Сетевая библиотекаСетевая библиотека

Удивительная физика

$ 100.00
Удивительная физика
Об авторе:Автобиография
Жанр:Физика
Тип:Книга
Цена:100.00 руб.
Издательство:НЦ ЭНАС
Год издания:2005
Просмотры:  24
Скачать ознакомительный фрагмент
Удивительная физика Нурбей Владимирович Гулиа О чем умолчали учебники В увлекательной форме изложены оставшиеся за рамками школьных учебников сведения по основным разделам физики, описаны драматические истории великих научных открытий, приведены нестандартные подходы к пониманию физических явлений, нетрадиционные взгляды на научное наследие известных ученых. Для учителей, старшеклассников, студентов, а также для всех, кто желает открыть для себя незнакомую, полную тайн и парадоксов физику. Нурбей Владимирович Гулиа Удивительная физика Предисловие Эта книга – не учебник, хотя преследует почти те же цели. Заинтересовать читателя, помочь ему по-новому взглянуть на материал, излагаемый в учебниках, иметь свое мнение по многим положениям физики и уметь отстоять его перед оппонентами – основные задачи, поставленные нами. Книга призвана вызвать у читателя удивление: вот, оказывается, какая незнакомая, полная тайн и парадоксов эта физика! Вот сколько необычного и загадочного в ней, сколько вопросов получили новое, иное, чем в учебниках, толкование. Многие положения физики, которые казались сухими, сугубо абстрактными, обретают материальные черты в примерах из живой природы, техники, новых изобретений и открытий. Физика тесно переплетается с жизнью, с повседневными ее вопросами, становится неотъемлемой и увлекательной частью нашего бытия. Читателями книги могут быть как учителя, так и ученики. Первые получат, может быть, новые и интересные для них сведения, примеры, помогающие оживить уроки физики, вызвать интерес учеников к этой дисциплине. Ученикам же эта книга даст возможность не только по-новому взглянуть на, казалось бы, обычные вещи. Она так расширит диапазон их знаний, что даст возможность на равных поспорить с учителями и отстоять свою правоту. Да и всем другим читателям может быть полезна эта книга. Прочтите ее и убедитесь, сколько нового, не известного ранее вы узнали. Сколько полезного для ваших повседневных занятий вы получили. Сколько парадоксальных вопросов вы можете задать своим детям-школьникам и сколько интересного рассказать им. Один из крупнейших ученых нового времени Эрнест Резерфорд высказал любопытную мысль: «Все науки можно разделить на физику и коллекционирование марок». Известно, что все науки, исключая разве гуманитарные, произошли от физики, и знать ее очень важно! И если вас от чтения учебника по физике почему-то клонит ко сну, попробуйте-ка прочитать эту книгу! Она начинается с описания Большого взрыва, породившего весь наш Мир. Рассказывает, как свет колоссальной силы, возникший при Большом взрыве, самым невероятным образом превратился в то, что мы называем Вселенной, как возникла Солнечная система, Земля, Луна, а также о том, как коварные Солнце с Луной рано или поздно погубят Землю. В повествовании о механике читатель узнает о загадках инерции и о том, что вопреки Галилею тяжелые тела падают быстрее легких – об этом говорил Аристотель, а движение по инерции может быть только прямолинейным – об этом говорил Декарт. Читателю станет известно об ошибках великого Галилея, который, оказывается, не изобретал телескопа, не бросал шаров с Пизанской башни, а главное – не сидел в застенках инквизиции и не провозглашал на суде: «И все-таки она вертится!» Читатель постигнет тайны вращающегося волчка, узнает, как следует накапливать механическую энергию, а также о том, можно ли действительно сдвинуть земную ось. Книга содержит сведения о колебаниях – механических, в том числе звуковых, и электромагнитных, в том числе о свете. Читатель узнает о тайнах музыкальных звуков и о курьезах нашего зрения, а также о том, чем окончился спор Исаака Ньютона с Христианом Гюйгенсом о природе света. Также затронута тема о свойствах жидкостей и газов, во многом сходных между собой, но таких различных! Эти свойства представлены чаще всего в виде парадоксов. Оказывается, капля дождя или другая капля падающей жидкости совсем не каплеобразной формы; мыльная пленка прочнее стали; железо может плавать на воде (но тем не менее тонна железа тяжелее тонны дерева!), а плакучая ива – служить «вечным двигателем». Золото, оказывается, не так уж трудно подделать, пузырь рыбе нужен совсем не для того, что о нем думают, а песочные часы намного точнее водяных. Не обойдены в книге летательные и плавательные аппараты. При этом оказалось, что на безмоторной барже можно плыть против течения реки, а космическая ракета вовсе не летит, а стоит на месте! И деньги можно делать из воздуха! Ну а теплота – это сплошная фантастика! Оказывается, космонавты летают в среде с температурой выше миллиона градусов; в сауне на той же полке, где лежит человек, можно приготовить ужин, а лучшая печь – это холодильник! Еще бы – ее КПД намного выше 100 %! Читатель познакомится с рассуждениями о грядущей тепловой смерти Вселенной, его ожидает встреча с демоном Максвелла, а также советы по постройке самых обычных «вечных двигателей», в том числе для полива огурцов. И, конечно же, – о тепловых двигателях. От паровых, которым, оказывается, «стукнуло» уже 2 тысячи лет, до атомных и сверхновых – гибридных. Наконец, в книге пойдет речь о двух взаимосвязанных разделах физики – электричестве и магнетизме. Сколько загадок, чудес и мифов связывали люди с явлениями электричества и магнетизма. Да и сейчас не все ясно – например, что такое шаровая молния? Или магнитный монополь: вроде бы доказано, что он существует, но где его искать? Рассказывается о «янтарном» и «стеклянном» электричестве, таинственном поведении молний и вкладе американского президента в их «поимку», тайне шаровых молний, «банках» электричества и электричестве «живом», а также об электромобилях и чем их «кормить». Повествуется о магнитах – от их открытия человеком до наших дней, о летающем гробе Магомета, о магнитных «вечных двигателях», в том числе и работающих, о магнитах – продольных, поперечных и даже жидких. Рассказано и о практическом применении магнитов – в летающих поездах и магнитных подвесках, об электрических машинах – движущихся и неподвижных, а также о роли сверхпроводящих магнитов в технике будущего, о преобразовании электричества в магнетизм и обратно, о большом магните – Солнце и о его влиянии на жителей Земли. А в завершение книги дается обобщающее заключение о втором витке физики, наводящее на философские размышления. Автор книги – доктор технических наук профессор Гулиа Нурбей Владимирович, активно работающий российский ученый и педагог, заведующий кафедрой Московского государственного индустриального университета. Перу Н.В. Гулиа принадлежит около полутысячи научных работ и изобретений. Кроме сугубо специальных трудов Н.В. Гулиа является автором около двадцати научно-популярных и научно-художественных книг и нескольких художественных произведений. Автор популяризирует достижения науки и техники в своих многочисленных журнальных и газетных статьях, в выступлениях по телевидению. Он является научным консультантом некоторых зарубежных фирм. И наконец, Н.В. Гулиа – профессор механики, первого и древнейшего раздела физики – удивительной науки, которой и посвящена эта книга. ВОЗНИКШИЙ ИЗ НИЧЕГО Было ли Сотворение мира? Действительно, было ли оно? Или Мир существовал вечно, и еще столько же будет существовать? Как говорится, «жил, жив и будет жить во веки веков»! Заглянем, что же по этому поводу сказано в Книге книг – Библии, которую, как говорят, надиктовал сам Господь Бог. И на первой же странице, где речь идет как раз о Сотворении мира, мы находим такие слова: «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош…» Выходит, весь Мир – все, что вокруг нас, возникло… из света? Полноте, да это же сказки, вымысел, миф, наконец! Как можно этому верить – возмущались ученые-материалисты недалекого прошлого. Что, и мы с вами – тоже из света? Почему же мы тогда не светимся в темноте? Нет, наш Мир, Вселенная бесконечны как в пространстве, так и во времени, они никогда не возникали и никогда не исчезнут… А вот картина Сотворения мира по самым современным научным данным, признанная подавляющим большинством ученых. Картина эта больше похожа на самую фантастическую из волшебных сказок, чем на реальность. Вот как она выглядит. Вначале не было ничего – не только никаких предметов вокруг, но не было ни длины, ни ширины, ни высоты. Даже времени не было – оно еще не началось, его просто не существовало. Это трудно себе вообразить, но правильно говорят, что жизнь богаче всяческих сказок. И вдруг в один поистине прекрасный момент раздался взрыв. По грандиозности с этим событием, названным Большим взрывом, сравнить ничего нельзя. Никакая фантазия, никакое воображение человека не в состоянии этого представить. Еще можно представить себе взрыв термоядерной бомбы, хотя и это трудно поддается воображению. Намного труднее почувствовать себя свидетелем гигантских взрывов на Солнце, тем более взрыва сверхновой звезды, которая испепеляет громадные пространства вокруг себя, нередко превышающие по размеру всю Солнечную систему. Но совершенно не поддается воображению взрыв, охарактеризованный скромным эпитетом «Большой», в результате которого образовались и миллиарды галактик, и миллиарды звезд, их составляющих, не говоря уже о микроскопических «пылинках» – планетах, на которых мы ведем нашу суетную жизнь с ее радостями и огорчениями… Произошло это между 6 и 15 миллиардами лет тому назад, причем по самым новейшим данным, скорее всего, 13 миллиардов лет тому назад. Вот и считай после этого 13 «чертовой дюжиной»! Хотя о какой точности здесь можно говорить, когда понятие «год» тогда было лишено всяческого смысла – не существовало ни Солнца, ни Земли, которая именно за год должна была облетать вокруг него! Да и другие «мерила» времени появились лишь позже, и то были они совсем иными. Сутки, например, даже 3 миллиарда лет назад длились около девяти современных часов, так как Земля вращалась тогда быстрее! В общем, полное безобразие царило тогда в области измерения времени! Но и в этих нелегких условиях ученые очень точно воссоздали всю картину возникновения и эволюции Вселенной, начиная примерно от одной сотой современной секунды после так называемого математического начала Мира. Остается только рассказать, как ученые догадались, что Вселенная «взорвалась» из ничего, когда это произошло и как. Дело в том, что, рассматривая далекие небесные тела в телескоп, ученые обнаружили, что Вселенная… постоянно расширяется. То есть галактики как бы разбегаются друг от друга. Это можно легко представить себе, если нанести на воздушный шарик точки, изображающие собой галактики, и начать раздувать этот шарик. Точки-галактики начнут удаляться друг от друга, совсем как в модели расширяющейся Вселенной. А если это так, то, стало быть, они когда-то были все вместе, в одной точке. Проколите или сдуйте шарик – и все галактики сойдутся! А по скоростям их разлета ученые определили, когда начался этот разлет, то есть Большой взрыв. Так Мир и разлетается в разные стороны уже столько миллиардов лет… Кто же конкретно додумался до такой фантастической картины Сотворения мира, или, если хотите, подтвердил научно то, что давно уже сказано в Библии? В первую очередь это американский астроном Эдвин Хаббл (1889—1953), который своими наблюдениями установил, что галактики, или звездные скопления, удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше они от нас находятся. Так возникла гипотеза «расширяющейся Вселенной», которая когда-то разлетелась из одной точки. В 1927 г. астроном Жорж Леметр (1894—1966) теоретически обосновал гипотезу Большого взрыва, а в 1970 г. физики Р. Пенроуз и С. Хоукинс уточнили эту теорию. Свой вклад в теорию образования Вселенной внес и наш соотечественник А. А. Фридман (1888—1925). Остается уточнить: что, так и будем мы «разлетаться» во все стороны постоянно, или это когда-нибудь закончится? Сперва ученые подсчитали, что если исходить из существующих значений средней плотности Вселенной, то галактики будут разлетаться все время. Согласитесь, ситуация получается довольно нелепая: стоило ли создавать Мир, чтобы он окончательно разлетелся? Но затем ученые пересчитали эту среднюю плотность Вселенной с учетом вновь открытых частиц, и она якобы оказалась значительно большей. Поэтому, по всей вероятности, через миллиарды лет этот разлет прекратится и Вселенная начнет сжиматься, стремясь опять в точку. Такая критическая плотность Вселенной эквивалентна 11 атомам водорода на 1 см3 пространства. Пройдут эти миллиарды лет, и нашего Мира не станет, он снова превратится в ничто, закончится при этом и время! И произойдет ли новый Большой взрыв, образующий новый Мир, или не будет его – никто из нас не знает. Но если есть Высший Разум, в существование которого верит большинство ведущих физиков мира, то Он уж знает, скомандовать ли ему «Пли!» и вызвать новый Большой взрыв или не делать этого. Может быть, это зависит и от того, как мы с вами живем на нашей Земле и нравится ли наше поведение Тому, Кто может скомандовать «Пли!». Или возмущенный нашими делами, Он решит, что таких опытов лучше не повторять. Одно ясно – все это произойдет очень и очень не скоро! Из чего все? Итак, на самом первом этапе становления Мира весь он существовал, как на это указывалось в Библии, в виде света, одного только света, грандиозной вспышки света, в которой уже заключался весь Мир! Если вспомнить, что только 1 кг массы материи, если его превратить в свет, может испепелить крупный город, то какова же была мощность Большого взрыва, в котором вся масса Вселенной – 1053 кг (число с 53 нулями) существовала в виде света! Действительно, «хорош был этот свет», как отмечалось в Библии! Да и температура при взрыве (1028 °C) была приличной! Заметим, что для таких высоких температур безразлично в каких градусах – Цельсия или Кельвина ее измерять; для простоты будем писать °С. Дальше было все проще – исходный материал для Вселенной, а именно свет, уже был. Нескольких минут после Большого взрыва хватило, чтобы возникли первые простейшие атомные ядра: водорода, его изотопа – дейтерия и гелия. Неимоверно горячи были эти частички – порядка 107 °C. Разлетаясь, они постепенно остывали. Прошло всего около полутора миллионов лет с момента Большого взрыва, а Мир «остыл» уже до 4 000 °C. Это даже меньше, чем на поверхности Солнца. Такую температуру можно получить и на Земле, например при сварке. При такой температуре уже начали возникать многие газы, например водород и гелий. Это те самые, которыми надувают воздушные шарики. Но вещества, которые мы видим вокруг, могли существовать при такой жаре только в виде газов. Напоминаю, что весь мир был тогда моложе современного в десять тысяч раз и размером меньше, чем сейчас, в полторы тысячи раз. Разлетаясь все дальше и дальше, остывая по дороге, частички вещества сталкивались друг с другом, соединялись во все большие и большие комки. Ничего себе были эти комочки – из них образовались потом целые скопления звезд, или галактики! На это ушло много времени, больше миллиарда лет, но все равно мир был еще в десять раз моложе сегодняшнего. А по размерам – всего в четыре-пять раз меньше, чем сейчас. Вот тут-то и начали образовываться звезды и планеты. Надо сказать, что мир к этому времени сильно поостыл, даже «заморозился». Такие морозы можно получить разве только в самых больших холодильниках. Но «слепляясь» в большие комки (рис. 1), вещество Мира сжималось и опять сильно разогревалось. Комки превращались в раскаленные сияющие звезды. Это были, правда, еще не те звезды, которые на небе сейчас. Их называют «протозвездами» или «предзвез-дами», так как из них образовались уже «наши» обычные звезды. Рис. 1. Образование сгустков межзвездной среды в гравитационном поле Некоторым вращающимся протозвездам «удавалось» отбросить от себя часть своего вещества. Так от вращающегося колеса автомобиля отлетают комочки грязи. Вот из этого отлетевшего от протозвезды вещества и образовались планеты (рис. 2). Наша Земля тоже так возникла – оторвалась вместе с другими планетами от Солнца. Вернее, от той протозвезды, чем было раньше Солнце. Повезло от этого «отрыва» всем: и планетам – иначе бы их просто не было, и Солнцу. Оно получило возможность существовать и сиять нам на радость. Иначе судьба Солнца была бы незавидной – и вот почему. Рис. 2. Образование Солнечной системы по гипотезе Канта – Лапласа Есть звезды и тяжелее, и легче Солнца. «Легкие» звезды, которые в десять раз легче Солнца, просто неинтересны – они не «горят», а как бы «тлеют», возле них просто замерзнешь. Хорошо, что наше Солнце не такое! Наше Солнце исправно погреет нас еще несколько миллиардов лет, пока все не «выгорит». Тогда оно сожмется до размеров нашей Земли и, как говорят, превратится в «белого карлика». Будет это не скоро, до этого времени еще придумаем, чем будем греться без нашего Солнца. Но нам просто ужасно повезло, что Солнце – не «тяжелая» звезда. Такие звезды до 100 раз тяжелее Солнца (рис. 3), не горят, а просто взрываются, совсем как гигантская водородная бомба. Они «прогорают» в тысячи раз быстрее Солнца, испепеляя все, что находится вокруг. Но когда такая звезда все-таки «прогорит», то превращается она просто в какое-то космическое чудовище. Такое и в кошмарном сне не увидишь. Так что приготовьтесь к страшному рассказу и не читайте его, пожалуйста, на ночь. Рис. 3. Сравнительные размеры звезды-гиганта Бетельгейзе и Солнечной системы Звезды ненамного тяжелее Солнца, прогорая, сжимаются до совершенно «микроскопических» размеров. Например, до размеров крупного города – Москвы. Громадная гора, целый Эверест, на той звезде уместится в спичечном коробке. Называются такие «сжатые» звезды нейтронными. Несмотря на малые размеры, нейтронные звезды – настоящие «хищники». Попадись рядом обычная звезда – и нейтронная своим страшным притяжением начинает ее «заглатывать». Сперва обычная звезда принимает грушевидную форму и носик ее устремляется к нейтронной звезде. Эта звезда начинает как бы наматываться на нейтронную, затягиваясь в тугой узел. Дело, как правило, кончается тем, что нейтронная звезда «давится» обычной, во много раз превышающей ее по размерам, совсем как удав, пытающийся проглотить слона. Так и остаются вместе хищник и его полусъеденная жертва, образуя так называемую двойную звезду (рис. 4). Рис. 4. Кошмарная схватка нейтронной звезды с обычной, кончившаяся «ничьей» А наиболее тяжелые звезды, сгорая, иногда превращаются в самые таинственные тела Вселенной – черные дыры. Звезда сжимается почти в точку, но притяжение ее настолько огромно, что свою «жертву» черная дыра уже не упустит и не подавится ею, как нейтронная. Любая звезда, другое космическое тело, которое «осмелится» приблизиться к черной дыре, будет поглощено ею. Как говорится, только его и видели. Хотя и видеть-то уже ничего нельзя будет – на то дыра и черная, что туда все «проваливается» бесследно. Даже луч света и тот затягивается в черную дыру, пропадая там. «Поедает» она даже магнитное поле, что сопровождается вспышками излучения, в частности рентгеновского. Ничего не выпустит от себя это космическое чудовище, если приблизиться к нему на близкое расстояние. Так и существует невидимый зловещий круг, обычно несколько километров радиусом (так называемым гравитационным), а в центре его, как паук, сидит всепоглощающая космическая «хищница» (рис. 5). Рис. 5. «Черная дыра» в паутине магнитного поля Видимо, кто-то очень добрый и мудрый постоянно заботится о нас с вами – и Землю подобрал с подходящим климатом, и Солнце не большое и не малое, а как раз такое, какое нужно! Земля – избранница природы? Прежде чем перейти к планете – избраннице природы, поговорим о Солнце и о планетах – сестрах нашей Земли. Оказывается, огромное Солнце среди звезд считается карликом; оно возникло около 5 миллиардов лет назад. Астрономы обозначают Солнце знаком. Эта звезда-«карлик» в сто с лишним раз больше Земли по диаметру и почти в треть миллиона раз тяжелее. Вот тебе и «карлик»! И это огромное, тяжеленное небесное тело почти целиком состоит из самого легкого газа – водорода, того, которым надувают воздушные шары. Правда, есть там еще один легкий газ – гелий, но его почти в десять раз меньше, чем водорода. Казалось бы, Солнце как большой воздушный шар нужно за веревку держать, чтобы не улетело, а оно такое тяжеленное! Но самое удивительное в том, что в центре Солнца, где температура около 1,6 ?107 °C и огромное давление, водород особым образом превращается в гелий и выделяет при этом громадную энергию. Совсем как в водородной бомбе, но бомба эта огромных размеров и взрывается не сразу, а постепенно! Термоядерная энергия постоянно разогревает Солнце, так что поверхность его, которую мы видим, раскалена до 6 000 °C, вот и греемся мы, выходит, на энергии большой термоядерной бомбы, и вроде все в порядке! Солнечная атмосфера – корона (рис. 6) – имеет значительно большую температуру, и об этом мы поговорим позже. Теперь о планетах. Самая близкая к Солнцу планета – Меркурий. Меркурий в 2,5 раза меньше Земли, год на нем длится всего 88 дней, а период собственного вращения – 58,6 наших земных суток. Из-за близости этих значений друг к другу «день» на Меркурии длится достаточно долго – около меркурианского года, и сторона, обращенная к Солнцу, сильно нагревается; противоположная же сторона – охлаждается. Можно предположить, что через некоторое время из-за торможения вращения планеты Меркурий будет постоянно обращен к Солнцу одной стороной, как, например, Луна к Земле. Еще недавно астрономы считали, что так оно и есть уже. По внешнему виду Меркурий похож на Луну (рис. 7). Рис. 6. Солнечная атмосфера – корона, видная во время затмений Рис. 7. Пейзаж планеты Меркурий Следующей идет Венера – ее знак (рис. 8). По размерам она похожа на Землю, год там длится 224 дня. Но жить там тоже нельзя, жара – как в печи, а давление – как на дне моря. Атмосфера тоже не для нас – почти целиком из углекислого газа, которым дышать не стоит. Рис. 8. Венера: а – в фазе серпа; б – приближенная карта ее полушарий А вот третья планета – наша родная Земля, избранница природы. О ней мы поговорим попозже. За Землей идет загадочная красная планета Марс, ее значок. Марс почти вдвое меньше Земли, год там длится 678 суток, поверхность его похожа на лунную – те же «моря» и кратеры. Есть атмосфера, но разреженная, как у нас на высоте 20 км, и для дыхания непригодна, даже ядовита. Раньше подозревали, что на Марсе есть жизнь и разумные существа, но это пока не подтвердилось, по крайней мере, существа у нас на Земле разумнее. Хотя в телескоп заметны какие-то каналы (рис. 9), но их техногенное происхождение тоже пока не подтверждено. В самом жарком месте на Марсе – плюс 10…20 °C, в холодном – минус 70 °C, наблюдается выпадение и таяние снегов на полюсах. Конечно, с грехом пополам там прожить можно, но пока лучше не надо… Рис. 9. Марс и более подробная карта части его поверхности Далее за Марсом идут планеты-гиганты: Юпитер (рис. 10) – самая большая из планет; Сатурн (рис. 11) – таинственная планета с кольцами вокруг себя; Уран – отличающаяся от других планет тем, что вращается в противоположную им сторону, и Нептун – планета, названная почему-то в честь бога морей, даже трезубец тот же. Все планеты-гиганты состоят почти целиком из горючих газов, в частности