Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота

Первый вопрос, который задает себе читатель, беря эту книгу в руки, – для кого это «для всех»?

Конечно, доля преувеличения в этом названии есть. Для читателя этой книги достаточно знакомства с основами школьной алгебры. Знаний по физике не нужно: она может быть Вашей первой книгой о физике. Возможно, однако, книга окажется интересной и для тех, кто избрал физику своей специальностью.

Мы старались писать эту книгу легким и простым языком, мы не отказали себе в удовольствии кое-где пошутить с читателем. Но это совсем не значит, что наша «Физика для всех» – легкая книга. Многие ее страницы нужно читать долго и внимательно; для того чтобы понять физику, приходится очень часто задумываться крепко и напряженно.

Основное внимание в книге уделено фундаментальным законам и понятиям физики. Однако мы старались не забыть об иллюстрациях из жизни и техники, правда, не имея целью сколько-нибудь вдаваться в неисчерпаемую область приложений физики.

Небольшое число исторических отступлений посвящено исключительно основаниям физики, но не ее приложениям.

Пока «Физика для всех» охватывает лишь часть физики, относящуюся к механическому и молекулярному движению. Мы надеемся, что под этим же заголовком читатель встретится в дальнейшем со следующими книгами, посвященными электричеству, оптике и строению атома.

Л. Ландау

А. Китайгородский

Всем приходится измерять длину, отсчитывать время и взвешивать разные тела. Поэтому все хорошо знают, что такое сантиметр, секунда и грамм. Но для физика эти измерения особенно важны – они необходимы для суждения о большинстве физических явлений. Расстояние, промежутки времени и вес, называемые основными понятиями в физике, люди стремятся измерять как можно точнее.

Современные физические приборы позволяют определить различие в длине двух метровых стержней, даже если оно меньше одной миллиардной доли метра. Можно отличить промежутки времени, различающиеся на одну миллионную долю секунды. Хорошие весы с очень большой точностью установят вес макового зернышка.

Техника измерений начала развиваться всего несколько сот лет назад, и относительно совсем недавно условились о том, какой отрезок длины и вес какого тела принять за единицу.

Почему же сантиметр и секунда были выбраны такими, какими мы их знаем? Ведь ясно, что особого значения не имеет, будет ли сантиметр или секунда длиннее.

Единица измерения должна быть удобной – больше никаких требований мы к ней не предъявляем. Очень хорошо, если единица измерений есть под руками. А проще всего взять за единицу измерения саму руку. Именно таким способом и поступали в древние времена; об этом свидетельствуют самые названия единиц, например «локоть» – расстояние от локтя до кончиков пальцев вытянутой руки, дюйм – ширина большого пальца у его основания. Для измерения использовали и ногу – отсюда название длины «фут» – длина ступни (по английски foot – ступня).

Хотя эти единицы измерения весьма удобны тем, что они всегда при себе, но недостатки их очевидны: слишком уж отличаются друг от друга люди, чтобы рука или нога могла служить не вызывающей споров единицей измерения.

С развитием торговли возникла необходимость договориться о единицах измерения. Сначала внутри отдельного рынка, затем для города, потом для всей страны и, наконец, для всего мира устанавливаются эталоны длины и веса. Эталон – это образцовая мера: линейка, гиря. Государство тщательно хранит эталоны, и другие линейки и гири должны изготавливаться в точном соответствии с эталонами.

В царской России основные меры веса и длины – они назывались фунт и аршин – были впервые изготовлены в 1747 г. В XIX веке требования к точности измерений возросли, и эти эталоны оказались несовершенными. Сложная и ответственная работа по созданию точных эталонов была выполнена в 1893–1898 гг. под руководством Дмитрия Ивановича Менделеева. Великий химик придавал большое значение установлению точных мер. По его почину в конце XIX века была создана Главная палата мер и весов, где хранились эталоны и изготовлялись их копии.

Одни расстояния выражают в больших единицах, другие – в более мелких. В самом деле, не станем же мы выражать расстояние от Москвы до Ленинграда в сантиметрах и вес железнодорожного состава – в граммах. Поэтому люди условились об определенном соотношении крупных и мелких единиц. Как всем известно, в той системе единиц, которой мы пользуемся, крупные единицы отличаются от мелких в 10, 100, 1000 и вообще в любую степень от десяти раз. Такое условие очень удобно и упрощает все вычисления. Однако такая удобная система принята не во всех странах. В Англии и США до сих пор редко пользуются метром, сантиметром и километром, а также граммом и килограммом *1 1 В Англии официально приняты следующие меры длины: морская миля (равна 1852 м), простая миля (1609 м), фут (30,5 см); фут равен 12 дюймам, дюйм – 2,54 см; ярд – 0,91 м. Это «портновская» мера, в ярдах принято отмеривать нужное на костюм количество ткани. Вес в англо-саксонских странах измеряется в фунтах (равен 454 г). Небольшие доли фунта – унция (1/16 фунта) и гран (1/7000 фунта); этими мерами пользуются аптекари при развешивании лекарств. ( Здесь и далее – прим. Ландау и Китайгородского. ) , несмотря на очевидность удобств метрической системы.

В XVII столетии возникла мысль выбрать такой эталон, который существует в природе и не изменяется с годами и веками. В 1664 г. Христиан Гюйгенс предложил за единицу длины принять длину маятника, совершающего одно колебание в секунду. Примерно через сто лет, в 1771 г., было предложено считать эталоном длину пути, который проходит в секунду свободно падающее тело. Однако оба варианта оказались неудобными и не были приняты. Понадобилась революция для того, чтобы появились современные меры, – килограмм и метр рождены Великой французской революцией.

В 1790 г. Учредительное собрание создало для выработки единых мер специальную комиссию, в которую входили лучшие физики и математики. Из всех предложенных вариантов единицы длины комиссия выбрала одну десятимиллионную долю четверти земного меридиана и дала этой единице название «метр». В 1799 г. был изготовлен эталон метра и отдан на хранение в архив Республики.