Глава 7 Сила и движение

— Эх, вы! — сказал Слоненок. — Много вы смыслите в тумаках! Вот я в этом деле кое-что понимаю. Хотите, покажу?

И он развернул свой хобот, и тотчас же два его милых братца полетели от него вверх тормашками.

— Клянемся бананами! — закричали они. — Где это ты так навострился и что у тебя с носом?

— Этот нос у меня новый, и дал мне его Крокодил…, — сказал Слоненок.

— Безобразный нос! — сказал волосатый, мохнатый дядя Павиан.

— Пожалуй, — сказал Слоненок. — Но полезный! И он схватил волосатого дядю Павиана за волосатую ногу и, раскачав, закинул в осиное гнездо.

Редъярд Киплинг, «Вот так сказки»

Это длинная и трудная глава, отчасти даже противная, но важная и очень нужная. Ее, может быть, придется читать несколько раз и крепко задумываться, но без этой главы вы мало что поймете в астрономии или в атомной физике, которым уделено важное место в нашем курсе.

Если изучение движения, которому посвящена эта глава, покажется вам трудным, подумайте о том, как много времени потребовалось на это человечеству. Греческие ученые хорошо знали, что такое рычаги и простые машины, и разбирались в простых физических явлениях вроде плавания тел, но в том, что касается движения, у них не было ясности. И еще три или четыре столетия назад оставалось много неясного. Человечеству потребовалось шестнадцать столетий, чтобы прийти к пониманию движения, поэтому вам следует набраться терпения и потратить на изучение движения несколько недель.

Сила и изменение движения

Каким образом ракета сама себя приводит в движение в вакууме? Откуда нам известен заряд одного- электрона? Как нам удается теоретически предсказать поведение газов? Как удается исследовать строение атомов при помощи альфа-частиц, испускаемых радием? Что позволяет нам рассчитать количество энергии, выделяющейся при делении ядер? Все это можно осуществить, но чтобы понять эти явления, понять, как ученые производят измерения, следует разобраться в той связи, которая имеется между силой и движением. В данной главе подробно исследуется эта связь не ради решения скучных задач на ускоренное движение, а как необходимая основа почти всех наиболее важных разделов физики, и старой, и современной.

Современного физика движение интересует тогда, когда оно изменяется. Равномерное движение, по его мнению, продолжается само по себе; если же скорость какого-либо движущегося предмета возрастает по величине или движение происходит по криволинейной траектории с изменением направления, тут физик рассчитывает получить важную информацию. Здесь, считает он, действует сила.

Фиг. 133. Установившееся движение с постоянной скоростью.

_{Неизменная скорость в неизменном направлении, а — камень на замерзшем пруду; б — изолированная звезда.}

Изменение движения позволяет изучить роль «силы» в физических представлениях о мире, возможно, даже высказать некие догадки о причине и следствии. Мир полон примеров изменения движения: автомобили ускоряют ход; пушечные ядра набирают высоту и падают; «крученые» мячи заворачивают в полете в сторону; маятники совершают колебания; Луна мчится по своей орбите вокруг Земли; планеты блуждают по небу, описывая петлеобразные фигуры; молекулы газа резко изменяют направление своего движения, сталкиваясь со стенками сосуда; пучок заряженных атомов, проходя через электрическое поле, искривляется в параболу; узкий пучок электронов в телевизионной трубке движется вверх и вниз под действием магнитных полей, и (возможно, вас это удивит) даже лучи света искривляются под действием силы тяжести[85]. В этой книге вы будете изучать все эти примеры изменения движения. Каждое из них связано с действием силы, и если мы не собираемся ограничиться простым описанием, то должны выяснить связь между «силой» (чем бы эта «сила» ни была) и изменением движения».

Мы будем называть силой все, что тянет или толкает, и будем измерять силы простыми пружинными весами (не прибегая в закону Гука).

Здесь снова следует приступить к опытам. Это будут главным образом демонстрационные опыты.

Фиг. 134. Изменяющееся движение.

_{а — скорость изменяется по величине; б — по направлению; в — как по величине, так и по направлению.}

Сила и ускорение: признавая физические законы

Привяжите к веревке камень и, держа веревку за противоположный конец, поднимите руку вверх. Камень натянет веревку. Вы говорите, что это натяжение вызвано тем, что камень тянет вниз земным притяжением, «тяготением» или просто весом камня.

Эта направленная вниз сила, приложенная к камню, уравновешивается вашей силой, направленной вверх. Теперь перережьте веревку: камень начнет падать с постоянным ускорением. Вы перестали тянуть камень вверх, но можно предположить, что на камень по-прежнему действует та же сила, которая представляет собой теперь единственную действующую на него силу — постоянную силу, направленную вниз. Постоянная сила приводит к постоянному ускорению. Это начало настоящего изучения силы и движения.

Сопоставьте этот вывод с утверждением Галилея, согласно которому, если нет силы, то нет и ускорения: предмет, находящийся под действием сил, сумма которых равна нулю, сохраняет состояние покоя или движется с постоянной скоростью.

Для дальнейшего исследования силы и движения нам потребуется прикладывать силы равной величины к различным предметам.

Фиг. 136. Ускорение, сообщаемое постоянной силой.

В этом курсе мы будем пользоваться для измерения силы простейшими пружинными весами и будем измерять силу в произвольных единицах. Возьмем хорошую стальную пружину и растянем ее так, чтобы удлинение пружины имело стандартную величину. Назовем эту силу «единицей силы», равной одному «странгу».

(Странг — это название для новой единицы, которую мы здесь выдумали. Скоро мы заменим ее общепринятой единицей.) Теперь мы можем приложить один странг, чтобы сообщить ускорение какому-нибудь избранному нами предмету — небольшой тележке или куску льда, лежащему на горизонтальной поверхности стола; для этого достаточно приложить силу при помощи пружины, удлинение которой поддерживается все время постоянным, равным эталонному. Тянуть тележку с постоянной силой, когда она движется все быстрее и быстрее, дело не простое. Будем считать, что мы в состоянии выполнить эту задачу, и посмотрим, какие результаты дадут нам подобные эксперименты. Измерения промежутков времени и расстояний позволили бы установить, что ускорение постоянно. Расстояния, пройденные предметом за 1, 2, 3…. сек с момента начала движения, оказались бы в пропорции 1:4:9:… (из измерений s и t мы могли бы также вычислить величину 2s/t² и убедились бы в том, что она постоянна). Теперь с помощью двух идентичных пружин, прикрепленных рядом, «в параллель», и растянутых на одинаковую длину, соответствующую стандартному удлинению, приложим удвоенную силу, 2 странга. Мы получим удвоенное ускорение. Ускорение возрастает в той же пропорции, что и сила.

Фиг. 137. Единичное (а) и удвоенное (б) ускорение.

Чтобы приложить к исследуемому телу всевозможные силы величиной 1, 2, 3, 4… странга, возьмем несколько одинаковых пружин[86]. Затем сообщим телу ускорение силой 1 странг, 2, 3…, ускорения должны находиться в пропорции 1:2:3., значит для данного тела ускорение возрастает в такой же пропорции, что и ускоряющая сила, т. е. a ~ F.

Фиг. 138. Удвоенные и утроенные массы.

_{а — постоянная сила сообщает телу постоянное ускорение; б — при неизменной массе ускорение пропорционально силе; в — при неизменной силе ускорение пропорционально 1/М.}

До сих пор мы всегда прикладывали силу к одному и тому же телу. Перейдем теперь к другим телам, другим количествам движущегося вещества, к удвоенной и утроенной массе. Возьмем несколько идентичных тел (тележек или кусков льда). Чтобы получить удвоенную массу, свяжите две тележки (или поставьте одну на другую) и приложите силу 1 странг. Затем соедините три одинаковых тела и приложите к ним эту силу. При удвоенной массе мы должны получить половину ускорения, при утроенной — одну треть ускорения. Ускорение убывает в такой же пропорции, в какой возрастает масса, т. е, а ~ 1/М, где М измерено путем подсчета числа тележек. Это соотношение труднее себе представить, поэтому зададим вопрос по-иному: как следует изменить силу, чтобы сообщить разным массам одинаковое ускорение! Телу с удвоенной массой 1 странг сообщает половину ускорения, поэтому первоначальное ускорение этому телу должны сообщить 2 странга. В таком случае, чтобы сообщить одинаковое ускорение единичной массе, удвоенной массе и утроенной массе, к ним нужно приложить силы, которые находятся в пропорции 1:2:3. Силы, которые нужно приложить, пропорциональны массам F ~ M. Здесь, говоря о массе, мы имеем в виду количество вещества, которому нужно придать ускорение, количество одинаковых тележек (или кусков льда).

Резюме

Итак, мы получили два важных соотношения:

1) При неизменной массе

(Ускорение) ~ (Сила), или (Сила) ~ (Ускорение).

2) При неизменном ускорении (Сила) ~ (Масса).

Эти соотношения можно объединить в одно[87]

СИЛА ~ МАССА∙УСКОРЕНИЕ

или

СИЛА = (ПОСТОЯННАЯ)∙МАССА∙УСКОРЕНИЕ.

Второй закон движения Ньютона

Снова представим себе, что мы можем прикладывать постоянные силы к движущимся массам и точно измерять ускорения. Кроме того, предположим, что сила наших пружин — это единственная действующая на тело горизонтальная сила, которая, таким образом, является результирующей силой. Приведенное нами соотношение

РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА ~ МАССА∙УСКОРЕНИЕ

действительно справедливо. Это великий второй закон движения Ньютона (который включает первый закон Ньютона и предполагает выполнение его третьего закона при любой экспериментальной проверке).

Этот закон, связывающий силу, ускорение и массу, чрезвычайно важен для последующих разделов физики. Он подтверждается экспериментально для движения всех больших тел, от детских автомобилей и теннисных мячей до реактивных самолетов и планет; мы распространим его, кроме того, на атомы, электроны и ядра.

Чтобы понять этот закон и научиться им пользоваться, нужно уяснить его экспериментальную основу и исходные определения.

Поэтому очень важно посмотреть опыты. Прежде чем описать некоторые демонстрационные опыты, рассмотрим частный случай F = 0.

Нет сил — движение неизменно: первый закон Ньютона

Если F ~ M∙a, то в частном случае F = 0 ускорение должна быть равно нулю, т. е. движение должно продолжаться без изменений. К этому выводу можно прийти, анализируя движение снаряда: вертикальное ускорение есть результат действия земного притяжения, в горизонтальном движении также следует усматривать результат действия некой горизонтальной силы. Помимо сопротивления воздуха (которое в идеальном случае не участвует), никаких горизонтальных сил нет. Тем не менее пушечное ядро продолжает двигаться вперед с постоянной горизонтальной скоростью.

Значит, можно предположить, что если на тело не действует никакая сила, то его скорость остается неизменной. В таких случаях горизонтальное ускорение равно нулю, но скорость не должна быть раина нулю: она может сохранять любое постоянное значение.

Поэтому физики говорят, что для поддержания неизменным равномерного движения не нужно прилагать никакой силы. На первый взгляд это кажется абсурдным. Чтобы двигать по шероховатому полу ящик или заставить автомобиль равномерно двигаться по ровному участку дороги, необходимо прикладывать все время большую силу. Однако, утверждая это, мы исходим из ограниченного представления: мы забываем о силе трения, действующей против движения, или о сопротивлении воздуха. Если учитывать эти силы, то результирующая сила вполне может оказаться равной нулю. Но мы говорим, что тело движется с постоянной скоростью, если равна нулю результирующая сила (фиг. 139).

Фиг. 139. Старый вопрос и современный ответ.

Даже если к летящему пушечному ядру приложить две силы — одну, тянущую вперед, а другую, тянущую назад, то при равенстве нулю результирующей силы горизонтальное движение ядра останется неизменным (фиг. 140).

Фиг. 140. Силы, действующие на тело, не влияют на движение, если сумма этих сил равна нулю.

Ниже приведено описание некоторых опытов. Проведение опытов иллюстрируется на фигурах и зависит от имеющегося в наличии оборудования.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Опыт 1. Движение тела в отсутствие результирующей силы (мечта конькобежцев). Честно продемонстрировать такое движение невозможно. Мы не способны осуществить движение тела, на которое заведомо не действовала бы никакая сила.

Мешают тяготение, трение или неумение логически мыслить. Мы можем лишь продемонстрировать опыты, иллюстрирующие наше направление мысли, и в идеальном случае (который сам по себе представляет воображаемый эксперимент) экстраполяцию всех реальных случаев[88]».

Правило «нет силы — движение постоянно» применимо независимо от того, есть ли трение или нет. Мы стремимся проводить эксперименты в отсутствие трения только для того, чтобы продемонстрировать это правило, поскольку трение трудно измерить и ввести на него поправку.

Опыт 1(а). Понаблюдайте за шаром, катящимся по горизонтальной поверхности стола. К сожалению, шар замедляет движение и останавливается: мы виним в этом трение. (Правда, катящийся шар используется и для проверки горизонтальности стола, поэтому есть опасность, что при доказательстве получится порочный круг. Однако этого можно избежать, если разумно провести опыт.)

Задача 1. Научное объяснение против черной магии

Откуда вы знаете, что катящийся шар останавливает трение, а не нечистая сила? Предложите эксперименты для проверки или подкрепления вашей точки зрения. (Это задача, которая на первый взгляд кажется шуткой, поднимает серьезный вопрос о природе научных объяснений и законов. Попытайтесь логически построить защиту, но помните, что адвокат нечистой силы сможет настаивать на целом ряде свойств последней.)

Опыт (1б). Большой кусок «сухого льда» (твердая двуокись углерода) скользит по горизонтальной поверхности стола, покрытого алюминием или стеклом. Сухой лед отделен от поверхности стола газовой подушкой — слоем газообразной двуокиси углерода, которая все время подогревается столом. Сухой лед значительно холоднее обычного тающего льда, поэтому стол оказывается для него очень горячим, и лед испаряется. Создается газовая подушка, по которой сухой лед скользит подобно куску обычного льда на разогретом солнцем тротуаре.

Опыт 1(в). «Модель железной дороги». Честно признав поражение, нанесенное нам силами трения, мы можем создать модель железной дороги, в которой трение было бы компенсировано наклоном рельсов (фиг. 141).

Фиг. 141. «Первый закон Ньютона».

_{Тележка на рельсовом пути с компенсированным трением.}

На вагончик, стоящий на рельсах с очень небольшим уклоном, действует некоторая доля земного притяжения; эта сила тянет вагончик вниз под уклон, и можно так подобрать угол наклона, чтобы небольшая сила, действующая в сторону уклона, как раз компенсировала силу трения. Затем сообщим вагончику начальную скорость мгновенным толчком и посмотрим, как он движется. Это не вполне честный опыт. В самом деле, откуда мы знаем, насколько нужно наклонить рельсы? Тем не менее очень интересно смотреть, как вагончик медленно катится по рельсам при почти невидимом уклоне. Действительно, мы считаем, что результирующая сила равна нулю. Притяжение Земли при определенном положении рельсов и сила торможения, обусловленная трением, при векторном сложении в сумме дают нуль. Если толкнуть вагончик сильнее, то он будет двигаться, все время сохраняя новое значение скорости. Вагончик, нагруженный песком или металлом, после толчка опять-таки движется равномерно. Если не производить измерений, то этот опыт неубедителен, он позволяет судить скорее о трении, чем о движении в отсутствие силы, но модель дороги с компенсированным трением пригодится нам в дальнейших экспериментах.

Опыт 1(г). Мы сталкиваемся с примерами прямолинейного движения, анализируя траектории тел, движущихся с большой скоростью: ружейная пуля движется настолько быстро, что на небольшой длине полета дули расстояние по вертикали, пройденное ею в падении, оказывается незаметным. Это говорит о том, что траектория близка к прямой, но никоим образом не убеждает в постоянстве скорости. Можно пропустить пучки электронов (и других атомных частиц), Движущихся еще быстрее, через проделанные булавкой проколы в нескольких перегородках в длинной трубке (фиг. 142).

Фиг. 142. Поток электронов в отсутствие внешних сил движется по прямой линии.

Если отверстия расположить не по прямой линии, то пучок не пройдет[89].

Быстрые атомные частицы, проходя через чувствительный слой эмульсии, которой покрывают фотопластинки, оставляют черный след. Проходя через фотографические пленки под малым углом к поверхности, они оставляют черточки, очень близкие к отрезку прямых (посмотрите фотографии эмульсий со следами электронов, протонов и других частиц, происхождение которых связано с космическими лучами).

Опыт 2. Сила и ускорение. Соотношение, к которому мы пришли выше (в результате опытов с идеализированными пружинами), представляет собой основной закон физики. Поэтому стоило бы познакомиться с настоящими демонстрационными опытами. Чтобы проверить, действительно ли ускорения пропорциональны силам (эту мысль внушили Ньютону труды Галилея), мы измеряем ускорение небольшой тележки, движущейся по рельсам под действием тяги различной величины (фиг. 143).

Фиг. 143. Демонстрационный опыт, иллюстрирующий зависимость между силой, массой и ускорением.

_{Небольшой груз тянет массивную тележку при помощи нити, перекинутой через блоки. Рельсовый путь слегка наклонен для компенсации трения.}

Рельсам придан небольшой уклон для компенсации трения. Коль скоро мы сообщаем о том, какие меры принимаем, то можно считать, что мы поступаем вполне честно. Трение целесообразно компенсировать или свести к минимуму: законы движения не перестают действовать при наличии трения, но оно создает дополнительную силу, которую надо отдельно измерить, если мы хотим знать результирующую силу. Именно результирующая сила фигурирует в законах в их простой формулировке.

Детали устройства рельсового пути и системы отсчета времени зависят от имеющегося в наличии оборудования. Рельсовый путь должен быть длинным, рельсы стальные, как можно более прямые, тщательно уложены. Колеса тележки должны быть снабжены шариковыми подшипниками. Электрическая система измерения времени с большими часами в качестве регистрирующего устройства удобнее, чем перьевые отметчики времени, оставляющие чернильные точки или волнистые кривые. Пуск часов может производиться замыканием электрического контакта, а остановка — с помощью фотоэлемента (фиг. 144).

Фиг. 144. Схема опыта для демонстрации зависимости между силой, массой и ускорением.

В момент, когда тележка отъезжает от «стартового столба», разрывается питание электромагнита (оно проходит через тележку и контакт на «стартовом столбе») и электромагнит отпускает рычажок, который включает часы. Когда тележка достигает конечного пункта, укрепленная на ней полоска картона перекрывает луч света, направленный на фотоэлемент. Пока фотоэлемент освещен, в нем создается поток электронов, который усиливается и приводит в действие электромагнит.

Когда световой поток прерывается, электромагнит отпускает (второй) рычажок, замыкающий цепь электрических часов. Таким образом, часы регистрируют продолжительность движения тележки, начинающегося из состояния покоя, в пределах некоторого измеренного отрезка пути. На данном этапе эта схема опыта может показаться сложной и таинственной. Впоследствии вы встретитесь с этими устройствами — с фотоэлементами, усилителями и т. д. Все, что от вас сейчас нужно, — это, чтобы вы понаблюдали за работой действующей системы с движущейся тележкой и часами.

Вы увидите, что часы включаются, когда тележка отходит от «стартового столба», и останавливаются, когда она доходит до фотоэлемента.

Пользуясь этими часами для непосредственного наблюдения, вы поступаете ничуть не хуже, чем при пользовании любыми другими часами: вы убеждены в том, что они работают приемлемо, хотя и считаетесь с возможностью нежелательных ошибок.

Наблюдая за этим важным демонстрационным опытом, выполняемым с помощью сложной аппаратуры, воспользуйтесь также для контроля вашими ручными часами.

Измерение сил: «силомер»

Примером ускоренного движения обычно служит свободное падение тел, а земное притяжение, заставляющее тела падать, — примером силы. Тем не менее было бы ошибкой использовать земное притяжение на первом этапе изучения сил и ускорения, ибо это приведет к серьезной путанице, связанной с очень важным понятием массы. Воспользуемся лучше «силомером» — хорошей стальной пружиной со стрелкой и шкалой, размеченной для измерения силы в «странгах». Как и прежде, один странг — это произвольная единица силы, которая, растягивая пружину, придает ей стандартное удлинение.

Чтобы разметить шкалу измерения сил в 2, 3, 4… странга, нет никакой необходимости обращаться к закону Гука. Возьмем еще несколько одинаковых пружин, проверенных на идентичность подвешиванием к каждой из них одного и того же груза или одновременным растяжением всех пружин, расположенных рядом[90]. Затем возьмем эти пружины и будем растягивать силомер, прикрепляя к нему пружину — одну для 1 странга, две в параллель для 2 странгов, — и нанесем отметки на шкале. Потом три, потом четыре пружины…[91] Более мелкие деления можно нанести на шкалу путем интерполяции. Мы получим «силомер» для измерения сил по удлинению пружины.

Воспользуемся этим силомером для измерения силы, сообщающей ускорение небольшой тележке, движущейся по горизонтальному рельсовому пути, и будем измерять ускорения. Действительно ли удвоенная сила сообщает удвоенное ускорение? Лучше всего установить силомер на самой тележке. В этом случае шнур, за который тянут тележку, прикрепляется к пружине силомера, и сила измеряется во время ускоренного движения тележки[92].

Если мы измеряем ускоряющую силу с помощью силомера, установленного на тележке, то неважно, как приложена сила к другому концу шнура. Силомер покажет, с какой силой тянут за шнур и остается ли эта сила постоянной.

Для удобства проведения опыта шнур перекидывают через блок и тянут при помощи подвешенного к нему небольшого груза. Груз притягивается к земле и тянет шнур, который в свою очередь тянет тележку с силой, измеряемой силомером.

Фиг. 145. Силомеры.

_{а — силомеры (проверьте тождество трех одинаковых пружин); б — калибровка пружин; в — лучший критерий тождественности — одинаковое ускорение.}

Грузом может служить небольшой мешочек с песком, размер его подбирается так, чтобы создавалась нужная сила. Для упрощения демонстрации опыта можно увеличивать силу в простой пропорции 1:2:3…. Тогда проще и правильнее приготовить заранее несколько мешочков с песком, чтобы прикладывать такие силы в процессе опыта: скажем, 1,2 странга; 2,4 странга; 3,6…. Здесь несущественно то обстоятельство, что сила, приложенная к шнуру, создается притяжением Земли, действующей на мешочек с песком. Мы получили бы такие же результаты, если бы шнур тянул, скажем, дрессированный кролик.

(В большинстве приборов, применяемых для демонстрации соотношении сила-масса-ускорение, на тележке не устанавливают силомера, хотя это в очень просто сделать. Вместо этого силы измеряют земным притяжением, приложенным к небольшому грузу, подвешенному к шнурку. Земное притяжение действительно является ускоряющей силой, но оно придает ускорение одновременно двум телам: тележке и самому грузу. Это затрудняет рассуждения: если мы хотим сохранить движущуюся массу неизменной, то, желая увеличить силу, не можем просто добавить груз, создающий эту силу. Мы должны убрать часть массы тележки и добавить ее к грузу, так сказать, перевести одного из пассажиров в запасные машинисты.)

Фиг. 146. Силомер, снабженный лопатками, погруженными в масло, для демпфирования колебаний.

Опыт 2(а). Действие постоянной силы. Сначала убедимся в том, что постоянная сила сообщает телу постоянное ускорение. (Вспомните лабораторный опыт с катящимся колесом.)

Фиг. 147. Опыт 2(a).

Если это не так, то нет смысла переходить к опытам с различными по величине силами! Возьмем небольшой груз, с тем чтобы в течение всего движения к тележке, согласно показаниям силомера, была приложена постоянная сила. Постоянство ускорения проверяется тем же методом, что и в опыте с катящимся колесом, т. е. отмечают время перемещения на различные расстояния и смотрят, постоянно ли значение 2s/t². В таблице А дан пример записи результатов измерений на длинном столе. Приведена лишь небольшая часть экспериментальных данных, чтобы показать, как следует пользоваться таблицей. Приводить все данные не имеет смысла: такой опыт нужно проделать самому.

Таблица А

Пример записи результатов опыта, проделанного для проверки утверждения — постоянная сила (действующая на неизменную массу) создает постоянное ускорение

Условия опыта: рельсовая колея слегка наклонена для компенсации трения.

Движущаяся масса (тележка) 2,00 кг; сила (постоянная) 1 странг. Фотоэлемент установлен у конца колеи. Стартовая отметка помещается в позицию, соответствующую полному пробегу 1, 2, 3 м. Время каждого пробега измерялось три раза.

Если ускорение постоянно, то величина 2s/t² должна быть одинаковой для всех трех расстояний, поэтому вычислялись значения 2s/t² *.

* Мы пытаемся определить, постоянно ли ускорение. Соотношение а = 2s/t² записывается в предположении, что ускорение постоянно; это соотношение не выполняется при переменном ускорении. При вычислении величины 2s/t²  мы оцениваем «среднее ускорение» для рассматриваемого участка движения, и если значение 2s/t²  для нескольких различных значений перемещения s одинаково, мы делаем вывод о постоянстве ускорения.

Опыт 2(б). Сила и ускорение.

Если мы убеждены, что ускорение постоянно, т. е. если величины 2s/t² совпадают в пределах ошибок измерений (включая ошибки наблюдателя), то можно провести опыт о одним расстоянием, скажем 2 м.

Следует прикладывать поочередно разные по величине силы, измеряемые при помощи силомера, и измерять ускорение, отмечая, как и прежде, промежутка времени. Мы хотим выяснить, действительно ли ускорения пропорциональны силам (см. таблицу Б).

Опыт 2(в). Масса. До сих пор принималось, что общее количество движущегося вещества, т. е. масса тележки, остается неизменным. В соответствии с обычной практикой мы сохраняем неизменными все переменные, кроме двух — силы, и ускорения, связь между которыми и исследуем. Перейдем теперь к другим количествам вещества, к удвоенной и утроенной «массе». Если мы хотим отождествить массу с количеством вещества, которому надо сообщить движение, то следует иметь возможность удвоить массу, скажем, соединив вместе две одинаковые тележки и сообщая ускорение им обеим.

Фиг. 148. Опыт 2(б).

Как можно убедиться в том, что все исследуемые тела одинаковы по массе? Можно просто сделать их все одинаковыми, из одних и тех же материалов. Можно представить, что нам ассистирует некий демон, который проверяет исследуемые тела, подсчитывая число атомов. (Фактически экспериментатор в состоянии сейчас это проделать с помощью радиоактивных индикаторов и счетчика Гейгера.) Но нам нужны одинаковые тела для опытов по изучению зависимости между силой и ускорением. Поэтому, изготовив несколько тел, которые мы считаем одинаковыми, мы должны проверить их тождество, прикладывая поочередно к каждому из них одну и ту же силу. Если они движутся с одинаковыми ускорениями, мы считаем их одинаковыми, т. е. имеющими одинаковые «массы». Кроме того, мы допускаем, что удвоенную массу, утроенную массу и т. д. можно получить, положив одно тело на другое или скрепив их одно с другим[93].

Фиг. 149. Опыт 2(в).

Прикладывая одну и ту же силу к массам М; 2М и 3М, мы должны предполагать, что ускорения будут все меньше и меньше. Можно было бы проверить, не находятся ли ускорения, сообщаемые одинаковой силой, в пропорции 1:¹/₂:¹/₃. Однако можно избавиться от лишних затруднений, предположив, что результат должен быть именно таким, и придумать более простой способ проверки. Проделывая опыты с разными массами, мы стараемся подобрать силу так, чтобы сообщать каждой массе одно и то же ускорение, т. е. полагаем, что к удвоенной и утроенной массе потребуется приложить соответственно вдвое и втрое большую силу. (Об этом говорит символический эксперимент, фиг. 150.)

Фиг. 150.

Тогда мы можем поставить решающий вопрос: если изменить массу движущегося тела и вместо М взять 2М и 3М и изменить в такой же точно пропорции силу F:2F:3F, останется ли ускорение неизменным?

Но если ускорение остается тем же, то и промежутки времени, за которые тело проходит выбранное расстояние, тоже не изменятся, поэтому наша проверка оказывается еще более простой — исследовать промежутки времени, за которые тело проходит выбранное расстояние (см. таблицу В).

Таблица В

Пример записи результатов опыта для проверки соотношения между движущейся массой и силой при постоянном ускорении

Условия опыта: рельсовая колея наклонена для компенсации трения; фотоэлемент установлен так, чтобы отмечать время прохождения расстояния 2,00 м (движение происходит из состояния покоя). Массы выбраны в пропорции 1:2:3; грузы подобраны так, чтобы значения силы также находились в пропорции 1:2:3.

