Дни Ньютона

Над своей книгой по механике «Математические начала натуральной философии» Ньютон начал работать примерно в 1679 году и закончил ее через семь лет, в 1686 году. Когда труд приближался к концу, Ньютон взял себе секретаря — земляка и однофамильца Гемфри Ньютона, который тоже окончил грэнтэмскую школу. Гемфри Ньютон переписывал книгу начисто, перед тем как отправить ее в печать.

Сохранился рассказ Гемфри Ньютона о своем великом однофамильце.

«Сэр Исаак был очень любезным, спокойным и скромным человеком; по-видимому, он никогда не впадал в раздражение; за исключением одного случая, я не видел, чтобы он смеялся…

Он постоянно был занят своей работой, редко ходил к кому-нибудь в гости или принимал у себя гостей.

Сэр Исаак не позволял себе никакого отдыха и передышки, не ездил верхом, почти не гулял, не играл в кегли, не занимался спортом; он считал потерянным каждый час, не посвященный занятиям.

Раньше двух — трех часов ночи он редко ложился спать, иногда засыпал в пять — шесть часов утра. Спал он всего четыре — пять часов. Днем он никогда не спал. Думаю, что его печалила необходимость тратить время на еду и сон.

Занятиями он увлекался настолько, что забывал обедать. Нередко, заходя в его комнату, я обнаруживал обед нетронутым на столе, и только после моего напоминания он стоя что-нибудь съедал. Я никогда не видел, чтобы он садился за стол сам, без напоминания.

Ньютон редко уходил из комнаты, за исключением коротких прогулок в саду и тех случаев, когда ему надо было читать лекции. Его лекции мало кто посещал и еще меньше того — понимал. Часто Ньютону приходилось читать лекции перед пустыми стенами. Не найдя на лекции ни одного слушателя, Ньютон через четверть часа возвращался обратно.

Иногда во время прогулки в саду Ньютон внезапно останавливался, взбегая по лестнице в свою комнату, и, подобно Архимеду, начинал писать за своим наклонным столиком, забывая сесть.

Судя по его озабоченности и постоянной работе, думаю, что он стремился перейти черту человеческой силы и искусства».

Так писал Гемфри Ньютон в своих воспоминаниях об Исааке Ньютоне.

Громадное напряжение всех сил, сосредоточенность и беспримерная настойчивость Ньютона позволили ему завершить книгу, озаглавленную «Математические начала натуральной философии». А натуральной философией в Англии и поныне называют физику. В своей книге Ньютон подвел итог всему, чего достигло человечество за две тысячи лет, прошедших после смерти Аристотеля. Все самое ценное, сделанное учеными за это время, нашло свое место в «Началах» Ньютона. Он отбросил ошибочное, проверил истинное, доделал незаконченное и изложил тысячелетний труд людей в одной книге.

Все рассказанное нами о трех законах движения составляет в книге Ньютона содержание всего лишь нескольких страниц и служит там чем-то вроде введения. В своей книге Ньютон доказал, что законы движения едины и одинаковы как для Земли, так и для небесных тел. Луна обращается вокруг Земли, планеты обегают Солнце, хвостатые странницы — кометы путешествуют в пространстве. и все небесные светила подчиняются тем же самым законам механики, которые действительны и для яблока, падающего с ветки, и для пыли, подхваченной вихрем на дороге, и для камня, брошенного человеческой рукой. В основе всякого механического движения, где бы оно ни совершалось, лежат простые и естественные законы.

Первый закон Ньютона устанавливает, что происходит с предметом, когда действующие на него силы уравновешены.

Второй закон показывает, что случится с телом, когда на него подействует неуравновешенная сила.

Третий закон указывает, при каком совершенно обязательном условии сила может возникнуть и подействовать на какое-либо тело; если это коренное условие отсутствует, то никакого действия не получится.

 

Готемский градоначальник

В Англии очень распространены шуточные рассказы о жителях Готема — сказочного города, из которого, по английским преданиям, расплодились по всему свету дураки. Рассказывают, что в Готеме долго не было градоначальника, потому что готемцы не знали, как среди глупых выбрать самого умного.

Однажды они увидели, что перед большой лужей на городской площади стоит человек и изо всех сил тянет сам себя за волосы кверху.

— Что ты делаешь? — спросили удивленные готемцы этого человека.

— А разве вы не видите? — отвечал им человек. — Я поднимаю сам себя за волосы, для того чтобы перенести свои ноги через эту лужу.

— О-о! — воскликнули готемцы. — Этот человек самый умный среди нас! — И они тотчас же выбрали его градоначальником.

Самый «умный» житель Готема.

Но разве может человек приподнять сам себя за волосы? Это просто немыслимо, нелепо, невозможно. Ни один предмет не в состоянии двигаться один сам по себе, всегда требуется участие другого тела. И то, что мы называем силой, есть результат взаимодействия между двумя различными предметами. Один предмет действует на второй, но и сам испытывает на себе действие второго. И в этом смысл и суть третьего закона движения.

В учебниках этот закон в краткой форме записан так: «Всякое действие вызывает равное и противоположно направленное противодействие».

 

Опыты Ньютона

Третий закон движения основывается на повседневной практике, на опыте людей; он так же естествен и прост, как и первые два закона, но уяснить его не так-то легко.

Когда Ньютон обдумывал свои первые два закона, он не ставил опытов — для доказательства этих законов было достаточно повседневных наблюдений и опытов других ученых, живших до него. Третий закон нуждался в доказательствах.

Чтобы действие третьего закона движения стало нагляднее и убедительнее, Ньютон предложил несколько опытов.

Из сухой дощечки ученый вырезал две совершенно одинаковые лодочки. Потом он налил в таз воды и пустил туда свои лодочки. В одну лодочку Ньютон положил маленький намагниченный стальной брусок, а в другую точно такой же брусок, но сделанный из простого железа. Обе лодочки Ньютон развел в стороны. Лодочку с железным брусочком он отпустил, а нагруженную магнитом придержал рукой на месте. Повинуясь притяжению магнита, железный брусок потянул свою лодочку, поплыл и вскоре пристал к магниту. Ничего удивительного в этом никто, конечно, не увидел. Уже тогда всем было известно свойство магнита притягивать к себе железные предметы.

Ньютон продолжал свой опыт. Он снова развел лодочки в стороны, но на этот раз удержал на месте лодочку, груженную железным бруском, а лодочку с магнитом отпустил в свободное плавание.

Теперь лодочка с намагниченным «пассажиром», чуть покачиваясь, поплыла к железному бруску.

Если бы Ньютон не знал, какой из брусочков намагничен, он в этом опыте не смог бы отличить их друг от друга: железо притягивалось к магниту точно так же, как магнит притягивался к железу.

Где магнит?

После этого Ньютон в третий раз развел лодочки к краям таза и отпустил их. Обе лодочки поплыли навстречу друг другу. Они столкнулись на середине таза и остановились.

Опыт убедил ученого, что магнит притягивает железо с такой же силой, с какой железо притягивает к себе магнит. И мы наблюдаем не действие магнита на железо или железа на магнит, а их взаимодействие.

Именно поэтому обе лодочки сейчас плавают в тазике так спокойно. Если между ними не было бы взаимодействия, рассуждал Ньютон, то опыт привел бы к иным результатам. Представим себе, что только магнит способен притягивать к себе железо. В этом случае лодочка с железным бруском поплывет к магниту, а лодочка с магнитом останется неподвижной. А затем должно произойти нечто невероятное — лодочка с железным бруском, подплывшая к магниту, стукнется о его лодочку и погонит ее в сторону со все возрастающей скоростью. Железо, притягиваемое магнитом, толкало бы его и двигало непрерывно вперед.

Но в действительности так не получается. Лодочки стоят посреди таза, тесно прижавшись друг к другу, нажимая своими краями друг на друга. Действие магнита встречает равное и противоположно направленное противодействие железа, то есть мы наблюдаем не действие одного предмета на другой, а их взаимодействие.

И Ньютон сформулировал свой третий закон:

«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны».

Третий закон Ньютона очень часто называют законом действия и противодействия, но правильнее называть его законом взаимодействия, потому что сущность закона состоит именно во взаимодействии тел.

 

Содействие дороги

У бутс футболиста на подметках набиты толстые кожаные рубцы и сделаны выступы-шипы. У бегуна на туфлях тоже есть шипы, но уже металлические, тонкие и острые. А у альпиниста на подметках шипы почти такие же, как на лошадиных подковах. Ходить в альпийской или футбольной обуви неудобно, но зато бегать или лазить по горам очень хорошо.

Когда человек идет или бежит, его ноги должны отталкиваться от земли и встречать со стороны дороги равное и противоположно направленное противодействие; иначе говоря, ноге нужно иметь хороший упор. Если же упор окажется недостаточен, то и бегун не сможет двигаться в полную силу.

Очень трудно бежать по рыхлому, зыбкому песку, по вязкой мокрой глине или по земле, покрытой корочкой гололеда. По такому грунту не то что бежать — даже ходить трудно. На рыхлом песке человек тратит много усилий, чтобы каждым своим шагом уплотнять песок, прежде чем он окажется способным дать ноге необходимый упор. А на глине ноги вязнут и расползаются, приходится с усилием отрывать ногу от липкой грязи. На скользком льду катка или во время гололедицы ходить приходится с опаской, слишком легко поскользнуться и упасть — лед не дает ноге надежного упора.

Чтобы быстро бегать, мало иметь резвые ноги. Спортивный успех зависит не только от «действия» ног, но и от содействия дороги.

Об этом содействии заранее заботятся строители стадионов и спортивных площадок: они засыпают беговые дорожки гарью — золой из паровых котлов. Гарь — прекрасный материал; она достаточно тверда, свободно пропускает воду и почти не впитывает ее, всегда суха, легко поддается уплотнению под шипами на туфлях бегунов и не позволяет ногам скользить.

Шипы, вдавливаясь в поверхность дорожки, обеспечивают полезное трение и позволяют твердо ставить ногу, а нога, встречая надежный упор в грунте, использует всю свою силу, чтобы от него оттолкнуться. Таким образом небольшая потеря на трение шипов при вдавливании их в гарь с лихвой возвращается бегуну благодаря надежному взаимодействию с дорогой.

С этой же целью — получить хорошее сцепление с дорогой — колеса и гусеницы тракторов также снабжают шипами, протекторы автомобильных шин делают узорчатыми, а лошадей подковывают. Однако на скользкой или грязной дороге автомобильные шины часто теряют сцепление с дорогой и начинают буксовать, крутятся на месте, разбрызгивая грязь, а автомобиль не продвигается ни на шаг. Шоферы, когда им предстоит перегон по плохой дороге, предварительно обматывают колеса цепями, и тогда автомобиль легче преодолевает трудные участки пути. Современные грузовые автомобили имеют не одну ведущую ось, а две и цепляются за дорогу всеми четырьмя колесами. Такое устройство, как говорят специалисты, повышает «проходимость» автомобиля.

Способность любой транспортной машины передвигаться зависит не только от мощности ее двигателя, но, в той же степени, и от состояния пути.

 

«Пешком» по столбу

Связисты и электромонтеры, которым постоянно приходится взбираться на телеграфные столбы, носят с собой очень простое приспособление, называемое «кошками». «Кошки» — это две железные дуги с острыми зубцами и площадочкой для ноги; они похожи по форме на серпы или на большие рога жука-оленя.

Связист надевает «кошки» на ноги и, ковыляя, потому что передвигаться по земле в «кошках» очень неудобно, подходит к столбу. Тут он охватывает одной «кошкой» столб, ее шипы врезаются в дерево. Связист, придерживаясь руками за столб, переносит всю тяжесть своего тела на «кошку» и одновременно закидывает вторую «кошку» так, чтобы она вцепилась повыше первой. Затем он переносит тяжесть тела на вторую «кошку», а первую переставляет еще выше. Так он «шагает» по гладкому вертикальному столбу, как по лестнице. Острые зубцы «кошек» обеспечивают связисту надежное взаимодействие со столбом — дают ноге хороший упор. Не было бы взаимодействия со столбом — и связист не мог бы влезть на него.

«Пешком» по столбу.

