Текст книги "Законы движения"
Автор книги: Михаил Ивановский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 9 страниц)
Польза трения
Однажды по шоссе шла автомашина, груженная трехметровыми рельсами. Рельсы высовывались через незакрытый задний борт.
Со стороны было заметно, что грузовик движется как-то неуверенно, рыская из стороны в сторону так, как будто шофер не в силах совладать с рулевым управлением. Вот машина внезапно перешла на левую сторону дороги, шофер схватился за тормоз, автомобиль выровнялся и вернулся на правую сторону. Но как только водитель снова увеличил скорость, машина опять начала вилять вправо, влево; шофер – за тормоз, но, видимо, не успел, и грузовик уткнулся в канаву. Канава была неглубока. Серьезной аварии не случилось.
Шофер включил заглохший двигатель и задним ходом выбрался на шоссе. Тут он остановил машину на обочине и стал осматриваться – почему машина перестала слушаться руля? Он проверил рулевое управление – все было в порядке; пошел осматривать груз…
Что случилось с машиной?
Вдруг, скинув куртку, стал перекладывать рельсы. Он догадался, в чем дело. От тряски рельсы сползли назад, и передок машины стал приподниматься. Еще немного – и машина стала бы «на дыбы». Передние колеса катились, еле задевая за землю. При каждом толчке они вовсе утрачивали сцепление с землей. Трение между передними колесами и дорогой стало ничтожно малым; именно поэтому машина потеряла управление.
Причина оказалась в недостатке трения. Она часто играет очень важную роль. Если у паровоза трение колес о рельсы будет мало, колеса начнут буксовать и паровоз не сможет сдвинуть поезд. С непривычки трудно бывает быстро ходить по гладкому, натертому воском паркету – ноги скользят и не дают необходимой опоры.
Значит, трение не всегда вредное явление. Часто оно бывает полезным, а иногда и просто необходимым.
Дорога поворачивает машину
Шофер, поворачивая штурвал автомобиля, тем самым заставляет повернуться его передние колеса. Они становятся уже не вдоль дороги, а слегка вкось. Машина по инерции стремится продолжать движение в прежнем направлении, но передние колеса повернулись и встречают значительное сопротивление дороги. Сила трения дороги поворачивает весь автомобиль в ту сторону, куда его поворачивает шофер.
Самолеты, пароходы и простые лодки также используют силу трения и силу сопротивления воды или воздуха, когда им необходимо изменить направление своего движения. Для этого у них есть руль. Пока лодка движется прямо, ее руль стоит по ходу и почти никакого сопротивления со стороны воды не встречает: струи его легко обтекают.
Но как только руль поворачивает в сторону, на одну его плоскость начинают набегать водяные струи – возникает значительное сопротивление воды, и ее давление оттесняет руль, а вместе с ним и корму лодки в сторону, противоположную повороту руля. Нос же лодки направляется в ту же сторону, в какую повернут руль.
На больших кораблях силы, пробуждаемые поворотом руля, бывают настолько велики, что человек не в состоянии удержать в руках штурвальное колесо. На помощь приходит паровая машина или электрический двигатель. На крупных кораблях установлены особые рулевые машины, поворачивающие руль.
Поворот торможением
Иногда случается, что лодку надо повернуть круто и быстро. В таком случае действие руля оказывается недостаточным и раздается команда:
– Правая (или левая) табань!
Табанить на рыбачьем профессиональном языке означает примерно то же самое, что тормозить.
По этой команде гребцы опускают правые (или левые) весла в воду и ставят их лопасти поперек струй – тормозят движение лодки с одного борта, и лодка поворачивается в эту сторону.
Если же поворот надо выполнить еще быстрее и круче, дается команда:
– Правая табань, левая загребай!
Гребцы правыми веслами табанят, а левыми усиленно гребут. Такое сочетание гребли с торможением заставляет лодку повертываться почти на одном месте.
«Табань!»
Тем же приемом пользуется капитан большого парохода, если его корабль снабжен двумя винтами: рулю помогают работой машин. При повороте один винт работает как обычно, другой останавливается или дает задний ход. Соединенная работа руля и двух винтов дает возможность кораблям круто поворачиваться.
Трамваи, паровозы и вообще весь транспорт, движущийся по рельсам, не имеют рулевого управления: оно им не нужно. Его заменяют рельсы и реборды. Реборды, или гребни, – это выступающие края на ободьях колес. Когда колеса катятся по рельсам, гребни упираются сбоку в головку рельсов и не позволяют вагону или паровозу сходить с них. А для трамвайных путей иногда употребляют особые рельсы с желобком, в котором катятся гребни колес.
