DjVu

      Дорогие ребята! Хотите ли вы принять участие в открытии законов механики? В этом вам помогут забавные персонажи нашей книги. Вместе с ними вы сможете пройти тем путём, по которому шли великие учёные. Желаем вам интересного путешествия в мир науки!


      СОДЕРЖАНИЕ
      Глава 1. Равновесие и силы 5
      Глава 2. Скорость и ускорение 29
      Глава 3. Законы движения 57
      Глава 4. Всемирное тяготение 81
      Глава 5. Работа и энергия 103
     
      К ЧИТАТЕЛЮ
     
      Приглашаем вас пройти вместе с забавными персонажами по пути, которым шли учёные, открывая законы механики.
      ЕСЛИ ВЫ ЕЩЁ УЧИТЕСЬ, вы сможете познакомиться с физическими явлениями и увидеть их вокруг себя, повторить опыты, которые ставят герои книги, а главное — посмотреть на окружающий мир глазами человека, который знает некоторые секреты устройства этого мира. Эти-то секреты и называются законами природы!
      ЕСЛИ ВЫ УЖЕ УЧИТЕ, то вам и решать, как лучше использовать книгу: на уроках или в кружке. Может быть, ваши ученики захотят сами продолжить приключения героев книги, и они откроют другие законы физики: учебный комикс — хорошая форма творческой фантазии.
      Кто бы вы ни были — ученик или учитель, желаем вам хорошего настроения!
      Mac зовут Фант, Азор, Крит и Тик. Мы живём в одном городе, в одном доме и даже в одной квартире. Живём мы дружно, хотя со стороны может показаться, что слишком часто спорим. Кое-кого из нас порой называют фантазёрами, а кое-кого — критиками.
      Иногда наши споры бывают полезными, и тогда нам удаётся кое в чём разобраться. Например, нам удалось открыть (правда, с небольшим опозданием — когда на две тысячи лет, когда всего на триста) основные законы механики. Мы расскажем вам об этом — может быть, и вы захотите принять участие в наших поисках?
     
      РАВНОВЕСИЕ И СИЛЫ
      КАК АРХИМЕД СРАЖАЛСЯ С РИМСКОЙ АРМИЕЙ
     
      Н а шестидесяти больших кораблях, доверху гружённых оружием, римская армия под предводительством опытного полководца Марцелла направлялась к городу Сиракузы. В то время этот большой портовый город на острове Сицилия был одним из греческих государств.
      Марцелл намеревался напасть на город с суши и с моря: восемь кораблей были связаны друг с другом, и на них стояла огромная осадная машина. Жители Сиракуз онемели от страха: они не представляли, как можно противостоять такой грозной силе.
      Но в Сиракузах жил тогда знаменитый математик и механик Архимед.
      Однажды Архимед поведал царю Сиракуз, что мог бы один поднять любую тяжесть. Больше того, он утверждал даже, что мог бы сдвинуть самую Землю, если бы рядом была другая Земля, на которую можно стать! Царь очень удивился
      и попросил Архимеда продемонстрировать своё могущество. Тоща Архимед приказал загрузить большой корабль, с трудом вытащенный на берег многими людьми, и посадить на него весь экипаж. Затем он привязал к кораблю прочный канат, сел в отдалении и начал крутить ручку изобретённого им механизма. И, к всеобщему удивлению, корабль двинул-АРХИМЕД ся к Архимеду так ровно,
      будто поплыл по морю.
      Царь тут же потребовал, чтобы отныне все верили каждому слову Архимеда, и попросил его соорудить, используя своё искусство, машины для обороны города при любой осаде.
      И теперь, когда римляне осадили Сиракузы, Архимед привёл в действие свои боевые машины. В римских воинов с оглушительным грохотом полетели громадные камни — они опрокидывали целые ряды воинов, и войско приходило в полный беспорядок.
      На море же творилось нечто невообразимое: из-за городских стен появлялись огромные железные лапы, они хватали корабли за носы, поднимали в воздух и опускали кормой в
      Может быть, так выглядела машина Архимеда, которая захватывала и опрокидывала корабли.
      К сожалению, чертежей этой машины не сохранилось (наверное, это была военная тайна).
      воду. Нередко представлялось ужасное зрелище: судно, высоко поднятое над морем, раскачивалось в воздухе до тех пор, пока весь его экипаж не выбрасывался вон, а затем, пустое, разбивалось о прибрежные скалы.
      Осадная машина на восьми кораблях не успела даже приблизиться к городским стенам, как оттуда один за другим
      полетели целые обломки скал — они вдребезги разбили осадную машину и проломили палубы судов.
      И Марцелл отступил — как на море, так и на суше.
      — Не можем мы,— сказал он с невесёлой усмешкой,— воевать с математиком, который, подобно сторукому великану, поднимает вверх суда с моря и бросает в нас скалами!
      И действительно, семидесятипятилетний Архимед один был душою обороны: он приводил свои машины в движение
      Рисунок, сделанный с древнегреческой мозаики. Римский солдат требует, чтобы Архимед немедленно шёл с ним к Марцеллу. Архимед просит подождать, пока он закончит решение задачи. Архимеду остаётся жить несколько минут.
      и руководил защитой города. Римляне были так напуганы, что стоило показаться над городской стеной канату или бревну, как все кричали, что Архимед направляет на них свою машину, и в ужасе ударялись в бегство.
      И всё-таки после долгой осады в 212 году до нашей эры Марцеллу удалось овладеть городом: жители Сиракуз чрезмерно увлеклись праздником в честь любимой богини Артемиды, и ночью римляне бесшумно поднялись на стены и перебили опьяневшую стражу.
      Архимед сидел, погружённый в размышление над геометрическим чертежом, как вдруг перед ним появился римский воин и потребовал немедленно идти с ним к Марцеллу. Архимед ответил, что должен сначала решить задачу. И тогда взбешённый воин выхватил меч и убил Архимеда.
     
