Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах

2.1. Вопрос. По океану движется корабль, сила тяги винта которого уравновешена сопротивлением воды, вследствие чего корабль движется равномерно – с постоянной по величине скоростью. Можно ли сказать, что это – движение по инерции?

Ответ. Нет, этого сказать нельзя, потому что корабль движется не по прямой, а по кривой, близкой к окружности – поверхности океана. На него действует центростремительная сила – сила тяжести, поэтому он не сохраняет своего состояния по отношению к инерциальной системе отсчета. Если бы этот корабль двигался так же равномерно, но по прямой, тогда это движение было бы эквивалентно покою или движению по инерции. Заметим, что в этом вопросе серьезную ошибку допускал Галилей, считая, что покою эквивалентно движение именно по окружности.

2.2. Вопрос. Кто первым сформулировал сущность закона инерции?

Ответ. Достаточно точную формулировку закона инерции до Ньютона дал философ и математик Рене Декарт (1596–1650), современник Галилея. Декарт так же, как и Галилей, не знал о законе всемирного тяготения и описал этот закон интуитивно, по наитию. В 1644 году в своей книге «Начала философии», он так выразил законы инерции: 1) всякая вещь продолжает по возможности пребывать в одном и том же состоянии и изменяет его не иначе, как от встречи с другой; 2) каждая материальная частица в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой.

2.3. Вопрос. Как экспериментально доказать, что движение по кривой не может быть инерционным, и кто первым сделал это?

Ответ. Голландский ученый Христиан Гюйгенс (1629–1695), изучая движение маятника, установил, что массивное тело, подвешенное на нити и движущееся по окружности, например маятник, нагружает нить помимо своей силы тяжести G (рис. 4) дополнительной силойF, которую Гюйгенс назвал центробежным стремлением или центробежной силой. (Во времена Гюйгенса любили называть силой все, что угодно, начиная от мощности и кончая душевным стремлением). Эту дополнительную силу чувствует каждый, кто раскачивается на кольцах, трапеции, качелях, «тарзанке» и т. п.

Рис. 4. Схема действия сил в маятнике.

Наличие этой дополнительной силы, растягивающей нить, опровергает предположение Галилея, а ранее – и Аристотеля, о «естественном» круговом движении. Движение по кругу, оказывается, не может быть естественным – инерционным, потому что к телу, сворачивающему с прямого пути, должна быть приложена со стороны связи (нити) сила, направленная к центру кривой – центростремительная сила, также равная по модулю F. Такой центростремительной силой является, к примеру, сила тяготения, не позволяющая планетам «разбежаться» по прямым. Сила эта вызывает центростремительное ускорение (которое также называют нормальным), равное

где v – линейная скорость тела; / – длина нити.

Величина центростремительного ускорения была впервые определена Гюйгенсом [14] . Величина же центростремительной силы по второму закону Ньютона равна

где т– масса тела.

Следовательно, инерционное движение может быть только прямолинейным, а для того чтобы тело (точка) свернуло с прямолинейного пути, к нему должна быть приложена внешняя центростремительная сила.

2.4. Вопрос. Что такое «инерциальная система отсчета»?

Ответ. Это такая абстрактная система отсчета, которая считается неподвижной или движущейся равномерно и прямолинейно. Если это движение происходит со скоростями, далекими от скорости света, то отличить любым механическим экспериментом неподвижную систему от движущейся равномерно и прямолинейно невозможно. В инерциальных системах (их может быть множество) соблюдается закон инерции. Иначе говоря, тело, на которое не действуют никакие неуравновешенные силы, неподвижно относительно инерциальной системы отсчета.

