Движение всегда и везде

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что такое движение? А, вообще, стоит ли над этим задумываться: может, этот вопрос не очень интересен и не достоин нашего внимания? Однако давайте поразмыслим немного над этим.

Жизнь ставит перед наукой цели; наука освещает пути жизни.

Н. Михайловский

Пожалуй, еще первобытным людям приходилось смотреть на небо, на все, что их окружает, и чувствовать (конечно, еще не понимать!), что происходят определенные изменения. Они интуитивно использовали накопленный опыт наблюдений за движением животных, птиц для собственных нужд, например для охоты.

Через десятки тысяч лет человеку уже было необходимо более сознательно учитывать особенности движений, осуществляемых им и всем, что находится вокруг. Глядя на небо, древние греки задавались вопросом, почему яркие «точки» на небе (звезды и планеты!) движутся именно так, а не иначе. А почему падает камень, выпущенный из рук? Как сделать полет стрелы или камня из пращи более точным? И еще много других «почему» заставляло людей задумываться над тем, что они наблюдали и что уже даже вошло в их обиход.

Оказалось, что абсолютно все объекты, которые находятся вокруг нас, движутся, причем даже тогда, когда они якобы находятся в состоянии покоя.

Чем различаются движение и состояние покоя?

Представьте себе, что после тяжелого трудового дня в школе вы, просмотрев любимую телевизионную передачу, уснули на диване. Вы, конечно, считаете, что в таком состоянии вы не двигаетесь?

А известно ли вам, что наша Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот примерно за двадцать четыре часа? Но тогда и вы, пусть и неподвижны относительно своего дивана, вращаетесь вместе с Землей! То есть вы движетесь!

Но и это еще не все. Оказывается, наша планета Земля движется вокруг Солнца, а в свою очередь Солнце со всей своей планетной семьей (следовательно, и с Землей) вращается вокруг центра нашей Галактики с огромной скоростью! А современные ученые-астрофизики говорят, что и галактики с огромной скоростью разбегаются в пространстве. Где же нам с вами найти покой?..

Каким образом можно определить, что такое движение и что такое покой?

Попробуем сначала определить, что движение – это процесс изменения положения в пространстве одного тела относительно какого-то другого (или других) тела.

Сказав так, мы отметили, что говорить о движении одного тела, не имея другого, в отношении которого мы это движение наблюдаем, просто бессмысленно. Однако, если мы такие умные, отчего же мы не заметили еще одного важного условия: изменение положения тела осуществляется со временем, так как именно каждый раз через какой-то промежуток времени (через час, минуту, секунду или долю секунды) мы замечаем изменение положения тела в пространстве. То есть, обобщая, следует сказать, что движение тела является процессом изменения его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Когда же говорят о состоянии покоя определенного объекта, то имеют в виду, что этот объект не движется именно в отношении какого-либо другого объекта, избранного в качестве тела отсчета, то есть в нашем примере вы находитесь в состоянии покоя относительно дивана.

Вот это и называют относительностью движения: по отношению к разным объектам движение одного и того же тела выглядит по-разному.

Однако наряду с относительностью у механического движения есть и определенные черты того, что не меняется даже тогда, когда на то же самое движение будет смотреть какой-нибудь другой наблюдатель. Например, если относительно земли расстояние между двумя определенными телами увеличивается, то относительно какого-либо другого тела отсчета расстояние между этими телами тоже будет увеличиваться, т. е. расстояние между телами является абсолютным, одинаковым с точки зрения разных наблюдателей.

Например, представьте себе, что на палубе теплохода, плывущего по реке, расходятся танцующие пары, а вы наблюдаете их движение, сидя на берегу. Что наблюдает в это же время ваша мама, которая стоит на той же палубе, – неужели, что пары сходятся?.. Пожалуй, нет. То есть, расстояние между танцорами и с вашей точки зрения, и с точки зрения вашей мамы будет одинаковым. И вы одинаково будете видеть его увеличение.

Ученым понадобилась не одна сотня лет, чтобы понять, что движение тел является неотъемлемым их свойством (как говорят философы, формой существования материальных объектов).

Одним из важнейших разделов физики является механика. Она изучает движение тел или их частей. В механике рассматривается движение больших (макроскопических) тел. Однако оказывается, что движутся и частицы, из которых состоят все тела. Движутся определенные частицы во время того процесса, который мы называем электрическим током. Движутся частицы воздуха (пока назовем их так), которым мы дышим. А когда возникает и распространяется звук, то это тоже связано с определенным движением – колебаниями. И так далее, и так далее…

Движение действительно есть везде и всегда!

 

Что необходимо делать для исследования движения

Наблюдать и экспериментировать!

Ранее мы уже говорили, что в далеком прошлом движение практически не исследовали. Античные философы только наблюдали его и высказывали определенные мысли относительно особенностей этого явления.

Когда спустя много сотен лет за дело взялся выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей, физика из «умозрительной» постепенно превратилась в действительно экспериментальную науку.

Кстати, в своих «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки – механики и местного движения» в 1638 г. Галилей писал: «Во-первых, я сомневаюсь, чтобы Аристотель видел на опыте справедливость того, что два камня, один из которых в десять раз тяжелее другого, начавшие одновременно падать с высоты, допустим, сотни локтей, двигались с такими разными скоростями, что когда более тяжелый дошел до земли, более легкий прошел всего 10 локтей…»

Когда сам Галилей захотел определить характер движения тела, падающего с определенной высоты, он бросал камень со знаменитой Пизанской башни, измеряя время по ударам собственного пульса (тогда удобных для этого опыта часов еще не было).

Пизанская башня

А когда Галилей пытался найти закономерности движения тела, скатывающегося с наклонной поверхности, он изготовил специальный желоб-«линейку», отполировал его, а затем пустил по нему бронзовый шарик.

Снова предоставим слово самому Галилею: «…Сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения ее половины, двух третей, трех четвертей или других ее частей и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно обнаруживали, что отношение пройденных Водяной указатель времени путей равно отношению квадратов времени их прохождения при любых наклонах плоскости, то есть канала, вдоль которого скатывался шарик…

Что касается способа измерения времени, то мы использовали большое ведро, которое было заполнено водой и подвешено сверху; дно ведра имело узкий канал, через который вода выливалась тонкой струей и собиралась в маленьком бокале в течение времени, пока шарик спускался по всему каналу или его части; собранное таким образом количество воды каждый раз взвешивалось с помощью самых точных весов…»

Итак, Галилей проводил тщательно продуманный физический эксперимент, на основании которого приходил к определенным выводам относительно особенностей движения тела.

Таким образом, важным этапом любого физического исследования, кроме наблюдения, должен быть и специальный опыт, эксперимент. Причем в таком специальном научном эксперименте часто удобнее применять не сам реальный объект, а его модель – упрощенный заменитель реального тела.

Сейчас у нас есть больше, чем у Галилея, возможностей и для измерения времени, и вообще для наблюдения движения. Можно, например, фотографировать объект в разные моменты времени при наблюдении его движения. Этим часто пользуются астрономы, которым приходится следить за различными космическими объектами – звездами, планетами, кометами, галактиками.

