Как наша прожила б

планета,

Как люди жили бы

на ней

Вез теплоты, магнита, света

И электрических лучей?

Еще в средние века помощниками ученого в проведении опытов зачастую были самые обычные окружающие его предметы. Благо­даря очень простым приборам и приспособлениям удавалось и тогда делать поразитель­ные открытия и строить феноменальные ма­шины. Но чем дальше, тем больше исследо­вателям приходилось «вооружаться», чтобы проникнуть в глубины строения вещества или заглянуть в космические дали.

В их обиходе появились микроскопы и те­лескопы, источники электрического тока и точные часы. И хотя еще очень многое при­ходилось делать с помощью, как говорится, «сургуча и веревочки», ученые испытывали все большую нужду в точных измерениях и специальных приборах. Лаборатории физи­ков постепенно начинали походить на мас­терские или маленькие фабрики. Ученым требовались «подмастерья». Так вырастала целая отрасль производства, где создавали особенное, научное, оборудование.

Какая же наука без расчетов? Когда-то считали, передвигая камушки, затем изобре­ли счеты. В XIX веке появился прообраз ны­нешнего калькулятора — арифмометр — сложное механическое устройство с зубчаты­ми колесиками и ручкой, как у мясорубки. 

Долгое время ученые и инженеры почитали логарифмическую линейку, ускорившую проведение хитроумных расчетов. И все же многие сотни лет бумага, ручка, линейка и карандаш были незаменимыми для исследо­вателя и проектировщика. Все результаты опытов, записи громоздких формул, таблицы цифр, чертежи машин и зданий ложились на страницы тетрадей или листы ватмана.

Один из вопросов, которые мы чаще всего задаем — где это находится или где это про­изошло? И отвечаем: в Америке, в Таганроге, на соседней улице, под столом, на Луне и так далее. Всякий раз мы более или менее точно стараемся указать место предмета или собы­тия. Иногда этого вполне достаточно, но если разговор идет о точных научных измерениях, то указание места становится довольно не­простой проблемой. Это и побуждало людей серьезно размышлять о том, что же такое пространство.

Можно сказать, что это — вместилище всех известных нам вещей, предметов и со­бытий. Задумайтесь, ведь каждый раз, отве­чая на вопрос «где?», мы отсчитываем поло­жение предмета или происшествия от како­го» либо известного нам места.

Еще один очень важный вопрос. Правда, мы прекрасно научились на него отвечать, если под рукой (или на руке) есть часы — механические (пружинные или ходики) либо электронные. Но ведь часы-то показывают лишь время суток. А если нам: надо указать время какого-либо исторического события, придется назвать год, месяц и число. Напри­мер: один из обломков кометы упал на пла­нету Юпитер 16 июля 1994 года. Вдумайтесь в приводимые цифры: ведь в них указывается время, прошедшее от Рождества Христова до важных нам событий. Иными словами — промежуток времени. И часы говорят нам о том, сколько времени (часов, минут и секунд) прошло от полуночи или полудня. Опять — временной промежуток.

А что измерять? Да что угодно — рас­стояния, промежутки времени, емкость бу­тылки, площадь квартиры... Для этого мы пользуемся рулеткой, секундомером, дру­гой бутылкой и множеством всяких иных «приборов». Но что мы делаем каждый раз, когда измеряем? Не что иное, как сравни­ваем.

Вот пример. Вы хотите обменять свою квартиру на равноценную по площади. Из­меряете площадь своей квартиры. Она ока­зывается равной, скажем, 50 квадратным метрам. А площадь другой квартиры — 48 квадратных метров. Теперь мы их можем сравнить. Но прежде, измеряя каждую квартиру, мы сравнивали ее площадь с од­ним квадратным метром. Значит, этот квад­ратный метр послужил нам тем, что назы­вается «единицей измерения». И что бы мы ни захотели измерить, мы каждый раз бу­дем сравнивать измеряемую величину с тем, что выбрали за единицу измерения — с эталоном.

Делили его, конечно, не только физики. Делят его ученые любых специальностей. Правда, делят мирно, но не от хорошей жиз­ни. Просто наш Мир настолько велик и сло­жен, что ни одна, даже самая гениальная го­лова, ни один, даже самый сверхмощный компьютер, не способны пока вместить в себя все знания о нем.

Историки делят историю по эпохам, гео­логи и палеонтологи делят толщу Земли по слоям, зоологи делят весь животный мир по видам, родам и семействам. И даже человека анатомы и медики «делят» на кости, органы и ткани.

