Текст книги "О движении
(Из истории механики)"

Автор книги: Феофан Бублейников

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 15 страниц)

Полет в мировое пространство

Законы небесной механики позволяют сделать безошибочный расчет скоростей и направлений полета межпланетного корабля. Затруднение в осуществлении путешествия на планеты заключается главным образом в трудностях безопасного взлета и посадки.

Впервые проблема полета в мировое пространство теоретически была разрешена русским ученым К. Э. Циолковским (1857–1935). Сын лесничего, К. Э. Циолковский был самоучкой. Не имея средств, чтобы получить систематическое образование, он сам прорабатывал курсы начальной и высшей математики, физики и механики.

Осенью 1879 года юноша сдал экзамен на звание учителя и был назначен преподавателем арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии.

В свободное от занятий время К. Э. Циолковский самостоятельно разрабатывал различные вопросы естествознания. За свою работу «Механика животного организма» он был единогласно избран в члены Петербургского физико-химического общества.

С 1885 года К. Э. Циолковский работал над проблемой управляемого металлического аэростата (дирижабля). Вслед за тем он перешел к исследованию движения реактивных приборов.

Сперва К. Э. Циолковский считал ракету применимой только в военном деле для сигнализации и переброски снарядов. Но затем он понял, что большая ракета может служить и для перелета на огромные расстояния и даже для полета в мировое пространство.

Ракета имеет большое преимущество перед другими двигателями в том, что она не нуждается в воздушной среде. Воздух, поддерживающий движущийся самолет, служит только препятствием для полета ракеты.

Это свойство ракеты было по достоинству оценено К. Э. Циолковским, занявшимся теоретическим исследованием возможности космического путешествия.

Совершенно самостоятельно К. Э. Циолковский теоретически определил влияние сопротивления воздуха на ракету. Он исследовал ее движение под влиянием тяжести и вычислил количество топлива, необходимое, чтобы покинуть Землю.

В 1903 году, а затем в 1911–1912 годах К. Э. Циолковский опубликовал результаты своих исследований о полете в мировое пространство. Он опубликовал формулы для расчета начального веса ракеты, ее скорости и работы, которую нужно произвести, чтобы ракета навсегда потеряла связь с Землей.

Так называемую параболическую скорость, при которой тело навсегда отрывается от планеты, можно найти по формуле v = √gD, где g – ускорение свободного падения на ее поверхности, D – средний диаметр планеты. Для Земли эта скорость равна √9,81·12 742 000 = 11 181 метру в секунду.

На Луне ускорение свободного падения приблизительно в шесть раз меньше, то-есть равно около 1,63 метра за каждую секунду. Диаметр Луны 3470 километров. По приведенной формуле параболическая скорость на Луне равна только около 2390 метров в секунду.

Первая проблема, которую должна решить техника межпланетных путешествий, – отлет с Земли. Как разорвать узы тяготения, делающего человека ее пленником?

При скорости в 7,9 километра в секунду в направлении касательной к поверхности земного шара, на расстоянии земного радиуса от центра Земли, тело вечно двигалось бы по круговой орбите около нее.

При больших скоростях оно описывало бы эллипс, в одном из фокусов которого была бы Земля. Но при скорости 11,2 километра в секунду Земля не удержала бы его, и тело унеслось бы в пространство, потеряв с нею связь.

Для осуществления полета в мировое пространство нужно, чтобы летательный снаряд развил скорость 11,2 километра в секунду.

Человек без вреда для себя может двигаться с любой равномерной скоростью. Он участвует в обращении Земли вокруг Солнца со скоростью около 30 километров в секунду и в движении солнечной системы вокруг центра Галактики со скоростью больше 250 километров в секунду. Только значительное ускорение может повредить человеческому организму.