На закруглениях пути паровоз или трамвайный вагон стремится по инерции продолжать движение вперед по прямой линии, но гребни упираются в рельсы и заставляют поезд поворачивать.
Гусеничные машины – тракторы и танки – тоже не имеют рулевого управления, такого, как у их ближайших родственников – автомобилей. Тракторами и танками управляют при помощи тормозов. Правая и левая гусеницы имеют отдельные тормоза и отдельные тормозные рычаги. Подтянув правый тормозной рычаг, водитель замедляет ход правой гусеницы, тогда как левая продолжает движение с прежней скоростью, и машина, подтормаживаемая с одной стороны, поворачивается. Такое устройство позволяет гусеничным машинам делать то, что немыслимо для колесных, – они могут поворачиваться почти на одном месте.
Мир без трения
Жить в мире, где каждому нашему движению препятствует трение, нелегко, но если трение исчезнет, нам придется гораздо хуже. В фантастическом Мире без трения возможны происшествия более удивительные, чем те, что описаны в сказке К. Чуковского «Мойдодыр».
В сказке все вещи героя разбежались в стороны, потому что надо было наказать неряху и грязнулю; но то же самое случится сразу же, как только исчезнет трение. Шевельнется спящий человек, и одеяло, не удерживаемое трением покоя, сползет и отправится путешествовать по комнате, заденет за сапоги, и сапоги поползут куда придется. По еле заметному уклону пола покатится кровать. Она заденет за стол, и стол отправится по направлению полученного толчка. Стол зацепит по дороге за стулья, и очень скоро все вещи соберутся где-нибудь в одном месте. Ведь пол не бывает идеально горизонтальным.
В Мире без трения жизнь человека превратится в непрестанную, упорную погоню за расползающимися и разбегающимися вещами.
При отсутствии трения каждый, даже самый малейший толчок будет вызывать безостановочное движение по инерции у всех предметов. Но сможет ли человек что-либо сделать? Если он встанет на пол, то как устоять на нем? Полы, тротуары, дороги станут более скользкими, чем самый гладкий лед. Ходить по полу будет совершенно невозможно, и передвигаться люди смогут, пожалуй, только при помощи каких-либо липких или клейких веществ, то есть им придется приклеивать себя к полу при каждом шаге. Но это будет возможно лишь при условии, что с исчезновением трения и эти вещества не потеряют своей липкости.
Сразу после исчезновения трения люди с ужасом убедятся, что платье на них расползается. Ведь швы держатся исключительно благодаря трению между нитками и тканью. Все пуговицы оторвутся, все узелки развяжутся, гвозди из ботинок выскочат, и ткани начнут расползаться, потому что волоконца в нитках тоже скреплены трением.
Все часы начнут ужасно спешить, так как в точке подвеса их маятника уже не будет действовать сила трения.
Все тормоза перестанут действовать. Остановить трамвай, поезд, троллейбус или автомобиль окажется невозможным. Все они будут продолжать движение по инерции равномерно, прямолинейно и безостановочно до тех пор, пока не врежутся в какое-либо препятствие или не свалятся под откос на повороте.
Ураганы, возникшие где-либо на Земле, начнут безостановочное движение вокруг земного шара, все сметая на своем пути.
Громадные волны, поднятые бурями, сделают невозможным сообщение по морю.
Все это может произойти только при частичном исчезновении трения. Если же прекратят свое действие все виды трения, то земной шар превратится в клубок мельчайшей пыли, окутанной такой же пыльной атмосферой.
Трение мешает людям двигаться и двигать, но без трения мы совсем не могли бы передвигаться и даже существовать. Трение не только вредно, но и полезно.
Трение совершенно необходимо и неизбежно. Оно порождено тем, что мир материален и каждый предмет может двигаться только во взаимодействии с другими предметами, а трение является неизбежным следствием этого взаимодействия.
ЗАКОН ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Глава шестая
о третьем законе движения, который устанавливает самое основное условие возникновения силы
Дни Ньютона
Над своей книгой по механике «Математические начала натуральной философии» Ньютон начал работать примерно в 1679 году и закончил ее через семь лет, в 1686 году. Когда труд приближался к концу, Ньютон взял себе секретаря – земляка и однофамильца Гемфри Ньютона, который тоже окончил грэнтэмскую школу. Гемфри Ньютон переписывал книгу начисто, перед тем как отправить ее в печать.
Сохранился рассказ Гемфри Ньютона о своем великом однофамильце.