Словом, все, что бегает, ползает, прыгает, шагает, летает, плавает, лазает, может двигаться только потому, что находится во взаимодействии с землей, водой, воздухом, рельсами, стволами деревьев, столбами, веревками или лианами в тропическом лесу.

Во всех случаях, без всякого исключения, действие одного предмета всегда встречает равное и противоположно направленное ответное действие (противодействие) со стороны других окружающих предметов.

Слово «противодействие», которое употребил Ньютон, не нужно понимать буквально — ответное действие, оказываемое движущемуся предмету, отнюдь не мешает ему, не действует напротив или наперекор, а, наоборот, именно оно помогает, содействует его движению. Просто появляется сила противодействия, направленная противоположно силе действия.

При этом надо заметить, что действие и ответное действие во всех случаях бывают приложены к разным предметам: действие — к земле, воде, воздуху, рельсам, веревкам, столбам, к асфальту шоссе и так далее, а ответное действие — к ногам, лапам, колесам, копытам, гусеницам, крыльям, плавникам, пароходным винтам, к пропеллерам самолетов и «кошкам» связистов…

Вывод несколько удивительный. Получается, что мы движемся не столько в силу нашего действия, сколько в силу ответного действия. Когда мы ходим, усилия наших ног направлены на то, чтобы толкать землю, а идем, движемся вперед только потому, что нас толкает земля. Может быть, такой вывод покажется странным, но это так и есть. В Мире без трения, то есть без взаимодействия между телами, человек мог бы только перебирать ногами, но никогда не сумел бы сдвинуться с места.

Когда человек идет, он не замечает, как его «толкает» земля. Всякому кажется, что он сам ходит, но это маленькое заблуждение объясняется тем, что свое действие он сам направляет, оно бросается в глаза, а ответное действие не привлекает внимания. Но можно сделать так, что прямое и ответное действия станут одинаково заметны.

 

Белка в колесе

Представим себе, что на рельсах стоит длинная и легкая тележка. Ее оси вращаются в шарикоподшипниках. Подшипники хорошо смазаны, и потому тележка способна перекатываться с одного конца рельсов к другому почти без всякого трения.

На этой тележке, с одного ее края, стоит человек. Попросим этого человека пробежать по тележке к другому ее концу. И как только человек побежит, тележка тоже придет в движение: она покатится в сторону, противоположную движению человека. Человек остановится — и остановится тележка. Человек побежит обратно — и тележка покатится в другую сторону.

Движение человека в одну сторону заставляет тележку двигаться в противоположную сторону. Действие вызывает ответное действие, и они равны между собой: если тележка имеет такую же массу, как человек, то относительно земли она откатится в сторону настолько же, насколько подвинется человек. В незапамятные времена люди придумали игрушку, которая показывает закон взаимодействия простым и убедительным образом.

Случается, охотники приносят домой ребятам на забаву маленьких бельчат. Бельчата растут, привыкают к людям и к жизни в неволе, становятся ручными. Но все-таки им трудно жить в тесных избах. В лесу белка целый день в движении: с ветки на ветку, с дерева на дерево, а в избе ей развернуться негде.

И вот, может быть, тысячу лет назад, люди придумали для белок «физкультуру» — колесо, сделанное наподобие барабана, чтобы белка могла бегать внутри этого колеса. Белку впускают в колесо, и она принимается бегать, а колесо начинает поворачиваться в противоположном направлении и вертится до тех пор, пока бежит в нем белка. Разумеется, беличье колесо надо время от времени останавливать и выпускать зверька, чтобы дать ему отдохнуть и поесть. Белочки глупые — они могут бегать в колесе до изнеможения.

Беличье колесо — замечательное и наглядное доказательство правильности третьего закона движения. Взаимодействие двух тел приводит к тому, что оба тела — и белка и колесо — движутся. В этом случае действие и ответное действие (противодействие) вызывают видимое движение.

И действие и ответное действие равны между собой: когда белка бежит неторопливо, то и колесо крутится медленно, а когда белка ускоряет свой бег, колесо начинает вертеться быстрее.

И действие и ответное действие противоположны: белка бежит в одну сторону, а колесо крутится в другую.

«Вечное» движение.

