Физика читать онлайн - С. Каплун

Физика

С. В. Каплун

Детская энциклопедия (Фолио)

Удивительный мир науки, которая раскрывает законы существования материи, существования Вселенной, предстает на страницах этой книги. Наша энциклопедия поможет юному читателю осознать незаметную на первый взгляд связь, которая существует между научными открытиями и техническими достижениями человечества, а также познакомит его со становлением и развитием основных направлений физики, расскажет о знаменитых ученых, чьи имена навсегда вписаны в историю мировой науки.

Физика: для детей среднего школьного возраста

Автор-составитель С. В. Каплун

Автор-составитель С. В. Каплун

Перевод с украинского Н. Е. Фоминой

Художник-иллюстратор А. В. Беззубова

Художник-оформитель Л. Д. Киркач-Осипова

I. Что такое физика

Чем занимается физика

Пожалуй, многим из вас уже известно это загадочное слово – «физика». Но знаете ли вы, что оно означает?

С древних времен люди начали интересоваться тем, из чего же состоят тела, почему они движутся так или иначе, да и вообще тем, как устроен мир. Из этих и многих подобных вопросов возникал интерес человека к окружающему миру, к определенному применению приобретенных знаний о мире для улучшения условий собственной жизни.

Именно тогда, когда возникло стремление человека к познанию мира, появились первые ростки научного подхода к наблюдениям и анализу действительности.

Древние греки хотели найти первооснову всего того, из чего состоит мир.

Великие древние мыслители Демокрит, Платон, Аристотель стояли у истоков того, что мы сейчас называем физической наукой. Кстати, именно Аристотель впервые применил это слово – физика (греч. – ?? ??????) для определения науки о природе.

Успехи науки – дело времени и смелости ума.

    Вольтер

Однако если мы говорим, что физика изучает природу, то сразу же возникает вопрос: а что же изучают биология, геология, химия и другие естественные науки? Дело в том, что физическая наука открывает наиболее общие законы природы, объясняя определенные конкретные явления действием этих общих законов.

Что это означает? Например, когда физик исследует различные свойства жидкости, он не интересуется, является ли эта жидкость водой в реке, питательным соком растения или кровью в сосуде. Уже потом обнаруженные физиком закономерности биолог или врач смогут применить для объяснения тех или иных явлений, связанных с конкретными направлениями их работы.

Исследование строения вещества – тоже прежде всего задача физики. Затем, когда физические свойства обнаружены, можно перенести их на исследование и объяснение явлений, которые изучают другие области естествознания – биология, геология и т. д.

Немного истории

Зарождение физики

Приобретать знания об окружающем мире человека побудила борьба за существование. Сначала это было лишь случайное и неосознанное применение каких-то орудий природного происхождения для защиты и охоты. Со временем человек начал обрабатывать такие орудия и изготавливать более усовершенствованные. Получение и применение огня было настоящим прорывом в новое существование человека на Земле.

Найти одно научное доказательство для меня более важно, чем завоевать все персидское царство.

    Демокрит

Именно в те давние времена у человека начали накапливаться первые представления и знания о мире. Хотя те знания с точки зрения сегодняшнего дня нельзя назвать подлинно научными, однако они были первой попыткой понять и описать окружающую среду.

Наверное, одной из важнейших задач, которые пытались решать первые человеческие цивилизации, было определение времени, потому что это имело большое значение прежде всего для земледелия. Исторические свидетельства о календаре и астрономических наблюдениях можно найти в Древнем Египте и Вавилоне, а также в наследии великих цивилизаций Южной Америки.

Безусловно, грандиозные сооружения древних государств (храмы, пирамиды, крепости) требовали определенных навыков и представлений о строительной механике. Мы и сейчас восхищаемся гигантскими сооружениями тех времен и задаемся вопросом, как их могли построить. А египетская и вавилонская математика тоже поражают своими изобретениями числа, геометрией, измерением времени!

Однако прародиной естественных наук следует считать Древнюю Грецию, ученые которой (в отличие от многих древних мудрецов Востока!) пытались найти логические доказательства высказываемым ими идеям.

Начало развития греческой науки обычно относят к VII–VI вв. до н. э., считая ее основоположником Фалеса Милетского. Именно ему принадлежат слова о материальной первооснове всех вещей, о развитии вещей из этой первоосновы. И представьте себе, что родственник и ученик Фалеса Анаксимандр высказывал мысли даже о развитии всей Вселенной, что и сейчас вызывает удивление и восхищение!

До наших времен не дошли работы великого Демокрита (460–370 гг. до н. э.), но благодаря более поздним описаниям и преданиям, в частности поэтическим (например, поэма римского поэта Лукреция «О природе вещей»), нам стали известны его революционные по тем временам идеи.

Демокрит

Аристотель

Известно также, что Демокрит родился во фракийском городе Абдера, на берегу Эгейского моря. Он много путешествовал: бывал в Египте, Вавилоне, Персии, Индии, Эфиопии.

Из пересказов его работ следует, что в основных положениях о строении вещей он отстаивал идею о существовании огромного количества различных атомов, из которых состоят все тела.

Однако, пожалуй, одной из самых выдающихся личностей греческой науки был Аристотель (384–322 гг. до н. э.). Он родился в греческом городе Стагир, неподалеку от Македонии. Поскольку отец Аристотеля был врачом македонского царя Аминты, то и вся царская семья была знакома с семьей Аристотеля. Сын Аминты, Филипп, став царем, пригласил Аристотеля к своему сыну Александру в качестве учителя. Уже позже Александр, известный полководец и царь Александр Македонский, говорил: «Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, так как если отцу я обязан жизнью, то Аристотелю тем, что дает ей цену».

Работал Аристотель и в Афинах – вместе с выдающимся философом Платоном, которого считал своим учителем. В Афинах Аристотель основал собственную школу – Ликей. (Последователей Аристотеля называли перипатетиками. А слово «перипатос» означает место для прогулок и дискусий, т. к. Ликей был размещен в парке, и, по преданию, Аристотель преподавал философию во время прогулок.)

Аристотель написал много научных трудов и среди них – «Физику». Именно потому, что от названия его книги произошло название науки, великого грека называют крестным отцом физики!

Аристотелю принадлежат первые описания движений (он считал, что существуют круговые, естественные и неестественные движения), а также высказывания о причинах движений и изменения скорости. Несмотря на то, что выдающийся мыслитель признавал рассуждения, выявления логических противоречий и дискуссии главными научными методами (с позиций сегодняшнего дня этого слишком мало для науки!), он все же разошелся во взглядах на науку со своим учителем Платоном. Вы, вероятно, слышали крылатое выражение, которое

приписывают Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Многое из того, что написал когда-то Аристотель, кем-то воспринимается со снисходительной улыбкой. Но не будем высокомерными и отдадим должное этому выдающемуся ученому и философу, который почти две с половиной тысячи лет назад выстроил первую научную картину мира!

Говоря о науке древнего мира, нельзя не упомянуть Архимеда (287–212 гг. до н. э.) – одну из вершин научной мысли того времени.

Архимед

Отец Архимеда, астроном и математик Фидий, был приближенным царя Сиракуз Гиерона, и это позволило ему дать сыну лучшее по тому времени образование. Архимед довольно долго пробыл в Александрии Египетской – большом научном и культурном центре тех лет. Вернулся он на родину уже достаточно зрелым математиком и механиком. Архимед разработал водоподъемный винт, всевозможную военную технику, машину для полива полей и т. п. Общеизвестным (и мы еще об этом поговорим!) является закон Архимеда гласивший, что на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости. С этого закона начинается гидростатика, которая продолжила свое развитие лишь в XVI–XVII вв.

Кроме математики и механики, Архимеда интересовали оптика и астрономия. Из рассказов других авторов следует, что Архимеду были известны действия плоских и вогнутых зеркал, он проводил опыты по преломлению света. Ему принадлежат исследования равновесия тел, в частности рычага.

Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!

    Архимед

Об Архимеде существует много легенд, одна из которых повествует о том, как с помощью системы блоков был спущен на воду большой корабль, предназначенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею. Возможно, именно тогда родилось крылатое выражение о точке опоры?..

Распад Римской империи и многочисленные перестройки государств, возникших на ее основе, на долгое время затормозили развитие науки. Лишь в средневековой Европе вновь началось постепенное развитие и углубление научной мысли, и прежде всего лидера естественных наук – физики.

Начало классической физики

Леонардо да Винчи

Когда говорят о физике как о науке уже в современном понимании, имеют в виду именно ту науку, которая вышла из исследовательских работ Галилео Галилея, Роберта Гука, Христиана Гюйгенса и, конечно, Исаака Ньютона. Однако невозможно тут не вспомнить еще об одной великой личности – Леонардо да Винчи (1452–1519) – выдающемся художнике, мыслителе, математике, конструкторе, астрономе и механике.

Этот флорентийский гигант эпохи Возрождения, кроме того, что рисовал картины, занимался еще вопросами механики, геологии, палеонтологии, физиологии растений и человеческого организма. Много времени и энергии он отдал исследованию движений и работе различных механизмов. Ценя математику более всего, Леонардо да Винчи говорил: «Механика – рай для математических наук». Сейчас известны его работы по изучению падения тел, движения по наклонной плоскости, воздействия трения на движение тел, колебательного движения, определению центра тяжести тел и многие другие. Интересно то, что он уже в те времена критиковал тех, кто пытался создать вечный двигатель: «О, искатели вечного движения, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках! Идите прочь вместе с алхимиками – искателями золота!»

Проекты вертолета и парашюта Леонардо да Винчи

Леонардо много занимался вопросами полета. Его первые исследования, рисунки и чертежи летательных аппаратов относятся примерно к 1487 г.

Схема крыла летательного аппарата по проекту Леонардо да Винчи

Очень интересны его проекты парашюта и вертолета (заметим, что эти современные названия он не использовал).

Фрэнсис Бэкон

Великий Леонардо как ученый был открыт только в конце XVII в., поэтому очень трудно определить, повлияли ли его исследования на современников и на ученых последующего периода. Слава Леонардо да Винчи как художника оттеснила на задний план его заслуги перед человечеством как ученого. Его рукописи часто были написаны зеркальным письмом, в зашифрованном виде, и поэтому достаточно трудно было их расшифровать. Такую расшифровку начали проводить лишь в конце XVII – начале XIX в.

Интересно, что в этих рукописях нашли высказывания о том, как именно нужно заниматься наукой: «Мне кажется, что пусты и обманчивы те науки, которые не порождаются опытом – отцом всякой достоверности… Следует проводить опыты, изменяя обстоятельства, пока не получим из них общие правила». При этом он осознавал и роль научной теории: «Тот, кто увлекается практикой без науки, подобен капитану, поднимающемуся на корабль без штурвала и компаса: он никогда не уверен, куда плывет. Всегда практика должна основываться на хорошей теории. Наука – капитан, практика – солдаты».

В Европе XVI–XVII вв. активно начал развиваться новый подход к познанию окружающего мира, а именно: не просто наблюдать и осмысливать увиденное, а сначала экспериментировать, делать первые выводы, выстраивать теорию и проверять ее на практике. В этом контексте следует упомянуть выдающегося английского философа Френсиса Бэкона (1561–1626). Он не был физиком, но его философские работы о том, как можно получить знания об окружающем мире, стали фундаментом новой науки.

Бэкон считал, что торможение развития науки его времени связано с тем, что ученые… много говорят, но мало экспериментируют, не исследуют реальных явлений на практике, не продвигаются дальше того, что было открыто древними учеными. От опытов к построению теории – вот его девиз! Ему принадлежат также и высказывания об определяющей роли науки в развитии техники, общества.

Рене Декарт

И вот наступила эпоха великих Галилея, Декарта, Ньютона.

Имя Рене Декарта (1596–1650) – выдающегося французского философа и математика – связывают с обоснованием так называемого дедуктивного метода в естественных науках и математике. (Когда вы станете взрослыми, познакомитесь с этим более подробно, а сейчас только скажем, что речь идет о таком способе занятий наукой, когда от общих рассуждений через последовательность четких выводов переходят к отдельным, частным случаям…)

В своих работах (а тогда они назывались трактаты) «Начала философии», «Правила для руководства ума», «Рассуждение о методе» Декарт, кроме всего прочего, призвал к применению методов математики для описания изучаемых явлений.

Новая философия Декарта была достаточно популярной, ее называли картезианство – от латинизированного имени ученого: Картезиус (Cartesius). Когда вы в школе или дома будете делать опыт с картезианским водолазом, имейте в виду, что это название тоже происходит от Декарта!

Известно, что в то время официальная церковь не очень радовалась тому направлению, в русле которого развивалась мысль Декарта. Его трактат «Правила для руководства ума» был внесен Папой Римским в «Индекс запрещенных книг».

Хотя сегодня многие из идей Декарта считаются неверными, его вклад в развитие науки остается бесспорным.

Мы не будем останавливаться на таком важном этапе развития физики, как борьба за создание гелиоцентрической системы мира. Пусть эта история останется астрономам! Однако следует заметить, что как в

те давние времена, так и сейчас в некоторых вопросах очень трудно разграничить физику и астрономию с ее проблемами создания и развития Вселенной, Солнечной системы, процессов, происходящих в недрах звезд и т. п.

Кроме того, многие из крупных ученых прошлого просто сочетали в одном лице физика, астронома, математика и философа! Например, у Аристотеля и Платона, Галилея и Лапласа, Декарта и Ньютона были такие направления научной деятельности, которые тесно связаны с попыткой описать строение Вселенной, найти в ней место нашей Земли, выявить законы, объясняющие движение планет. Размышления над этими проблемами, безусловно, заставляли ученых несколько по-иному взглянуть и на «земные проблемы».

Николай Коперник

Значительное влияние на развитие всего естествознания и в частности физики имели работы выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473–1543). Именно в его трактате «О вращениях небесных сфер» говорится о Земле не как о центре Вселенной, а как об одной из планет, вращающихся вокруг Солнца (поэтому предложенная ученым система была названа гелиоцентрической: от греческого h?lios – солнце). Он писал также, что Земля вращается и вокруг собственной оси. Для того чтобы описать видимое движение планет, Коперник использовал понятие об относительности движения (хотя оно не совсем совпадает с современными представлениями, для того времени это было шагом вперед).

Книга Коперника поставила перед наукой много важных проблем, среди которых важнейшими были вопросы, связанные с движением планет вокруг Солнца, выявлением причин, благодаря которым планеты удерживаются около Солнца, созданием новой математики, с помощью которой можно было бы описать эту новую систему мира.

Но не только с наукой были связаны те проблемы, которые возникли после появления труда Коперника. Католическая церковь отнеслась к новому учению как к ереси (так как оно противоречило господствующим религиозным взглядам). Несмотря на это, некоторые ученые и философы приняли и поддержали основные идеи учения Коперника, хотя им было нелегко противостоять официально признанным догмам[1 - Догма – то, что принимают за непреложную истину.]. Одним из таких ученых был Галилео Галилей (1564–1642).

Этот выдающийся итальянский физик и астроном справедливо считается одним из основателей современной физики и астрономии и первым ученым, наблюдавшим за небом при помощи построенных им «зрительных» трубок. Он обнаружил, что на поверхности Луны есть горы, равнины и впадины, увидел спутники у Юпитера, открыл, что Венеру так же, как и Луну, можно видеть с Земли по-разному (т. е., как говорят, в разных фазах).

Галилей сформировал закон о падении и движении тел. В своей знаменитой книге «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой», которая вышла в 1632 г. во Флоренции, Галилей привел собственные доводы в пользу учения Коперника. Эта книга произвела эффект взрыва в научном мире, а инквизиция начала против Галилея обвинительный процесс…

Чем все это закончилось, вы сможете узнать, обратившись к последнему разделу этой книги. Сейчас только скажем, что Галилео Галилей внес очень весомый вклад в развитие физики как науки, благодаря которому следующие поколения ученых могли идти дальше и развивать эту науку. Фигура Галилея – это одна из вершин классической физики. Он расчистил путь для новых создателей классической и современной физики. Его бессмертные научные произведения будут служить примером того, как гениально он «всю жизнь читал открытую для всех большую книгу природы» (это высказывание самого Галилея).

Имя человека, благодаря открытиям которого физика приобрела настоящий научный характер, – Исаак Ньютон (1643–1727).

Титульный лист книги Г. Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой»

Его важными научными достижениями были: открытие закона всемирного тяготения и связанная с ним теория движения планет; основные законы динамики, известные нам как «Три закона Ньютона»; открытия в области оптики. Для описания физических явлений Ньютон применил математический аппарат, который до него не существовал вообще. Этим математическим аппаратом ученые пользуются и теперь. По словам академика С. Вавилова, «ньютоновская механика – не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня».

Кто осмелится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?

    Галилей

Эта выдающаяся личность интересна как своими конкретными научными результатами, так и теми методами, с помощью которых они были получены. Его знаменитое «Гипотез не измышляю…» свидетельствует о необходимости опираться на опыт, на практику, на сопоставление новой идеи, новой теории с реально происходящими явлениями.

Личный и научный авторитет Ньютона был так велик, что его поклонники и последователи довольно часто превозносили его научные предположения и гипотезы до абсолюта, считалось, что их даже обсуждать нельзя. Из-за этого Ньютону часто приписывали такие вещи, о которых он и не говорил, и не писал. Вот что могут натворить «научные фанаты»!..

Сделал все, что мог, пусть другие сделают лучше.

    Ньютон

Биография и творческая судьба этого выдающегося человека настолько интересна, что некоторые ее фрагменты мы вынесли в отдельный раздел в конце книги.

Ньютон. Рис. У. Блейка. 1795 г.

Таким образом, можно считать, что именно с конца XVII – начала XVIII в. началась и физическая наука, которая сегодня является основой естествознания, техники и новых супертехнологий.

Европейский научный прорыв не обошел и Россию, где благодаря открытой в 1725 г. Петербургской академии наук тоже началось бурное развитие научных, в том числе физических, исследований. Развитие физики в Академии связано с именами М. В. Ломоносова (1711–1765) и приглашенных европейских ученых – Леонарда Эйлера, Даниила Бернулли, Георга Рихмана и других.

Михаил Ломоносов оставил не много завершенных и опубликованных научных работ по физике и химии: большая часть так и осталась в виде заметок, фрагментов. Сейчас трудно даже поверить, что долгое время он вообще был известен, прежде всего, как поэт и писатель. Только, пожалуй, начиная с Пушкина, потомки стали относиться к Ломоносову как к «первому русскому университету».

II. Движение и взаимодействие

Движение всегда и везде

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что такое движение? А, вообще, стоит ли над этим задумываться: может, этот вопрос не очень интересен и не достоин нашего внимания? Однако давайте поразмыслим немного над этим.

Жизнь ставит перед наукой цели; наука освещает пути жизни.

    Н. Михайловский

Пожалуй, еще первобытным людям приходилось смотреть на небо, на все, что их окружает, и чувствовать (конечно, еще не понимать!), что происходят определенные изменения. Они интуитивно использовали накопленный опыт наблюдений за движением животных, птиц для собственных нужд, например для охоты.

Через десятки тысяч лет человеку уже было необходимо более сознательно учитывать особенности движений, осуществляемых им и всем, что находится вокруг. Глядя на небо, древние греки задавались вопросом, почему яркие «точки» на небе

(звезды и планеты!) движутся именно так, а не иначе. А почему падает камень, выпущенный из рук? Как сделать полет стрелы или камня из пращи более точным? И еще много других «почему» заставляло людей задумываться над тем, что они наблюдали и что уже даже вошло в их обиход.

Оказалось, что абсолютно все объекты, которые находятся вокруг нас, движутся, причем даже тогда, когда они якобы находятся в состоянии покоя.

Чем различаются движение и состояние покоя?

Представьте себе, что после тяжелого трудового дня в школе вы, просмотрев любимую телевизионную передачу, уснули на диване. Вы, конечно, считаете, что в таком состоянии вы не двигаетесь?

А известно ли вам, что наша Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот примерно за двадцать четыре часа? Но тогда и вы, пусть и неподвижны относительно своего дивана, вращаетесь вместе с Землей! То есть вы движетесь!

Но и это еще не все. Оказывается, наша планета Земля движется вокруг Солнца, а в свою очередь Солнце со всей своей планетной семьей (следовательно, и с Землей) вращается вокруг центра нашей Галактики с огромной скоростью! А современные ученые-астрофизики говорят, что и галактики с огромной скоростью разбегаются в пространстве. Где же нам с вами найти покой?..

Каким образом можно определить, что такое движение и что такое покой?

Попробуем сначала определить, что движение – это процесс изменения положения в пространстве одного тела относительно какого-то другого (или других) тела.

Сказав так, мы отметили, что говорить о движении одного тела, не имея другого, в отношении которого мы это движение наблюдаем, просто бессмысленно. Однако, если мы такие умные, отчего же мы не заметили еще одного важного условия: изменение положения тела осуществляется со временем, так как именно каждый раз через какой-то промежуток времени (через час, минуту, секунду или долю секунды) мы замечаем изменение положения тела в пространстве. То есть, обобщая, следует сказать, что движение тела является процессом изменения его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Когда же говорят о состоянии покоя определенного объекта, то имеют в виду, что этот объект не движется именно в отношении какого-либо другого объекта, избранного в качестве тела отсчета, то есть в нашем примере вы находитесь в состоянии покоя относительно дивана.

Вот это и называют относительностью движения: по отношению к разным объектам движение одного и того же тела выглядит по-разному.

Однако наряду с относительностью у механического движения есть и определенные черты того, что не меняется даже тогда, когда на то же самое движение будет смотреть какой-нибудь другой наблюдатель. Например, если относительно земли расстояние между двумя определенными телами увеличивается, то относительно какого-либо другого тела отсчета расстояние между этими телами тоже будет увеличиваться, т. е. расстояние между телами является абсолютным, одинаковым с точки зрения разных наблюдателей.

Например, представьте себе, что на палубе теплохода, плывущего по реке, расходятся танцующие пары, а вы наблюдаете их движение, сидя на берегу. Что наблюдает в это же время ваша мама, которая стоит на той же палубе, – неужели, что пары сходятся?.. Пожалуй, нет. То есть, расстояние между танцорами и с вашей точки зрения, и с точки зрения вашей мамы будет одинаковым. И вы одинаково будете видеть его увеличение.

Ученым понадобилась не одна сотня лет, чтобы понять, что движение тел является неотъемлемым их свойством (как говорят философы, формой существования материальных объектов).

Одним из важнейших разделов физики является механика. Она изучает движение тел или их частей. В механике рассматривается движение больших (макроскопических) тел. Однако оказывается, что движутся и частицы, из которых состоят все тела. Движутся определенные частицы во время того процесса, который мы называем электрическим током. Движутся частицы воздуха (пока назовем их так), которым мы дышим. А когда возникает и распространяется звук, то это тоже связано с определенным движением – колебаниями. И так далее, и так далее…

Движение действительно есть везде и всегда!

Что необходимо делать для исследования движения

Наблюдать и экспериментировать!

Ранее мы уже говорили, что в далеком прошлом движение практически не исследовали. Античные философы только наблюдали его и высказывали определенные мысли относительно особенностей этого явления.

Когда спустя много сотен лет за дело взялся выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей, физика из «умозрительной» постепенно превратилась в действительно экспериментальную науку.

Кстати, в своих «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки – механики и местного движения» в 1638 г. Галилей писал: «Во-первых, я сомневаюсь, чтобы Аристотель видел на опыте справедливость того, что два камня, один из которых в десять раз тяжелее другого, начавшие одновременно падать с высоты, допустим, сотни локтей, двигались с такими разными скоростями, что когда более тяжелый дошел до земли, более легкий прошел всего 10 локтей…»

Когда сам Галилей захотел определить характер движения тела, падающего с определенной высоты, он бросал камень со знаменитой Пизанской башни, измеряя время по ударам собственного пульса (тогда удобных для этого опыта часов еще не было).

Пизанская башня

А когда Галилей пытался найти закономерности движения тела, скатывающегося с наклонной поверхности, он изготовил специальный желоб-«линейку», отполировал его, а затем пустил по нему бронзовый шарик.

Снова предоставим слово самому Галилею: «…Сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения ее половины, двух третей, трех четвертей или других ее частей и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно обнаруживали, что отношение пройденных Водяной указатель времени путей равно отношению квадратов времени их прохождения при любых наклонах плоскости, то есть канала, вдоль которого скатывался шарик…

Что касается способа измерения времени, то мы использовали большое ведро, которое было заполнено водой и подвешено сверху; дно ведра имело узкий канал, через который вода выливалась тонкой струей и собиралась в маленьком бокале в течение времени, пока шарик спускался по всему каналу или его части; собранное таким образом количество воды каждый раз взвешивалось с помощью самых точных весов…»

Итак, Галилей проводил тщательно продуманный физический эксперимент, на основании которого приходил к определенным выводам относительно особенностей движения тела.

Таким образом, важным этапом любого физического исследования, кроме наблюдения, должен быть и специальный опыт, эксперимент. Причем в таком специальном научном эксперименте часто удобнее применять не сам реальный объект, а его модель – упрощенный заменитель реального тела.

Сейчас у нас есть больше, чем у Галилея, возможностей и для измерения времени, и вообще для наблюдения движения. Можно, например, фотографировать объект в разные моменты времени при наблюдении его движения. Этим часто пользуются астрономы, которым приходится следить за различными космическими объектами –

звездами, планетами, кометами, галактиками.

Можно снять движущееся тело на кинопленку. А еще интересно наблюдать за движущимся телом в стробоскопическом освещении.

Представьте себе, что вы находитесь в темном помещении. Если, например, где-то по столу будет катиться шарик, то в темноте вы его не увидите. Но если в помещении через маленькие интервалы времени будет загораться яркая лампочка, то шарик в эти моменты будет становиться видимым. (Это специальное устройство, которое управляет вспышками лампочки, называют стробоскопом.) Освещая таким способом различные движения различных тел, получаем интересную информацию о характере движений. Такое исследование можно сделать еще более удобным, если не просто наблюдать за телом, но и фотографировать его в стробоскопическом освещении.

На этой фотографии виден шарик, падающий вертикально. Надеемся, вы заметили, что через равные промежутки времени шарик проходит все большие и бо?льшие расстояния? Попробуйте подумать над этим и определить, какую еще информацию можно получить, анализируя эту фотографию.

Измерять!

При исследовании движения нужно найти способы сравнения различных движений, ведь недостаточно будет, например, просто сказать: этот автомобиль движется быстрее, чем другой. Необходимо выяснить, чем именно отличаются движения, как можно предвидеть дальнейшее движение любого тела, и так далее.

Для того чтобы это сделать, нужно использовать язык физических величин: путь, время, скорость.