На подступах ко второму закону Ньютона

Движение тела по наклонной плоскости. Если вы исследовали в лаборатории движение колеса по наклонным направляющим, то видели, что уменьшенная сила земного притяжения создает постоянное ускорение. Галилей широко пользовался наклонной плоскостью, чтобы регулировать силу тяжести. Если вас интересуют первые шаги на пути к современной механике, прочтите этот раздел или обратитесь к книге Галилея «О двух новых науках».

Незадолго до Галилея Стевин показал, что если тело удерживается веревкой в состоянии покоя на наклонной плоскости при отсутствии трения, то к телу приложена сила F:

СИЛА F / ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ (=ВЕС) = ВЫСОТА НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ h / ДЛИНА НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ L

Со стороны наклонной плоскости на тело действует сила Р; она дается соотношением

P/W = [ОСНОВАНИЕ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ b] / L

Если трение отсутствует, сила Р должна быть направлена перпендикулярно к поверхности (мы исходили из этого предположения при построении треугольника сил). Если бы сила Р не была перпендикулярна к поверхности опоры, то она имела бы продольную компоненту, увлекающую тело вверх или вниз по наклонной плоскости, т. е. представляла бы собой действие трения[94]. При движении тела до реальной наклонной плоскости всегда имеется трение, препятствующее движению, но здесь мы рассматриваем идеальный случай абсолютно гладкой наклонной плоскости, которая поэтому должна создавать силу реакции, направленную перпендикулярно к поверхности.

Сила реакции Р и сила тяги F в сумме уравновешивают земное притяжение W (фиг. 151)

Фиг. 151. Тело на наклонной плоскости.

_{а — в состоянии покоя; б — движение по наклонной плоскости.}

Если перерезать веревку, то тело начнет двигаться с ускорением вниз по наклонной плоскости; мы можем считать, что остальные силы — земное притяжение W и реакция опоры Р — не меняются. В таком случае, если силы W и Р раньше уравновешивали силу F, то их сумма должно быть равна —F, т. е. должна представлять собой силу F, направленную вниз по наклонной плоскости. Таким образом, мы можем считать, что тело, свободно скользящее по наклонной плоскости, ускоряется под действием силы F, направленной вдоль наклонной плоскости и такой, что

F/W = h/L, или F = W∙h/L

Отношение h/L постоянно по всей наклонной плоскости. Поэтому для любой данной наклонной плоскости сила F одна и та же по всей длине; такие эксперименты, как опыт со скатывающимся колесом, показывают, что эта постоянная сила создает постоянное ускорение, направленное вдоль наклонной плоскости[95]. Если изменить наклон, то изменится сила, действующая на тело вдоль наклонной плоскости, и изменится его ускорение.

Галилей изучал движение тел по различным наклонным плоскостям и пришел к выводу, что их ускорение[96] изменяется прямо пропорционально отношению h/L[97]. В таком случае

УСКОРЕНИЕ, направленное ВДОЛЬ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ = (Постоянная)∙h/L

СИЛА F, направленная ВДОЛЬ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ = (Земное притяжение W)∙h/L

Итак, ускорение изменяется в такой же пропорции, что и результирующая сила. Таким образом, Галилей создал прочную базу для вывода общего правила

УСКОРЕНИЕ ~ РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА,

которое Ньютон включил в свой второй закон. Это было открытием огромной важности. Еще до Галилея к этому выводу пришли ученые, но он не был ясно сформулирован. Он представляет собой основное соотношение между силой и движением, описывающее движение снарядов, планет, электронов, ракет, поездов, деталей машин и т. д.

Общее соотношение

Многочисленные наблюдения — от приближенных измерений времени, приведенных Галилеем, до косвенных данных из астрономии и современной баллистики — позволяют получить общее соотношение. Если на тело действует постоянная результирующая сила, то тело движется с постоянным ускорением. При удвоении или утроении силы ускорение возрастает в такой же пропорции:

При неизменной массе

УСКОРЕНИЕ ~ СИЛА, или СИЛА ~ УСКОРЕНИЕ.

С другой стороны, чтобы сообщить одно и то же ускорение удвоенной или утроенной массе, необходимо приложить соответственно удвоенную и утроенную силу.

При неизменном ускорении

СИЛА ~ МАССА.

Объединяя оба вывода, можно записать[98]

СИЛА ~ МАССА∙УСКОРЕНИЕ,

F = K∙M∙a

Соотношение F = K∙M∙a, согласно которому

РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА = (ПОСТОЯННАЯ)∙МАССА∙УСКОРЕНИЕ,

представляет собой обобщенную формулировку, выражающую движение тел с ускорением. Наши демонстрационные опыты не доказывают, что она верна, но они иллюстрируют ее и вносят свою лепту в доказательство ее правильности. Соотношение F = K∙M∙a — это наш вариант записи второго закона Ньютона, который мы сформулируем позже. Мы пользуемся этим соотношением для расчета реальных сил: силы реакции пола, которую мы испытываем при прыжке; силы, действующей на автомашину при столкновении; давления газа на стенки сосуда; силы, с которой Земля притягивает Луну. Сначала сделаем несколько замечаний относительно массы и силы (и веса), а потом покажем, как записать соотношение F = K∙M∙a в более простой форме, удобной для вычислений.

Масса и сила

Мы смело рассуждали о массе, но дали ли мы ее недвусмысленное научное определение? Предположим, известно, что сила — это знакомое всем толкающее или тяговое усилие, и мы допускаем, что две одинаковые пружины создают силу, вдвое большую, чем одна пружина; тогда можно сказать, что нам известна сила F и ускорение а, входящее в соотношение F = K∙M∙a. Значит, можно охарактеризовать массу как некую величину, пропорциональную отношению F/a, поскольку F/a = K∙M. Чем больше масса, тем большую силу нужно приложить, чтобы сообщить ей некоторое ускорение. С другой стороны, чем больше масса, тем меньшее ускорение придает ей определенная сила.

Фиг. 153. Сила — знакомое понятие.

Мы складывали массу, основываясь на допущении, что, соединяя отдельные куски вещества в один, мы одновременно складываем и их массы в одну общую массу, что массу можно измерить, например, числом одинаковых тележек, соединенных вместе.

Это соответствует зависимости F ~ M∙a. Значит, масса аддитивна и представляет собой меру трудностей, которую мы встречаем при попытке ускорить движение тела. Масса — это своеобразная цена единицы ускорения, выраженная величиной силы, совсем как обычная цена есть стоимость какого-то товара, выраженная в денежных знаках. Ньютон говорил, что масса означает количество вещества, и при дальнейшем объяснении пользовался понятиями плотности и объема, нисколько не помогая этим делу. Если вы хотите почувствовать, что такое масса, можете обратиться к описательным определениям вроде «мера трудности, с которой сопряжена попытка ускорить движение тела», но такие формулировки нельзя рассматривать как научные определения! Если подходить с научных позиций, то мы можем сказать определенно: массы пропорциональны значениям отношения

РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА, СООБЩАЮЩАЯ УСКОРЕНИЕ / СООБЩЕННОЕ УСКОРЕНИЕ

(Вскоре мы выберем единицу силы так, чтобы масса была равна отношению F/a.) Мы описываем силу как нечто растягивающее пружины или могущее быть получено путем подвешивания груза на веревке. Тем не менее во многих движущихся системах нам не удается заметить растягивающихся пружин или почувствовать земное притяжение, и мы считаем, что какая-то сила действует только потому, что наблюдаем ускорение. В курсах физики, рассчитанных на более высокий уровень, сила описывается как нечто, создающее ускорение, и измеряется она ускорением, которое сообщает стандартной массе. Но в таком случае мы оказываемся в опасной близости к ведению доказательства по замкнутому кругу[99].

Фиг. 154. Ускорение кажется понятием достаточно очевидным.

В какой мере соотношение F = K∙M∙a представляет собой определение силы и массы и в какой степени оно является экспериментальным фактом? Это трудный вопрос. Во всяком случае, экспериментальные данные удовлетворяют соотношению F = K∙M∙a, и мы можем на его основе предсказывать явления в окружающем нас мире.

Фиг. 155. Представление о массе менее привычно.

_{Чтобы понять, что такое масса, стоит внимательнее посмотреть, как этим понятием пользуются в физике.}

Единица массы — килограмм

В качестве эталонной единицы количества вещества выбран килограмм; килограмм служит единицей массы в системе метр — килограмм — секунда. Эталон килограмма бережно хранится и имеет вид цилиндра из благородного металла.

Вес — это сила, зависящая от места на земном шаре. Вместо того чтобы тянуть тележку с помощью пружины, ей можно придать ускорение, прикрепив перекинутый через блок шнур, к противоположному концу которого подвешивается груз. Тогда сила, сообщающая ускорение, будет обусловлена весом этого груза. Ускорение свободного падения опять-таки сообщается телу его весом. К сожалению, словом «вес» пользуются в нескольких смыслах, что вносит путаницу. Поэтому мы постараемся точно изложить научный смысл слова «вес», а пока будем почаще заменять его названиями «притяжение Земли» или «земное притяжение».

В физике вес — это официальное наименование силы, которая притягивает предметы к земной поверхности, — «притяжение силы тяжести», что бы это ни означало. Мы можем, если нам это нравится, «объяснить» вес, сказав, что это притяжение Земли.

То обстоятельство, что тела притягиваются по направлению к центру Земли, делает такое объяснение разумным, но у нас нет никакой уверенности в его правильности, пока мы не изучим всемирное тяготение[100].

Как бы его ни определяли, вес — это сила. Он ничем не отличается от любой другой силы, если не считать двух особенностей: вес направлен вертикально и действует постоянно, его невозможно устранить.

Чтобы непосредственно измерить вес тела, мы должны воспользоваться пружинными весами, проградуированными в единицах силы[101]. Поскольку это зачастую сделать неудобно, мы сравниваем один вес с другим при помощи рычажных весов, т. е. находим отношение

ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА ТЕЛО X / ЗЕМНОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА ЭТАЛОН МАССЫ

Предположим, что тело X притягивается в 3 раза сильнее, чем эталон килограмма. В этом случае мы говорим, что земное притяжение, действующее на тело X, равно 3 «килограммам силы», это означает, что оно «в 3 раза больше земного притяжения, которое действует на килограмм массы». К сожалению, это приводит к путанице между единицами массы и веса (и других сил), поскольку мы сокращенно называем и те и другие единицы «килограммом» (как следовало бы называть единицу массы). В самой деле, неразумно пользоваться одним и тем же названием для единиц измерения таких разных величин, как сила и масса. Мы еще вернемся к вопросу о выборе единиц для измерения сил.

Если мы при помощи пружинных весов измерим вес какого-нибудь предмета с очень большой точностью, а потом перенесем весы в другое место, то обнаружим, что вес предмета на поверхности Земли несколько меняется от места к месту. Мы знаем, что вдали от поверхности Земли, или в глубине земного шара, вес должен быть значительно меньше. Таким образом, единица «килограмм веса» (более употребительно наименование «килограмм силы») не только вносит путаницу при употреблении ее для измерения веса (и других сил), но и непостоянна. Мы стараемся избежать употребления переменных единиц, поэтому была изобретена более удобная единица сил (в том числе и веса). Перед тем как перейти к рассмотрению этой единицы, продолжим наше изучение массы.

«Масса НИКОГДА не меняется»

Представим себе, что мы повторяем на Луне демонстрационные опыты с вагончиками и силомерами, которые мы производили для изучения зависимости F ~ M∙a. Мы подозреваем, что тяготение на Луне слабее, поэтому определенный мешочек с песком тянул бы вагончик с меньшей силой. Однако если бы пружина силомера была растянута до той же самой отметки (под действием большего мешочка с песком), то сила осталась бы той же, что и на Земле. Останется ли масса вагончика на Луне той же самой или нет?

Ученые, размышляя над этим вопросом, давно пришли к выводу, что масса должна оставаться неизменной. Даже в центре Земли, где тяготение, действуя во всех направлениях, должно давать нулевую результирующую силу, тело по-прежнему имело бы ту же самую массу. Согласно имеющимся данным, полученным в результате изучения света, идущего от звезд, нам известно, что если атомные силы в тех далеких от нас мирах такие же, как на Земле, то массы атомов там тоже такие же.

Говоря о веществе, или материи, мы имеем в виду нечто цельное и определенное, нечто остающееся неизменным, что бы мы ни делали с предметом — нагревали его, расплавляли, сжимали… даже перенесли его на Луну. Куску свинца, положенному на ролики, было бы точно так же трудно придать ускорение на Луне или в центре Земли, как и на поверхности Земли. С другой стороны, вес такого куска свинца (сила, действующая на него вниз) был бы совершенно иным (фиг. 156).

Фиг. 156. Изменение массы и веса в зависимости от места.

_{Масса, оцениваемая по трудности, которую мы встречаем при попытке ускорить движение маленькой тележки, одна и та же всюду: на поверхности Земли, в центре Земли, на Луне. Вес, оцениваемый по удлинению пружинных весов (и ощущению усилия в мускулах руки человека, держащего весы), будет значительно меньше на Луне и практически равен нулю в центре Земли.}

Массивное колесо (уравновешенное на подшипниках) с очень малым трением не вращается под действием своего веса, однако если мы возьмемся за обод и заставим колесо вращаться, то сразу убедимся, что оно обладает массой; по-видимому, его точно так же трудно привести во вращение на Луне или в любом другом месте. Полкилограмма шоколада, если его съесть сразу, дает не только чувство тяжести, обусловленное притяжением этого шоколада Землей, но обеспечивает, так сказать, объем и питание, и при условии такого же состояния нашего здоровья на Луне следует ожидать таких же результатов от этого же количества съеденного шоколада. Даже если бы устроили лабораторию в свободно падающем ящике, то пришли бы к выводу о неизменности масс и не заметили бы, что предметы притягиваются Землей, как обычно.

Формулируя представление о массе при помощи таких туманных описаний, как количество материи, мера трудности ускорения движения, «инертность вещества» и т. д., или при помощи определения

МАССА = СИЛА / УСКОРЕНИЕ,

которое кажется ясным и недвусмысленным, мы считаем, что определяем некое универсальное неизменное свойство всех видов вещества, нечто существующее столь же вечно, как и сама материя.

Масса и вес

Как велико земное притяжение, действующее на разные массы? Как сравнивать веса двух предметов? Возьмем два одинаковых куска свинца, скажем по 1 кг каждый. Земля притягивает каждый из них с одинаковой силой, равной весу 1 кг. Если мы соединим оба куска в 2 кг, то вертикальные силы просто складываются: Земля притягивает 2 кг вдвое сильнее, чем 1 кг. Мы получим точно такое же удвоенное притяжение, если сплавим оба куска в один или поместим их один на другой. Гравитационные притяжения любого однородного материала просто складываются, и нет ни поглощения, ни экранирования одного куска вещества другим[102].