метана, что горит у нас на кухне в газовой плите, а также аммиака. Однако эти газы там в замороженном виде – на планетах-гигантах так холодно, что горючие газы просто замерзли, как у нас на Земле замерзает вода. Для жизни там условия, мягко выражаясь, не из лучших – холодно, до 200 градусов мороза, дышать нечем, да и гравитация огромная – раздавит в блин! Рис. 10. Юпитер со своими крупными спутниками И наконец, последняя планета по удаленности от Солнца – Плутон. Открыта она совсем недавно – в 1930 г. Эта планета так далеко от нас, что даже из чего она состоит, неизвестно. Сейчас сомневаются, планета ли она вообще. Знаем только, что она почти вдвое меньше Земли и вращается вокруг Солнца очень медленно – один оборот за 250 лет. То есть год там длится четверть тысячи наших земных лет! Рис. 11. Сатурн со своим знаменитым кольцом в различных положениях Но вернемся опять к Земле. Вот, действительно, планета, созданная для комфортной жизни. Температура – нормальная, где-то, правда, придется приодеться, а где-то – искать тени. Но это не Меркурий и не Плутон! Атмосфера – лучше не бывает! Будь больше кислорода – мы бы сгорели, меньше – задохнулись. Азот, из которого она состоит на 80 %, нейтрален, дышать не мешает, это вам не аммиак какой-нибудь! Воды – сколько угодно! Если не на самой поверхности в виде реки, озера или моря, то на глубине ее в любом месте полно, только пробурить надо. Почвы – плодородные, не то что на Луне! Даже пустыня Каракумы весной цветет необычайно пышно, а что говорить о курско-воронежских черноземах! Не будь только лентяем, пессимистом, нытиком – живи и радуйся, что родился не на Меркурии или Плутоне! Но не все так радужно даже на Земле. И беглый взгляд на ее строение говорит о зыбкости и хрупкости всей нашей жизни здесь. Земля образовалась около 4,5 миллиардов лет назад, и поначалу она представляла собой огромный клубок пыли и газов. Потом все это сжалось, разогрелось от этого и расплавилось, после чего поверхность поостыла (чего нельзя сказать о внутренности!). Из мощных облаков хлынули проливные дожди и затопили поверхность Земли, создав первые моря, конечно, совсем не те, что мы имеем сейчас. Кстати, первые моря были пресными, так как произошли они из дождевой воды; это уже позже реки, постепенно размывая соли Земли, сделали их солеными. Вот тут-то и начала активизироваться на Земле жизнь, запрограммированная, несомненно, еще во время Большого взрыва. Плавали, перемещались по поверхности Земли материки, расходясь от единого праматерика – Гондваны, извергались вулканы, падали, протыкая кору Земли, огромные метеориты, вызывая глобальные похолодания, нарождались и вымирали динозавры, но жизнь цепко держалась за свою Землю, можно сказать, «обетованную». Даже при всех катаклизмах слишком уж хороши были на ней условия для развития и продолжения жизни! И вот наконец, кажется, уже все на Земле нормализовалось, пришло в совершенный вид – живи спокойно и радуйся! Рис. 12. Строение Земли: 1 – атмосфера (свыше 1 000 км); 2 – стратосфера (11—80 км); 3 – тропосфера (до 11 км); 4 – гидросфера (свыше 10 км); 5 – гранитный слой (до 10—15 км); 6 – базальтовый слой (до 50—60 км); 7 – подкорковая часть внутренней оболочки Земли; 8 – внутренняя оболочка Земли; 9 – ядро Земли Но немного подпортим эту идиллическую картину только для того, чтобы показать, насколько бережно нужно сохранять эту стабильность на Земле. Земной шар (рис.12) состоит из коры, толщиной в среднем около 35 км, а под ней около 12 тыс. км сплошного раскаленного, расплавленного кошмара – мантии, ядра внешнего и внутреннего. Да это же 0,3 % диаметра Земли! Даже яйцо имеет скорлупу относительно в несколько раз более толстую. И мы дырявим эту скорлупу где надо и где не надо, выбираем из этой коры все, что нам сегодня полезно. Сжигаем топливо, затрачивая кислород и загрязняя дымом и гарью все вокруг, в том числе и воздух, которым мы дышим. Продукты горения (и в первую очередь водяные пары) создают парниковый эффект, прогрессивно повышая температуру биосферы. Начинают таять ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, вызывая наводнения и потопы. Еще несколько градусов потепления – и может наступить нарушение стабильности термодинамического состояния атмосферы, и нежданно-негаданно мы окажемся как бы на Венере – сотни градусов тепла и десятки атмосфер давления! Если, конечно, не успеем до этого заразить все радиоактивностью или химическим мусором. Что, страшно? Недаром кое-кто подумывает о проектах перелета на другие планеты для ПМЖ – постоянного места жительства. Как кочевники – загадили эту территорию, превратили ее в пустыню и пошли гадить другую. Теперь поговорим о более нейтральном. Сама Земля имеет диаметр около 12,5 тыс. км. С полюсов она немного сплюснута, а на экваторе – растянута, что является следствием вращения. Планета окружена слоем воздуха – атмосферой толщиной около 1 тыс. км, но реально для дыхания пригодна только тропосфера толщиной в 100 раз меньше. В тропосфере существует жизнь и формируется то, что мы называем погодой. На высоте 20 км находится тонкий слой трехатомного кислорода – озона, защищающего Землю от смертельного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Хрупок и уязвим этот слой! Далее следует стратосфера – до 45 км высотой, а еще выше – ионосфера, от которой, кстати, отражаются радиоволны. Ну а еще выше – просто следы атмосферы. Теперь пойдем в глубь Земли. Океаны имеют максимальную глубину в Марианском желобе Тихого океана – 11 км. Близка к этому и высота самой большой горы – Эвереста – около 9 км. Под земной корой лежит мантия, состоящая из горячей вязкой магмы. Кора как бы плавает на магме этакой тонкой пленочкой. В центре Земли – ядро, имеющее температуру почти как на поверхности Солнца – 5 000 °C и давление в несколько миллионов атмосфер. Удивительно здесь то, что плотность Земли возрастает с 2,6 ?103 кг/м3 на поверхности до 12?103 кг/м3 и выше в центре ядра. Эта плотность близка к плотности свинца, ртути, золота… Высказывались гипотезы, что ядро Земли состоит из золота, растворенного в ртути («Гиперболоид инженера Гарина» А. Н. Толстого), что оно из сплава железа с никелем (что тоже неплохо!). Но высказывается также и более трезвое мнение о том, что при давлении 1,4 ?105 МПа частично разрушается электронная оболочка атомов и вещество сильно уплотняется, приобретая свойства жидких тел, а также электропроводность, как у металлов. Это обуславливает, в частности, загадочные «динамо-процессы» в недрах Земли, которые придают нашей планете магнетизм, предохраняющий нас от смертельных частиц, несущихся от Солнца. Но об этом мы подробнее поговорим позже. Все это пока гипотезы, так как до ядра Земли мы еще не добрались, до него далековато, а максимальная глубина «дыры», которую мы проделали в Земле, пока не более 13 км. Но что больше всего поражает, то это потрясающая приспособленность Земли к жизни на ней и, главное, жизни разумной! Ведь «шаг вправо – шаг влево» в отношении и температуры, и давления, и влажности, и состава атмосферы, и радиоактивности, и многого другого – смерть! Но ведь нет же: тончайшая пленка коры все плавает по магме, выдерживая все наши постройки, шахты, карьеры, скважины и другие издевательства; озоновый слой все предохраняет нас от ультрафиолета, несмотря на «травлю» его аэрозолями; океаны «из последних сил» продолжают поглощать углекислоту и другие продукты сгорания топлива; магнитное поле Земли продолжает «отгонять» от нас смертоносные частицы, заставляя их вращаться по кругу вокруг Земли. Хорошо защищает пока нас Высший Разум, создавший Землю и жизнь на ней! Не будем же испытывать Его терпение! Коварная соседка – Луна? А теперь самое время упомянуть о нашей ближайшей соседке – Луне. Вспомним о ее появлении на небе. Заходит Солнце. На фоне зари ярко вырисовывается узкий блестящий серп, выпуклостью обращенный в сторону заходящего Солнца. Скоро и он опустится вслед за Солнцем за горизонт. Родилась новая Луна. На следующий день при заходе Солнца станет заметно, что серп расширился, он виден выше над горизонтом и заходит уже не так рано. С каждым днем Луна как бы растет и в то же время отходит от Солнца все дальше и дальше влево. Через неделю Луна оказывается вечером на юге в виде полукруга выпуклостью вправо. В следующие дни Луна продолжает расти, становится больше полукруга и отодвигается дальше к востоку, пока еще через неделю не станет полным кругом и не наступит полнолуние. В то время, когда Солнце будет уходить под горизонт на западной стороне, с противоположной, восточной, стороны начнет подниматься полная Луна. К утру оба светила как бы меняются местами: появление Солнца на востоке застает полную Луну заходящей на западе. Дальше день за днем Луна всходит все позднее. Она становится все более урезанной, или ущербленной, но уже с правой стороны. Через неделю после полнолуния вы вечером не увидите на небе Луны. Она только около полуночи показывается на востоке из-за горизонта и опять в виде половины круга, но выпуклостью, направленной теперь влево. Это последняя четверть. Утром можно увидеть с южной стороны полукруг Луны, обращенный выпуклостью к восходящему Солнцу. Через несколько дней только перед восходом Солнца появляется из-за горизонта на востоке узкий серп Луны. А еще через неделю, после последней четверти, Луна совсем перестает быть видимой – наступает новолуние; потом она появится опять с левой стороны от Солнца: вечером на западе и выпуклостью уже опять вправо (рис. 13). Рис. 13. Фазы Луны Так изменяется вид Луны на небе каждые четыре недели, точнее – за период 291/2 суток. Это лунный, или синодический, месяц. Он послужил основой для составления календаря еще в древние времена. Такой лунный календарь сохранился у некоторых восточных народов и до настоящего времени. Можно рассчитать, когда и как будет видна Луна – когда будут светлые и темные ночи, а когда вся ночь будет лунная, светлая. Это бывает иногда очень важно знать заранее. Изменение лунных фаз можно свести в таблицу. Таблица для расчета фаз Луны Во время новолуния Луна находится между Землей и Солнцем и обращена к Земле неосвещенной стороной. В первую четверть, т. е. через четверть оборота Луны, к Земле обращена половина ее освещенной стороны. В полнолуние Луна находится в противоположной Солнцу стороне, а к Земле обращена вся освещенная сторона Луны, и мы видим ее полным кругом. В последнюю четверть снова мы видим с Земли половину освещенной стороны Луны. Теперь понятно, почему выпуклая сторона серпа Луны всегда обращена к Солнцу. В ближайшие вечера после новолуния можно наблюдать, кроме яркого серпа, и не освещенную Солнцем, но слабо видимую часть Луны. Такое явление называется пепельным светом. Это ночная поверхность Луны, освещаемая только отраженными от Земли солнечными лучами. Изменение фаз Луны объясняется двумя причинами: во-первых, Луна – непрозрачный шар, освещаемый Солнцем, и, во-вторых, Луна обращается вокруг Земли. Время обращения Луны вокруг Земли называется звездным месяцем и составляет 271/3 суток, т. е. меньше 291/2 суток, в течение которых происходит смена фаз Луны. Причиной этого является движение самой Земли. Обращаясь вокруг Солнца, Земля увлекает за собой и свой спутник – Луну. Поясним это. Пусть Луна будет в положении новолуния. Пока она сделает полный оборот за 271/3 суток, Земля вместе с Луной займет в это время иное положение по отношению к Солнцу: Луна еще не окажется между Землей и Солнцем. Для того чтобы наступило следующее новолуние, Луне надо продвинуться еще дальше и сделать больше полного оборота. На это ей потребуется более 2 суток. Вот причина различия между длительностью синодического и звездного (сидерического) месяцев. В новолуние, когда Луна оказывается между Землей и Солнцем, она может закрыть его от нас, и тогда наступит солнечное затмение (рис. 14, а, б). В полнолуние Луна, находясь по другую сторону от Земли, может попасть в тень, отбрасываемую Землей, тогда произойдет лунное затмение. Затмения не происходят каждый месяц потому, что Луна обращается вокруг Земли в плоскости, не совпадающей с той плоскостью, в которой Земля обращается вокруг Солнца. Рис. 14. Солнечные затмения: а – фазы частного затмения (Москва, 9 июля 1945 г.); б – движение лунной тени по Земле Луна движется вокруг Земли не по окружности, а по эллипсу, поэтому ее расстояние от Земли не остается постоянным. В среднем оно составляет 384 400 км. Зная расстояние до Луны, ученые вычислили ее действительные размеры. Диаметр Луны составляет 3 476 км, т. е. немногим более четверти диаметра Земли. Площадь Луны меньше даже территории одной Азии. По объему Луна почти в 50 раз меньше Земли, а по массе – в 80 раз. На рис. 15 показано, что увидел бы астронавт, находясь на поверхности Луны. Рис. 15. Лунный пейзаж и Земля При рассмотрении Луны в телескоп (рис. 16) или даже невооруженным глазом на ее поверхности видны темные пятна и всегда почти на одних и тех же местах, одинаково удаленных от краев лунного диска. Значит, Луна обращена к Земле постоянно одной и той же стороной. Это происходит потому, что Луна вращается вокруг своей оси как раз с тем же периодом, с каким она обращается вокруг Земли. Почти как планета Меркурий вокруг Солнца. Чем же вызвано такое загадочное поведение Луны? Рис. 16. Карта половины Луны, обращенной к Земле Большинство астрономов полагает, что Земля и Луна возникли как отдельные тела из одного и того же первичного материала и что в своем далеком прошлом они находились ближе друг к другу, чем в настоящее время. В эпоху своего возникновения Луна быстро вращалась вокруг своей оси и была жидкой. Притяжение Земли вызывало на Луне приливы, заставлявшие последнюю принимать вытянутую форму; постепенно приливное трение снижало скорость вращения Луны и увеличивало ее период вращения до тех пор, пока он не стал равен периоду обращения вокруг Земли. С течением времени Луна затвердела и так и осталась обращенной к Земле одной стороной. Так как Луна вызывает на Земле приливы, то и земные сутки должны удлиняться до тех пор, пока периоды вращения Земли и Луны не станут равными периоду обращения Луны. В то же время приливы на Земле вызывают небольшое ускорение движения Луны. Ускоряющая сила, действующая на Луну, будет существовать до тех пор, пока Земля вращается быстрее, чем Луна движется вокруг нее, и вынуждена «тащить» приливные выступы или «горбы» за собой (рис. 17). Рис. 17. Схема торможения Земли и разгона Луны приливами: 1 – Земля; 2 – Луна; 3 – орбита Луны Наличие двух «горбов» на океанах Земли, как и то, что приливы и отливы повторяются не раз в сутки, а два раза – через каждые 12 часов, часто вызывает недоумение. А дело в том, что один «горб», ближайший к Луне (рис. 17), вызывается притяжением Луны, и называется гравитационным. Второй же «горб», на противоположной стороне Земли, образуется потому, что Луна вращается не вокруг центра Земли, а Земля и Луна вращаются вокруг их общего центра масс. Этот центр масс находится на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны, и он примерно в 80 раз ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Вода в океанах, стремясь двигаться по прямой, вследствие инерции «отодвигается» на максимальное расстояние от этого центра масс (центра вращения). Так образуется второй «горб» на океанах Земли, и назван он инерционным. Вот и экспериментальное доказательство того, что неверны утверждения: «Луна вращается вокруг Земли», или «Земля вращается вокруг Солнца». Эти тела, будучи свободными, по законам механики вращаются вокруг общего центра их масс. И, стало быть, неправ не только Птолемей со своей геоцентрической моделью мира, но и Коперник со своей гелиоцентрической моделью! Так как Луна ускоряется на своей орбите, то она по спирали уходит от Земли. А поскольку вращение Земли происходит быстрее, чем обращение Луны вокруг нее, расстояние между этими телами растет, а орбитальный период – удлиняется. Наблюдения показывают, что Луна в наше время имеет более вытянутую форму, чем следовало ожидать, если бы Луна затвердевала на своем теперешнем расстоянии от Земли. Поэтому в то давнее время, когда приливные выступы на Луне превращались при остывании в твердый материал, из которого состоит Луна, она была ближе к Земле, чем сейчас. Вычисления показывают, что Луна будет продолжать удаляться от Земли по спирали до тех пор, пока ее орбитальный период не станет равным 50 суткам; периоды вращения Земли и Луны будут тогда также равны 50 современным суткам. То есть сутки на Земле будут длиться 1 200 часов, и Луна будет «висеть» неподвижно над одним и тем же местом на Земле. Луна уже миллиарды лет «тормозит» Землю за счет приливов и отливов. Подсчитано, что 3 миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, т. е. Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раз быстрее. Вот такие чудеса творит Луна! Приливные чудеса будут продолжаться также под влиянием солнечного притяжения, но гораздо медленнее. В результате этого период вращения нашей Земли будет продолжать увеличиваться, пока в конце концов он не станет равным периоду обращения Земли вокруг Солнца. Такое состояние, по-видимому, ожидает планету Меркурий. Земные сутки тогда удлинятся до нынешнего года, и одна сторона Земли будет постоянно обращена к Солнцу и раскалена, а другая – совершенно замерзнет в тени. Жить лучше будет где-нибудь сбоку, на «краю» Земли. Кому повезет, конечно, потому что никто не знает, где будет этот «край». Так Земля разделит судьбу Луны, но последствия эти для Земли будут гораздо плачевнее. Ведь Земля-то не «поджаривает» Луну, как Солнце будет поступать с самой Землей в будущем. Дальнейшую судьбу Луны, Земли, да и других планет прогнозировать трудно. Кто-то из астрономов предсказывает падение Луны на Землю, а этой новой «двойной» планеты – на Солнце. Как, собственно, и других планет, по крайней мере, расположенных близко от Светила. Это должно произойти из-за торможения вращательного движения планет вокруг Солнца. А другие астрономы предсказывают взрыв Солнца с поглощением им всей Солнечной системы. Почему-то среди этих сценариев не встречается оптимистических. Вот такие кошмары могут ожидать нас в будущем. Хорошо только, что это будущее достаточно отдаленное, и пока нам можно спокойно жить и радоваться! У ИСТОКОВ МЕХАНИКИ В каком мире жили наши предки? Наука механика зародилась в Древней Греции около V в. до н. э. Интересно, что эта строгая и точная наука получила свое начало в театре. Греческое слово «мэханэ» первоначально обозначало подъемную машину, которая в театрах поднимала и опускала актеров, изображавших богов. Главная часть механики – динамика, наука, изучающая движение реальных (массивных) тел под действием сил, – рассматривается уже в сочинениях великого ученого древности Аристотеля (384—322 гг. до н. э.), не имевшего себе равных по широте научных изысканий, учителя Александра Македонского. Аристотель под механическим движением понимал изменение места. Для современных людей существенно направление движения, куда движется предмет. Древних греков же интересовали только начальная и конечная точки движения. Это вызывало известную путаницу. Например, как быть с движением по кругу? Ведь здесь нельзя четко назвать отправную и конечную точки, не зная направления движения. Поэтому Аристотель и определил круговое движение как движение «из чего-нибудь в то самое» и особо подчеркивал, что круговое движение неограниченно. Аристотель различал два вида движения: естественное и насильственное. Естественное движение происходило само собой без вмешательства посторонней силы. Насильственное же требовало некоторого «двигателя». Такой двигатель должен был быть либо расположен в самом движущемся теле, либо находиться в непосредственном контакте с ним. В нашем понимании естественное движение без приложения сил – это инерционное движение, движение как бы само собой. Но древние греки здесь имели в виду нечто иное. Естественное движение, по их мнению, представляло собой стремление тела занять свое «естественное» место в мире. Для тяжелых предметов, например камней, металлических предметов и т. п., таким естественным местом была земля. Для легких же тел (например, огня) естественным местом было небо. Поэтому камень сам по себе падал на землю, вниз, а огонь стремился на небо, вверх. И чтобы изменить это движение – иначе говоря, поднять камень наверх или сбить пламя вниз, нужно было приложить силу. Это естественное стремление тел занять свои места называлось ропэ. Считают, что от этого «ропэ» произошло русское слово «рыпаться». В нижнем подлунном мире, где все имело начало и конец, естественное движение должно быть прямолинейным, чтобы также иметь начало и конец. В верхнем же, надлунном, мире, где все являлось вечным и неизменным, естественное движение также должно быть вечным и неизменным – и следовательно, круговым и равномерным. Таким им казалось движение светил. Это представление о естественности круговых движений дошло даже до Галилея, который ошибочно считал, что движение по инерции должно быть круговым. Как видим, понятие ропэ – естественное движение – соответствует нашему понятию инерции. Современное понятие инерции связано с покоем или относительным покоем тела – равномерным прямолинейным движением. Если же находящееся в таком состоянии тело встречается с препятствием, подвижным относительно его, то возникают силы, действующие на тело, и в ответ на это реакция тела на действие этих сил. У древних же греков, наоборот, естественное движение начинало проявлять себя тогда, когда движущееся тело встречало препятствие. Если в это время какая-либо точка тела оказывалась неподвижной, то инерция остальных точек заставляла их продолжать свое движение, т. е. вращаться вокруг неподвижной точки. Такую картину можно наблюдать на речке, когда плывущий по ней предмет, например лодка или плот, попадает в водоворот и начинает вращаться на месте (рис. 18). Таким образом, ропэ проявлялось в виде вращающего момента. Если движение различных точек тела нейтрализовать (например, соединением с таким же телом, вращающимся в противоположную сторону), тело останавливается и наступает состояние равновесия под действием двух одинаковых, но противоположно направленных моментов. Ри с. 18. Вращение попавшего в водоворот тела Что же касается насильственного движения, то, как мы уже говорили, для его возникновения нужна сила. Эта сила была названа Аристотелем динамис и определена следующим хитрым образом: «Если какая-нибудь сила продвигает тело на какое-нибудь расстояние, то эта же сила продвигает вдвое меньшее тело или на вдвое большее расстояние, или на то же расстояние, но за вдвое меньшее время». Под силой Аристотель, скорее всего, понимал то, что на современном языке называется мощностью. Такое античное воззрение на силу отразилось на существующей до сих пор единице мощности – лошадиной силе. В действительности же лошадиная сила – это не сила, а работа «эталонной» лошади, отнесенная ко времени, в течение которого эта работа была совершена, т. е. мощность. Сущность аристотелевской силы подтверждает и терминология: если учесть, что греческое динамис переводится латинским potentia, что, в частности, соответствует французскому puissance, т. е. русскому «мощность». И возникла эта единица в свое время как количественная оценка паровой машины по мощности, а, конечно, не по силе, которая в этом случае не имеет никакого смысла. Вот с такими представлениями о механике жили наши древнегреческие предки, которые знали эту науку