Движенья нет, — сказал мудрец брадатый.

Другой смолчал — и стал пред ним ходить.

Сильнее он не мог бы

возразить. Хвалили все ответ замысловатый.

А.С.Пушкин

Что такое двигаться? Идти, бежать, раз­махивать руками, приседать, скакать, вер­теть головой — все это движения. Но почему мы только о себе? Передвигаются животные, перемещаются различные машины, несутся в космосе планеты и спутники. И если при­глядеться, то окажется, что все движения не­вероятно разнообразны: что-то движется вро­де постоянно в одну сторону, например, идет поезда что-то крутится, скажем, колеса авто­машины или ветряная мельница, а что-то «дрыгается» на месте — как маятник часов.

Давайте проделаем простой опыт. Возьми­те лист бумаги и отпустите его с высоты сво­его роста. Затем тот же листик скомкайте и снова отпустите с той же высоты. Что вы за­метили? Конечно же, вам бросилось в глаза, что в первом случае бумага падает медленнее, чем во втором.

Нетрудно догадаться, что «виновником» торможения листа бумаги был воздух. А если будут падать перышко и свинцовый шар? Со времен Аристотеля считалось, что всегда тя­желые предметы падают быстрее легких. И только Г.Галилею, проведшему в своей лабо­ратории множество опытов с падающими те­лами, удалось выяснить, что если бы не было воздуха, все тела — и тяжелые, и легкие — падали бы одинаково. То есть в отсутствие воздуха наш плоский листик и смятый бу­мажный комок, пушинка и массивная гиря упали бы на землю с одной и той же высоты за одно и то же время. Эти добытые опытом факты Галилей обоб­щил в законе свобод­ного падения.

Как далеко мы можем забросить, напри­мер, теннисный мячик? Если бросать в вы­соту, то тут вроде все понятно — сколько хватит наших сил. А если в длину?

Понаблюдаем за спортсменами — метате­лями молота, копья, ядра, диска. Похоже, что дальность полета всех этих снарядов за­висит не только от силы метателей. Им надо еще как-то очень точно угадать наклон бро­ска. Да и каждый из вас убедится, бросая теннисный мяч, что бывают «недолеты», как бы сильно мы ни старались метнуть.

Что, если бы мы обладали исполинской силой? Как далеко тогда смогли бы мы за­бросить, скажем, спортивную гранату? Метая ее раз за разом все сильней и сильней, мы попали бы, положим, во двор соседнего дома, затем в ближайший город, потом, глядишь, за Уральский хребет, потом в остров в Тихом океане, потом...

Представьте теперь себе, что вы швырну­ли гранату с такой невероятной силой, что она летела-летела и в конце концов прилете­ла к вам ... с другой стороны Земли. Как ни занятен этот пример, он совершенно верно указывает на возможность облета Земли за­пущенным вдоль ее поверхности телом. Так думал и И.Ньютон, воображая высокую гору, с которой горизонтально бросали камень с огромной скоростью.

Откуда мы знаем, что Земля крутится вок­руг своей оси? Конечно же, по движению Солнца на небосклоне. А если бы вдруг Сол­нце кто-нибудь на время «выключил»? Осве­тить-то Землю мы, положим, смогли бы, но как теперь заметить ее вращение?

В Санкт-Петербурге в Исаакиевском собо­ре был подвешен к куполу гигантский маят­ник, изобретенный французом Л.Фуко. Пона­блюдав за ним, можно было заметить, что его колебания не проходят в одной плоско­сти. Если поставить деревянный брусок не­много в стороне от качающегося груза, то выяснится, что через несколько размахов гру­зик как бы развернется и сшибет брусок. Оказывается, маятник обладает удивитель­ной способностью сохранять плоскость своих колебаний неизменной. И получается, что Земля как бы проворачивается «под ним» и пересекает эту плоскость, что и «выдает» нам сбитый брусок.

Как вы думаете, что общего между вра­щением Земли и фигурным катанием?

Многие из вас, особенно знакомые с фо­тосъемкой, могут провести опыт, еще раз до­казывающий, что Земля вертится вокруг своей оси. Для этого надо выбрать очень тем­ную звездную ночь и открыть затвор фото­аппарата на полчаса или лучше на час, на­правив объектив на небо. Фотоснимок, кото­рый вы затем получите, покажет, что пока затвор был от­крыт, звездочки совершили не­большое путеше­ствие по небу, ос­тавив следы на пленке в виде ма­леньких дуг. Мы­то понимаем, что в данном случае не звезды пере­местились, а Зем­ля повернулась относительно них.

