Законы движения

Тележка Ньютона

Как рассказывают современники Ньютона, он изготовил небольшую и легонькую тележку. На тележке ученый укрепил стоечку для пробирки и под ней маленькую чашечку. В пробирку Ньютон налил воды, а в чашечку — спирт. Отверстие пробирки он заткнул пробкой и вставил пробирку в наклонном положении в стойку. Затем положил в спирт кусок ваты и зажег.

Через минуту или две вода в пробирке закипела. Давление появившегося пара вышибло пробку прочь. Она вылетела вместе со струей пара, и в тот же момент тележка покатилась в противоположную сторону, хотя ни во что она не упиралась и ничто ее как будто не толкало.

Противники Ньютона говорили, что тележка покатилась потому, что вырвавшаяся из пробки струя пара и вылетевшая пробка упирались в воздух. Это возражение Ньютон легко опроверг. По сравнению со струйкой пара и пробочкой, тележка, нагруженная стойкой, чашечкой и пробиркой, весьма велика. Ее передняя сторона, упираясь в воздух, встречает несравненно большее сопротивление, чем струйка пара. Воздух в большей степени мешает тележке, чем помогает. В безвоздушном пространстве такая тележка покатилась бы быстрее и дальше, чем на воздухе. Никто ведь не может сказать, что человек, выскакивающий из лодки, упирается в воздух, и будто бы от этого лодка начинает двигаться.

Интересный физический опыт с тележкой Ньютона дает нам наглядное представление о новом типе двигателей, называемых реактивными.

Реактивные двигатели, в отличие от всех остальных, не нуждаются в какой-либо опоре, — можно сказать, что они несут опору в себе или опираются сами на себя.

Ньютон сделал из своего опыта следующий интересный вывод — количество движения, полученное тележкой, в точности равно количеству движения пара и пробки.

Масса тележки больше, она набирает меньшую скорость. Масса пробки и пара меньше, зато скорость их движения во столько же раз больше.

Количество движения пробки направлено в одну сторону, количество движения тележки — в другую. В сумме оба количества движения дают нуль. Иными словами, общее количество движения при этом не изменяется: оно равнялось нулю в начале, когда тележка и пробки были неподвижны; оно равняется нулю и в конце, когда тележка и пробка (вместе с паром) движутся в разные стороны.

Этот закон стали называть впоследствии законом сохранения количества движения. В истории механики он сыграл огромную роль. Но, по сути дела, это. просто следствие из второго закона движения — основного закона динамики.

Количество движения тела, учит Ньютон, может измениться только под действием внешней силы.

А на тележку в его опыте никакие внешние силы не действовали. Значит, и количество движения для нее должно остаться постоянным, то есть равным нулю, — она ведь стояла на месте.

Вся система — это тележка и вылетевший из пробирки пар. Постоянным должно оставаться количество движения этой системы.

Поэтому количество движения, получаемое тележкой, и количество движения, уносимое паром, равны и противоположно направлены.

Вертушка Герона

Тележка Ньютона не была первым в мире реактивным двигателем. За тысячу восемьсот лет до опытов Ньютона первый паровой реактивный двигатель сделал замечательный изобретатель Герои Александрийский — древнегреческий механик.

О Героне Александрийском нам известно немногое. Он был сыном брадобрея — парикмахера — и учеником другого знаменитого изобретателя, Ктезибия.

Жил Герон в Александрии примерно две тысячи семьдесят пять лет назад.

В приборе, изобретенном Героном, пар из котла, под которым горел огонь, проходил по двум трубкам в железный шар. Трубки одновременно служили осью, вокруг которой этот шар мог вращаться. Две другие трубки, изогнутые наподобие буквы «Г», были приделаны к шару так, как показано на рисунке.

Когда под котлом разводили огонь, вода закипала и пар устремлялся в железный шар, а из него по изогнутым трубкам с силой вылетал наружу. Шар при этом вращался в сторону, противоположную той, в которую вылетали струи пара.