Можно снять движущееся тело на кинопленку. А еще интересно наблюдать за движущимся телом в стробоскопическом освещении.

Представьте себе, что вы находитесь в темном помещении. Если, например, где-то по столу будет катиться шарик, то в темноте вы его не увидите. Но если в помещении через маленькие интервалы времени будет загораться яркая лампочка, то шарик в эти моменты будет становиться видимым. (Это специальное устройство, которое управляет вспышками лампочки, называют стробоскопом.) Освещая таким способом различные движения различных тел, получаем интересную информацию о характере движений. Такое исследование можно сделать еще более удобным, если не просто наблюдать за телом, но и фотографировать его в стробоскопическом освещении.

На этой фотографии виден шарик, падающий вертикально. Надеемся, вы заметили, что через равные промежутки времени шарик проходит все большие и бо́льшие расстояния? Попробуйте подумать над этим и определить, какую еще информацию можно получить, анализируя эту фотографию.

Измерять!

При исследовании движения нужно найти способы сравнения различных движений, ведь недостаточно будет, например, просто сказать: этот автомобиль движется быстрее, чем другой. Необходимо выяснить, чем именно отличаются движения, как можно предвидеть дальнейшее движение любого тела, и так далее.

Для того чтобы это сделать, нужно использовать язык физических величин: путь, время, скорость.

В давние времена ученые пытались описывать явления обычным обыденным языком. Но потом оказалось, что обычные разговоры о телах и явлениях ни к чему не приводят: каждый подразумевает что-то свое, и понять, о чем именно идет речь, очень трудно. Кроме того, со временем выяснилось, что нужно количественно сравнивать определенные свойства изучаемых объектов. Так в физике появились физические величины.

Каждая из физических величин характеризует определенное свойство объекта или явления, при этом ее можно измерять, выражая с помощью определенных единиц.

Стробоскопическая фотография падающего шарика

Например, физическая величина время характеризует длительность событий. Время измеряют с помощью различных часов, а выражают чаще всего в секундах, минутах, часах, месяцах, годах. Мы говорим: продолжительность школьного урока – 45 минут (или 3/4 часа, или 2700 секунд).

Измеряй все, что доступно измерению, и делай недоступное измерению доступным.

Галилей

Когда тело движется, оно все время перемещается из одного места пространства в другое. Физическая величина путь характеризует длину того отрезка траектории, вдоль которой двигалось тело. Измерять путь можно линейками, рулетками (но чаще всего путь рассчитывают, измерив другие, связанные с ним, величины). Выражают путь с помощью различных единиц: метров, сантиметров, дюймов, футов и т. п. Вы, наверняка, видели надпись на дискете для компьютера 3,5", что значит три с половиной дюйма.

О том, как возникли некоторые единицы измерения величин и приборы, с помощью которых проводят измерения, – и пойдет речь ниже.

 

Измерение времени

История создания приборов для измерения различных физических величин очень интересна. С давних времен и до наших дней сохранились определенные выражения, которые демонстрируют старые представления и способы измерения определенных физических величин. Например, мы до сих пор иногда говорим, что время течет (или «с течением времени»). Дело в том, что когда-то время измеряли водяными часами – вспомните, например, приведенное выше описание опыта Галилея, в котором он использовал такие часы.

Но считают, что одними из первых были солнечные часы. Они были известны еще за 2500 лет до н. э. в Китае! Именно из Китая солнечные часы были завезены в Европу, где они получили очень широкое распространение. Солнечные часы состоят из шкалы-циферблата (как мы сказали бы сейчас), на которую нанесены штрихи, соответствующие целым часам. Промежутки между этими штрихами часто тоже делились на несколько (5 или 10) частей.

Солнечные часы

В большинстве солнечных часов были стержни, которые отбрасывали тень на циферблат. Иногда вместо стержня использовали щиток с отверстием, через которое проходил солнечный луч, и на циферблате образовывалось изображение Солнца. Отсчитывая соответствующий штрих циферблата, на который падала тень или на котором было изображение Солнца, можно было получить определенное значение времени.

Солнечные часы – обсерватория в Дели (Индия)

Некоторые крупные древние сооружения, например, обсерватория в Индии или известный Стоунхендж, выполняли еще и роль солнечных часов.

Точность измерения времени с помощью солнечных часов с современной точки зрения была недостаточно большой. Поэтому интересно будет узнать, что в древности существовали и другие приборы, в частности так называемая клепсидра – водяные часы.

Время летит стрелой, хотя минуты ползут…

Ф. Мендельсон

Клепсидры были двух видов: для отмеривания определенного интервала времени, в течение которого вода перетекает из одного сосуда в другой (подобно песочным часам), а также для определения времени солнечных _ суток – подобно современным часам. В конструкциях второго вида древние механики достигли очень высокого уровня мастерства. Существовали клепсидры, которые действовали безостановочно, причем вода поступала по водопроводу в верхний сосуд, откуда вытекала через насадку, сделанную из драгоценных камней или золота, в нижнюю емкость. Скорость вытекания регулировалась или учитывалась при нанесении делений на специальную шкалу.

Стоунхендж

У римлян сутки от восхода до захода Солнца разбивались на двенадцать часов, поэтому в разное время года продолжительность часа была разной (световой день был разным в разные времена года!). Позже стали применять часы, в которых ход был одинаковым в течение года.

Известная клепсидра Ктезибия (150 г. до н. э.) состояла из цилиндрической колонны, на поверхности которой для каждого из двенадцати месяцев года были нанесены снизу римскими цифрами деления для ночных часов, арабскими – для дневных. Рядом с колонной стояли фигурки двух мальчиков: одна из них была пустотелой и через нее могла поступать вода из водопровода, другая фигурка была прикреплена к специальному поплавку (см. рисунок).

Вода из водопровода поступала в пустотелую фигурку, а потом вытекала из нее каплями через глаза мальчика. Затем эти капли попадали через специальную трубочку в цилиндр, имеющий сверху поплавок со второй фигуркой мальчика, который палочкой указывал на шкалу-циферблат.

Клепсидра Ктезибия

По мере наполнения цилиндра мальчик с палочкой поднимался все выше и выше. В конце, когда палочка-указатель достигала цифры XII, вода из цилиндра с помощью трубки-сифона вытекала. В процессе вытекания вода приводила в действие механизм, вращающий всю колонну на определенный угол так, что за год колонна делала полный оборот.

Клепсидра

Таким образом, это устройство показывало не только время суток, но и месяц!

Согласитесь, эти замечательные часы достойны нашего удивления и восхищения! Заметим, что другие клепсидры были мало похожи на произведение искусства, однако работали по тому же принципу.

Не очень были распространены, однако все же применялись часы из свечей. На довольно большой толстой свече наносили на равных расстояниях черточки. По мере сгорания свечи судили о том, сколько времени прошло. Конечно, такие часы были очень неточными.

