Текст книги "Законы движения"
Автор книги: Михаил Ивановский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 9 страниц)
Белка в колесе
Представим себе, что на рельсах стоит длинная и легкая тележка. Ее оси вращаются в шарикоподшипниках. Подшипники хорошо смазаны, и потому тележка способна перекатываться с одного конца рельсов к другому почти без всякого трения.
На этой тележке, с одного ее края, стоит человек. Попросим этого человека пробежать по тележке к другому ее концу. И как только человек побежит, тележка тоже придет в движение: она покатится в сторону, противоположную движению человека. Человек остановится – и остановится тележка. Человек побежит обратно – и тележка покатится в другую сторону.
Движение человека в одну сторону заставляет тележку двигаться в противоположную сторону. Действие вызывает ответное действие, и они равны между собой: если тележка имеет такую же массу, как человек, то относительно земли она откатится в сторону настолько же, насколько подвинется человек. В незапамятные времена люди придумали игрушку, которая показывает закон взаимодействия простым и убедительным образом.
Случается, охотники приносят домой ребятам на забаву маленьких бельчат. Бельчата растут, привыкают к людям и к жизни в неволе, становятся ручными. Но все-таки им трудно жить в тесных избах. В лесу белка целый день в движении: с ветки на ветку, с дерева на дерево, а в избе ей развернуться негде.
И вот, может быть, тысячу лет назад, люди придумали для белок «физкультуру» – колесо, сделанное наподобие барабана, чтобы белка могла бегать внутри этого колеса. Белку впускают в колесо, и она принимается бегать, а колесо начинает поворачиваться в противоположном направлении и вертится до тех пор, пока бежит в нем белка. Разумеется, беличье колесо надо время от времени останавливать и выпускать зверька, чтобы дать ему отдохнуть и поесть. Белочки глупые – они могут бегать в колесе до изнеможения.
Беличье колесо – замечательное и наглядное доказательство правильности третьего закона движения. Взаимодействие двух тел приводит к тому, что оба тела – и белка и колесо – движутся. В этом случае действие и ответное действие (противодействие) вызывают видимое движение.
И действие и ответное действие равны между собой: когда белка бежит неторопливо, то и колесо крутится медленно, а когда белка ускоряет свой бег, колесо начинает вертеться быстрее.
И действие и ответное действие противоположны: белка бежит в одну сторону, а колесо крутится в другую.
«Вечное» движение.
Наказание забывчивых
Человек, собирающийся выскочить из лодки на берег, не должен забывать о существовании третьего закона движения. Его действие обязательно вызовет равное и противоположно направленное ответное действие: в момент прыжка лодка отойдет назад, и неосторожный человек окажется не на берегу, а в воде. Бранить третий закон Ньютона бесполезно – надо было попросить сидящих в лодке упереться в дно веслом.
Неудачный прыжок.
В истории техники записан случай, когда изобретатели важного и полезного механизма – геликоптера, недостаточно продумав конструкцию, упустили из виду третий закон движения.
Геликоптер, в отличие от обыкновенного самолета, может подниматься в воздух не с разбегу, а вертикально вверх. Подъемную силу этой машине дает большой пропеллер, вращающийся на вертикальной оси.
Когда первый геликоптер испытывали на аэродроме, третий закон движения напомнил о себе. Так как несущий пропеллер вращался справа налево, то в силу третьего закона движения корпус геликоптера стал вращаться в противоположную сторону – слева направо. Геликоптер оказался своеобразной летающей каруселью, в которую ни один пассажир не соглашался сесть.
Этот недостаток геликоптера устранили тем, что поставили на нем два несущих пропеллера, вращающихся в разные стороны. Вот тогда неприятное карусельное движение машины сразу прекратилось, потому что ее винты вращались в разные стороны, и их вредное действие взаимно уничтожилось, а подъемная сила, направленная вверх, сохранилась.
В одновинтовых геликоптерах ставят дополнительный рулевой пропеллер, который противодействует вращению корпуса.
Почему движется только паровоз
Все плавающие в воде и по воде: рыбы, утки, бобры, угри, лягушки, жуки-плавунцы и прочие водяные существа, а также пароходы, катера и лодки – движутся вперед только потому, что находятся во взаимодействии с водой. Они гребными винтами, веслами, плавниками, хвостами, лапками отталкивают воду назад, а сами в силу ответного действия плывут вперед.
Всё летающее: самолеты, вертолеты, птицы, бабочки, комары, летучие мыши, а также аэросани и глиссеры – движутся только потому, что находятся во взаимодействии с воздухом. Они отталкивают воздух назад, а сами в силу ответного действия движутся вперед. Но что отталкивают назад обитатели суши, пользующиеся для передвижения ногами и колесами, остается неясным.