В давние времена ученые пытались описывать явления обычным обыденным языком. Но потом оказалось, что обычные разговоры о телах и явлениях ни к чему не приводят: каждый подразумевает что-то свое, и понять, о чем именно идет речь, очень трудно. Кроме того, со временем выяснилось, что нужно количественно сравнивать определенные свойства изучаемых объектов. Так в физике появились физические величины.

Каждая из физических величин характеризует определенное свойство объекта или явления, при этом ее можно измерять, выражая с помощью определенных единиц.

Стробоскопическая фотография падающего шарика

Например, физическая величина время характеризует длительность событий. Время измеряют с помощью различных часов, а выражают чаще всего в секундах, минутах, часах, месяцах, годах. Мы говорим: продолжительность школьного урока – 45 минут (или 3/4 часа, или 2700 секунд).

Измеряй все, что доступно измерению, и делай недоступное измерению доступным.

    Галилей

Когда тело движется, оно все время перемещается из одного места пространства в другое. Физическая величина путь характеризует длину того отрезка траектории, вдоль которой двигалось тело. Измерять путь можно линейками, рулетками (но чаще всего путь рассчитывают, измерив другие, связанные с ним, величины). Выражают путь с помощью различных единиц: метров, сантиметров, дюймов, футов и т. п. Вы, наверняка, видели надпись на дискете для компьютера 3,5", что значит три с половиной дюйма.

О том, как возникли некоторые единицы измерения величин и приборы, с помощью которых проводят измерения, – и пойдет речь ниже.

Измерение времени

История создания приборов для измерения различных физических величин очень интересна. С давних времен и до наших дней сохранились определенные выражения, которые демонстрируют старые представления и способы измерения определенных физических величин. Например, мы до сих пор иногда говорим, что время течет (или «с течением времени»). Дело в том, что когда-то время измеряли водяными часами – вспомните, например, приведенное выше описание опыта Галилея, в котором он использовал такие часы.

Но считают, что одними из первых были солнечные часы. Они были известны еще за 2500 лет до н. э. в Китае! Именно из Китая солнечные часы были завезены в Европу, где они получили очень широкое распространение. Солнечные часы состоят из шкалы-циферблата (как мы сказали бы сейчас), на которую нанесены штрихи, соответствующие целым часам. Промежутки между этими штрихами часто тоже делились на несколько (5 или 10) частей.

Солнечные часы

В большинстве солнечных часов были стержни, которые отбрасывали тень на циферблат. Иногда вместо стержня использовали щиток с отверстием, через которое проходил солнечный луч, и на циферблате образовывалось изображение Солнца. Отсчитывая соответствующий штрих циферблата, на который падала тень или на котором было изображение Солнца, можно было получить определенное значение времени.

Солнечные часы – обсерватория в Дели (Индия)

Некоторые крупные древние сооружения, например, обсерватория в Индии или известный Стоунхендж, выполняли еще и роль солнечных часов.

Точность измерения времени с помощью солнечных часов с современной точки зрения была недостаточно большой. Поэтому интересно будет узнать, что в древности существовали и другие приборы, в частности так называемая клепсидра – водяные часы.

Время летит стрелой, хотя минуты ползут…

    Ф. Мендельсон

Клепсидры были двух видов: для отмеривания определенного интервала времени, в течение которого вода перетекает из одного сосуда в другой (подобно песочным часам), а также для определения времени солнечных _ суток – подобно современным часам. В конструкциях второго вида древние механики достигли очень высокого уровня мастерства. Существовали клепсидры, которые действовали безостановочно, причем вода поступала по водопроводу в верхний сосуд, откуда вытекала через насадку, сделанную из драгоценных камней или золота, в нижнюю емкость. Скорость вытекания регулировалась или учитывалась при нанесении делений на специальную шкалу.

Стоунхендж

У римлян сутки от восхода до захода Солнца разбивались на двенадцать часов, поэтому в разное время года продолжительность часа была разной (световой день был разным в разные времена года!). Позже стали применять часы, в которых ход был одинаковым в течение года.

Известная клепсидра Ктезибия (150 г. до н. э.) состояла из цилиндрической колонны, на поверхности которой для каждого из двенадцати месяцев года были нанесены снизу римскими цифрами деления для ночных часов, арабскими – для дневных. Рядом с колонной стояли фигурки двух мальчиков: одна из них была пустотелой и через нее могла поступать вода из водопровода, другая фигурка была прикреплена к специальному поплавку (см. рисунок).

Вода из водопровода поступала в пустотелую фигурку, а потом вытекала из нее каплями через глаза мальчика. Затем эти капли попадали через специальную трубочку в цилиндр, имеющий сверху поплавок со второй фигуркой мальчика, который палочкой указывал на шкалу-циферблат.

Клепсидра Ктезибия

По мере наполнения цилиндра мальчик с палочкой поднимался все выше и выше. В конце, когда палочка-указатель достигала цифры XII, вода из цилиндра с помощью трубки-сифона вытекала. В процессе вытекания вода приводила в действие механизм, вращающий всю колонну на определенный угол так, что за год колонна делала полный оборот.

Клепсидра

Таким образом, это устройство показывало не только время суток, но и месяц!

Согласитесь, эти замечательные часы достойны нашего удивления и восхищения! Заметим, что другие клепсидры

были мало похожи на произведение искусства, однако работали по тому же принципу.

Не очень были распространены, однако все же применялись часы из свечей. На довольно большой толстой свече наносили на равных расстояниях черточки. По мере сгорания свечи судили о том, сколько времени прошло. Конечно, такие часы были очень неточными.

В XI веке (а по другим данным – еще в IX в.) появились первые механические часы, но они были такими неточными, что их приходилось сверять по солнечным часам. Лишь в середине XVII в., когда Галилей открыл закон колебания маятника, механические часы вышли на новый уровень точности.

Христиан Гюйгенс

Оказалось, что более точно измерять интервалы времени можно на основе периодических, т. е. повторяющихся процессов. Именно тогда можно обеспечить равномерность хода созданных часов. Свойство, на котором основывается принцип работы маятниковых часов, называется изохронностью (изо – равный, одинаковый; хронос – время).

Современный секундомер

Если вы подвесите к нитке небольшой шарик, винт или нечто подобное, а затем подтолкнете подвешенный предмет, вы сможете наблюдать колебательное движение подвешенного тела – маятника. С помощью маятника можно определять продолжительность определенных событий, приняв за единицу измерения, например, одно полное колебание подвешенного тела.

В свое время голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) изобрел механизм часов, основанный именно на колебательном движении гири-маятника. Интересно, что изначально он решал задачу создания устройства, с помощью которого можно было бы точно определять географическую долготу во время путешествий по океану (вспомним, то были времена великих морских походов европейцев в Индию и Новый Свет – Америку, и проблемы морской навигации были очень важными).

Занимаясь разработкой точных часов, Гюйгенс заинтересовался закономерностями колебательного движения вообще. Еще Галилею было известно, что время, которое требуется для одного колебания маятника вдоль дуги окружности, практически не зависит от размаха колебаний. (Между прочим, маятник как измеритель времени, но без часового механизма, применяли еще арабские астрономы в Х в.) Однако Гюйгенс пытался найти такую форму кривой, чтобы колебания маятника совсем не зависели от размаха. Такой кривой оказалась циклоида: при движении по малым дугам циклоиды колебания маятника были изохронными!

Механизм часов Гюйгенса

Позже были изобретены карманные часы, в которых качающийся маятник, был заменен маленьким колесом, удерживаемым спиральной пружиной (балансиром).

Очень удобными оказались специальные часы-секундомеры, которые можно запускать и останавливать нажатием кнопки.

Современные наука и техника применяют уже более точные (в тысячи раз!) часы. Сначала это были кварцевые часы, действие которых основывается на колебаниях кварцевых кристаллов. Еще более точными являются так называемые атомные часы, по ходу которых сегодня определяют продолжительность основной единицы времени – секунды.

Хотя атомные системы совсем не такие, как механические, все равно можно сказать, что там тоже происходят определенные колебания, свойства которых позволяют использовать их для определения малых (до триллионных долей секунды!) промежутков времени.

Измерение длины

Пожалуй, первыми в истории измерениями были измерения длины. Именно на их примере можно видеть, что провести измерение – это значит сравнить значение измеряемой величины с соответствующей эталонной мерой этой величины. (Напомним, что эталон – это образцовая мера, предназначенная для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения с максимальной точностью.)

Определение длины «в попугаях»

Иначе говоря, измерение – это определение того, сколько раз в измеряемой величине укладывается определенная единица измерения.

Например, в Древнем Египте измеряемую длину сравнивали с царским локтем (около 52,5 см) и малым локтем (около 45 см). А вот локоть в Вавилоне составлял примерно 54 см. (Конечно, для того, чтобы мы имели представление о древних единицах длины, сейчас мы их выразили с помощью единицы, которую применяем сегодня, – сантиметра.)

Ну как, вам нравятся такие «эталоны»? Попробуйте, использовать локоть каждого из членов вашей семьи (отца, матери, брата или сестры, бабушки и т. д.) для измерения, например, длины стола. Конечно, вы догадались, что значение результатов этих измерений будут отличаться и это крайне неудобно.

А сейчас вспомните знаменитый мультфильм про тридцать восемь попугаев, где друзья пытались определить длину удава разными мерками: обезьянками и попугаями.

В Древней Руси для измерения длины тоже использовали интересные единицы. В сравнении с современными единицами метрической системы значения этих единиц следующие:

1 вершок = 4,45 см,

1 аршин = 16 вершков = 71,120 см,

1 сажень = 3 аршина = 2,1336 м,

1 верста = 500 саженей = 1,0668 км.

В Соединенных Штатах Америки и Великобритании достаточно долго были распространены такие меры длины:

1 дюйм = 2,54 см,

1 фут = 12 дюймов = 30,48 см,

1 ярд = 3 фута = 36 дюймов = 0,9144 м.

Поскольку у нас применяется именно метрическая система (или, как ее сейчас называют, SI – Международная система единиц (СИ)), следует вспомнить, как она сама и, в частности, ее основные единицы появились.

Метод обмера скульптур. 1727 г.

Впервые слово «метр» как наименование единицы длины применил Тит Буратини в книге «Универсальная мера» в 1675 г. Тогда за единицу длины он предлагал принять длину нити маятника, который делает одно колебание за одну секунду (этот маятник так и называют – секундный). Но в те годы эта мера так и не получила распространения.

В конце XVIII в. в Европе было около сотни различных «футов», десятки различных «миль», различные «фунты», что очень мешало торговым делам. В 1789 г. торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой о введении одинаковых единиц измерения.

В 1791 г. Национальным собранием Франции была создана специальная комиссия по подготовке новой системы измерения. В состав комиссии вошли Пьер Симон Лаплас, Лагранж, Гаспар Монж и другие.

Комиссия предложила в качестве единицы длины принять длину, равную одной десятимиллионной части четверти длины Парижского меридиана (1/40000000 длины меридиана). Именно эту единицу и назвали метром.

Интересно, что в главном манифесте комиссии была провозглашена такая идея – необходимо создать новую систему измерения:

1) основанную на «неизменном прототипе, взятом из природы, чтобы ее могли принять все нации»;

2) построенную на десятичной системе, которая соответствует десятичной системе исчисления и поэтому упрощает расчеты.

(Кстати, именно этой комиссией было принято определение 1 секунды как 1/86400 доли солнечных суток, а также определение единицы массы, о чем речь пойдет ниже.)

Для измерения длины дуги меридиана собралась экспедиция, в которую вошли астрономы и геодезисты (специалисты по измерениям расстояний и углов на Земле). В течение нескольких лет (с 1792 по 1799 год) проводились измерения части меридиана между Дюнкерком и Барселоной (примерно 1000 км).

На основе измерений дуги меридиана был изготовлен эталон метра, так называемый

«архивный метр» (практически одновременно был изготовлен и «архивный килограмм»). Эталон метра был сделан из платины, его отдали на хранение в Национальный архив Французской республики (откуда и происходит его название «архивный метр», или «метр архива»), а копии этого эталона были переданы в Бюро мер и весов.

Позже, в 1799 г., оказалось, что этот архивный метр короче на 0,08 мм более точно измеренной длины дуги земного меридиана! Но из-за того, что метрическая система мер уже широко распространилась, было решено отказаться от стремления к абсолютно идеальному метру и принять за метр расстояние между двумя штрихами того же архивного платинового метра.

На основе международных соглашений (1870, 1872 и 1875 гг.) в Париже было создано Международное бюро мер и весов, которое изготовило новый эталон метра и 31 его копию. Все эти копии были пронумерованы. Один из этих стандартов (эталон № 6), который более всех других был приближен к старому архивному метру, был принят в 1888 г. в качестве международного прототипа метра. Именно он хранится сейчас во Франции в Международном бюро мер и весов неподалеку от Парижа в г. Севр. Остальные 28 копий были распределены в 1889 г. по жребию между государствами, заказавшими их предварительно. России достались копии № 28 и 11.

С развитием науки и техники возникла потребность в более точном определении единицы длины. Для этого пытались найти способ, благодаря которому удалось бы максимально уменьшить зависимость эталона от каких-то внешних воздействий (изменений температуры и др.). Штриховой эталон не обеспечивал требуемой точности, потому что нужно было как-то учитывать и ширину штрихов, и погрешность, которая возникала при сличении эталонов с прототипом. Кроме того, такой искусственный эталон в случае потери не мог быть восстановлен.

И вот в 1960 г. вместо стержня из сплава платины и иридия был принят новый эталон метра. Он основан на электромагнитном излучении света газом криптоном и равен 1 650 763,73 длины волны в вакууме. Созданный таким образом эталон стали называть криптоновым эталоном метра.