Для любого однородного материала (вес) ~ (масса). Поэтому мы считаем, что Земля является источником «поля силы тяжести», исходящего из ее центра по вертикали и способного притягивать любой кусок вещества. Поле силы тяжести воздействует одинаково, скажем, на каждый килограмм свинца. А как обстоит дело с силами притяжения, действующими на одинаковые массы разных материалов, например 1 кг свинца и 1 кг алюминия? Ответ, точнее, смысл вопроса, зависит от того, что мы понимаем под одинаковыми массами.

Сравнение масс двух предметов путем измерения ускорения (например, вагончика на рельсовом пути) представляет собой сложное и утомительное занятие, но его можно осуществить, после чего можно сравнить веса этих масс на пружинных весах. Однако вы хорошо знаете, что наиболее простой способ сравнения масс, которым пользуются в научных исследованиях и в торговой практике, — это применение рычажных весов. В них сравниваются силы, которые тянут оба груза, и метод совершенно правильно называют «взвешиванием». Но, получив путем взвешивания одинаковые массы, скажем свинца и алюминия, мы предполагаем, что равные веса имеют равные массы. Никакой дальнейший эксперимент по измерению сил не может дать ответа на наш вопрос относительно массы и веса; по-видимому, здесь мы рискуем оказаться в замкнутом кругу. Фактически мы говорим о двух совершенно разных видах массы — об инертной и о гравитационной массе. Их различие содержит важнейший момент общей теории относительности. Однако в период от Ньютона до Эйнштейна это различие казалось несущественным, о нем не имели представления; поэтому изучение массы, движения, силы, веса и тяготения стало более трудным и запутанным даже в рамках элементарного курса физики. Мы рассмотрим оба вида массы, присвоив им символы М° и М⁺.

Два вида массы

Фиг. 157. Два вида массы,

_{а — инертные; б — гравитационные.}

Инертная масса. Величина М в формуле F = K∙M∙а представляет собой инертную массу. В опытах с тележками, которым придают ускорение пружины, величина М выступает как характеристика «тяжеловесности вещества», показывающая, насколько трудно сообщить ускорение рассматриваемому телу. Количественной характеристикой служит отношение F/a. Эта масса представляет собой меру инертности, тенденции механических систем сопротивляться изменению состояния. Мы называем ее «инертной массой» и обозначаем символом М°. Если ограничиться од ним химическим элементом, то одну массу М° можно сравнивать с другой или с эталоном в 1 кг° путем подсчета атомов. (Сегодня мы умеем считать атомы, но даже самому быстродействующему счетчику Гейгера, если бы он работал днем и ночью, потребовались бы миллиарды лет, чтобы непосредственно пересчитать атомы в одном килограмме вещества.) Если подходить с более реальных позиций, то мы можем сравнивать массы° по аналогии с определением величины М°, т. е. посредством измерения ускорения и силы. Например, мы прикладываем некоторую стандартную силу, скажем пружины, к тележке, находящейся на горизонтальном рельсовом пути без трения, как показано на фиг. 160 (стр. 267):

а) к пустой тележке неизвестной массы [M₀°];

б) к тележке + эталон 1 кг°, [M₀°+ 1°];

в) к тележке + масса М°, которую нужно измерить, [M₀°+ M°].

Мы измеряем в каждом случае ускорение, создаваемое силой F = K∙M°∙а, и, воспользовавшись правилами алгебры, находим значение М°/1 кг°, которое представляет собой массу М°, выраженную в килограммах[103].

Это долгий путь, которым редко пользуются, и то, пожалуй, только мысленно, с целью выяснить смысл массы°. Мы опишем более практичный подход к определению массы, но и он годится лишь для демонстрации принципа. До сих пор в наших рассуждениях не было прямой связи между инертной массой и тяготением.

Масса° — это свойство, которое должно быть одним и тем же и вблизи поверхности Земли, и на Луне, и в далеком космосе, и в центре Земли. Какова ее связь с тяготением и что на самом деле происходит при взвешивании?

Гравитационная масса. Совершенно независимо от инертной массы мы можем ввести понятие гравитационной массы как количества вещества, притягиваемые Землей.

Мы считаем, что поле тяготения Земли одинаково для всех находящихся в нем предметов, но приписываем различным предметам разные массы, которые пропорциональны притяжению этих предметов полем. Это гравитационная масса М⁺. Мы говорим, что разные предметы имеют разный вес, поскольку они обладают разными массами ⁺, которые притягиваются полем тяготения. Таким образом, гравитационные массы по определению пропорциональны весам. Гравитационная масса определяет, с какой силой тело притягивается Землей. Позднее мы увидим (на это указывает третий закон Ньютона), что тяготение взаимно: если Земля притягивает камень, то камень точно так же притягивает Землю. Значит, гравитационная масса ⁺ тела определяет также, насколько сильно оно притягивает другое тело, Землю. Таким образом гравитационная масса измеряет количество вещества, на которое действует земное притяжение, или количество вещества, обусловливающее гравитационные притяжения между телами. Мы могли бы сказать, что масса М⁺ характеризует «величину» тела с точки зрения гравитационного взаимодействия его с другими телами. (Как вы узнаете в гл. 23[104], каждое тело, заключающее в себе некоторое количество вещества, притягивает любое другое тело, испытывая одновременно притяжение этого второго тела, но лишь Земля обладает достаточно большой массой М⁺, чтобы создавать заметное притяжение небольших предметов, которые находятся вокруг нас.)

Сравнивая тела путем взвешивания, мы сравниваем их гравитационные массы. (Если два тела положены на чашки равноплечих рычажных весов, и весы при этом уравновешены, то мы знаем, что гравитационные массы обоих тел равны, однако на основании одного этого наблюдения мы не можем сказать, равны ли их инертные массы.)

Связь между гравитационной и инертной массами. Гравитационное притяжение действует на два одинаковых куска свинца вдвое сильнее, чем на один. Гравитационные массы кусков свинца должны быть пропорциональны инертным массам, поскольку массы того и другого вида, очевидно, пропорциональны числу атомов свинца. То же самое относится к кускам любого другого материала, скажем воска, но как сравнить кусок свинца с куском воска? На этот вопрос нельзя ответить, руководствуясь только здравым смыслом или одними рассуждениями. Ответ на него дает наш символический эксперимент по изучению падения тел всевозможных размеров и материалов с вершины наклонной Пизанской башни. Сбросим два куска любого материала любых размеров. Они падают с одинаковым ускорением g. Сила, действующая на тело и сообщающая ему ускорение, — это его вес, притяжение Земли, приложенное к этому телу. Мы знаем, что веса пропорциональны гравитационным массам, — таково определение гравитационной массы ⁺.

Фиг. 158. Символический эксперимент.

Но веса тел, т. е. силы их притяжения Землей, сообщают всем телам одинаковое ускорение g. Поэтому веса должны быть пропорциональны инертным массам. Следовательно, тела любой формы содержат одинаковые пропорции обеих масс. Если принять 1 кг в качестве единицы обеих масс, то гравитационная и инертная массы будут одинаковы у всех тел любых размеров, из любого материала и в любом месте.

Вот как это доказывается. Предоставим двум телам А и В возможность свободно падать. Каждое тело падает с ускорением g. Силой, которая сообщает каждому телу ускорение, является его вес W. Приложим силу F = K∙M∙a к каждому из падающих тел. В таком случае F — это земное притяжение W, М — инертная масса тела М°, а а — ускорение свободного падения g. Следовательно, соотношение F = K∙M∙a дает

для тела А

W_A = K∙M_А°∙g,

для тела В

W_B = K∙M_B°∙g,

Разделим обе части первого равенства соответственно на левую и правую части второго. Сократив постоянную К и воспользовавшись результатами указанного выше эксперимента, подтверждающего, что g одинаково для разных тел, получим

W_A/W_B = M_А°/M_B°

Но W_A/W_B = M_А⁺/M_B⁺ по определению М⁺, следовательно,

M_А⁺/M_B⁺ = M_А°/M_B°

т. е. отношение гравитационных масс тел А и В равно отношению инертных масс этих тел.

Иначе говоря, можно записать

M_А⁺/M_А^° = M_В⁺/M_В^°

Итак, отношение (гравитационная масса)/(инертная масса) одно и то же для тел А и В и всех других тел. Если мы выберем 1 кг в качестве единицы обеих масс, то это отношение станет равным единице, и мы получим, что (гравитационная масса) = (инертная масса) для всех тел[105].

Удивительное тождество

Вывод об одинаковости инертной и гравитационной масс, справедливый для любого количества вещества, подтвержден символическим экспериментом с Пизанской башней и выражает удивительное свойство природы. Удивительное потому, что мы описываем эти массы совсем по-разному. Одна представляет собой меру инертности тела по отношению к изменениям скорости, другая же служит количественной характеристикой тела как объекта, испытывающего гравитационное притяжение и одновременно являющегося их источником. Если вы интересуетесь просто причинной связью между явлениями, то можете сказать: «О, это очевидно: оба свойства присущи заключенному в теле количеству вещества». Но, подходя с позиции пытливого исследователя, вы можете сказать: если обе массы равны, если нет такого эксперимента, который позволил бы обнаружить различие между ними, то не устроена ли природа так, что мы не в состоянии их различить? А разумно ли в этом случае даже говорить о двух видах массы, как будто мы могли провести между ними различие?» Это привело бы к эйнштейновской трактовке поля тяготения (с ним связана масса М⁺), согласно которой наличие этого поля равносильно тому, что некий наблюдатель совершает ускоренное движение (для которого важна масса М⁺); таким образом, общая теория относительности описывает пространство и время так, что массы М°и М⁺ по необходимости оказываются тождественными.

Фиг. 159. Символический эксперимент.

Поскольку результат символического эксперимента, подтверждающего, что все тела падают с одинаковым ускорением, имеет важное значение, необходима значительно более точная проверка, нежели простое наблюдение за падающими телами в воздухе. Мы хотим объединить тысячи случаев падения в одном-единственном. Нам также хотелось бы устранить помеху в виде сопротивления воздуха. Это задача, о которой мы говорили в гл. 1 и там же обещали познакомить вас с ее решением. Существует простой и очень точный метод.

Вы оцените его, познакомившись с ним. (Для метода, о котором идет речь, не нужно вакуумных насосов или электронных часов, хотя, по-видимому, подобные методы в течение ближайших нескольких лет заменят простые способы проверки.) Ньютон знал этот метод и воспользовался им в качестве контрольного эксперимента применительно к столь разным материалам, как свинец, золото, песок, соль, дерево, вода и даже пшеница. В начале нынешнего столетия Дж. Томсон и другие исследователи использовали его для дальнейшей проверки влияния на М⁺ и М^° того, что мы сейчас называем ядерной энергией. Уже тогда существовало подозрение, что энергия, как и вещество, обладает инерцией. Обладает ли она также гравитационной массой? Было известно, что радиоактивные атомы освобождают при распаде огромное количество энергии, поэтому они должны содержать запас энергии, которая может быть освобождена и которая обладает, вероятно, значительной инертной массой. Экспериментаторы повторили контрольный опыт Ньютона, сравнив образцы радиоактивных материалов с обычными, и получили одинаковые значения.

Более простой подход к рассмотрению веса и массы

Поскольку различные массы, по-видимому, имеют одну и ту же величину, мы можем опустить индексы и обозначить массу просто буквой М.

Фиг. 160. Сравнение инертных масс.

_{Истинное сравнение масс можно заменить более простым.}

Рассмотрим вопрос о весе и массе быстро, без прежней осторожности. Опыт с бросанием тел с большой высоты говорит нам, что любые тела А и В падают с одинаковым ускорением. Веса обоих тел W_A и W_B действуют на их массы М_A и М_B и сообщают каждой ускорение g.

Применяя соотношение F = K∙M∙a, получаем

W_A = K∙М_A∙g и W_В = K∙М_В∙g

т. е.

W_A/W_В = М_A/М_В

Следовательно, мы можем сравнивать массы взвешиванием.

Именно это мы делаем на практике: сравниваем или уравновешиваем силы W_A и W_B и говорим, что сравниваем массы М_A и М_B. (Мы уже проделали это без всяких околичностей, подготовив массы М, 2М, 3М путем взвешивания для демонстрационного опыта.)

Измерение масс взвешиванием. Итак, мы можем сравнивать массы взвешиванием. Пружинными и рычажными весами, где мы имеем дело с силами, пользоваться значительно удобнее, чем тележками на рельсовых путях. Поэтому все точные измерения массы производятся взвешиванием; наша проверка закона сохранения массы тоже основана на точном взвешивании[106].

Однако то обстоятельство, что W_A/W_В = М_A/М_В, никоим образом не дает нам основания считать массу и вес тождественными величинами. С таким же основанием мы могли бы считать, что стоимость некоторого количества молока и его объем одно и то же просто потому, что С_A/С_В = V_A/V_В.

Сохранение массы

Развитию химии, которое шло с поразительным отставанием от развития ньютоновой механики, способствовало представление о неизменности общей массы. При химических превращениях происходит обмен атомами, входящими в состав веществ, но общая масса не меняется. Это было проверено взвешиваниями, которые становились все более искусными; последнее время производили взвешивания в миниатюрных химических лабораториях, имеющих вид запаянного стеклянного сосуда (фиг. 161).

Фиг. 161. Миниатюрная химическая лаборатория.

_{Стеклянный прибор с реактивами уравновешивают на чувствительных весах. Прибор наклоняют, и вещества вступают в химическую реакцию. Когда прибор снова принимает комнатную температуру, повторно проверяют равновесие.}

Даже самыми точными экспериментами, проведенными в прошлом столетии, по-видимому, не удалось обнаружить ничтожную массу, уносимую, как мы считаем, в виде тепловой энергии, выделяющейся при некоторых химических реакциях. Таким образом, мы долго верили в сохранение массы, в представление о том, что общее количество вещества остается постоянным при всех изменениях движения и при любых химических превращениях. Только в нынешнем столетии выяснилось, что эта точка зрения слишком ограничена. Как бы ни было трудно дать определение массы, для тех, кто с ней работает, понятие «масса» кажется простым и реальным. Физики построили механику движения на основании предположения, что масса — это постоянное свойство вещества, что масса сохраняется. Химики проверили сохранение массы и затем стали опираться на него для дальнейшего развития химических знаний. В повседневной жизни, как и в науке и технике, мы по-прежнему считаем закон сохранения массы не требующим доказательства.