больше, чем другие их современники. К этому времени человек владел целым рядом механизмов, помимо пресловутой машины для подъема театральных богов. Древнеримский архитектор Витрувий, механик Герон из Александрии и другие оставили нам описания и чертежи таких подъемных машин, которые, кроме как в театре, служили еще и на стройках. Конечно же, уже были известны рычаги, полиспасты, водоподъемники, в том числе и архимедов винт, винты, катки для передвижения тяжестей, простейшие станки, гончарный круг с маховиком, мельницы, прялки и многое другое (рис. 19). Не будем забывать, что в античные времена были сделаны такие постройки, включая египетские пирамиды и другие «чудеса света», которые даже сегодняшней технике едва ли под силу. Так что в практическом плане с механикой в античном мире было все в порядке. Но теории все же было недостаточно. Основными неразрешенными проблемами были, по большому счету, две: как ведут себя тела, когда на них действуют силы, и как они ведут себя, когда на них силы не действуют? И понадобилось около 2 тысяч лет, чтобы внести хоть какую-то ясность в эти вопросы. Рис. 19. Существовавшие в античном мире машины и механизмы: а – древний бурав; б – водяная мельница; в – клиновой пресс и его схема; г – египетский шадуф – водоподъемник; д – древнеегипетский подъемный кран; е – молот Герона; ж – самоходная тележка Герона; з – многоступенчатый редуктор с барабаном для подъема груза, описанный Героном Как двигаться по инерции? Совершенно нетрадиционно выразился по этому поводу полковник Краус фон Циллергут, герой бессмертного произведения Ярослава Гашека «Похождения бравого солдата Швейка во время мировой войны». Туповатый и болтливый полковник сетовал на автомобиль: – Когда весь бензин вышел, автомобиль принужден был остановиться… И после этого еще болтают об инерции, господа! Ну не смешно ли? Давайте вместе посмеемся над невежеством полковника, а посмеявшись, задумаемся. Действительно, а как же инерция? Ведь говорят и даже в книгах пишут, что разогнанный автомобиль после выключения двигателя движется по инерции. А в школьных учебниках по физике написано, что движение по инерции – равномерное, прямолинейное и конца ему нет. По крайней мере так трактует такое движение первый закон Ньютона. Стало быть, гашековский автомобиль, двигаясь по инерции, ехал бы до сих пор и продолжал бы ехать еще целую вечность. Правда, по прямой линии и с постоянной скоростью… Тут надо признать, что незадачливый Краус фон Целлергут – далеко не единственный, кто имеет весьма туманное представление об инерции. Поэтому поговорим подробнее об этом фундаментальном свойстве материи. Инерция (inertia) в переводе с латинского означает «покой», «бездействие». Под инерцией, или инертностью, понимают стремление тела сохранить неизменным свое состояние по отношению к инерциальной (в первом приближении неподвижной) системе отсчета. То есть если на тело не действуют никакие внешние силы (приложенные со стороны других тел и вообще окружающей среды) или если эти силы уравновешивают друг друга, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения (а это в механике то же, что покой, так называемый относительный покой). Если же на тело действует неуравновешенная система внешних сил, оно постепенно начинает менять скорость. Под действием одинаковых сил более инерционные тела (более инертные) медленнее изменяют свою скорость. Конечно, слово «постепенно» странно слышать, когда речь идет, например, об ударе или выстреле, но тем не менее скорости и там меняются постепенно – не мгновенно. Разгоняющуюся пулю или бильярдный шар можно заснять скоростной кинокамерой на пленку и убедиться, что тело (шар или пуля) приобрело скорость не мгновенно, а постепенно – правда, очень быстро. Рис. 20. Инерционное набивание топора Всем нам знакомы «фокусы», связанные с инерцией. Если резко выдернуть скатерть, то находящиеся на ней предметы не падают. Молоток плотнее насаживается на рукоять, если другим молотком побить по рукояти первого сзади (рис. 20). Особенно впечатляет опыт, где тяжелый предмет – груз – подвешен на нити, а с него свисает еще одна нить, и по желанию можно порвать любую из них – либо ту, на которой предмет подвешен, либо свисающую. Если резко дернуть за свисающую нить, то инерция груза не даст ему разогнаться и порвется именно свисающая нить. Если же тянуть медленно, то к силе тяжести груза прибавится сила, с которой мы тянем вниз, и рвется верхняя нить: инерция в этом случае «помогает» очень мало из-за «статичности» натяжения нитей, когда скорость груза меняется очень медленно (рис. 21). Рис. 21. Опыт с обрыванием нитей по желанию Мерой инерции тела является его масса. Удивительно, но природа массы пока не выяснена. Проявляется свойство инерции в так называемой инерциальной системе отсчета. Ранее мы говорили, что в первом приближении это неподвижная система. Но ведь ничего абсолютно неподвижного в мире нет – все движется друг относительно друга. Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца, не говоря уже о возмущениях ее вращения из-за движения других планет. Солнце движется относительно центра Галактики, Галактика разбегается относительно центра мира, который… и т. д. Как же тогда быть с инерциальной системой отсчета, где справедлив закон инерции, говорящий, что тело, если на него не действуют никакие неуравновешенные силы, находится в состоянии относительного покоя, т. е. оно может быть неподвижным относительно какой-нибудь инерциальной системы отсчета или двигаться равномерно и прямолинейно относительно нее или другой инерциальной системы? Более того, всякая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно по отношению к инерциальной системе отсчета, сама делается инерциальной. Однако если наша система отсчета движется по отношению к инерциальной системе неравномерно или непрямолинейно, то она не может быть инерциальной, так как в ней уже не будет соблюдаться закон инерции, не будут проявляться свойства инерции массивных тел, а следовательно, потеряют свою силу законы движения и сохранения – основные законы механики. Произойдет это потому, что помещенная в неинерциальную систему материальная точка будет иметь ускорение даже при отсутствии внешних действующих сил, поскольку даже без них она будет участвовать в ускоренном поступательном или вращательном движении самой системы отсчета. Таким образом, инерциальная система отсчета – это всего лишь научная абстракция. Реальная система отсчета всегда связывается с каким-либо конкретным телом – Землей, корпусом корабля, самолета или автомобиля, которое не неподвижно. Если мы захотим иметь очень точную (абсолютная – недостижима!) инерциальную систему отсчета, то должны будем поместить ее центр в центр Солнца – точнее, в центр массы Солнечной системы, а оси направить на три неподвижные (условно) звезды (рис. 22, а). Для большинства из технических задач центр инерциальной системы можно перенести из центра Солнца в центр Земли, а оси направить на те же звезды. В очень грубых случаях систему можно жестко связать с Землей, как известно, далеко не неподвижной (рис. 22, б). Рис. 22. Схема инерциальных систем отсчета: а – связанной с Солнцем; б – связанной с Землей Как видим, понятие инерции – непростое. Поэтому имеет смысл начать ее изучение, так сказать, с истории вопроса: давайте перенесемся в Древнюю Грецию – колыбель науки – и посмотрим, как в античной механике зарождалось понятие инерции. Мы уже знаем, что Аристотель непосредственно связывал движение с силой.f Очевидно, если сила равна нулю, то и скорость будет такой же. Но Аристотель прекрасно знал, что стрела, выпущенная из лука, продолжает двигаться уже после того, как на нее перестает действовать сила тетивы; продолжает лететь камень, выпущенный из руки. На это у Аристотеля свой ответ – так называемая теория антиперистасиса. Суть ее состояла в том, что в момент бросания камня рука приводит в движение не только камень, но и окружающую среду, в данном случае воздух. Рука сообщает окружающей среде некий «виртус мовенс» – способность передавать движение другим телам. Передвигаясь в соседнее место за счет «виртус мовенс», камень сдвигает новый участок среды и т. д. Замедление в процессе такого движения, происходящее за счет сопротивления среды, Аристотель объясняет тем, что при передачах «виртус мовенс» от камня к воздуху и обратно часть его теряется, и движение постепенно замедляется. Значит, в пустоте такого движения не должно происходить, но как раз только в пустоте можно осуществить движение по инерции, когда на тело не действуют силы сопротивления. Но Аристотель пустоты не признавал, он даже смеялся над теми, кто пытался использовать это понятие. «Что такое пустота?» – спрашивал он. И отвечал: «Это место без помещенных туда тел». Великие ошибки великого Галилея Перенесемся из античных времен в доньютоновскую эпоху, где над механикой «властвовал» великий Галилей. Развитие динамики как науки связано с именем великого итальянского ученого эпохи Возрождения Галилео Галилея (1564—1642). Наибольшей заслугой Галилея как ученого-механика было то, что он первым заложил основы научной динамики, нанесшей сокрушительный удар по динамике Аристотеля. Галилей называл динамику «наукой о движении относительно места». Его сочинение «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых наук» состоит из трех частей: первая часть посвящена равномерному движению, вторая – равномерно ускоренному, третья – принужденному движению брошенных тел. В античной механике термина «скорость» не было. Рассматривались более или менее скорые движения, а также «равноскорые», но количественно характеристики этих движений в виде скорости не существовало. Галилей впервые подошел к разрешению вопроса о равномерном и ускоренном движении массивных тел и рассмотрел движение тел по инерции. Галилею приписывают открытие закона инерции. Делают это даже в учебниках – школьных и не только. Закон этот Галилей выражал так: «Движение тела, на которое не действуют силы (конечно, внешние) либо равнодействующая их равна нулю, является равномерным движением по окружности». Так, по мнению Галилея, двигались небесные тела, «предоставленные самим себе». На самом же деле движение по инерции, как известно, может быть только равномерным и прямолинейным. Что же касается небесных тел, то их с этого движения «сбивает» внешняя сила – сила всемирного тяготения. Рассматривая взгляд Галилея на инерцию, убеждаемся в его неправомерности: ошибка в рассуждениях возникла из-за того, что Галилей не знал о законе всемирного тяготения, открытого позже Ньютоном. Доказывая принцип относительности, Галилей утверждал, что если корабль движется равномерно и без качки (рис. 23), то никаким механическим экспериментом нельзя обнаружить этого движения. Он предлагал мысленно разместить в трюме корабля сосуды с вытекающей из них водой, с плавающими в них рыбками, летающих мух и бабочек и утверждал, что стоит ли корабль или движется равномерно – их действия не изменяются. Не надо при этом забывать, что движение корабля не прямолинейное, а круговое (правда, по окружности большого радиуса, какой является то или иное сечение Земли). Рис. 23. Корабль Галилея (видно, что он плывет по окружности) Сейчас мы знаем, что в системе, движущейся по кривой, какой является и окружность, невозможно соблюдение закона инерции: эта система не является инерциальной. Действительно, в принципе Галилея величина скорости относительного движения не играет роли, как и скорость движения одной инерциальной системы относительно другой. Но если кораблю придать первую космическую скорость (8 км/с), то все предметы в его трюме, как и сам корабль, сделаются невесомыми. Механический эксперимент, проведенный с достаточной точностью, покажет, что и для реальных скоростей движения перемещения тел в трюме движущегося корабля и корабля неподвижного будут различаться между собой. Более того, движение тел изменится, если корабль будет идти с одной и той же скоростью, но разными курсами – допустим, по меридиану и по экватору. Не только движущиеся в трюме тела будут сбиваться с предполагаемой траектории, но и сам корабль в Северном полушарии будет относить вправо по курсу, а в Южном – влево. Интересно, что эти отклонения, вызванные вращением Земли как неинерциальной системы, не зависят даже от направления движения. В другой своей работе – «Диалог о двух главнейших системах мира…» – Галилей утверждает, что мир есть тело в высшей степени совершенное, и в отношении его частей должен господствовать наивысший и наисовершеннейший порядок. Из этого Галилей делает вывод, что небесные тела по своей природе не могут двигаться прямолинейно, поскольку если бы они двигались прямолинейно, то безвозвратно удалялись бы от своей исходной точки и первоначальное место для них не было бы естественным, а части Вселенной не были бы расположены в «наисовершенном порядке». Следовательно, небесным телам недопустимо менять места, т. е. двигаться прямолинейно. Исчезни вдруг закон всемирного тяготения, это и случилось бы! Именно он удерживает небесные тела в устойчивом движении, не допуская их хаотического разбегания (рис. 24). Кроме того, прямолинейное движение бесконечно, ибо прямая линия бесконечна, а стало быть, неопределенна. Галилей считал, что по самой сути природы невозможно, чтобы что-либо двигалось по прямой линии к недостижимой цели. Рис. 24. Естественное, или инерционное движение по Галилею на примере вращения Луны вокруг Земли Но коль скоро порядок достигнут и небесные тела размещены наилучшим образом, невозможно, чтобы в них оставалась естественная склонность к прямолинейному движению, в результате которого они отклонились бы от надлежащего места. Как утверждал Галилей, прямолинейное движение может только «доставлять материал для сооружения», но, когда последнее готово, оно или остается неподвижным, или если и обладает движением, то только круговым. Более того, Галилей утверждал, что если тело бросить скользить как по льду по горизонтальной плоскости, то, упав с нее, тело обязательно пересечет свою траекторию с центром Земли (рис. 25, а). Но так как движение по инерции все время удаляет брошенное тело от этой траектории, то оно никак не может пересечь свой путь с центром Земли. Это очень распространенная ошибка, автору доводилось даже в современных школьных учебниках по физике (в семидесятых годах) встречать подобное утверждение и видеть соответствующие рисунки: например, как ядро, вылетевшее из пушки, продолжая свой полет, пересекает центр Земли. Рис. 25. Падение движущихся по касательной к поверхности Земли тел: а – по Галилею; б – по Ньютону Кроме того, движение по горизонтальной скользкой плоскости таково, что тело, отходя от точки пересечения кратчайшего радиуса Земли с этой плоскостью, начинает удаляться от центра Земли. Значит, и приближаясь, и удаляясь от центра Земли, тело не может двигаться равномерно, поскольку на него все время (кроме одной точки в центре Земли) будет действовать сила. Как видим, Галилей в своем воззрении на инерцию, а следовательно, и на механику вообще, ошибался очень существенно. Пророческую формулировку законов инерции, очень близкую к ньютоновской и принятую с незначительными изменениями в современной механике, дал французский философ и математик Р. Декарт (1596—1650), современник Галилея. Пророческую потому, что Декарт тоже не знал о силах тяготения и сформулировал этот закон по наитию. В своей книге «Начала философии», вышедшей в свет в 1644 г., он так формулирует законы инерции. Первый закон: «Всякая вещь продолжает по возможности пребывать в одном и том же состоянии и изменяет его не иначе как от встречи с другим». Второй закон: «Каждая материальная частица в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой». Поэтому вместо того чтобы называть первый закон Ньютона, или закон инерции, законом Галилея – Ньютона, что и делают иногда в учебниках, или говорить, что закон инерции был открыт раньше Ньютона, следовало бы отметить то, что ранее Ньютона его достаточно точно сформулировал Декарт, но никак не Галилей. Стало быть, движение по инерции – обязательно прямолинейное, равномерное; это движение можно приравнять к покою, изменив инерциальную систему отсчета на такую, которая двигалась бы тоже равномерно и прямолинейно со скоростью нашего движущегося тела. Кто стоял на плечах гигантов? Итак, Галилей не внес особой ясности в сакраментальные вопросы, которые так и остались не разрешенными с древних времен: как ведут себя тела, когда на них действуют силы, и как они ведут себя, когда на них силы не действуют? Пытаясь ответить хотя бы на последний из поставленных вопросов, Галилей, как известно, пришел к выводу, что тела, предоставленные сами себе, т. е. на которые никакие силы не действуют… ходят по кругам! Да это и Аристотель так думал два тысячелетия назад! И так же ошибался. Поэтому выглядит удивительным, когда школьникам преподносят то, чего не было. Например, такое: «Итальянский ученый Галилео Галилей первый показал, что… в отсутствии внешних воздействий тело может не только покоиться, но и двигаться прямолинейно и равномерно» [27. С. 53]. Не показывал этого Галилей, тем более первым, о чем мы уже знаем. Почему-то Галилею приписывают многое из того, чего он не делал вообще: не бросал он шаров с Пизанской башни, не изобретал телескопа, не был судим инквизицией и не топал ногой, говоря: «И все-таки она вертится!». Об этом еще поговорим попозже, а пока вернемся к тому, что до Ньютона в умах ученых не было ясности в вопросе о движении тел, а стало быть, и вообще о механике. Только великому англичанину Исааку Ньютону (1643—1727) удалось привести механический мир в надлежащий порядок. Краткий перечень заслуг Ньютона высечен на камне на его могиле: Здесь покоится Сэр Исаак Ньютон, Который почти божественной силой своего ума Впервые объяснил Помощью своего математического метода Движения и формы планет, Пути комет, приливы и отливы океана. Он первый исследовал разнообразие световых лучей И проистекающие отсюда особенности цветов, Каких до того времени никто даже не подозревал. Прилежный, проницательный и верный истолкователь Природы, древностей и священного писания, Он прославил в своем учении Всемогущего Творца. Требуемую Евангелием простоту он доказал своей Жизнью. Пусть смертные радуются, что в их среде Жило такое украшение человеческого рода. Все поколения ученых до настоящего времени поражала и продолжает поражать величественная и цельная картина мира, которая была создана Ньютоном. Согласно Ньютону весь мир состоит из «твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Эти «первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги». Все богатство, все качественное многообразие мира – это результат различий в движении частиц. Основным в его картине мира является движение. Внутренняя сущность частиц остается на втором плане: главное – как эти частицы движутся. Великий гений родился в одном из провинциальных английских городов – Вулстропе в семье фермера. Ребенок был так мал, что, говорят, его крестили в пивной кружке. В начальных классах школы он учился посредственно (радуйтесь, троечники, для вас еще ничего не потеряно!). Затем у него случилось моральное потрясение – его избили и оскорбили, причем сделал это лучший ученик в классе. Вот тут-то у юного Ньютона проснулся интерес к учебе, и он легко сам стал лучшим учеником, а затем и поступил в лучший университет Англии – Кембриджский. А через 4 года после окончания он уже был профессором математики этого же университета. В 1696 г. он переехал в Лондон, где жил до самой смерти в 1727 г., которая наступила на 85-м году жизни. С 1703 г. он президент Лондонского королевского общества, а за научные заслуги ему был пожалован титул лорда. Вот так и стал он членом палаты лордов, заседания которой посещал самым регулярным образом. Но в отличие от других лордов, которые, как и наши «думцы», любили поговорить с трибуны, на протяжении многих лет Ньютон не проронил и слова. И вот, наконец, великий человек вдруг попросил слова. Все замерли – ожидали, что же такого умного скажет гений всех времен и народов. В гробовой тишине Ньютон провозгласил свою первую и последнюю речь в парламенте: «Господа, я прошу закрыть окно, иначе я могу простудиться!» Последние годы жизни Ньютон вплотную занялся богословием и под большим секретом писал книгу, о которой высказывался, как о самом великом своем труде, который должен решительным образом изменить жизнь людей. Но по вине любимой собаки Ньютона, опрокинувшей лампу, случился пожар, в котором кроме самого дома и всего имущества сгорела великая рукопись. Вот вам и воландовское: «Рукописи не горят!» Еще как горят… Вскоре после этого великого ученого не стало… Так что же такого замечательного сделал Ньютон в механике? А то, что он открыл и сформулировал свои законы: три закона движения и один – всемирного тяготения. Кратко основная идея законов движения Ньютона состоит в том, что изменение скорости тел вызывается только их взаимным действием друг на друга. Да полноте, неужели люди до этого не знали таких простых вещей? Представьте себе, что нет, а многие не знают и до сих пор. Возьмем первый закон Ньютона (это тот, который иногда несправедливо приписывают Галилею). Сам Ньютон сформулировал его очень уж мудрено, как, кстати, и во многих школьных учебниках. Автор полагает, что более кратко и проще всего говорить так: «Тело пребывает в покое или движется равномерно и прямолинейно, если равнодействующая внешних сил, приложенных к нему, равна нулю». Вроде бы и придраться тут не к чему. А то пишут в некоторых учебниках: «…если на тело не действуют силы или другие тела…». Неточно это, и вот вам подтверждающий пример. По прекрасному ровному шоссе едет автомобиль с выключенным двигателем (как говорят, «накатом»), медленно сбавляя скорость. И ревя двигателем от натуги, бульдозер тащит перед собой целую гору песка, но движется равномерно и по прямой, хотя и медленно (рис. 26). Которое из этих движений можно назвать движением по инерции? Да конечно, второе, хотя так и хочется указать на первое. Самое главное, что тело движется равномерно и прямолинейно. Все, этого уже достаточно, больше ничего и не нужно. Автомобиль в первом примере хоть и медленно, но замедляется. Следовательно, силы, действующие на него, не скомпенсированы: сопротивление есть, а силы тяги – нет. А на бульдозер действуют много тел, каждое со своей силой, но все силы скомпенсированы, их равнодействующая равна нулю. Вот почему он и продолжает двигаться равномерно и прямолинейно, то есть по инерции. Рис. 26. Движение автомобиля накатом и загруженного бульдозера Теперь понятно, почему остановился автомобиль полковника Циллергута: потому что движение его с выключенным двигателем не имеет никакого отношения к движению по инерции. На этот автомобиль действует неуравновешенная система сил, равнодействующая которой направлена назад. Вот и замедляется автомобиль, пока совсем не остановится. К сожалению, многие из нас часто неправильно толкуют термин «по инерции». По инерции крутится маховик, по инерции я ударился лбом о стекло, когда автомобиль затормозил… Все это бытовые понятия инерции. Строгое же только то, которое определяется первым законом Ньютона. Который до него, может, не так точно, но сформулировал… нет, не Галилей – Декарт! Итак, Ньютон понял одну из сокровенных тайн природы и продолжал постигать эти тайны. «Господь Бог изощрен, но не злонамерен!» – любил говорить Эйнштейн и даже выгравировал эти слова