Они отталкивают то, что служит для них опорой: паровозы отталкивают рельсы, автомобили и лошади – асфальт шоссейных дорог и мостовых. Рельсы и покрытие шоссейных дорог намертво скреплены с землей, следовательно, все движущееся по земле отталкивает Землю, и земной шар должен поворачиваться в сторону, противоположную движению паровоза или автомобиля. Но масса земного шара составляет многие миллиарды миллиардов тонн. Движение таких ничтожных по сравнению с Землей предметов, как паровозы и автомобили, на скорости вращения нашей планеты не сказывается. Кроме того, все поезда и автомобили движутся в разные стороны, и, когда один поезд едет направо, какой-то другой в это же время едет налево. Каждый автомобиль после работы возвращается обратно в гараж – туда, откуда он выехал утром. При встречном движении транспорта его воздействие на Землю взаимно уничтожается.
Парашютист и санки
Парашютист выбросился из самолета и падает вниз в затяжном прыжке. Действие в данном случае очевидно – парашютист падает. Но где же ответное действие? Его совершенно незаметно. И таких примеров можно найти великое множество. Дети, забравшись на снежную горку, скатываются с нее на санках, лыжник прыгает с трамплина. Лавина, сорвавшаяся с горы, дождевые капли, падающие из тучи, – во всех случаях падения ответное действие невидимо, неощутимо. Но это еще не значит, что его не существует.
Эту мысль поясняет опыт Ньютона с железным брусочком и магнитом, плававшими в лодочках. Тогда Ньютон убедился, что не магнит притягивает к себе железо и не железо притягивается к магниту, а оба тела взаимодействуют – притягиваются друг к другу.
В опыте Ньютона магнит и железо были одинаковы по весу. Но представьте себе, что для этого опыта взяли очень большой и тяжелый магнит и крошечный железный брусочек. В таком случае магнит только чуть-чуть подвинулся бы к железу, а железный брусочек поплыл бы к магниту гораздо быстрее. То же самое случилось бы и в том случае, если бы кусок железа был большим, а магнит маленьким: движение легкого предмета было бы заметным и наглядным, а ответное движение тяжелого предмета – неощутимым.
Парашютист падает, потому что его притягивает Земля. Но притяжение взаимно: Земля притягивает к себе парашютиста, а парашютист притягивает к себе Землю. Парашютист падает на Землю, а Земля «падает» на парашютиста. Но масса парашютиста по сравнению с массой Земли ничтожна, и потому его движение быстро, а масса Земли огромна, и ее ответное и встречное движение совершенно неуловимо.
Все это целиком и полностью относится и к санкам, скатывающимся с горки. Движение санок – тоже падение, но только происходящее по наклонному пути.
Вот если бы возле Земли проходило какое-нибудь крупное небесное тело, то последствия их взаимного тяготения стали бы заметны. Это наблюдается в действительности. Иногда большие планеты солнечной системы – Юпитер и Сатурн – располагаются в пространстве так, что сила их тяготения заставляет Землю чуть-чуть удаляться от Солнца, тогда длительность нашего года, то есть время обращения Земли вокруг Солнца, увеличивается на несколько минут. Потом большие планеты уходят дальше по своим орбитам, и наш год снова укорачивается. Так, например, 1946 год был короче 1945 года приблизительно на десять минут, а 1945 год был короче 1944 года минут на одиннадцать.
Такое изменение длины года нашей Земли, зависящее от положения других планет солнечной системы, обнаруживает, как действует третий закон движения далеко за пределами Земли – в безграничном мировом пространстве.
Спутник Земли, Луна, удерживается на своей орбите благодаря притяжению Земли, но и сама притягивает Землю, вызывая на поверхности морей приливную волну и слегка изменяя движение Земли около Солнца.
Действие и противодействие
Здания, мосты, мебель в комнатах, плоды на ветках, деревья, провода на столбах, корабли в море, тучи на небе, самолеты и воздушные шары за облаками – словом, все, что лежит, стоит, висит, плавает, летает, – не проваливается под землю, не тонет, не падает, не скатывается вниз только потому, что находится во взаимодействии с каким-либо другим предметом. Эти предметы, все равно будь то земля, подставка, подвеска, вода или воздух, являются опорой, и сила тяжести, влекущая все предметы по направлению к центру. Земли, встречает со стороны опоры ответное действие. Это ответное действие мешает силе тяжести приводить предметы в движение, противодействует ей – ее уравновешивает, как одна чашка весов, мешая другой чашке опуститься, уравновешивает ее.
Точно в таком же положении находится корабль, стоящий на якоре и остающийся на месте даже в том случае, когда ветер и течение стремятся его увлечь.
Возникающие при этом силы называются силами реакции. Они уравновешивают действующую на тело силу и помогают ему оставаться в покое.