     
      СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ
      КАК ГАЛИЛЕЙ БРОСАЛ ШАРЫ С БАШНИ
     
      Гэозле знаменитой наклонной башни в итальянском городе Пизе столпились студенты университета — они с интересом смотрели, как их преподаватель бросает с башни разные шары. Не часто приходилось студентам видеть преподавателей за подобными занятиями. Звали молодого преподавателя Галилео Галилей, и было это четыреста лет тому назад.
      Студенты наблюдали за Галилеем, а Галилей — за падением шаров: он ставил первый физический ОПЫТ в истории человечества. До этого учёные делали только НАБЛЮДЕНИЯ, а затем строили довольно сложные теории для их объяснения. Так поступал великий учёный древности Аристотель, так поступали и современники Галилея, жившие через две тысячи лет после Аристотеля.
      Аристотель видел, что тяжёлые предметы падают быстрее, чем лёгкие: камень падает быстрее, чем цветок. И Ари-
      Знаменитая пизанская наклонная, или «падающая» башня. Она, к счастью, стоит до сих пор, оставаясь прекрасным памятником архитектуры Возрождения и памятником науки — здесь был поставлен первый физический опыт.
      стотель построил теорию, согласно которой чем тяжелее тело, тем быстрее оно должно падать — во столько же раз быстрее, во сколько раз оно тяжелее. Эта теория просущест-
      вовала две тысячи лет, до тех пор, пока Галилей не заметил, что она сама себе противоречит!
      Возьмём, сказал Галилей, ДВА тела, лёгкое и тяжёлое, свяжем их вместе и бросим с высоты. Если лёгкое тело действительно падает медленнее, чем тяжёлое, оно должно «притормаживать» падение тяжёлого тела, и поэтому связка двух тел должна падать медленнее, чем одно тяжёлое тело. Но ведь связку ГАЛИЛЕЙ
      можно считать ОДНИМ телом,
      ещё более тяжёлым, и, значит, связка должна падать не медленнее, а наоборот, быстрее, чем одно тяжёлое тело!
      И тогда Галилей решил ПРОВЕРИТЬ НА ОПЫТЕ, как же в действительности будут падать тела разного веса: пусть ответ на этот вопрос даст сама природа. Он изготовил два шара одинакового размера — один свинцовый, другой деревянный, и сбросил их с пизанской башни. Оба шара упали почти одновременно!
      Но почему же тогда камень падает быстрее, чем цветок? Галилей догадался, что дело в различном сопротивлении воздуха: «если устранить сопротивление воздуха,— писал он,— все тела падали бы одинаково».
      Одинаково, но как именно? Падение происходит так быстро, что невозможно провести тщательные измерения. И Гали-
      Так, судя по описаниям, могло выглядеть «лабораторное оборудование» Галилея, с помощью которого он изучал движение по наклонной плоскости. Роль часов исполняло ведёрко с водой: по весу вылившейся воды Галилей определял время.
      лей догадывается, как можно «замедлить» падение: он начинает изучать скатывание шаров по наклонной плоскости.
      Чтобы уменьшить трение, Галилей полировал шары и оклеивал желоба, по которым скатывались шары, гладким пергаментом. Механических часов тогда ещё не было, и Галилею приходилось измерять время с помощью водяных часов: он сделал маленькое отверстие в дне ведёрка, пропустил через него тонкую трубку и закрывал эту трубку пальцем, когда шар докатывался до отметки. А потом на точных
      весах взвешивал, сколько воды успело вылиться через трубку. Представьте себе, сколько времени занимало каждое измерение! Вот как были открыты законы равноускоренного движения — те самые, которые изучают сегодня в школах всего мира.
      Кстати, главное открытие, благодаря которому впоследствии были изобретены механические часы, тоже сделал Галилей. Как-то во время церковной службы он присмотрелся к тому, как раскачивается большая люстра под сводом собора, и заметил, что период колебаний (то есть время одного колебания) не зависит от размаха колебаний! Это и было открытием главного свойства маятника — сердца любых механических часов.
     