В XI веке (а по другим данным – еще в IX в.) появились первые механические часы, но они были такими неточными, что их приходилось сверять по солнечным часам. Лишь в середине XVII в., когда Галилей открыл закон колебания маятника, механические часы вышли на новый уровень точности.

Христиан Гюйгенс

Оказалось, что более точно измерять интервалы времени можно на основе периодических, т. е. повторяющихся процессов. Именно тогда можно обеспечить равномерность хода созданных часов. Свойство, на котором основывается принцип работы маятниковых часов, называется изохронностью ( изо – равный, одинаковый; хронос – время).

Современный секундомер

Если вы подвесите к нитке небольшой шарик, винт или нечто подобное, а затем подтолкнете подвешенный предмет, вы сможете наблюдать колебательное движение подвешенного тела – маятника. С помощью маятника можно определять продолжительность определенных событий, приняв за единицу измерения, например, одно полное колебание подвешенного тела.

В свое время голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) изобрел механизм часов, основанный именно на колебательном движении гири-маятника. Интересно, что изначально он решал задачу создания устройства, с помощью которого можно было бы точно определять географическую долготу во время путешествий по океану (вспомним, то были времена великих морских походов европейцев в Индию и Новый Свет – Америку, и проблемы морской навигации были очень важными).

Занимаясь разработкой точных часов, Гюйгенс заинтересовался закономерностями колебательного движения вообще. Еще Галилею было известно, что время, которое требуется для одного колебания маятника вдоль дуги окружности, практически не зависит от размаха колебаний. (Между прочим, маятник как измеритель времени, но без часового механизма, применяли еще арабские астрономы в Х в.) Однако Гюйгенс пытался найти такую форму кривой, чтобы колебания маятника совсем не зависели от размаха. Такой кривой оказалась циклоида: при движении по малым дугам циклоиды колебания маятника были изохронными!

Механизм часов Гюйгенса

Позже были изобретены карманные часы, в которых качающийся маятник, был заменен маленьким колесом, удерживаемым спиральной пружиной (балансиром).

Очень удобными оказались специальные часы-секундомеры, которые можно запускать и останавливать нажатием кнопки.

Современные наука и техника применяют уже более точные (в тысячи раз!) часы. Сначала это были кварцевые часы, действие которых основывается на колебаниях кварцевых кристаллов. Еще более точными являются так называемые атомные часы, по ходу которых сегодня определяют продолжительность основной единицы времени – секунды.

Хотя атомные системы совсем не такие, как механические, все равно можно сказать, что там тоже происходят определенные колебания, свойства которых позволяют использовать их для определения малых (до триллионных долей секунды!) промежутков времени.

 

Измерение длины

Пожалуй, первыми в истории измерениями были измерения длины. Именно на их примере можно видеть, что провести измерение – это значит сравнить значение измеряемой величины с соответствующей эталонной мерой этой величины. (Напомним, что эталон – это образцовая мера, предназначенная для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения с максимальной точностью.)

Определение длины «в попугаях»

Иначе говоря, измерение – это определение того, сколько раз в измеряемой величине укладывается определенная единица измерения.

Например, в Древнем Египте измеряемую длину сравнивали с царским локтем (около 52,5 см) и малым локтем (около 45 см). А вот локоть в Вавилоне составлял примерно 54 см. (Конечно, для того, чтобы мы имели представление о древних единицах длины, сейчас мы их выразили с помощью единицы, которую применяем сегодня, – сантиметра.)

Ну как, вам нравятся такие «эталоны»? Попробуйте, использовать локоть каждого из членов вашей семьи (отца, матери, брата или сестры, бабушки и т. д.) для измерения, например, длины стола. Конечно, вы догадались, что значение результатов этих измерений будут отличаться и это крайне неудобно.

А сейчас вспомните знаменитый мультфильм про тридцать восемь попугаев, где друзья пытались определить длину удава разными мерками: обезьянками и попугаями.

В Древней Руси для измерения длины тоже использовали интересные единицы. В сравнении с современными единицами метрической системы значения этих единиц следующие:

1 вершок = 4,45 см,

1 аршин = 16 вершков = 71,120 см,

1 сажень = 3 аршина = 2,1336 м,

1 верста = 500 саженей = 1,0668 км.

В Соединенных Штатах Америки и Великобритании достаточно долго были распространены такие меры длины:

1 дюйм = 2,54 см,

1 фут = 12 дюймов = 30,48 см,

1 ярд = 3 фута = 36 дюймов = 0,9144 м.

Поскольку у нас применяется именно метрическая система (или, как ее сейчас называют, SI – Международная система единиц (СИ)), следует вспомнить, как она сама и, в частности, ее основные единицы появились.

Метод обмера скульптур. 1727 г.

Впервые слово «метр» как наименование единицы длины применил Тит Буратини в книге «Универсальная мера» в 1675 г. Тогда за единицу длины он предлагал принять длину нити маятника, который делает одно колебание за одну секунду (этот маятник так и называют – секундный). Но в те годы эта мера так и не получила распространения.

В конце XVIII в. в Европе было около сотни различных «футов», десятки различных «миль», различные «фунты», что очень мешало торговым делам. В 1789 г. торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой о введении одинаковых единиц измерения.

В 1791 г. Национальным собранием Франции была создана специальная комиссия по подготовке новой системы измерения. В состав комиссии вошли Пьер Симон Лаплас, Лагранж, Гаспар Монж и другие.

Комиссия предложила в качестве единицы длины принять длину, равную одной десятимиллионной части четверти длины Парижского меридиана (1/40000000 длины меридиана). Именно эту единицу и назвали метром.

Интересно, что в главном манифесте комиссии была провозглашена такая идея – необходимо создать новую систему измерения:

1) основанную на «неизменном прототипе, взятом из природы, чтобы ее могли принять все нации»;

2) построенную на десятичной системе, которая соответствует десятичной системе исчисления и поэтому упрощает расчеты.

(Кстати, именно этой комиссией было принято определение 1 секунды как 1/86400 доли солнечных суток, а также определение единицы массы, о чем речь пойдет ниже.)

Для измерения длины дуги меридиана собралась экспедиция, в которую вошли астрономы и геодезисты (специалисты по измерениям расстояний и углов на Земле). В течение нескольких лет (с 1792 по 1799 год) проводились измерения части меридиана между Дюнкерком и Барселоной (примерно 1000 км).

На основе измерений дуги меридиана был изготовлен эталон метра, так называемый «архивный метр» (практически одновременно был изготовлен и «архивный килограмм»). Эталон метра был сделан из платины, его отдали на хранение в Национальный архив Французской республики (откуда и происходит его название «архивный метр», или «метр архива»), а копии этого эталона были переданы в Бюро мер и весов.

Позже, в 1799 г., оказалось, что этот архивный метр короче на 0,08 мм более точно измеренной длины дуги земного меридиана! Но из-за того, что метрическая система мер уже широко распространилась, было решено отказаться от стремления к абсолютно идеальному метру и принять за метр расстояние между двумя штрихами того же архивного платинового метра.