«Сэр Исаак был очень любезным, спокойным и скромным человеком; по-видимому, он никогда не впадал в раздражение; за исключением одного случая, я не видел, чтобы он смеялся…
Он постоянно был занят своей работой, редко ходил к кому-нибудь в гости или принимал у себя гостей.
Сэр Исаак не позволял себе никакого отдыха и передышки, не ездил верхом, почти не гулял, не играл в кегли, не занимался спортом; он считал потерянным каждый час, не посвященный занятиям.
Раньше двух – трех часов ночи он редко ложился спать, иногда засыпал в пять – шесть часов утра. Спал он всего четыре – пять часов. Днем он никогда не спал. Думаю, что его печалила необходимость тратить время на еду и сон.
Занятиями он увлекался настолько, что забывал обедать. Нередко, заходя в его комнату, я обнаруживал обед нетронутым на столе, и только после моего напоминания он стоя что-нибудь съедал. Я никогда не видел, чтобы он садился за стол сам, без напоминания.
Ньютон редко уходил из комнаты, за исключением коротких прогулок в саду и тех случаев, когда ему надо было читать лекции. Его лекции мало кто посещал и еще меньше того – понимал. Часто Ньютону приходилось читать лекции перед пустыми стенами. Не найдя на лекции ни одного слушателя, Ньютон через четверть часа возвращался обратно.
Иногда во время прогулки в саду Ньютон внезапно останавливался, взбегая по лестнице в свою комнату, и, подобно Архимеду, начинал писать за своим наклонным столиком, забывая сесть.
Судя по его озабоченности и постоянной работе, думаю, что он стремился перейти черту человеческой силы и искусства».
Так писал Гемфри Ньютон в своих воспоминаниях об Исааке Ньютоне.
Громадное напряжение всех сил, сосредоточенность и беспримерная настойчивость Ньютона позволили ему завершить книгу, озаглавленную «Математические начала натуральной философии». А натуральной философией в Англии и поныне называют физику. В своей книге Ньютон подвел итог всему, чего достигло человечество за две тысячи лет, прошедших после смерти Аристотеля. Все самое ценное, сделанное учеными за это время, нашло свое место в «Началах» Ньютона. Он отбросил ошибочное, проверил истинное, доделал незаконченное и изложил тысячелетний труд людей в одной книге.
Все рассказанное нами о трех законах движения составляет в книге Ньютона содержание всего лишь нескольких страниц и служит там чем-то вроде введения. В своей книге Ньютон доказал, что законы движения едины и одинаковы как для Земли, так и для небесных тел. Луна обращается вокруг Земли, планеты обегают Солнце, хвостатые странницы – кометы путешествуют в пространстве. и все небесные светила подчиняются тем же самым законам механики, которые действительны и для яблока, падающего с ветки, и для пыли, подхваченной вихрем на дороге, и для камня, брошенного человеческой рукой. В основе всякого механического движения, где бы оно ни совершалось, лежат простые и естественные законы.
Первый закон Ньютона устанавливает, что происходит с предметом, когда действующие на него силы уравновешены.
Второй закон показывает, что случится с телом, когда на него подействует неуравновешенная сила.
Третий закон указывает, при каком совершенно обязательном условии сила может возникнуть и подействовать на какое-либо тело; если это коренное условие отсутствует, то никакого действия не получится.
Готемский градоначальник
В Англии очень распространены шуточные рассказы о жителях Готема – сказочного города, из которого, по английским преданиям, расплодились по всему свету дураки. Рассказывают, что в Готеме долго не было градоначальника, потому что готемцы не знали, как среди глупых выбрать самого умного.
Однажды они увидели, что перед большой лужей на городской площади стоит человек и изо всех сил тянет сам себя за волосы кверху.
– Что ты делаешь? – спросили удивленные готемцы этого человека.
– А разве вы не видите? – отвечал им человек. – Я поднимаю сам себя за волосы, для того чтобы перенести свои ноги через эту лужу.
– О-о! – воскликнули готемцы. – Этот человек самый умный среди нас! – И они тотчас же выбрали его градоначальником.
Самый «умный» житель Готема.
Но разве может человек приподнять сам себя за волосы? Это просто немыслимо, нелепо, невозможно. Ни один предмет не в состоянии двигаться один сам по себе, всегда требуется участие другого тела. И то, что мы называем силой, есть результат взаимодействия между двумя различными предметами. Один предмет действует на второй, но и сам испытывает на себе действие второго. И в этом смысл и суть третьего закона движения.
В учебниках этот закон в краткой форме записан так: «Всякое действие вызывает равное и противоположно направленное противодействие».