Абсолютно точная инерциальная система невозможна в нашем реальном мире. Систему отсчета, близкую к инерциальной, можно получить, поместив ее центр в центр Солнца (а точнее – в центр масс Солнечной системы), а оси направив на три условно неподвижные звезды. Для более грубых целей, например, технических задач, центр системы можно перенести в центр Земли, а оси направить на те же звезды. В очень грубых случаях, когда ошибки будут видны, как говорится, «на глаз», можно эту систему связать с Землей, считая ее не только неподвижной в орбитальном движении вокруг Солнца, но и неподвижной в собственном (суточном) вращении.

На самом деле, система, связанная с Землей, неинерциальна. На тела в ней действуют силы, которых в природе не существует – силы инерции. Поэтому на экваторе вес тела меньше, чем на полюсе; реки подмывают в северном полушарии правые берега, а в южном – левые; снаряд, выпущенный из пушки со строго вертикальным стволом, падая, не попадет обратно в ствол, как это должно было бы случиться в инерциальной системе, а отклонится в сторону и т. д.

Инерциальные системы отсчета в физике часто называют галилеевыми системами. Но Галилей предполагал естественным, инерционным отнюдь не прямолинейное, а круговое движение, то есть то самое, где «оживают», становятся как бы реальными эйлеровы силы инерции. Если уж нужно назвать инерциальные системы отсчета чьим-то именем, то, наверное, справедливее было бы назвать их именем Декарта (см. вопрос 2.2).

Роль инерциальной системы отсчета в механике становится достаточно понятной только после тщательного изучения фундаментального свойства материи – инерции.

2.5. Вопрос. В древнем мире люди прекрасно знали, что некоторые тела продолжают свое движение даже после того, как силы перестают на них действовать. Чем же они объясняли это движение «по инерции», как сказали бы мы сегодня?

Ответ. Древние связывали движение тел только с приложением к ним сил. Нет сил – нет и движения. Но опыт подсказывал другое – брошенный камень продолжает свой полет уже после того, как рука перестала касаться его. Стрела, выпущенная из лука, пролетает большое расстояние уже тогда, когда тетива перестала давить на нее. Что же заставляет эти тела двигаться?

Виднейший античный ученый Аристотель предложил свою гипотезу такого движения без действующих на тело сил – «теорию антиперистасиса». В момент бросания камня или выстрела из лука рука или тетива приводят в движение не только камень или стрелу, но и окружающий эти предметы воздух. Этому воздуху якобы сообщается некий «виртус мовенс» (современного трактования этого термина нет, скорее всего, сюда подходит современное понятие импульса), который продолжает толкать тело и дальше. Постепенно, при передачах этого «виртус мовенс» от тела воздуху и обратно, часть его теряется, и движение тела замедляется.

Ясно, что в пустоте такого движения происходить не должно, хотя там из-за отсутствия сопротивления среды свойство инерции проявляется наиболее очевидно.

Но древние (как, впрочем, и все ученые до Торричелли), пустоты не видели и не представляли себе ее. Аристотель даже издевался над теми, кто пытался использовать понятие пустоты.

«Это место без помещенных туда тел», – так шутливо характеризовал пустоту Аристотель.

Таким образом, в античном мире понятие инерции было практически не осознано. Потребовалось почти два тысячелетия, чтобы осознать и четко выразить это фундаментальное, пожалуй, основное свойство материи.

2.6. Вопрос. В научной и технической литературе часто используется термин «силы инерции». Реальны или фиктивны эти силы?

Ответ. Одним из первых классиков математики и механики, который подчеркивал нереальность сил инерции, был Леонард Эйлер (1707–1783). Он писал: «Иногда пользуются выражением „сила инерции“, так как сила есть нечто противодействующее изменению состояния. Но если под силой понимать какую-то причину, изменяющую состояние тела, то здесь ее нужно понимать совсем не в этом смысле: проявление инерции в высшей степени отлично от того, которое свойственно обычным силам. Поэтому для избежания какой-либо путаницы слово „сила“ не будем употреблять и будем рассматриваемое свойство тел называть инерцией» [27] .

Однако как ни боялся Эйлер путаницы, она все-таки произошла.