у себя на камине. Это означает, что при должном старании человек постигает-таки одну за другой тайны Создателя, который не запрещает напрочь ему это делать. И таким человеком, разгадавшим наибольшее число этих тайн, пока, видимо, был и остается Ньютон. А когда его спрашивали, каким образом он мог видеть так далеко в науке, он скромно отвечал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов!» Что влечет тела друг к другу? Ньютон не назвал конкретные имена и фамилии этих гигантов, но по крайней мере одного из них можно назвать точно. Сдается, что это был… нет, опять не угадали, хотя это имя и упоминают обычно первым в числе гигантов, это не Галилей. Кажется, это был Иоганн Кеплер (1571—1630). Пару слов о гиганте, которого ученые назвали «законодателем неба». «Законодатель неба» родился в 1571 г. в Южной Германии в бедной семье, но сумел окончить школу и университет в г. Тюбингене. Надо сказать, что и умер он также в бедности в 1630 г., и после него семье осталось одно изношенное платье, две рубашки, несколько медных монет и… почти 13 тысяч гульденов невыплаченного жалованья! И еще говорят, что раньше ученым платили вовремя и много… Автор, рискуя, что его побьют коллеги, утверждает, что плохо, когда ученые живут богато – голова у таких думает не о том, о чем надо. Не о новых законах природы они пекутся, а о том, в какой банк и под какие проценты положить свои сокровища. «Ибо, где сокровище ваше, там будет и сердце ваше», – сказал Господь. Еще поэт Петрарка заметил, что богатство, как, кстати, и крайняя бедность, мешают творчеству. Поэтому если науку будут продолжать держать на голодном пайке, то одно (к сожалению, лишь только одно!) уже точно будет хорошо: туда не будут рваться хапуги и коммерсанты. Да из истории науки и трудно назвать ученого (настоящего, а не коммерсанта с ученой степенью!), который был бы по-настоящему богат. Исключая королей-ученых, которые, кстати, тоже бывали. Итак, Кеплеру пришлось за жизнь хлебнуть немало горя и забот. Он был болезнен, страдал странной болезнью – множественностью зрения. (Каково для астронома, а? Все равно что глухой музыкант, но и такие бывали, Бетховен, например!) Опять же бедность, хотя работал он придворным астрономом и астрологом. Да и мамаша ему подсунула сюрприз – возьми да и скажи своей соседке еретические слова: «Нет ни рая, ни ада, от человека остается то же, что и от животных!» Дошло это до «кого надо», и не миновать бы ей костра (а на родине Кеплера в маленьком городке Вейле только за 14 лет было сожжено 38 еретичек!), если бы не 6 лет «адвокатства» Кеплера! И вот среди таких забот и хлопот Кеплер ввел в механику понятия «инерция» и «гравитация», причем последнюю определил как силу взаимного притяжения тел. Все почти правильно, если бы только Кеплер не связывал это притяжение с магнетизмом и не считал, что «Солнце, вращаясь, постоянными толчками увлекает планеты во вращение. И только инерция мешает этим планетам точно следовать вращению Солнца». Оказывается, «планеты смешивают косность своей массы со скоростью движения»… В общем, мешанина получилась изрядная. Но законы Кеплера о движении планет – это шедевр, и они подтолкнули Ньютона к осмыслению закона всемирного тяготения. Первый закон Кеплера – об эллиптическом движении планет. Раньше все думали, что планеты движутся по кругам (опять эти магические круги: и Коперника, и Галилея сбивали с толку!). Кеплер доказал, что это не так и планеты движутся по эллипсам, в фокусе которых находится Солнце. Второй закон – это о том, что, подходя ближе к Солнцу, планеты (да и кометы!) движутся быстрее, а отходя от него – медленнее (рис. 27). А третий закон уже строго количественный: квадраты периодов обращения любых двух планет относятся между собой как кубы их средних расстояний от Солнца. Рис. 27. Иллюстрация второго закона Кеплера Тут уже немного осталось и до осмысления, какие же силы управляют движением планет. Современник Ньютона и старший его коллега, а может быть, один из тех гигантов, на плечах которых стоял Ньютон, Роберт Гук в 1674 г. писал, что «…все без исключения небесные тела обладают направленным к их центру притяжением… и эти силы притяжения действуют тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют». Диву даешься, насколько близок был Гук к открытию закона всемирного тяготения, но он сам не захотел этим заниматься, ссылаясь на занятость другими работами. Впервые мысль о точном определении гравитации возникла еще у Ньютона-студента (вспомните миф о падении яблока на его голову!), но вычисления не дали желаемой точности. Дело в том, что для вычислений Ньютон использовал величину земного радиуса, неточно определенную голландским ученым Снеллиусом, и, получив значение ускорения Луны на 15 % меньше наблюдаемого, с горечью отложил эту работу. Потом уже, через 18 лет, когда французский астроном Пикар более точно определил величину радиуса Земли, Ньютон заново взялся за свои отложенные вычисления и доказал правильность своего предположения. Но и после этого Ньютон не спешил публиковать свое открытие. Он тщательно проверил новый закон на движении планет вокруг Солнца, на движении спутников Юпитера и Сатурна, а также на движении комет и решился-таки опубликовать закон всемирного тяготения в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной философии» в 1687 г., где изложены и три его закона движения. Вот как этот закон можно попроще и попонятнее сформулировать: «Всякое тело притягивает другое тело с силой, прямо пропорциональной массам этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними». Например, два человеческих тела при расстоянии между ними в 1 м притягиваются с силой примерно в одну сороковую долю миллиграмма-силы. Это менее одной миллиардной доли той силы, которая нужна, чтобы сдвинуть нас с места. Два корабля массой 25 000 т каждый на расстоянии 100 м притягиваются с ничтожной силой 4 Н, и нелепые объяснения столкновения судов из-за их взаимного притяжения лишены смысла. От силы притяжения не спасают никакие преграды или экраны. Хотя многие мечтали найти такой экран: то и дело слышишь, что, дескать, в XXI в. ученые найдут средство избавляться от гравитации. Уже чертят проекты домов без фундамента и машин-гравилетов, летающих без топлива. Поиски эти не новы – еще английский фантаст Герберт Уэллс воспользовался идеей «гравитационного щита», якобы изготовленного из особого материала, названного в честь автора – изобретателя Кэвора – кэворитом. Если этот щит подвести под какой-нибудь предмет, то он освободится от притяжения Земли и будет притягиваться только небесными телами, т. е. взлетит. Герои Уэллса сооружают межпланетный корабль, покрытый кэворитом; открывая и закрывая соответствующие шторы, они притягиваются к той части пространства, куда хотят лететь, и таким образом перемещаются в космосе. Доводы фантаста звучат убедительно: мы знаем, что экран из какого-нибудь проводника (например, лист металла) является непроницаемым для электрического поля; сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле и т. д. Тем более появившееся в печати сообщение об измерениях французского астронома Аллена подтвердили, что Луна, заслоняя нас от Солнца, создает и некоторую «гравитационную тень». Но оказалось, что эта «тень» явилась лишь ошибкой приборов. Высказывались мысли, что гравитация, дескать, действует только на небесные тела, но не на нас с вами. Так, английский физик Генри Кавендиш построил специальные очень точные так называемые крутильные весы и одним из первых в 1798 г. измерил гравитацию на Земле. В этих весах на тонкой и прочной нити на коромысле были подвешены грузы, которые притягивались двумя массивными шарами из свинца массой 50 кг (рис. 28). Прибор Кавендиша был заключен в воздухонепроницаемую камеру, а движение коромысла улавливалось оптическими приборами. Так была определена «гравитационная постоянная», которая оказалась равной 6,67·10 – 11 Н?м2/кг2, иначе говоря, два шара массой 1 000 кг каждый, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, притягиваются с силой 6,67 стотысячных долей ньютона! Рис. 28. «Крутильные весы» Г. Кавендиша для определения гравитации Вот как слабы, ничтожны гравитационные силы, и вместе с тем именно они и «движут миром», определяя полет планет, звезд, комет и других небесных тел. Падение тел на Земле, кстати, тоже дело «рук» гравитации, так что она не только всемирна, но и вездесуща! Чем сильны слабые силы гравитации? Вот тут-то мы подходим к пониманию основного закона движений Ньютона – второго. Уже понятно, что тела, предоставленные самим себе, движутся по прямым, причем равномерно. Уже знаем и о том, почему сворачивают со своего естественного пути планеты и кометы, попадая в зону действия сил гравитации. Но как связать все это с нашим земным, обыденным движением тел? Каким же образом они движутся, и как силы управляют этим движением? Движение тел под действием сил определяет второй, или, как его называют, основной закон Ньютона. Выражаясь современным языком и делая его попроще и доступнее для понимания, мы формулируем его так: «Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение». Вот так коротко и, кажется, просто выразилось то, что безуспешно пытались понять ученые всех времен до Ньютона. Но мы получили новый термин – «ускорение». Сам Ньютон не пользовался этим термином в формулировке своего закона, тем не менее нам так понятнее. Ускорение – это изменение скорости во времени как по величине, так и по направлению. Планеты, движущиеся в космическом вакууме по окружности, например, изменяют свою скорость только по направлению. Пуля в стволе ружья меняет скорость по величине. И в результате того и другого мы получаем ускорение. А виновником ускорения является сила. Представим себе падение тела на Землю с большой высоты. Пока расстояние до Земли велико, сила притяжения мала и тело ускоряется слабо. Но тем не менее движется к Земле ускоренно. У поверхности Земли ускорение достигает так называемого ускорения свободного падения – 9,81 м/с2, и тело падает на Землю. А что если в этом месте будет бездонный колодец до другой стороны Земли, ну, допустим, до Америки? Что, гравитация и ускорение будут возрастать или убывать в этом колодце, и как поведет себя падающее тело? Ученые определили, что если бы Земля была полой, ну как мяч, например, и вся масса ее была бы заключена в оболочке, то, оказавшись внутри ее, тело мгновенно стало бы невесомым (рис. 29). То есть гравитация, конечно же, не исчезла бы, но тело притягивалось бы во все стороны одинаково, и равнодействующая всех сил притяжения была бы равна нулю. Вот и двигалось бы это тело от одного края такой Земли до другого совершенно равномерно и прямолинейно, т. е. по инерции. А выскочив с другой стороны, тело это, постепенно замедляясь, достигло бы той высоты, с которой падало, не будь, конечно, сопротивления воздуха. Рис. 29. Полая Земля и люди внутри нее Хорошо, но ведь Земля не полая, как же тогда? А тогда дело обстоит сложнее. Если бы земной шар был совершенно однороден по плотности, то сила гравитации и ускорение падения стали бы уменьшаться сразу после залета тела в колодец. Действительно, тело это стало бы частично притягиваться верхними слоями Земли вверх, что и ослабило бы суммарную силу притяжения. Но из-за того, что Земля очень плотная в центре, гравитационная сила и ускорение еще некоторое время будут возрастать и в колодце, но потом все-таки начнут падать и станут равными нулю в центре Земли. И что, падающее тело «зависнет» там? Нет, оно опять же по инерции проскочит этот центр и, замедляясь, прилетит к другому краю колодца, выскочит оттуда, достигнет высоты, с которой падало на землю и т. д. Но это если не будет сопротивления воздуха. С воздухом все будет иначе. Скорость тела будет все время падать, по сравнению с той, которая была бы в тех же точках, но без воздуха, а в конце концов тело остановится в центре Земли. Интересно, что если бы бросать тело не с высоты, а с самого края бездонного колодца, то в центре Земли тело приобрело бы первую космическую скорость – 8 км/с, а весь путь туда и обратно занял бы всего 84 минуты и 24 секунды, т. е. около полутора часов (рис. 30). Рис. 30. Движение тела в «бездонном» колодце А если этот колодец рыть не вертикально вниз, а по хорде земного шара? Можно было бы прорыть так туннель между двумя большими городами и ездить без затрат энергии. При отправлении поезд как бы «проваливался» в туннель под большим углом, разгонялся к середине туннеля, а затем выскакивал бы на станцию назначения (рис. 31). Проект этот был описан в брошюре почти вековой давности с оригинальным названием: «Самокатная подземная железная дорога между С. – Петербургом и Москвой. Фантастический роман пока в трех главах, да и то неоконченных». Автор «романа» А. А. Родных считал, что, во-первых, такой туннель соединял бы города по кратчайшей линии, а во-вторых, поезд там якобы должен двигаться сам собой, под действием сил гравитации, как и вышеупомянутое тело в бездонном колодце. С той лишь разницей, что тут нужны колеса, опирающиеся на рельсы, так как составляющая сил гравитации, направленных к центру Земли, будет прижимать поезд к рельсам особенно сильно в центре туннеля. Рис. 31. Самокатная подземная железная дорога между С. – Петербургом и Москвой Интересно то, что, не будь сопротивления движению такого поезда, поездка в этом туннеле заняла бы то же время, что и полет в бездонном колодце, – 42 минуты и 12 секунд в один конец. Автор специально не называет длину такого туннеля, она не играет роли – между какими угодно точками на Земле поезд в таком туннеле будет идти одно и то же время. Правда, с разной скоростью – чем короче туннель, тем меньше скорость, а максимальной она будет в бездонном колодце в его центре – 8 км/с. Конечно, в то время, когда была написана брошюра А. А. Родных, такой проект был бы совершенно фантастичным. Речь не идет даже о трудностях рытья туннеля – не очень глубокий можно было бы прорыть уже в наше время. Но шел бы в таком туннеле поезд сам собой? Да, шел бы, под действием сил гравитации, и только первую половину пути, где эти силы разгоняли бы его. На второй половине силы гравитации направлены уже против движения и они будут тормозить разогнанный поезд. К этим силам присоединятся силы сопротивления воздуха, огромные на больших скоростях, особенно при движении в трубе-туннеле; поезд играл бы здесь роль поршня в насосе. Немалую роль сыграют колеса поезда, которые, кроме сопротивлений их движению по рельсам, таят еще одну опасность: скорости свыше 300 км/ч они переносят плохо, а при больших могут и вообще разорваться на страшные осколки. Современная техника могла бы предложить вместо колес магнитную подвеску поезда, а также систему откачки воздуха из трубы-туннеля, которую всерьез рассматривают создатели скоростных магистралей в США и Японии. Тогда оставалась бы одна трудность – рытье туннеля на большой глубине. Но этого и не надо делать. Вполне достаточно заглубиться на некоторую, технологически удобную глубину и вести туннель как бы параллельно поверхности Земли, т. е. по радиусу. На выходе из туннеля следовал бы небольшой подъем – и дело сделано. Такой профиль туннеля, называемый «горочным», уже используется при строительстве метро и других подземных магистралей (рис. 32). Удобно здесь то, что на разгон поезда не уходит так много мощности, он разгоняется как бы сам собой, а при выходе подъем тормозит поезд без тормозов, что также выгодно. Идет энергия только на поддержание скорости в средней части туннеля, что не очень много. Вот как гравитация могла бы помочь транспорту. Рис. 32. «Горочный» профиль туннеля Силы гравитации не только притягивают тела друг к другу – они еще сжимают их. Да, да, они сжимают и нас с вами, и атмосферу (она обязана этому своим давлением!), и воду в морях и океанах, которая «выталкивает» из себя и корабли, и людей, когда они плавают. В космическом корабле этой Архимедовой выталкивающей силы практически нет! Да и сам земной шар приобрел такую форму и держит ее устойчиво только благодаря гравитации. Не будь ее, он рассыпался бы во все стороны в экваториальных плоскостях от суточного вращения Земли (рис. 33). Ведь скорость точки на экваторе – почти 0,5 км/с, такая скорость маховики разрывает, не то что рыхлую землю! То, что сохраняется форма земного шара (вернее, геоида), вода и атмосфера на нем – заслуга гравитации! Рис. 33. Разрыв Земли от вращения при исчезновении гравитации Гравитационные силы в физике считаются чрезвычайно слабыми. Так, например, в атомах гравитационное притяжение электронов к ядру слабее, чем электрическое, в число с сорока нулями! Но эти же «ничтожные» силы считаются в физике дальнодействующими. Когда речь идет об огромных массах, даже удаленных на большие расстояния, действие сил гравитации огромно. Даже далекая планета Нептун притягивает Землю с силой 18 х 1010 Н! Ну а силу притяжения Земли и Солнца даже представить трудно. Если «привязать» Землю к Солнцу тросами диаметром 5 м каждый, выдерживающими по 2 х 1010 Н натяжения, то таких тросов понадобится миллион миллионов, чтобы заменить силу притяжения Земли и Солнца! Этот лес стальных тросов густо усеял бы всю половину земного шара, обращенную к Солнцу, но вся эта колоссальная сила притяжения нужна лишь для того, чтобы каждую секунду сворачивать Землю с ее «естественного» инерционного прямолинейного движения только на 3 мм! Вот как сильна «слабая» гравитация! Периодически в газетах появляются сообщения о некой «антигравитации», которую якобы получил тот или иной изобретатель. Естественно, по законам того мира, в котором мы живем, никакой антигравитации быть не может. Но это не помешало, например, фирме «Боинг» в городе Сиетле (США) финансировать проект по облегчению взлета самолета с помощью антигравитации. Проект секретный – еще бы, если дело не выгорит, весь мир станет смеяться! Аристотель был прав? Все, наверное, еще из школьных учебников помнят, что великий ученый древности Аристотель утверждал: легкие тела падают медленнее тяжелых. Кстати, в этом может легко убедиться каждый из нас, даже не выходя из комнаты. Но Галилей будто бы доказал, что и легкие, и тяжелые тела падают совершенно одинаково. Раз уж речь снова пошла о Галилее, не мешало бы нам познакомиться кратко с его биографией. Ведь о Галилее думают и пишут кто что хочет. Вот результаты опроса автором своих студентов о том, кто такой Галилей: – это тот ученый, которого инквизиция сожгла на костре за проповедование учения Коперника; – это тот мученик, который сидел в каземате в инквизиционной тюрьме, а на суде, топнув ногой, крикнул: «И все-таки Земля движется!», за что ему накинули срок; – это ученый, придумавший подзорную трубу, называемую с тех пор «трубой Галилея»; – это тот ученый, который первым сформулировал закон инерции, который почему-то называется «законом Ньютона». Были и такие ответы, где Галилей представлялся монахом-отшельником; ученым, обнаружившим, что Земля круглая; тем, кто впервые доказал вращение Земли вокруг Солнца; был даже такой респондент, который утверждал, что Галилей – воспитатель Иисуса Христа, которого из-за этого называли «галилеянином». Более того, широко известны картины «Галилей в темнице» художника Пилоти, а особенно картина «А все же движется!» художника Гаусмана, где изображен суд инквизиции над героическим ученым. Откуда все это? Почему именно Галилей оказался объектом столь разноречивых мнений, причем совершенно неверных. Ни одно из приведенных выше мнений не верно. Не сжигали Галилея на костре, не сидел он в каземате, не применялись к нему пытки, не топал он ногой, восклицая: «А все-таки Земля движется!» – это все мифы и легенды. Да, были у него столкновения с инквизицией, но общий язык был быстро найден. Из протокола заседания инквизиционной комиссии следует, что Галилея только «увещевали», и он быстро согласился с этими «увещеваниями». Когда же Галилей высказал папе Павлу V свое опасение, что его будут беспокоить и впредь, то папа утешил его, сказав, что он может жить спокойно, потому что он пользуется таким весом в глазах папы, что пока он, папа, жив, Галилею не грозит никакая опасность. Нужно лишь отметить что правда взаимоотношений Галилея и инквизиции была определена лишь путем анализа оставшихся документов с помощью новейших средств – рентгена, ультрафиолетового излучения, даже графологического исследования в 1933 г. Дело в том, что документы, относящиеся к процессу Галилея, были неоднократно подчищены, фальсифицированы самым хитрым способом, причем часть строк оказалась подлинной, а часть – вписанной уже после. Но правда была восстановлена, и она не в пользу принципиальности и героизма Галилея. Так что картины о Галилее могут иметь только художественную ценность. В 1589 г. 25-летний Галилей был назначен профессором университета в Пизе. В этом же университете Галилей и получил свое образование; правда, 3 года проучившись на медика, он потом передумал и занялся математикой и астрономией. Автор не зря это отмечает: сомнения и «передумывания» очень уж характерны для Галилея. В 1597 г. при переписке с Кеплером Галилей получает в подарок от великого астронома только что вышедшую его книгу «Космографическая тайна», где Кеплер развивал учение Коперника, и предложил ему, Галилею, делать то же. Но Галилей даже не ответил на последнее письмо Кеплера, испугавшись того, что переписка с протестантом Кеплером могла набросить на него тень в глазах церкви. Очень уж осторожен был «герой-мученик». К тому же периоду пребывания Галилея в Пизе относится миф о том, что ученый делал опыты по бросанию тяжелых тел с наклонной Пизанской башни (рис. 34). Невероятность этого мифа, как подчеркивают исследователи Галилея, состоит в том, что ученый, ведший очень скрупулезные записи своих наблюдений и опытов, ни словом об этом не упоминает. Он просто катал тяжелые шары по желобу, это было. Рис. 34. «Падающая» башня в Пизе, с которой Галилей якобы сбрасывал грузы В Пизанском университете Галилей получает жалованье в 60 флоринов в год, но ему этого показалось мало и он, бросив «альма-матер», переезжает в Падую, где ему предложили втрое больший оклад. И вдруг ему назначают оклад аж в 1 тысячу флоринов и пожизненно закрепляют за ним кафедру в университете за то, что он «изобрел» подзорную трубу и предоставил ее в распоряжение венецианского правительства. Это произошло в 1609 г., а за год до этого подзорную трубу изобрел (но уже без кавычек) голландец Иоганн Липпершей (1570—1619) и запатентовал ее в Нидерландах, о чем Галилею было известно, а венецианскому правительству – нет (рис. 35). Это что касается мифа о подзорной «Галилеевой» трубе. Рис. 35. Телескопы Галилея, изобретенные и запатентованные за год до него И. Липпершеем Им действительно открыты спутники Юпитера (с помощью «Галилеевой», а вернее, Липпер-шеевой трубы). Он верноподданически посвятил их герцогу Тосканскому Козимо II Медичи, назвав после многочисленных согласований с администрацией герцога «Медичиевыми звездами». Это не вызвало восторга ученых – коллег Галилея, но акции Галилея сильно возросли, и уже последовал заказ от самого короля Генриха IV на название следующей звезды… И на всякий случай: Иисуса Христа называли «галилеянином» не за то, что он был (чего не могло быть хронологически) последователем Галилея, а за то, что происходил из иудейской провинции Галилея. Об ошибках Галилея в определении «инерционного» движения уже говорилось выше. Да и доказательство того, что тяжелые и легкие тела падают