При постройке моста необходимо предварительно рассчитать, в какой мере мостовые устои способны оказать противодействие той нагрузке, которая на них навалится: смогут ли они ее выдержать, достаточен ли у опор запас противодействия, или, как говорят строители, запас прочности. И строители сооружают устои моста такими, чтобы они могли оказать противодействие любой нагрузке, какая только может проявиться на мосту. Они считают, будто устои давят на мост снизу. Действие всегда равно противодействию – они равносильны, равноправны, и потому строители вправе считать так, как им удобнее.
Точно так же поступают инженеры, проектирующие фундаменты зданий. Они знают, что обыкновенный грунт способен оказывать противодействие тяжести здания с силой примерно в два – три килограмма на каждый квадратный сантиметр фундамента. При этом условии действие, то есть тяжесть всего здания, и противодействие, сопротивление грунта, сжимают фундамент сверху и снизу. На фундамент действуют две одинаковые, но направленные в противоположные стороны силы. Такие силы уравновешиваются и не могут сдвинуть фундамент с места, но сдавливают его, и, если запаса прочности этого фундамента не хватит, он разрушится, а здание обвалится.
Разрушители машин
Ньютон был первым ученым, установившим причину вращательного движения планет вокруг Солнца. Силой, вызывающей это движение, оказалась сила тяготения.
Еще задолго до Ньютона ученые выяснили, что для того, чтобы тело вращалось, на него должна действовать сила. Но особенно хорошо это видно из законов Ньютона.
Вот мальчик вращает камень на веревке. Он крутит этот камень все быстрее и быстрее, пока веревка не оборвется. Тогда камень полетит куда-то в сторону.
Какая же сила разорвала веревку? Ведь она удерживала камень, вес которого, конечно, не менялся.
Веревку рвет центробежная сила, отвечали ученые до Ньютона.
Это правильно. А что это такое, откуда взялась эта сила?
Раз камень движется по окружности, значит, на него действует сила, изменяющая его движение. Ведь по инерции камень должен двигаться прямолинейно. Эту важную часть первого закона движения иногда забывают.
Движение по инерции всегда прямолинейно. И камень, оборвавший веревку, также полетит по прямой линии.
Сила, исправляющая путь камня, действует на него все время, пока он вращается.
Эта постоянная сила называется центростремительной. Приложена она к камню.
Но тогда, по третьему закону Ньютона, должна появиться сила, действующая со стороны камня на веревку и разная центростремительной.
Эта сила и называется центробежной.
Чем быстрее вращается камень, тем большая сила должна действовать на него со стороны веревки. Ну и, конечно, тем сильнее камень будет тянуть – рвать веревку. Наконец ее запаса прочности может не хватить, веревка разорвется, а камень полетит по инерции теперь уже прямолинейно. Так как он сохраняет свою скорость, то может улететь очень далеко.
Пожалуй, самое древнее оружие человека – праща. Камнем из этой пращи, по библейскому преданию, пастух Давид убил великана Голиафа.
А действует праща точно так же, как и веревка с камнем. Только в ней предварительно раскрученный камень просто отпускается в нужное время.
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.
ПОЧЕМУ ЛЕТИТ РАКЕТА?
Глава седьмая
о детских игрушках и каракатицах, о реактивных двигателях и ракетах
Тележка Ньютона
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.
Вертушка Герона
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.
Когда под котлом разводили огонь, вода закипала и пар устремлялся в железный шар, а из него по изогнутым трубкам с силой вылетал наружу. Шар при этом вращался в сторону, противоположную той, в которую вылетали струи пара.
Эту вертушку можно назвать первой в мире паровой реактивной турбиной.
Геронов шар.
Китайская ракета
Еще раньше, за много лет до Герона Александрийского, в Китае тоже изобрели реактивный двигатель несколько иного устройства, называемый ныне фейерверочной ракетой. Фейерверочные ракеты не следует смешивать с их тезками – сигнальными ракетами, которые применяют в армии и флоте, а также пускают в дни всенародных праздников под грохот артиллерийского салюта. Сигнальные ракеты – это просто пули, спрессованные из вещества, горящего цветным пламенем. Ими выстреливают из крупнокалиберных пистолетов – ракетниц.
Китайская ракета представляет собой картонную или металлическую трубку, закрытую с одного конца и наполненную пороховым составом. Когда эту смесь поджигают, струя газов, вырываясь с большой скоростью из открытого конца трубки, заставляет ракету лететь в сторону, противоположную направлению газовой струи.
Ракета в полете.
Взлетать такая ракета может без помощи пистолета-ракетницы. Палочка, привязанная к корпусу ракеты, делает ее полет более устойчивым и прямолинейным.
В мире животных также встречается реактивное движение. Каракатицы, осьминоги и некоторые другие головоногие моллюски не имеют ни плавников, ни мощного хвоста, а плавают не хуже прочих обитателей моря. У этих мягкотелых существ в теле имеется довольно вместительный мешок или полость. В полость набирается вода, а затем животное с большой силой выталкивает эту воду наружу. Реакция выброшенной воды заставляет животное плыть в сторону, противоположную направлению струи.