«Виновными» в этой путанице оказались французские математики и механики Жан Лерон Даламбер (1717–1783) и Жозеф Луи Лагранж (1736–1813). Первый сформулировал свой принцип, а второй математически его обработал, так что в современной формулировке он звучит так: «Если в любой момент времени к каждой из точек системы, кроме фактически действующих на нее внешних и внутренних сил, приложить соответствующие силы инерции, то полученная система сил будет находиться в равновесии и к ней можно будет применять все уравнения статики» [25] .

Пожалуй, ни одно из положений механики не вызывало, да и сейчас не перестает вызывать столько споров и путаницы, как принцип Даламбера. В 20-е годы прошлого века против него выступали философы, обвиняя его автора в недиалектично сти: по принципу Даламбера изучение динамики сводится к исследованию статики, представляющей собой частный случай динамики. В 30-е годы возникла дискуссия о силах инерции между инженерами-практиками и механиками-теоретиками. Практики утверждали, что силы инерции реальны и именно они производят те действия, которые тела совершают «по инерции».

Последняя из этих дискуссий состоялась в 1983 году в актовом зале МВТУ им. Баумана и закончилась убедительной победой сторонников фиктивности сил инерции.

Каков же современный взгляд на реальность сил инерции? Исчерпывающий ответ на этот вопрос дал академик А. Ю. Ишлинский [17] : «Реально существующими объявляются лишь силы, вызывающие ускорения материальных точек и тел относительно „абсолютной“ системы координат (инерциальной системы отсчета – Н. Г.). Они выражают меру механического взаимодействия тел в природе... Следует отличать так называемые даламберовы силы инерции от сил инерции, вводимых при рассмотрении движения материальных точек и тел по отношению к подвижным системам координат. Последние будут именоваться эйлеровыми силами инерции. И даламберовы, и эйлеровы силы инерции не являются силами физическими и в этом смысле нереальны. Введение этих несуществующих сил чисто условное...»

Тем не менее в технической литературе существует огромное количество ошибок этого плана. Например, при изучении движения гибких связей – ремней, цепей – по криволинейным траекториям, силу, действующую на элемент массы, в учебниках чаще всего направляют не в сторону нормального ускорения, а в противоположную. Между тем, учащиеся из курса физики уже знают, что сила должна быть направлена в ту же сторону, что и вызываемое ею ускорение, согласно второму закону Ньютона. Возникает путаница, которой так боялся Эйлер!

Этому вопросу следует уделить в школе повышенное внимание, особенно со школьниками, которые в дальнейшем будут обучаться в технических вузах.[1]

2.7. Вопрос. Что такое инерцоид?

Ответ. Самым «вредным» последствием признания «реальности» сил инерции являются так называемые инерцоиды, или безопорные движители. Согласно определению одного из создателей инерцоида «это механизм, осуществляющий самостоятельное перемещение, независимое от окружающей среды, преодолевая ее сопротивление». Конечно же, это определение некорректно.

В Российской государственной библиотеке даже заведен новый библиографический раздел: «Инерцоиды. Их теория.»

Созданием конструкций «безопорных движителей» и их теории заняты тысячи, если не более, человек только в России – почти столько же, сколько занимаются «вечными двигателями». Изобретатели получают патенты, изготавливают на заводах опытные образцы; публикуют статьи и даже книги по этому вопросу.

Каким же образом должны, по замыслу изобретателей, работать инерцоиды? Движение инерцоида иллюстрирует рис. 5. Если бить молотком по заднему краю санок, то они толчками будут двигаться вперед. То же самое произойдет и с колесной тележкой. Если в этом опыте человека заменить механизмом, то получится инерцоид.

Рис. 5. Схема, поясняющая движение инерцоида.