Для уменьшения погрешностей при воспроизведении теперь уже криптонового эталона ученые пошли еще дальше. С целью повышения точности воспроизведения единицы длины было предложено заменить криптоновую лампу другим источником излучения. Таким источником стал лазер.

Усилиями многих ученых из разных стран на основе лазерной техники был создан единый эталон частоты-времени-длины, который позволяет определять эти величины с наибольшей точностью. В результате создания единого эталона было заявлено как точное следующее значение скорости света в вакууме: 299 792 458 м/с. Исходя из этого, сегодня определением единицы длины Международной системы единиц является следующее: метр – это длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды.

Сейчас Международная система единиц (СИ) применяется почти во всем мире. Одним из последних «бастионов», где до недавнего времени использовали другие единицы, была Великобритания. Однако и там недавно официально перешли к единицам СИ, хотя консерваторам-британцам очень трудно проститься с привычками представлять все в своих футах или фунтах…

Заканчивая эту краткую историю измерения длины и ее единиц, заметим, что не следует пугаться приведенных здесь пока еще не совсем ясных для вас физических понятий (электромагнитное излучение, длина волны, лазер и т. д.). Во-первых, видимо, интуитивно вы догадались, о чем идет речь, а во-вторых, у вас еще все впереди, и, продолжая знакомиться с миром физики, вы сможете лучше все это понять. Даже упоминание о современных определениях единиц и современных методах их получения может нацелить вас на восприятие физики уже XXI в., а не только ее истории.

Скорость движения, или Кто самый быстрый

Если какое-нибудь тело движется относительно другого (или других), то со временем его положение в пространстве меняется. Опыт наблюдения за движением тел показывает, что эти изменения различны: у кого-то они больше, у кого-то – меньше.

Для того чтобы описывать движение тел, чтобы определить, где будет находиться определенное тело в определенный момент времени, физики применяют физическую величину скорость.

Когда говорят о скорости какого-то тела, чаще всего указывают, какой путь оно проходит за определенный промежуток времени. Например, если автомобиль равномерно движется и за 1 час проезжает 70 километров, мы говорим, что его скорость 70 километров в час (сокращенно 70 км/ч). А если другой автомобиль проехал 140 км за два часа или 210 км за три часа, то его скорость… тоже 70 км/ч.

Надеемся, вы поняли, почему значение скорости оказалось прежним. Действительно, скорость – это физическая величина, которая показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Именно поэтому, чтобы получить значение скорости, нужно значение пути разделить на время: 210 км: 3 часа = 70 км/ч.

В Международной системе единиц (СИ) единицей скорости является метр в секунду (м/с), но на практике достаточно часто используют другие единицы, например, километр в час (км/ч). Поскольку 1 км = 1000 м, а 1 час = 3600 с, то скорость 1 км/ч = 1000 м/3600 с «0,28 м/с.

Так же, как и с измерением времени и длины, из истории измерения скорости сохранились еще и другие, так называемые внесистемные единицы. Например, моряки применяют такую меру скорости судов, как узел, равный 0,514444 м/с.

Если нам известно, с какой скоростью (V) прямолинейно равномерно движется тело, мы можем рассчитать путь (Б), который оно пройдет за определенное время (1):

S = v · t.

Физико-математическое «лирическое» отступление: векторные и скалярные величины

То, о чем было сказано выше, касается движения в одном направлении с постоянной скоростью. Но ведь мы знаем, что реальные объекты могут двигаться так, что направление их движения будет меняться. Для того чтобы учесть и значение, и направление, в физике применяют векторные величины. Следовательно, скорость движения – это векторная величина! Из этого следует, что, если какая-то физическая задача требует нахождения скорости, нужно найти не только числовое значение этой величины, но и указать ее направление.

В отличие от векторных, скалярные величины характеризуются только своим числовым значением. К скалярным величинам относятся, например, время, масса, температура, плотность и другие. С этими величинами можно выполнять обычные алгебраические действия.

Векторные физические величины нельзя просто прибавлять или вычитать, как скалярные, для действия с ними существуют особые математические правила. И это не выдумка физиков и математиков, а отражение того, что мы видим в природе.

Например, представьте себе, что вы поднимаетесь по ступенькам эскалатора метро со скоростью 1 м/с относительно ступенек. Но вы стали не на тот эскалатор: он едет вниз со скоростью 1,5 м/с! Куда и с какой скоростью вы движетесь относительно стен?

Наверное, вы уже догадались, что, просто сложив 1 м/с и 1,5 м/с, реальный результат мы не получим!

Если хорошо подумать, можно найти и другие физические величины, являющиеся векторными. Например, физическая величина перемещение является векторной величиной; в ее определение, кроме значения, входит еще и направление.

Пусть

какое-то тело двигалось по дуге окружности и через некоторое время прошло расстояние l = 5 м. Перемещение тела за это время изображают направленным отрезком прямой; этот отрезок соединяет начальную и конечную точки движения тела. Если на рисунке изобразить путь и перемещение тела, то можно увидеть, что они не совпадают. Числовые значения пути и перемещения будут разными, а перемещение, кроме того, характеризуется направлением.

Путь и перемещение

Интересно, что можно найти и такие случаи, когда за определенное время тело прошло довольно значительный путь, а его перемещение оказалось нулевым. Надеемся, вы догадались, в каких случаях это бывает?

Если тело движется в одном направлении вдоль прямой, то числовые значения пути и перемещения будут совпадать. Однако и в этом случае нельзя считать, что это одинаковые величины, потому что перемещение имеет еще и направление.

Векторные и скалярные величины отличаются обозначениями: векторные величины имеют стрелку над символом величины. Например, скорость обозначается

, а перемещение –

.

С учетом векторного характера скорости и перемещения более точно и корректно формулу скорости прямолинейного равномерного движения следует писать так:

Вернемся к разговору о скорости.

Различные объекты живой и неживой природы движутся со скоростями, значения которых достаточно сильно различаются.

Приблизительные значения некоторых скоростей движения в живой природе и технике

В технике значение скорости движения тел или их частей различаются еще больше.

Поговорим немного о том, каким образом в разных случаях измеряют скорость движения.

Скорость автомобиля определяют с помощью спидометра (англ. speed – скорость и греч. metreo – измерять). Действие этого прибора основано на возникновении электрического тока в цельном алюминиевом диске при вращении перед ним магнита (в физике это явление называют электромагнитной индукцией). Магнит начинает вращаться благодаря специальному валу, связанному с валом автомобиля. Шкала такого прибора градуирована в единицах скорости.

Понятно, что таким способом определить скорость самолета в воздухе невозможно: нет тех колес и тех дорог в воздухе, позволяющих по принципу автомобильного спидометра определить скорость самолета. Поэтому применяют метод, связанный с определением так называемой «воздушной скорости», то есть скорости относительно воздуха, в котором перемещается самолет. Открытые физиками законы аэродинамики позволяют сопоставлять давление воздуха с его скоростью относительно определенного тела.

Идея этого метода заключается именно в применении связи между скоростью самолета и давлением со стороны встречного потока воздуха.

С помощью специального прибора для измерения давления – манометра – определяют давление воздуха, но шкала манометра проградуирована уже в единицах скорости.

Схема спидометра – прибора для измерения скорости автомобиля

Кроме прибора, находящегося непосредственно на самолете, применяют еще и другой метод определения скорости – радиолокацию.

С помощью специального мощного радиопередатчика излучают радиоволны, которые, достигнув самолета, отражаются от него. Теперь нужно «поймать» этот отраженный сигнал и, зная скорость его распространения в воздухе, рассчитать скорость самолета.

На метеорологических станциях скорость ветра определяют с помощью специального флюгера с ветромерной доской. Когда ветра нет, доска висит вертикально. Чем сильнее ветер, тем на больший угол отклоняется доска. По специальным указателям, расположенным у доски, определяют скорость ветра.

Анемометр

Понятно, что этот способ определения скорости не очень точный, поэтому лучшие результаты метеорологи получают с помощью другого устройства – анемометра. Этот прибор содержит легкую крыльчатку («крест Робинзона»), которая может вращаться под воздействием ветра. При вращении крыльчатка приводит в действие зубчатый механизм, который подсчитывает количество оборотов крыльчатки за определенное время.

К сожалению, если скорость ветра меньше 1 м/с, точность измерения резко снижается. Впрочем, существуют и более чувствительные анемометры, принципы действия которых отличаются от действия анемометра с «крестом Робинзона». В этих приборах используется измерение давления воздуха, охлаждение воздухом проволоки, которая нагревалась электрическим током, и другие.

В 1806 г. английский адмирал Ф. Бофорт разработал шкалу, с помощью которой можно оценивать скорость ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Эта балльная шкала принята Всемирной метеорологической организацией (см. таблицу на с. 45).

Надеемся, что штормы и ураганы мы с вами видим только в кино, а не наяву.

Для сравнения интересно посмотреть и на значение скорости падения парашютистов с соответствующей высоты. Здесь имеется в виду так называемая постоянная (максимальная) скорость падения до момента раскрытия парашюта.

Довольно часто скорость движения тел не остается неизменной – такое движение называют неравномерным. Для того чтобы охарактеризовать изменение скорости за определенное время, физики используют специальную физическую величину – ускорение. Можно записать:

Эта величина также является векторной; ее обозначают

. Математически записать определение ускорения можно так:

Как физическая величина ускорение измеряется в определенных единицах. Если посмотреть, например, на словесное определение ускорения, можно увидеть, что при изменении скорости 1 м/с за время 1 с ускорение равно «1 м/с за 1 с», то есть 1 м/с

.

Причины изменения скорости, или причины появления ускорения, волновали исследователей давно, но ответы на эти вопросы были найдены только Ньютоном.

Взаимодействие тел, или… «Сила есть!..»

Слово «сила» мы слышим и применяем довольно часто: и когда говорим о силе воли, и когда ссылаемся на силу привычки, и когда жалуемся на то, что потратили на какое-то дело много сил… А кто-то еще говорит, что у него «не хватает сил», а о ком-то скажут: «сила есть…», ну и так далее.

В таких случаях очень трудно определить и сравнить эти силы. Однако слово «сила» является еще и одним из важнейших понятий физики, поэтому именно как физическое понятие оно имеет достаточно четко определенный смысл, о чем мы сейчас и поговорим.

В свое время, когда Ньютон закладывал основы классической механики, важнейшим научным фактом стали представления о взаимодействии тел. Речь идет о том, что всегда причиной изменения состояния какого-то движущегося тела, является его взаимодействие с другим телом (телами). Для того чтобы количественно оценить степень такого взаимодействия, физики и применяют такую физическую величину, как сила (символ этой величины – В).

Эта физическая величина является векторной, т. е. такой, которая характеризуется и числом, и направлением. С этим легко согласиться, если подумать о результате действия сил, одинаковых по значению, но разных по направлению. Представьте себе, что было бы, если бы земля действовала на вас с силой, направленной не вниз, а вверх!..

А теперь

оглядитесь вокруг. Возможно, вы сейчас видите яблоко, которое неподвижно лежит на тарелке, и вам кажется, что никакие тела на него не действуют? Но это не так! На него действуют тарелка и Земля, а само яблоко в свою очередь (в ответ!..) тоже действует на эти тела. То есть существует важная особенность, о которой физики так и говорят: действие одного тела на другое имеет характер взаимодействия – если одно тело действует на другое, то и другое тело обязательно действует на это первое.

Великий Ньютон открыл законы, с помощью которых можно объяснить много реальных механических явлений, происходящих в природе. Эти законы сформулированы именно для сил. Теперь в современных школьных учебниках знаменитые законы Ньютона формулируются несколько иначе, чем это делал сам ученый. А хотите ли вы узнать, как они были записаны в те давние времена?

Оказывается, они были записаны на латыни, которая в те времена была международным языком ученых и играла такую же роль, как сейчас, видимо, играет английский. (Кстати, в России в учебнике по физике 1915 г. формулировка великих законов Ньютона тоже приводилась на языке оригинала – латыни.)

Например, закон, который определял взаимодействие тел, – третий закон – в книге Ньютона выглядел так (возможно, кто-то из вас, изучая латынь, прочтет его в оригинале):

Lex III

Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actions in se mutuo semper esse aequales et in partes contraries dirigi.

В переводе:

Действие всегда равно и противоположно противодействию, иначе: взаимные действия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Физики часто не указывают на конкретное тело, которое действует на определенный объект: они говорят, например, что на мяч, который катится по наклонной плоскости, действуют силы тяжести и трения. За этими словами на самом деле стоят Земля и та самая плоскость, с которой скатывается мяч.

Таким образом, речь идет прежде всего о реальных телах, а то, что между ними происходит, физик опишет с помощью физических величин!

В честь Исаака Ньютона единица силы в Международной системе единиц была названа ньютоном (обозначается Н). Если вы захотите почувствовать, что это за сила в 1 Н, то насыпьте в легкий одноразовый стакан примерно 100 г сахара (вместе со стаканом будет чуть больше 100 г). Сила, с которой «сахарный» стакан будет действовать на вашу ладонь, равна примерно 1 Н.

Для измерения силы применяют специальные приборы, которые называют динамометрами. Это название происходит от греческого слова йупатЬ – сила. (Заметим, что существуют еще и специальные медицинские динамометры для измерения силы мышц; эти приборы называют просто силомеры.)

Самый простой пружинный динамометр устроен так же, как и пружинные бытовые весы, только у динамометра шкала проградуирована в единицах силы. Существуют и другие виды динамометров, которые широко применяют в технике, например, для измерения тяговой силы различных машин.