 

Наказание забывчивых

Человек, собирающийся выскочить из лодки на берег, не должен забывать о существовании третьего закона движения. Его действие обязательно вызовет равное и противоположно направленное ответное действие: в момент прыжка лодка отойдет назад, и неосторожный человек окажется не на берегу, а в воде. Бранить третий закон Ньютона бесполезно — надо было попросить сидящих в лодке упереться в дно веслом.

Неудачный прыжок.

В истории техники записан случай, когда изобретатели важного и полезного механизма — геликоптера, недостаточно продумав конструкцию, упустили из виду третий закон движения.

Геликоптер, в отличие от обыкновенного самолета, может подниматься в воздух не с разбегу, а вертикально вверх. Подъемную силу этой машине дает большой пропеллер, вращающийся на вертикальной оси.

Когда первый геликоптер испытывали на аэродроме, третий закон движения напомнил о себе. Так как несущий пропеллер вращался справа налево, то в силу третьего закона движения корпус геликоптера стал вращаться в противоположную сторону — слева направо. Геликоптер оказался своеобразной летающей каруселью, в которую ни один пассажир не соглашался сесть.

Этот недостаток геликоптера устранили тем, что поставили на нем два несущих пропеллера, вращающихся в разные стороны. Вот тогда неприятное карусельное движение машины сразу прекратилось, потому что ее винты вращались в разные стороны, и их вредное действие взаимно уничтожилось, а подъемная сила, направленная вверх, сохранилась.

В одновинтовых геликоптерах ставят дополнительный рулевой пропеллер, который противодействует вращению корпуса.

 

Почему движется только паровоз

Все плавающие в воде и по воде: рыбы, утки, бобры, угри, лягушки, жуки-плавунцы и прочие водяные существа, а также пароходы, катера и лодки — движутся вперед только потому, что находятся во взаимодействии с водой. Они гребными винтами, веслами, плавниками, хвостами, лапками отталкивают воду назад, а сами в силу ответного действия плывут вперед.

Всё летающее: самолеты, вертолеты, птицы, бабочки, комары, летучие мыши, а также аэросани и глиссеры — движутся только потому, что находятся во взаимодействии с воздухом. Они отталкивают воздух назад, а сами в силу ответного действия движутся вперед. Но что отталкивают назад обитатели суши, пользующиеся для передвижения ногами и колесами, остается неясным.

Они отталкивают то, что служит для них опорой: паровозы отталкивают рельсы, автомобили и лошади — асфальт шоссейных дорог и мостовых. Рельсы и покрытие шоссейных дорог намертво скреплены с землей, следовательно, все движущееся по земле отталкивает Землю, и земной шар должен поворачиваться в сторону, противоположную движению паровоза или автомобиля. Но масса земного шара составляет многие миллиарды миллиардов тонн. Движение таких ничтожных по сравнению с Землей предметов, как паровозы и автомобили, на скорости вращения нашей планеты не сказывается. Кроме того, все поезда и автомобили движутся в разные стороны, и, когда один поезд едет направо, какой-то другой в это же время едет налево. Каждый автомобиль после работы возвращается обратно в гараж — туда, откуда он выехал утром. При встречном движении транспорта его воздействие на Землю взаимно уничтожается.

 

Парашютист и санки

Парашютист выбросился из самолета и падает вниз в затяжном прыжке. Действие в данном случае очевидно — парашютист падает. Но где же ответное действие? Его совершенно незаметно. И таких примеров можно найти великое множество. Дети, забравшись на снежную горку, скатываются с нее на санках, лыжник прыгает с трамплина. Лавина, сорвавшаяся с горы, дождевые капли, падающие из тучи, — во всех случаях падения ответное действие невидимо, неощутимо. Но это еще не значит, что его не существует.

Эту мысль поясняет опыт Ньютона с железным брусочком и магнитом, плававшими в лодочках. Тогда Ньютон убедился, что не магнит притягивает к себе железо и не железо притягивается к магниту, а оба тела взаимодействуют — притягиваются друг к другу.