Задумывались ли вы о том, что помогает удерживаться в седле при езде на велосипе­де? Ведь если вы заберетесь на стоящий ве­лосипед, то остаться в равновесии вам не уда­стся, значит, причина — в движении.

Попробуйте, держа за ось, повернуть ко­лесо велосипеда, снятое, например, во время ремонта. Получилось? А теперь сделайте то же самое, предварительно раскрутив колесо. Ну как, легко? Все дело в том, что вертяще­еся колесо так же, как и волчок, стремится сохранить положение своей оси в простран­стве. Вот в этом и кроется одно из объяснений устойчивости велосипеда во время езды. И если вы хотите повернуть, то должны воздей­ствовать на ось колеса с помощью руля.

Почему, разогнавшись на санках с ледя­ной горки, мы можем довольно долго мчаться по прямой? Почему, раскрутив педали вело­сипеда, мы можем катиться опять-таки до­вольно долго и, если не вертеть рулем, тоже прямо? Почему, резко остановившись, мы можем вылететь из седла?

Все это — проявления общего для всех тел свойства, называемого инерцией. Если вы хо­тите сдвинуть с места стол, вам надо прило­жить к нему силу, а стол как бы сопротив­ляется вашим стараниям. Это — инерция по­коя. Если вы хотите остановить те же санки или велосипед, вам опять-таки надо прило­жить силу, только теперь тормозящую. И движущееся тело не подчинится вам мгно­венно — тоже будет словно сопротивляться. Это — инерция движения.

Конечно, вам приходилось слышать такие выражения: штангист-тяжеловес, боксер на­илегчайшей весовой категории. Или когда надо заполнить медицинскую карту, обяза­тельно указывают вес человека. Нам необходимо знать вес различных предметов, чтобы перетащить их или поднять. Так что такое вес?

Вы скажете: надо положить тело на весы и взвесить его. Но ведь так мы лишь про­вели измерение того, что пока интуитивно считаем весом. Что же все-таки мы изме­ряем? Давайте-ка проведем мысленный опыт (нам часто придется прибегать к не­му). «Выключим» притяжение Земли. Бу­дут ли теперь тела весить? Очевидно, что если Земля перестала кого-то или что-то притягивать к себе, то «оно» не станет и давить на нее или на любую опору.

Как избавиться от веса? Если вес — это давление на опору, то поступить просто: опо­ру убрать.

Ах!.. В животике что-то обрывается, и мы летим вниз. Опоры нет, веса, значит, нет, что же это тогда? Ничего не остается, как назвать это невесомостью.

Выходит, что любое падение приводит к невесомости? Конечно, нет. Только свободное падение, когда отсутствует воздух. Однако в начале наших прыжков, к при­меру, с парашю­том или с вышки в бассейне он не очень мешает движению, и оно близко к свобод­ному падению. А уж тем более движение спут­ника вокруг Зем­ли — свободное падение в чистом виде. Да, да, именно падение, ведь не будь притяжения Земли, спутник умчался бы по инерции вдоль нескончаемой прямой. А так и он, и все находящиеся в нем предметы, хоть и кру­тятся вокруг Земли, но все время одинаково падают, причем свободно. А раз падают вместе, то перестают давить друг на друга — не весят.

«Вот это стул — на нем сидят. Вот это стол — за ним едят». Вы помните, конечно, эти стихи С.Маршака? А давайте теперь спросим себя, что происходит со стулом, когда на нем кто-то сидит?

Если этот стул сделан из твердого дере­ва, — а вам известны и металлические, и пластмассовые твердые стулья, — то на глаз ничего не заметить. Но если это плетеный стул, а еще лучше — с брезентовым или ма­терчатым сидением, то сразу можно увидеть, как оно прогибается под нашим весом. Вста­ем — и прогиб исчез.

Наверняка вам попадали в руки симпа­тичные игрушки из пружинок. Каких только фокусов нельзя придумать с ними! Понаблю­дав за какой-нибудь из таких пружинок, можно заметить, как это выяснили уже мно­го лет назад, что растягиваются или сжима­ются пружинки тем заметнее, чем сильнее их тянут или сдавливают.