Эту вертушку можно назвать первой в мире паровой реактивной турбиной.

Геронов шар.

Китайская ракета

Еще раньше, за много лет до Герона Александрийского, в Китае тоже изобрели реактивный двигатель несколько иного устройства, называемый ныне фейерверочной ракетой. Фейерверочные ракеты не следует смешивать с их тезками — сигнальными ракетами, которые применяют в армии и флоте, а также пускают в дни всенародных праздников под грохот артиллерийского салюта. Сигнальные ракеты — это просто пули, спрессованные из вещества, горящего цветным пламенем. Ими выстреливают из крупнокалиберных пистолетов — ракетниц.

Китайская ракета представляет собой картонную или металлическую трубку, закрытую с одного конца и наполненную пороховым составом. Когда эту смесь поджигают, струя газов, вырываясь с большой скоростью из открытого конца трубки, заставляет ракету лететь в сторону, противоположную направлению газовой струи.

Ракета в полете.

Взлетать такая ракета может без помощи пистолета-ракетницы. Палочка, привязанная к корпусу ракеты, делает ее полет более устойчивым и прямолинейным.

В мире животных также встречается реактивное движение. Каракатицы, осьминоги и некоторые другие головоногие моллюски не имеют ни плавников, ни мощного хвоста, а плавают не хуже прочих обитателей моря. У этих мягкотелых существ в теле имеется довольно вместительный мешок или полость. В полость набирается вода, а затем животное с большой силой выталкивает эту воду наружу. Реакция выброшенной воды заставляет животное плыть в сторону, противоположную направлению струи.

Падающая кошка

Но самый интересный способ движения продемонстрировала обыкновенная кошка.

Лет восемьдесят пять назад известный французский физик Марсель Депре заявил:

— А знаете ли, законы Ньютона не совсем верны. Тело может двигаться с помощью внутренних сил, ни на что не опираясь и ни от чего не отталкиваясь.

— Где доказательства, где примеры? — протестовали слушатели.

— Хотите доказательств? Извольте. Кошка, нечаянно сорвавшаяся с крыши, — вот доказательство! Как бы кошка ни падала, хоть головой вниз, на землю она обязательно встанет всеми четырьмя лапками. Но ведь падающая кошка ни на что не опирается и ни от чего не отталкивается, а переворачивается быстро и ловко. (Сопротивлением воздуха можно пренебречь — оно слишком ничтожно.)

Действительно, это знают все: кошки, падая, ухитряются всегда становиться на ноги.

Кошка и третий закон.

Кошки это делают инстинктивно, а человек может сделать то же самое сознательно. Пловцы, прыгающие с вышки в воду, умеют выполнять сложную фигуру — тройное сальто, то есть трижды перевернуться в воздухе, а потом вдруг выпрямиться, приостановить вращение своего тела и уже по прямой линии нырнуть в воду.

Такие же движения, — без взаимодействия с каким-либо посторонним предметом, случается наблюдать в цирке во время выступления акробатов — воздушных гимнастов.

Падающую кошку сфотографировали киносъемочным аппаратом и потом на экране рассматривали кадр за кадром, что делает кошка, когда летит в воздухе.

Оказалось, что кошка быстро вертит лапкой.

Вращение лапки вызывает ответное движение— реакцию всего туловища, и оно поворачивается в сторону, противоположную движению лапки. Все происходит в строгом соответствии с законами Ньютона, и именно благодаря им кошка становится на ноги.

То же самое происходит во всех случаях, когда живое существо без всякой видимой причины изменяет свое движение в воздухе.

Водометный катер

У изобретателей появилась мысль, а почему бы не перенять у каракатиц их способ плавания. Они решили построить самоходное судно с водно-реактивным двигателем. Идея безусловно осуществимая. Правда, уверенности в удаче не было: изобретатели сомневались, получится ли такой водометный пароход лучше обычного винтового. Надо было сделать опыт.

Выбрали старый буксирный пароход, починили его корпус, сняли гребные винты, а в машинном отделении поставили насос-водомет. Этот насос качал забортную воду и через трубу выталкивал ее за корму сильной струей. Пароход плыл, но двигался он все же медленнее винтового парохода. И это объясняется просто: обычный гребной винт вращается за кормой ничем не стесненный, вокруг него только вода; воду в водометном насосе приводил в движение почти точно такой же винт, но вращался он уже не на воде, а в тесной трубе. Возникало трение водяной струи о стенки. Трение ослабляло напор струи. Пароход с водометным движителем плыл медленнее винтового и топлива расходовал больше.

Однако от постройки таких пароходов не отказались: у них нашлись важные преимущества. Судно, снабженное гребным винтом, должно сидеть в воде глубоко, иначе винт будет без толку пенить воду или вертеться в воздухе. Поэтому винтовые пароходы боятся отмелей и перекатов, они не могут плавать по мелководью. А водометные пароходы можно строить мелкосидящими и плоскодонными: им глубина не нужна — где пройдет лодка, там пройдет и водометный пароход.

Первые водометные катера в Советском Союзе построены в 1953 году на Красноярской судостроительной верфи. Они предназначены для малых рек, где обычные пароходы не могут плавать.

Отдача и откат

Особенно прилежно инженеры, изобретатели и ученые занялись исследованием реактивного движения при появлении огнестрельного оружия. Первые ружья — всевозможные пистоли, мушкеты и самопалы — при каждом выстреле сильно ударяли человека в плечо. После нескольких десятков выстрелов плечо начинало так болеть, что солдат уже не мог целиться. Первые пушки — пищали, единороги, кулеврины и бомбарды — при выстреле отпрыгивали назад, так что, случалось, калечили пушкарей-артиллеристов, если они не успевали увернуться и отскочить в сторону.

Отдача орудия мешала меткой стрельбе, потому что пушка вздрагивала раньше, чем ядро или граната вылетали из ствола. Это сбивало наводку. Стрельба получалась неприцельной.

Инженеры-артиллеристы начали борьбу с отдачей более четырехсот лет назад. Сначала лафет снабдили сошником, который врезался в землю и служил прочным упором для пушки. Тогда думали, что если хорошенько подпереть пушку сзади, так чтобы ей некуда было откатываться, то отдача исчезнет. Но это была ошибка. Не был принят во внимание закон сохранения количества движения. Пушки ломали все подпорки, а лафеты так расшатывались, что орудие становилось непригодным для боевой работы.

Лафет старинного орудия.

Тогда изобретатели поняли, что законы движения, как и всякие законы природы, нельзя переделать по-своему, их можно только «перехитрить» с помощью науки — механики.

У лафета они оставили сравнительно небольшой сошник для упора, а ствол пушки положили на «салазки» так, чтобы откатывался только один ствол, а не все орудие целиком. Ствол соединили с поршнем компрессора, который ходит в своем цилиндре точно так же, как поршень паровой машины. Но в цилиндре паровой машины — пар, а в орудийном компрессоре — масло и пружина (или сжатый воздух).

Когда ствол пушки откатывается назад, поршень сжимает пружину. Масло же в это время сквозь мелкие отверстия в поршне продавливается по другую сторону поршня. Возникает сильное трение, которое частично поглощает движение откатывающегося ствола, делает его более медленным и плавным. Потом сжатая пружина расправляется и возвращает поршень, а вместе с ним и ствол орудия на прежнее место. Масло нажимает на клапан, открывает его и свободно перетекает снова под поршень. Во время беглого огня ствол орудия почти непрерывно движется вперед и назад.

В орудийном компрессоре отдача поглощается трением.

Дульный тормоз

Когда мощность и дальнобойность пушек возросла, компрессора оказалось недостаточно, чтобы обезвредить отдачу. В помощь ему был изобретен дульный тормоз.

Дульный тормоз — это всего лишь короткая стальная труба, укрепленная на срезе ствола и служащая как бы его продолжением. Диаметр ее больше диаметра канала ствола, и поэтому она нисколько не мешает снаряду вылетать из дула. В стенках трубки по окружности прорезано несколько продолговатых отверстий.

Дульный тормоз.

Пороховые газы, вылетающие из ствола орудия вслед за снарядом, сразу же расходятся в стороны, и часть их попадает в отверстия дульного тормоза. Эти газы с большой силой ударяются о стенки отверстий, отталкиваются от них и вылетают наружу, но уже не вперед, а немного вкось и назад. При этом они давят на стенки вперед и толкают их, а вместе с ними и весь ствол орудия. Они помогают лафетной пружине потому, что стремятся вызвать откат ствола вперед. А в то время, пока они находились в стволе, они толкали орудие назад. Дульный тормоз значительно уменьшает и ослабляет отдачу.

Другие изобретатели пошли иным путем. Вместо того чтобы бороться с реактивным движением ствола и стараться его погасить, они решили применить откат орудия с пользой для дела. Эти изобретатели создали много образцов автоматического оружия: винтовок, пистолетов, пулеметов и пушек, в которых отдача служит для того, чтобы выбрасывать использованную гильзу и перезаряжать оружие.

Реактивная артиллерия

Можно совсем не бороться с отдачей, а использовать ее: ведь действие и реакция (отдача) равносильны, равноправны, равновелики, так пусть же реактивное действие пороховых газов, вместо того чтобы отталкивать назад ствол орудия, посылает снаряд вперед в цель. Так была создана реактивная артиллерия. В ней струя газов бьет не вперед, а назад, создавая в снаряде направленную вперед реакцию.

Для реактивного орудия оказывается ненужным дорогой и тяжелый ствол. Для направления полета снаряда прекрасно служит более дешевая, простая железная труба. Можно обойтись вовсе без трубы, а заставить снаряд скользить по двум металлическим рейкам.

По своему устройству реактивный снаряд подобен фейерверочной ракете, он только размерами побольше. В его головной части вместо состава для цветного бенгальского огня помещается разрывной заряд большой разрушительной силы. Середина снаряда наполняется порохом, который при горении создает мощную струю горячих газов, толкающих снаряд вперед. При этом сгорание пороха может длиться значительную часть времени полета, а не только тот короткий промежуток времени, пока обычный снаряд продвигается в стволе обычной пушки. Выстрел не сопровождается таким громким звуком.

Реактивная артиллерия.

Реактивная артиллерия не моложе обыкновенной артиллерии, а может быть, даже старше ее: о боевом применении ракет сообщают старинные китайские и арабские книги, написанные более тысячи лет назад.

В описаниях сражений более поздних времен нет-нет, да и промелькнет упоминание о боевых ракетах. Когда английские войска покоряли Индию, индийские воины-ракетчики своими огнехвостыми стрелами наводили ужас на захватчиков-англичан, порабощавших их родину. Для англичан в то время реактивное оружие было в диковинку.

Ракетными гранатами, изобретенными генералом К. И. Константиновым, мужественные защитники Севастополя в 1854–1855 годах отбивали атаки англо-французских войск.

Ракета — старинное оружие.

Огромное преимущество перед обыкновенной артиллерией — отпадала необходимость возить за собой тяжелые пушки — привлекло к реактивной артиллерии внимание военачальников. Но столь же крупный недостаток мешал ее усовершенствованию. Дело в том, что метательный, или, как раньше говорили, форсовый, заряд умели делать только из черного пороха. А черный порох опасен в обращении. Случалось, что при изготовлении ракет метательный заряд взрывался, и гибли рабочие. Иногда ракета взрывалась при запуске, и гибли артиллеристы. Изготовлять и употреблять такое оружие было опасно. Поэтому оно и не получило широкого распространения.

Этот недостаток устранили советские конструкторы и изобретатели. В годы Великой Отечественной войны они дали нашей армии превосходное реактивное оружие. Были построены гвардейские минометы — «катюши» и изобретены PC («эрэс») — реактивные снаряды.

По своему качеству советская реактивная артиллерия превзошла все иностранные образцы и причиняла врагам громадный урон.

Вековая мечта

Уже много веков люди лелеют мечту о полетах в межпланетном пространстве, о посещении Луны, загадочного Марса и облачной Венеры. На эту тему написано множество научно-фантастических романов, повестей и рассказов. Писатели отправляли своих героев в заоблачные дали на дрессированных лебедях, на воздушных шарах, в пушечных снарядах или еще каким-нибудь невероятным образом. Однако все эти способы полета основывались на выдумках, не имевших опоры в науке. Люди только верили, что они когда-нибудь сумеют покинуть нашу планету, но не знали, как это им удастся осуществить.

Наш замечательный ученый Константин Эдуардович Циолковский в 1903 году впервые дал научную основу идее космических путешествий. Он доказал, что люди могут покинуть земной шар и транспортным средством для этого послужит ракета, потому что ракета — единственный двигатель, который не нуждается для своего движения в какой-либо внешней опоре. Поэтому ракета способна летать в безвоздушном пространстве.

По своему устройству космический корабль должен быть подобен реактивному снаряду, только в его головной части поместится кабина для пассажиров и приборов, а все остальное пространство будет занято запасом горючей смеси и двигателем.

Чтобы придать кораблю нужную скорость, требуется подходящее топливо. Порох и другие взрывчатые вещества ни в коем случае не пригодны: они и опасны и слишком быстро сгорают, не обеспечивая длительного движения. К. Э. Циолковский рекомендовал применять жидкое топливо: спирт, бензин или сжиженный водород, горящие в струе чистого кислорода или какого-либо другого окислителя. Правильность этого совета признали все, потому что лучшего топлива тогда не знали.

Первая ракета с жидким горючим, весившая шестнадцать килограммов, была испытана в Германии 10 апреля 1929 года. Опытная ракета взлетела в воздух и скрылась из вида раньше, чем изобретатель и все присутствующие сумели проследить, куда она полетела. Найти ракету после опыта не удалось. На следующий раз изобретатель решил «перехитрить» ракету и привязал к ней веревку длиной четыре километра. Ракета взвилась, волоча за собой веревочный хвост. Она вытянула два километра веревки, оборвала ее и последовала за своей предшественницей в неизвестном направлении. И эту беглянку также не удалось найти.

Первый успешный полет ракеты с жидким топливом состоялся в СССР 17 августа 1933 года. Ракета поднялась, пролетела положенное ей расстояние и благополучно приземлилась.

Начатые успешно работы, однако, не привели к постройке межпланетного корабля. Немецкие фашисты подготовили и развязали кровопролитную мировую войну. Защищая Родину, советский народ был вынужден поставить все достижения ракетной техники на службу обороны.

В фашистских государствах многие ученые и инженеры еще до войны усиленно разрабатывали проекты бесчеловечных орудий разрушения и массовых убийств. Это они считали целью науки.

Во время войны гитлеровские инженеры построили несколько сот самоуправляющихся самолетов: снарядов «ФАУ-1» и реактивных снарядов «ФАУ-2». То были сигарообразные снаряды, имевшие в длину 14 метров и в диаметре 165 сантиметров. Весила смертоносная сигара 12 тонн; из них 9 тонн — топливо, 2 тонны — корпус и 1 тонна — взрывчатое вещество. «ФАУ-2» летели со скоростью до 5500 километров в час и могли подниматься в высоту на 170–180 километров.

«ФАУ-2».

Точностью попадания эти средства разрушения не отличались и были пригодны только для обстрела таких крупных мишеней, как большие и густонаселенные города. Немецкие фашисты выпускали «ФАУ-2» за 200–300 километров от Лондона в расчете, что город велик, — куда-нибудь да попадет!

Вряд ли Ньютон мог предполагать, что его остроумный опыт и открытые им законы движения лягут в основу оружия, созданного звериной злобой к людям, и целые кварталы Лондона обратятся в развалины и станут могилами людей, захваченных налетом слепых «ФАУ».

Советский реактивный самолет «ТУ-104».

«Исправление» книги

Исаак Ньютон, в отличие от Галилея, жил и трудился уже после того, как буржуазия захватила власть в свои руки. Она теперь почувствовала себя законодателем жизни, старалась всячески укрепить свое господство, устраивалась накрепко, думала, что навсегда. Ради этого английская буржуазия пошла на соглашение с феодалами, сумела сговориться с церковью и старалась подчинить себе религию. После своей победы буржуазия уже не могла допустить, чтобы научные труды как-либо задевали религию и умаляли ее влияние на народ.

Ньютон был человеком осторожным и предусмотрительным. Он не хотел так же смело выступать в защиту науки, как Галилей. Ньютон даже согласился внести в свою книгу «Математические начала натуральной философии» некоторые исправления: из нее исчезло все, что слишком явно противоречило библии.

Случилось это так. Известный английский физик Роберт Бойль, умирая, оставил завещание и назначил крупную сумму на чтение ежегодных лекций в защиту религии и против безбожия.

В 1692 году чтение лекций, по завещанию Бойля, начал Ричард Бентлей, епископ и ректор того университета, в котором в свое время учился Ньютон. В основу своих лекций Бентлей положил «Математические начала натуральной философии». Он внимательно прочел эту книгу и заметил, что в ней кое-какие мысли противоречат религиозным воззрениям, — например, если поверить в существование трех законов движения, оказывается, что богу в мире делать нечего. Он становится ненужным и даже излишним — всякое движение объясняется действием сил, инерцией и взаимодействием тел. Могущественный церковный вельможа обратился к Ньютону за разъяснениями. Ньютон согласился с Бентлеем и обещал внести исправления в книгу, так как именно в это время он подумывал о ее переиздании. Епископ Бентлей порекомендовал Ньютону взять в помощники и редакторы молодого профессора — математика Котса.

Котс энергично взялся за дело. Он работал очень старательно — исправил множество мелких ошибок в вычислениях, которые вкрались в первое издание. Целые страницы приходилось переписывать заново. Котс оказал Ньютону огромную помощь, так как сам Ньютон уже состарился и подобная работа была ему не по силам. Попутно, по указаниям Бентлея, Котс устранил из книги все, что могло поколебать веру в бога. После такого «редактирования» книга Ньютона заметно изменилась. Теперь Ньютон, может быть даже против своей воли, доказывал, что цель науки — это… познание «премудрости божьей».

В результате всех переделок в книге Ньютона получилось так, что природа мертва, неподвижна, инертна, а жизнь и движение ей будто бы сообщает бог, который обитает в безвоздушном межпланетном пространстве.

Умер Ньютон, окруженный всеобщим почетом, в ночь с 20 на 21 марта 1727 года. Это был бесспорно один из величайших гениев человечества, но и на его научную деятельность наложила свой отпечаток эпоха, в которую он жил.

Так через заблуждения и ошибки, сквозь туман церковных суеверий и догм пробивала себе путь наука о движении.

Аристотель, Галилей, Ньютон и многие другие ученые неустанным трудом, кропотливыми поисками, смелыми теориями обогащали ее. Но и у них также бывали заблуждения, иногда, как у Аристотеля, очень значительные. Ведь каждый из них был сыном своего века, своего социального строя.

Со времени Ньютона прошло много лет. В сложном процессе познания мира наука продвинулась далеко вперед. Механика, основы которой заложили великие ученые Аристотель, Галилей и Ньютон, разрослась сказочно. На ее базе выросли такие науки, как теоретическая механика, сопротивление материалов, гидравлика, аэро-, гидро- и газодинамика и множество других.

Появилось много новых теорий, среди которых основа современной науки — теория относительности Эйнштейна. Ученые сумели проникнуть в глубины мельчайших частичек материи и установить многие законы их взаимодействия.

Но эта многолетняя и всесторонняя проверка только подтвердила правильность трех основных законов движения, носящих имя Ньютона.