Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
Если еще раз всмотреться в цепочку связанных между собой взаимодействий, неизбежно возникает вопрос: почему именно рельс заставляет поезд двигаться вдоль поворота, изменять направление своего движения; почему поезд не принуждает рельс перейти от неподвижности к движению?
Как ты ответишь, читатель?
Наверное, ты укажешь, что рельс удерживают от движения костыли (так железнодорожники называют предметы, напоминающие большие гвозди). Костыли вбиты в шпалы, не дающие им возможности сдвинуться. Шпалы удерживает щебенка (железнодорожники говорят — балласт). Так рельсы оказываются прочно связанными с Землей. А масса
Но если костыли недостаточно прочно связаны со шпалами, рельс опрокинется и произойдет крушение. Ничто не будет мешать поезду двигаться прямолинейно по касательной к повороту. Колеса паровоза зароются в грунт, паровоз опрокинется. Так начинаются многие аварии.
Теперь еще один мысленный опыт: сожмем спиральную пружину и свяжем ее концы ниткой. Затем прислоним к каждому ее концу по одинаковому шарику и пережжем нитку. Пружина, распрямляясь, будет толкать оба шарика. Скорость шариков будет возрастать до тех пор, пока пружина распрямляется. Все происходит в соответствии со вторым законом Ньютона. Одинаковые шарики ускоряются одинаково. Не имеет смысла говорить о том, что один является ускоряющим, а другой ускоряемым. Поэтому говорить в этом случае о силах инерции нужно с осторожностью. Инерция обоих шариков проявляется под действием на них пружины. Сила пружины выявляет «врожденную силу материи» — силу инерции шариков.
Хочется сказать — шарики, вследствие инерции, сопротивляются ускорению. Но это не правильно.
С равным правом можно было бы вместо слова «сопротивляются» сказать «не хотят ускоряться». Но слова «не хотят» лишены смысла, если их применяют к неодушевленным предметам!
Создатель электродинамики Д. Максвелл, поясняя эту ситуацию, пошутил: нельзя сказать, что кофе сопротивляется или не хочет стать сладким вследствие того, что оно не становится сладким само по себе. Для этого в кофе нужно положить сахар!
Не следует говорить, что предмет сопротивляется ускорению лишь потому, что для придания ему ускорения — необходимо приложить к нему силу.
Иногда говорят, что при таком подходе силы инерции становятся не реальными, что так отрицается само существование сил инерции.
Это, конечно, заблуждение.
Силы инерции совершенно реальные силы. Они играют ту же роль, как и остальные силы. Но применять это название следует не всегда, а лишь в том случае, если можно четко выделить, какое из взаимодействующих тел является ускоряющим, а какое ускоряемым. В примере, где два шара расталкиваются пружиной, шары равноправны, и здесь сила инерции связана с действием распрямляющейся пружины.
Вспомним, что в примере с поездом, когда рельс заставляет поезд поворачивать по дуге окружности, силу, развиваемую рельсом, мы называем центростремительной силой, а давление колес на рельс называем центробежной силой, иногда — центробежной силой инерции. Но от добавления этого слова ничто, как мы уже знаем, по существу, не изменяется.
Итак, Ньютон называл силой инерции ту силу, которая, возникая в ускоряемом теле, воздействует (в соответствии с третьим законом механики) на ускоряющее тело.
Обе силы — внешняя сила и сила инерции — в равной степени реальны и проявляются в деформации ускоряющего и ускоряемого тела.
ВТОРОЙ СМЫСЛ
Ньютон нигде не упоминает ни о каком ином смысле термина «сила инерции». Он, видимо, не знал о такой возможности. Но она существует.
Человек, слышавший о Теории относительности Эйнштейна, может быть, скажет: «Наверняка речь идет о Теории относительности. Там бывают всякие чудеса». Сказав это, он будет не прав.
Второй смысл термина «сила инерции» проявляет себя в обычной жизни. Нужно только внимательно присмотреться.
Давайте попробуем.
Возьмем камень и привяжем его к концу короткой веревки. Будем крепко удерживать веревку за второй конец и сильно бросим камень вперед. Веревка очень быстро распрямиться и задержит камень. В этот момент рука испытает сильный рывок.
Этого следовало ожидать. Ведь брошенный камень, выражаясь словами Ньютона, предоставлен самому себе и поэтому удерживает состояние равномерного прямолинейного движения. (Следуя Галилею, мы отвлекаемся от второстепенного, от действия силы тяжести и трения. На коротком пути они не успевают себя проявить). Сила инерции камня проявляется не только в тот момент, когда мы ускоряем его перед броском, но и когда сила руки через натянувшуюся веревку останавливает камень.
Все происходит в точном соответствии со взглядами Ньютона.
Теперь представим себе другую ситуацию. Проведем еще один мысленный опыт. Мы сидим в вагоне движущегося поезда лицом в сторону движения, а над нами на багажной полке лежит чемодан. Вдруг поезд резко останавливается. Мы испытываем толчок, а чемодан срывается с полки и, ударившись в противоположную стенку, падает на сидение.
Все это видит человек, стоящий недалеко от рельсов. Человек рассуждает: пока поезд двигался равномерно, чемодан двигался вместе с ним. Поезд внезапно остановился. Его остановили тормоза. Но чемодан не затормозило, на него не действовали никакие силы. Не удивительно, что он по инерции продолжал свое движение вперед и слетел с полки. Так и должно быть по первому закону Ньютона. Чемодан сохранил свое прямолинейное движение.
Но как должны относиться к этому мы, пассажиры?
Если поезд идет по современному «бархатному» пути, не имеющему неровностей и стыков, а окна закрыты плотными шторами, мы не смогли бы определить, двигается ли поезд с постоянной скоростью или стоит неподвижно. В обоих случаях чемодан, лежащий на полке, не перемещается по ней. Он неподвижен относительно вагона.
Здесь уместно вспомнить о мысленном опыте Галилея, проведенном им под палубой корабля. Но возвратимся в вагон поезда.
Вдруг происходит толчок, заставляющий нас наклониться. Одновременно чемодан, ранее неподвижно лежавший на полке, срывается с места и летит поперек купе.
Как объяснить это нам, убежденным в справедливости законов Ньютона и уверенным в том, что до толчка вагон был неподвижен?
Мы вынуждены предположить, что толчок вызван внезапным появлением новой силы, заставившей нас наклониться и вынудившей чемодан, лежавший до того неподвижно, прийти в движение.
Ведь, без проявления этой силы, чемодан не мог бы приобрести ускорение, а долен был оставаться неподвижно!
Но откуда взялась эта сила?
Мы не можем обнаружить никаких предметов, толкнувших чемодан. Даже если бы мы заранее знали о предстоящем толчке, мы не смогли бы обнаружить никаких деформаций чемодана, вследствие которых он начал двигаться.