Законы движения

Но разве вес поезда и его масса зависят от того, стоит он или едет? Вес поезда тут ни при чем, беда кроется в том, что, когда поезд остановился, силы трения покоя словно вцепились во все колеса, во все оси и держат их. Чтобы преодолеть это трение, нужна большая сила тяги — гораздо больше той, какая требуется, чтобы везти поезд, поддерживать его скорость постоянной. Трение покоя больше трения скольжения.

Машинисту надо побороть трение покоя. Он говорит:

— Я его сейчас перехитрю, — и дает тихий задний ход.

Паровоз пятится, и вагоны один за другим по очереди начинают двигаться назад: преодолеть трение покоя одного вагона, конечно, легче, чем иметь дело со всем составом сразу.

Но почему вагоны двигаются поодиночке? Когда паровоз дернул поезд вперед, все сцепные крюки и приспособления были растянуты.

Машинист осаживает поезд на небольшое расстояние, он только сближает вагоны, заставляя буферные пружины сжиматься. Последние вагоны обычно остаются на месте, выполняя роль упора и удерживая все буферные пружины между вагонами в сжатом состоянии.

Затем машинист сразу же дает передний ход. Теперь уже паровоз тянет не весь поезд целиком — он сдвигает вагоны поочередно, потому что они сближены и могут отодвинуться друг от друга на длину сцепных крюков. Благодаря этому паровоз получает возможность преодолевать трение покоя вагонов поодиночке.

В исключительных случаях, когда приходится брать с места очень тяжелый состав, к поезду подходит второй паровоз — толкач — и помогает своему собрату справиться с трением покоя.

Невидимый тормоз

Каждый велосипедист, мотоциклист, шофер, машинист, летчик или капитан корабля знает, что у его машины есть предельная скорость, превысить которую не удается никакими усилиями. Можно сколько угодно нажимать на педаль акселератора автомобильного двигателя, но «выжать» из машины лишний километр в час невозможно.

Автомобиль «Победа» имеет двигатель мощностью в пятьдесят лошадиных сил. Когда водитель нажимает акселератор до отказа, коленчатый вал двигателя начинает делать три тысячи шестьсот оборотов в минуту. Поршни как сумасшедшие мечутся вверх и вниз, подскакивают клапаны, вертятся шестеренки, а автомобиль движется хотя и очень быстро, но совершенно равномерно, и вся сила тяги двигателя уходит на преодоление различного трения.

Вот, например, как распределяется сила тяги двигателя между его «противниками» — разными видами трения при скорости автомобиля сто километров в час: на преодоление трения в подшипниках и между шестеренками расходуется около шестнадцати процентов силы тяги мотора, на преодоление трения качения колес по дороге — примерно двадцать четыре процента, а на преодоление сопротивления воздуха расходуется шестьдесят процентов силы тяги автомобиля.

Трение скольжения с увеличением скорости немного уменьшается, трение качения изменяется очень незначительно, а вот сопротивление воздуха, совершенно незаметное при медленном движении, становится грозной тормозящей силой, когда скорость возрастает. Воздух оказывается главным врагом быстрого движения. Поэтому кузовам автомобилей, тепловозам, палубным надстройкам пароходов придают округленную, обтекаемую форму, убирают все выступающие части, стараются сделать так, чтобы воздух мог их плавно обегать.

Когда строят гоночные машины и хотят добиться от них наивысшей скорости, то для кузова автомобиля заимствуют форму у рыбьего туловища, а на такую скоростную машину ставят двигатель мощностью несколько тысяч лошадиных сил.

Советский гоночный автомобиль «Звезда».

Но что бы ни делали изобретатели, как бы ни улучшали обтекаемость кузова, всегда за всяким движением, как тень, следуют силы трения и сопротивления среды. И если они даже не увеличиваются, остаются постоянными, все равно машина будет иметь предел скорости.

