Валентин Азерников - Физика. Великие открытия

Ускорение — крутизна кривой изменения скорости — постоянно, пока молоток падает свободно. При экспозиции 3 молоток ударяется о шляпку гвоздя со скоростью 200 см/ с, и тут начинается самое интересное. За миллисекунду скорость молотка падает до 40 см/ с. В результате ускорение подскакивает до величины, в 100 раз превышающей ускорение свободного паления. По закону Ньютона это означает, что на гвоздь действует сила, более чем в 100 раз превышающая вес молотка. На этом и основано действие молотка: резкое торможение его головки порождает большую силу.

Рис. 8–9. Первый закон Ньютона связан с явлением инерции (А). Тело стремится сохранить состояние покоя, и поэтому, когда тележка сдвигается, отклоняется назад (I). При равномерном движении тележки тело остается неподвижным относительно нес, как если бы находилось в покое (2). При остановке оно, стремясь продолжить движение, наклоняется вперед (3).

Второй закон Ньютона гласит, что ускорение пропорционально вызывающей его силе (Б). Шар, упавший на мягкую поверхность (4), «входит» в нее глубже, чем в твердую (5), поскольку сила торможения в первом случае меньше.

Третий закон механики утверждает, что в изолированной системе каждой силе соответствует равная по величине и противоположная по направлению сила реакции (В). При стрельбе из ружья отдача невелика (6 и 7), тогда как скорость пули значительна. Ракета (8) выбрасывает струю газа, а сама движется в противоположном направлении.

Рис. 10. 1. В системе Птолемея Земля (I) покоится в центре мира. Вокруг нее движутся Луна (2), Меркурий (3), Венера (4), Солнце (5), Марс (6), Юпитер (7) и Сатурн (8): каждое тело движется по малому эпициклу.

2. В системе Коперника Солнце (I) находится в центре Солнечной системы, вокруг него обращаются Меркурий (2), Венера (3), Земля (4), Марс (5), Юпитер (6) и Сатурн (7). Работа Коперника была опубликована в 1543 г. Его теория встретила решительное сопротивление со стороны церкви. Отметим, что Коперник сохранил и круговые орбиты и эпициклы.

3. Тихо Браге считал, что Земля (I) есть центр Солнечной системы, вокруг которого движутся Луна (2) и Солнце (3). Планеты — Меркурий (4), Венера (5). Марс (6), Юпитер (7) и Сатурн (8) — движутся вокруг Солнца вместе со звездами.

Рис. 11–12. Идея Кеплера о «пяти правильных геометрических фигурах» заключается в том, что пять правильных многогранников — куб (А), тетраэдр (Б), додекаэдр (В), икосаэдр (Г), октаэдр (Д), — можно последовательно поместить внутри сфер, точно соответствующих орбитам шести известных в то время планет: Меркурия. Венеры, Земли. Марса. Сатурна, Юпитера. Это была блестящая работа, основанная на наблюдениях Тихо Браге, которая подтверждала, что Солнце, а не Земля находится в центре Солнечной системы.

Рис. 13. Согласно Ньютону, если бы не было Земли, то Луна двигалась бы в А, но в действительности из-за притяжения Земли она движется Б. Луна как бы непрерывно падает на Землю, хотя и не приближается к ней. Тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действует внешняя сила. Этот закон был сформулирован Ньютоном в «Математических началах натуральной философии.

Рис. 14. Коперник изобразил планеты обращающимися вокруг Солнца по траекториям, представляющим собой сложные комбинации круговых движений. Система Коперника предсказывала положения планет не точнее, чем система Птолемея, но она ознаменовала триумф идей, показавших истинное место человека в мире. В 1609 г. Иоганн Кеплер доказал, что планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.

Рис. 15. Николай Коперник. Копня конца XVII — начала XVIII века с портрета, созданного неизвестным художником в 1580 году.

Рис. 16–17. Исаак Ньютон вычислил скорость, при которой тело, брошенное с вершины горы по горизонтали, не упадет на Землю, а начнет обращаться вокруг нее. Выполненный Ньютоном чертеж траектории искусственного спутника был опубликован в 1728 г… через год посте его смерти.

Рис. 18. Для удобства астрономы рассматривают звезды как бы находящимися на внутренней поверхности сферы, в центре которой расположена Земля. Горизонт земного наблюдателя в проекции на небесную сферу — окружность (2). Так как Земля вращается с запада на восток, нам кажется, что небесный свод движется с востока на запал, увлекая за собой звезды. Северный полюс на небе (3) отмечает Полярная звезда. Некоторые звезды (в фиолетовой области) постоянно видны нал горизонтом и называются околополярными звездами. Площадь околополярной области зависит от широты, на которой находится наблюдатель (на рисунке — примерно 50» с. ш).

Рис. 19. Для невооруженного глаза созвездия выглядят неизменными на протяжении тысячелетий. Однако за достаточно длительное время проявляются собственные движения звезд: 100 000 лет назад (А) семь наиболее ярких звезд в созвездии Большой Медведицы располагались иначе, чем сегодня (Б), а еще через 100 000 лет их расположение будет совсем другим (В).

Рис. 20. Случайный наблюдатель сочтет, что звезды в Большой Медведице находятся на одинаковом расстоянии от Земли. На самом деле звезды в созвездиях, как правило, не связаны между собой. На схеме показаны относительные расстояния семи основных звезд созвездия Большая Медведица; Алкаид, находящийся на расстоянии 210 световых лет, — наиболее удаленная звезда. Соседний Мицар удален только на 88 световых лет.