Такую особенность упругих пружин очень тщательно изучал английский естествоиспы­татель Роберт Гук более 300 лет назад. Его опыты позволили установить закон, вошед­ший в историю под его именем. Лучше всего этот закон можно продемонстрировать с по­мощью пружинных весов. Подвесили к ним груз в 1 килограмм — пружина весов растя­нулась, скажем, на 1 сантиметр. Подвесим 2 килограмма — на 2 сантиметра и так далее, пока не оборвется.

Давайте поразмышляем над некоторыми примерами круговых движений. Спутник не­сется по орбите вокруг Земли, велосипедист делает плавный поворот по дорожке велотре­ка, вы, привязав резинку к ластику, раскру­тили его над головой. Будем исследователями и постараемся ответить на вопрос: что удер­живает все эти тела на окружности? И как настоящие ученые, мы должны будем придти к выводу — чьи-то усилия. А именно: тяго­тение Земли, трение о дорожку, упругое на­тяжение резинки.

Эта общая особенность движений по за­кругленным траекториям позволяет делать расчеты во всех случаях, когда что-то надо повернуть: трамваи и поезда, катящиеся по рельсам; автомобили и мотоциклы, мчащие­ся по асфальту; конькобежца на ледяном кольце; самолет на вираже... Везде необхо­димо найти еще и «участников» движения, которые помогли бы нашим телам совершить поворот. Нетрудно обнаружить, что их уси­лия будут тем меньше, чем медленнее дви­жется тело или чем поворот плавнее.

Раскрутим ластик, привязанный на ре­зинке так, чтобы он двигался на одной и той же высоте. Иными словами — в горизонталь­ной плоскости.

Теперь плавно начнем разворачивать эту плоскость, пока она не станет вертикальной. Наша рука почувствует, что в отличие от пер­вого случая, сила натяжения резинки теперь непостоянна. Ну-ка, последим вместе: ластик пошел вверх — резинка ослабевает, устре­мился вниз — натягивается сильнее.

А что если мы сами все слабее станем натягивать резинку? Увы, — ластик в ка­кой-то момент «не дотянет» до высшей точ­ки и свалится вниз. Как говорится, сойдет с дистанции.

Обратимся еще раз к помощи мысленного эксперимента. Вообразим, что во всем мире некому волшебнику удалось «выключить» трение. А теперь подумайте, к каким непред­виденным последствиям это привело бы.

Во-первых, вы, разумеется, выяснили бы, что трение бывает отнюдь не всегда вредным, хотя именно от него в тысячах ситуаций стре­мятся избавиться. Например, смазывают де­тали механизмов и машин, чтобы уменьшить их износ и не терять впустую энергию, ухо­дящую на бесполезный нагрев. Однако без трения мы не могли бы ходить, колеса машин без толку крутились бы на месте, бельевые прищепки ничего не смогли бы удержать, и так далее...

Как вы думаете, можно назвать вас непод­вижным, если вы целые сутки просидите на одном и том же месте, не шелохнувшись? Умудренные опытом относительности, вы на­чнете приводить примеры ваших разнообраз­ных движений — в Солнечной системе, во Вселенной...

Ну, а если относительно Земли? Почесав в затылке, вы согласитесь: да, нахожусь в покое. Но, как всегда, новый вопрос застав­ляет вас сомневаться, казалось бы, в очевид­ном. И правда, «покой нам только снится»...

Действительно, есть еще одно, ну совер­шенно незаметное для нас движение, которое мы совершаем вместе с поверхностью Земли, но теперь — относительно ее центра. Вызва­но оно... притяжением Луны. Тем, кто усом­нился в этом, советуем побывать на берегу океана.

Проделаем простой опыт. Положим на край стола деревянную или пластмассовую линейку и медленно начнем ее выдвигать. В какой-то момент линейка перевалится через край и упадет на пол. До своего «кувырка» в каждом положении линейка, как говорят, находилась в равновесии. Вслушаемся в это слово. Каков его смысл? Равный вес, урав­новесить. То есть какие-то веса, то ли разных тел, то ли частей одного тела, сделать оди­наковыми. Нарушили равновесие — и тело вышло из покоя.

Еще один опыт. Чтобы взвесить какой-либо груз, мы можем воспользоваться рычаж­ными весами. Они наверняка вам хорошо знакомы как коромысло с двумя подвешен­ными чашечками. Груз кладут на одну чаш­ку, гирьки — на другую, и добиваются того, чтобы коромысло стало горизонтальным, ров­ным. Отсюда — и равновесие.

