Инерция вокруг нас

Часто мы слышим и употребляем слово инерция. Его произносят даже те, кто еще не знает или уже забыл первый закон движения Ньютона.

Слово «инерция» — латинское слово. Означает оно недеятельность, лень, косность. О ленивом, малоподвижном человеке говорят: «Он очень инертный». Это прямое значение слова «инерция».

В физике же оно применяется, когда хотят объяснить определенное свойство тела, когда хотят сказать, что тело, будь то брошенный камень или катящийся по рельсам вагон, движется само по себе, даже тогда, когда на него движущая сила уже перестала действовать.

И наоборот, если тело неподвижно, оно с места не сдвинется, и чтобы сдвинуть его, нужно применить определенную силу.

Итак, каждое тело обладает свойством сохранять то состояние, в котором оно находится, сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, если никакая сила не заставит его остановиться или не отклонит в сторону.

А вот бытовые примеры, иллюстрирующие явление инерции.

Когда после домашней уборки вы вытряхиваете во дворе пыльную тряпку, обратите внимание, как из нее вылетает пыль.

Пыль стремительно вылетает из тряпки, когда вы бьете эту тряпку о что-нибудь, например о столб. При ударе тряпка резко останавливается, и пыль по инерции вылетает из нее.

Когда вы выливаете воду из стакана, вы совершаете быстрое движение рукой и внезапно останавливаете руку.

Вода по инерции движется дальше, выплескиваясь из стакана.

Когда вам нужно подготовить медицинский термометр для измерения температуры, его приходится несколько раз сильно встряхнуть. Тогда столбик ртути по инерции опустится вниз — в резервуар.

Наблюдая все, что происходит вокруг, вы можете сами привести еще много случаев инерции. Например, когда вы едете в трамвае, автобусе, троллейбусе и происходит внезапная, резкая остановка, вы испытываете толчок, как будто какая-то невидимая сила толкнула резко вас вперед.

Инерция широко используется и в промышленности и на транспорте. Перед тем как затормозить автомашину, обычно сначала отключают двигатель, и машина некоторое время движется по инерции. А когда большое судно подходит к пристани, винты уже не работают, и оно медленно движется по инерции, пока не встанет на свое место.

Иногда с инерцией приходится и бороться. Например, самолет, совершая посадку, хотя и летит по инерции, но скорость у него еще очень большая и ее приходится гасить специальными тормозными приспособлениями.

При возвращении космонавтов на Землю тоже приходится гасить скорость, прежде чем раскроется парашют.

 

Опыт движения «вверх ногами»

П. Н. Нестеров был выдающимся русским военным летчиком, основоположником высшего пилотажа. В 1913 году он впервые в мире выполнил на аэроплане фигуру, названную впоследствии его именем — «петля Нестерова». Аэроплан разгонялся, пикировал, затем с помощью руля круто поворачивался вверх носом, переворачивался на «спину», носом вниз, в результате чего получался замкнутый круг в вертикальной плоскости. Инерция играла большую роль в этом маневре.

В давние времена большим успехом у публики пользовался аттракцион с велосипедистом, который часть своего пути совершал колесами вверх. Дорожка, по которой исполнитель этого трюка мчался на большой скорости, съехав с большой высоты, образовывала петлю в вертикальной плоскости. В этой петле велосипедист описывал спираль. В верхней ее части он ехал вверх колесами, а затем благополучно съезжал вниз, вызывая вздох облегчения у публики.

Описанный номер очень напоминает петлю Нестерова.

Для успеха этого номера его исполнитель должен был обеспечить своему велосипеду большую скорость, а это можно было сделать, съезжая с определенной высоты. Отправная точка находилась значительно выше верхней точки петли. Движение велосипедиста в расположенном вертикально кольце похоже на вращение камня на веревке. Ведь камень, натягивая веревку, находясь в верхней точке описываемого круга, не срывается с нее. Также и велосипедист при большой скорости прижимается к своей кольцевой дорожке и не падает, когда едет по ней по инерции вверх колесами.