На основе международных соглашений (1870, 1872 и 1875 гг.) в Париже было создано Международное бюро мер и весов, которое изготовило новый эталон метра и 31 его копию. Все эти копии были пронумерованы. Один из этих стандартов (эталон № 6), который более всех других был приближен к старому архивному метру, был принят в 1888 г. в качестве международного прототипа метра. Именно он хранится сейчас во Франции в Международном бюро мер и весов неподалеку от Парижа в г. Севр. Остальные 28 копий были распределены в 1889 г. по жребию между государствами, заказавшими их предварительно. России достались копии № 28 и 11.

С развитием науки и техники возникла потребность в более точном определении единицы длины. Для этого пытались найти способ, благодаря которому удалось бы максимально уменьшить зависимость эталона от каких-то внешних воздействий (изменений температуры и др.). Штриховой эталон не обеспечивал требуемой точности, потому что нужно было как-то учитывать и ширину штрихов, и погрешность, которая возникала при сличении эталонов с прототипом. Кроме того, такой искусственный эталон в случае потери не мог быть восстановлен.

И вот в 1960 г. вместо стержня из сплава платины и иридия был принят новый эталон метра. Он основан на электромагнитном излучении света газом криптоном и равен 1 650 763,73 длины волны в вакууме. Созданный таким образом эталон стали называть криптоновым эталоном метра.

Для уменьшения погрешностей при воспроизведении теперь уже криптонового эталона ученые пошли еще дальше. С целью повышения точности воспроизведения единицы длины было предложено заменить криптоновую лампу другим источником излучения. Таким источником стал лазер.

Усилиями многих ученых из разных стран на основе лазерной техники был создан единый эталон частоты-времени-длины, который позволяет определять эти величины с наибольшей точностью. В результате создания единого эталона было заявлено как точное следующее значение скорости света в вакууме: 299 792 458 м/с. Исходя из этого, сегодня определением единицы длины Международной системы единиц является следующее: метр – это длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды.

Сейчас Международная система единиц (СИ) применяется почти во всем мире. Одним из последних «бастионов», где до недавнего времени использовали другие единицы, была Великобритания. Однако и там недавно официально перешли к единицам СИ, хотя консерваторам-британцам очень трудно проститься с привычками представлять все в своих футах или фунтах…

Заканчивая эту краткую историю измерения длины и ее единиц, заметим, что не следует пугаться приведенных здесь пока еще не совсем ясных для вас физических понятий (электромагнитное излучение, длина волны, лазер и т. д.). Во-первых, видимо, интуитивно вы догадались, о чем идет речь, а во-вторых, у вас еще все впереди, и, продолжая знакомиться с миром физики, вы сможете лучше все это понять. Даже упоминание о современных определениях единиц и современных методах их получения может нацелить вас на восприятие физики уже XXI в., а не только ее истории.

 

Скорость движения, или Кто самый быстрый

Если какое-нибудь тело движется относительно другого (или других), то со временем его положение в пространстве меняется. Опыт наблюдения за движением тел показывает, что эти изменения различны: у кого-то они больше, у кого-то – меньше.

Для того чтобы описывать движение тел, чтобы определить, где будет находиться определенное тело в определенный момент времени, физики применяют физическую величину скорость.

Когда говорят о скорости какого-то тела, чаще всего указывают, какой путь оно проходит за определенный промежуток времени. Например, если автомобиль равномерно движется и за 1 час проезжает 70 километров, мы говорим, что его скорость 70 километров в час (сокращенно 70 км/ч). А если другой автомобиль проехал 140 км за два часа или 210 км за три часа, то его скорость… тоже 70 км/ч.

Надеемся, вы поняли, почему значение скорости оказалось прежним. Действительно, скорость – это физическая величина, которая показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Именно поэтому, чтобы получить значение скорости, нужно значение пути разделить на время: 210 км: 3 часа = 70 км/ч.

В Международной системе единиц (СИ) единицей скорости является метр в секунду (м/с), но на практике достаточно часто используют другие единицы, например, километр в час (км/ч). Поскольку 1 км = 1000 м, а 1 час = 3600 с, то скорость 1 км/ч = 1000 м/3600 с «0,28 м/с.

Так же, как и с измерением времени и длины, из истории измерения скорости сохранились еще и другие, так называемые внесистемные единицы. Например, моряки применяют такую меру скорости судов, как узел, равный 0,514444 м/с.

Если нам известно, с какой скоростью (V) прямолинейно равномерно движется тело, мы можем рассчитать путь (Б), который оно пройдет за определенное время (1):

S = v · t.

Физико-математическое «лирическое» отступление: векторные и скалярные величины

То, о чем было сказано выше, касается движения в одном направлении с постоянной скоростью. Но ведь мы знаем, что реальные объекты могут двигаться так, что направление их движения будет меняться. Для того чтобы учесть и значение, и направление, в физике применяют векторные величины. Следовательно, скорость движения – это векторная величина! Из этого следует, что, если какая-то физическая задача требует нахождения скорости, нужно найти не только числовое значение этой величины, но и указать ее направление.

В отличие от векторных, скалярные величины характеризуются только своим числовым значением. К скалярным величинам относятся, например, время, масса, температура, плотность и другие. С этими величинами можно выполнять обычные алгебраические действия.

Векторные физические величины нельзя просто прибавлять или вычитать, как скалярные, для действия с ними существуют особые математические правила. И это не выдумка физиков и математиков, а отражение того, что мы видим в природе.

Например, представьте себе, что вы поднимаетесь по ступенькам эскалатора метро со скоростью 1 м/с относительно ступенек. Но вы стали не на тот эскалатор: он едет вниз со скоростью 1,5 м/с! Куда и с какой скоростью вы движетесь относительно стен?

Наверное, вы уже догадались, что, просто сложив 1 м/с и 1,5 м/с, реальный результат мы не получим!

Если хорошо подумать, можно найти и другие физические величины, являющиеся векторными. Например, физическая величина перемещение является векторной величиной; в ее определение, кроме значения, входит еще и направление.

Пусть какое-то тело двигалось по дуге окружности и через некоторое время прошло расстояние l = 5 м. Перемещение тела за это время изображают направленным отрезком прямой; этот отрезок соединяет начальную и конечную точки движения тела. Если на рисунке изобразить путь и перемещение тела, то можно увидеть, что они не совпадают. Числовые значения пути и перемещения будут разными, а перемещение, кроме того, характеризуется направлением.

Путь и перемещение

Интересно, что можно найти и такие случаи, когда за определенное время тело прошло довольно значительный путь, а его перемещение оказалось нулевым. Надеемся, вы догадались, в каких случаях это бывает?

Если тело движется в одном направлении вдоль прямой, то числовые значения пути и перемещения будут совпадать. Однако и в этом случае нельзя считать, что это одинаковые величины, потому что перемещение имеет еще и направление.

Векторные и скалярные величины отличаются обозначениями: векторные величины имеют стрелку над символом величины. Например, скорость обозначается , а перемещение – .

С учетом векторного характера скорости и перемещения более точно и корректно формулу скорости прямолинейного равномерного движения следует писать так:

Вернемся к разговору о скорости.

Различные объекты живой и неживой природы движутся со скоростями, значения которых достаточно сильно различаются.

Приблизительные значения некоторых скоростей движения в живой природе и технике

В технике значение скорости движения тел или их частей различаются еще больше.

Поговорим немного о том, каким образом в разных случаях измеряют скорость движения.

Скорость автомобиля определяют с помощью спидометра (англ. speed – скорость и греч. metreo – измерять). Действие этого прибора основано на возникновении электрического тока в цельном алюминиевом диске при вращении перед ним магнита (в физике это явление называют электромагнитной индукцией). Магнит начинает вращаться благодаря специальному валу, связанному с валом автомобиля. Шкала такого прибора градуирована в единицах скорости.

Понятно, что таким способом определить скорость самолета в воздухе невозможно: нет тех колес и тех дорог в воздухе, позволяющих по принципу автомобильного спидометра определить скорость самолета. Поэтому применяют метод, связанный с определением так называемой «воздушной скорости», то есть скорости относительно воздуха, в котором перемещается самолет. Открытые физиками законы аэродинамики позволяют сопоставлять давление воздуха с его скоростью относительно определенного тела.

Идея этого метода заключается именно в применении связи между скоростью самолета и давлением со стороны встречного потока воздуха.

С помощью специального прибора для измерения давления – манометра – определяют давление воздуха, но шкала манометра проградуирована уже в единицах скорости.

Схема спидометра – прибора для измерения скорости автомобиля

Кроме прибора, находящегося непосредственно на самолете, применяют еще и другой метод определения скорости – радиолокацию.

С помощью специального мощного радиопередатчика излучают радиоволны, которые, достигнув самолета, отражаются от него. Теперь нужно «поймать» этот отраженный сигнал и, зная скорость его распространения в воздухе, рассчитать скорость самолета.

На метеорологических станциях скорость ветра определяют с помощью специального флюгера с ветромерной доской. Когда ветра нет, доска висит вертикально. Чем сильнее ветер, тем на больший угол отклоняется доска. По специальным указателям, расположенным у доски, определяют скорость ветра.

Анемометр

Понятно, что этот способ определения скорости не очень точный, поэтому лучшие результаты метеорологи получают с помощью другого устройства – анемометра. Этот прибор содержит легкую крыльчатку («крест Робинзона»), которая может вращаться под воздействием ветра. При вращении крыльчатка приводит в действие зубчатый механизм, который подсчитывает количество оборотов крыльчатки за определенное время.

К сожалению, если скорость ветра меньше 1 м/с, точность измерения резко снижается. Впрочем, существуют и более чувствительные анемометры, принципы действия которых отличаются от действия анемометра с «крестом Робинзона». В этих приборах используется измерение давления воздуха, охлаждение воздухом проволоки, которая нагревалась электрическим током, и другие.

В 1806 г. английский адмирал Ф. Бофорт разработал шкалу, с помощью которой можно оценивать скорость ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Эта балльная шкала принята Всемирной метеорологической организацией (см. таблицу на с. 45).

Надеемся, что штормы и ураганы мы с вами видим только в кино, а не наяву.

Для сравнения интересно посмотреть и на значение скорости падения парашютистов с соответствующей высоты. Здесь имеется в виду так называемая постоянная (максимальная) скорость падения до момента раскрытия парашюта.

Довольно часто скорость движения тел не остается неизменной – такое движение называют неравномерным. Для того чтобы охарактеризовать изменение скорости за определенное время, физики используют специальную физическую величину – ускорение. Можно записать:

Эта величина также является векторной; ее обозначают . Математически записать определение ускорения можно так:

Как физическая величина ускорение измеряется в определенных единицах. Если посмотреть, например, на словесное определение ускорения, можно увидеть, что при изменении скорости 1 м/с за время 1 с ускорение равно «1 м/с за 1 с», то есть 1 м/с2.

Причины изменения скорости, или причины появления ускорения, волновали исследователей давно, но ответы на эти вопросы были найдены только Ньютоном.

 

Взаимодействие тел, или… «Сила есть!..»

Слово «сила» мы слышим и применяем довольно часто: и когда говорим о силе воли, и когда ссылаемся на силу привычки, и когда жалуемся на то, что потратили на какое-то дело много сил… А кто-то еще говорит, что у него «не хватает сил», а о ком-то скажут: «сила есть…», ну и так далее.

В таких случаях очень трудно определить и сравнить эти силы. Однако слово «сила» является еще и одним из важнейших понятий физики, поэтому именно как физическое понятие оно имеет достаточно четко определенный смысл, о чем мы сейчас и поговорим.

В свое время, когда Ньютон закладывал основы классической механики, важнейшим научным фактом стали представления о взаимодействии тел. Речь идет о том, что всегда причиной изменения состояния какого-то движущегося тела, является его взаимодействие с другим телом (телами). Для того чтобы количественно оценить степень такого взаимодействия, физики и применяют такую физическую величину, как сила (символ этой величины – В ).

Эта физическая величина является векторной, т. е. такой, которая характеризуется и числом, и направлением. С этим легко согласиться, если подумать о результате действия сил, одинаковых по значению, но разных по направлению. Представьте себе, что было бы, если бы земля действовала на вас с силой, направленной не вниз, а вверх!..

А теперь оглядитесь вокруг. Возможно, вы сейчас видите яблоко, которое неподвижно лежит на тарелке, и вам кажется, что никакие тела на него не действуют? Но это не так! На него действуют тарелка и Земля, а само яблоко в свою очередь (в ответ!..) тоже действует на эти тела. То есть существует важная особенность, о которой физики так и говорят: действие одного тела на другое имеет характер взаимодействия – если одно тело действует на другое, то и другое тело обязательно действует на это первое.

Великий Ньютон открыл законы, с помощью которых можно объяснить много реальных механических явлений, происходящих в природе. Эти законы сформулированы именно для сил. Теперь в современных школьных учебниках знаменитые законы Ньютона формулируются несколько иначе, чем это делал сам ученый. А хотите ли вы узнать, как они были записаны в те давние времена?

Оказывается, они были записаны на латыни, которая в те времена была международным языком ученых и играла такую же роль, как сейчас, видимо, играет английский. (Кстати, в России в учебнике по физике 1915 г. формулировка великих законов Ньютона тоже приводилась на языке оригинала – латыни.)

Например, закон, который определял взаимодействие тел, – третий закон – в книге Ньютона выглядел так (возможно, кто-то из вас, изучая латынь, прочтет его в оригинале):

Lex III

Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actions in se mutuo semper esse aequales et in partes contraries dirigi.

В переводе:

Действие всегда равно и противоположно противодействию, иначе: взаимные действия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Физики часто не указывают на конкретное тело, которое действует на определенный объект: они говорят, например, что на мяч, который катится по наклонной плоскости, действуют силы тяжести и трения. За этими словами на самом деле стоят Земля и та самая плоскость, с которой скатывается мяч.

Таким образом, речь идет прежде всего о реальных телах, а то, что между ними происходит, физик опишет с помощью физических величин!