Однако можно найти и другие способы измерения силы. Согласно второму закону Ньютона известно, что сила, действующая на определенное тело, изменяет скорость его движения на определенное значение; при этом чем больше сила – тем больше меняется скорость. Мы знаем, что физическую величину, которая характеризует изменение скорости за единицу времени, называют ускорением (

). Таким образом, закон Ньютона гласит, что сила

, действующая на определенное тело массой m, придает этому телу ускорение

:

Отсюда следует динамический метод измерения силы: нужно взять тело, например массой 1 кг, подействовать на него с такой силой, чтобы ускорение тела стало 1 м/с

. Эта сила и будет равна 1 Н! В результате действия какой-либо другой силы то же тело будет приобретать другое ускорение, по которому можно будет оценить и силу.

При взаимодействии различных объектов возникают различные по происхождению и значению силы (1 кН = 1000 Н):

Добавим, что в технике силу тяги довольно часто выражают не в ньютонах, а в килограмм-силах (кгс) или в тонна-силах (тс). Связь между этими единицами такая: 1 кгс = 9,8 Н. Тогда, например, силу тяги трактора можно записать как 588 10

кгс или 588 тс (1 тс = 1000 кгс = 10

кгс).

А еще интересно сравнить средние значения силы мышц рук людей разного возраста (силу мышц определяли сдавливанием пружинного динамометра):

Когда в механике исследуют движение какого-либо объекта и причины его изменения, прежде всего определяют, действие каких сил привело к этим изменениям (мы помним, что за словами «действие сил» будто бы скрыты те тела, которые действительно действуют на исследуемый объект). И здесь можно говорить о силе трения, силе тяжести, выталкивающей силе, силе реакции опоры, силе тяги, силе давления и других. И хотя по своему происхождению эти силы разные, и нам, возможно, очень интересно узнать, каким именно образом они возникли, эти вопросы придется адресовать другим «царствам» физики, например, электромагнетизму. Ведь в механике объясняют, что произойдет и как изменится движение, если действуют те или иные силы, но сама природа сил не изучается.

Динамометр

В природе, согласно современным данным, существуют только четыре типа взаимодействий и соответственно четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабое взаимодействие. С проявлениями всех четырех типов сил мы встречаемся при изучении того, что происходит в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом кусочке вещества и даже в атомах.

Одной из самых сложных и интересных проблем современной физики является попытка построить определенную Единую теорию, которая бы объединила все четыре взаимодействия. Эта проблема еще не решена, и, возможно, кто-то из вас в будущем решит эту великую загадку Природы!..

Всемирное тяготение

Еще в далекие времена люди задавались вопросом: на чем держится Земля? Сколько же ответов было на этот вопрос! Вы, наверное, слышали, что когда-то представляли себе Землю, которая стоит на трех китах или на трех черепахах (или на одной – какая разница?). Но на чем держатся эти киты?..

Грубая сила, не подкрепленная мудростью, погибает под собственной тяжестью.

    Гораций

Конечно, подобные наивные представления сменились более похожими на научные, особенно тогда, когда стало известно о шарообразной форме планет и об их вращении вокруг определенного центра. Сторонники геоцентрического взгляда на Вселенную считали, что Солнце и все остальные планеты вращаются вокруг Земли, другие (сторонники гелиоцентрического подхода, основателем которого был Николай Коперник) были уверены, что именно Земля с другими планетами вращается вокруг Солнца. Однако в любом случае возникали вопросы: а что «держит» планеты, почему они не разлетаются от центра?

Представление древних о строении нашего мира

Интересно, что догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел, было высказано более двух тысяч лет назад греческим философом Анаксагором (ок. 500–428 гг. до н. э.). Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, то упала бы на Землю, как падает камень!.. К сожалению, эта гениальная догадка практического влияния на развитие науки, очевидно, не имела. Ей было суждено быть непонятой

и забытой потомками. Даже великий Иоганн Кеплер считал, что причиной такого движения планет является вращение Солнца. Кстати, этому выдающемуся астроному человечество обязано открытием первых законов движения планет.

Кеплер родился в 1571 г. в Германии в небольшом городке близ Вейля. Будучи еще студентом Тюбингенской семинарии, он познакомился с учением Коперника и стал его пылким сторонником. Заметьте, Кеплер жил в то же время, что и Галилей – он даже переписывался с великим итальянцем! А еще он очень ценил выдающегося датского астронома Тихо Браге (1546–1601). Так случилось, что из-за бедности и сложностей пребывания сначала в Германии, а затем в Венгрии, Кеплер откликнулся на приглашение Тихо Браге и переехал к нему в Прагу.

Тихо Браге был великим астрономом, посвятившим свою жизнь и все свои силы астрономии. В Дании у него был остров, на котором он создал целый астрономический город, названный им Ураниенбургом. Не придя к согласию с датским королевским двором, Тихо покинул Данию и переехал в Прагу, куда перебрался и Кеплер. Но, к сожалению, долго поработать с Браге Кеплеру не судилось, потому что вскоре Тихо умер.

Журналы тридцатипятилетних наблюдений Тихо Браге попали в руки Кеплера, и он начал обработку этого гигантского материала. В 1609 г. в результате титанической работы Кеплера вышла его книга «Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями относительно движения планеты Марс, по наблюдениям Тихо Браге».

Тихо Браге

В отличие от Галилея, который считал, что планеты вращаются вокруг Солнца по окружностям, Кеплер показал, что орбиты планет имеют форму овала, а затем математически доказал, что эта форма – эллипс. При этом планеты движутся по своим эллипсам неравномерно: быстрее, когда они ближе к Солнцу, и медленнее, когда удаляются от него.

Великие открытия Кеплера не принесли ему материального благополучия. Чтобы свести концы с концами, ему приходилось составлять гороскопы для богачей, хотя сам он в астрологию не верил. Ему пришлось еще раз переезжать, но, несмотря на все жизненные проблемы и неурядицы,

Кеплер продолжал заниматься астрономией и физикой, в частности оптикой. (В своей книге 1611 г. он описывает конструкцию телескопа, который так и называют: труба Кеплера.)

Возможно, так возникла идея о всемирном тяготении

Последние годы ученого были очень трудными – он жил на случайные заработки. Во время одной из поездок, связанной с хлопотами о получении жалованья, он простудился, заболел и 15 ноября 1630 г. умер.

Открыв законы движения планет вокруг Солнца, Кеплер не дошел до выявления причин связи нашего светила с планетами. К решению именно этой проблемы приблизился Роберт Гук. У него даже вышла книга под названием «Попытка изучения движения Земли». Вот что он писал о теории, которую планировал разработать: «Теория эта основывается на трех допущениях: во-первых, это то, что все без исключения небесные тела имеют направленное к их центру притяжение… Согласно второму предположению, все тела, которые движутся прямолинейно и равномерно, будут двигаться вдоль прямой до тех пор, пока они не будут отклонены какой-либо силой и не станут описывать траекторию в виде круга, эллипса или какой-либо менее простой кривой. Согласно третьему предположению, действующие силы притяжения тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют».

Сейчас мы можем только удивляться, почему сам Гук не занимался развитием этих идей, ссылаясь на загруженность другими работами. Он так близко подошел к такому важному в истории науки открытию!

Таким образом, ни Галилею, ни Кеплеру, ни Гуку не удалось четко и полно сформулировать то, что по праву считается триумфом науки. Это сделал Ньютон! И дело вовсе не в том, что ему на голову упало яблоко и поэтому он открыл закон тяготения, а в том, что у Ньютона уже были открытые им законы, которые можно было применить для описания любых движений.

Нужен был гений Ньютона, чтобы удивиться тому, что яблоко упало на землю…

    К. Д. Ушинский

Именно Ньютон понял, что основой, определяющей особенности движения, являются силы. Он был первым, кто увидел, что? именно нужно искать для объяснения движения планет, – искать нужно силы!

Кстати, а было ли то легендарное яблоко на самом деле? Многие историки науки пытались установить, соответствует ли эта история действительности или нет. В изданных лишь в 1936 г. воспоминаниях Уильяма Стекли, друга Ньютона, упоминается о его разговоре с ученым, происходящем в саду, в тени яблони 15 апреля 1725 г. В этом разговоре якобы и прозвучало из уст Ньютона, что мысль о тяготении пришла к нему именно при таких обстоятельствах, то есть была вызвана падением яблока. Об этом пишет и Вольтер, ссылаясь на свидетельства родственницы Ньютона и ее мужа, который в своих мемуарах снова вспоминает об упавшем яблоке и о том, что именно оно и повлияло на ход мыслей ученого.

Конечно, эта история довольно интересна, но мы понимаем, что никакие яблоки, груши или… кокосы, которые падают, не приведут к научному открытию, если человек не занимается научным исследованием окружающего мира и процессов, в нем происходящих!

Движение планеты вокруг Солнца

Вернемся к Ньютону. На самом деле он задавался вопросом, как Луна движется вокруг Земли. Ученый рассчитал ускорение, с которым это движение происходит, и сопоставил его с расстоянием, на котором находится Луна. Кроме того, Ньютон понял, что, если бы прекратилось движение Луны по инерции вокруг Земли, она упала бы на Землю. А если бы прекратилось притяжение Земли, то Луна полетела бы в космическое пространство. Таким образом, Ньютон пришел к выводу, что Луна удерживается на своей орбите силами притяжения. То же происходит и с Землей и другими планетами, которые вращаются вокруг Солнца.

Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят свое значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления.

    Альберт Эйнштейн

Ньютон назвал открытые им силы всемирными – они являются универсальными, относящимися ко всему, что имеет массу. Ньютон записал, что «тяготение существует для всех тел и пропорционально массе каждого из них».

Для этих сил нет препятствий, от них невозможно отгородиться. При этом чем больше расстояние между взаимодействующими телами, тем меньше по значению становится эта сила. (Такую зависимость называют законом обратных квадратов: при увеличении расстояния, например, в два раза, сила уменьшается в четыре раза, а при увеличении в три раза – сила уменьшается в девять раз и т. д.).

В современной физике эти силы называются гравитационными. Действие их простирается, непрерывно уменьшаясь, практически на бесконечные расстояния.

Именно в результате действия гравитационных сил из гигантского газопылевого облака образовались планеты, в том числе и наша Земля. Благодаря гравитационным силам самые крупные и массивные небесные тела сжимались, потом разогревались и становились горящими звездами. А также, благодаря, прежде всего, гравитационным силам развитие и жизнь каждой звезды может

закончиться по-разному: либо вспышкой сверхновой звезды, либо превращением в черную дыру…

Эти силы имеют огромное влияние на все, что происходит на Земле. Мы уже привыкли к тому, что выпущенное из рук тело падает вниз, как падает вниз и вода в водопаде, и те же спелые яблоки с дерева… Однако следует подчеркнуть, что с точки зрения физики можно с полным правом сказать, что именно Земля падает на яблоко, потому что гравитационными силами притяжения действуют друг на друга оба тела: яблоко на Землю, Земля – на яблоко.

Благодаря гравитационным силам удерживаются на поверхности Земли океаны воды и у ее поверхности – воздушный океан, атмосфера. Гравитация не только удерживает около Земли людей, животных, воду и воздух, она еще и сжимает их. Сам земной шар сжат гравитационными силами до колоссального давления: возможно, в центре Земли давление превышает три миллиона атмосфер.

Существующие на планете приливы и отливы связаны с гравитационными воздействиями Солнца и Луны, причем из-за того, что небольшая Луна находится существенно ближе к нам, чем Солнце, ее влияние наиболее заметное.

Все мы также притягиваемся ко всем объектам вокруг нас, но из-за зависимости сил притяжения от массы существенным становится наше притяжение именно к Земле, а не, например, к именинному пирогу, стоящему на столе (конечно же, если не говорить о «негравитационном» желании отведать кусочек…).

Сравните: сила притяжения между девочкой массой 45 кг и Землей составляет около 441 Н, а сила притяжения между этой же девочкой и пирогом массой 1 кг, который находится на расстоянии одного метра от нее, – всего 300 10

Н!

Гравитационные силы, существующие между космическими объектами, являются огромными именно из-за того, что космические объекты – планеты, звезды, галактики – очень массивные. Например, сила притяжения между Землей и Луной составляет примерно 2 -10

Н, а сила притяжения между Землей и Солнцем – 3,5 -10

Н, и это при том, что Солнце находится гораздо дальше от Земли, чем Луна (среднее расстояние Луны от Земли равно примерно 384 тысячам километров, а среднее расстояние от Земли до Солнца – около 150 миллионов километров!).

Самые крупные планеты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Нептун – имеют наибольшее количество спутников, да еще и кольца. Все это тоже является проявлением гравитационного притяжения: наиболее массивные объекты оказывают наибольшее гравитационное воздействие. Однако малые планеты – астероиды – не в состоянии своим гравитационным притяжением удержать даже газовую оболочку – атмосферу.

Именно из-за наличия гравитационного притяжения телу, чтобы оно могло покинуть определенный космический объект (планету, звезду), нужно приобрести достаточно большую скорость. Например, чтобы тело взлетело над Землей и стало ее искусственным спутником, ему нужно придать первую космическую скорость – примерно 7,9 км/с. А для того, чтобы тело (например, космический корабль) смогло улететь к другой планете, то есть выйти за пределы земного притяжения, ему нужно придать скорость уже 11,2 км/с (вторая космическая скорость). Наконец, чтобы выйти за пределы Солнечной системы, телу нужно придать скорость 16,6 км/с (третья космическая скорость).

Заметим, что приведенные выше значения космических скоростей справедливы именно для полета с поверхности Земли, масса которой 5,98 10

кг. Для других тел Солнечной системы эти значения будут иными из-за других значений их массы, а следовательно, и другого гравитационного притяжения.

В свое время известный английский писатель Герберт Уэллс в романе «Первые люди на Луне» предложил интересную фантастическую идею, которая якобы позволит путешествовать с планеты на планету. Герой его книги изобрел особое вещество, которое обладает замечательным свойством: непроницаемость для сил тяготения. Если такое фантастическое вещество (его назвали кеворит) разместить под каким-нибудь телом, то это тело освободится от притяжения Земли и будет находиться под действием притяжения только других тел.

В романе герои сооружают специальный небесный корабль, на котором осуществляют полет на Луну. Этот корабль не имеет ни двигателя, ни горючего. Во время полета путешественники открывают или закрывают специальные заслонки, покрытые слоем кеворита, и таким образом осуществляют маневры в пространстве.

К сожалению, такие путешествия не могут осуществиться, потому что отгородиться от гравитации невозможно!..

Как оказаться в невесомости

Слово «невесомость» у многих из вас, наверное, вызывает какие-то космические картины: полет на межпланетной станции, плавание по отсекам космического корабля и т. д. Мы вас немного разочаруем, ведь в невесомости можно оказаться и на Земле, даже не обязательно лететь куда-то к далеким звездам или находиться на околоземной орбите.

Но что же такое вес тела и его отсутствие? Попробуем немного в этом разобраться. Через силу гравитационного притяжения мы притягиваемся к Земле и обычно обнаруживаем, что между нами и землей что-то есть. Это может быть стул или пол, кресло или что-то другое. Притягиваясь к Земле, мы с определенной силой действуем на то, что находится под нами. Эту силу в физике и называют весом.

Любое тело, на которое действует земное притяжение, в свою очередь действует на другие тела, сжимая или растягивая их. Сила, с которой определенное тело действует на опору или подвес, называется весом.

Когда говорят, что вес стола 200 Н, имеют в виду то, что этот вес – сила, с которой стол действует на пол.

Заметьте, что здесь между языком физики и нашим обычным языком есть разница! В быту, когда мы говорим о весе тела (например, покупая что-то в магазине), то чаще всего имеем в виду массу тела; то есть в быту масса и вес – синонимы. А вот в физике вес – это сила, и эта сила, в отличие от массы, измеряется в ньютонах!

Теперь, когда мы уже это знаем, придумаем ситуацию с отсутствием веса.

Например, чтобы развлечь своего любимого котенка вы подвесили на нить конфету. Играя, котенок разорвал нитку, и конфета полетела вниз. Действует конфета на разорванную нить во время своего падения? Практически нет. Вот это отсутствие воздействия на нить и означает отсутствие у конфеты веса! При этом на космическую орбиту нашу конфету вместе с котенком мы не выводили!

Так же можно избавить тело от веса, если оно будет падать на землю вместе со своей опорой: при падении тело не давит на опору, и, следовательно, не имеет веса.

В наших примерах мы применили одно важное физическое положение, касающееся особенностей падения тел. Еще Галилей открыл, что притяжение одинаково действует на любые тела. Бросая со знаменитой наклонной Пизанской башни различные предметы, он пришел к выводу, что Земля одинаково изменяет скорости падающих тел. В физике говорят, что тела падают на землю с одинаковым ускорением (ускорение – это величина, показывающая, как со временем меняется скорость). Но когда это открытие произошло?

До сих пор точная дата этого открытия оставалась неизвестной. Считалось, что это произошло после того, как Галилей поселился в Пизе, после 1590 г., но до того, как еретиком-ученым заинтересовалась инквизиция (из-за его

утверждения о том, что Земля вращается вокруг Солнца), то есть до 1632 г. Вот в этом почти полувековом интервале времени и было сделано открытие!

Сохранилось довольно много рукописей Галилея, в которых он «предусмотрительно» не указывал даты. Но не подумайте, что точную дату открытия определили, измерив каким-то современным методом (например, радиоуглеродным) точный возраст чернил или бумаги (к сожалению, точность имеющихся у нас методов для этого недостаточна). Выход нашелся, и он оказался более интересным и даже детективным.

Исследовав имеющиеся рукописи Галилея с помощью методов спектрального анализа, ученые установили, что он в течение 42 лет пользовался 20 видами различных чернил. Кроме научных записей, ученый вел и расходные книги, в которых, естественно, проставлял даты. Оказалось, что чернила, которыми записано описание экспериментов на Пизанской башне, те же, какими он делал записи о доходах и расходах в домовой книге в 1604 г. Отсюда и сделали вывод, что и открытие было сделано в том же году.

Вернемся к невесомости. Теперь нужно ради физической точности признаться в одном важном предположении, о котором мы еще не сказали.

Дело в том, что не всякое падение тел можно считать состоянием невесомости. Невесомость соответствует состоянию так называемого свободного падения, когда на тела ничего, кроме силы тяжести, не действует. В таком случае падение в воздухе, когда действуют силы сопротивления воздуха, не является, откровенно говоря, свободным падением. Однако наша конфета, которую оторвал от нити котенок, находилась почти в невесомости, потому что в тех условиях силы сопротивления воздуха очень малы. Вот если бы конфета была… на парашюте, тогда ни о какой невесомости и говорить нечего.

«Ньютонова гора» – прогнозирование возможности создания искусственного спутника Земли

Из вышесказанного следует, что невесомость космического корабля, находящегося на орбите, связана с состоянием его падения на Землю или на другую планету, вокруг которой он движется. Когда-то еще Ньютон предложил способ, которым можно превратить тело в спутник Земли: нужно придать телу такую большую скорость, чтобы оно не упало на планету, а вышло на круговую орбиту вокруг нее.

Когда космический корабль (с выключенными двигателями!) находится на заданной орбите над Землей, то он и все тела внутри него находятся в состоянии падения, двигаясь с одинаковым ускорением. Таким образом, это и будет для всех этих объектов состоянием невесомости.

Чтобы будущих космонавтов подготовить к космическому полету, их тренируют на специальном самолете: «роняют» на несколько секунд вместе с самолетом с выключенными двигателями, чтобы люди ощутили то состояние, в котором им предстоит потом находиться достаточно долго.

Итак, невесомость действительно можно почувствовать на космической орбите. Однако приблизиться к такому состоянию можно и в земных условиях, если уменьшить воздействие на определенное тело всех других тел (в сравнении с действием Земли) и сделать так, чтобы тело и его опора (подвес) падали на Землю с одинаковым ускорением.

III. Гидро– и аэростатика

Как у физиков «появилось» атмосферное давление

Имя Эванджелисты Торричелли (1608–1647) навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и создавшего первый барометр.

До середины XVII в. считалось бесспорным утверждение древнегреческого ученого Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции обнаружилось, что всасываемая насосами вода не желает подниматься выше 34 футов. Удивленные строители обратились за помощью к Галилею, который пошутил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 34 футов, но все же предложил разобраться в этом своим ученикам.

Эванджелиста Торричелли

Трудно сказать, кто первым догадался, что высота поднятия жидкости за поршнем насоса должна быть тем меньше, чем больше ее плотность. Поскольку плотность ртути в 13 раз больше, чем у воды, высота ее поднятия за поршнем будет во столько же раз меньше.

Подобный опыт, проведенный Вивиани по инициативе Торричелли, предоставлял возможность «перейти» с уличной площадки в лабораторию, что и было сделано.

Осмысливая результаты эксперимента, Торричелли делает два вывода: пространство над ртутью в трубке является пустым (позже его назовут «торричеллиевой пустотой»), а ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в сосуде.

Из этого следовало, что воздух имеет вес! Это утверждение казалось настолько невероятным, что не сразу было принято учеными того времени.

Заметим, что о результатах своих опытов Торричелли сообщил своему другу М. Риччи, который жил в Риме. Хотя это письмо не было напечатано, оно разошлось в списках по всей Европе и вызвало появление работ других авторов (в том числе Б. Паскаля, О. Герике, Р. Бойля).

В своем письме Торричелли рассказывает: «…Я уже писал ранее, что занимаюсь разработкой определенного философского експеримента, имеющего отношение к пустоте, не для того, чтобы просто создать пустоту, а для того, чтобы сделать прибор, который показывал бы изменения в воздухе…»

Отсюда легко увидеть попытки создать то, что мы сейчас называем барометром – прибором для измерения атмосферного давления!

Дальше Торричелли пишет: «Мы живем, погруженные на дно океана воздушной стихии, о которой благодаря достоверным опытам известно, что воздух имеет вес, причем наибольшая его плотность – вблизи земной поверхности, где воздух имеет вес, составляющий примерно 1/400 веса воды». (Заметим, что значение, которое привел Торричелли, сейчас установлено с большей точностью.)

Таким образом, именно Торричелли дал нам понять, что воздух имеет определенную массу и действует с определенной силой – силой атмосферного давления, как говорят сейчас.

Открытие атмосферного давления и опыты с вакуумом способствовали разрушению одного из заблуждений – «страха пустоты». Устранение этой ошибки положительно сказалось на проведении дальнейших научных исследований.

В XVII–XVIII вв. опыты с пустотой вызывают большой интерес, наряду с учеными ими с увлечением занимаются и дилетанты. Появляются различные конструкции вакуумных поршневых насосов механического и ртутного типов.

Из опыта Торричелли позже родилась научная метеорология, однако окончательное признание его выводы получили лишь благодаря опытам замечательного французского математика и физика Блеза Паскаля.

Любознательный исследователь и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике тоже не остался в стороне от интересных свойств воздуха.

Он решил на опыте проверить возможность создания пустоты (вакуума), что привело его к изобретению воздушного насоса (1650 г.).

В 1654 г. Герике продемонстрировал с его помощью существование давления воздуха (знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями»), определил его плотность, показал, что звук не распространяется в пустоте, что животные в безвоздушном пространстве гибнут и т. д.

Из-за занятости Герике часто не

успевал собственноручно описать свои опыты, поэтому это делал с его разрешения профессор математики К. Шотт. Именно из книг Шотта другие ученые узнали об опытах Герике. Только в 1672 г. вышла в свет книга самого О. Герике «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве». Этот труд стал одним из символов экспериментальной науки того времени.

Отто фон Герике

Книга знаменитого ученого содержала несколько разделов, представляющих интерес и сейчас. Один из них – «Первый опыт создания пустоты путем отбора воды». Герике описывал его так: пивная бочка сначала заполнялась водой и герметично закрывалась. К нижней части бочки была прикреплена металлическая трубка, с помощью которой можно было «отбирать» воду. Вода из-за своего веса должна опускаться и оставлять над собой в бочке пространство, свободное от воздуха.

Герике достаточно подробно рассказывает о первом неудачном опыте (лопнули железные болты и связи на бочке!) и о усовершенствованиях, которые пришлось сделать.

Опыт Герике

Далее Герике описывает устройство, предназначенное, по его словам, для создания пустоты. Исследователь объясняет, почему это сложно сделать:

«Поскольку воздух исключительно тонкое тело, он невероятно быстро проходит через все отверстия и заполняет промежутки, какими бы малыми они ни были, всегда определенное количество воздуха незаметно проходит мимо края поршней и через клапаны».

Подробно говорится в книге о воздушном подкачивающем насосе:

«Из описания этой машины четко следует, что с ее помощью создается пустота, и те трудности, которые обычно считались непреодолимыми, можно преодолеть».

Наиболее известными считаются опыты, которые Герике провел с «магдебургскими полушариями». Соответствующий раздел из его книги так и называется: «Опыт, показывающий, что из-за давления воздуха два полушария могут так крепко соединиться, что их не могут оторвать друг от друга шестнадцать лошадей».

Случайные открытия делают только подготовленные умы.

    Блез Паскаль

Герике писал: «Я приказал изготовить два полушария (или чаши)… из меди. Они хорошо подогнаны друг к другу и имеют кран (скорее клапан), с помощью которого откачивается воздух, находящийся внутри, а доступ воздуха извне невозможен… Кроме того, чаши надо оснастить железными кольцами, чтобы цеплять к ним лошадей… Затем я приказал сшить кольцо из кожи и пропитать его воском и скипидаром, чтобы оно не пропускало воздуха.

После того как это кольцо было проложено между чашами, я прижал их друг к другу и быстро откачал воздух… Я убедился, с какой силой были соединены чаши, между которыми находилось такое кольцо. Прижатые окружающим воздухом, они соединились так крепко, что шестнадцать лошадей либо вовсе не в состоянии были их разорвать, либо могли это сделать с большим усилием. Когда, наконец, благодаря напряжению всех сил чаши удалось разъединить, то возник шум, похожий на звук ружейного выстрела».

Интересным и важным с точки зрения физики является то, что Герике на этом не остановился. Он показал, как можно измерить силы, прижавшие чаши (полушария) друг к другу! Вместо лошадей он использовал грузы, с их помощью можно разъединить чаши, между которыми нет воздуха. (При этом, конечно, вся эта система размещается вертикально.)

Измерение атмосферного давления

Одним из исторических опытов, доказавших существование атмосферного давления, был опыт Торричелли и Вивиани, о котором уже упоминалось. Этот опыт заключался в том, что заполненную ртутью и запаянную с одного конца трубку опускали в сосуд с ртутью. Часть ртути выливалась в сосуд, и так же, как в водяном насосе, над поверхностью ртути возникала пустота.