Опыты Ньютона
Третий закон движения основывается на повседневной практике, на опыте людей; он так же естествен и прост, как и первые два закона, но уяснить его не так-то легко.
Когда Ньютон обдумывал свои первые два закона, он не ставил опытов – для доказательства этих законов было достаточно повседневных наблюдений и опытов других ученых, живших до него. Третий закон нуждался в доказательствах.
Чтобы действие третьего закона движения стало нагляднее и убедительнее, Ньютон предложил несколько опытов.
Из сухой дощечки ученый вырезал две совершенно одинаковые лодочки. Потом он налил в таз воды и пустил туда свои лодочки. В одну лодочку Ньютон положил маленький намагниченный стальной брусок, а в другую точно такой же брусок, но сделанный из простого железа. Обе лодочки Ньютон развел в стороны. Лодочку с железным брусочком он отпустил, а нагруженную магнитом придержал рукой на месте. Повинуясь притяжению магнита, железный брусок потянул свою лодочку, поплыл и вскоре пристал к магниту. Ничего удивительного в этом никто, конечно, не увидел. Уже тогда всем было известно свойство магнита притягивать к себе железные предметы.
Ньютон продолжал свой опыт. Он снова развел лодочки в стороны, но на этот раз удержал на месте лодочку, груженную железным бруском, а лодочку с магнитом отпустил в свободное плавание.
Теперь лодочка с намагниченным «пассажиром», чуть покачиваясь, поплыла к железному бруску.
Если бы Ньютон не знал, какой из брусочков намагничен, он в этом опыте не смог бы отличить их друг от друга: железо притягивалось к магниту точно так же, как магнит притягивался к железу.
Где магнит?
После этого Ньютон в третий раз развел лодочки к краям таза и отпустил их. Обе лодочки поплыли навстречу друг другу. Они столкнулись на середине таза и остановились.
Опыт убедил ученого, что магнит притягивает железо с такой же силой, с какой железо притягивает к себе магнит. И мы наблюдаем не действие магнита на железо или железа на магнит, а их взаимодействие.
Именно поэтому обе лодочки сейчас плавают в тазике так спокойно. Если между ними не было бы взаимодействия, рассуждал Ньютон, то опыт привел бы к иным результатам. Представим себе, что только магнит способен притягивать к себе железо. В этом случае лодочка с железным бруском поплывет к магниту, а лодочка с магнитом останется неподвижной. А затем должно произойти нечто невероятное – лодочка с железным бруском, подплывшая к магниту, стукнется о его лодочку и погонит ее в сторону со все возрастающей скоростью. Железо, притягиваемое магнитом, толкало бы его и двигало непрерывно вперед.
Но в действительности так не получается. Лодочки стоят посреди таза, тесно прижавшись друг к другу, нажимая своими краями друг на друга. Действие магнита встречает равное и противоположно направленное противодействие железа, то есть мы наблюдаем не действие одного предмета на другой, а их взаимодействие.
И Ньютон сформулировал свой третий закон:
«Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе – взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны».
Третий закон Ньютона очень часто называют законом действия и противодействия, но правильнее называть его законом взаимодействия, потому что сущность закона состоит именно во взаимодействии тел.
Содействие дороги
У бутс футболиста на подметках набиты толстые кожаные рубцы и сделаны выступы-шипы. У бегуна на туфлях тоже есть шипы, но уже металлические, тонкие и острые. А у альпиниста на подметках шипы почти такие же, как на лошадиных подковах. Ходить в альпийской или футбольной обуви неудобно, но зато бегать или лазить по горам очень хорошо.
Когда человек идет или бежит, его ноги должны отталкиваться от земли и встречать со стороны дороги равное и противоположно направленное противодействие; иначе говоря, ноге нужно иметь хороший упор. Если же упор окажется недостаточен, то и бегун не сможет двигаться в полную силу.
Очень трудно бежать по рыхлому, зыбкому песку, по вязкой мокрой глине или по земле, покрытой корочкой гололеда. По такому грунту не то что бежать – даже ходить трудно. На рыхлом песке человек тратит много усилий, чтобы каждым своим шагом уплотнять песок, прежде чем он окажется способным дать ноге необходимый упор. А на глине ноги вязнут и расползаются, приходится с усилием отрывать ногу от липкой грязи. На скользком льду катка или во время гололедицы ходить приходится с опаской, слишком легко поскользнуться и упасть – лед не дает ноге надежного упора.
Чтобы быстро бегать, мало иметь резвые ноги. Спортивный успех зависит не только от «действия» ног, но и от содействия дороги.
