Нурбей Гулиа - Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах

• Название: Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах
• Автор: Нурбей Гулиа
• Жанр: Физика

В увлекательной форме автор пособия рассказывает о парадоксах механики, приводит примеры и решает задачи, задает непростые вопросы и отвечает на них, объясняя физическую суть привычных явлений, изучаемых в школьном курсе механики.

Для учителей общеобразовательных школ.

---

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?