В прошлом веке появился закон сохранения энергии (см. гл. 26 и 29)[107] и укрепилось убеждение в его правильности: сперва появилось представление об энергии, потом гипотезы, затем последовали строгие проверки, и, наконец, когда сошлись все данные, подтверждавшие этот закон, вера в него стала непреложной. Только в нынешнем столетии мы до конца поняли, что энергия сама обладает массой, так что оба великих закона сохранения можно объединить в один закон огромной важности и универсального значения.

Несовершенство научной терминологии

Мы говорим, что «взвешиваем» предметы, тогда как на самом деле сравниваем массы тел. Это правильное утверждение, поскольку сравнение масс большей частью производят путем взвешивания, но это создает путаницу у тех, кто ждет ответа на вопрос, что такое масса. Хуже того, эталоны массы (куски металла самой различной величины), которые в торговой практике и в повседневной жизни называют «гирями», в практике научного эксперимента именуют «разновесами», что ассоциируется со словом «вес»[108]. Это неудачное название способствует путанице, но нам приходится, следуя установившейся практике, пользоваться им. Хуже всего то, что мы говорим «человек весит 100 кг», а имеем в виду его массу 100 кг.

Постоянная масса, изменяющийся вес

Килограмм в коробке с гирями представляет собой универсальный эталон массы. Будучи единицей массы, килограмм всюду один и тот же, хотя его вес был бы значительно меньше на Луне и уменьшился бы до нуля, если бы поместили его в центр Земли. Утверждение «Масса никогда не меняется» — это наше рабочее правило. Теория относительности заставляет нас сбавить тон: «Ну, хорошо, почти никогда не меняется»; изменения массы заметны лишь тогда, когда тела приобретают колоссальные скорости или происходят огромные изменения энергии. При всех обычных скоростях — от скорости улитки до скорости ракет — масса сохраняет неизменное значение. Вот почему ученые питают такое расположение к массе, считая ее тем свойством, о которым удобно иметь дело.

Советуем вам проработать задачу 6, приведенную в этой главе. Она может показаться трудной, но зато позволит вам лучше уяснить себе, что такое масса и вес.

Непосредственное сравнение масс при помощи инерционных весов

Предположим, что мы хотим измерить или сравнить инертные массы непосредственно, не пользуясь косвенным, хотя и точным, методом взвешивания. В таком случае мы должны проделать опыты типа показанных на фиг. 160 или 162, в которых измеряется ускорение.

Фиг. 162. Непосредственное сравнение масс.

Эти опыты позволяют измерить массу так, как нужно, исходя из ее определения: Macca = F/a. Одну и ту же силу (фиг. 162) прикладывают к следующим предметам[109]

1) к пустой тележке

F = K∙(M₀ + M)∙a₁

2) к тележке с телом неизвестной массы

F = K∙(M₀ + M + X)∙a₂

3) к тележке с гирей 1 кг

F = K∙(M₀ + M + 1)∙a₃

Приспособлением для прямого сравнения масс могут служить инерционные весы, показанные на фиг. 163. Они дают значительно менее точный результат, нежели простое взвешивание, и годятся только для демонстрации идей правильного измерения массы.

Фиг. 163. Инерционные весы.

Инерционные весы имеют площадку Р, которая крепится при помощи двух прочных и достаточно упругих пружин S. Если площадку Р оттянуть вбок, а затем отпустить, то она начнет совершать колебания в горизонтальной плоскости. Тела, помещенные на площадку Р весов, тоже будут приобретать ускорение под действием пружин. Чем больше масса тела, тем меньше ускорение и тем больше период колебаний площадки. Для сравнения неизвестной массы с набором эталонов нужно так подобрать комбинации эталонных масс, чтобы, поместив их на площадку весов вместо тела неизвестной массы, получить такой же период колебаний. Можно также воспользоваться интерполяцией или поручить математикам проанализировать движение и выяснить (с помощью соотношения F = K∙M∙a) зависимость периода колебаний весов от общей массы, помещенной на площадку. Тогда мы могли бы измерить период колебаний при нагрузке в виде тела неизвестной массы, а затем в виде какой-нибудь эталонной массы и вычислить неизвестную массу.

Задача 2. Математический анализ инерционных весов. (Задача трудная, но стоит попытаться ее решить, чтобы облегчить себе решение задачи 3.)

1) Рассмотрев внимательно общее соотношение F = K∙M∙a и соотношение s = a∙t²/2 для равномерно-ускоренного движения (в данном случае движение неравномерно-ускоренное), попытайтесь угадать характер зависимости между Т, периодом колебаний и М, общей массой площадки и нагрузки («угадать» — значит, основываясь на некоторых рассуждениях, высказать предположение о характере этой зависимости: будет ли она иметь вид Т ~ М, или Т ~ М², или какой-нибудь иной вид). Выберите в качестве допущения некую форму записи закона Гука для связи между F и s. (Указание. Хотя в данном случае ни сила, ни ускорение не являются постоянными, можно применить соотношения того же вида. Для заданного отклонения s площадки весов сила F, развиваемая изогнутыми пружинами, одна и та же независимо от того, нагружена площадка или нет. Действительно, отношение F/s представляет собой своего рода постоянную пружину. Пружинам все равно, что находится на площадке весов: если их отогнуть, они разгибаются независимо ни от чего.)

2) Если вы выдвинули какое-то предположение относительно указанной выше зависимости, скажите, как бы вы применили его для сравнения неизвестной массы куска свища с эталонной массой 1 кг? Вспомните, что площадка Р сама обладает некоторой (неизвестной) массой, которую надо как-то учесть.

Обратите внимание, что сила тяжести не играет никакой роли в измерениях с этим прибором; измерения представляют собой истинное сравнение масс. Правда, такой прибор годится лишь для грубых демонстрационных опытов, но соответствующие измерения с атомами, колеблющимися в молекуле, могут дать очень многое.

Задача 3. Сравнение масс атомов

Спектроскописты, изучая свечение возбужденных молекул, могут измерить период колебаний атомов, связанных в массивную молекулу какого-нибудь химического вещества. Если вы решили приведенные выше задачи, попробуйте сообразить, как изменится период колебаний при замене атома водорода атомом тяжелого водорода (удвоенной массы), приняв, что «растяжение» удерживающей атом «пружины» остается неизменным. Фактически, когда был открыт тяжелый водород, играющий теперь такую важную роль в ядерных исследованиях, подобный способ послужил первой проверкой его массы. На фиг. 164 показаны результаты такого эксперимента, проведенного на молекулах газообразного метана[110] CH₄. Согласуются ли они с высказанным вами только что предположением?

Фиг. 164. Колебания молекулы метана.

_{а — молекула метана содержит 4 атома водорода, расположенных по четырем углам симметричной пирамиды вокруг атома углерода; б — в одном из видов колебаний молекулы все 4 атома движутся, то удаляясь от атома углерода, то приближаясь к нему.}

Задача 4. Масса и вес

Отправляясь в путешествие, ученый уложил свои вещи в одинаковые картонные коробки из-под бакалейных товаров. Заполнив несколько таких коробок книгами, а несколько — подушками и одеялами, он обнаружил, что забыл пометить коробки, и решил установить, что где находится. Распознать коробки можно следующими двумя способами:

1) нагнуться и попытаться поднять каждую коробку,

2) ударом ноги сообщить каждой коробке скорость (коробки находятся на очень гладком полу).

а) Что сравнивает ученый при первом способе проверки — массы или веса?

б) Что он сравнивает при втором способе?

в) Дайте краткое обоснование вашим ответам на эти вопросы,

г) Какие величины будет сравнивать учений, если попробует проверить коробки вторым способом, но на сильно шероховатом полу?

Более простой вариант соотношения F = K∙M∙a. Абсолютные единицы силы

Соотношению F = K∙M∙a можно придать более простой вид, сделав так, чтобы постоянная К приняла значение 1,0000. Тогда мы получим F = M∙a. Для этого специально подберем единицу силы[111]. В любом случае единица силы необходима, поскольку мы рассматриваем эталонный килограмм как неизменную единицу постоянной величины — массы. Нам нужна универсальная единица силы, которая бы не была похожа на силу, разную в различных местах, как единица веса. В наших демонстрационных опытах мы пользовались, так сказать, доморощенной единицей — странгом, теперь же мы должны определить стандартную единицу.

Пока мы записываем второй закон Ньютона в виде F = K∙M∙a, мы можем выбрать любые единицы для F, М и а и придать постоянной К такое значение, при котором формула будет правильно описывать реальные явления[112]. Если же мы фиксируем значение К, выбрав К = 1, то не можем выражать F, М и а в любых единицах. Можно выбрать единицы для двух из этих величин, тогда наш выбор К = 1 определит единицу для третьей величины. Мы выбираем килограммы для М, метры в секунду за секунду для а и получаем, что соотношение F = M∙a определяет нам единицу силы.

Найдем величину получаемой при этом единицы. Примем в соотношении F = K∙M∙a постоянную К = 1 (выберем ее такой) и предположим, что мы сообщаем 1 кг ускорение 1 м/сек². Тогда М = 1, а = 1 и сила F дается произведением K∙M∙a = 1∙1∙1 = 1. Это единичная сила. Мы называем эту единицу один ньютон (название выбрано произвольно, но вполне удачно). Мы видим, что 1 ньютон — это сила, которая сообщает массе 1 кг ускорение 1 м/сек². Это универсальная единица силы. Куда бы мы ни перенесли наши приборы, однокилограммовая масса остается одной и той же, и где бы мы ни придали ей ускорение 1 м/сек², необходимая для этого сила будет иметь неизменную стандартную величину, которую покажут любые пружинные весы или силомер. Единица ньютон называется абсолютной единицей силы.

«Хорошие» и «плохие» единицы силы

Мы называем эту абсолютную единицу силы «хорошей» единицей, потому что она постоянна и ее можно использовать для выражения каких угодно сил, в том числе веса, при вычислениях с помощью соотношения F = M∙a. Килограмм силы (кГ) мы считаем «плохой» единицей, поскольку ее величина изменяется от места к месту на поверхности Земли.

Единица силы 1 кГ (1 килограмм силы) — это сила земного притяжения, приложенная к 1 кг и придающая ему вес. Изменения этой силы от места к месту на поверхности Земли достаточно малы, и в технике ими можно пренебречь. Поэтому, как мы знаем, инженеры часто пользуются в своих расчетах единицей силы 1 кГ[113]. В этом курсе мы будем говорить об этой «технической» единице силы (1 кГ) как о «плохой» единице, потому что она:

1) не является постоянной, как ньютон;

2) не удовлетворяет соотношению F = M∙a, а заставляет перейти к видоизмененному соотношению F = (W/g)∙a, что приводит к путанице;

3) сильно мешает составить ясное представление о массе.

Как велик ньютон? «Абсолютные» единицы и «плохие» единицы

Чтобы сопоставить новую (абсолютную) единицу с «плохой» единицей, килограммом силы, проделаем воображаемый опыт, используя соотношение F = M∙a. Предположим, что 1 кг вещества притягивается под действием собственного веса (1 килограмма силы) и что никакие другие силы на него не действуют, т. е. предположим, что он свободно падает. Измерим ускорение: оно близко к 9,80 м/сек². Значит сила, которая приложена к 1 кг и дается соотношением F = M∙a, равна (1 кг)∙(9,80 м/сек²), или 9,80 ньютон[114].

Следовательно, сила в 1 кГ в Нью-Йорке равна приблизительно 9,80 ньютон. (На Северном полюсе 1 кГ близок к 9,83 ньютон. Килограмм силы, т. е. килограмм веса, должен иметь другое значение из-за более сильного притяжения Земли на Северном полюсе, а стандартный ньютон остается неизменным).

Этот же переводной множитель применим к любому весу. Камень массой 10 кг падает с ускорением 9,8 м/сек/сек, поэтому действующая на него сила притяжения (его вес) должна быть (10 кг)∙(9,8 м/сек²), или 98 ньютон. Вес массы М килограммов вещества равен 9,80∙М ньютон.

И наоборот, сила (9,80∙М) ньютон равна М килограммам силы. Следовательно,

1 ньютон = (1/9,80) кГ (в Нью-Йорке) ~= 1/10 кГ,

Таким образом, держа на ладони пачку масла в 100 г, вы будете ощущать силу, равную примерно 1 ньютон.

Нам нередко приходится переводить «плохие» единицы, такие, как килограмм∙силы, в «хорошие» единицы, вроде ньютонов, и наоборот. Дело в том, что мы часто прикладываем силу, подвешивая к предметам грузы, и то, что нам известно, это масса груза в килограммах. Значит, сила, приложенная со стороны груза, представляет собой притяжение Земли, действующее на груз (его вес).

Фиг. 165. Как велик 1 ньютон?

Чтобы подставить эту силу в соотношение F = M∙a, необходимо перевести столько-то килограммов силы в ньютоны. С другой стороны, мы привыкли судить о силах по весу, поэтому в повседневной жизни и в технике мы говорим о силе в столько-то килограммов.

Весы представляют собой в основном прибор для измерения сил, но проградуированы они в килограммах. Пока мы имеем дело с силами, которые находятся в равновесии (например, при решении задач о рычагах, кранах, блоках и т. д.), можно выражать их в «плохих» единицах, поскольку нас интересуют лишь отношения сил. Но даже и в этом случае, чтобы помнить, что речь идет о единицах силы, мы должны обозначать их как кГ (=килограмм силы) в отличие от обозначения кг, которое относится к массам. Но в любом случае, обращаясь к соотношению F = M∙a, мы должны пользоваться единицами силы, удовлетворяющими этому соотношению, т. е. абсолютными единицами, такими, как ньютон, при которых К = 1 в «выражении» F = K∙M∙a.

Технические единицы

Единицы, которые мы называем «плохими», например кГ, называют обычно «техническими». Многие инженеры охотно пользуются этими единицами и питают к ним полное доверие, считая, что простые задачи легче решать с их помощью. Но путаница, возникающая при пользовании одними и теми же единицами для силы и массы, мешает этим инженерам отчетливо уяснить себе понятие массы. Поэтому даже в практических расчетах они часто забывают о множителе 9,8, и это кончается тем, что ответ получается почти в 10 раз завышенным или заниженным.

Совет учащимся, которые пользуются технической системой единиц

Недостатки технической системы маскируют, используя вместо М величину W/g [т. е. (вес)/(ускорение силы тяжести)]. Это позволяет легко решать самые элементарные задачи, но в более сложных и более серьезных задачах оказывается неудобным и ведет к путанице. Множитель 1/g в соотношении F = (W/g)∙(a) — это значение, которое должна принимать постоянная К при выражении силы в технических единицах, а употребление W вместо М представляет собой честную попытку написать массу. Честную, но вводящую в заблуждение. Столь важная при рассмотрении движения и энергии масса не выступает при этом как ясное, недвусмысленное понятие.

Если вы привыкли раньше пользоваться этой системой единиц, убедительно советуем вам начать сызнова и перейти к абсолютным единицам.

Напряженность поля силы тяжести

Не говоря, что же мы понимаем под силой тяжести, можно выразить установленную экспериментально связь между весом и (гравитационной) массой, представив себе, что существует «силовое поле», простирающееся от Земли во все стороны подобно щупальцам, готовым захватить и притянуть вниз любую массу, оказавшуюся в пределах поля. Само по себе поле не является силой, это некое состояние готовности подействовать на массу с силой притяжения.

Если поместить массу 1 кг вблизи поверхности Земли, то сила притяжения будет равна 9,80 ньютон. Сила притяжения, действующая на 10 кг, равна 98 ньютон, а на массу М килограммов — (М)∙(9,8) ньютон. Таким образом, мы говорим, что «напряженность» поля равна 9,8 ньютон на килограмм. Мы представляем себе, что поле готово подействовать на любой кусок вещества с силой притяжения 9,8 ньютон на каждый килограмм вещества. Эта напряженность поля 9,8 ньютон/кг дает нам очень удобный способ рассмотрения задач, в которых фигурирует вес. Число 9,8 появляется, если рассматривать измерение ускорения свободного падения как эксперимент по проверке соотношения F = M∙a; однако, пользуясь этим множителем, мы должны представить его себе как напряженность поля 9,8 ньютон/кг, а не как ускорение 9,80 м/сек/сек. Чтобы найти силу, с которой поле притягивает какую-нибудь массу, нужно умножить массу (в кг) на напряженность поля (9,8 ньютон/кг вблизи поверхности Земли).

Фиг. 167. Поле силы тяжести Земли.

В любой задаче, связанной с применением соотношения F = M∙a (или других соотношений, выведенных из него), силы должны быть выражены в абсолютных единицах — ньютонах, а если некоторые из них даны в виде весов (например, в кГ), то нужно сначала воспользоваться напряженностью поля (9,8 ньютон/кг) и найти значение соответствующего веса в абсолютных единицах.

Фиг. 168. Земля притягивает тела с силами, пропорциональными их массам.

_{«Напряженность» поля — это сила притяжения, с которой оно действует на 1 кг массы внесенного в поле тела.}

Наоборот, при пользовании соотношением F = M∙a или другим равнозначным для вычисления силы ответ получится в абсолютных единицах, и если вы хотите узнать, какую массу притягивала бы с этой силой Земля, вам опять-таки нужно воспользоваться напряженностью поля.

Задача 5. Напряженность поля силы тяжести Земли в системе СГС

Напряженность поля силы тяжести Земли в системе единиц метр — килограмм — секунда равна 9,8 ньютон/кг. Укажите ее значение и единицы измерения в системе единиц сантиметр — грамм — секунда.

СВОЕОБРАЗНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Опыт 3. Попытайтесь «почувствовать» притяжение Земли, поднимая и опуская тяжелую книгу. На самом деле вы знаете, что просто прикладываете силу, противодействуя весу книги. Но, закрыв глаза, вообразите, что вы растягиваете некую гигантскую пружину, которая тянется от книги к центру Земли (фиг. 169). Чувствуете, как пружина растягивается и сжимается, когда вы поднимаете и опускаете книгу? Можно почти загипнотизировать себя и поверить в существование такой пружины. Тогда вы в известном смысле почувствуете поле силы тяжести Земли. Если вам не нравится, что пружина невидима, то ведь и поле тоже невидимо.

Задача 6. Масса и вес на Луне и на Земле

Предположим, что в каком-то будущем веке некая «Корпорация научных исследований» создала две лаборатории — на Луне и на Земле, межу которыми поддерживаются регулярные сообщения с помощью ракет. Обе лаборатории пользуются эталонами килограмма, которые всюду одинаковы, и посылают некоторые из них на Луну, а некоторые используют на Земле. Брикет льда обтесывают в лаборатории так, чтобы масса его была в точности 10,0 кг и пользуются им как тележкой, которую можно перемещать по горизонтальной абсолютно гладкой поверхности стола для экспериментов с измерением ускорения на Земле и на Луне. Брикет льда не крошится и не тает, когда его посылают при помощи ракеты на Луну и обратно, — его масса остается неизменной и равной 10 кг (фиг. 170).

Фиг. 170.Калибровка весов и схема проведения опытов,

_{а — весы А градуированы в ньютонах; б — весы В градуированы на Земле в «килограммах»; в — весы С градуированы на Луне в «килограммах».}

а) Какова масса брикета, когда он находится на Луне, — такая же, как на Земле, или нет?

Экспериментаторы располагают пружинными весами А, проградуированными в ньютонах (в предварительных опытах с тележкой на рельсовых путях). Они тянут брикет с помощью этих весов по столу, прикладывая к нему горизонтальную силу 4 ньютон.

б) Какое ускорение сообщает льду сила 4 ньютон в земной лаборатории? Дайте краткое объяснение.

в) Какое ускорение сообщает атому же брикету сила 4 ньютон в лунной лаборатории? Дайте краткое объяснение.

Пружинные весы В без шкалы градуируют в кГ, т. е. в «килограммах веса», обусловленного притяжением Земли, подвешивая универсальные килограммы в земной лаборатории.

Пружинные весы С (тоже без шкалы) посылают на Луну и градуируют там в «килограммах веса», обусловленного притяжением Луны, подвешивая универсальные килограммы в лаборатории на Луне, где поле силы тяжести значительно слабее.

г) В земной лаборатории тот же брикет льда тянут по горизонтальной поверхности с помощью пружинных весов В (прокалиброванных в земной лаборатории). Каково ускорение брикета, если пружинные веса показывают 2,0? Дайте краткое объяснение.

Задачи на силу и движение

Соотношение F = M∙a ведет нас к рассмотрению количества движения и энергии, которые понадобятся нам, когда мы будем заниматься планетами и атомами. Задачи с применением формулы F = M∙a часто кажутся надуманными и скучными, но они полезны, так как заставляют поразмыслить над силой. Попытайтесь решить задачи 7—10. Проработайте эти задачи, заполняя места, оставленные для ответов. Помните, что всякий раз, пользуясь в этих задачах соотношением F = M∙a, следует выражать М в килограммах, а силу в ньютонах. Если встретившиеся вам силы представляют собой веса тех или иных предметов (т. е. притяжения предметов Землей), то нужно иметь в виду, что эти силы ничем не отличаются от всех остальных и их тоже следует выражать в ньютонах. Помните, что, пользуясь для нахождения какой-никакой-нибудь силы соотношением F = M∙a, вы автоматически получите ответ в ньютонах.

Задача 7

Автомобиль, двигавшийся со скоростью 40 м/сек (36 км/час), врезался в стену, в результате чего конечная скорость его оказалась равной нулю. Все столкновение продолжалось 0,10 сек. Вычислите силу, действовавшую при столкновении, ответив на следующие вопросы.

1) Конечная скорость равна ___ м/сек.

Начальная скорость равна ___ м/сек.

Изменение скорости равно ___ м/сек.

Время, за которое происходит это изменение ___ сек.

Ускорение равно ___ м/сек.

(Это ускорение в точности равно среднему за время торможения. У нас нет гарантии, что это постоянное отрицательное ускорение, но проведенный расчет дает эффективное среднее значение, необходимое для вычисления эффективного среднего значения силы.)

Примечание. Мы получим этот результат быстрее, если, считая ускорение постоянным, подставим его в обычное соотношение v = v₀ + at. Выше мы так и поступили.

2) Чтобы вычислить силу, действовавшую во время столкновения, мы должны знать массу автомобиля. Предположим, что она равна 1600 кг.

Подставляя найденное выше ускорение в формулу F = M∙a, находим, что сила, действовавшая на автомобиль во время столкновения, должна быть равна ___.

Пользуясь соотношением F = M∙a, нужно брать в качестве единиц, в которых выражается F, ___.

Чтобы представить себе величину этой силы, выразите ее в более знакомых единицах. Предположим, вы хотите приложить эту силу к вертикально свисающему стальному тросу, подвесив к нему груз в виде огромного куска железа. Необходимое количество железа составит ___ килограммов, или примерно ___ тонн.

Задача 8

Человек прыгает с подоконника на твердый пол; подоконник находится на высоте 1,2 м над полом. Оцените силу, с которой пол действует на человека во время замедления его движения при соприкосновении с полом. Предположим, что масса человека равна 100 кг, и он, касаясь пола, забывает по недомыслию согнуть ноги в коленях, в результате чего суммарная «упругая деформациям ступней и пр. в процессе замедления движения составляет всего 25 мм (сжатие пола, ступней, голеностопного сустава, ботинок, позвоночника и т. д.).

Чтобы, вычислить силу, необходимо знать (отрицательное) ускорение человека во время остановки. Для этого нужно знать его скорость непосредственно перед «приземлением», т. е. началом замедления движения, сразу же по окончании процесса замедления и промежуток времени, в течение которого продолжается этот процесс.

1) Вычислите скорость человека в конце падения, непосредственно перед касанием пола, с помощью формулы, v = v₀ + at. Для этого нужно знать время падения t, поэтому вычислите его в первую очередь. Поскольку падение начинается из состояния покоя, длина пути равна 1,2 м, а ускорение 9,8 м/сек², соотношение s = v₀t + ¹/₂at² дает = ___ + ___.

Таким образом, время падения t равно ___ сек.

Тогда соотношение v = v₀ + at дает конечную скорость

v = ___ + ___ = ___м/сек.

2) Конечная скорость человека непосредственно по окончании замедления равна ___ м/сек.

3) Чтобы вычислить промежуток времени, за который происходит процесс замедления человека, нужно найти его среднюю скорость во время этого процесса. Используя приведенные результаты, находим среднюю скорость во время процесса замедления равной ___ м/сек.

С этой средней скоростью человек проходит расстояние «упругой деформации» 25 мм, или ¹/₄₀ м, за время ___ сек.

4) За вычисленное время скорость меняется от ___ м/сек непосредственно перед началом замедления движения до ___ м/сек непосредственно по окончании замедления. Следовательно, ускорение во время «приземления» равно ___ м/сек².

5) Таким образом, сила, с которой пол действует на человека при прыжке, равна ___ _{(единицы)}.

6) Эта сила, выраженная в более знакомых «плохих» единицах, равна ___ кГ.

7) Вывод. Когда прыгают подобным образом, ___.

8) Предположим, что человек сгибает ноги в коленях, в результате чего полная «деформация» равна 250 мм; тогда сила, действующая на него при «приземлении», близка к ___ кГ.

Задача 9. (Метод решения такой же, как в задаче 7.)

Футболист, ударив по покоящемуся мячу с массой ¹/₂ кг, сообщает ему скорость 14 м/сек. Оцените силу удара, если соприкосновение между ногой и мячом длится ¹/₅₀ сек.

Среднее ускорение во время соприкосновения ноги с мячом должно быть равно ___.___ _{(единицы)}

Среднее значение силы должно быть равно ___.___ _{(единицы)}.

Эта сила, выраженная в «плохих» единицах, равна ___ кГ.

Задача 10. (Важная задача с точки зрения обсуждения теории относительности в дальнейшем.)

Человек массой 80 кг стоит на пружинных весах в лифте (фиг. 171).

Фиг. 171.

Укажите, ответив на приведенные ниже вопросы, каких показаний весов можно ожидать в каждом из следующих случаев, если законы Ньютона дают верное описание явлений:

а) лифт все время находится в покое;

б) лифт равномерно движется вверх со скоростью 0,5 м/сек;

в) лифт движется вверх с ускорением 4 м/сек/сек;

г) лифт движется вниз с ускорением 5 м/сек/сек.

Общий анализ

Пружинные весы не дают нам вес (силу притяжения со стороны Земли) человека. Они показывают лишь, насколько сильно его ступни давят на платформу весов. Единственными внешними силами, действующими на человека, являются:

1) притяжение Земли (вес человека) W;

2) сила X, с которой платформа весов давит на ступни человека. Результирующая этих внешних сил X — W представляет собой силу, которая сообщает человеку ускорение.

Предположим, что третий закон Ньютона (действие равно противодействию) справедлив во всех случаях. Этот закон говорит нам, что сила давления на ступни человека со стороны платформы всегда равна и противоположно направлена силе давления ступней человека на платформу и что эту силу давления, направленную вниз, как раз и показывают весы. Заметьте, что третий закон Ньютона не утверждает, что силы X и W всегда равны.

а) Когда лифт находится в состоянии покоя (не обладает ускорением), результирующая сила, действующая на человека, равна ___ и, следовательно, сила X, с которой на него давит платформа, должна быть равна ___ кГ, т. е. весы будут показывать ___ кГ.

б) Когда лифт равномерно движется вверх со скоростью 0,6 м/сек (не обладает ускорением), результирующая сила F, действующая на человека, равна ___, следовательно, весы будут показывать ___ кГ. Может ли человек, находясь в лифте, который движется плавно и бесшумно, определить, движется ли вообще лифт (окон нет)?

в) Когда лифт движется вверх с ускорением 4 м/сек, результирующая сила, действующая на человека, должна быть в точности равна силе, необходимой, чтобы сообщить человеку это ускорение, направленное вверх; эту силу F дает соотношение F = M∙a.

F = M∙a = (___)∙(___) = ___.

Поскольку мы пользуемся соотношением F = M∙a, то сила F должна быть выражена в единицах, называемых ___. Эта сила F должна быть результирующей двух сил: силы, с которой на человека действует платформа весов, и веса человека. Beс человека, выраженный в тех же единицах, что и F, равен ___. ___ _{(единицы).} Результирующая сила F = (Реакция платформы, направленная вверх, X) — (Вес, направленный вниз, W). Следовательно, сила реакции X платформы весов должна быть равна ___. ___ _{(единицы).} Эта сила равна и противоположна по направлению силе, с которой человек давит на весы и которую показывают весы. Таким образом, при ускоренном движении весы будут показывать ___ кГ.