Объясняется это тем, что мощность машины — произведение силы тяги на ее скорость. Но раз движение равномерное — сила тяги целиком уходит на преодоление различных сил сопротивления.

Если добиться уменьшения этих сил, то при данной мощности машина сможет развить большую скорость.

А так как основным врагом движения при больших скоростях является сопротивление воздуха, то для борьбы с ним конструкторам и приходится так изощряться.

Форма авиационной бомбы.

Предметы, движущиеся в воде — рыбы, подводные лодки, самоходные мины — торпеды и проч., — встречают большое сопротивление своему движению со стороны воды.

С увеличением скорости силы сопротивления воды растут еще быстрее, чем в воздухе. Поэтому и значение обтекаемой формы возрастает. Достаточно взглянуть на форму тела щуки. Она должна гоняться за мелкими рыбешками, поэтому для нее важно, чтобы вода оказывала минимальное сопротивление ее движению.

Форму рыбы придают самоходным торпедам, которые должны быстро поражать неприятельские суда, не давая им возможности уклониться от удара.

Скорость падения

Дождевая капля, падая с высоты облаков под действием силы тяжести, сначала движется ускоренно, но сопротивление воздуха быстро уравновешивает силу тяжести, и весь остальной путь до земли капля совершает уже только по инерции с постоянной скоростью.

Эта скорость в зависимости от величины капли достигает только десяти-двадцати метров в секунду. И это очень хорошо! Если бы дождевые капли не встречали сопротивления воздуха, то их скорость падения достигала бы сотен метров в секунду. Такие капли убивали бы, как пули. Мелкие животные и птицы были бы истреблены, а людям пришлось бы вооружаться железными зонтиками и носить вместо плащей-дождевиков кольчуги и шлемы.

Но крупные тяжелые градины все же падают с большой скоростью. Они выбивают стекла в окнах, уничтожают посевы, вредят фруктовым садам.

При затяжном прыжке парашютист, выбросившись из самолета, первые восемь — десять секунд падает ускоренно. Примерно на десятой секунде падения возросшее сопротивление воздуха полностью уравновешивает силу тяжести.

Если парашютист не раскроет парашюта, то он будет падать с постоянной скоростью, примерно равной шестидесяти метрам в секунду. И, конечно, упав с такой огромной скоростью на землю, он неминуемо должен разбиться.

Раскрывшийся парашют благодаря своей форме зонтика встречает еще большее сопротивление воздуха и резко тормозит падение. Парашютист приземляется уже с безопасной скоростью.

Парашютист в воздухе.

Непростая задача

Помехи, которые встречает каждый движущийся предмет, ученые называют силами трения и силами сопротивления воздуха, воды — словом, той среды, в которой движется предмет. Но что такое эти силы? Откуда они берутся? Есть, например, сопротивление воздуха. Удивительное дело — воздух легок и подвижен, он никому и ничему не мешает, пока скорость движения мала, но стоит лишь ускорить движение, и сопротивление воздуха становится огромным и в высшей степени вредным врагом движения.

Почему это так?

Сопротивлением воздуха прежде всего заинтересовались артиллеристы. Они старались понять, почему пушечные снаряды не так далеко летят, как им хотелось бы. Расчеты показали, что, если бы на Земле не было воздуха, снаряд семидесятишестимиллиметровой пушки пролетел бы не менее двадцати трех с половиной километров [2], а в действительности он падает всего лишь в семи километрах от пушки. Из-за сопротивления воздуха теряется шестнадцать с половиной километров дальности. Обидно, но ничего не поделаешь!

Артиллеристы улучшали пушки и снаряды, руководствуясь главным образом догадкой и смекалкой. Что происходит со снарядом в воздухе, сначала было неизвестно. Хотелось бы посмотреть на летящий снаряд и увидеть, как он рассекает воздух, но снаряд летит очень быстро, глаз не может уловить его движения, а воздух и подавно невидим. Желание казалось несбыточным, но выручила фотография.