В нашем домашнем опыте не будет ни пилота, ни велосипедиста, их роль будет скромно выполнять стальной шарик (от шарикового подшипника).

Дорожку с вертикальной петлей нужно изготовить, исходя из размеров шарика, который у вас есть. Предположим, у вас есть стальной шарик диаметром 9 миллиметров. Возьмите плотную рисовальную бумагу или тонкий картон, вырежьте из нее полосу шириной 2,5 сантиметра и длиной 120 сантиметров (если такой длинной бумаги нет, можно склеить полосу из двух, трех кусков).

У бумажной полосы по всей ее длине загните бортики высотой 7 миллиметров. У вас получился длинный желоб. Теперь на одном из его концов сделайте петлю диаметром 8 сантиметров. Для того чтобы можно было согнуть петлю, от конца желоба на протяжении примерно 26 сантиметров в бортиках сделайте ножницами прорези через каждые 3–4 миллиметра. Когда вы согнете эту часть желоба, образовав правильную окружность, нужно, разведя немного (на ширину желоба) друг от друга концы петли, приклеить их к кусочку картона, чтобы они не расходились.

Теперь смонтируйте модель. Если вы приложите старание, то можно сделать красивую конструкцию и отнести ее в школьный физический кабинет как наглядное пособие.

Установите вертикально бумажную петлю. Конец девяностосантиметрового желоба закрепите на высоте (считая от основания петли) 40 сантиметров. Круто и плавно спускаясь, желоб должен тоже плавно переходить в петлю. К другому концу петли, так сказать, к ее выходному концу, приклейте такой же желоб, но длиной 20 сантиметров. На его конце сделайте из бумаги «карман» — ловушку для шарика, чтобы после каждого запуска не искать его по всей комнате.

Проследите, чтобы конструкция была достаточно жесткая, не прогибалась под тяжестью шарика, и чтобы дорога для шарика была плавная, ровная, без зазубрин и шероховатостей.

Когда все будет готово, можно пустить шарик с верхней точки желоба. Покатившись, шарик наберет нужную скорость, обеспечит себя инерцией, пройдет верхнюю точку петли, скатится по ней и закончит свой путь в ловушке.

Проделывая этот опыт, меняйте высоту, с которой запускаете шарик, и наблюдайте его поведение. Проследите, какая высота его запуска будет критической, то есть когда шарик не в состоянии будет пробежать по петле весь путь.

Этот опыт можно усовершенствовать — сделать еще одну петлю меньшего размера, тогда шарик будет пробегать две петли и после этого останавливаться в ловушке.

 

Лунный опыт

Часто мы употребляем слово масса, но не всегда правильно его истолковываем. Вот как очень образно говорит о массе Ю. А. Селезнев в книге «Основы элементарной физики»:

«К сожалению, неясность и нечеткость введения и использования понятия массы встречается очень часто. Иногда говорят о перетекании определенной массы жидкости из одного сосуда в другой, о подвешенной на нитке или лежащей на столе массе и пр. Подобные выражения не имеют никакого физического смысла и в немалой степени способствуют затуманиванию содержания понятия массы.

Масса тела — это прежде всего его свойство откликаться определенным ускорением на действие определенной силы. Утверждение, что масса тела — мера его инертности, имеет тот же смысл».

И далее: «Если масса — определенное свойство тела, то, как любое другое свойство, она не может „висеть“, „лежать“ или „перетекать“, ее нельзя потрогать или положить в карман. Никому не приходит в голову подвешивать на нитке белизну снега или прозрачность воды, а массу почему-то „подвешивают“!»

Для определения веса пользуются весами пружинными или коромысловыми. Единицей веса служит, как вы знаете, килограмм. Для определения массы тоже пользуются весами, но только коромысловыми весами, на которых сравнивают измеряемую массу с массой эталона в один килограмм.

Давайте совершим воображаемый опыт. Мы прилетели на Луну и привезли с собой пакет с шестью килограммами сахара. Взвешивая пакет с сахаром на Луне на пружинных весах, мы обнаруживаем, что у нас в пакете всего-навсего… один килограмм. Но если мы взвесим наш сахар не на пружинных, а на коромысловых весах, положив на одну чашку пакет с сахаром, а на другую шестикилограммовую гирю, то убедимся, что все в порядке — сахар не исчез. Уменьшился только вес, сахар стал в шесть раз легче, потому что Луна меньше Земли, ее сила притяжения меньше в шесть раз. Что же касается свойства пакета с сахаром откликаться на приложенное к нему ускорение, то есть его массы, то она никуда не исчезла, она точно такая же, как и на Земле.

Вес может уменьшаться, даже может исчезать (когда пакет с сахаром летел в ракете на Луну, он вообще ничего не весил), масса же никогда не исчезает.

 

Опыт с инертностью

Вы уже, наверное, убедились, какое интересное явление инерция. Все, что в природе материально, обладает свойством инерции.

А теперь проделаем несколько опытов. Проследим за свойством каждого тела реагировать, откликаться определенным ускорением на приложенную к нему силу.

Подвесьте на нитках две одинаковые коробки из картона. Одна коробка пустая, другая наполненная песком или глиной. Привяжите к нижней части каждой коробки по такой же нитке, на каких они висят. Если вы с силой дернете нижнюю нитку, привязанную к пустой коробке, то может оборваться любая из ниток — та, на которой коробка висит, или же та, за которую вы дернули. Инертность пустой картонной коробки невелика, поэтому рывок воспринимается обеими нитками одинаково. Иное произойдет со второй коробкой, заполненной песком или глиной. При резком рывке за нижнюю нитку должна порваться нижняя нитка.

Наполненная песком или глиной, коробка обладает большой инертностью, она не успеет передать усилие рывка верхней нитке, поэтому порвется обязательно нижняя нитка.

Приходилось ли вам насаживать топор на топорище? Это делается так: топорище держат в левой руке, топор слегка насажен на его широкий конец. По другому концу топорища бьют молотком. Стальной топор обладает большей массой, большей инертностью, чем деревянное топорище, поэтому стальной топор слабо реагирует на доходящие до него удары, а топорище менее инертно, и оно при каждом ударе входит на свое место, даже несмотря на сильное трение.

Для следующего опыта нам понадобятся шашки или монеты одинакового размера. Если у вас не шашки, а монеты, то весь столбик, в который они сложены, нужно поставить на большую монету — пятак или рубль. Поверхность, на которую поставлен столбик из шашек или монет, должна быть гладкая. Если в этом опыте использованы шашки, то понадобится деревянная линейка, если монеты, то металлическая. Быстрым, скользящим ударом линейки по нижней шашке (или монете) вы выбиваете ее из-под столбика. Столбик остается на месте — здесь проявилась его инертность. Выскользнувшая из-под столбика шашка или монета «не успела» передать всему столбику сообщенную ей скорость.

Этим опытом забавлялись любители занимательных опытов еще в конце прошлого века. А вот еще один интересный опыт тех же времен. Но для удачного его выполнения нужна предварительная тренировка.

На край гладкого стола положите узкую полоску бумаги (шириной 2–3 сантиметра). Конец полоски должен свешиваться. На ее другой конец, лежащий на столе, поставьте на ребро вдоль полоски юбилейный рубль. Монету надо подобрать с нестертыми краями. Конечно, монета должна стоять ровно, без малейшего наклона. Резким рывком выдерните бумажную полоску из-под монеты. При некотором навыке можно добиться, что монета даже не дрогнет. Монета, как и всякое материальное тело, обладает инертностью, и быстрый рывок не успел сообщить ей ускорение, привести ее в движение. Производя этот опыт, понаблюдайте, как ведет себя монета при разных усилиях, с какими вы выдергиваете бумажную полоску.

 

Опыты с тремя кирпичами

Эти опыты немного похожи на опыт с двумя коробками.

Подвесьте на какой-нибудь перекладине на бечевке один кирпич, а рядом два кирпича, связанные вместе.

Перед вами два «физических тела». У одного из них инертность в два раза больше, чем у другого. Попытайтесь легким толчком мизинца, самого маломощного пальца, толкнуть сначала один кирпич, потом связанные два кирпича. Одного и того же усилия, чтобы их качнуть на одинаковое расстояние, недостаточно.

Для того чтобы в этом лучше убедиться, привяжите к одному и к двум кирпичам по одинаковой тонкой резинке.

Когда вы потянете по очереди за резинки, вы убедитесь, что кирпичи сходят со своих мест при разных растяжениях резинок. Когда приходят в движение два кирпича, резинка растянулась сильнее, значит, и сила была приложена большая.

«Что же здесь удивительного? — скажете вы. — Ясно, что два кирпича тяжелее, чем один, и, конечно, чтобы их сдвинуть, надо затратить больше силы». Однако дело здесь не в весе, а в том, что два кирпича более инертны, чем один, и, чтобы им придать одно и то же ускорение, надо и силу приложить большую.

Но подвешенные кирпичи не только сдвигались с места, они немного приподнимались. В подобных случаях ученые говорят, что опыт поставлен не чисто. Поэтому повторим этот опыт, перенесясь мысленно в помещение орбитальной станции, где все находится в состоянии невесомости. Наши подопытные кирпичи парят в воздухе, как и те предметы, которые нам часто показывают космонавты во время телевизионных передач с борта орбитальной станции. И вот оказывается, что хотя кирпичи в состоянии невесомости ничего не весят, но чтобы сообщить им одно и то же ускорение, на два кирпича, связанные вместе, надо затратить больше усилия, чем на один кирпич. Веса нет, но масса никуда не исчезла, инертность сохранилась.

 

Планеты на привязи

Земля мощным притяжением удерживает на своей поверхности все, что на ней находится. Удерживает не только нас с вами и все живущее на Земле, но и все предметы, камни, скалы, пески, воду океанов, морей и рек, атмосферу, окружающую Землю.

Исаак Ньютон сформулировал очень важный закон — закон всемирного тяготения. Он доказал, что тяготение существует не только на Земле, но и в необъятных просторах Вселенной. Все тела Вселенной — Солнце, планеты с их спутниками, отдельные звезды и звездные системы — притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения зависит от размеров небесных тел и от расстояний между ними. Чем меньше расстояние, тем притяжение сильнее. Чем больше расстояние, тем притяжение слабее.

Приведенные когда-то какой-то мощной природной силой в движение Земля и все другие планеты, близкие и далекие наши соседи по Солнечной системе, вращаются вокруг Солнца по своим постоянным, не меняющимся орбитам.

Обратите внимание: когда вы вращаете на веревке камень, он не может лететь по прямой линии — его удерживает на круговой орбите веревка. Но если веревка оборвется или ее сознательно отпустить, камень, стремясь двигаться по инерции, полетит по прямой линии — касательной к его орбите, окружности, которую он описывал.

Каждая планета, как и камень, вращается «на привязи». И если у камня привязью служит веревка, то у планет привязью служит могучее притяжение Солнца. Скорости, с какими летят планеты, огромны, и, конечно, если бы солнечное притяжение не отклоняло их с прямого пути, заставляя описывать эллиптические орбиты, то около Солнца не осталось бы ни одной планеты.

А Земля, в свою очередь, незримой силой тяготения удерживает Луну на ее круговой орбите, заставляя вращаться вокруг себя.

Но что произойдет, если внезапно перерезать эти незримые «канаты-тяготения» между Землей и Луной, между Солнцем и планетами? Если выключить тяготение, как мы выключаем телевизор, радио или электрическую лампочку?

Ответом на этот вопрос послужат следующие опыты.

 

Опыт с выключенным тяготением

Прежде чем проделать этот опыт, проделаем два вспомогательных. Первый опыт иллюстрирует случай, когда планета совершенно неподвижна и на нее действует только притяжение Солнца. Второй опыт — когда планета и движется по орбите и на нее действует притяжение нашего светила.