     
      ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ
      КАК ПЛАНЕТЫ ПОМОГЛИ ОТКРЫТЬ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ
     
      В прошедшие века, когда телевизора ещё не было, люди смотрели в ночное небо: движение ночных светил завораживало их, и могучая фантазия рождала прекрасные мифы о богах.
      Рисунок на древнегреческой вазе: бог солнца Гелиос летит по небу на колеснице, запряжённой крылатыми конями.
      Пусть эти мифы были наивны, но ведь это были первые попытки ОБЪЯСНИТЬ движение светил! А объяснять нужно было для того, чтобы уметь ПРЕДСКАЗЫВАТЬ: например, мореплаватели, многие дни не видевшие земли, только по положению звёзд и планет могли узнать, где они находятся и куда им надо плыть.
      Объяснить движение Солнца и Луны было несложно: всякому видно, что они просто вращаются вокруг НЕПОДВИЖНОЙ Земли. Так же вращается вокруг Земли и «звёздная сфера» с прикреплёнными к ней звёздами. Но вот планеты почему-то движутся по небу весьма прихотливо: порой останавливаются, поворачивают назад и описывают какие-то странные петли! Это «своевольное» движение действительно напоминало прихоти человекоподобных божеств — недаром у древних греков и римлян именно планеты названы именами главных богов! Пытаясь объяснить такое причудливое движение планет, астрономы придумывали очень хитроумные теории: якобы планеты, вращаясь ВОКРУГ ЗЕМЛИ, совершают ещё дополнительные, довольно сложные вращения.
      Но однажды польский монах Николай Коперник заметил, что расчёт движения планет значительно упрощается,
      КОПЕРНИК
      если считать, что все планеты, В ТОМ ЧИСЛЕ И ЗЕМЛЯ, вращаются вокруг неподвижного Солнца! И тогда не нужно вводить никаких дополнительных вращений: картина мира становится удивительно простой и ясной.
      Однако предположение Коперника сразу же натолкнулось на очень серьёзные возражения. Разве не противоречит
      Старинный рисунок, на котором изображена система Коперника-Галилея: в центре находится Солнце, а Земля движется вокруг него. Смена дня и ночи происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси.
      движение Земли, опоры наших домов, повседневному опыту? Разве можем мы НЕ ЧУВСТВОВАТЬ движения Земли?
      Первым, кто понял, что никаких противоречий тут нет, был Галилей. Он открыл, что любое движение является ОТ -НОСИТЕЛЬНЫМ, то есть движение любого тела должно рассматриваться только по отношению к ДРУГИМ телам. И если, например, два корабля движутся один относительно другого равномерно и прямолинейно, то пассажиры любого из них могут считать, что их корабль покоится, а другой корабль движется. Отсюда следовал очень важный вывод: для сохранения движения не нужна сила — раз начавшись, оно может продолжаться «само по себе» жоль угодно долго! Так, в попытке понять движение планет, был открыт закон инерции, первый из законов движения.
      Второй закон движения также обязан своим рождением движению планет. Открыл его другой великий учёный, англичанин Исаак Ньютон. Изучая движение планет, он открыл даже сразу два закона: закон, связывающий силу и ускорение, и закон всемирного тяготения (о нём мы расскажем в следующей главе).
      Третий закон движения открыл голландский учёный Гюйгенс.
      НЬЮТОН
      Сегодня эти три закона называют «законами Ньютона», потому что именно Ньютон соединил их вместе и показал, что эти три закона позволяют решить любую механическую задачу. Он сам не называл эти законы своим именем, наоборот, он говорил, что «стоял на плечах гигантов», то есть опирался на труды великих учёных — его предшественников.
      Три закона Ньютона описывают не только движение планет — они описывают движение всего, что нас окружает — даже движение молекул газов! Пожалуй, нет других законов, которые формулировались бы так просто и объясняли бы так много!
     