Опыт Торричелли

При этом заметили, что высота столбца ртути не зависит от формы трубки и объема пустоты над поверхностью ртути. Отношение высоты, на которую поднимается ртуть, к высоте, на которую в подобном опыте поднимается вода, равно отношению плотности воды к плотности ртути.

Результаты подобного эксперимента убедили не всех. Но постепенно, после многократного его воспроизведения, представление о возможности пустоты и существования атмосферного давления стали общепризнанными.

К делу подключился выдающийся философ, математик и физик Блез Паскаль (1623–1662).

Паскаль предположил, что высота подъема ртути в трубке Торричелли должна измениться на высокой горе, так как там давление атмосферы меньше.

Прибор для измерения атмосферного давления – барометр-анероид

По указаниям Паскаля его родственник Ф. Перье провел необходимый эксперимент 19 декабря 1648 г., поднявшись на гору Пюи-де-Дом. Он установил, что существует заметная разница между высотой столба ртути у подножия горы и на ее вершине – 84 мм.

Паскаль потом сам провел подобный эксперимент в Париже – в знаменитом соборе Нотр-Дам, а затем на башне Сен-Жак. Эти эксперименты подтвердили идеи Торричелли об атмосферном давлении и продемонстрировали возможность измерения этого давления.

Таким образом, можно утверждать, что из опытов Торричелли и Паскаля «вырос» прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр. Появилась затем и единица измерения давления – миллиметр ртутного столба, которую применяют и сейчас. В Международной системе единиц именно в честь Паскаля единица давления носит его имя – Паскаль (Па).

Кроме жидкостных приборов (ртутного, водяного), для измерения атмосферного давления используют и другие – например, барометр-анероид.

Анероид, имеющий шкалу, по которой можно определить высоту поднятия над Землей, называют альтиметром (высотомером). Надо подчеркнуть, что принцип его действия тот же, что и у обычного барометра – с разницей только в шкале, которую предварительно градуируют в метрах (километрах) от поверхности земли. Альтиметр широко используют в авиации, парашютном спорте, альпинизме и т. д.

Перед тем как привести таблицу данных об атмосферном давлении на разных высотах, отметим, что эти данные соответствуют так называемой стандартной атмосфере. В тропосфере и стратосфере воздушной оболочки Земли плотность, давление и температура колеблются в достаточно широких пределах в зависимости от географической широты местности, времени года и времени суток, метеорологических условий. Для больших высот физические свойства воздуха очень зависят от солнечной активности. Поэтому для общего представления характеристик атмосферы и практических расчетов принята стандартная атмосфера – условное распределение плотности, давления и температуры в сухом чистом воздухе в зависимости от высоты над уровнем моря. Стандартная атмосфера основывается на многолетних статистических данных и содержит средние значения физических параметров воздуха.

Изобретения людей продвигаются вперед из века в век. Доброта же и злость людская в общем остаются теми же.

    Блез Паскаль

Стандартная атмосфера устанавливает средние значения этих параметров для широты 45,4°, соответствующих среднему уровню солнечной активности. Начальные значения воздуха на уровне моря: температура 15 °C, давление 101 325 Па (760,0 мм рт. ст.), плотность 1,225 кг/м

.

Итак, давление атмосферы на разных высотах над поверхностью

Земли:

Существует интересный исторический анекдот, определенным образом связанный с измерением давления на разных высотах. Кстати, эту историю рассказывал сам Эрнест Резерфорд – выдающийся физик, президент Лондонского Королевского общества, лауреат Нобелевской премии.

Как-то коллега обратился к Резерфорду за помощью. Он собирался поставить самую низкую оценку по физике одному из своих студентов, в то время как этот студент утверждал, что заслуживает высший балл. Оба, преподаватель и студент, согласились положиться на мнение третьего лица, незаинтересованного арбитра, выбор пал на Резерфорда.

Экзаменационный вопрос был таким: «Объяснить, каким образом можно измерить высоту здания с помощью барометра».

Студент ответил: «Нужно подняться с барометром на крышу здания, спустить барометр вниз на длинной веревке, а затем втянуть его обратно и измерить длину веревки, что и покажет точную высоту здания».

Случай был действительно сложный, поскольку ответ был полным и правильным! С другой стороны, экзамен был по физике, а в этом ответе было мало общего с применением знаний в этой области.

Студенту предложили попытаться ответить еще раз, при этом подчеркнули, что ответ должен демонстрировать знание физических законов.

Через пять минут он так и не написал ничего в экзаменационном листе, заявив, что у него есть несколько решений этой проблемы, и он просто выбирает лучшее.

Новый ответ на вопрос был таким. Надо подняться с барометром на крышу дома и… бросить его вниз, замеряя время падения. Затем, используя формулу h = (g · t

): 2, вычислить высоту здания. (В этой формуле g = 9,8 м/с

– ускорение свободного падения.)

Затем студент привел еще несколько способов определения высоты здания. Например, если день солнечный, то нужно сначала измерить высоту барометра, высоту его тени, а также измерить длину тени здания. Затем, составив достаточно простую пропорцию, определить высоту самого здания.

Еще один способ был таков. Нужно взять барометр в руки и начать подниматься по лестнице, прикладывая барометр к стене и делая на ней метки. Посчитав количество этих меток и умножив ее на размер барометра, можно получить высоту здания.

После описания еще нескольких способов студент предложил следующее: надо взять барометр, найти управляющего домом и сказать ему, что у вас есть замечательный барометр, и он перейдет в его собственность, если тот… назовет высоту этого здания.

Когда Резерфорд спросил студента – неужели он действительно не знает, как решить эту задачу, тот признался, что знает, но сказал при этом, что ему надоело, когда преподаватели навязывают ученикам свой способ мышления.

Студентом этим был Нильс Бор (1885–1962), будущий выдающийся датский физик, лауреат Нобелевской премии 1922 г.

Вот такая история. Видимо, она и в самом деле не только о барометре…

Исследования Паскаля

Значительный вклад в развитие гидростатики – раздела физики, в котором изучаются свойства неподвижной жидкости, – внес французский ученый Блез Паскаль, о котором мы уже упоминали.

Опыт Паскаля

По указанию Паскаля, прочную дубовую бочку доверху наполнили водой и наглухо закрыли крышкой. В небольшое отверстие в крышке вставили и закрепили конец вертикальной стеклянной трубки такой длины, чтобы ее верхний конец был на уровне второго этажа дома.

Выйдя на балкон, Паскаль начал наполнять трубку водой. Не успел он вылить и десятка стаканов, как вдруг бочка с треском лопнула. Ее разорвала довольно значительная сила. Паскаль уверен: сила, разорвавшая бочку, совсем не зависит от количества воды в трубке. Все зависит от высоты, с которой трубка была заполнена.

Далее раскрывается удивительное свойство воды – «передавать давление», создаваемое на поверхности воды, по всему объему внутри жидкости.

Так Паскаль приходит к открытию закона распределения давления в жидкости, который позже назвали его именем.

Кроме этого достаточно известного эксперимента, Паскаль проводил и другие. Он брал сосуд с отверстиями с одинаковым сечением в стенках и дне. В отверстия вставлялись трубки с поршнями. Когда сосуд наполнялся водой, то вода давила на поршни, которые удерживались прочными нитями.

Изучая истину, можно иметь троякую цель: открыть истину, когда ищем ее; доказать ее, когда нашли; наконец, отличить от лжи, когда ее рассматриваем.

    Блез Паскаль

Чтобы измерить силу давления на каждый поршень, Паскаль прикреплял к ним нити, которые соединялись с помощью блоков с чашкой весов. Гири на другой чашке весов, удерживающие поршень в равновесии, показывали силу давления, действующую на поршень.

Эти опыты подтвердили, что давление на дно сосуда пропорционально плотности жидкости и высоте ее уровня от дна. Формула гидростатического давления, которую мы применяем для решения различных интересных задач, выведена именно из этих опытов: p = ? · g · h.

Паскаль доказал также, что давление внутри жидкости передается во всех направлениях, не исключая и направления вертикально вверх. Для этого сосуд с водой плотно закрывали крышкой, имевшей два отверстия.

Каждую книгу нужно уметь читать.

    Блез Паскаль

В отверстия вставляли одинаковые (по площади поперечного сечения) трубки, закрытые одинаковыми поршнями. Когда на один поршень клали гирю, то наблюдали, что поршень в другой трубке поднимался. Чтобы удержать поршень в другой трубке в равновесии, нужно было положить на него такую же гирю.

Если диаметр одного поршня по сравнению с диаметром другого поршня, был больше, например, в два раза, то для удерживания первого поршня в равновесии необходимо было положить гирю в четыре раза тяжелее, чем на поршень в узкой трубке.

Описывая эти опыты в своем «Трактате о равновесии жидкостей» (1654 г.), Паскаль писал:

«Сосуд, заполненный водой, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил по мере необходимости, поскольку таким образом человек может поднять любой предложенный ему вес».

Вы, наверное, уже догадались, что речь идет о гидравлической машине, которая широко применяется и в научных исследованиях, и в технике.

Кричал ли Архимед «Эврика!..»

О жизни знаменитого философа Архимеда из Сиракуз известно очень мало, а то, что известно, больше похоже на легенды. Однако, вероятно, эти многочисленные легенды дают соответствующие представления об этом выдающемся человеке.

Архимеда можно назвать инженером – ему приписывают около сорока изобретений, в том числе винт и полиспаст. Его можно назвать и математиком – им разработаны интересные геометрические методы, приемы вычисления поверхностей и объемов сложных фигур на основе простых. Подход Архимеда к физическим проблемам тоже часто базируется на геометрических доказательствах, в чем можно убедиться, например, ознакомившись с его трактатом «О равновесии плоских фигур, или О центре тяжести плоских фигур».

Сочинение «О плавающих телах» исследователи относят к наиболее поздним (некоторые даже считают его последним произведением Архимеда). Оно состоит из двух книг. В первой книге Архимед рассматривает вопросы, связанные с погружением твердых тел в жидкость, и формулирует закон, который сейчас есть в школьном учебнике по физике. (Интересно, что

здесь Архимед рассматривает свободную поверхность жидкости как сферу.)

Во второй книге Архимед, считая поверхность жидкости плоской, рассматривает принцип действия ареометра[2 - Ареометр – прибор для определения плотности жидкости.] и условия равновесия в жидкости тел, имеющих особую форму – параболоида. Выводы Архимеда представляли интерес для судостроения.

А знаете ли вы, как в первоисточнике записаны формулировки этого положения, которое мы называем законом Архимеда? Прочитайте их:

«Тело более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела…

Тела более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильно, будут выталкиваться вверх силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный с телом объем, будет тяжелее этого тела…

Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела…»

Нам с вами, пожалуй, очень нелегко сейчас читать эти трудные фразы – стиль речи тех времен значительно отличался от современного. Согласитесь, что в вашем учебнике написано проще!.. Однако, все равно интересно заглянуть туда, в глубь веков, чтобы узнать, как шел путь познания, как рождалось новое знание…

В этом же произведении описана идея прибора для определения плотности жидкости (как сказали бы мы сейчас). Однако первый настоящий ареометр был изготовлен лишь в V в. н. э. Синезием.

Вернемся к закону плавания тел. Суть его в том, что на тело, погруженное в жидкость, в результате гидростатического давления действует сила, направленная вертикально вверх и численно равная весу воды, которую это тело вытеснило.

Одна из многочисленных легенд об Архимеде (кстати, ее рассказал Плутарх) связана с открытием этого закона. Сиракузский царь Гиерон поручил Архимеду выяснить, из чистого ли золота его царская корона. И вот якобы после долгих размышлений по этому поводу Архимед решил отдохнуть в ванной, где к нему и пришло решение проблемы: он собственным телом почувствовал действие выталкивающей силы. Воскликнув «Эврика!..» (что означает «нашел»), Архимед выскочил из ванны и побежал за короной, чтобы немедленно определить потерю ее веса в воде.

Потеря веса тела в воде равна весу воды, вытесненной телом. Тогда, зная этот вес воды, можно определить ее объем, равный объему короны. А зная вес короны, можно найти плотность вещества, из которого она сделана.

Никто точно не знает, было ли так на самом деле, однако научное содержание открытого Архимедом закона дошло до нас благодаря его книгам.

И сегодня методом Архимеда можно определять чистоту материалов, определять наличие примесей и их процентную долю.

На поверхности и в глубине: проявление и применение архимедовой силы

Закон Архимеда позднее стали применять для осознанного определения размеров и формы кораблей – раньше это делали, скорее полагаясь на интуицию и опыт, а не на расчеты. Известно, как в 1666 г. английский корабельный инженер Антони Дин спускал на воду построенный им корабль «Рупперт». На эту церемонию прибыл король Англии со всеми адмиралами своего флота. Всех их интересовало, насколько точными окажутся расчеты, которые сделал Дин, и сбудутся ли его предсказания относительно глубины, на которую погрузится корабль при спуске. Большинство присутствующих считали, что вода устремится через пушечные отверстия и корабль утонет. Однако расчеты инженера оказались точными, и корабль погрузился в воду именно на предусмотренную глубину.

Между прочим, не все даже через семнадцать веков были знакомы с законом Архимеда и его применением в кораблестроении. В частности, немецкий император Вильгельм II, считая себя знатоком и специалистом в кораблестроении, разработал проекты боевых кораблей. Когда эти проекты были переданы на рассмотрение итальянскому адмиралу Брину, он сказал, что эти корабли чрезвычайно красивые, но они имеют только один недостаток – как только их спустят на воду, они сразу же пойдут ко дну…

Знание действия силы Архимеда помогает сейчас подводникам. Задумывались ли вы над тем, как подводная лодка может плавать на разных глубинах? Ведь объем лодки не меняется, плотность воды практически не изменяется (в обычных морях и океанах), т. е. архимедова сила, действующая на лодку, является постоянной, однако лодка может всплывать на поверхность и погружаться в глубины.

