Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Чтобы понять этот закон и научиться им пользоваться, нужно уяснить его экспериментальную основу и исходные определения.

Поэтому очень важно посмотреть опыты. Прежде чем описать некоторые демонстрационные опыты, рассмотрим частный случай F = 0.

Нет сил — движение неизменно: первый закон Ньютона

Если F~ M∙ a, то в частном случае F = 0 ускорение должна быть равно нулю, т. е. движение должно продолжаться без изменений. К этому выводу можно прийти, анализируя движение снаряда: вертикальное ускорение есть результат действия земного притяжения, в горизонтальном движении также следует усматривать результат действия некой горизонтальной силы. Помимо сопротивления воздуха (которое в идеальном случае не участвует), никаких горизонтальных сил нет. Тем не менее пушечное ядро продолжает двигаться вперед с постоянной горизонтальной скоростью.

Значит, можно предположить, что если на тело не действует никакая сила, то его скорость остается неизменной. В таких случаях горизонтальное ускорение равно нулю, но скорость не должна быть раина нулю: она может сохранять любое постоянное значение.

Поэтому физики говорят, что для поддержания неизменным равномерного движения не нужно прилагать никакой силы. На первый взгляд это кажется абсурдным. Чтобы двигать по шероховатому полу ящик или заставить автомобиль равномерно двигаться по ровному участку дороги, необходимо прикладывать все время большую силу. Однако, утверждая это, мы исходим из ограниченного представления: мы забываем о силе трения, действующей против движения, или о сопротивлении воздуха. Если учитывать эти силы, то результирующая сила вполне может оказаться равной нулю. Но мы говорим, что тело движется с постоянной скоростью, если равна нулю результирующая сила (фиг. 139).

Фиг. 139. Старый вопрос и современный ответ.

Даже если к летящему пушечному ядру приложить две силы — одну, тянущую вперед, а другую, тянущую назад, то при равенстве нулю результирующей силы горизонтальное движение ядра останется неизменным (фиг. 140).

Фиг. 140. Силы, действующие на тело, не влияют на движение, если сумма этих сил равна нулю.

Ниже приведено описание некоторых опытов. Проведение опытов иллюстрируется на фигурах и зависит от имеющегося в наличии оборудования.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Опыт 1.Движение тела в отсутствие результирующей силы (мечта конькобежцев). Честно продемонстрировать такое движение невозможно. Мы не способны осуществить движение тела, на которое заведомо не действовала бы никакая сила.

Мешают тяготение, трение или неумение логически мыслить. Мы можем лишь продемонстрировать опыты, иллюстрирующие наше направление мысли, и в идеальном случае (который сам по себе представляет воображаемый эксперимент) экстраполяцию всех реальных случаев [88] Пожалуй, идеальный эксперимент с одним-единственным движущимся телом, бесконечно удаленным от всех других, которые были бы способны нарушить его движение, невообразимо труден. В самом деле, как мы могли бы наблюдать равномерное движение тел? Где бы мы находились и где бы находились наши «верстовые столбы»? Поскольку такое движение, если бы оно даже существовало, невозможно наблюдать, разумно ли говорить о нем как о части научного знания? Лучше смириться с незначительными помехами, которые создает трение, или возмущениями, связанными с земным тяготением. ».

Правило «нет силы — движение постоянно» применимо независимо от того, есть ли трение или нет. Мы стремимся проводить эксперименты в отсутствие трения только для того, чтобы продемонстрировать это правило, поскольку трение трудно измерить и ввести на него поправку.

Опыт 1(а).Понаблюдайте за шаром, катящимся по горизонтальной поверхности стола. К сожалению, шар замедляет движение и останавливается: мы виним в этом трение. (Правда, катящийся шар используется и для проверки горизонтальности стола, поэтому есть опасность, что при доказательстве получится порочный круг. Однако этого можно избежать, если разумно провести опыт.)

Задача 1. Научное объяснение против черной магии

Откуда вы знаете, что катящийся шар останавливает трение, а не нечистая сила? Предложите эксперименты для проверки или подкрепления вашей точки зрения. (Это задача, которая на первый взгляд кажется шуткой, поднимает серьезный вопрос о природе научных объяснений и законов. Попытайтесь логически построить защиту, но помните, что адвокат нечистой силы сможет настаивать на целом ряде свойств последней.)

Опыт (1б).Большой кусок «сухого льда» (твердая двуокись углерода) скользит по горизонтальной поверхности стола, покрытого алюминием или стеклом. Сухой лед отделен от поверхности стола газовой подушкой — слоем газообразной двуокиси углерода, которая все время подогревается столом. Сухой лед значительно холоднее обычного тающего льда, поэтому стол оказывается для него очень горячим, и лед испаряется. Создается газовая подушка, по которой сухой лед скользит подобно куску обычного льда на разогретом солнцем тротуаре.

Опыт 1(в). «Модель железной дороги». Честно признав поражение, нанесенное нам силами трения, мы можем создать модель железной дороги, в которой трение было бы компенсировано наклоном рельсов (фиг. 141).

Фиг. 141. «Первый закон Ньютона».

Тележка на рельсовом пути с компенсированным трением.

На вагончик, стоящий на рельсах с очень небольшим уклоном, действует некоторая доля земного притяжения; эта сила тянет вагончик вниз под уклон, и можно так подобрать угол наклона, чтобы небольшая сила, действующая в сторону уклона, как раз компенсировала силу трения. Затем сообщим вагончику начальную скорость мгновенным толчком и посмотрим, как он движется. Это не вполне честный опыт. В самом деле, откуда мы знаем, насколько нужно наклонить рельсы? Тем не менее очень интересно смотреть, как вагончик медленно катится по рельсам при почти невидимом уклоне. Действительно, мы считаем, что результирующая сила равна нулю. Притяжение Земли при определенном положении рельсов и сила торможения, обусловленная трением, при векторном сложении в сумме дают нуль. Если толкнуть вагончик сильнее, то он будет двигаться, все время сохраняя новое значение скорости. Вагончик, нагруженный песком или металлом, после толчка опять-таки движется равномерно. Если не производить измерений, то этот опыт неубедителен, он позволяет судить скорее о трении, чем о движении в отсутствие силы, но модель дороги с компенсированным трением пригодится нам в дальнейших экспериментах.