     
      ВСЕМИРНОЕ ТЯГОТЕНИЕ
      КАК БЫЛ ОТКРЫТ ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ
     
      В 1665 году в Англии разразилась эпидемия чумы. Спасаясь от неё, двадцатитрехлетний Ньютон вынужден покинуть университет, который он только что окончил, и на целых два года поселиться в своей родной деревне.
      Никто и никогда за всю человеческую историю не открыл так много, как молодой Ньютон за эти два года, проведённых в деревенской глуши.
      — В то время я был в расцвете своих изобретательских сил и думал о математике и физике больше, чем когда-либо после,— вспоминал он.
      Вот что сделал тогда Ньютон:
      — разложил с помощью призмы солнечный свет в разноцветный спектр, открыл, что белый цвет — составной, и построил теорию цветов,
      — открыл дифференциальное и интегральное исчисление — совершенно новые разделы математики,
      Дом, в котором родился Ньютон и где он провёл в молодости два года, спасаясь от чумы. Именно тогда в этом скромном деревенском доме и были сделаны величайшие открытия.
      — открыл закон всемирного тяготения,
      — открыл важнейший закон движения, который называется теперь «вторым законом Ньютона»,
      — собрал все три закона движения воедино и, добавив к ним открытый им закон всемирного тяготения, объяснил движение всех планет солнечной системы.
      Современники считали, что Ньютон построил картину мира.
      — А сделать это можно только один раз! — говорил один известный учёный.
      Ньютон рассказывал, что мысль о тяготении пришла ему в голову, когда он, погрузившись в думы, сидел в своём саду под яблоней. И вдруг одно яблоко упало.
      Это Луна, которую видел Ньютон, и яблоко, падение которого навело Ньютона на мысль о всемирном тяготении. Трудно представить себе, что движение огромной Луны и падение маленького яблока подчиняется одному и тому же закону всемирного тяготения!
      — Почему яблоко падает всегда вниз? — задал себе Ньютон очень «простой» вопрос.— Почему оно падает не в сторону, а всегда к центру Земли? И не только яблоко, ВСЕ предметы падают по направлению к центру Земли. Значит, существует некая «притягательная сила», сосредоточенная в Земле. Но тогда эта сила есть в ЛЮБОМ предмете: ведь если Земля притягивает яблоко, то и яблоко притягивает Землю! Может быть, сила, подобная той, которую мы называем тяжестью, простирается по всей вселенной?
      И Ньютон начал думать о тяготении, простирающемся до орбиты Луны. Может быть, тяготение влияет на движение Луны? Может, оно-то и удерживает Луну на орбите? Ведь если бы на Луну не действовали никакие силы, она двига-
      лась бы по прямой линии, а не по окружности, и давным-давно улетела бы от Земли!
      Ньютон произвёл первые расчёты. Чтобы объяснить движение Луны, ему пришлось предположить, что сила тяготения Земли убывает с расстоянием так, что если расстояние увеличивается, скажем, в два раза, сила уменьшается в четыре раза, а если расстояние увеличивается в десять раз, то сила убывает в сто раз (в таком случае говорят, что сила обратно пропорциональна квадрату расстояния).
      На этом рисунке из старинной книги изображена одна из первых попыток преодолеть земное тяготение: стреляют из пушки, направленной вертикально вверх. «Упадёт ли оно обратно?» написано на рисунке. Нашлись смельчаки, которые действительно поставили такой опасный опыт, и... ядро обратно не упало! Связано это было, конечно, с тем, что выставить дуло пушки строго вертикально очень трудно, и поэтому ядро падало далеко от пушки.
      Рисунок из знаменитой книги Ньютона «Математические начала натуральной философии». На нём показано, как будет двигаться ядро из «боль-шой-большой пушки», поставленной на «высокую-высокую гору», если скорость ядра будет увеличиваться. Это—первое предсказание искусственных спутников Земли.
      — Может быть, та же самая сила тяготения удерживает и планеты на орбитах при их обращении вокруг Солнца? — предположил далее Ньютон.— И убывает она по тому же самому закону...
      Когда Ньютон произвёл расчёты, он первый из всех людей понял законы движения планет.
     
