ибо нефть обладает меньшей плотностью, чем вода. В более теплую воду танкер погружается несколько глубже.

На обратном пути в танкер загружают балласт, что помогает поддержать постоянным объем погруженной части судна.

Рис. 5–7. Падающий молоток (А) снят в шести положениях с интервалом 0,03 с, и по фотографиям построен график движения молотка (Б). Крутизна кривой изменяется от точки к точке. Измерить ее можно, строя в каждой точке касательной прямоугольный треугольник с единичным вертикальным катетом и подсчитывая длину горизонтального катета (В). Крутизна кривой 12 в точках 7-11 составляет соответственно 0:2, I:2, 2:2, 3:2 и 4:2, или 0,5, I, 1,5 и 2. Изменение крутизны кривой 12 показывает кривая 13. Кривизна кривой движения (Б) за первую экспозицию определяется падением по вертикали на 2,8 см за 0,02 с; скорость молотка 2,8: 0.02 = 140 см/с. Аналогичные измерения крутизны позволяют определить скорость в других точках и построить кривую изменения скорости, которая сначала убывает с расстоянием.

Ускорение — крутизна кривой изменения скорости — постоянно, пока молоток падает свободно. При экспозиции 3 молоток ударяется о шляпку гвоздя со скоростью 200 см/с, и тут начинается самое интересное. За миллисекунду скорость молотка падает до 40 см/с. В результате ускорение подскакивает до величины, в 100 раз превышающей ускорение свободного паления. По закону Ньютона это означает, что на гвоздь действует сила, более чем в 100 раз превышающая вес молотка. На этом и основано действие молотка: резкое торможение его головки порождает большую силу.

Рис. 8–9. Первый закон Ньютона связан с явлением инерции (А). Тело стремится сохранить состояние покоя, и поэтому, когда тележка сдвигается, отклоняется назад (I). При равномерном движении тележки тело остается неподвижным относительно нес, как если бы находилось в покое (2). При остановке оно, стремясь продолжить движение, наклоняется вперед (3).

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение пропорционально вызывающей его силе (Б). Шар, упавший на мягкую поверхность (4), «входит» в нее глубже, чем в твердую (5), поскольку сила торможения в первом случае меньше.

Третий закон механики утверждает, что в изолированной системе каждой силе соответствует равная по величине и противоположная по направлению сила реакции (В). При стрельбе из ружья отдача невелика (6 и 7), тогда как скорость пули значительна. Ракета (8) выбрасывает струю газа, а сама движется в противоположном направлении.

Рис. 10. 1. В системе Птолемея Земля (I) покоится в центре мира. Вокруг нее движутся Луна (2), Меркурий (3), Венера (4), Солнце (5), Марс (6), Юпитер (7) и Сатурн (8): каждое тело движется по малому эпициклу.

2. В системе Коперника Солнце (I) находится в центре Солнечной системы, вокруг него обращаются Меркурий (2), Венера (3), Земля (4), Марс (5), Юпитер (6) и Сатурн (7). Работа Коперника была опубликована в 1543 г. Его теория встретила решительное сопротивление со стороны церкви. Отметим, что Коперник сохранил и круговые орбиты и эпициклы.

3. Тихо Браге считал, что Земля (I) есть центр Солнечной системы, вокруг которого движутся Луна (2) и Солнце (3). Планеты — Меркурий (4), Венера (5). Марс (6), Юпитер (7) и Сатурн (8) — движутся вокруг Солнца вместе со звездами.

Рис. 11–12. Идея Кеплера о «пяти правильных геометрических фигурах» заключается в том, что пять правильных многогранников — куб (А), тетраэдр (Б), додекаэдр (В), икосаэдр (Г), октаэдр (Д), — можно последовательно поместить внутри сфер, точно соответствующих орбитам шести известных в то время планет: Меркурия. Венеры, Земли. Марса. Сатурна, Юпитера. Это была блестящая работа, основанная на наблюдениях Тихо Браге, которая подтверждала, что Солнце, а не Земля находится в центре Солнечной системы.

Рис. 13. Согласно Ньютону, если бы не было Земли, то Луна двигалась бы в А, но в действительности из-за притяжения Земли она движется Б. Луна как бы непрерывно падает на Землю, хотя и не приближается к ней. Тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действует внешняя сила. Этот закон был сформулирован Ньютоном в «Математических началах натуральной философии.

Рис. 14. Коперник изобразил планеты обращающимися вокруг Солнца по траекториям, представляющим собой сложные комбинации круговых движений. Система Коперника предсказывала положения планет не точнее, чем система Птолемея, но она ознаменовала триумф идей, показавших истинное место человека в мире. В 1609 г. Иоганн Кеплер доказал, что планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.

Рис. 15. Николай Коперник. Копня конца XVII — начала XVIII века с портрета, созданного неизвестным художником в 1580 году.

Рис. 16–17. Исаак Ньютон вычислил скорость, при которой тело, брошенное с вершины горы по горизонтали, не упадет на Землю, а начнет обращаться вокруг нее. Выполненный Ньютоном чертеж траектории искусственного спутника был опубликован в 1728 г… через год посте его смерти.

Рис. 18. Для удобства астрономы рассматривают звезды как бы находящимися на внутренней поверхности сферы, в центре которой расположена Земля. Горизонт земного наблюдателя в проекции на небесную сферу — окружность (2). Так как Земля вращается с запада на восток, нам кажется, что небесный свод движется с востока на запал, увлекая за собой звезды. Северный полюс на небе (3) отмечает Полярная звезда. Некоторые звезды (в фиолетовой области) постоянно видны нал горизонтом и называются околополярными звездами. Площадь околополярной области зависит от широты, на которой находится наблюдатель (на рисунке — примерно 50» с. ш).