В опыте Ньютона магнит и железо были одинаковы по весу. Но представьте себе, что для этого опыта взяли очень большой и тяжелый магнит и крошечный железный брусочек. В таком случае магнит только чуть-чуть подвинулся бы к железу, а железный брусочек поплыл бы к магниту гораздо быстрее. То же самое случилось бы и в том случае, если бы кусок железа был большим, а магнит маленьким: движение легкого предмета было бы заметным и наглядным, а ответное движение тяжелого предмета — неощутимым.

Парашютист падает, потому что его притягивает Земля. Но притяжение взаимно: Земля притягивает к себе парашютиста, а парашютист притягивает к себе Землю. Парашютист падает на Землю, а Земля «падает» на парашютиста. Но масса парашютиста по сравнению с массой Земли ничтожна, и потому его движение быстро, а масса Земли огромна, и ее ответное и встречное движение совершенно неуловимо.

Все это целиком и полностью относится и к санкам, скатывающимся с горки. Движение санок — тоже падение, но только происходящее по наклонному пути.

Вот если бы возле Земли проходило какое-нибудь крупное небесное тело, то последствия их взаимного тяготения стали бы заметны. Это наблюдается в действительности. Иногда большие планеты солнечной системы — Юпитер и Сатурн — располагаются в пространстве так, что сила их тяготения заставляет Землю чуть-чуть удаляться от Солнца, тогда длительность нашего года, то есть время обращения Земли вокруг Солнца, увеличивается на несколько минут. Потом большие планеты уходят дальше по своим орбитам, и наш год снова укорачивается. Так, например, 1946 год был короче 1945 года приблизительно на десять минут, а 1945 год был короче 1944 года минут на одиннадцать.

Такое изменение длины года нашей Земли, зависящее от положения других планет солнечной системы, обнаруживает, как действует третий закон движения далеко за пределами Земли — в безграничном мировом пространстве.

Спутник Земли, Луна, удерживается на своей орбите благодаря притяжению Земли, но и сама притягивает Землю, вызывая на поверхности морей приливную волну и слегка изменяя движение Земли около Солнца.

 

Действие и противодействие

Здания, мосты, мебель в комнатах, плоды на ветках, деревья, провода на столбах, корабли в море, тучи на небе, самолеты и воздушные шары за облаками — словом, все, что лежит, стоит, висит, плавает, летает, — не проваливается под землю, не тонет, не падает, не скатывается вниз только потому, что находится во взаимодействии с каким-либо другим предметом. Эти предметы, все равно будь то земля, подставка, подвеска, вода или воздух, являются опорой, и сила тяжести, влекущая все предметы по направлению к центру. Земли, встречает со стороны опоры ответное действие. Это ответное действие мешает силе тяжести приводить предметы в движение, противодействует ей — ее уравновешивает, как одна чашка весов, мешая другой чашке опуститься, уравновешивает ее.

Точно в таком же положении находится корабль, стоящий на якоре и остающийся на месте даже в том случае, когда ветер и течение стремятся его увлечь.

Возникающие при этом силы называются силами реакции. Они уравновешивают действующую на тело силу и помогают ему оставаться в покое.

При постройке моста необходимо предварительно рассчитать, в какой мере мостовые устои способны оказать противодействие той нагрузке, которая на них навалится: смогут ли они ее выдержать, достаточен ли у опор запас противодействия, или, как говорят строители, запас прочности. И строители сооружают устои моста такими, чтобы они могли оказать противодействие любой нагрузке, какая только может проявиться на мосту. Они считают, будто устои давят на мост снизу. Действие всегда равно противодействию — они равносильны, равноправны, и потому строители вправе считать так, как им удобнее.

Точно так же поступают инженеры, проектирующие фундаменты зданий. Они знают, что обыкновенный грунт способен оказывать противодействие тяжести здания с силой примерно в два — три килограмма на каждый квадратный сантиметр фундамента. При этом условии действие, то есть тяжесть всего здания, и противодействие, сопротивление грунта, сжимают фундамент сверху и снизу. На фундамент действуют две одинаковые, но направленные в противоположные стороны силы. Такие силы уравновешиваются и не могут сдвинуть фундамент с места, но сдавливают его, и, если запаса прочности этого фундамента не хватит, он разрушится, а здание обвалится.

 

Разрушители машин

Ньютон был первым ученым, установившим причину вращательного движения планет вокруг Солнца. Силой, вызывающей это движение, оказалась сила тяготения.

