Михаил Ивановский - Законы движения

На стадионах вы часто видите спортсменов — метателей диска или молота.

Дискобол.

И здесь знакомая картина.

Спортсмен кружится все быстрее и быстрее, держа в руках диск, и наконец выпускает его из рук. Диск при этом летит на шестьдесят — семьдесят метров.

Ясно, что при очень больших скоростях во вращающихся телах развиваются и очень большие силы. Эти силы увеличиваются по мере удаления от оси вращения.

Если вращающееся тело хорошо центрировано — ось вращения точно совпадает с осью симметрии тела, — это еще не так страшно. Возникающие силы будут уравновешены. Но в результате плохой центровки могут быть самые неприятные последствия. В этом случае на вал вращающейся машины все время будет действовать неуравновешенная сила, способная при больших скоростях даже сломать этот вал.

Скорость вращения роторов паровых турбин достигает тридцати тысяч оборотов в минуту. Во время пробных испытаний на заводе работающую турбину выслушивают примерно так же, как врач выслушивает сердце больного человека. Если ротор турбины плохо центрирован, это сразу станет заметно — к ровному пению быстро вращающегося ротора присоединятся тревожные стуки и шумы, предвещающие неминуемую аварию. Турбину останавливают, ротор исследуют и добиваются того, чтобы вращение его стало совершенно плавным.

Уравновешивание центробежных сил составляет предмет постоянных забот инженеров и конструкторов. Эти силы — самые опасные враги машин, они обычно действуют разрушительно.

Замечательный советский ученый-кораблестроитель — академик Алексей Николаевич Крылов, читая лекции студентам, приводил пример такого разрушительного действия. В 1890 году один пароход, имевший на борту свыше тысячи пассажиров, направлялся из Англии в Америку. На этом пароходе были установлены две машины по девяти тысяч лошадиных сил каждая. Инженеры, строившие эти машины, по-видимому, были недостаточно опытны или недостаточно сведущи и пренебрегли третьим законом Ньютона.

В открытом море, когда двигатель работал на полную мощность, одна машина буквально разлетелась на куски, разорванная возникающими при вращении силами. Осколки повредили другую машину и пробили днище. Машинное отделение залило водой. Океанский пароход превратился в поплавок, беспомощно покачивавшийся на волнах. Его взял на буксир другой пароход, который доставил жертву центробежных сил в ближайший порт.

Как рассказывают современники Ньютона, он изготовил небольшую и легонькую тележку. На тележке ученый укрепил стоечку для пробирки и под ней маленькую чашечку. В пробирку Ньютон налил воды, а в чашечку — спирт. Отверстие пробирки он заткнул пробкой и вставил пробирку в наклонном положении в стойку. Затем положил в спирт кусок ваты и зажег.

Через минуту или две вода в пробирке закипела. Давление появившегося пара вышибло пробку прочь. Она вылетела вместе со струей пара, и в тот же момент тележка покатилась в противоположную сторону, хотя ни во что она не упиралась и ничто ее как будто не толкало.

Противники Ньютона говорили, что тележка покатилась потому, что вырвавшаяся из пробки струя пара и вылетевшая пробка упирались в воздух. Это возражение Ньютон легко опроверг. По сравнению со струйкой пара и пробочкой, тележка, нагруженная стойкой, чашечкой и пробиркой, весьма велика. Ее передняя сторона, упираясь в воздух, встречает несравненно большее сопротивление, чем струйка пара. Воздух в большей степени мешает тележке, чем помогает. В безвоздушном пространстве такая тележка покатилась бы быстрее и дальше, чем на воздухе. Никто ведь не может сказать, что человек, выскакивающий из лодки, упирается в воздух, и будто бы от этого лодка начинает двигаться.

Интересный физический опыт с тележкой Ньютона дает нам наглядное представление о новом типе двигателей, называемых реактивными.

Реактивные двигатели, в отличие от всех остальных, не нуждаются в какой-либо опоре, — можно сказать, что они несут опору в себе или опираются сами на себя.

Ньютон сделал из своего опыта следующий интересный вывод — количество движения, полученное тележкой, в точности равно количеству движения пара и пробки.

Масса тележки больше, она набирает меньшую скорость. Масса пробки и пара меньше, зато скорость их движения во столько же раз больше.

Количество движения пробки направлено в одну сторону, количество движения тележки — в другую. В сумме оба количества движения дают нуль. Иными словами, общее количество движения при этом не изменяется: оно равнялось нулю в начале, когда тележка и пробки были неподвижны; оно равняется нулю и в конце, когда тележка и пробка (вместе с паром) движутся в разные стороны.

Этот закон стали называть впоследствии законом сохранения количества движения. В истории механики он сыграл огромную роль. Но, по сути дела, это. просто следствие из второго закона движения — основного закона динамики.

Количество движения тела, учит Ньютон, может измениться только под действием внешней силы.

А на тележку в его опыте никакие внешние силы не действовали. Значит, и количество движения для нее должно остаться постоянным, то есть равным нулю, — она ведь стояла на месте.

Вся система — это тележка и вылетевший из пробирки пар. Постоянным должно оставаться количество движения этой системы.

Поэтому количество движения, получаемое тележкой, и количество движения, уносимое паром, равны и противоположно направлены.

Тележка Ньютона не была первым в мире реактивным двигателем. За тысячу восемьсот лет до опытов Ньютона первый паровой реактивный двигатель сделал замечательный изобретатель Герои Александрийский — древнегреческий механик.

О Героне Александрийском нам известно немногое. Он был сыном брадобрея — парикмахера — и учеником другого знаменитого изобретателя, Ктезибия.

Жил Герон в Александрии примерно две тысячи семьдесят пять лет назад.

В приборе, изобретенном Героном, пар из котла, под которым горел огонь, проходил по двум трубкам в железный шар. Трубки одновременно служили осью, вокруг которой этот шар мог вращаться. Две другие трубки, изогнутые наподобие буквы «Г», были приделаны к шару так, как показано на рисунке.