В честь Исаака Ньютона единица силы в Международной системе единиц была названа ньютоном (обозначается Н). Если вы захотите почувствовать, что это за сила в 1 Н, то насыпьте в легкий одноразовый стакан примерно 100 г сахара (вместе со стаканом будет чуть больше 100 г). Сила, с которой «сахарный» стакан будет действовать на вашу ладонь, равна примерно 1 Н.

Для измерения силы применяют специальные приборы, которые называют динамометрами. Это название происходит от греческого слова йупатЬ – сила. (Заметим, что существуют еще и специальные медицинские динамометры для измерения силы мышц; эти приборы называют просто силомеры.)

Самый простой пружинный динамометр устроен так же, как и пружинные бытовые весы, только у динамометра шкала проградуирована в единицах силы. Существуют и другие виды динамометров, которые широко применяют в технике, например, для измерения тяговой силы различных машин.

Однако можно найти и другие способы измерения силы. Согласно второму закону Ньютона известно, что сила, действующая на определенное тело, изменяет скорость его движения на определенное значение; при этом чем больше сила – тем больше меняется скорость. Мы знаем, что физическую величину, которая характеризует изменение скорости за единицу времени, называют ускорением ( ). Таким образом, закон Ньютона гласит, что сила , действующая на определенное тело массой m, придает этому телу ускорение :

Отсюда следует динамический метод измерения силы: нужно взять тело, например массой 1 кг, подействовать на него с такой силой, чтобы ускорение тела стало 1 м/с2. Эта сила и будет равна 1 Н! В результате действия какой-либо другой силы то же тело будет приобретать другое ускорение, по которому можно будет оценить и силу.

При взаимодействии различных объектов возникают различные по происхождению и значению силы (1 кН = 1000 Н):

Добавим, что в технике силу тяги довольно часто выражают не в ньютонах, а в килограмм-силах (кгс) или в тонна-силах (тс). Связь между этими единицами такая: 1 кгс = 9,8 Н. Тогда, например, силу тяги трактора можно записать как 588 103 кгс или 588 тс (1 тс = 1000 кгс = 103 кгс).

А еще интересно сравнить средние значения силы мышц рук людей разного возраста (силу мышц определяли сдавливанием пружинного динамометра):

Когда в механике исследуют движение какого-либо объекта и причины его изменения, прежде всего определяют, действие каких сил привело к этим изменениям (мы помним, что за словами «действие сил» будто бы скрыты те тела, которые действительно действуют на исследуемый объект). И здесь можно говорить о силе трения, силе тяжести, выталкивающей силе, силе реакции опоры, силе тяги, силе давления и других. И хотя по своему происхождению эти силы разные, и нам, возможно, очень интересно узнать, каким именно образом они возникли, эти вопросы придется адресовать другим «царствам» физики, например, электромагнетизму. Ведь в механике объясняют, что произойдет и как изменится движение, если действуют те или иные силы, но сама природа сил не изучается.

Динамометр

В природе, согласно современным данным, существуют только четыре типа взаимодействий и соответственно четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабое взаимодействие. С проявлениями всех четырех типов сил мы встречаемся при изучении того, что происходит в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом кусочке вещества и даже в атомах.

Одной из самых сложных и интересных проблем современной физики является попытка построить определенную Единую теорию, которая бы объединила все четыре взаимодействия. Эта проблема еще не решена, и, возможно, кто-то из вас в будущем решит эту великую загадку Природы!..

Всемирное тяготение

Еще в далекие времена люди задавались вопросом: на чем держится Земля? Сколько же ответов было на этот вопрос! Вы, наверное, слышали, что когда-то представляли себе Землю, которая стоит на трех китах или на трех черепахах (или на одной – какая разница?). Но на чем держатся эти киты?..

Грубая сила, не подкрепленная мудростью, погибает под собственной тяжестью.

Гораций

Конечно, подобные наивные представления сменились более похожими на научные, особенно тогда, когда стало известно о шарообразной форме планет и об их вращении вокруг определенного центра. Сторонники геоцентрического взгляда на Вселенную считали, что Солнце и все остальные планеты вращаются вокруг Земли, другие (сторонники гелиоцентрического подхода, основателем которого был Николай Коперник) были уверены, что именно Земля с другими планетами вращается вокруг Солнца. Однако в любом случае возникали вопросы: а что «держит» планеты, почему они не разлетаются от центра?

Представление древних о строении нашего мира

Интересно, что догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел, было высказано более двух тысяч лет назад греческим философом Анаксагором (ок. 500–428 гг. до н. э.). Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, то упала бы на Землю, как падает камень!.. К сожалению, эта гениальная догадка практического влияния на развитие науки, очевидно, не имела. Ей было суждено быть непонятой и забытой потомками. Даже великий Иоганн Кеплер считал, что причиной такого движения планет является вращение Солнца. Кстати, этому выдающемуся астроному человечество обязано открытием первых законов движения планет.

Кеплер родился в 1571 г. в Германии в небольшом городке близ Вейля. Будучи еще студентом Тюбингенской семинарии, он познакомился с учением Коперника и стал его пылким сторонником. Заметьте, Кеплер жил в то же время, что и Галилей – он даже переписывался с великим итальянцем! А еще он очень ценил выдающегося датского астронома Тихо Браге (1546–1601). Так случилось, что из-за бедности и сложностей пребывания сначала в Германии, а затем в Венгрии, Кеплер откликнулся на приглашение Тихо Браге и переехал к нему в Прагу.

Тихо Браге был великим астрономом, посвятившим свою жизнь и все свои силы астрономии. В Дании у него был остров, на котором он создал целый астрономический город, названный им Ураниенбургом. Не придя к согласию с датским королевским двором, Тихо покинул Данию и переехал в Прагу, куда перебрался и Кеплер. Но, к сожалению, долго поработать с Браге Кеплеру не судилось, потому что вскоре Тихо умер.

Журналы тридцатипятилетних наблюдений Тихо Браге попали в руки Кеплера, и он начал обработку этого гигантского материала. В 1609 г. в результате титанической работы Кеплера вышла его книга «Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями относительно движения планеты Марс, по наблюдениям Тихо Браге».

Тихо Браге

В отличие от Галилея, который считал, что планеты вращаются вокруг Солнца по окружностям, Кеплер показал, что орбиты планет имеют форму овала, а затем математически доказал, что эта форма – эллипс. При этом планеты движутся по своим эллипсам неравномерно: быстрее, когда они ближе к Солнцу, и медленнее, когда удаляются от него.

Великие открытия Кеплера не принесли ему материального благополучия. Чтобы свести концы с концами, ему приходилось составлять гороскопы для богачей, хотя сам он в астрологию не верил. Ему пришлось еще раз переезжать, но, несмотря на все жизненные проблемы и неурядицы,

Кеплер продолжал заниматься астрономией и физикой, в частности оптикой. (В своей книге 1611 г. он описывает конструкцию телескопа, который так и называют: труба Кеплера.)

Возможно, так возникла идея о всемирном тяготении

Последние годы ученого были очень трудными – он жил на случайные заработки. Во время одной из поездок, связанной с хлопотами о получении жалованья, он простудился, заболел и 15 ноября 1630 г. умер.