Действие самых различных инерцоидов, как бы сложны они ни были, сводится к одному: созданию кратковременного импульса, но с развитием большой силы, в одну сторону, и длительного, но с малой силой – в другую. Сумма импульсов равна нулю, и машина одними внутренними силами с места не сдвинется. Хитрость здесь в том, что длительность второго импульса можно сделать весьма большой, а силу – очень малой, меньше любого, даже очень незначительного трения. Тогда механизм и не сдвинется во время отведения молотка, а в сторону коротких и резких импульсов будет продвигаться толчками.

Таким образом, реально инерцоид движется только из-за сопротивления окружающей среды, например, сил трения, удерживающих его от движения назад. Создатели же инерцоидов отрицают необходимость каких-либо внешних сил для их движения, приписывая весь эффект действию «реальных» сил инерции, и планируют их применение главным образом для передвижения в космосе, где нет окружающей среды. Использование же инерцоидов в реальной сопротивляющейся среде их не интересует, хотя такие машины давно созданы и работают.

2.8. Вопрос. Какие устройства применяют «принцип инерцоида» для работы в реальных условиях?

Ответ. Такие устройства, называемые обычно виброходами, достаточно широко используются. В 1927 году в России был получен патент на машину, в которой эксцентрично укрепленные вращающиеся грузы передвигают машину прыжками по земле. В 1939 году в Институте механики АН СССР был разработан виброход (по принципу, показанному на рис. 5), а в институте НАМИ – импульсно-фрикционный движитель, который аналогичным образом перемещался по дороге, причем при движении вперед основание «отрывалось» от дороги, а при импульсе назад – прижималось к ней, чтобы машина не дала хода назад.

Более того, созданы устройства аналогичного действия, пробивающие себе ходы в земле для прокладки кабелей и других коммуникаций под насыпями, путями и т. д.

Вибромолоты, устанавливаемые на сваи, тоже относятся к описанному типу устройств, причем этими же вибромолотами можно не только забивать, но и вытаскивать сваи. Надо сказать, что вытаскивание сваи вибромолотом, закрепленным на ее вершине – зрелище поистине фантастическое!

А совсем недавно найдено еще одно неожиданное применение устройств подобного рода. В 2003 году автором вместе с австралийскими врачами запатентована самоходная «виброкапсула», перемещающаяся в кишечнике человека для его обследования. Для перемещения в петлях кишечника, пожалуй, другой способ движения невозможен. Устройство было испытано в Австралии и показало хороший результат.

2.9. Вопрос. Что такое масса гравитационная и масса инертная? Как соотносятся между собой эти массы?

Ответ. Для определения массы тела в физике имеются две основные зависимости. Из второго закона Ньютона массу можно определить как

где F – сила, действующая на массу т;

a – ее ускорение.

Таким образом определяется инертная масса, так как в основе этого закона лежит свойство инертности.

Из закона всемирного тяготения, также открытого Ньютоном, массу т, например падающего у поверхности Земли тела, можно определить как

где F– сила тяжести тела;

g – ускорение свободного падения, равное GM/R2, где G – гравитационная постоянная, М – масса Земли, R – радиус Земли.

При постоянных G, М, R ускорение свободного падения у поверхности Земли g постоянно. Однако масса, определенная из выражения (2.6), уже не инертная, а гравитационная. Так равны ли эти массы – инертная и гравитационная, или нет?

Доказательство их равенства может быть получено из следующего рассуждения. Если в вакууме одновременно сбросить на Землю два тела, одно из которых массивнее другого, то оба тела будут падать с одинаковым ускорением. Так как для обоих тел а – g, следовательно, и масса инертная равна массе гравитационной

Как это ни удивительно, проводились достаточно хитроумные и дорогостоящие опыты, подтверждающие равенство инертной и гравитационной масс с точностью до 10-11. Эта точность лишний раз свидетельствует о том, что инертная и гравитационная массы эквивалентны друг другу, попросту – это одно и то же. На этом «принципе эквивалентности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) построил свою общую теорию относительности [24] .