Об этом содействии заранее заботятся строители стадионов и спортивных площадок: они засыпают беговые дорожки гарью – золой из паровых котлов. Гарь – прекрасный материал; она достаточно тверда, свободно пропускает воду и почти не впитывает ее, всегда суха, легко поддается уплотнению под шипами на туфлях бегунов и не позволяет ногам скользить.
Шипы, вдавливаясь в поверхность дорожки, обеспечивают полезное трение и позволяют твердо ставить ногу, а нога, встречая надежный упор в грунте, использует всю свою силу, чтобы от него оттолкнуться. Таким образом небольшая потеря на трение шипов при вдавливании их в гарь с лихвой возвращается бегуну благодаря надежному взаимодействию с дорогой.
С этой же целью – получить хорошее сцепление с дорогой – колеса и гусеницы тракторов также снабжают шипами, протекторы автомобильных шин делают узорчатыми, а лошадей подковывают. Однако на скользкой или грязной дороге автомобильные шины часто теряют сцепление с дорогой и начинают буксовать, крутятся на месте, разбрызгивая грязь, а автомобиль не продвигается ни на шаг. Шоферы, когда им предстоит перегон по плохой дороге, предварительно обматывают колеса цепями, и тогда автомобиль легче преодолевает трудные участки пути. Современные грузовые автомобили имеют не одну ведущую ось, а две и цепляются за дорогу всеми четырьмя колесами. Такое устройство, как говорят специалисты, повышает «проходимость» автомобиля.
Способность любой транспортной машины передвигаться зависит не только от мощности ее двигателя, но, в той же степени, и от состояния пути.
«Пешком» по столбу
Связисты и электромонтеры, которым постоянно приходится взбираться на телеграфные столбы, носят с собой очень простое приспособление, называемое «кошками». «Кошки» – это две железные дуги с острыми зубцами и площадочкой для ноги; они похожи по форме на серпы или на большие рога жука-оленя.
Связист надевает «кошки» на ноги и, ковыляя, потому что передвигаться по земле в «кошках» очень неудобно, подходит к столбу. Тут он охватывает одной «кошкой» столб, ее шипы врезаются в дерево. Связист, придерживаясь руками за столб, переносит всю тяжесть своего тела на «кошку» и одновременно закидывает вторую «кошку» так, чтобы она вцепилась повыше первой. Затем он переносит тяжесть тела на вторую «кошку», а первую переставляет еще выше. Так он «шагает» по гладкому вертикальному столбу, как по лестнице. Острые зубцы «кошек» обеспечивают связисту надежное взаимодействие со столбом – дают ноге хороший упор. Не было бы взаимодействия со столбом – и связист не мог бы влезть на него.
«Пешком» по столбу.
Словом, все, что бегает, ползает, прыгает, шагает, летает, плавает, лазает, может двигаться только потому, что находится во взаимодействии с землей, водой, воздухом, рельсами, стволами деревьев, столбами, веревками или лианами в тропическом лесу.
Во всех случаях, без всякого исключения, действие одного предмета всегда встречает равное и противоположно направленное ответное действие (противодействие) со стороны других окружающих предметов.
Слово «противодействие», которое употребил Ньютон, не нужно понимать буквально – ответное действие, оказываемое движущемуся предмету, отнюдь не мешает ему, не действует напротив или наперекор, а, наоборот, именно оно помогает, содействует его движению. Просто появляется сила противодействия, направленная противоположно силе действия.
При этом надо заметить, что действие и ответное действие во всех случаях бывают приложены к разным предметам: действие – к земле, воде, воздуху, рельсам, веревкам, столбам, к асфальту шоссе и так далее, а ответное действие – к ногам, лапам, колесам, копытам, гусеницам, крыльям, плавникам, пароходным винтам, к пропеллерам самолетов и «кошкам» связистов…
Вывод несколько удивительный. Получается, что мы движемся не столько в силу нашего действия, сколько в силу ответного действия. Когда мы ходим, усилия наших ног направлены на то, чтобы толкать землю, а идем, движемся вперед только потому, что нас толкает земля. Может быть, такой вывод покажется странным, но это так и есть. В Мире без трения, то есть без взаимодействия между телами, человек мог бы только перебирать ногами, но никогда не сумел бы сдвинуться с места.
Когда человек идет, он не замечает, как его «толкает» земля. Всякому кажется, что он сам ходит, но это маленькое заблуждение объясняется тем, что свое действие он сам направляет, оно бросается в глаза, а ответное действие не привлекает внимания. Но можно сделать так, что прямое и ответное действия станут одинаково заметны.