Открыв законы движения планет вокруг Солнца, Кеплер не дошел до выявления причин связи нашего светила с планетами. К решению именно этой проблемы приблизился Роберт Гук. У него даже вышла книга под названием «Попытка изучения движения Земли». Вот что он писал о теории, которую планировал разработать: «Теория эта основывается на трех допущениях: во-первых, это то, что все без исключения небесные тела имеют направленное к их центру притяжение… Согласно второму предположению, все тела, которые движутся прямолинейно и равномерно, будут двигаться вдоль прямой до тех пор, пока они не будут отклонены какой-либо силой и не станут описывать траекторию в виде круга, эллипса или какой-либо менее простой кривой. Согласно третьему предположению, действующие силы притяжения тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют».

Сейчас мы можем только удивляться, почему сам Гук не занимался развитием этих идей, ссылаясь на загруженность другими работами. Он так близко подошел к такому важному в истории науки открытию!

Таким образом, ни Галилею, ни Кеплеру, ни Гуку не удалось четко и полно сформулировать то, что по праву считается триумфом науки. Это сделал Ньютон! И дело вовсе не в том, что ему на голову упало яблоко и поэтому он открыл закон тяготения, а в том, что у Ньютона уже были открытые им законы, которые можно было применить для описания любых движений.

Нужен был гений Ньютона, чтобы удивиться тому, что яблоко упало на землю…

К. Д. Ушинский

Именно Ньютон понял, что основой, определяющей особенности движения, являются силы. Он был первым, кто увидел, что́ именно нужно искать для объяснения движения планет, – искать нужно силы !

Кстати, а было ли то легендарное яблоко на самом деле? Многие историки науки пытались установить, соответствует ли эта история действительности или нет. В изданных лишь в 1936 г. воспоминаниях Уильяма Стекли, друга Ньютона, упоминается о его разговоре с ученым, происходящем в саду, в тени яблони 15 апреля 1725 г. В этом разговоре якобы и прозвучало из уст Ньютона, что мысль о тяготении пришла к нему именно при таких обстоятельствах, то есть была вызвана падением яблока. Об этом пишет и Вольтер, ссылаясь на свидетельства родственницы Ньютона и ее мужа, который в своих мемуарах снова вспоминает об упавшем яблоке и о том, что именно оно и повлияло на ход мыслей ученого.

Конечно, эта история довольно интересна, но мы понимаем, что никакие яблоки, груши или… кокосы, которые падают, не приведут к научному открытию, если человек не занимается научным исследованием окружающего мира и процессов, в нем происходящих!

Движение планеты вокруг Солнца

Вернемся к Ньютону. На самом деле он задавался вопросом, как Луна движется вокруг Земли. Ученый рассчитал ускорение, с которым это движение происходит, и сопоставил его с расстоянием, на котором находится Луна. Кроме того, Ньютон понял, что, если бы прекратилось движение Луны по инерции вокруг Земли, она упала бы на Землю. А если бы прекратилось притяжение Земли, то Луна полетела бы в космическое пространство. Таким образом, Ньютон пришел к выводу, что Луна удерживается на своей орбите силами притяжения. То же происходит и с Землей и другими планетами, которые вращаются вокруг Солнца.

Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят свое значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления.

Альберт Эйнштейн

Ньютон назвал открытые им силы всемирными – они являются универсальными, относящимися ко всему, что имеет массу. Ньютон записал, что «тяготение существует для всех тел и пропорционально массе каждого из них».

Для этих сил нет препятствий, от них невозможно отгородиться. При этом чем больше расстояние между взаимодействующими телами, тем меньше по значению становится эта сила. (Такую зависимость называют законом обратных квадратов: при увеличении расстояния, например, в два раза, сила уменьшается в четыре раза, а при увеличении в три раза – сила уменьшается в девять раз и т. д.).

В современной физике эти силы называются гравитационными. Действие их простирается, непрерывно уменьшаясь, практически на бесконечные расстояния.

Именно в результате действия гравитационных сил из гигантского газопылевого облака образовались планеты, в том числе и наша Земля. Благодаря гравитационным силам самые крупные и массивные небесные тела сжимались, потом разогревались и становились горящими звездами. А также, благодаря, прежде всего, гравитационным силам развитие и жизнь каждой звезды может закончиться по-разному: либо вспышкой сверхновой звезды, либо превращением в черную дыру…

Эти силы имеют огромное влияние на все, что происходит на Земле. Мы уже привыкли к тому, что выпущенное из рук тело падает вниз, как падает вниз и вода в водопаде, и те же спелые яблоки с дерева… Однако следует подчеркнуть, что с точки зрения физики можно с полным правом сказать, что именно Земля падает на яблоко, потому что гравитационными силами притяжения действуют друг на друга оба тела: яблоко на Землю, Земля – на яблоко.

Благодаря гравитационным силам удерживаются на поверхности Земли океаны воды и у ее поверхности – воздушный океан, атмосфера. Гравитация не только удерживает около Земли людей, животных, воду и воздух, она еще и сжимает их. Сам земной шар сжат гравитационными силами до колоссального давления: возможно, в центре Земли давление превышает три миллиона атмосфер.

Существующие на планете приливы и отливы связаны с гравитационными воздействиями Солнца и Луны, причем из-за того, что небольшая Луна находится существенно ближе к нам, чем Солнце, ее влияние наиболее заметное.

Все мы также притягиваемся ко всем объектам вокруг нас, но из-за зависимости сил притяжения от массы существенным становится наше притяжение именно к Земле, а не, например, к именинному пирогу, стоящему на столе (конечно же, если не говорить о «негравитационном» желании отведать кусочек…).

Сравните: сила притяжения между девочкой массой 45 кг и Землей составляет около 441 Н, а сила притяжения между этой же девочкой и пирогом массой 1 кг, который находится на расстоянии одного метра от нее, – всего 300 10-11 Н!

Гравитационные силы, существующие между космическими объектами, являются огромными именно из-за того, что космические объекты – планеты, звезды, галактики – очень массивные. Например, сила притяжения между Землей и Луной составляет примерно 2 -1020 Н, а сила притяжения между Землей и Солнцем – 3,5 -1022 Н, и это при том, что Солнце находится гораздо дальше от Земли, чем Луна (среднее расстояние Луны от Земли равно примерно 384 тысячам километров, а среднее расстояние от Земли до Солнца – около 150 миллионов километров!).

Самые крупные планеты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Нептун – имеют наибольшее количество спутников, да еще и кольца. Все это тоже является проявлением гравитационного притяжения: наиболее массивные объекты оказывают наибольшее гравитационное воздействие. Однако малые планеты – астероиды – не в состоянии своим гравитационным притяжением удержать даже газовую оболочку – атмосферу.