Дело в том, что лодка обязательно должна иметь балласт (балластные цистерны с водой), благодаря которому лодка меняет свой вес.

Считают, что первая подводная лодка появилась в Англии в 1620 г. Эту лодку построил голландский врач Корнелиус ван Дреббель. Корпус лодки, изготовленный из дерева, сверху был покрыт промасленной кожей. Перед погружением водяной балласт принимали в специальные меха, роль силовой установки выполняла дюжина гребцов.

В 1776 г. были предприняты попытки применить подводную лодку в военном деле – одноместная подводная лодка «Черепаха» инженера Д. Бушнелла вмещала также и мину с 65 кг пороха.

Более оснащенной была известная подлодка американца Роберта Фултона, который в 1801 г. в Париже построил лодку «Наутилус». Интересно, что корпус этой лодки снаружи был похож на современные лодки (имел форму сигары), а кроме того эта лодка имела гребной винт и горизонтальные рули, с помощью которых регулировали глубину погружения. Бочонки с порохом, с помощью которых планировали взрывать вражеские корабли, Фултон назвал торпедами.

В 1834 г. подводную лодку сконструировал русский военный инженер Карл Андреевич Шилдер. Его лодку можно назвать первым в мире ракетоносцем, потому что на ней имелись пороховые ракеты.

Впрочем, оставим в стороне военные подводные лодки, хотя, безусловно, сейчас они очень большие, мощные и хорошо вооруженные. В морских и океанских глубинах плавают еще научно-исследовательские аппараты, которые называют батисферами и батискафами.

В 1934 г. Уильям Бииб опустился в батисфере на глубину 923 м. Его батисфера имела форму шара диаметром 1,5 м при толщине стенок 4 см.

Батисферы обычно связаны с надводным кораблем, а батискафы – это уже глубоководные аппараты для автономной работы.

Глубоководные обитаемые аппараты «Мир» – это настоящие научные лаборатории под водой. Они имеют телевизионные видеокамеры, фотооборудование, мощные осветители. С помощью манипуляторов можно отобрать пробы грунта, растений. Есть также специальные батометры для забора проб воды на разных глубинах. Аппарат имеет буровую установку для исследования скального грунта.

С помощью подводных аппаратов «Мир» был обследован легендарный корабль «Титаник», затонувший на глубине 4000 м. Видеокадры, сделанные этими аппаратами, вошли в знаменитый фильм Дж. Кемерона.

Отдых на Мертвом море

Вернемся из океанских глубин на поверхность. Знаете ли вы о существовании такого моря, в котором невозможно утонуть? Да, это Мертвое море, которое находится на границе между Иорданией и Израилем. Там очень интересно было бы на собственном опыте ощутить архимедову силу!

Дело в том, что Мертвое море

очень и очень соленое, плотность воды в нем достигает 1160 кг/м

. Если человек купается в этом море, то он совсем ненамного погружается в воду. Это происходит именно благодаря огромной выталкивающей силе. Американский писатель Марк Твен, известный своим несравненным чувством юмора, так описывал купание в Мертвом море:

«Если поддерживать равновесие руками, можно преспокойно лежать на спине так, чтобы голова и ноги от колен до пят торчали над водой. Можно сесть, подтянув колени к самому подбородку и обхватив их руками, но быстро переворачиваешься, потому что здесь никак не удержать равновесия. Можно стать в воде и выше пояса остаться сухим, хотя глубина здесь больше человеческого роста. Но и так долго не простоишь – очень быстро вода вытолкнет на поверхность. Не пытайтесь плавать на спине, поскольку ступни вылезают на поверхность и отталкиваться можно разве что пятками. Пробуешь плавать на животе. Загребаешь воду, как колесный пароход, – и не двигаешься с места».

Следует отметить, что без всякого знания закона Архимеда спокойно плавают себе «несознательные» рыбы. Интересно, что средняя плотность их организмов очень мало отличается от плотности воды, поэтому сила тяжести, которая на них действует, уравновешена архимедовой силой. Вот потому водным животным не нужны такие массивные скелеты, как наземным.

Изменять свое положение и оказываться на другой глубине рыба может благодаря плавательному пузырю, который заметно сжимается грудными и брюшными мышцами. После этого у рыбы меняется объем тела (следовательно, и средняя плотность), из-за чего меняется архимедова сила. Это приводит к возможности регулирования в определенных пределах глубины погружения.

В природе нет ничего бесполезного.

    М. Монтень

Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей. Этому способствуют воздушные пузырьки, которые находятся на концах разветвлений стеблей – они играют роль поплавков, стремящихся подняться вверх под действием силы Архимеда.

Интересно «применение» архимедовой силы морскими животными – сифонофорами. Они создают сложные колонии. На вершине колонии находится пузырь размером до 30 см, содержащий газ. С помощью этого пузыря вся колония держится в толще воды и движется. Газ вырабатывается особыми железами сифонофор.

Воздухоплавание

Полеты аэростатических аппаратов также основаны на законе Архимеда: если тело легче окружающей среды, оно движется вверх, а если тяжелее – вниз.

Начало воздухоплавания датируют 5 июня 1783 г. – в этот день братья Монгольфье – Жозеф Мишель и Жак Этьен – запустили в небо первый аэростат.

Наблюдая за облаками, изобретатели пытались разгадать природу их движения. Затем они пробовали создать «искусственное облако» – с помощью пара. Опыты с паром были неудачными, и тогда братья решили применить дым, образующийся при горении шерсти и сырой соломы.

Воздушный шар братьев Монгольфье (1782 г.)

Первый аэростат, запущенный в июне 1783 г., был сделан из холста, оклеенного бумагой и стянутого веревочной сеткой. Диаметр воздушного шара был примерно 11,5 м, а объем – 600 м

.

После этого полета аэростаты, наполненные горячим воздухом, в честь их изобретателей стали называть монгольфьерами.

В августе того же года французский физик Жак Шарль запустил аэростат собственной конструкции. Оболочка его шара была сделана из шелка, пропитанного каучуком и наполнена водородом. С тех пор аэростаты, которые работают на легком газе (водороде, гелии или светильном газе), иногда называют шарльерами.

Первый научный проект управляемого аэростата – дирижабля – создал в те же времена французский инженер Менье. Изобрететель предложил использовать воздушный винт, а оболочку сделать удлиненной, неизменной. Предполагалось, что управлять этим аэростатом можно будет с помощью руля. Внутри оболочки планировали поместить мягкие емкости с воздухом. Когда дирижабль поднимется вверх, атмосферное давление уменьшится, а водород расширится. Тогда воздух из мягких емкостей предстоит выпустить и таким образом уравнять давление. Во время спуска воздух нужно будет накачать снова. Так предполагалось обеспечить неизменность формы оболочки и постоянное давление в ней.

Реализовать свои идеи Менье так и не удалось, но через много лет его предположения были использованы другими конструкторами.

Только 23 августа 1852 г. французский механик Анри Жиффар поднялся в воздух на управляемом аэростате – дирижабле.

Значительный вклад в историю воздухоплавания внес немецкий генерал Фердинанд фон Цеппелин (1838–1917), который предложил дирижабль особой конструкции. Этот дирижабль имел жесткий алюминиевый каркас, бензиновые двигатели, вертикальные и горизонтальный рули.

Над Цеппелином смеялись, называя его воздушный корабль чудовищем из-за его больших размеров. Упорный труд Ф. Цеппелина все же привел его к успеху. Его воздушные корабли жесткой конструкции сыграли ведущую роль в дирижаблестроении, войдя в историю под названием «цеппелины».

Не следует считать, что время аэростатов уже отошло. В последние годы можно наблюдать их возвращение, но уже на основе современных технологий.

Современные воздушные шары

Дирижабль с паровым двигателем А. Жиффара (1852 г.)

Современные дирижабли используют для проведения геофизической разведки, наблюдения за состоянием окружающей среды, патрулирования крупных городов, картографирования, фото-, кино– и телесъемки.

Главным недостатком старых дирижаблей была повышенная пожароопасность из-за применения водорода. Сейчас эта опасность уменьшена благодаря использованию вместо водорода инертного газа гелия.

Некоторые специалисты считают, что в наше время полезно было бы применять дирижабли для доставки различных грузов, мачт, буровых вышек и т. п. Существуют проекты дирижаблей-санаториев. Пассажирские и туристические дирижабли тоже могли бы быть полезными.

IV. В мире звуков

Звук и его происхождение

Звуки окружали человека всегда. В далекие доисторические времена они помогали ему так же, как и живые существа. Благодаря им человек общался, ориентировался в пространстве, охотился и просто выражал свои эмоции. Шелест листьев в лесу, пение птиц, шум морского прибоя – эти естественные звуки человек сначала просто имитировал, а со временем появилась музыка.

Люди, пытаясь поставить звуки себе на службу, стали их изучать, создав науку о звуках – акустику.

Источники звука

Звук – это механические волны, которые воспринимаются ухом и распространяются в газах, жидкостях и твердых телах.

Человеческое ухо воспринимает как звук механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц (20 кГц). Продольные волны с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, а с частотой большей 20 кГц – ультразвуком.

Напомним, что когда частота колебания какого-то тела (например, подвешенного на нити шарика) составляет 1 Гц (герц), это означает, что за одну секунду тело осуществило одно полное колебание. Если частота колебаний равна 1000 Гц (или 1 кГц), то за одну секунду тело совершает 1000 колебаний.

Источниками звука являются разные колеблющиеся

тела, например, натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Источником чистого музыкального звука является камертон.

Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающей среде (если это осуществляется в воздухе – то прежде всего – воздуху). Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа, при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разряжается.

Камертоны – устройства для создания музыкальных звуков

При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разряжает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны и т. д. Сжатие и разряжение слоев воздуха, прилегающих к пластине, передаются соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая до полного прекращения колебаний.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку и вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое человеком как звук.

Если сравнить частоты колебаний различных источников звука – от человеческих голосов до звуков музыкальных инструментов, то получим такую картину:

Распространение звуковых волн

Скорость распространения в пространстве звуковых колебаний (волн), зависит от плотности среды, в которой они распространяются, а также от температуры. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры.

Рассмотрите приведенную ниже таблицу, в которой представлена средняя скорость звука в воздухе при различных температурах:

Если посмотреть на значение скорости звука в воздухе на различных высотах от поверхности Земли, то можно заметить, что с высотой скорость звука уменьшается. Это связано не только с изменением температуры, но, прежде всего, с изменением атмосферного давления.

Для так называемой стандартной атмосферы температура на высоте 11–20 км постоянна и равна -56,5 °C, скорость звука на этих высотах составляет 295,07 м/с.

Скорость звука в жидкостях и твердых телах существенно больше, чем в воздухе, однако здесь тоже существует определенная зависимость от температуры:

Когда-то известный популяризатор науки Я. Перельман предложил поразмышлять над такой ситуацией: что произошло бы, если бы звук распространялся в воздухе не со скоростью 340 м/с, а гораздо медленнее – например, со скоростью 340 мм/с?

Он предлагает рассмотреть такую ситуацию. Сидя в кресле, вы слушаете рассказ вашего знакомого, который имеет привычку говорить, расхаживая туда-сюда по комнате. При обычных, существующих скоростях звука это нисколько не помешало бы вам слушать. Но при уменьшенной скорости звука вы ничего не поймете из речи вашего гостя: звуки, созданные ранее, будут догонять новые и «перемешиваться» с ними, – получится путаница звуков, лишенная всякого смысла!

Образование звуков

Голосовой аппарат человека и животных

Голосом называют совокупность различных по высоте, силе и тембру звуков, создаваемых человеком с помощью голосового аппарата. (Можно также говорить и о голосе животных, если они дышат легкими.)

Кто много говорит, тот говорит много глупостей.

    П. Корнель

Голосом сопровождаются также рефлекторные движения мышц гортани (чихание, кашель и т. д.). Человек выражает голосом ощущения, чувства, мысли (крик, смех, плач, разговорная и вокальная речь). В создании звука участвуют дыхательные пути и полости (легкие, бронхи, трахея); система резонаторов усиливает звук.

Различная частота звуковых колебаний зависит от длины и напряжения голосовых связок, что, в свою очередь, обусловливается состоянием мышц гортани. Считают, что количество колебаний голосовых связок в секунду совпадает с количеством импульсов, поступающих от центральной нервной системы.

Высота голоса зависит от частоты колебаний голосовых связок, что, в свою очередь, обусловлено их длиной, толщиной и напряжением.

Сила голоса зависит от размаха колебаний голосовых связок, определяется силой напора выдыхаемого воздуха.

Голосовой аппарат человека

Механика создания звука у всех позвоночных, имеющих голос, практически одинакова. Во время дыхания воздух из дыхательных путей под действием выдыхательный мускулатуры, что создает в них повышенное давление, плавно и непрерывно проходит через широко открытую голосовую щель. При создании звука голосовая щель замкнута и голосовые связки напряжены. Щель открывается под давлением воздуха на короткое время. Через нее из дыхательных путей выходит лишь часть воздуха. После этого голосовые связки снова смыкаются и начинают колебаться. Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов – они усиливают звук.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (http://www.litres.ru/s-v-kaplun/fizika/?lfrom=931425718) на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

notes

Примечания

1

Догма – то, что принимают за непреложную истину.

2

Ареометр – прибор для определения плотности жидкости.