одинаково быстро, сформулированное Галилеем, также оказалось неверным. Тяжелые тела падают быстрее, чем легкие, – эта совершенно правильная мысль Аристотеля уже почти 500 лет, со времени Галилея, считается ошибочной. Не верьте на слово даже Галилею, проверьте сами. Что, пушинка и гиря, выброшенные из окна, приземлятся за одно и то же время? Ах, сопротивление воздуха мешает? Тогда проведите этот же опыт хоть на Луне, где почти нет атмосферы, да только время падения измеряйте поточнее. И увидите, что даже в вакууме тяжелые тела падают быстрее легких, а детям в школах уже сотни лет морочат голову, что гиря и пушинка падают за одно и то же время. Что же такое «время падения тела?» Это время, прошедшее между моментом освобождения тела (отпусканием груза) и его приземлением (прилунением и т. д.). Определим его. По закону всемирного тяготения на груз и на саму планету (Землю, Луну, астероид, и т. д.) действуют одинаковые по величине и направленные друг к другу силы: F = ? Mm/ r 2, где ? – гравитационная постоянная; М, m – массы планеты и груза; r – расстояние между центрами масс этих тел. Ускорение груза: aгр =F, ускорение планеты: aпл = F(ускорения mM для простоты считаем постоянными). Скорости груза и планеты: V гр = a гр t; V пл = a пл t, где t – время. Скорость сближения этих тел (скорость падения): Vпад = (агр + апл)t, при этом средняя скорость падения: V пад. ср = V пад. к. / 2 где Vпад. к – скорость приземления тела. Время падения (оба тела приближенно считаем точками): t = 2r / Vпад. к. Подставляя Vпад. к., получим: Запомните эту формулу – вот истинное время падения одного тела на другое. Так как в знаменателе под корнем сумма масс тел, то при постоянной массе планеты М чем больше масса груза m, тем меньше время падения, т. е. тем быстрее тело падает. Уж если мы хотим быть корректными, то надо говорить, что ускорение одновременно падающих в пустоте тел одинаковое, но при падении порознь тяжелое тело даже в пустоте шлепнется с высоты быстрее, чем легкое, согласно Аристотелю. Потому что сама планета, или пусть даже астероид, на который падает тело, будет тем быстрее двигаться навстречу, чем тяжелее (массивнее) падающее тело. Так что не стоит слепо верить мнениям, даже авторитетным. Правильно говорил Козьма Прутков, что если на клетке слона прочтешь «буйвол», не верь глазам своим! Но позвольте, если Галилей не проводил опытов по бросанию шаров с наклонной Пизанской башни, то откуда его доказательство, что быстрота падения тел не зависит от их тяжести? Доказательство это построено на формальной логике, и, на взгляд автора, это чистой воды софистика. Посудите сами, вот цитата из Галилея: «Уважаемые сеньоры, представьте, что вы взошли на башню, имея две монеты в 5 и 3 скудо. Первая должна падать быстрее, вторая – медленнее. Если вы свяжете монеты бечевкой, вес возрастет, и они должны падать быстрее, но, с другой стороны, монета в 3 скудо, как более легкая, должна тормозить 5 скудо. Получаемое противоречие снимается одним утверждением – вес предмета не влияет на скорость свободного падения». Давайте задумаемся, какое падение Галилей имел в виду: в воздухе или пустоте? Конечно, в воздухе, потому что пустота, или вакуум, был открыт только его учеником Торричелли, причем гораздо позже; да и никому в голову еще долго после этого не могла прийти мысль бросать тела в пустоте – об аэродинамике тогда не имели понятия, а пустота существовала только в крохотном верхнем конце трубочки ртутного барометра Торричелли. Но тогда быстрее всего будет падать монета в 5 скудо, медленнее – связка из двух монет, а наиболее медленно – монета в 3 скудо, причем в связке эта последняя аэродинамическим сопротивлением будет именно тормозить монету в 5 скудо. Таким образом, рассуждение Галилея неверно, можно сказать, «скудно». А теперь послушайте предложенное автором доказательство того, что тяжелые тела падают быстрее легких, и опровергните, если можете: «Представьте себе, что вы взошли на башню, имея две матрешки: большую тяжелую, и маленькую полегче. При этом большая падает быстрее меньшей – так выбраны массы и аэродинамика этих матрешек. Если мы вложим меньшую в большую, то полученное тело будет падать быстрее всего, так как большая матрешка „берет на себя“ все аэродинамические сопротивления, в этом можно убедиться экспериментально. Значит, тяжелые тела падают быстрее легких». Что же произойдет в пустоте или вакууме? И в первом (Галилеевом), и во втором (автора) случаях связка монет или две матрешки упадут на Землю быстрее, чем эти тела порознь, причем более тяжелое тело упадет быстрее. Почему – уже было сказано выше. Что же касается падения тел в так называемой трубке Ньютона, то тут, простите, все правильно (рис. 36). И дробинка, и пушинка приземлятся в вакууме одновременно, потому что летят вместе, притягивая к себе Землю совместно, общей массой. А вот попробуйте сбросьте на Землю легкий астероид с высоты Луны, а потом и саму Луну (предварительно остановив ее, конечно, и убрав с земли астероид, для точности!) И измерьте разницу во времени падения, которую, кстати, несложно вычислить. А потом и говорите, кто прав: Аритотель или Галилей! Рис. 36. Трубка Ньютона Свобода… в падении? Выше мы говорили о падении легких и тяжелых тел, иначе говоря, предметов легкого и тяжелого веса. Интересно, а какой вес у этих предметов в падении, т. е. пока они летят вниз, разумеется, без учета сопротивления воздуха. Взвешивание дает нулевой результат – ничего не весят, ни легкое, ни тяжелое. А если нет веса – следовательно, невесомость? Что, так легко получить невесомость даже на Земле? Зададимся вопросом: что такое вес? Это сила, с которой тело давит на опору – чашу весов, пол и т. д. Нет опоры – нет и веса. Галилей, о котором мы так много говорили, писал: «Мы ощущаем груз на наших плечах, когда стараемся мешать его падению. Но если станем двигаться вниз с такой же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как же может он давить и обременять нас?» Вот и описание невесомости уже в XVII в. Если стрелять из пушки с горы, как это описывал великий Ньютон, то ядро пушки с увеличением скорости летело бы, а стало быть, и падало на Землю все дальше и дальше от орудия, пока при первой космической скорости 8 км/с не начало бы облетать земной шар по кругу и стало бы спутником Земли (рис. 37). Во всех этих случаях ядро находилось бы в состоянии невесомости, так как оно падало, не опираясь ни на что. А начав вращаться вокруг Земли, эта невесомость сохранилась бы на все время полета ядра. Интересно, что полный облет вокруг земного шара ядро совершало бы за те же 84 минуты и 24 секунды, что и при движении тела в бездонном колодце и наклонном туннеле! Рис. 37. «Гора Ньютона», с которой якобы стреляет пушка, и траектории пушечного ядра, выпущенного с различной скоростью: а – до 8 км/с; б – 8 км/с При дальнейшем увеличении скорости ядра оно будет вращаться вокруг Земли по эллипсу, а при скорости свыше 11,2 км/с навсегда покинет Землю как спутник. Но во всех случаях оно будет в невесомости. Значит ли это, что ядро не притягивается Землей? Нет, на него действует сила гравитации, но нет опоры, и ядро это движется с ускорением. Но оно ни на что не давит, и поэтому веса не имеет. Масса, разумеется, сохраняется той же, более того, тела внутри ядра (или космической станции) притягиваются друг к другу силами гравитации (конечно, ничтожно малыми), просто эти тела летят все вместе и независимо. В романе «Из пушки на Луну» Жюль Верн тоже предполагал невесомость, но только тогда, когда ядро с пассажирами, выпущенное из огромной пушки на Луну, достигло точки, в которой притяжение Земли и Луны было одинаково. Вот тогда наступили все удивительные явления, которые мы так обыденно наблюдаем в репортажах с космических станций, – космонавты свободно парят в воздухе, вода не выливается из бутылки, предметы висят в пространстве в самых нелепых положениях. Но тут Жюль Верн ошибался – эта невесомость должна была наступить сразу же после преодоления ядром земной атмосферы. Часто сравнивают невесомость с плаванием тел, когда их сила тяжести компенсирована выталкивающей силой воды. Это совсем не одно и то же. Выталкивающие силы действуют на поверхность тела, но все, что находится внутри, имеет вес. Не летают же матросы внутри подводной лодки, как космонавты. Вместе с тем вся подводная лодка в воде уравновешена и, стало быть, веса не имеет. Ныряльщик, находящийся в воде, тоже «не имеет веса» в ней, но и его сердце, и желудок, и мозги продолжают весить свое и давить на соответствующие места ныряльщика. Именно падающие без сопротивления тела невесомы. Основываясь на этом, был создан аттракцион для любителей острых ощущений. В обтекаемом, наподобие бомбы, большом контейнере помещаются эти любители, затем контейнер поднимается вертолетом на большую высоту над озером и сбрасывается вниз. И на всем протяжении полета пассажиры этой «бомбы» ощущают невесомость. Вернее, почти невесомость, так как какое-то сопротивление действует на «бомбу». Ну а при падении «бомбы» в воду пассажиры испытывают перегрузки – расплату за невесомость. Таким же образом можно создавать «невесомость» и в самолете, например, пикирующем вниз, да еще с некоторой тягой двигателей, компенсирующей сопротивление воздуха. Такой самолет падает с ускорением свободного падения – 9,81 м/с2 и внутри него почти полная невесомость. Но под конец падения приходится делать вираж, чтобы не стукнуться о Землю. Вот здесь-то природа отыгрывается на пассажирах перегрузками! Аналогичная ситуация у космонавтов: в первые секунды полета, когда работают двигатели, на космонавтов действуют перегрузки, соизмеримые с перегрузками летчиков при сильных виражах. Но ничто не могло сравниться с перегрузками пассажиров пушечного ядра, выпаленного из огромной пушки на Луну в романе Жюля Верна. Ведь в течение ничтожно малого промежутка времени, всего в сотые доли секунды, скорость пассажиров возросла от 0 до 16 км/с (почему-то именно эту скорость выбрал великий романист). Из-за трения о воздух эта скорость изменяется до 11 км/с и снаряд приобретает скорость, достаточную для полета на Луну. Такое быстрое падение скорости на 4 км/с тоже вызвало бы перегрузки, но что хуже всего, движущийся с такой скоростью в плотных слоях атмосферы снаряд просто сгорел бы, как метеорит. Правда, пассажиры снаряда все равно не сгорели бы заживо; они сгорели бы замертво, потому что перегрузка при выстреле была бы не менее 60 000 g, где g – известное всем ускорение свободного падения, равное 9,81 м/c2. Таким образом, пассажиры стали бы весить в 60 000 раз тяжелее, и, конечно же, они тут же были бы раздавлены в лепешку. Только шляпа мистера Барбикена (одного из пассажиров) весила бы около 150 кН. Эта шляпа одна раздавила бы ее владельца. Что же, идея полета из пушки на Луну, да и вообще в космическое пространство, порочна? Автор полагает, что нет. Еще известный популяризатор науки Я. И. Перельман подсчитал, что если подвергнуть пассажиров «только» десятикратному увеличению веса, то можно было бы обойтись пушкой, длиной в 600 км. Что ж, это уже ближе к реальности, но и это много. Лучше убавить скорость вылета снаряда до 8 – 10 км/с, сделав ствол пушки, а вернее, достаточно тонкостенной трубы, длиной всего 300 км. Но нужно предварительно выкачать из трубы воздух, чтобы не «сжечь» космонавтов аэродинамическим разогревом, и существенно снизить мощность на «выстрел» – запуск «снаряда». Наружный конец трубы желательно поднять на высоту около 10 км, чтобы избавиться от сопротивления плотных слоев атмосферы. Можно было бы обойтись в принципе и высотой Эвереста, тем более чем ближе к экватору, тем больше «разгона» снаряда берет на себя сама Земля – на экваторе скорость Земли в суточном вращении около 0,5 км. Но если политики и экологи не захотят предоставлять Эверест в качестве стартовой площадки для запуска космических снарядов, то в нашем распоряжении «ничейная Антарктида». На этом холодном материке «ничего не стоит» наморозить покатую гору высотой хоть с Эверест, подавая воду мощными насосами. Сама Антарктида на возвышенности, природа там уже «наморозила» основание 2 – 3 км, так что останется немного. На этом ложе нужно установить трубу наподобие газовой (рис. 38), даже еще тоньше, со стороны входа поместить снаряд, со стороны выхода натянуть тонкую пленку и выкачать воздух. Разгон снаряда лучше всего вести электромагнитным методом, тем более способ этот хорошо разработан. Электропушки существовали уже более 50 лет тому назад, а сейчас они достигли такого совершенства, что стреляют снарядами выше первой и второй космических скоростей, правда, в космосе, где нет сопротивления воздуха. Но и у нас тоже его нет! Верхний слой разреженной атмосферы наш снаряд «прошьет» так быстро, что не успеет и нагреться. Рис. 38. Космическая пушка в Антарктиде ученых-коллег! Одним словом, вот вам и конвейер по запуску спутников, дешевый и производительный! Остается добавить, что проект этот автор опубликовал в одной из московских газет в 1996 г. в рубрике «Проекты века». Но под псевдонимом – чтобы не дразнить Движение без опоры? Прочитав про движение снарядов и других свободных тел, не соприкасающихся ни с какой опорой, или, «по-научному», связью, зададимся вопросом: а вообще, можно ли двигаться без опоры? Что-то незаконное слышится в этом вопросе-подвохе, все мы слышали хотя бы краем уха о невозможности движения без опоры. Даже Архимед вроде бы просил у кого-то опору, чтобы сдвинуть Землю (рис. 39), но так ее и не получил. Рис. 39. «Дайте мне опору…» Отвечу на этот вопрос совершенно серьезно: можно, причем сколько угодно – но по прямой и с постоянной скоростью. Ведь именно так движется тело, на которое никакие другие тела своими связями не действуют, либо реакции этих связей скомпенсированы, что одно и то же для самого тела. Но почему-то создателей «безопорной техники» (а их очень много, они делят первое-второе место по численности с создателями вечных двигателей) такое движение не устраивает. Им бы свернуть кое-где надо, затормозить или разогнаться. Но этого сделать, к сожалению, нельзя. Законы физики не разрешают и Тот, Кто их создал. А тот, кто эти законы, по крайней мере для движения, разгадал, говорит, что изменить состояние движения тела, то есть ускориться, можно, только приложив к этому телу силы. Причем внешние (со стороны других тел) и не уравновешивающие друг друга. Не секрет, что это говорит Ньютон. Для пояснения сказанного Ньютон создал еще и третий свой закон – закон действия и противодействия и даже построил первый реактивный паровой автомобиль (рис. 40), подтверждающий этот закон. Все знают о его существовании и помнят, что «действие равно и противоположно противодействию». Но понимают его единицы, и автор убеждается в этом, беседуя со своими студентами и даже коллегами. Первое, что вызывает к этому закону недоверие, – якобы несоответствие его телам движущимся. Ну стоит человек на полу, давит на него, а пол, в свою очередь, – на человека. И все тут. Ну а если тягач тянет прицеп, то и прицеп тянет тягач с той же силой, но назад? Тогда, если силы уравновешены, тягач не должен сдвинуться с места (по крайней мере, он может двигаться «по инерции», что мало кого устроит!), а он идет даже в гору и даже с ускорением! Рис. 40. Экипаж с паровым реактивным двигателем (модель) Почему же силы действия и противодействия не уравновешиваются? Прежде всего они приложены к разным телам: одна – к тягачу, а другая – к прицепу. Это было бы справедливо, если бы тягач и прицеп, например, столкнулись бы и разъехались в разные стороны, как разные тела. Но тягач и прицеп соединены сцепкой, и поэтому для нашего случая движения они – одно тело. Да, действие и противодействие будут растягивать сцепку, да и Бог с ней – это же силы внутренние. Водитель может сам упереться ногами в пол, а руками в баранку, но эти внутрение силы не сдвинут автомобиль. В истории известен только один случай движения (с ускорением!) за счет внутренних сил – вытаскивание бароном Мюнхгаузеном самого себя, да еще с лошадью между ног, из болота за свои же волосы (рис. 41). Рис. 41. Барон Мюнхгаузен, нарушающий третий закон Ньютона Но почему же движется тягач с прицепом? Да потому, что ведущие колеса тягача, упираясь в дорогу силой трения, толкают ее назад, а дорога толкает колеса вперед. Колеса толкают оси, они – подвеску, подвеска – раму, а к раме прикреплена сцепка, которая и тянет прицеп. Итак, сила действия – колеса тягача – толкает назад Землю, заставляя ее крутиться быстрее, медленнее или чуть вбок, а сила противодействия – Земля – посредством дороги толкает тягач вперед. Вот вам и пояснение третьего закона Ньютона. Автор не сомневается, что читатель понял, в чем дело, но пусть он через несколько дней самостоятельно пояснит этот закон товарищу, посмотрим, что у него получится. Вернемся к нашему сакраментальному вопросу: можно ли двигаться без опоры? Великий ученый Ж. Л. Даламбер, о котором мы еще поговорим, примерно так отвечал на этот вопрос: «Если нет опоры, то, значит, ничего вокруг нет, нет ни планет и звезд, к которым тело может притягиваться, нет других тел, с которыми данное тело могло бы столкнуться. Мира вокруг не существует, существует лишь данное тело. Как же оно может привести само себя в движение, когда оно даже не знает, куда сдвинуться, ибо нет системы отсчета, нет ничего, относительно чего это тело могло бы двигаться?» Но изобретателей безопорных машин это изречение великого не остановило. Они сотнями их изобретают, изготовляют и даже получают на них патенты, заплатив, конечно, пошлину. Уповают изобретатели на так называемые «силы инерции», которые будто бы помогают механизмам двигаться, преодолевая сопротивление окружающей среды. Но самое удивительное в том, что они… движутся! По столу, по полу, по воде… Изобретатели мечтают определить свои детища в космос, чтобы проверить их там, но, увы, не берут их космонавты! Написаны даже книги по инерцоидам (так они назвали свои безопорные машины), где дано такое определение: «Инерцоид – механизм, осуществляющий самостоятельное перемещение, независимое от окружающей среды, но преодолевая ее сопротивление». Вот и гадайте, как можно преодолеть сопротивление чего-то, не вступая с ним в контакт! На народном языке это называется ахинеей. Рис. 42. Движение инерцоида Как движется инерцоид, хорошо иллюстрирует следующий опыт. Если стать на санки, взять в руки молот (рис. 42) и бить им по заднему краю санок, то они толчками поедут вперед (в случае с колесной тележкой молот при ударе нужно разгонять «помягче»). Если в этом опыте человека заменить механизмом, то получится инерцоид. Действие механизмов самых различных инерцоидов, как бы сложны они ни были, сводятся к одному: созданию резкого импульса, кратковременного, но с развитием большой силы в одну сторону и мягкого импульса, длительного, но с развитием малой силы – в другую. Согласно законам механики внутренними силами машины невозможно создать импульс (приближенно импульс – это произведение силы на длительность ее действия), который в одну сторону был бы больше, чем в другую. Сумма импульсов в обе стороны равна нулю, т. е. машина, как бы сложна она ни была, одними внутренними силами никуда не сдвинется. Но хитрость здесь в другом. Так как импульс можно «растянуть» как угодно сильно (например, разгоняя молоток для удара целый час), силу, направленную в сторону этого импульса, можно сделать как угодно малой. И как бы ни было мало сопротивление движению тележки с инерцоидом на нем, силу эту можно сделать еще меньше. Тогда тележка из-за трения не сдвинется в сторону этого импульса. Когда же молот ударит по тележке, импульс будет очень кратковременным – доли секунды, сила же очень велика и преодолеет силу трения, какой бы большой та ни была. Отсюда и движение тележки с инерцоидом в сторону большей силы (что и демонстрируется обычно создателями инерцоидов). Движение типа инерцоидов в реальных условиях известно уже очень давно. Многие полезные устройства в технике работают на этом принципе. В частности, автор вместе с австралийскими врачами изобрел капсулу, перемещающуюся в организме человека, а конкретно, в его кишках, по этому принципу. Каждый может сам изготовить инерцоид и прибор, доказывающий, что без трения инерцоид работать не будет. Купим детскую игрушку под названием «Заводные качели». На стойке качелей устроим перемычку, чтобы маятник качелей в конце хода с достаточной силой ударял в нее, но не прекращал своих качаний (хитроумный конструктор может придумать и много других вариантов инерцоидов – лишь бы в одну сторону модели удар был резким). Заведя пружину и поставив модель на стол, увидим, как она начнет скачками передвигаться в сторону ударов. Можно поставить инерцоид и на колесики, хотя тогда будет риск отдачи назад. Но по столу такой инерцоид, как и любой другой, двигаться будет: даже звенящий будильник сам собой перемещается по гладкому столу. Теперь изготовим прибор для испытаний инерцоида – крутильные весы (похожие на весы Кавендиша, которыми он измерял гравитацию). На тонкой струне (нити, леске) подвесим за середину рейку длиной около 2 м. На одном краю рейки укрепим модель инерцоида, на другом – противовес (любой груз), чтобы рейка висела горизонтально. Инерцоид должен быть расположен так, чтобы сила его тяги (предполагаемая, поскольку таковой не будет!) располагалась перпендикулярно рейке, а плоскость вращения грузов – перпендикулярно плоскости вращения рейки (рис. 43). Если в инерцо-иде есть какие-либо лопасти, длинные рычаги и прочие части, могущие создать аэродинамическую тягу, его следует накрыть картонной коробкой. Струна, на которой висит рейка, закручивается с очень низким трением, и инерцоид практически не испытывает сопротивлений. Рис. 43. Инерцоид на крутильных весах Теперь надо включить инерцоид, желательно не толкнув его, например пережиганием фиксирующей нити. Если бы он действительно создавал тягу без взаимодействия с внешней средой, то рейка незамедлительно пришла бы во вращение, все ускоряющееся, и напоминала бы лопасть большого вентилятора, подвешенного к потолку. Но, увы, чудес не бывает: рейка под действием инерцоида лишь задергается, не меняя своего положения. А это значит, что тяги инерцоид не создает. Поставьте его снова на стол, и он, как кузнечик, заскачет в сторону ударов. Это есть доказательство того, что движет инерцоид только сила трения или сопротивления среды. Инерция: сила или бессилие? Итак, что такое инерция, мы уже знаем – это такое фундаментальное свойство материи, которое определяется первым законом Ньютона. Но как быть с «силами инерции», о которых говорят не только создатели безопорных машин – инерцоидов, но и инженеры, даже ученые; термин этот можно встретить и в учебниках, и в монографиях, в основном по техническим наукам. Одни специалисты, преимущественно инженеры, говорят, что такие силы есть, другие, в основном ученые-теоретики, что их нет. Начиная с 1936—1937 гг. возникла даже общесоюзная дискуссия о силах инерции, где участвовали многие известные инженеры и ученые, и не последнее место в этих дискуссиях занимал журнал «Под знаменем марксизма». В последней такой публичной дискуссии в актовом зале МВТУ в 1985 г., где присутствовали ведущие профессора-механики Москвы, довелось участвовать и автору, более того, он был основным докладчиком на этой дискуссии. Результат дискуссии был однозначен – сил инерции нет, не было и не может быть, потому что в существующей механике им места нет. Дискуссия велась в основном вокруг книги автора [11], и автор был этими результатами доволен, потому что и в докладе, и в книге говорилось одно и то же – «нет» силам инерции. Что же такое «силы инерции»? Первоначальный смысл им придавали слова Ньютона о том, что «Врожденная сила материи – есть присущая ей способность сопротивления, по которому всякое отдельно взятое тело удерживает свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения». Что же это такое – врожденная сила материи, которую сам Ньютон позже назвал «силой инерции»? Да это же просто инерция, не «сила», а фундаментальное свойство материи. Раньше, во времена Ньютона, все, что угодно, любили называть «силой»: «сила движения», «сила убеждения», «сила любви», наконец. Тем более сам Ньютон потом поясняет, что термин «сила» может быть растолкован как «свойство». Итак, «силы инерции» по Ньютону – совсем не силы. Далее. При рассмотрении относительного движения, допустим, человека по плывущему кораблю или самого корабля по океану на вращающейся Земле, удобно бывает представить корабль, Землю или другое подвижное тело как неподвижное, а потом рассматривать движение по нему рассматриваемой точки. Например, поворачивающий трамвай, в котором по вагону идет человек, мы решили представить как неподвижный и рассматривать движение в нем человека вроде бы как по неподвижной комнате. Но происходят удивительные вещи – человек мечется по этой комнате как пьяный, ударяется о стены, хватается за поручни и т. д. Естественно, то, что мы договорились считать вагон неподвижным, не облегчает положение человека. Мы как бы изменили систему отсчета, но от этого суть процесса не меняется. Поэтому, чтобы сделать эту подвижную систему условно неподвижной, мы прикладываем к телу, то бишь к человеку, несуществующие, фиктивные силы, которые так же условно имитируют подвижную систему. Эти силы толкают человека в ту или другую сторону, делая его поведение таким же, какое оно и есть в реальной подвижной системе. Тогда замена подвижной системы (трамвая) неподвижной (комнатой) делается правомерной, и мы можем легко решать всевозможные задачи по механике относительного движения, в том числе и те, что проходят в школе. Так вот эти фиктивные, добавленные, несуществующие силы тоже были названы «силами инерции», причем по предложению академика А. Ю. Ишлинского «Эйлеровыми силами инерции», так как впервые их рассмотрел знаменитый математик Леонард Эйлер. И наконец, еще одни силы инерции, которые вызывают наибольшую путаницу, в том числе и среди ученых и инженеров. Волей-неволей виноватым в возникновении этих «наиболее опасных» сил инерции оказался французский математик и механик Жан Лерон Даламбер (1717—1783). Он излагает свой принцип в седьмом томе французской «Энциклопедии наук, искусств и ремесел», причем излагает очень длинно, запутанно, но это, видимо, специально, чтобы не упомянуть термин «сила». Как предчувствовал Даламбер, что может приключиться, попади его принцип в руки не очень грамотных людей. А далее получилось именно то, чего боялся Даламбер. Французский математик и механик Ж.