Именно из-за наличия гравитационного притяжения телу, чтобы оно могло покинуть определенный космический объект (планету, звезду), нужно приобрести достаточно большую скорость. Например, чтобы тело взлетело над Землей и стало ее искусственным спутником, ему нужно придать первую космическую скорость – примерно 7,9 км/с. А для того, чтобы тело (например, космический корабль) смогло улететь к другой планете, то есть выйти за пределы земного притяжения, ему нужно придать скорость уже 11,2 км/с (вторая космическая скорость). Наконец, чтобы выйти за пределы Солнечной системы, телу нужно придать скорость 16,6 км/с (третья космическая скорость).

Заметим, что приведенные выше значения космических скоростей справедливы именно для полета с поверхности Земли, масса которой 5,98 1024 кг. Для других тел Солнечной системы эти значения будут иными из-за других значений их массы, а следовательно, и другого гравитационного притяжения.

В свое время известный английский писатель Герберт Уэллс в романе «Первые люди на Луне» предложил интересную фантастическую идею, которая якобы позволит путешествовать с планеты на планету. Герой его книги изобрел особое вещество, которое обладает замечательным свойством: непроницаемость для сил тяготения. Если такое фантастическое вещество (его назвали кеворит) разместить под каким-нибудь телом, то это тело освободится от притяжения Земли и будет находиться под действием притяжения только других тел.

В романе герои сооружают специальный небесный корабль, на котором осуществляют полет на Луну. Этот корабль не имеет ни двигателя, ни горючего. Во время полета путешественники открывают или закрывают специальные заслонки, покрытые слоем кеворита, и таким образом осуществляют маневры в пространстве.

К сожалению, такие путешествия не могут осуществиться, потому что отгородиться от гравитации невозможно!..

 

Как оказаться в невесомости

Слово «невесомость» у многих из вас, наверное, вызывает какие-то космические картины: полет на межпланетной станции, плавание по отсекам космического корабля и т. д. Мы вас немного разочаруем, ведь в невесомости можно оказаться и на Земле, даже не обязательно лететь куда-то к далеким звездам или находиться на околоземной орбите.

Но что же такое вес тела и его отсутствие? Попробуем немного в этом разобраться. Через силу гравитационного притяжения мы притягиваемся к Земле и обычно обнаруживаем, что между нами и землей что-то есть. Это может быть стул или пол, кресло или что-то другое. Притягиваясь к Земле, мы с определенной силой действуем на то, что находится под нами. Эту силу в физике и называют весом.

Любое тело, на которое действует земное притяжение, в свою очередь действует на другие тела, сжимая или растягивая их. Сила, с которой определенное тело действует на опору или подвес, называется весом.

Когда говорят, что вес стола 200 Н, имеют в виду то, что этот вес – сила, с которой стол действует на пол.

Заметьте, что здесь между языком физики и нашим обычным языком есть разница! В быту, когда мы говорим о весе тела (например, покупая что-то в магазине), то чаще всего имеем в виду массу тела; то есть в быту масса и вес – синонимы. А вот в физике вес – это сила, и эта сила, в отличие от массы, измеряется в ньютонах!

Теперь, когда мы уже это знаем, придумаем ситуацию с отсутствием веса.

Например, чтобы развлечь своего любимого котенка вы подвесили на нить конфету. Играя, котенок разорвал нитку, и конфета полетела вниз. Действует конфета на разорванную нить во время своего падения? Практически нет. Вот это отсутствие воздействия на нить и означает отсутствие у конфеты веса! При этом на космическую орбиту нашу конфету вместе с котенком мы не выводили!

Так же можно избавить тело от веса, если оно будет падать на землю вместе со своей опорой: при падении тело не давит на опору, и, следовательно, не имеет веса.

В наших примерах мы применили одно важное физическое положение, касающееся особенностей падения тел. Еще Галилей открыл, что притяжение одинаково действует на любые тела. Бросая со знаменитой наклонной Пизанской башни различные предметы, он пришел к выводу, что Земля одинаково изменяет скорости падающих тел. В физике говорят, что тела падают на землю с одинаковым ускорением (ускорение – это величина, показывающая, как со временем меняется скорость). Но когда это открытие произошло?

До сих пор точная дата этого открытия оставалась неизвестной. Считалось, что это произошло после того, как Галилей поселился в Пизе, после 1590 г., но до того, как еретиком-ученым заинтересовалась инквизиция (из-за его утверждения о том, что Земля вращается вокруг Солнца), то есть до 1632 г. Вот в этом почти полувековом интервале времени и было сделано открытие!

Сохранилось довольно много рукописей Галилея, в которых он «предусмотрительно» не указывал даты. Но не подумайте, что точную дату открытия определили, измерив каким-то современным методом (например, радиоуглеродным) точный возраст чернил или бумаги (к сожалению, точность имеющихся у нас методов для этого недостаточна). Выход нашелся, и он оказался более интересным и даже детективным.

Исследовав имеющиеся рукописи Галилея с помощью методов спектрального анализа, ученые установили, что он в течение 42 лет пользовался 20 видами различных чернил. Кроме научных записей, ученый вел и расходные книги, в которых, естественно, проставлял даты. Оказалось, что чернила, которыми записано описание экспериментов на Пизанской башне, те же, какими он делал записи о доходах и расходах в домовой книге в 1604 г. Отсюда и сделали вывод, что и открытие было сделано в том же году.

Вернемся к невесомости. Теперь нужно ради физической точности признаться в одном важном предположении, о котором мы еще не сказали.

Дело в том, что не всякое падение тел можно считать состоянием невесомости. Невесомость соответствует состоянию так называемого свободного падения, когда на тела ничего, кроме силы тяжести, не действует. В таком случае падение в воздухе, когда действуют силы сопротивления воздуха, не является, откровенно говоря, свободным падением. Однако наша конфета, которую оторвал от нити котенок, находилась почти в невесомости, потому что в тех условиях силы сопротивления воздуха очень малы. Вот если бы конфета была… на парашюте, тогда ни о какой невесомости и говорить нечего.

«Ньютонова гора» – прогнозирование возможности создания искусственного спутника Земли

Из вышесказанного следует, что невесомость космического корабля, находящегося на орбите, связана с состоянием его падения на Землю или на другую планету, вокруг которой он движется. Когда-то еще Ньютон предложил способ, которым можно превратить тело в спутник Земли: нужно придать телу такую большую скорость, чтобы оно не упало на планету, а вышло на круговую орбиту вокруг нее.

Когда космический корабль (с выключенными двигателями!) находится на заданной орбите над Землей, то он и все тела внутри него находятся в состоянии падения, двигаясь с одинаковым ускорением. Таким образом, это и будет для всех этих объектов состоянием невесомости.

Чтобы будущих космонавтов подготовить к космическому полету, их тренируют на специальном самолете: «роняют» на несколько секунд вместе с самолетом с выключенными двигателями, чтобы люди ощутили то состояние, в котором им предстоит потом находиться достаточно долго.

Итак, невесомость действительно можно почувствовать на космической орбите. Однако приблизиться к такому состоянию можно и в земных условиях, если уменьшить воздействие на определенное тело всех других тел (в сравнении с действием Земли) и сделать так, чтобы тело и его опора (подвес) падали на Землю с одинаковым ускорением.