Безнаказанно для себя в течение непродолжительного времени человек может вынести ускорение, превосходящее в три-четыре раза ускорение свободного падения. Следовательно, межпланетный летательный снаряд должен двигаться с ускорением, не превосходящим 40 метров за каждую секунду. В течение 5 минут такого движения он разовьет скорость (не учитывая сопротивления воздуха) до 12 тысяч метров в секунду.

Сообщить летательному снаряду такое ускорение возможно разными способами. Можно было бы, например, «выстрелить» им в межпланетное пространство из электромагнитной пушки.

Как известно, внутри спирали из проводника, по которому проходит ток, возникает магнитное поле. Такая спираль – соленоид – втягивает в себя стальное тело.

Расположим один за другим ряд больших соленоидов. Как только ток будет включен в первом соленоиде, снаряд втянется в него с некоторым ускорением. Достигнув середины длины первого соленоида, он автоматически выключит в нем ток и включит его во втором, вследствие чего получит новое ускорение. Продолжая автоматически выключать ток в том соленоиде, в котором он находится, и включать его в следующем, снаряд будет развивать все большую скорость. Наконец, когда он будет двигаться со скоростью 11,2 километра в секунду, снаряд может оторваться от Земли.

Однако сопротивление воздуха делает очень трудным осуществление такого проекта. Помимо того, снаряд с пассажирами внутри, выброшенный в мировое пространство, стал бы игрушкой инерции и тяготения. Он вечно обращался бы вокруг Солнца по орбите, вид которой зависел бы от направления и момента выстрела.

Земля движется по эллипсу, близкому к кругу, со скоростью около 30 километров в секунду. Если выбросить снаряд в плоскости земной орбиты по направлению движения Земли, то относительно Солнца он получит скорость 41,2 километра в секунду. В этом случае снаряд будет обращаться по удлиненному эллипсу, который будет касаться земной орбиты в момент наибольшего приближения снаряда к Солнцу.

Если же выстрелить в обратном направлении, то скорость снаряда относительно Солнца будет равна только 18,8 километра в секунду. Снаряд станет обращаться вокруг Солнца по удлиненному эллипсу, касающемуся земной орбиты в момент наибольшего удаления от Солнца.

Пассажиры снаряда не могли бы изменить направление его движения, чтобы опуститься на какую-либо планету или возвратиться на Землю. Такую возможность может дать только ракета.

Схема космической ракеты, сделанная К. Э. Циолковским.

Ракета движется под реактивным действием вытекающих из нее газов. Газы образуются от сгорания жидкого или твердого топлива. Как показал расчет, на ракете нельзя поместить такое количество горючего (угля, бензина и т. п.), чтобы можно было пользоваться ракетным двигателем во все время космического путешествия. Потому, оторвавшись от Земли, было бы необходимо прекратить работу ракетного двигателя, используя движение ракеты по инерции.

С остановленным двигателем ракета двигалась бы по законам Кеплера, подобно планетам и их спутникам.

Нужно отправить ракету так, чтобы описываемый ею эллипс коснулся орбиты той планеты, которую намечено посетить. Момент отправления должен быть выбран с таим расчетом, что, когда ракета приблизится к орбите планеты, эта последняя должна находиться недалеко от ракеты.

Пролетев вблизи планеты или обогнув ее, ракета будет продолжать свой путь по эллиптической орбите (отклонение от этого пути притяжением планеты должно быть исправлено действием ракетного двигателя). Расчет ведется так, что, когда ракета подойдет к земной орбите, Земля будет находиться вблизи.

Облетев несколько раз Землю и пересекая каждый раз атмосферу, ракета замедлит свое движение. Тогда ее пассажиры могут совершить посадку на специальном планере, предоставив ракете упасть на Землю.

Посадочный планер, отделившийся от корпуса космического корабля, приближается к земной поверхности.

Заключение

Механика – наука о движении тел и о силах, сообщающих им движение. Она могла быть создана только на основе данных опыта и наблюдений. Аксиомы механики – истины, полученные из опыта. Законы механики только тогда оправдываются, когда они выведены из таких аксиом.