-Л. Лагранж (1736—1813), рафинированный теоретик, не подозревал, что в научном мире еще имеются люди не очень образованные, и все-таки привлек термин «сила» в формулировку их общего принципа Даламбера-Лагранжа. И вот одна из современных формулировок принципа Даламбера в обрабтке Лагранжа, которая и вызвала путаницу: «Если в любой момент времени к каждой из точек системы, кроме фактически действующих сил, приложить силы инерции, то система сил будет находиться в равновесии». Иначе говоря, тело «замрет», а стало быть, задачу можно будет решать методами статики, равновесия – легкими и простыми, гораздо более простыми, чем методы динамики. Что мы и делаем, почти никогда не упоминая о том, что прикладываем-то мы несуществующие силы инерции. Потом мы забыли, что силы эти несуществующие, и стали их считать реальными. Настолько реальными, что они вроде могут сломать что-то или двигать машину (инерцоид, например). Вот тут-то пошла целая масса ошибок, приведших даже к авариям машин. Особенно много казусов возникает при вращательном движении тела и возникновении пресловутой «центробежной силы» (которой реально нет!), но об этом после. Но и при обычном прямолинейном движении таких казусов сколько угодно, и свидетелем одного из них был автор. Дело происходило на защите кандидатской диссертации по теории автомобиля. Молодой диссертант делал доклад по работе, пользуясь формулами, написанными на плакатах. Естественно, диссертант воспользовался принципом Даламбера, по-видимому, даже не подозревая об этом. И уравнение тягового баланса ускоряющегося автомобиля он записал в том виде, как это делается и в большинстве учебников: Рk (сила тяги) = Рf (сила сопротивления качению) + РV (сила сопротивления воздуха) + Рj (сила инерции). Шутник – член Ученого Совета – спрашивает диссертанта: – Вот у вас сила тяги равна сумме всех сопротивлений. Стало быть, автомобиль находится в равновесии, он неподвижен. Почему же вы говорите, что машина разгоняется? Диссертант долго думал, а потом не нашел ничего лучшего, как сказать: – Это только теоретически – в равновесии. А на самом деле сила тяги чуть-чуть больше сопротивления, вот он и движется! Хохот был такой, что проснулись даже обычно спящие члены Совета. А правильный ответ должен быть таким: – Сила инерции фиктивная, несуществующая. Она добавлена согласно принципу Даламбера для облегчения решения задачи (рис. 44). И вся разница между силой тяги и силами сопротивлений идет на разгон автомобиля, вот он и ускоряется! Рис. 44. Автомобиль с приложенными к нему реальными силами и «вспомогательными» фиктивными силами инерции Но разве виноват диссертант, что он учился по учебникам, где все те же ошибки. Не понимают многие инженеры принцип Даламбера, вот и «оживают» несуществующие силы инерции! Что мешает двигаться по инерции? Вернемся к нашему автомобилю: а что же мешает ему двигаться с выключенным двигателем по инерции? Отчего он замедляется? Сопротивление воздуха – давайте его исключим, ведь на Луне, где почти нет атмосферы, луноходам тоже что-то мешало двигаться. Ответ напрашивается сам собой – трение. Эта вездесущая сила всегда направлена против движения, причем даже предполагаемого. Хотим мы толкнуть автомобиль – он не поддается: сила трения, возникающая между колесами и дорогой, не позволяет сдвинуть машину. Такое трение, когда относительного движения тел еще нет, называется трением покоя. Оно несколько больше, чем трение в движении, и это мы почувствуем, когда автомобиль уже удалось сдвинуть. Но силы трения всегда направлены против относительного движения, то есть для нашего случая – назад по движению. А могут ли силы трения быть направлены вперед по движению? Нет, но иллюзия этого есть. Когда автомобиль (или любое наземное транспортное средство) движется, его ведущие колеса в контакте с дорогой стремятся двигаться – скользить, буксовать – назад. Это хорошо видно на скользкой дороге, на льду. Вот сила трения F и приложена к колесам против этого движения, (но вперед, по ходу автомобиля). Она-то и движет автомобиль и все наземные машины, а не что-нибудь другое (рис. 45). От ведущих колес сила действует на оси этих колес, на подвеску, а от нее – на кузов. Вот и движется автомобиль, преодолевая все то же трение, но уже ведомых колес. Рис. 45. Сила трения движет колесо Трение делится обычно на трение скольжения и качения. Трение верчения, иногда рассматриваемое, представляет собой частный случай трения скольжения. Трение скольжения возникает из-за множества причин. Это нам только кажется, что сделай поверхности более гладкими и трение уменьшится почти до нуля. Есть такие зеркально-гладкие плитки Иогансона, они так прилипают друг к другу, как магниты, – не сдвинешь. Процесс «сухого» трения, то есть без жидкой смазки, так многообразен, что нам остается только признать силу трения F пропорциональной нормальному (т. е. перпендикулярному поверхности) давлению N на трущиеся тела (рис. 46): F трения = f N норм. давл., и коэффициент f назвать коэффициентом трения, не вдаваясь особенно в природу трения, если вы только не выберите триботехнику – науку о трении – своей специальностью. Рис. 46. Определение трения скольжения Ну а как же с трением качения? Поставим колесо на дорогу, приложим к нему силу тяжести G, нормальную силу N со стороны дороги и будем давить на ось колеса силой P, пытаясь сдвинуть. Мешает ли теоретически нам что-нибудь? Да нет! Получается парадокс – выходит, при качении нет никакого сопротивления (рис. 47)? Но заметьте, что мы совершенно не учли деформацию колеса, оно у нас как бы «абсолютно твердое», тверже алмаза. Тогда, конечно, сопротивления нет. Поэтому, чтобы уменьшить сопротивление трению качения, колеса и дорогу делают из очень твердых материалов – не алмаза, конечно, а например, из стали. Железнодорожные колеса имеют сопротивление в несколько раз меньше, чем автомобильные, более мягкие. Рис. 47. Сопротивления качению… нет? Что же происходит с «мягким» колесом при его движении? В контакте с дорогой его немного расплющивает, и из-за гистерезиса (неупругих потерь, которые всегда есть в любом упругом теле при его деформациях, мы о них еще поговорим) сила давления дороги N чуть смещается вперед по движению (рис. 48). Вот и появилось плечо силы a, которое надо преодолевать, а значит, и трение качения! Чем больше диаметр колеса и чем тверже оно (при твердой дороге), тем меньше оно сопротивляется качению. Рис. 48. Реальное сопротивление качению Вот почему у вездеходов большие (до 17 м диаметром!) колеса, а у поездов и трамваев они такие твердые. Легковому автомобилю, к сожалению, нельзя позволить себе ни того, ни другого. Если колеса будут слишком большими, как у старинных велосипедов, например, автомобиль станет уродливым, с трудом сможет поворачивать, колеса будут излишне тяжелыми. Ну а вот твердыми их тоже сделать нельзя, они будут резать асфальт, как сошедший с рельсов трамвай, а если не резать, то тряска будет невозможной – мягкие шины «демпфируют» вибрации от неровностей дороги. Вот и приходится идти на компромисс! Но почти во всех случаях трение качения меньше трения скольжения. Сухого, заметьте. С жидкостным трением многое обстоит иначе. Поэтому еще с древних времен пытались поставить тяжелые предметы на катки, а потом и на колеса. Это делали даже древние египтяне (рис. 49, а). Подшипник качения изобрел еще лет 500 назад Леонардо да Винчи (рис. 49, б), правда, время использования его пришло много позже. Да и конструкция Леонардо была достаточно несовершенной, разве только отражала самый принцип действия. Поэтому перевод опор валов многих машин с опор скольжения на опоры (подшипники) качения почти всегда дает выигрыш. Так, например, буксы-подшипники колес поездов еще лет 30—40 назад почти полностью перевели на подшипники качения. Но в некоторых случаях, например, в двигателях внутреннего сгорания, подшипники скольжения еще прочно держат свои позиции! С трением связано много поразительного. Вот, например, картина мира, если бы трение совершенно исчезло. Понятно, перестал бы двигаться транспорт, ходить люди, все предметы «съехали» бы в самые низкие места и выбраться оттуда не смогли бы. Но вот чтобы мгновенно расплелась вся наша одежда, развязались все шнурки и узлы, отпали все пуговицы – об этом мы, наверное, и не догадывались! Предлагаю вам самим подумать, что еще могло бы случиться, не будь трения! Трение можно сильно уменьшить и вовсе без смазки. Если преодолеть, сорвать силу трения в одном направлении, то она почти исчезает и в другом. Например, если автомобиль, тормозя, перешел на юз и скользит вперед, то его уже почти ничего не удерживает в боковом направлении, поэтому его так легко и заносит вбок! Помните об этом! Это явление исчезновения трения часто не понимают и не учитывают, и попадают в опасные ситуации. А вот чисто научный метод резкого уменьшения сухого трения. Оказывается, если в глубоком космическом вакууме облучать потоком электронов почти любые трущиеся материалы, то их трение падает… почти до нуля! Это открытие сделали российские ученые, некоторых из которых автор хорошо знает. Открытие это будет иметь огромное значение при конструировании механизмов для космоса. Но и на Земле, где нужно вращение в безвоздушном пространстве (например, супермаховиков, о чем речь пойдет дальше), подшипники сверхнизкого трения, работоспособные в вакууме, очень пригодились бы! Хорошо, снижать трение мы умеем. А вот как увеличить его? Прежде всего использовать так называемые фрикционные пары, из которых делают накладки тормозов, например. Или резиновые подошвы и шины, которые имеют высокий коэффициент трения об асфальт. Шины специальных гоночных машин – драгстеров вообще «размазываются» о бетон дороги, но обеспечивают коэффициент трения существенно больше единицы, чего обычно не бывает. А как увеличить трение в 5, 10… 100 раз? Можно, оказывается, и это. Нужно только обмотать один трущийся предмет о другой, например, веревку о вал или опору. Так делают, когда закрепляют корабли на пристанях, обматывая канат вокруг кнехтов – столбиков на причале. Влияние навивки на силу трения просто поразительное! У Жюля Верна в романе «Матиас Сандорф» описан случай, когда силач Матифу силой своих рук задержал спуск целого корабля, который должен был потерпеть аварию. Правда, он успел намотать канат-швартов на вбитую в землю железную трубу и держал, как показано на рис. 50. В романе не сказано, сколько раз силач обмотал канат вокруг трубы, а это принципиально важно, и вот почему. Силы натяжений входящего в намотку F1 и выходящего из нее F0 канатов относятся между собой как основание натуральных логарифмов e = 2,718 в степени, которая равна произведению коэффициента трения f на угол намотки ? в радианах: Эта формула выведена великим Эйлером. По этой формуле легко рассчитать, что если бы Матифу обмотал канат вокруг трубы всего 3 раза, то уменьшил бы натяжение каната в 500 раз! Тут и ребенок мог бы удержать его: даже если судно, съезжая со стапелей, натягивало канат с силой F1 = 50 кН, то на Матифу пришлось бы всего 100 Н. Очень интересны так называемые «шпили», также работающие по формуле Эйлера. Представьте себе вращающийся «шпиль» барабана, на который намотан несколькими витками канат, один конец которого привязан к тяжеленному грузу – судну, грузовому вагону, контейнеру и т. п. А другой конец свободно лежит на земле. Подходит человек, слегка тянет за конец каната – и огромная тяжесть ползет к «шпилю». Вращение «шпиля» медленное, его почти не заметно, и кажется, что человек тянет такой груз сам. На самом деле человек тянет конец каната с небольшой силой F0, допустим, 50 Н; если канат навит на шпиль всего в три оборота, то таким усилием человек может сдвинуть контейнер массой 104 кг или железнодорожный вагон массой до 2,5 х 105 кг! Рис. 51. Защита от вора по формуле Эйлера: 1 – веревка; 2 – груз; 3 – болт; 4 – тонкая нить Пригодилась формула Эйлера когда-то и автору. Повадился как-то в его мастерскую вор. Отпирает замок, заходит, берет, что захочет. И вот автор подвесил веревками на двух болтах над дверью тяжелую доску, а на нее еще слой цемента насыпал. А веревку 5 раз обернул вокруг болтов и к концам веревок привязал тончайшую «паутинную» нить, которую провел над порогом (рис. 51). Ночью вор, конечно же, не заметил этой «паутинной» нити, порвал ее и освободил концы веревок, держащих через намотку довольно большой груз. И по формуле Эйлера доска рухнула на вора, к тому же щедро напудрив его сверху цементом! МАГИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Можно ли вращаться по инерции? Действительно, раскрутил карусель, – и вертись себе по инерции. Если подшипники карусели хорошие, то это можно делать достаточно долго. Современные маховики в накопителях энергии вращаются без помощи мотора более недели. Чем не вращение по инерции? Более того, если «помогать» этому маховику мотором, то он будет вращаться с совершенно постоянной угловой скоростью. Можно ли это назвать вращением по инерции? Строго говоря, нет. Мы же раскритиковали Галилея, который именно движение точки по кругу считал инерционным. Но это потому, что на точку в этом случае должна обязательно действовать внешняя сила. А тогда движение уже не инерционное. Поступим хитрее – возьмем много точек, расположенных по кругу, скрепим их друг с другом покрепче и раскрутим. Вот мы и получили маховик, который вращается, заметьте, без приложения внешних сил (мы его не трогаем!). Поместим такой маховик в космическое пространство – не понадобится ни подвес, ни мотор. Предмет сам собой вращается, никаких сил не требует. Отвечайте, коллеги-физики, – по инерции он движется или нет? Вопрос, казалось бы, для школьника, но боюсь, что он станет проблемой и для специалиста-физика. Ответ первый: – Да он вообще не движется, центр его масс, который находится на оси, неподвижен, стало быть, маховик неподвижен! – Нет, – не согласимся мы, – а как же его кинетическая энергия? Может ли неподвижное тело обладать кинетической энергией и немалой? Второй ответ: – Это движение по инерции, потому что оно происходит без какого-либо внешнего воздействия! – Позвольте, – возразим мы, – но такое движение согласно первому закону Ньютона может быть только прямолинейным и равномерным. Может, Ньютон чего-нибудь не учел? Все учел Ньютон, просто вопрос не так уж тривиален, как может показаться сразу. В чем различие между инерцией прямолинейного и вращательного движения? Как известно, инерция, или инертность, массивной точки зависит только от ее массы. Масса является мерой инертности тела при прямолинейном движении. Значит, при таком движении на инерцию не влияет распределение масс в теле, и это тело можно смело принять за материальную (массивную) точку. Масса этой точки равна массе тела, а расположена она в центре тяжести, или, что почти то же, в центре масс, или центре инерции тела (поэтому «тело» в законах Ньютона справедливо заменено «материальной точкой»). Проведем следующий опыт. Попытаемся вращать вокруг вертикальной оси стержень с насаженными на него массами (грузами), например, металлическими шарами. Пока эти шары находятся близ центра, раскрутить стержень легко, инертность его мала. Но если мы раздвинем массы на края стержня, то раскрутить такой стержень станет намного труднее, хотя масса его осталась без изменения (рис 52). Стало быть, инертность тела при вращении зависит не только от массы, но и (даже в большей степени) от распределения этих масс относительно оси вращения. Мерой инертности тела при вращении является так называемый момент инерции. Рис. 52. Изменение момента инерции тела при неизменной его массе: 1 – стержень; 2 – груз Моментом инерции тела относительно данной оси называется величина, равная сумме произведений масс всех частиц тела на квадраты их расстояний от этой оси. Таким образом, разница в мере инертности прямолинейного движения и вращения состоит в том, что в первом случае она измеряется массой, а во втором – моментом инерции. Далее. Как мы знаем, закон инерции устанавливает эквивалентность относительного покоя и равномерного прямолинейного движения – движения по инерции. Ибо нельзя никаким механическим опытом установить, покоится ли данное тело или движется равномерно и прямолинейно. Во вращательном движении это не так. Например, совсем не безразлично, покоится ли волчок или вращается равномерно, с постоянной угловой скоростью. Угловая скорость твердого тела является величиной, характеризующей его физическое состояние. Угловая скорость может быть определена (например, измерением центростремительных сил) без какой-либо информации о положении тела по отношению к «абсолютной» системе координат. То есть если даже вся Вселенная исчезнет, а останется только наше вращающееся тело, то мы и в этом случае узнаем его угловую скорость. Поэтому термин «абсолютная угловая скорость тела» в отличие от «абсолютной скорости точки» должен употребляться в прямом смысле (без кавычек). Таким образом, механические явления в покоящейся и вращающейся системах будут протекать по-разному, не говоря уже о том, что падение и движение тел во вращающейся системе происходят иначе, чем в неподвижной: достаточно хорошенько ее раскрутить – и она развалится на части из-за возникших в ней напряжений. Поэтому второе отличие состоит в том, что прямолинейное движение и покой эквивалентны, а вращение, даже с постоянной угловой скоростью, может быть четко отделено не только от покоя, но и от вращения с другой угловой скоростью. Вот, пожалуй, и все основные отличия. Остальное настолько одинаково, что можно взять на себя смелость сформулировать по образу и подобию ньютоновых законов «закон» инерции вращательного движения абсолютно твердого тела: «Изолированное от внешних моментов абсолютно твердое тело будет сохранять состояние покоя или равномерного вращения вокруг неподвижной точки или оси до тех пор, пока приложенные к телу моменты внешних сил не заставят его изменить это состояние». Почему же абсолютно твердое тело, а не любое? Потому что у нетвердого тела из-за вынужденных (или заранее предусмотренных) деформаций при вращении может измениться момент инерции, а это равносильно изменению массы тела в прямолинейном движении. Мы же не упоминаем этого случая, когда формулируем закон инерции, иначе он бы начинался так: «Изолированная от внешних воздействий материальная точка постоянной массы…» А эта точка может легко менять свою массу. Самолет или ракета, двигаясь за счет сжигания горючего, довольно существенно изменяют свою массу. Даже человек, пройдя достаточное расстояние, изменяет свою массу настолько, что это фиксируется медицинскими весами. А как отразится это изменение массы на инерции? Ведь при изменении массы возникает дополнительная, так называемая реактивная сила. О каком же движении по инерции может идти речь, когда на тело действует сила? Так и в случае вращательного движения: если момент инерции непостоянен, приходится принимать постоянной не угловую скорость, а произведение угловой скорости на момент инерции – так называемый кинетический момент. В этом случае закон инерции примет такую форму: «Изолированное от внешних моментов относительно оси вращения тело будет сохранять кинетический момент относительно этой оси постоянным». Этот закон (в несколько иной формулировке) носит название закона сохранения кинетического момента. Для демонстрации этого закона удобно воспользоваться простым прибором, называемым платформой (скамьей) Жуковского. Это круглая горизонтальная платформа на подшипниках, которая с малым трением может вращаться вокруг вертикальной оси (рис. 53). Если человек, стоя на этой платформе и вращаясь с некоторой угловой скоростью, разведет в сторону руки (еще лучше с грузами в них, например, гантелями), то его момент инерции относительно вертикальной оси повысится, а угловая скорость сильно упадет. Опуская руки, человек внутренним усилием сообщает себе первоначальную угловую скорость. Даже стоя на платформе неподвижно, можно повернуть корпус в любую сторону, вращая вытянутую вверх руку в противоположном направлении. Таким способом изменения угловой скорости широко пользуются в балете, акробатике и т. п., даже кошки успешно приземляются на лапы благодаря вращению хвоста в соответствующем направлении. Рис. 53. Платформа Жуковского и человек На явлении инерции вращательного движения основаны многочисленные приборы и машины, в частности, инерционные двигатели – аккумуляторы, сохраняющие