И наконец, главный опыт — притяжение неожиданно выключается и действует только инерция.

Когда вы проделаете эти опыты, то убедитесь, какое большое значение имеет в природе гармоничное сочетание, казалось бы, противоположных явлений.

Первый опыт очень простой. Возьмите деревянный или металлический шарик или круглый камешек. Он никуда не летит, находится в состоянии покоя, в вашей руке. Вы стоите на полу. Выпускаете шарик из руки, он падает на пол. Вот и весь опыт.

А теперь давайте наполним наш опыт содержанием, проследим, у кого какие были роли. Шарик, который вы держали в руке, — это неподвижная планета. Пол, на котором вы стоите, — Солнце. Земное притяжение, которое испытывает шарик, — притяжение Солнца. Вот и произошло, что неподвижная, никуда не летевшая «планета», притянутая «Солнцем», падает на него.

Второй опыт сложнее. Прежде всего нужно сделать прибор, который понадобится нам и для других опытов.

Возьмите тяжелый кружок диаметром 15–20 сантиметров (это может быть основание от старой негодной настольной лампы или несколько кружков конфорок от плиты), проденьте через отверстие в центре две прочные веревки длиной 1–1,5 метра и завяжите узел. Кружок должен висеть горизонтально на этом узле. Если вы располагаете конфорками, то нужно вырезать из фанеры два кружка и между ними зажать сложенные вместе чугунные кружки. Узел, на котором лежит фанерный кружок, закрепите маленькими гвоздиками. Нужно, чтобы при вращении дисков веревки не проворачивались в отверстии.

На фанерном кружке, около отверстия, в которое продеты скрученные веревки, вбейте маленький гвоздик. Привяжите к нему тонкую нитку. Натяните нитку до края кружка и привяжите к ее концу небольшой металлический шарик или камешек. Роли здесь будут такие: шарик — планета, центр диска — Солнце, нить — сила притяжения, которой Солнце удерживает на орбите нашу подопытную планету. Приведите диск в быстрое вращение. Перед вами будет модель движения одной из планет вокруг Солнца.

Перейдем теперь к третьему, главному опыту. Когда диск хорошо раскрутился, быстрым, легким прикосновением лезвия безопасной бритвы перережьте нитку, на которой привязан шарик или камешек. Лучше это сделать вблизи шарика. Этим вы выключаете притяжение планеты к Солнцу. И шарик-планета улетает по инерции по прямой линии в «мировое пространство», куда-нибудь в кусты или траву.

В комнате этот опыт делать нельзя — можно что-нибудь разбить.

Упрощенный вариант этого опыта можно наблюдать, когда точат на точиле ножи. Сноп искр летит по инерции по касательным к вращающемуся кругу. Это раскаленные частицы металла. Они не могут удержаться на своей орбите, на которой они возникают. Ведь их никакая сила к оси круга не притягивает, и искры свободны в своем полете. Они движутся по прямым линиям. Вследствие быстроты их движения мы видим не каждую искру в отдельности, а светящиеся следы, подобные раскаленным следам метеоров, которые иногда пролетают в ночном небе.

 

Опыт с тремя мячиками

Сила, когда она действует на какое-то тело, все больше и больше увеличивает его скорость, вызывает ускорение этого тела. Как известно, ускорение зависит от массы и от приложенной силы. Чем больше масса, то есть чем больше инертность тела, тем большую силу надо приложить для получения нужного ускорения.

При запуске спутника Земли или космического корабля его ускоряют до нужной космической скорости (если корабль запущен на околоземную орбиту, то, как уже говорилось, ему должна быть сообщена первая космическая скорость — около 7,9 километра в секунду). Когда нужная скорость уже достигнута, работа двигателей прекращается, и спутник или корабль летит по инерции с равномерной скоростью.

Но сила может быть приложена к телу и в очень короткий промежуток времени, например, при толчке, при ударе. После такого короткого действия силы тело будет двигаться только по инерции.

Вот такие опыты мы сейчас и проделаем.

Приобретите в магазине три одинаковых небольших (диаметром около 6 сантиметров) резиновых мячика. В одном из них прорежьте острым перочинным ножом маленькую щель длиной не больше одного сантиметра. Вставьте в прорезь небольшую воронку и насыпьте в мячик дополна сухой, чистый песок. Прорезь заклейте без латки резиновым клеем. Клей легко пройдет в разрез, если мячик слегка сдавить пальцами.

Возьмите кусок не очень толстого, но достаточно упругого картона, вырежьте из него полоску длиной 40 сантиметров и шириной 4–5 сантиметров. Проколите иголкой с ниткой середину одного конца картонной полоски, завяжите нитку узлом и, согнув в дугу картонную полоску (осторожно, чтобы она не дала трещину), проколите второй конец полоски и, натянув нитку, закрепите ее.

У вас получилось нечто похожее на лук для стрельбы стрелами, только согнут наш «лук» гораздо больше, концы картонной полоски, стянутые ниткой, идут параллельно, а затем переходят в дугу.

Теперь приступим к опытам. Положите на гладкий пол комнаты нашу картонную пружину, а по обе стороны от нее, у ее концов, по одному одинаковому мячику. Мячики должны плотно прижиматься к концам картонной пружины. Зажгите спичку и поднесите ее к середине нитки. Нитка моментально перегорит, полоска распрямится, толкнет мячики с одинаковой силой, которая действует очень короткий промежуток времени. Мячики откатятся в противоположные стороны на одинаковые расстояния.

После этого опыта снова зарядите нашу картонную пружину, связав ее концы ниткой, как и прошлый раз.

Снова положите ее на пол, на то же место, но мячики около нее положите разные: с одной стороны — обыкновенный мячик, с другой — мячик, наполненный песком. Следите, чтобы мячики, как и в прошлый раз, касались концов согнутой полоски.

Поднесите к нитке горящую спичку. Картонная пружина мгновенно распрямится, толкнет мячики в противоположные стороны. Мячики откатятся, но откатятся теперь не на одинаковые расстояния, как прошлый раз. У мячика с песком масса значительно большая, а поэтому и откатился он совсем недалеко.

Во время этих опытов очень осторожно обращайтесь с огнем. Конечно, можно нитку перерезать и ножницами, но при этом может быть добавочный толчок, который передастся через картонную полоску шарикам, а это нежелательно.

 

От мячиков к ракете

Сейчас вы проделали опыты, которые иллюстрировали очень важный закон, на нем основан запуск искусственных спутников, космических кораблей и полеты ракет. Это закон сохранения количества движения.

В физике в разделе «Механика» есть понятие «количество движения» — математическое и очень образное выражение вывода из второго закона движения Ньютона.

Выглядит это выражение так: mv — произведение массы тела m на скорость v.

Когда вы делали опыт с одинаковыми мячиками, массы которых равны, они под действием одной и той же силы откатились на одинаковые расстояния. Если помножить скорости мячиков на их массы, то получатся одинаковые произведения. Только направления у мячиков были разные.

В другом опыте, когда у мячиков массы разные, при умножении масс на скорости тоже получаются одинаковые произведения. У одного мячика масса большая, но скорость маленькая, у другого масса маленькая — скорость большая.

Когда действуют силы в замкнутой системе — а такой системой можно считать наши мячики и картонную пружину, если не принимать во внимание силы трения о пол и воздух, — то здесь имеет место закон сохранения количества движения.

Ракета на старте — тоже замкнутая система. Она будет двигаться за счет внутренних сил. Снаружи никто ее толкать не будет.

Когда она стоит на старте, ее количество движения равно нулю. Когда же заработали реактивные двигатели и из сопел с огромной скоростью вырываются раскаленные газы, ракета устремляется вверх.

Если умножить всю массу этих газов на их скорость, то произведение будет точно равно произведению массы корпуса ракеты на ее скорость. Только направления разные: раскаленные газы летят к Земле, а ракета летит от Земли.