     
      РАБОТА И ЭНЕРГИЯ
      КАК БЫЛ ОТКРЫТ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
     
      В 1840 году двадцатишестилетний врач Роберт Майер во время стоянки корабля делает кровопускание матросу, которому стало плохо от жары — дело происходит на острове Ява, который славится жарким климатом. Майер вскрывает больному вену и... в ужасе обнаруживает, что течёт не тёмная кровь, а ярко-красная! Неужели он ошибся и попал не в вену, а в артерию? (Дело в том, что по сосудам у нас течёт кровь разного цвета: по артериям кровь идёт от сердца, она наполнена кислородом и имеет поэтому алый цвет, а по венам идёт кровь к сердцу, это уже «отработавшая» кровь, в которой осталось мало кислорода, поэтому цвет у неё тёмно-красный.) Однако местные врачи успокаивают Майера: здесь, в тропиках, говорят они, кровь у людей в венах становится почти такой же ярко-красной, как в артериях.
      «Почему же так происходит? — задумывается Майер.— Может быть, дело в жарком климате: температура воздуха
      здесь почти равна температуре человеческого тела. Поэтому у организма нет необходимости расходовать силу на поддержание температуры тела. Вот кислород и остаётся в крови: силу ведь даёт именно сгорание кислорода. Значит, сила имеет свойство сохраняться: она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего».
      Так судовой врач делает величайшее открытие, которое имеет отношение не только к медицине, но вообще к ЛЮ-
      МАЙЕР
      Может быть, так выглядел корабль, на котором в первой половине прошлого века судовой врач Роберт Майер сделал великое открытие — открыл закон сохранения энергии.
      БЫМ процессам, происходящим в живой и неживой природе — Майер открывает ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. (В то время энергию ещё называли силой.)
      Развивая свою идею, Майер изучает все известные ему превращения энергии — кинетической в потенциальную и обратно (при подъёме тела, брошенного вверх, и его падении) , механической энергии в тепло (при трении), тепла в механическую энергию (в тепловых двигателях), рассматривает электрическую и химическую энергию. Он догадывается, что источником запасов энергии на Земле является Солнце: «Свет Солнца, превращаясь в тепло, порождает движения в атмосфере, превращает воду в поднимающийся пар, который потом превращается в облака, что порождает течение реХ...» Он догадывается даже о преобразовании энергии солнечного света растениями: «Природа поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на землю свет и накопить подвижную силу, превратив её в неподвижное состояние. Для этого она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет, что порождает в них сложные химические реакции. Этими организмами являются растения.»
      И наши основные источники энергии сегодня, нефть и уголь — это не что иное, как остатки древнейших растений, покрывавших нашу Землю сотни миллионов лет назад!
      Независимо от Майера, но на несколько лет позднее его закон сохранения энергии был открыт ещё двумя учёными — англичанином Джеймсом Джоулем и соотечественником Майера
      ДЖОУЛЬ ГЕЛЬМГОЛЬЦ
      немцем Германом Гельмгольцем. Кстати, Гельмгольц, как и Майер, был врачом, а Джоуль по профессии был пивоваром...
      Джоуль первым точно измерил, сколько механической энергии необходимо перевести в тепло, чтобы нагреть определённое количество воды, то есть нашёл, как говорят, «механический эквивалент теплоты». Он был так увлечён исследованием превращения механической энергии в тепло, что даже после свадьбы, во время медового месяца ходил с молодой женой к водопаду, чтобы измерить, насколько нагрелась вода при ударе о камни!
      Закон сохранения энергии учёные считают теперь важнейшим из всех законов физики.