кинетическую энергию при инерционном вращении маховика, и гироскопические приборы, сохраняющие, образно говоря, его кинетический момент. Существуют также и маховики переменного момента инерции, напоминающие по принципу действия человека на платформе Жуковского. Реальны ли центробежные силы? Мы уже знаем, что так называемые силы инерции, которые мы добавляем к реально действующим силам якобы для облегчения решения задач, на самом деле не существуют. Слово «якобы» автор употребил потому, что иногда это «облегчение» оборачивается такой ошибкой, что лучше бы и не использовать этих сил инерции вообще. Тем более сейчас, когда всю счетную работу выполняют компьютеры, а им почти все равно, облегчили мы расчеты или нет. Так вот для вращательного движения вопрос с силами инерции обстоит гораздо запутаннее, чем для прямолинейного. И последствия ошибок могут быть хуже. Чего стоят хотя бы пресловутые центробежные силы? Почти каждый из нас, включая даже научных работников, думает, что такие силы есть и действуют они на вращающуюся точку или тело. И бывают очень обескуражены, когда узнают, что их нет и быть не может. Приведем простейший, но тем не менее убийственный для этих сил пример. Известно, что Луна вращается вокруг Земли. Спрашивается, действуют ли на нее центробежные силы? Спросите, пожалуйста, об этом своих товарищей, родителей, знакомых. Большинство ответит: «Действуют!» Тогда вы поспорьте с ними на что хотите и начинайте доказывать, что этого не может быть. Основных довода – два. Первый: если бы на Луну действовала центробежная сила (то есть сила, направленная от центра вращения наружу), то она могла бы действовать только со стороны Земли, так как других тел поблизости нет. Думаю, что напоминать о том, что силы действуют на тела только со стороны других тел, а не «просто так», уже не надо. А если все так, то, значит, Земля не притягивает, а отталкивает Луну – от себя наружу. Между тем, как мы знаем, существует закон всемирного тяготения, а не отталкивания. Поэтому на Луну может действовать со стороны Земли только одна-единствен-ная сила – притяжения P, направленная точно наоборот – от Луны к Земле. Такая сила называется центростремительной, и она реально есть, она-то и сворачивает Луну с прямолинейного инерционного пути и заставляет вращаться вокруг Земли. А центробежной силы, извините, нет (рис. 54). Второй довод. Он для тех, кто не знает о существовании закона всемирного тяготения или забыл его. Тогда если бы на Луну действовала центробежная сила (естественно, со стороны Земли, так как других тел, как мы уже знаем, поблизости нет), то Луна не стала бы вращаться вокруг Земли, а улетела бы прочь. Если на Луну не действовало бы вообще никаких сил, то она спокойно пролетела бы мимо Земли по инерции, то есть по прямой (мы же забыли о всемирном тяготении!). А если бы со стороны Земли на Луну действовала центробежная сила, то Луна, подлетая к Земле, свернула бы в сторону и под действием этой силы улетела бы навсегда в космическое пространство. Только бы мы ее и видели! Но раз этого не происходит, стало быть, центробежной силы нет. Вы выиграли спор, причем в любом случае. А появилась эта центробежная сила оттуда же, откуда и силы инерции в прямолинейном движении – из принципа Даламбера. Здесь, во вращательном движении, этот принцип еще более облегчает решение задач, чем в прямолинейном. Еще бы, прикладываем к существующей центростремительной силе несуществующую центробежную – и Луна как бы зависает на месте! Делайте с ней, что хотите, определяйте ускорения, скорости, радиусы орбиты, периоды обращения и все остальное. Хотя все это можно определить и без использования принципа Даламбера. Рис. 55. Занос автомобиля на повороте (схема ГАИ) Но Луна Луной, это все пустяки по сравнению с получением водительских прав в ГАИ. Автор преподает на автомобильном факультете, где все его студенты обязаны получать права и все стонут от ГАИвской физики. Жалуются, что в ГАИ им объясняют движение автомобиля на повороте так: «Поскольку при повороте на автомобиль действует сила тяги, направленная вперед по касательной, и центробежная сила, действующая наружу, то занести машину может только наружу от касательной» (см. схему на рис. 55). Но так как вместо центробежной на автомобиль действует центростремительная сила, направленная точно наоборот, то занесет машину внутрь от касательной! Если, конечно, не учитывать других причин – увода колес, переворачивания, бокового ветра, удара сбоку и т. д. Таким образом, центробежная сила, вернее, учет ее вместо центростремительной, может привести к аварии, или ДТП, так как автомобиль поедет совсем не туда, куда рассчитывали. И вот студенты попросили автора научить их, как убедить инспектора ГАИ в отсутствии центробежной силы. Запоминайте, и вам может пригодиться! Если на автомобиль и действует какая-нибудь сила P, то только со стороны дороги на колеса (воздух здесь ни при чем, его не учитываем). Если эта сила центробежная, то она будет прогибать шины от центра наружу, а если центростремительная – то, наоборот, к центру. А любой инспектор ГАИ отлично знает, что на повороте шины автомобилей прогибаются по направлению к центру (рис. 56). Значит, и сила P действует туда же, и она центростремительная. Скольких аварий удалось бы избежать, если бы в ГАИ «не злоупотребляли» принципом Даламбера! Рис. 56. Шины при повороте прогибаются к центру поворота Но ради справедливости заметим все-таки, что центробежные или просто направленные от центра силы все-таки бывают, но действуют они вовсе не на то тело, которое вращается, а на связь, удерживающую это тело (рис. 57). То есть не на автомобиль, а на дорогу, не на Луну, а на Землю, не на камень в праще, а на веревку и руку человека и т. д. Рис. 57. Действие центробежных сил Может возникнуть вопрос, а почему же все-таки падает велосипед наружу при крутом повороте, если не успел наклониться внутрь, почему опрокидываются наружу при поворотах на большой скорости трамваи, поезда и автомобили? Ведь центробежной силы нет, что же толкает эти машины наружу при повороте? Поясним это на примере велосипеда, а заодно станет ясно, почему он так устойчив. Представьте себе едущий велосипед, который начинает поворачивать (рис. 58). Взглянем на него сверху. Колеса начинают «уходить» к центру поворота, влекомые силой трения с дорогой, а весь верх, включая седока, или байкера по-современному, стремится продолжать свой путь прямолинейно – по закону инерции. Что же получается? Колеса «выезжают» из-под седока вбок, и он падает набок – наружу от поворота. Но ни в коем случае не так, как объясняют это в ГАИ, – не наружу от касательной к повороту, от своего предыдущего прямолинейного пути. А точнее – где-то между окружностью поворота и этой касательной. Этим же действием инерции объясняется устойчивость движения велосипеда. Стоит начать ему падать набок, как сознательно или автоматически велосипедист поворачивает руль в сторону падения и как бы «подводит» колеса под положение наклон себя. Рис. 58. Едущий велосипед на повороте: а – вид сверху; б – вид спереди Таким же образом, а именно проявлением инерции, объясняется отбрасывание людей наружу на так называемом «колесе смеха», или «чертовом колесе». Можно говорить о центробежном эффекте или центробежном стремлении, благодаря которому люди, автомобили, велосипеды и т. д., движущиеся по кругу, стремятся оказаться на самом большом его радиусе, или, как это нам кажется, отбрасываются наружу (рис. 59). Естественно – они стремятся двигаться по прямой (по закону инерции), а прямая – это та же окружность, но с бесконечно большим радиусом, заведомо превышающим радиус любой окружности. Рис. 59. Люди на вращающемся колесе отбрасываются на его края На этом же свойстве основаны многочисленные другие аттракционы – «чертовы», или «мертвые», петли (изобретенные в 1902 г. одновременно двумя цирковыми актерами – Джонсоном и Нуазеттом) (рис. 60), наклонные карусели, которые широко используются и сегодня в парках развлечений, и т. д. Рис. 60. «Чертова петля» и велосипед на ней Этот же центробежный эффект используется для создания так называемой «искусственной гравитации», причем современный взгляд на природу тяготения, как это ни удивительно, не усматривает здесь особой разницы. (Кого заинтересует этот достаточно сложный вопрос, автор отсылает к своей книге [11]). Космические станции предполагается вращать вокруг оси так, чтобы космонавты чувствовали себя комфортно, ощущая тяжесть почти как на Земле. Нечто аналогичное происходит и с растениями, которые высаживают на внутренней части вращающегося колеса (рис. 61). Проросшие семена бобов дают ростки, устремляющиеся не вверх, как обычно, а к центру колеса, т. е. в направлении искусственной Так было показано, что и для живых организмов гравитация естественная или искусственная – все равно. Рис. 61. Стебли проросших растений гравитации. направлены к оси, корешки – наружу Если быть точнее, то конечно, разница есть. При естественной гравитации тела притягиваются к некой точке, а при искусственной как бы «отталкиваются» от нее, что и видно из рис. 61. Но принципиального отличия в биологическом отношении здесь нет. Тайна вращающегося волчка Но совсем запутано дело, когда силы инерции при вращении не Даламберовы, а Эйлеровы. Те, которые «возникают» при использовании вращающейся системы отсчета. То есть когда мы пытаемся вращающуюся систему принять за неподвижную и приложить такие силы инерции, которые сохранили бы все по-прежнему. Вспомните человека, идущего в поворачивающем трамвае, и вы поймете, насколько сложны при этом должны быть силы, чтобы в неподвижном трамвае сбить с пути человека так же, как это произойдет с ним в поворачивающем. Всякие кориолисовы силы и гироскопические моменты, используемые при этом, – те же фиктивные силы инерции, только гораздо более сложные. Попытаемся для примера пояснить, почему реки, текущие вдоль меридиана, в Северном полушарии подмывают правые берега, а в Южном – левые. Это можно объяснить просто и доходчиво без сил инерции, и сложно с ними, тем более несуществующими. Такое свойство рек подмывать разные берега в разных полушариях называется законом Бэра, по имени русского географа К. М. Бэра, жившего в XIX веке и подметившего эту особенность. Земля, как известно, вращается с запада на восток. Поэтому нам и кажется, что Солнце идет над нами с востока на запад. Так как Земля вращается, она не может служить достаточно точной инерциальной (неподвижной) системой отсчета, хотя часто мы и считаем ее таковой. Поэтому нас и удивляют всякие необычные явления, которые в неподвижной системе отсчета происходить не могут. Взглянем на Землю с высоты со стороны ее Северного полюса. Представим для простоты, что река, начинаясь на экваторе, течет прямо на север, пересекает Северный полюс и заканчивается тоже на экваторе, но уже с другой стороны. Вода в реке на экваторе имеет ту же скорость в направлении с запада на восток (это не течение реки, это ее скорость вместе с берегами и с Землей!), как и ее берега, что при суточном вращении Земли составляет около 0,5 км/с. По мере приближения к полюсу скорость берегов уменьшается, а на самом полюсе она равна нулю. Но вода в реке «не хочет» уменьшать свою скорость – она подчиняется закону инерции. А скорость эта направлена в сторону вращения Земли, то есть с запада на восток. Вот и начинает вода «давить» на восточный берег реки, который оказывается правым по течению. Дойдя до полюса, вода в реке полностью утратит свою скорость в «боковом», «касательном», направлении, так как полюс – это неподвижная точка на Земле. Но река-то продолжает течь теперь уже на юг, и берега ее вращаются опять же с запада на восток со все увеличивающейся, по мере приближения к экватору, скоростью. Западный берег начинает «давить» на воду в реке, разгоняя ее с запада на восток, ну а вода, по третьему закону Ньютона, «давит» на этот берег, который опять же оказывается правым по течению. На Южном полушарии все происходит наоборот, потому что если взглянуть на Землю со стороны Южного полюса, то вращение ее уже будет видно в другом направлении – не против часовой стрелки, как со стороны Северного полюса, а по часовой стрелке. Все, кто имеет глобус, могут проверить это. Вот вам и закон Бэра! Но если попытаться пояснить то же самое с точки зрения механики относительного движения и Эйлеровых сил инерции – результат был бы плачевный. Половина читателей заснула бы, а другая половина занялась бы другими делами. Здесь без высшей математики и механики не обойтись, да и физический смысл начисто теряется. Потому-то студенты так плохо воспринимают и «сдают» этот материал. Но для сложных случаев, например теории гироскопов, без этого обойтись нельзя. Точно так же, только пользуясь понятием инерции, можно объяснить такое сложное явление, как гироскопический эффект, поясняющий, например, таинственное поведение вращающегося волчка. Продолжим нашу реку дальше и опишем ею замкнутый круг вокруг Земли. При этом мы заметим, что вся северная часть реки (в Северном полушарии) будет стремиться направо, а вся южная часть – налево. Вот и все объяснение гироскопического эффекта, который считается едва ли не труднейшим в теоретической механике! Итак, наша река – это огромное кольцо или маховик, вращающийся в том же направлении, что и течение реки. Если при этом поворачивать этот маховик в направлении вращения Земли – против часовой стрелки, то вся северная его часть будет отклоняться вправо, а южная – влево. Иначе говоря, маховик будет поворачиваться так, чтобы его вращение совпало с направлением вращения Земли! А физический смысл этого явления уже понятен из рассмотрения закона Бэра. Проверить это утверждение экспериментом проще простого, особенно тем, у кого есть велосипед. Приподнимите переднее колесо велосипеда над полом и разгоните его в направлении вращения нашей реки-маховика, то есть так же, как оно вращается при движении велосипеда вперед. А затем резко поверните руль велосипеда в направлении вращения Земли – то есть против часовой стрелки. И вы увидите, что весь велосипед наклонится верхней частью вправо, что и требовалось доказать (рис. 62). Рис. 62. Проверка гироскопического момента на велосипедном колесе Если под рукой нет велосипеда, а чаще всего на работе и учебе так и бывает, то можно обойтись монеткой или любым колесиком, которое можно покатать по столу. При этом вы увидите, что куда монетка будет наклоняться вбок, теряя равновесие, туда и будет сворачивать по ходу своего качения (рис. 63). Это замечательное и, главное, воспроизводимое в любой момент правило поможет вам определить поведение вращающегося колеса, маховика, диска при их вынужденных поворотах. Автор сам в своей работе только этим правилом и пользуется, и поверьте, что это намного проще, чем другими, да и проверить в любой момент можно. Рис. 63. Правило колеса – оно сворачивает в ту же сторону, на какой бок стремится упасть Ну а теперь в самый раз разобраться, как наступает прецессия – конусообразное движение волчка, да и самой Земли, если хотите. Итак, наша река-маховик постоянно пытается отклонить Северный полюс Земли вправо; но Земля-то крутится, вот и, постоянно отклоняясь вправо, Северный полюс начинает «выписывать» окружность. Так же поведет себя вращающийся волчок, если толкнуть его или другим способом нарушить его равновесие. Только следует знать, что прецессирует Земля не из-за рек (мы поговорим об этом тоже!), а из-за неравномерного (вне-центренного) притяжения ее, главным образом Солнцем. Ось вращения Земли «ходит кругом по конусу», образующая которого наклонена к оси конуса на угол 0,41 рад, или 23° 27 . Полный оборот вокруг оси конуса ось Земли делает за 26 тысяч лет, и, естественно, координаты звезд, в том числе и условно неподвижных (например, Полярной звезды), непрерывно меняются. Древние египтяне, например, видели на небе такие созвездия, которые их современники уже не могут видеть. Как же определить направление прецессии любого вращающегося тела – колеса, волчка и т. д.? Да по тому же «правилу колеса», о котором уже говорилось. Итак, если любое вращающееся тело представить в виде катящегося колеса, а возмущающий момент – в виде момента, стремящегося опрокинуть это колесо набок (что, собственно, и делают силы тяжести!), то колесо это будет сворачивать в сторону падения по ходу качения. То есть если колесо падает направо, то вправо же оно и свернет. Вот это-то поворачивание колеса и есть прецессия, и так можно определить ее направление. Возможен ли двухколесный автомобиль? Да, автомобиль, именно автомобиль, а не велосипед, мотоцикл, мотороллер, мопед, мокик и пр., где устойчивость достигается «маневрированием» седока, или байкера. Кстати, приходится много читать о том, что устойчивость велосипеда и прочих двухколесных достигается благодаря гироскопическому эффекту их колес. Это явное преувеличение, и вот почему. Что такое гироскопический эффект? Это возникновение момента при попытке принудительного смещения оси вращающегося тела. Одним словом, то, что мы рассматривали в предыдущем разделе. Но величину гироскопического момента мы не определяли. Для приведенного примера поворачивания велосипедного колеса, например, этот момент равен произведению момента инерции колеса на угловую скорость его вращения и на угловую скорость его поворота («вынужденной прецессии»). Для простоты решим, что масса колеса 2 кг, радиус его 0,25 м и, стало быть, момент инерции, равный произведению массы на квадрат радиуса, равен 0,125 кг?м2. Велосипедист спокойно маневрирует уже на скорости 1 м/с, и колесо при этом вращается с угловой скоростью 4 рад/с. Угловая скорость поворота оси колеса раз в 20 меньше и равна примерно 0,2 рад/с. В результате получаем гироскопический момент, равный 0,1 Нхм. Это то же самое, если гирьку в 10 г повесить на линейку длиной в 1 м. Вряд ли такой момент чему-нибудь поможет. В то же время едущий велосипедист, свернув всего на 10 см от прямой, если сознательно не наклонится в сторону поворота, создаст момент, равный его весу плюс полвеса велосипеда (примерно), умноженные на 0,1 м, или, грубо, 100 Нхм. Это в 1 000 раз больше, чем гироскопический момент! Вот как достигается устойчивость велосипеда. Но нам нужен не велосипед, а автомобиль, который даже в неподвижном положении сохранял бы равновесие. Прежде всего гарантию от опрокидывания на стоянке дают разве только специальные подставки или, на худой конец, кирпичи, подложенные под борта. Не бывает устойчивости без таких подставок или без постоянного ручного или автоматического регулирования этой устойчивости. Но договоримся, что получать эту устойчивость одним поворотом колес автомобиля мы не можем, так как не сможем создавать своим телом достаточный момент, противодействующий опрокидыванию, как на велосипеде. Представьте себе, что все пассажиры автомобиля во главе с водителем будут то и дело ерзать по сиденьям, спасая автомобиль от опрокидывания. Тут нужен стабилизатор, не зависящий от поворота колес и положения пассажиров. Вот здесь и смог бы пригодиться гироскопический эффект, о котором шла речь выше. И такой двухколесный автомобиль был создан в 1914 г. русским инженером П. П. Шиловским, а до этого англичанином Бреннаном. Правда, экипаж Бреннана передвигался по рельсу и, строго говоря, был мононорельсовым экипажем, но это сути дела не меняет. Он попроще экипажа Шиловского, с ручным управлением, и понять его принцип действия проще (рис. 64). При наклоне вагона, допустим, на правый по ходу борт, водитель поворачивал рукоятку 3 влево. Тем самым он, заставляя прецессировать маховик в рамке 1, вызывал гироскопический момент, действующий на жестко закрепленную на платформе рамку 2 и направленный влево по движению. Вагон выправлялся. При этом безразлично, двигался вагон или был неподвижен. Такой вагон, вмещавший 40 человек, был построен для англо-японской выставки в 1912 г. и перевозил посетителей по территории выставки. Надо сказать, что водителем должен был работать мужик здоровый и тяжелый, иначе ему бы не справиться с ролью автомата-регулятора. Да и маховик должен был весить не одну сотню килограммов и крутиться достаточно быстро. А вот экипаж Шиловского, который появился на улицах Лондона в 1914 г., освобождал человека от подобных неудобств; его схема приведена на рис. 65. Там присутствовала также подвижная рамка 1 с маховиком массой 314 кг, закрепленная на оси в неподвижной рамке, жестко связанной с кузовом автомобиля. Однако роль человека выполнял примитивный автомат, состоящий из трубки с шариком 4, который при наклоне машины перекатывался набок и замыкал соответствующий контакт 3. От этого начинал работать электромотор 2 и через зубчатую передачу вращал рамку 1 с маховиком, совсем как силач-регулировщик у Бреннана. Что можно сказать об автомобиле Шиловского? Для своего времени это было чудо, собиравшее сотни зевак на улицах Лондона (рис. 66). Но задуман он был как военная машина для передвижения по пересеченной местности и для обычного автомобиля был очень дорог. К тому же автоматика заставляла желать лучшего, и на поворотах автомобиль вел себя неадекватно. Но роль свою он сыграл и вошел в историю автотранспорта. Рис. 66. Двухколесный автомобиль Шиловского (общий вид) А в 1967 г. появился и был испытан новый американский двухколесный автомобиль «Джирон» с тем же принципом стабилизации кузова. Но все было малогабаритно и современно: маховик диаметром всего 0,6 м, вращающийся с частотой 6 тысяч оборотов в минуту, умещался под капотом машины. Двигатель автомобиля мощностью всего около 60 кВт, поддерживал вращение маховика, и его хватало, чтобы двигать автомобиль со скоростью 140 км/ч. На стоянке и при низкой скорости выдвигались дополнительные колеса-упоры. Этот автомобиль легко ходил по тропам и на косогорах с поперечным уклоном до 60°, сохраняя вертикальность, чего обычный автомобиль, конечно же, сделать не сможет. Такой, по-видимому, была первоначальная задумка Шиловского, но осуществить ее в 1914 г. он не смог. Имеет ли будущее двухколесный автомобиль? Трудно достаточно уверенно ответить на этот вопрос. Однозначного мнения у автора по этому вопросу нет. Возможно, с развитием автоматики, компьютеризацией автомобилей и потребностью весьма маневренного и экономичного автомобиля, такой и появится снова. Но в одном можно быть уверенным, что маховики появятся на автомобилях прежде всего не как стабилизаторы, а как накопители энергии, способные намного повысить экономичность и динамичность машин. Вот тогда-то почему бы уже имеющийся на автомобиле маховик не использовать еще и как стабилизатор? Как накопить кинетическую энергию? Когда мы раскручиваем маховик, мы накапливаем в нем кинетическую энергию. Энергия является непременным атрибутом любого вращающегося тела, и равна она половине произведения момента инерции маховика (мы уже вычисляли его для велосипедного колеса) на квадрат угловой скорости. До каких же величин мы можем накапливать в нем энергию? Будем разгонять маховик все быстрее и быстрее, и энергия в нем будет расти еще скорее – увеличили угловую скорость в 2 раза, а энергия увеличилась в 4. Есть ли этому предел? Ну прежде всего такой маховик начнет «гонять» воздух, как хороший вентилятор. Автор раскручивал вагонное колесо (от пассажирского вагона) до 6 тысяч оборотов в минуту на специальной установке, и требовалась для этого мощность в десятки киловатт. Полная мощность двигателя автомобиля – только на поддержание вращения такого маховика! Если же откачать