г) Вычислите на отдельном листе бумаги показание весов при движении лифта вниз с ускорением 5 м/сек/сек. Весы будут показывать ___ кГ. Сопроводите расчет кратким объяснением.

д) Может ли человек быть уверен, что лифт движется ускоренно, если в нем нет окон, а движение совершается плавно и бесшумно? Вместо того чтобы считать, что лифт приобрел ускорение, человек мог бы прийти к выводу о других происшедших вокруг него изменениях. Каких именно?

Фиг. 172.

Действие и противодействие

Нить передает силу или натяжение без всяких изменений. Если прикрепить длинную нить к тележке и потянуть за свободный конец с силой 49 ньютон, то нить передает эту силу 49 ньютон и прикладывает ее к тележке (фиг. 173).

Фиг. 173. Силы, действующие на нить.

Вы тянете нить с силой 49 ньютон вперед, а нить в это время тянет вас с силой 49 ньютон назад. Попробуйте проделать такой опыт, и вы убедитесь в этом. Эти две силы, приложенные в том месте, где вы взялись рукой за нить, называются «действием и противодействием». Мы будем считать не требующим доказательств, что обе эти силы при всех обстоятельствах равны и противоположно направлены (фиг. 174).

Фиг. 174. Действие и противодействие.

Невозможно натянуть нить, не испытав при этом силы со стороны нити. (Точно так же нельзя давить на стену или пол, не испытывая давления со стороны стены или пола. Нельзя ударить кого-нибудь кулаком по голове, не испытав ответного действия головы.) Там, где нить прикреплена к тележке, приложена еще одна пара «действие и противодействие». В этом месте нить тянет тележку вперед, а тележка тянет нить назад (фиг. 175).

Фиг. 175. Силы, действующие в противоположные стороны.

Силы действия и противодействия не уравновешивают друг друга, потому что они приложены к разным телам. Рукой вы создаете силу, действующую на нить в направлении вперед, а сила реакции нити действует только на вашу руку. Попробуйте это проделать и можете это почувствовать. В месте прикрепления нити к тележке на нить действует только сила со стороны тележки, направленная назад. Таким образом, нить растягивается силами, приложенными к обоим ее концам со стороны руки и тележки. К нити приложены только эти силы, и если они не уравновешиваются, то их результирующая будет сообщать нити ускорение. Применяя формулу F = M∙a к ничтожно малой массе тонкой нити, вы увидите, что результирующая сила должна быть пренебрежимо мала (фиг. 176). Поэтому силы, растягивающие нить за оба конца, должны уравновешиваться, даже если нить движется с ускорением. (Разумеется, если речь идет об ускоренном движении массивного каната, обе силы должны достаточно отличаться друг от друга, чтобы результирующая сила могла придать канату ускорение.)

Фиг. 176. Силы, действующие на «выделенную» нить.

_{Результирующая сила F1 — F2 = М∙а = (почти 0)∙(а) = практически 0 при очень легкой нити; следовательно, F1 и F2 равны.}

Предположим, что силы действия и противодействия равны и противоположно направлены как у того конца нити, где вы держите ее рукой, так и в месте прикрепления нити к тележке. Значит, наша невесомая нить, растягиваемая одинаковыми силами, должна точно так же тянуть руку и тележку с одинаковыми силами, направленными к середине нити (фиг. 177). Иначе говоря, нить тянет тележку вперед с точно такой же силой, с какой она тянет вашу руку назад. Это возвращает нас к исходному утверждению, заключающемуся в том, что усилие целиком передается вдоль нити.

Фиг. 177. Нить тянет тележку и человека с одинаковыми по величине и противоположно направленными силами.

Натяжение

Мы называем это усилие, развиваемое нитью, натяжением. Таким образом, натяжение — это сила, действующая на каждом из концов нити, или усилие, которое развивает нить, если ее перерезать в любой точке и привязать к стене. Чтобы создать в нити натяжение 49 ньютон, подвесьте к ней груз 5 кг или, если нить расположена горизонтально, прикрепите груз 5 кг к одному концу нити, перекинув нить через блок (фиг. 178).

Фиг. 178. Натяжение.

Второй конец нити должен быть закреплен, или к нему тоже нужно прикрепить груз 5 кг, опять-таки воспользовавшись блоком. Натяжение в последнем случае по-прежнему будет 5 кГ (49 ньютон), а не вдвое больше, хотя нить растягивают два груза по 5 кг, прикрепленные к обоим ее концам[115]. Именно такую силу развивает нить, в каком бы месте вы ее ни перерезали; если разрезать нить и вставить между обоими кусками пружинный динамометр (фиг. 180) то показание динамометра будет равно именно этой силе.

Таинственная потеря натяжения: подробный разбор одной задачи

Предположим, что тележке, находящейся на горизонтальной поверхности стола, сообщается ускорение с помощью подвешенного груза, (фиг. 181).

Притяжение Земли, действующее на груз (вес груза), представляет собой результирующую силу, которая придает ускорение обоим телам, связанным вместе. (На тележку тоже действует притяжение Земли, направленное вниз, но со стороны горизонтальной поверхности стола на тележку действует равная по величине и противоположно направленная сила, уравновешивающая земное притяжение.) Масса, которой сообщает ускорение эта результирующая сила, равна сумме масс тележки и груза, поскольку ускорение груза (направленное вниз) точно такое же, как ускорение тележки (направленное вдоль стола). Раньше для определения силы, тянущей тележку, мы пользовались силомером и могли применить соотношение F = M∙a к тележке. Теперь, не прибегая к этому прибору, мы знаем лишь результирующую силу, которая сообщает ускорение обоим телам вместе. Поэтому в приведенном примере мы должны записать:

ДВИЖУЩАЯСЯ МАССА М = (МАССА ТЕЛЕЖКИ + МАССА ГРУЗА), = 8 кг + 2 кг = 10 кг

СИЛА F₁ СООБЩАЮЩАЯ УСКОРЕНИЕ = СИЛА ПРИТЯЖЕНИЯ ЗЕМЛИ

действующая на 2 кг вещества

= (2 кг)∙(9,8 ньютон/кг) = 19,6 ньютон

Следовательно,

УСКОРЕНИЕ = РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА / УСКОРЯЕМАЯ МАССА

19,6 ньютон / 10 кг = 1,96 м/сек².

Мы можем предсказать результат измерения натяжения нити, соединяющей тележку с грузом. Оно не равно 19,6 ньютон (2 кГ), поскольку часть этой силы идет на сообщение ускорения грузу и только часть передается через нить к тележке и сообщает ей ускорение. Чтобы найти натяжение, применим соотношение F = M∙a к одной тележке: «выделим» тележку, начертив вокруг нее овал (фиг. 182).

Затем возьмем массу внутри овала и посмотрим, какова результирующая всех сил, входящих в пределы овала извне. Масса тележки равна 8 кг. На тележку действуют следующие силы:

BEС ТЕЛЕЖКИ, НАПРАВЛЕННЫЙ ВНИЗ; СИЛА РЕАКЦИИ СТОЛА; НАТЯЖЕНИЕ НИТИ Т₁ ньютон — } Силы уравновешивают друг друга — } Результирующая сила Т₁ ньютон

Подставляя в соотношение F = M∙a массу тележки и подсчитанное выше ускорение, получаем

Т ньютон = (8 кг)∙(1,96 м/сек²).

Итак, Т = 15,68 ньютон, а не 19,6 ньютон, ибо некоторая доля земного притяжения расходуется на ускорение движения самого груза, создающего силу.

Попытаемся теперь выделить подвешиваемый груза. Масса его 2 кг (фиг. 183), а силы такие:

ПРИТЯЖЕНИЕ ЗЕМЛИ, ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НА ГРУЗ = (2 кг)∙(9,8 ньютон/кг) = 19,6 ньютон (направлено вниз).

Следовательно, результирующая сила F, которая сообщает ускорение грузу, равна (19,6 — Т) ньютон и направлена вниз.

Поэтому, применяя соотношение F = M∙a к грузу и подставляя то же самое ускорение 1,96 м/сек², получаем

19,6 — Т = (2 кг) (1,96 м/сек²), Т = 19,6–3,92 = 15,68 ньютон,

т. е. точно тот же результат, что и раньше.

Фиг. 183. Выделенный груз.

Таким образом, из 19,6 ньютон земного притяжения, действующего на груз, 3,92 ньютон идут на ускорение движения самого груза, а 15,68 ньютон передаются нитью и сообщают ускорение тележке.

Если тот факт, что натяжение нити не равно весу груза, вызывает недоумение, проделайте следующий мысленный эксперимент:

1) Положите груз 2 кг на ладонь. Какую силу вы ощущаете, держа груз неподвижно?

2) Опускайте руку с ускорением, направленным вниз и чуть большим g (фиг. 184). Какую силу вы ощущаете? С какой силой вы действуете на груз? Какое воздействие оказывает на груз приложенная к нему сила притяжения Земли?

Фиг. 184. Как почувствовать малую долю веса.

3) Опускайте руку с ускорением, направленным вниз и близким к ¹/₂ g.

Какое воздействие теперь оказывает на груз приложенная к нему сила земного притяжения? Какую силу вы ощущаете теперь? (Это, разумеется, повторение приведенного выше рассмотрения в более простой форме, но если начать с предельного случая ускорения g, то легче понять результат рассуждений.)

4) Повторите первое и второе рассуждения для случая, когда в руке держат веревку, к которой подвешен груз 2 кг.

Задача 11. Потеря натяжения

а) Грузы массой, 2 и 1 кг подвешена к концам бечевки, перекинутой через легкий блок, в котором отсутствует трение (фиг. 185). Если задержать блок и одновременно прижать к нему бечевку, чтобы не было никакого движения, то натяжение бечевки слева будет 9,8 ньютон (или 1 кГ), а справа 19,6 ньютон. Если отпустить бечевку и блок, то грузи начнут двигаться с ускорением.

Фиг. 185.

1) Каким образом совершает ускоренное движение правый груз массой 2 кг?

Будет ли натяжение бечевки, к которой он подвешен, таким же, как и раньше? Большим, меньшим? Почему?

2) Будет ли натяжение бечевки, к которой подвешен груз массой 1 кг, таким же, как раньше? Большим, меньшим? Почему?

3) Предположим, что трение в блоке отсутствует и масса блока равна нулю.

Как вы, думаете, какое соотношение должно в этом случае существовать между натяжениями бечевки по обеим сторонам блока, если предоставить системе возможность свободно двигаться?

б) Вычислите ускорение и натяжение нити в схеме, изображенной на фиг. 186. Трением можно пренебречь.

Фиг. 186.

в) Вычислите ускорение и натяжение нити в схеме, изображенной на фиг. 187. Трением можно пренебречь.

Фиг. 187.

Ньютоновы законы движения

Представления, которые мы здесь развивали, сформулированы Ньютоном в его законах движения. В современной редакции они выглядят следующим образом:

ПЕРВЫЙ ЗАКОН.

Всякое тело, будучи предоставлено самому себе (при отсутствии внешних сил), сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

ВТОРОЙ ЗАКОН.

Действующая на тело внешняя сила равна произведению массы тела на его ускорение. (Позже мы увидим, что первоначальный вариант Ньютона, в котором второй закон формулируется через количество движения, лучше.)

ТРЕТИЙ ЗАКОН.

Действие равно противодействию. (Это утверждение будет рассмотрено в гл. 8.)

Даже после демонстрационных опытов и всех этих рассуждений формулировки первого и второго законов Ньютона могут показаться странными и нереальными. Дело в том, что опущено слово «результирующая». Под внешней силой следует понимать результирующую силу. Первый и второй законы Ньютона приобретают истинный смысл, если в них ввести слово «результирующая». Тогда эти законы формулируются следующим образом:

Если на тело не действует никакая результирующая сила, оно сохраняет свое состояние движения, и

РЕЗУЛЬТИРУЮЩАЯ СИЛА = МАССА∙УСКОРЕНИЕ.

Ньютон сформулировал эти положения о силе и движения, когда писал свой замечательный трактат по механике и астрономии. Он в известном смысле проверил их на Луне и планетах, а мы отважились распространить эти принципы на молекулы, атомы, а теперь и на составные части атомов.

В большинстве элементарных учебников законы Ньютона излагаются формально в самом начале главы, а не в конце — как естественное обобщение изложенного. Авторы учебников возвещают об этих законах с такой решительностью, что учащимся кажется, будто Ньютон узнал о них от самого бога. В действительности же Ньютон просто по-новому сформулировал взгляды Галилея и других исследователей, которые изучали движение экспериментально и размышляли над ним. Ньютон изложил их в виде рабочих правил, частью основанных на эксперименте, а частью представляющих собой определение и разъяснение терминов. Ученые и по сей день расходятся во взглядах на законы Ньютона. Прямые последователи Ньютона, по-видимому, считали его законы просто обобщениями опытных данных, выведенными в процессе познания реального мира, подобно закону Гука. Сегодня мы более осторожны и рассматриваем первый закон Ньютона главным образом как определение силы, а второй закон — как определение…_{(текст нечитаем)}… измерения силы. Говоря о втором законе Ньютона…_{(текст нечитаем)}…что сила равна произведению массы на ускорение, мы считаем…_{(текст нечитаем)}…массы интуитивно очевидным. Но некоторые энтузиасты идут еще дальше и утверждают, что законы эти представляет собой лишь определения или некие условия и не имеют никакого отношения к познанию на опыте реального мира. Это — заблуждение, чтобы не сказать — глупость. Мы, несомненно, могли бы вообразить Вселенную, в которой поведение движущихся тел не описывалось бы законами Ньютона. Пожалуй, лучше всего по этому поводу говорит один из самых выдающихся математиков и физиков Пуанкаре[116] в своей книге La Science et l'Hypothèse[117]:

«Мы увидим, что есть несколько типов гипотез, причем одни из них допускают проверку и после своего подтверждения на опыте становятся плодотворными истинами; другие могут быть полезны тем, что придают нашей мысли резкие и определенные очертания, и третьи, наконец, являются гипотезами только по внешности и сводятся или к простым определениям, или к замаскированным условиям. Гипотезы последнего типа встречаются особенно часто в математике и в науках, соприкасающихся с последней. Свойствами этих гипотез как раз и обусловливается присущая математическим наукам строгость; такие условия являются созданием свободного творчества вашего разума, который в данной области не знает никаких препятствий. Тут он может диктовать, так как он же и делает себе предписания. Но мы должны отчетливо уяснить, что, хотя эти предписания имеют значение для нашего научного познания, которое без них было бы невозможно, они не имеют значения для природы. Следует ли отсюда, что предписания эти произвольны? Нет, не следует, ибо тогда они были бы совершенно бесплодны. Опыт дает нам свободу выбора, но он руководит последним, помогая нам распознать самый удобный путь. Таким образом, предписания нашего разума подобны велениям самодержавного, но мудрого монарха, который, прежде чем принять решение, предварительно запрашивает мнение своего Государственного совета… Не являются ли закон ускорения[118] и правило сложения сил лишь произвольными условиями? Да, они действительно являются условиями, но условия эти, однако, не произвольны. Они получили бы характер произвольных, если бы мы упустили из виду те опыты, в силу которых основатели науки вынуждены были выбрать именно эти принципы, — опыты, которые при всем своем несовершенстве достаточны для обоснования такого выбора».

Задача 12

В третьем опыте с тележкой на рельсовых путях (таблица В, стр. 249) мы изменили как силу, так и общую массу. Какое соотношение вы бы пытались искать, если бы расстояние и сила сохранились неизменными и измерялось время прохождения этого расстояния при общей массе 2, 4, 6 кг?

Задача 13

Человек толкает ящик, находящийся на шероховатом горизонтальном полу, с силой 40 ньютон. Сила трения, действующая на ящик в противоположном направлении, равна 10 ньютон.

а) Какая сила фактически сообщает ящику ускорение?

б) С какой силой человек должен толкнуть ящик, чтобы при неизменном трении придать ящику удвоенное ускорение?

Задача 14

Спишите следующую формулировку и дополните ее: «Ньютон определяется как сила, которая…».

(Примечание. Дополнение должно содержать слова «масса» и «ускорение».)

Задача 15

Сила 5 ньютон действует на брусок льда массой 20 кг, лежащий на абсолютно гладком столе. Сила расположена в горизонтальной плоскости и действует в северном направлении. Вычислите ускорение, сообщаемое куску льда.

Задача 16

а) Какая требуется сила, чтобы придать ускорение 4 м/сек² массе 4,90 кг?

Дайте ответ в абсолютных единицах и назовите эти единицы.

б) Предположим, что вы хотите приложить эту вычисленную вами силу к нити, подвесив к последней кусок железа. Какая масса железа вам потребуется?

Задача 17

Один килограмм силы — это сила, близкая к 9,80 ньютон (на поверхности Земли).

а) Какой простой опыт позволяет легко продемонстрировать это?

б) Покажите, как из этого опыта следует приведенный выше результат.

Задача 18

Предположим, что вы, хотите почувствовать силу 1 ньютон, действующую вертикально вниз на вашу ладонь. Сколько металла вы должны были бы, положить на ладонь? Приведите рассуждения, посредством которых вы получили свой ответ.

Задача 19

Товарный вагон массой 20 т стоит на слегка наклонном полотне железной дороги, направленном с востока на запад. Наклон полотна выбран таким, чтобы компенсировать трение, которое испытывает вагон при движении на восток. Ребенок, не найдя лучшего занятия, толкает вагон в восточном направлении, прикладывая к нему силу 1 кГ в течение 5 мин (300 сек).

а) Какую скорость приобретает вагон за эти 5 мин?

б) На какое расстояние ребенок продвинет вагон за 5 мин?

Задача 20. Масса и вес

Две огромные чугунные отливки подвешены на подъемных кранах при помощи стальных тросов длиной 15 м. Отливки снаружи выглядят совершенно одинаковыми, но одна из них сплошная, а другая практически полая. Чтобы определить, какая из отливок сплошная, а какая полая, инженер проделывает несколько опытов:

1) пытается приподнять каждую отливку, но обе они слишком тяжелы;

2) пытается оттянуть каждую отливку в сторону примерно на 0,3 м с помощью веревки и оценивает необходимую для этого силу;

3) оттягивает каждую отливку примерно на 0,3 м в сторону и отпускает ее, подсчитывая затем время, за которое отливка возвращается в свое первоначальное положение, когда трос вертикален;

4) ударяет сбоку каждую отливку кулаком и оценивает возникающее в результате этого движение;

5) ударяет каждую отливку несколько раз таким образом, чтобы заставить ее медленно вращаться вокруг вертикальной оси троса; после того как их отпускают, отливки вращаются вокруг своей оси все медленнее, останавливаются, а затем начинают вращаться в противоположную сторону… и т. д., совершая крутильные колебания; инженер подсчитывает время одного полного колебания каждой отливки.

а) Что сравнивает инженер в каждом из перечисленных опытов — массы или веса или ни то и ни другое?

б) Дайте краткое обоснование на каждый из этих вопросов.

Задача 21.

Бегун, масса которого 75 кг, через 2 сек после старта бежит со скоростью 8 м/сек.

а) Какая горизонтальная сила должна действовать на него во время старта?

б) Каково отношение этой силы к весу бегуна?[119]

Задача 22

Бегун (массой 80 кг) через 2 сек после старта бежит со скоростью 8 м/сек,

а) Какая горизонтальная сила должна действовать на него?

б) Каково отношение этой силы к весу бегуна?[120]

Задача 23

Автомобиль массой 1000 кг движется с ускорением 3 м/сек/сек.

а) Чему равна результирующая сила, действующая на автомобиль?

б) Каково отношение этой силы к весу автомобиля?

в) Кто или что прикладывает эту силу к автомобилю?

г) Тормоза автомобиля оценивают по замедлению, выраженному в % g, которое может обеспечить тормозная система при максимальном использовании ее возможностей. Если тормоза способны помешать ему двигаться с указанным ускорением (когда водитель по недомыслию пытается двигаться с выжатыми тормозами), то каков показатель тормозной системы в %?

Задача 24

Электрически заряженный атом водорода («протон» = ядро водорода = атом водорода, потерявший свой единственный электрон), двигаясь вдоль горизонтальной траектории в вакууме со скоростью миллион метров в секунду (v = 10⁶ м/сек), проходит через область протяженностью 0,20 м, в которой находится вертикальное электрическое поле, действующее на электрический заряд атома. Поле действует на атом с силой 0,0000000000000032 ньютон (3,2∙10^-15 ньютон), направленной вертикально вниз. Масса атома равна 0,00000000000000000000000000166 кг (1,66∙10^-27 кг).

а) Какое ускорение испытывает атом в поле?

б) Почему в этой задаче можно пренебречь силой тяжести?

(Примечание. Приведенные данные типичны для экспериментов с протонами.)

в) По какой траектории движется атом?

г) За какое время атом пройдет по горизонтали 0,20 м, т. е. область электрического поля?

д) Какова величина вертикального перемещения атома в поле?

е) Какую вертикальную скорость приобретает атом в поле?

ж) Пройдя 0,20 м в электрическом поле, атом водорода попадает в область, где поле отсутствует. По какой траектории атом будет при этом двигаться? (Сформулируйте ваш ответ как можно точнее. Дайте рисунок.)

Задача 25

Электрон, обладая такой же скоростью, как протон в задаче 24,пролетает через то же самое электрическое поле. Какова будет его траектория по сравнению с траекторией протона? Объясните просто, в чем будет разница.

(Примечание. Электрон обладает таким же по величине, но противоположным по знаку электрическим зарядом, как протон, поэтому одно и то же электрическое поле будет действовать на него с такой же силой, но в противоположном направлении. При этом масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона.)

Задача 26

В задачах, приводимых в этом курсе, масса человека принята равной 100 кг (она всюду одна и та же: на Земле, на Луне и т. д.). При пользовании соотношением F = M∙а в качестве массы человека М нужно брать 100 кг. На поверхности Земля действует на человека с силой притяжения, называемой «весом» человека.

а) Какое значение этой силы следует подставить в качестве F в соотношение F = M∙а? В каких единицах?

б) Объясните, как вы получили значение F?

е) Какие опытные данные и какие рассуждения позволили вам получить множитель, которым вы воспользовались при вычислении значения F?

г) Будет ли этот множитель на Луне таким же или другим?

Задача 27

Есть два различных способа сравнения масс двух тел. Какие это способы и чем они по существу отличаются?

Задача 28. Подготовка к рассмотрению теории относительности

Предположим, что ми проделываем следующие эксперименты для проверки первого и второго законов Ньютона:

а) Наблюдаем движение брикета «сухого льда» (твердая двуокись углерода) по горизонтальной поверхности стола.

б) Тянем небольшую тележку по горизонтальному рельсовому пути, прилагая к ней измеренную силу (трение «устранено» соответствующим наклоном рельсового пути).

В этих опытах мы демонстрируем, что:

— постоянная сила сообщает постоянное ускорение;

— при неизменной массе движущегося тела (ускорение) ~ (сила);

— при постоянном ускорении (сила) ~ (масса).

Таким образом мы приходим к выводу, что

F ~= M∙а.

Представим себе теперь, что эти опыты проделывают внутри железнодорожного вагона в каждом из указанных ниже случаев, и предположим, что вагон служит нам системой отсчета (системой координат). Рельсовые пути в опыте (б) параллельны полотну железной дороги. Как вы думаете, что мы будем наблюдать и будет ли нам казаться, что наблюдения согласуются с первым и вторым законами Ньютона?

Случай 1. Вагон неподвижен.

Случай 2. Вагон движется с постоянной скоростью, без ускорения.

Случай 3. Вагон движется по горизонтальному участку железной дороги вперед с постоянным ускорением (движение тел в опытах, проводимых внутри вагона, происходит в направлении полотна железной дороги).

Фиг. 188. К задаче 28.

Задача 29

В случае 3 задачи 28 должны, наблюдаться странные вещи. Предположим, что экспериментатор, пытаясь истолковать их, проделывает следующие дополнительные опыты:

в) Устанавливает маятник, который служит ему линией отвеса, и может наблюдать «вертикаль». Кроме того, устанавливает в вагоне ведро с водой (или еще лучше с маслом или патокой) и может наблюдать «горизонталь».

Что будет наблюдать экспериментатор?

г) Пытаясь во что бы, то ни стало сохранить свою веру в законы природы, которые он раньше зазубрил, экспериментатор нанимает плотника и строит внутри вагона лабораторию, наклоненную под таким углом, чтобы линия отвеса и поверхность воды были параллельны стенам и полу новой лаборатории, — «вертикаль» и «горизонталь» кажутся теперь нормальными. Что будет наблюдать экспериментатор, если он повторит опыты (а) и (б) (см. задачу 28) в этой лаборатории, относя свои наблюдения к новому «горизонтальному» полу и новым «вертикальным» стенам?

д) Предположим, что наклонная лаборатория не имеет окон и к экспериментатору не поступает извне никакой информации о том, что он движется с ускорением. В этом случае вместо того, чтобы сделать вывод об ускоренном движении, экспериментатор мог бы заключить, что некоторая обычная физическая величина приняла в его лаборатории новое значение. Какая именно величина? Какого рода изменения с ней произошли?

е) Сможет ли вообще такой экспериментатор посредством опытов внутри вагона отличить действительное ускорение от изменения, о котором было сказано выше?

Задача 30

Человек, стоящий на земле, с помощью веревки, перекинутой через блок, укрепленный у крыши здания, поднимает ведро с водой до самой крыши. Ведро с водой весит 10 кГ. Человек начинает тянуть веревку за свой конец с силой 20 кГ. Каким ускорением будет обладать ведро? (Примечание. В этом вопросе ловушка.)

Фиг. 189. К задаче 30.

Задача 31

Сани массой 100 кг (вместе с человеком) скользят вниз по абсолютно гладкой наклонной плоскости, подъем которой составляет 3 м на каждые 5 м вдоль наклонной плоскости (и на каждые 4 м вдоль горизонтального основания).

а) Предположим, что сани удерживаются веревкой, параллельной наклонной плоскости. Какая сила должна быть приложена со стороны веревки, чтобы сани оставались неподвижными?

б) Каким ускорением будут обладать сани, если перерезать веревку?

в) На сани сел второй человек массой 75 кг (масса саней с людьми стала теперь 175 кг). Каким ускорением будут обладать нагруженные сани?

г) Почему предыдущий вопрос не требует дополнительных вычислений?

Фиг. 190. К задаче 31.

Задача 32

Белку с полными лапками орехов посадили на гладкий горизонтальный стол и толкнули по направлению к краю. Приближаясь к краю стола, белка почувствовала опасность. Она понимает законы движения Ньютона и предотвращает падение на пол. Каким образом?

Задача 33

Ребенок тянет сани массой 15 кг по абсолютно гладкой ровной дороге при помощи наклонной веревки. Длина веревки 1,5 м. Верхний конец веревки на 0,9 м выше нижнего конца и на 1,2 м впереди него по горизонтали, как показано на фиг. 191. Ребенок тянет веревку с силой 5 кГ.

а) Чему равна горизонтальная сила, сообщающая ускорение саням? (Нарисуйте диаграмму, иллюстрирующую ваш расчет.)

б) Чему равно ускорение саней?

Фиг. 191. К задаче 33.

Задача 34

В плотный грунт речного дна вбивают сваи с помощью «бабы», которая представляет собой железную болванку массой 100 кг. Болванку поднимают на некоторую высоту над верхней частью сваи, после чего она свободно падает и ударяет по свае. При этом свая углубляется в ил на 1,5 см. Болванка остается на свае и не отскакивает от нее. При свободном падении болванка приобретает скорость 8 м/сек.

а) Вычислите время, в течение которого происходит столкновение (время, за которое скорость болванки уменьшается от максимального значения до нуля).

б) Вычислите силу, действующую на болванку во время столкновения.

в) Выразите эту силу в «плохих», или технических, единицах.

Фиг. 192. К задаче 34.

Задача 35

Автомобиль массой 1500 кг, движущийся со скоростью 12 м/сек, врезается в массивную стену и останавливается. Во время столкновения центр автомобиля перемещается вперед на 0,3 м (с момента прикосновения автомобиля к стене до полной остановки). Вычислите среднюю силу, действующую во время столкновения.

Задача 36

С помощью нити, за которую брикет льда тянут по абсолютно гладкому столу, можно придать брикету массой 4 кг ускорение 12 м/сек².

При попытке приложить с помощью нити большую силу нить просто рвется.

а) Предположим, что к этой же нити подвешивается кусок железа. Сколько килограммов железа может выдержать нить?

б) Какой кусок железа смогла бы выдержать та же нить на Луне, где g в 6 раз меньше, — много больший? много меньший? такой же, как на Земле?

в) Какое максимальное ускорение можно сообщить тому же самому брикету льда на ровном столе при помощи той же самой нити на Луне — много большее? много меньшее? такое же, как на Земле?

Фиг. 193. К задаче 36.