Вопрос, который одним из первых прихо­дит в голову при взгляде на пирамиды Древ­него Египта, — «как же могли их постро­ить?» Ни подъемных кранов, ни мощных са­мосвалов тогда, разумеется, не было. Однако только мускульной силы людей, конечно, не хватило для возведения этих циклопических сооружений. Значит, люди как-то умудри­лись многократно увеличить свои усилия. Известно, что древним египетским механи­кам были знакомы такие приспособления, как рычаг и клин. («Клин клином вышиба­ют»). А вот в Древней Греции элементами различных, иной раз очень остроумно сде­ланных машин бы­ли еще блок и на­клонная плоско­сть.

Очевидно, вы видели немало фильмов о войнах — либо настоящих, либо фантасти­ческих. Везде, как и положено во время войны, что-нибудь взрывается. Не успеешь и глазом моргнуть, как снаряд или граната разлетаются на мелкие осколки во все сто­роны.

Взрыв — настолько хорошо знакомое (хорошо, что только по фильмам) явление, что мы не всегда задаемся вопросом, а от­куда взялось движение этих осколков? А если и задаемся, то быстренько и отвечаем: так это взрывчатка (порох или динамит) раскидала их.

Давайте попробуем пленку с заснятым взрывом мысленно прокрутить в обратную сторону, да еще в замедленном темпе. Воз­никнет забавная ситуация: раскиданные ос­колки, дым и пыль начнут как бы сжимать­ся, собираясь в одно место, где, в конце кон­цов, «сложится» целый снаряд. И если он до взрыва покоился, как, скажем, мина, то и на нашей пленке он теперь будет лежать це­лым и невредимым.

Неопытный стрелок, забыв прижать при­клад ружья или винтовки к плечу, получает при выстреле резкий удар. Тем самым он ис­пытывает действие закона сохранения коли­чества движения или, другими словами, импульса. Сколько движения передает заряд вылетевшей пуле, столько же, но в другую сторону, он обязан передать ружью. Еще это явление называется отдачей.

Отдачу испытывает вода при движении корабля, воздух при полете самолета. И да­же вся (!) наша Земля, когда мы, отталки­ваясь от нее, идем по ней. Только в послед­нем случае заметить ее реакцию на наше движение невозможно — так она велика. Но если вы встанете на большой металли­ческий или деревянный барабан, укреплен­ный на детской площадке, то стоит вам сдвинуться с места, как он начнет вращать­ся в обратную сторону. Или вспомните бел­ку, бегущую в колесе.

Почему колеса автомобиля заставляют его двигаться вперед? Когда автомобиль застре­вает в непогоду в грязной луже или в снегу, его колеса буксуют, а машина лишь трясется на месте. Выручают ветки, сучья, порой — и одежда, которые подкладывают под колеса, чтобы улучшить их сцепление с дорогой.

Очень хорошо это можно увидеть, когда мы наблюдаем за движением гусеничного трактора или танка в кинофильме о войне. Выступы на гусеницах даже оставляют вмя­тины на дороге, наглядно демонстрируя, как для движения приходится отталкиваться от поверхности. 

А что это такое? Когда, например, гово­рят — «энергичный человек», то имеют в ви­ду непоседу или деятельного человека, успе­вающего многое сделать. В каком-то смысле энергия как физическое понятие означает то же — способность выполнить какую-либо ра­боту. Скажем, перетащить, перевезти или поднять грузы, почему-то ударить, что-то разрушить. Поэтому при совершении работы мы всегда говорим о затратах энергии.

Энергия — очень многоликое понятие. Нет ни одного раздела физики, да и не только ее, где бы ни пришлось с ней столкнуться. В механике же рассматривают только два ее вида — потенциальную и кинетическую. Мы подняли, к примеру, стул. Проследим, что мы при этом сделали.

Что мы делаем, если замерзли руки? Трем их друг о друга. Энергично потерли — на­грели руки. Но ведь мы совершили работу, интенсивно двигая ладонями. И на что же пошли наши усилия? Язык сам просит сказать — перешли в тепло. 

Еще пример. Разо­гнавшийся до большой скорости автомобиль резко затормозил на перекрестке у светофора и остановился. А затраты на его движение куда исчезли? Здесь уже не обойтись без при­менения понятия «энергия». С ним ответить просто: кинетическая энергия автомобиля пе­решла в тепло. При торможении нагрелись колеса и другие части машины, асфальт и даже окружающий воздух. Ведь мы хорошо знаем, что для нагрева тел, скажем, сково­родки на плите, нужно где-то взять и пере­дать им тепло.