воздух, то потери мощности сразу упадут в сотни раз – опоры или подшипники маховика «забирают» на свое вращение совсем немного. Но мы можем пойти дальше и поставить вместо обычных магнитные подшипники (о них речь пойдет позже) и почти совсем устраним потери на вращение маховика. Такой маховик, будучи разогнанным, будет вращаться до остановки месяцы, а то и годы. Чем больше маховик, тем больше он будет вращаться. Большой маховик – Земля – вращается уже около 4 миллиаров лет, и за это время замедлился лишь в 3 раза, хотя потери, по нашим меркам, колоссальные. Луна «тормозит» Землю в ее вращении приливами и отливами всех океанов, а это мощности, во много раз превышающие мощности, вырабатываемые человечеством искусственно. Итак, разгоняем наш маховик (пусть все то же вагонное колесо на специальной установке, которая действительно допускает откачку воздуха из камеры вращения маховика) все больше и больше. При 8 тысячах оборотов в минуту замечаем (специальными приборами), что диск начинает вытягиваться, принимать чуть бол2 ьшие размеры. Еще небольшая прибавка вращения – и маховик разрывается, обычно на три части, три больших осколка, глубоко проникающих в свинцовый защитный слой (рис. 67). Еще бы – скорость разлета осколков превышала 400 м/с, почти как у ружейной пули. Рис. 67. Картина разрыва маховика Почему же это произошло, что помешало разгонять маховик еще? Да все та же инерция. Каждая частичка маховика стремится двигаться прямолинейно, а тут ее «заставляют» сворачивать с прямолинейного пути, да причем так часто. Прочность металла маховика, пока может, мешает разлету этих частиц, но когда механические напряжения становятся чрезвычайно большими, металл не выдерживает и разрывается. Частицы (это обычно три крупных осколка!), получив свободу, разлетаются по прямым – касательным к окружности вращения. Есть простая формула для определения напряжений в материале маховика, если он выполнен в виде обода-кольца, как чаще всего и бывает. Напряжения – ? равны плотности материала – ?, умноженной на квадрат окружной скорости – V маховика. Для только что разорванного нами вагонного колеса, изготовленного из качественной стали, эти напряжения получились: ? = 7 800 · 400 2 = 1,25 х 10 9 Па, где 7 800 – плотность стали, кг/м3; 400 – скорость, при которой разорвало маховик, м/с. Напряжения в 1,25 х 109 Па или, как чаще говорят, 1 250 МПа и есть предельные напряжения на растяжение той качественной и термообработанной стали, из которой делают колеса поездов. Энергии при этом наше колесо накопило столько же, сколько ее и содержали в себе разлетающиеся со скоростью 400 м/с осколки – каждый килограмм осколка – 4002 м2/с2/2 = 80 000 Дж. Иными словами, удельная энергоемкость нашего маховика-колеса в момент разрыва составляла 80 кДж/кг. Много это или мало? Это почти столько же, сколько у автомобильных аккумуляторов, и в десятки раз больше, чем у лучших конденсаторов. Но мы должны помнить, что эта энергия накоплена в момент разрыва, который допустить нельзя! Поэтому этот показатель нужно уменьшить как минимум в 2 – 3 раза. Маловато получается. А если взять материал попрочнее стали? Да и полегче, поменьше плотностью, чтобы напряжения уменьшить? Да, тогда мы можем рассчитывать на большие значения энергии, но есть ли такие материалы? В том-то и дело, что есть, и таких в современной технике немало: стальная проволока, лента из аморфного металла (метгласс), волокна из углерода, кевлара (из такого делают бронежилеты), кварца и даже пока очень дефицитного «алмазного» волокна. Удельные энергоемкости маховиков, изготовленных из таких материалов, будут соответственно равны: 200, 500, 1 500, 1 800, 5 000 и 15 000 кДж/кг. Последние цифры очень велики – посудите сами, они почти в 100 раз больше, чем у автомобильного аккумулятора! Еще лет 20 назад такие цифры были опубликованы и у японцев, и американцев. Рис. 68. Проволочный супермаховик с концами проволок внутри навивки: 1 – навивка к центру (стрелками показано направление навивки); 2 – обычная навивка; 3 – вал; 4 – щека А можно ли изготовлять маховики из таких волокон или лент? Ведь их обычно отливают или куют. Оказывается, можно, и в ряде случаев это даже легче, чем отливать или ковать. Эти волокна и ленты надо навивать на центр или ступицу маховика, почти так же, как мы навиваем нитки на катушку. Только центр этот должен обладать необходимой упругостью, навивка должна происходить с определенным натягом, а последний виток должен оказаться не снаружи, а внутри навивки (рис. 68). И если это все выполнить, мы получим чудесный, сверхэнергоемкий маховик, названный супермаховиком, который и разрываться-то будет безопасно, без осколков. В супермаховике, навитом из ленты (рис. 69, а), при случайном (или намеренном!) превышении критической скорости вращения разрывается самый тяжело нагруженный внешний виток; он отходит от основной намотки и, прижимаясь к корпусу маховика, трением тормозит вращение (рис. 69, б). Кроме высокой энергоемкости мы получаем еще и безопасность, столь важную для маховиков! Рис. 69. Маховик, навитый из прочной ленты (а), и картина разрыва его в кожухе (б): 1 – лента; 2 – кожух; 3 – центр Изобретение супермаховика было сопряжено с рядом курьезов, соответствующих прошедшей эпохе. В мае 1964 г. 24-летний аспирант, автор этих строк, подает заявку на изобретение супермаховика. Но так как в те, еще советские, времена изобретение считалось «добровольным подарком» государству, заявки тщательно проверялись на полезность. Чтобы кто угодно не дарил государству чего попало. Теперь на полезность изобретения не проверяют: заплатил пошлину – получай патент! Если он не полезный – разоряйся сам! Так вот «компетентная» организация определила, что маховики нужно ковать или отливать, а навивать их из проволоки или волокон – глупость! Так автору и отказали в выдаче авторского свидетельства (того, что тогда заменяло патент). Но приоритет-то остался. По тем же советским законам если полезность будет доказана, то изобретения можно будет снова признать. Сами заявки при этом отлеживались в подземелье в секретном хранилище где-то на Урале. И вот приходит время, и в январе 1965 г. заявку на супермаховики подают американцы, а за ними потоком все развитые страны. Супермаховики строят, используют в технике (особенно в авиационной и космической – они пока дорогие!), по ним созывают международные симпозиумы. Автор подал апелляцию и – надо же – ему выдают авторское свидетельство с приоритетом 1964 г., но… 20 лет спустя, т. е. через срок, когда все права на изобретения становятся всеобщими. Таковы патентные законы! Но автор доволен и этим – хоть будем знать, кто и в какой стране первым изобрел супермаховик! Вот как и в чем лучше всего накапливать механическую энергию, да и энергию вообще. Дело в том, что прогресс в деле создания сверхпрочных материалов не стоит на месте, и уже предсказано создание так называемых «плотноупакованных» и «звездных» материалов фантастической прочности и плотности. Маховик из таких материалов сможет, например, служить двигателем, т. е. снабжать энергией автомобиль весь срок его службы, будучи раскрученным еще на конвейере! Пружина, резина или газ? Позвольте, маховики, супермаховики… а что, в пружинах, как это делается, например, в механических часах или игрушках, разве не запасают механическую энергию? Ведь существуют же «упругие» накопители, или аккумуляторы энергии. Аккумуляторы с использованием упругости или потенциальной энергии применялись человеком еще в глубокой древности: вспомним хотя бы о луках, самострелах и катапультах. В эпоху Возрождения пружинные двигатели можно было встретить в заводных игрушках, часах и даже в «самобеглых» каретах (рис. 70), предназначенных исключительно для торжественного выезда королей. Пружины тогда ковали кузнецы, и стоили они весьма дорого. Рис. 70. Механическая карета XVI в. с пружинным двигателем, заводимым ступальным колесом (с рисунка Альбрехта Дюрера) Сейчас же пружинные двигатели для самых различных механизмов выпускаются многомиллионными сериями. Наиболее распространенные из них – двигатели со спиральной пружиной. Закаленная пружинная лента закладывается в обойму (барабан), крепится одним концом к ней, другим – к валу и заворачивается вокруг него (рис. 71). В таком «взведенном» состоянии пружина «заневоливается», т. е. оставляется на несколько часов или дней для стабилизации упругих свойств. КПД этих двигателей выше 0,9. Пружинная лента работает на изгиб. Причем та ее часть, что напряжена сильнее (навернута на меньший диаметр), аккумулирует больше энергии; периферийные же части напряжены слабее – стало быть, и аккумулируют меньше энергии. Если же пружину предварительно изогнуть S-образно, тогда все ее участки будут напряжены равномерно, и она накопит гораздо больше потенциальной энергии. Рис. 71. Пружинный аккумулятор со спиральной пружиной (а) и S-образная спиральная пружина (б): 1 – обойма; 2 – пружина; 3 – вал Поднять энергоемкость спиральных пружин можно еще, придав им желобчатый профиль. Наворачиваясь на вал, такая пружина претерпевает деформацию изгиба как в продольном, так и поперечном направлениях и накапливает максимальную энергию. S-образные пружины с желобчатым профилем обладают и другими достоинствами, например почти постоянным крутящим моментом. Рис. 72. Гидроаккумулятор с пружинным двигателем: 1 – пружина; 2 – поршень; 3 – гидромотор Для машин с гидравлической системой лучше всего подойдет гидроаккумулятор с пружинным двигателем (рис. 72). В нем накопление и выделение энергии производятся при закачке или выпуске масла. Здесь пружина уже не ленточная, а проволочная. Эффективность проволоки можно значительно повысить, удалив осевые участки, которые при ее кручении не участвуют в процессе накопления энергии. Конечно, изготовление вместо пружинной проволоки трубки с высокими прочностными свойствами куда сложнее и труднее, но при необходимости приходится идти и на это. Однако, несмотря на все меры по увеличению энергоемкости пружинных двигателей, они по этому показателю сильно отстают от аккумуляторов других видов. Например, энергоемкость маховиков превышает энергоемкость любых пружин при той же прочности материала в десятки тысяч раз! Каковы же пути повышения энергоемкости «упругих» аккумуляторов? Накопленная в аккумуляторе механическая энергия тем выше, чем значительнее сила и перемещение под действием этой силы. Следовательно, в качестве аккумулирующего элемента целесообразно использовать материалы, допускающие большие деформации под действием больших сил. И здесь, пожалуй, не найдешь ничего лучшего, чем газ. При его сжатии запасается огромная энергия, соизмеримая с энергией перспективных электроаккумуляторов и маховиков. К сожалению, и недостатки «газовых» аккумуляторов (рис. 73) весьма существенны. Рис. 73. Газовый аккумулятор (пневмоаккумулятор): 1 – баллон; 2 – пневмодвигатель; 3 – клапан Прежде всего, закачивать газ в баллон надо компрессором, а отбирать энергию – пневмодвигателем. А КПД этих агрегатов довольно невысок: хорошо, если удастся использовать хоть четверть затраченной энергии. И еще: газ при сжатии нагревается, а при расширении охлаждается. Поэтому только что закачанный газ в баллоне очень горяч, но со временем он охлаждается, принимает температуру окружающей среды, и это выделяющееся тепло уносит с собой до 40 % накопленной энергии – от запасов газового аккумулятора остаются лишь жалкие крохи. Однако есть способ повышения КПД газовых аккумуляторов – это их симбиоз с гидроприводом (рис. 74). Выше был упомянут пружинно-гидравлический аккумулятор, где энергию аккумулирует пружина, а гидросистема выполняет лишь роль трансмиссии. При этом КПД аккумулятора (называемого гидрогазовым) сильно возрастает. Во-первых, газ расширяется в гораздо меньшей степени, чем в чисто газовых аккумуляторах, и при этом происходит гораздо меньшее тепловыделение. Во-вторых, гидросистема, которая в данном случае является гидрообьемной, или статической, обладает весьма высоким КПД. Поэтому гидрогазовые аккумуляторы находят широкое применение для аккумулирования значительных количеств энергии в самых различных машинах: прессах, стартерных устройствах, самолетах. Рис. 74. Гидрогазовый (гидропневматический) аккумулятор: 1 – газовая полость; 2 – жидкость; 3 – эластичная перегородка; 4 – обратимая гидромашина; 5 – бак Для повышения удельной энергии гидрогазовых аккумуляторов баллон, в который закачан газ, выполняется из возможно более прочных материалов, имеющих к тому же низкую плотность. Такими материалами могут быть стеклянное или графитовое волокно на эпоксидной связке, а также целый ряд недавно разработанных сверхпрочных материалов. Баллон лучше всего изготовить в виде сферы (она имеет наименьшую площадь при наибольшем объеме), внутренняя поверхность которой соответствующим образом герметизирована. Для закачки в баллон используются газы, технически инертные, – обычно азот, реже гелий. Газовая и жидкостная среды в таком аккумуляторе чаще всего разделяются. В старых конструкциях цилиндрических баллонов это делалось с помощью свободного поршня, а в более прогрессивных, в том числе и сферических, – с помощью эластичной перегородки. Давление газа в таких аккумуляторах обычно бывает 15—40 МПа. Гигантские газовые аккумуляторы могут применяться в качестве аккумулирующих устройств для электростанций. Энергия будет запасаться в аккумуляторе путем сжимания газа (разумнее всего – воздуха) в ночное время, когда расход электроэнергии мал. В часы пик при потребности в максимальной мощности электростанции газ будет подаваться на мощные турбины или другие пневмодвигатели, добавляя накопленную энергию к энергии электростанции. Согласно существующим проектам газ предполагается закачивать в огромные полости под землей (например, выработанные шахты). Но вернемся к твердым веществам. Неужели нет таких веществ, которые, имея достаточную прочность (например, как у металлов), имеют при этом высокую упругую деформацию? Тогда пружина из таких материалов накопила бы побольше энергии. Оказывается, есть такие материалы и называются они псевдоупругими. Псевдоупругость – это способность материала (металла) растягиваться до разрыва не на 1 – 2 %, как стальная проволока, например, а на 15—20 %. Причем если обычная сталь при деформациях «устает» и выдерживает не так уж много циклов (вспомним, как часто ломаются пружины!), то псевдоупругий материал, у которого принцип деформации иной, выдерживает циклы нагружения практически без «усталости». Псевдоупругие материалы – почти те же, которые обладают эффектом памяти формы, о них много писалось и пишется. В основном это сплавы титана и никеля; если им задать некую форму в нагретом состоянии, а потом, охладив, изменить эту форму (например, согнуть проволоку как угодно), то при нагревании сплав снова примет прежнюю форму, как бы «вспоминая» ее. Такие сплавы применяют сейчас во множестве случаев, начиная с тепловых машин, которые работают без пара и бензина при минимальной разности температур, и кончая зондами, которые вводятся в артерии и даже сердце человека. Нагреваясь в его теле, сплав «вспоминает» свою прежнюю форму и, к примеру, расширяет артерию. Но речь идет о свойстве псевдоупругости у таких материалов. Проволоку из такого сплава можно деформировать – изгибать, растягивать в 10 раз больше, чем самую прочную и упругую сталь. Стало быть, и энергии пружина из такого материала накопит в 10 раз больше. Вот какой скачок в накоплении энергии! Часы с такой пружиной, например, будут идти в 10 раз дольше, чем обычные заводные, но использовать такие часы можно будет пока разве только в сауне. Потому что «упругую» силу такой материал приобретает при 150—200 °С. Автор не сомневается, что скоро будут созданы материалы, которые будут «сильны» и при комнатной температуре. Пока же они ведут себя при таких температурах вяло, удлиняясь и укорачиваясь медленно, как будто сделаны они из смолы, только очень прочной. Но автор придумал применение таким материалам и сегодня, причем применение очень эффектное – для спорта. Если сделать тросик для метания молота не из стали, а из такого материала, по прочности близкого к ней, то при вращении молота псевдоупругий тросик будет растягиваться в 20 раз сильнее, чем стальной. А это, как хорошо понимают спортсмены – метатели молота, обеспечит значительное, почти на 20 %, повышение дальности полета снаряда. Материал тросика в правилах не регламентирован, так что и нарушений не будет! Помог же шест из стеклопластика вместо бамбукового поднять рекорды прыжков, вот и тросик из псевдоупругого материала поднимет рекорды метателей. Спортсмены, не медлите, рекорды ждут вас! Остается еще один материал, который имеет огромную упругую деформацию, правда не такой уж прочный. Это знакомая всем нам резина. Лучше всего она работает на растяжение, накапливая при этом удельной энергии в десятки раз больше, чем стальные пружины. Однако для машин необходимо, чтобы, как и в заводных пружинах, вал накопителя закручивался бы. С учетом этого автором сконструирована упругая муфта-аккумулятор (рис. 75). Резиновые жгуты, закрепленные концами на ведущей и ведомой полумуфтах, опираются на легкие, свободно сидящие на оси промежуточные поддерживающие диски (изготовленные, например, из пластмассы) и при относительном повороте полумуфт принимают положение винтовой линии. Поскольку крепление жгутов к полумуфтам шарнирное, резина практически подвергается только растяжению. По энергоемкости эта муфта соизмерима даже с маховиками. Но почему же резиновые элементы, обладая столь ценными качествами, используются как накопители энергии не так уж широко? Рис. 75. Резиновая муфта – аккумулятор энергии: 1 – ведущий вал; 2 – ведомая полумуфта; 3 – резиновые жгуты; 4 – поддерживающие промежуточные диски Если деформировать, например, растягивать, резиновый упругий элемент и записывать зависимость силы от перемещения его конца, то кривая растяжения резины при накоплении в ней энергии будет отличаться от кривой ее сокращения при выделении энергии. Эти две кривые образуют так называемую гистерезисную петлю, характеризующую потери энергии на упругий гистерезис (рис. 76). И чем больше растягивать резину, т. е. накапливать в ней энергию, тем выше потери на упругий гистерезис. Кроме того, чем дольше сохраняется энергия в растянутой резине, тем больше петля гистерезиса и тем меньше энергии будет возвращено обратно; гистерезисные потери постепенно разрушают резину, и свойства ее меняются. Все это (мы уже не говорим о других недостатках) ограничивает применение резиновых упругих элементов для аккумулирования энергии в точных, долговечных и надежных приборах и машинах. Широко применяются резиновые аккумуляторы энергии в моделях в качестве резиномоторов. Рис. 76. График растяжения резинового жгута И о том, что резина значительно пригоднее для накопления энергии, чем пружина, говорит тот факт, что с резиномоторами летает множество моделей самолетов и вертолетов, а с пружиной еще ни одна модель не поднялась в воздух! Как помочь «Формуле-1»? И, собственно, не только «Формуле-1», а любому автомобилю – стать более динамичным. Просто на «Формуле-1» это выглядело бы поэффектнеее. Если маховик – такой емкий накопитель энергии, то почему бы от него не приводить транспортные средства, как от двигателя? Раскрутить маховик электромотором – и поехали! Да, есть такие транспортные машины, например тележки для внутризаводских перевозок (рис. 77). Ходят они вперед и назад, могут и остановиться. Только не могут самостоятельно изменять скорость, она сама меняется – все убывает по мере снижения запаса энергии в маховике. Рис. 77. Маховичная грузовая тележка: 1 – редуктор; 2 – рукоять хода и реверса; 3 – рукоять сцепления; 4 – маховик; 5 – электродвигатель; 6 – платформа; 7 – шасси Рис. 78. Швейцарский маховичный автобус – гиробус (а) и его маховик (б) Для автомобиля такое поведение неприемлемо. Он должен изменять свою скорость, как того захочет водитель. Для этого между маховиком и колесами машины должна быть бесступенчатая трансмиссия. Ступенчатая коробка передач тут не подходит, каждое переключение передачи тут будет сопровождаться ударом и продолжительным буксованием сцепления – никакой энергии маховика не хватит. Поэтому в первом же маховичном автобусе – гиробусе, построенном еще в 1950-х гг. в Швейцарии (рис. 78, а), была применена бесступенчатая электрическая трансмиссия. Ходил гиробус в Швейцарии, Бельгии, даже в Африке, проходил между подзарядками маховика (рис. 78, б) 1,5 км на трассах протяженностью до 10 км. Но несмотря на появление подобных гиробусов вплоть до настоящих времен то в Европе, то в Америке, трудно назвать их перспективными. Как, впрочем, и любой автомобиль, работающий на накопленной энергии, включая всеми хваленные электромобили. Автор берется доказать это в двух словах. Первое – если все автомобили переделать на электромобили, или махомобили, как гиробус, то для подзарядки их накопителей не хватит энергии электростанций всего мира. При этом ее уже не везде хватает и так, а тут подключатся автомобили, суммарная мощность которых во много раз больше мощности всех электростанций мира. Второе – если подсчитать КПД обычной электростанции с преобразованиями тока и переброской его на нужное расстояние и учетом потерь в зарядном устройстве и аккумуляторе, можно прослезиться. Этот КПД будет значительно меньше тех 40 %, которые может обеспечить дизель в лучшем случае. А тем более тех 60—70 %, которые обеспечивают так называемые топливные элементы или электрохимические генераторы, непосредственно, бесшумно и экологично переводящие энергию топлива в электроэнергию. Так что же, вообще никакой накопитель на автомобиле не нужен? Да нет, нужен, только для несколько иной цели. Дело в том, что двигатель почти никогда не работает на автомобиле с максимальным КПД. Для этого он должен работать почти на максимальной мощности, т. е., чтобы было понятнее для водителей, педаль акселератора должна быть уперта в пол (рис. 79). Такое бывает либо на предельной скорости (обычно не менее 150—160 км/ч для современных машин) либо при маневрах – обгонах. В городе, например, средняя мощность двигателя менее одной десятой от установочной. КПД при этом – 5 – 7%, что видно по расходу топлива. А ехать, например, со скоростью 160 км/ч и неэкономично – все топливо уходит на взбалтывание воздуха, и опасно – на большинстве трасс такого не допустит ГАИ. Рис. 79. Зависимость КПД двигателя от загрузки его по мощности Что же делать, чтобы заставить двигатель всегда работать на оптимальном, самом экономичном режиме? С маховиком это очень даже просто. Двигатель малой мощности постоянно работает на своем оптимальном режиме, отдавая всю энергию, выработанную с максимальным КПД, маховику. Маховик в этом случае выступает как «банк» для энергии (рис. 80). Если этот «банк» переполнился, двигатель автоматически отключается. Движение же автомобиль получает именно от маховика через бесступенчатую коробку передач. Кроме того, что автомобиль использует для движения самую «экономичную» энергию, на спусках и при торможениях избыточная энергия не теряется в тормозах, а переходит обратно в маховик. Этот процесс называется рекуперацией, и он позволяет дополнительно повысить экономичность автомобиля, в результате чего КПД двигателя может оказаться даже выше своего максимума. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/nurbey-gulia/udivitelnaya-fizika/?lfrom=390579938) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.