ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

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

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

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

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

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

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

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


i 054

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

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



Lex III

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



В переводе:

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



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

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

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

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

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

Однако можно найти и другие способы измерения силы. Согласно второму закону Ньютона известно, что сила, действующая на определенное тело, изменяет скорость его движения на определенное значение; при этом чем больше сила – тем больше меняется скорость. Мы знаем, что физическую величину, которая характеризует изменение скорости за единицу времени, называют ускорением (i 055). Таким образом, закон Ньютона гласит, что сила i 056, действующая на определенное тело массой m, придает этому телу ускорение i 057:


i 058 i 059

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

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


i 060

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

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


i 061

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


i 062

Динамометр



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

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

Всемирное тяготение

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

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

Гораций

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


i 063

Представление древних о строении нашего мира



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

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

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

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


i 064

Тихо Браге



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

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

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


i 065

Возможно, так возникла идея о всемирном тяготении



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

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

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

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

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

К. Д. Ушинский

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

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

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


i 066

Движение планеты вокруг Солнца



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

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

Альберт Эйнштейн

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

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

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

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

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

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

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

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

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


i 067

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


i 068

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

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

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

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


i 069

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




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

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru