Законы движения

Современные ученые установили, что различная плотность веществ объясняется не только тем, что частицы вещества уложены более плотно. Сами мельчайшие частички — атомы — отличаются по весу друг от друга: атомы золота тяжелее атомов меди.

Количество вещества, содержащееся в том или ином предмете, Ньютон назвал массой.

Масса — то общее, что присуще всем без исключения предметам, — все равно, будут ли это черепки от старого глиняного горшка или золотые часы.

Лежит ли какой-нибудь предмет неподвижно, или свободно падает на землю, или качается, подвешенный на нитке, — его масса при всех условиях остается неизменной.

Когда мы хотим узнать, как велика масса предмета, мы взвешиваем его на обычных торговых или лабораторных весах с чашками и гирями. На одну чашку весов кладем предмет, а на другую гири и таким образом сравниваем массу предмета с массой гирь. Поэтому торговые и лабораторные весы можно перевозить куда угодно: на полюс и на экватор, на вершину высокой горы и в глубокую шахту. Всюду и везде, даже на других планетах, эти весы будут показывать правильно, потому что с их помощью мы определяем не вес, а массу.

Иное дело — пружинные весы. Прицепив на крючок пружинных весов какой-либо предмет, мы сравниваем силу притяжения Земли, которую испытывает этот предмет, с силой упругости пружины. Сила тяжести тянет вниз, сила пружины — вверх, и, когда обе силы уравновесятся, указатель весов останавливается на определенном делении. Пружинные весы верны только на той широте, где они изготовлены. Во всех других широтах, на полюсе и на экваторе они будут показывать различный вес. Правда, разница невелика, но она все же обнаружится, потому что сила тяжести на Земле не везде одинакова, а сила упругости пружины, разумеется, остается постоянной.

На других планетах эта разность окажется значительной и заметной. На Луне, например, предмет, весивший на Земле 1 килограмм, потянет на пружинных весах, привезенных с Земли, 161 грамм, на Марсе — 380 граммов, а на огромном Юпитере — 2640 граммов.

Чем больше масса планеты, тем больше и сила, с которой она притягивает тело, подвешенное на пружинных весах.

Поэтому так много весит тело на Юпитере и так мало на Луне.

Первый закон

После того как было установлено различие между массой и весом, Ньютон сформулировал свой первый закон движения, выразив его такими словами: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».

Этот закон с полным правом мог бы носить имя Галилея— ведь открыл его все-таки Галилей, но итальянский ученый не сумел выразить его так четко, ясно и полно, как это сделал Ньютон. История науки присвоила ему название первого закона Ньютона, закона инерции. Он говорит о свойстве всех тел — вещей, предметов, даже самых малых частиц — сохранять свое движение. Это свойство назвали инерцией.

Значит, при отсутствии внешних сил всякое тело сохраняет свой покой или свое движение. Но это относится не только к тому случаю, когда сила не действует на тело.

А телега, которую тянет лошадь?

Она двигается равномерно, хотя на нее и действуют две силы: тяга лошади и трение колес о землю.

Ни с места!

А вот два муравья копошатся возле тяжелой личинки, но личинка ни с места: один муравей тянет ее в одну сторону, а другой — в противоположную. Оба они выбиваются из сил, а личинка спокойно лежит на месте, как будто первый закон Ньютона ее не касается.

В обоих этих случаях на тело действуют две силы, но направлены они в разные стороны и уравновешивают друг друга.

Сила тяги лошади равняется силе сопротивления дороги, силы муравьев также равны между собой. Вот такие силы, равные и противоположно направленные, и называются уравновешенными.

А для тела — что они есть, что их нет — все равно — оно продолжает свое движение.

В первом случае телега движется равномерно; во втором— личинка, которую с двух сторон тащат муравьи, остается на месте.

Силы уравновешены, и оба тела сохраняют свое движение постоянным — ведь покой можно понимать как движение с нулевой скоростью.

Инерция — свойство всего существующего в природе сохранять неизменным свое движение.

В этом и заключается суть первого закона Ньютона.

По инерции

Повседневная жизнь чуть ли не на каждом шагу напоминает о наличии у всех предметов инерции и о связи ее с их массой… Ни одна машина, будь то автомобиль, самолет, паровоз или пароход, не могут сразу, с места, развивать полную скорость. Им обязательно нужен разбег, разгон — некоторое время, чтобы набрать ее. Тяжелые пассажирские самолеты взлетают медленно, с трудом набирая высоту. Легкие спортивные самолеты вследствие меньшей массы взлетают сравнительно легко и быстрее набирают скорость.

Учитывать инерцию приходится и начиная движение, и прекращая его. Никакая машина даже с самыми усовершенствованными тормозами не может остановиться сразу как вкопанная. Велосипедов, мотоциклов или автомобилей с «мертвыми тормозами» не бывает. Чтобы остановить машину, затормозить ее движение, нужно некоторое время, а за это время автомобиль пройдет какое-то расстояние, называемое тормозным путем.

Тормозной путь на хорошей и сухой дороге при скорости автомобиля в сорок километров в час равен примерно десяти-двенадцати метрам. Следовательно, если невнимательный водитель заметит впереди себя препятствие на расстоянии меньшем десяти — двенадцати метров и мгновенно схватится за тормоз, он все равно не избежит аварии, потому что тормоза не успеют полностью погасить скорость автомобиля. Если же дорога скользкая — мокрая или обледеневшая, то машина может разбиться о препятствие. Вот почему водитель обязан быть всегда настороже и помнить об инерции своей машины.

Инерция не только коварный враг неосторожного и неопытного водителя, она — друг умелого. Например, хороший шофер издали оценивает расстояние до препятствия, перекрестка, переезда или остановки и заблаговременно «сбрасывает газ», а то и вовсе выключает двигатель, предоставляя автомобилю спокойно катиться по инерции — ехать «за счет Ньютона», не расходуя в это время ни капли бензина.

Инерция заставляет падать невнимательных людей, когда они идут, не глядя под ноги, и спотыкаются, зацепившись за неровности почвы. Она же валит пассажиров троллейбуса, когда водитель чересчур резко тормозит или рывком берет с места.

Троллейбус резко затормозил.

Инерция заставляет снабжать двигатели маховиками, если эти двигатели обладают неравномерным ходом, и, чем неравномернее ход машины, тем больше и массивнее должен быть маховик.

Инерция вместе с силой тяжести заставляет раскачиваться маятники часов, и она же позволяет хозяйкам выколачивать пыль из мягких вещей.

Такие сравнительно неуклюжие машины, как танк, способны «прыгать» через препятствие. Предварительно разогнанная до большой скорости машина по инерции перелетает через ров или обрыв.

Инерцию человечество знало давным-давно, но суть этого явления стала понятна, когда его изучил Галилей, а за ним Ньютон облек в форму закона.

ВТОРОЙ ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ

Глава четвертая

поясняет, что всякое изменение количества движения зависит от величины приложенной силы и от времени ее действия

Сила изменяет скорость

Своим первым законом движения Ньютон определил, что происходит с предметом, если действующие на него силы уравновешены.