В древности Архимеду удалось установить закон равновесия сил, приложенных к рычагу. Доказательство закона рычага, данное этим математиком, основывалось на опытах со взвешиванием тел. Происхождение этих аксиом проявило себя даже в их формулировке.

Например, «равные веса, действуя на равных расстояниях от точки опоры невесомого стержня, уравновешиваются».

Вне всякого сомнения происхождение из опыта и следующей аксиомы: «Из равных весов, действующих на неравных расстояниях, перевешивает отдаленный».

Для человека, никогда не видевшего процесса взвешивания на весах с коромыслом, эти аксиомы едва ли были бы так очевидны, какими они кажутся нам.

Выведенный из этих аксиом принцип рычага лег в основу античной статики твердого тела. Этот закон рычага оправдывался на опыте.

Другое дело – динамика, созданная Аристотелем. Она была построена на умозрительных положениях. Поэтому ее выводы не согласовывались с действительностью.

Галилей увековечил свое имя в истории науки, обратившись к опыту. Он не захотел признать кажущегося на первый взгляд правильным утверждения Аристотеля, будто тяжелое тело падает быстрее легкого. Сбрасывая тяжести с вершины башни, Галилей убедился, что скорость падения тел не зависит от их тяжести.

Столь же неверным оказалось и мнение, что для поддержания равномерного прямолинейного движения нужно постоянное действие силы.

Причиной этих заблуждений Аристотеля было незнание им инерции движения. Построенная Аристотелем динамика была бы справедлива, если бы тела не обладали инерцией. Но в действительности тела сохраняют состояние как покоя, так и движения. Поэтому они подчиняются законам динамики Галилея, построенной исходя из свойства инерции.

Обладают или не обладают тела природы инерцией, это можно было узнать только из наблюдений и опытов. Зная же о существовании инерции, можно было делать выводы законов движения тел.

Если бы Галилей ограничивался логическими рассуждениями, не прибегая к проверке своих выводов на опыте, он также мог бы впадать в ошибки.

Но опыта недостаточно для развития механики. И до Галилея многие наблюдали, что скорость свободного падения тел не зависит от их веса. Мысль об инерции не была совсем чужда некоторым его предшественникам.

Однако не они, а Галилей считается основателем динамики, потому что только он вывел законы движения тел. Опыт дает лишь материал для математической обработки, а не самые законы, которые были выведены Галилеем из данных опыта.

Наконец для развития механики необходима и гипотеза. Она объясняет причину наблюдаемых явлений и, оправданная последующими опытами, становится теорией.

Притяжение Луны Землей и планет Солнцем было сперва гипотезой. После проверки ее Ньютоном всемирное тяготение стало физическим законом. Опыт английского химика и физика Генри Кэвендиша (1731–1810), произведенный в 1798 году, доказал существование притяжения между всеми телами.

Не следует думать, будто опыт имел такое большое значение только при заложении основ механики. Он не потерял этого значения и в настоящее время.

Происхождение подъемной силы самолета казалось очень ясным. Никто не мог предполагать, что подъемная сила может возникнуть при нулевом или отрицательном угле атаки. Но опыт, к удивлению экспериментаторов, показал возможность этого явления. Он привел к созданию более совершенной теории.

Великий русский ученый М. В. Ломоносов указал путь, по которому должны идти исследователи природы: «Из наблюдений установлять теорию, через теорию исправлять наблюдения – есть лучший способ к изысканию правды».

Механика, как и другие науки о природе, продолжает развиваться. Перед ней множество не решенных еще проблем. Практика жизни ставит всё новые вопросы, ожидающие своих исследователей.

Но теперь уже легче решать возникающие задачи механики. История науки указывает, какими путями шли к открытиям Галилей, Гюйгенс, Ньютон, Ломоносов, Эйлер, Жуковский, Циолковский и другие испытатели природы. Нужно только следовать их примеру беззаветной преданности науке, направленной на благо человечества.