Еще задолго до Ньютона ученые выяснили, что для того, чтобы тело вращалось, на него должна действовать сила. Но особенно хорошо это видно из законов Ньютона.

Вот мальчик вращает камень на веревке. Он крутит этот камень все быстрее и быстрее, пока веревка не оборвется. Тогда камень полетит куда-то в сторону.

Какая же сила разорвала веревку? Ведь она удерживала камень, вес которого, конечно, не менялся.

Веревку рвет центробежная сила, отвечали ученые до Ньютона.

Это правильно. А что это такое, откуда взялась эта сила?

Раз камень движется по окружности, значит, на него действует сила, изменяющая его движение. Ведь по инерции камень должен двигаться прямолинейно. Эту важную часть первого закона движения иногда забывают.

Движение по инерции всегда прямолинейно. И камень, оборвавший веревку, также полетит по прямой линии.

Сила, исправляющая путь камня, действует на него все время, пока он вращается.

Эта постоянная сила называется центростремительной. Приложена она к камню.

Но тогда, по третьему закону Ньютона, должна появиться сила, действующая со стороны камня на веревку и разная центростремительной.

Эта сила и называется центробежной.

Чем быстрее вращается камень, тем большая сила должна действовать на него со стороны веревки. Ну и, конечно, тем сильнее камень будет тянуть — рвать веревку. Наконец ее запаса прочности может не хватить, веревка разорвется, а камень полетит по инерции теперь уже прямолинейно. Так как он сохраняет свою скорость, то может улететь очень далеко.

Пожалуй, самое древнее оружие человека — праща. Камнем из этой пращи, по библейскому преданию, пастух Давид убил великана Голиафа.

А действует праща точно так же, как и веревка с камнем. Только в ней предварительно раскрученный камень просто отпускается в нужное время.

На стадионах вы часто видите спортсменов — метателей диска или молота.

Дискобол.

И здесь знакомая картина.

Спортсмен кружится все быстрее и быстрее, держа в руках диск, и наконец выпускает его из рук. Диск при этом летит на шестьдесят — семьдесят метров.

Ясно, что при очень больших скоростях во вращающихся телах развиваются и очень большие силы. Эти силы увеличиваются по мере удаления от оси вращения.

Если вращающееся тело хорошо центрировано — ось вращения точно совпадает с осью симметрии тела, — это еще не так страшно. Возникающие силы будут уравновешены. Но в результате плохой центровки могут быть самые неприятные последствия. В этом случае на вал вращающейся машины все время будет действовать неуравновешенная сила, способная при больших скоростях даже сломать этот вал.

Скорость вращения роторов паровых турбин достигает тридцати тысяч оборотов в минуту. Во время пробных испытаний на заводе работающую турбину выслушивают примерно так же, как врач выслушивает сердце больного человека. Если ротор турбины плохо центрирован, это сразу станет заметно — к ровному пению быстро вращающегося ротора присоединятся тревожные стуки и шумы, предвещающие неминуемую аварию. Турбину останавливают, ротор исследуют и добиваются того, чтобы вращение его стало совершенно плавным.

Уравновешивание центробежных сил составляет предмет постоянных забот инженеров и конструкторов. Эти силы — самые опасные враги машин, они обычно действуют разрушительно.

Замечательный советский ученый-кораблестроитель — академик Алексей Николаевич Крылов, читая лекции студентам, приводил пример такого разрушительного действия. В 1890 году один пароход, имевший на борту свыше тысячи пассажиров, направлялся из Англии в Америку. На этом пароходе были установлены две машины по девяти тысяч лошадиных сил каждая. Инженеры, строившие эти машины, по-видимому, были недостаточно опытны или недостаточно сведущи и пренебрегли третьим законом Ньютона.

В открытом море, когда двигатель работал на полную мощность, одна машина буквально разлетелась на куски, разорванная возникающими при вращении силами. Осколки повредили другую машину и пробили днище. Машинное отделение залило водой. Океанский пароход превратился в поплавок, беспомощно покачивавшийся на волнах. Его взял на буксир другой пароход, который доставил жертву центробежных сил в ближайший порт.