Михаил Ивановский - Законы движения

Зная второй закон Ньютона, легко и просто объяснить загадку частичной потери веса, которую испытывает человек на качелях, в самолете, попавшем в «воздушную яму», и т. д.

Вот опускается высотный лифт. Первую часть пути он движется ускоренно. И вес пассажира, его давление на пол уменьшается. Часть силы притяжения Земли расходуется теперь на то, чтобы изменить скорость человека, спускающегося в лифте, увеличить ее. Поэтому давление его на пол кабины уменьшается.

Точно так же можно объяснить, что происходит с пассажирами самолета, попавшего в «воздушную яму», с ребенком на качелях, с пилотом космического корабля. Во всех этих случаях происходит частичная потеря веса, а при свободном падении — с ускорением силы тяжести — вес теряется полностью. Так просто объясняется загадочная потеря веса, которая столько времени мучила ученых.

В дни первой мировой войны во французских газетах промелькнуло удивительное сообщение: летчик ухитрился поймать немецкую пулю рукой, как муху! Дело обстояло будто бы так: самолет летел над немецкими позициями на высоте примерно двух километров. Летчик заметил, что возле него движется какой-то маленький черный предмет. Пилоту показалось, что это шмель или жук, и он схватил его рукой, но, когда разжал ладонь, увидел на ней немецкую винтовочную пулю.

Насколько правдив этот рассказ — неизвестно. Но пуля, выпущенная из винтовки вдогонку самолету, на высоте двух километров находится, как говорится, на излете — ее скорость может сравняться со скоростью самолета. Самолеты же в 1915 году летали довольно медленно. Поэтому в происшествии, рассказанном французским летчиком, нет ничего сверхъестественного и невероятного. Он мог поймать пулю рукой, потому что сила тяжести и сопротивление воздуха уже успели поглотить ее скорость.

Не только пуля — любой предмет, подброшенный вверх, постепенно теряет скорость. От хорошего удара лаптой мяч взвивается «свечой» и летит высоко-высоко. По первому закону движения мяч, получивший толчок, должен лететь по прямой линии и с постоянной скоростью. Но так он полетел бы где-нибудь в межзвездном пространстве, а на Земле, где действует сила тяжести и сопротивление воздуха, движение мячика замедляется. Достигнув наивысшей точки, он на миг останавливается, а потом начинает падать.

При полете мяча вверх на него действовали направленные вниз силы тяжести и сопротивления воздуха. Их равнодействующая, их сумма, — причина замедленного движения мяча.

А когда он падает на землю, сила тяжести направлена по-прежнему вниз, а вот сила сопротивления воздуха — вверх. Ведь она препятствует движению. В этом случае, когда силы направлены противоположно, равнодействующая — их разность.

Мяч летит вверх — силы складываются, вниз — вычитаются.

Значит, до наивысшей точки подъема он долетит быстрее, чем упадет на землю.

Но часто сопротивлением воздуха можно пренебречь— тогда, например, когда тело поднимается невысоко. В этом случае силы сопротивления, зависящие от скорости, гораздо меньше силы тяжести. И поэтому приближенно считают время полета тела вверх и время падения его вниз одинаковыми.

Сил-помех, замедляющих движение, довольно много — целое «семейство»! Эти силы играют огромную роль в технике и вообще в нашей жизни — они вековечные спутники механического движения, и во многих случаях спутники недружественные, которые как бы цепляются за каждый предмет, стараются его остановить, мешают ему двигаться или заставляют свернуть в сторону. Это всевозможные силы сопротивления.

Всему движущемуся в воздухе мешает сопротивление воздуха.

Всему движущемуся в воде и по воде мешает сопротивление воды.

Между полозьями саней и дорогой, между коньками и льдом, между шейками валов и подшипниками возникают силы трения скольжения.

Между колесами и дорогой или рельсами действуют силы трения качения.

И даже когда предмет неподвижен, можно обнаружить силу трения покоя, которая как бы охраняет его неподвижность и мешает нам, если мы пытаемся этот предмет сдвинуть с места. Чтобы сдвинуть предмет, надо преодолеть эту силу.

Трение покоя удобно для нас тем, что оно не позволяет вещам под влиянием слабых толчков сползать и сдвигаться со своих мест. Но оно становится одной из самых вредных помех, когда приходится приводить тела в движение. При движении трение обычно сказывается меньше.

Французский ученый Кулон придумал простой прибор для определения трения покоя между различными поверхностями. На гладкую скамейку он клал доску, привязывал к ней веревку, а на доску клал гирю, прижимающую ее к скамье. Веревка перекидывалась через блок, укрепленный на конце скамьи, и к ее концу подвешивалась чашка от весов. На чашку Кулон накладывал постепенно одну за другой гирьки; сила их тяжести через блок тянула доску вдоль скамьи.

Прибор Кулона для изучения трения покоя.

Оказалось, что доска начинала двигаться только тогда, когда вес гирек оказывался достаточным для преодоления трения покоя — при меньших грузах она оставалась неподвижной, несмотря на тягу веревки. Чем тяжелее был груз, который прижимал доску к скамье, тем больше нужно было положить на чашку гирек, чтобы сдвинуть доску с места, — тем больше было трение покоя.

На станциях железных дорог иногда приходится наблюдать, как паровоз безуспешно старается стронуть поезд с места. И странно, этот же самый паровоз недавно мчал поезд со скоростью свыше сорока километров в час, успешно втаскивал его на подъемы, а как только остановился, все вагоны как будто сделались гораздо тяжелее.

Но разве вес поезда и его масса зависят от того, стоит он или едет? Вес поезда тут ни при чем, беда кроется в том, что, когда поезд остановился, силы трения покоя словно вцепились во все колеса, во все оси и держат их. Чтобы преодолеть это трение, нужна большая сила тяги — гораздо больше той, какая требуется, чтобы везти поезд, поддерживать его скорость постоянной. Трение покоя больше трения скольжения.

Машинисту надо побороть трение покоя. Он говорит: