Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Ну, а обыкновенная комнатная лаборатория, поле под открытым небом — инерциальные это системы или нет? Строго говоря, нет, отдельные участки земной поверхности с расположенными на них физическими приборами — неинерциальные системы. Ведь Земля вращается вокруг своей оси, а система, движение которой относительно инерциальной системы (в данном случае Галактики) имеет вращательную часть, уже не является инерциальной. Эта неинерциальность характеризуется появлением центробежных сил, зависящих от скорости вращения.

Тем не менее для очень многих опытов можно неинерциальностью Земли пренебречь: за одну секунду наша планета поворачивается всего на 1/240 долю градуса, или на 0,00007 радиана, а это не так много.

Иногда, однако, требуется точность более высокая, чем можно этого добиться в условиях земной системы отсчета, считая ее инерциальной. В таких случаях ищут более подходящую, более инерциальную систему. Коперник пользовался системой, центром которой была не Земля, а Солнце. Все же и она не является вполне идеальной. Ведь наше Солнце всего лишь одна из ста миллиардов звезд Галактики, а это звездное скопление вращается относительно своей центральной части со скоростью один оборот в 180 миллионов лет. Солнечная система находится сравнительно далеко от центра вращения Галактики (примерно в двух третях радиуса Галактики). Однако она тоже вращается вокруг оси, проходящей через этот центр, с окружной скоростью 250 км/сек. Значит, Солнечная система неинерциальна. Только в данном случае неинерциальность, конечно, совсем ничтожна. Можно высчитать, что система «Солнце» инерциальнее системы «Земля» в 100 миллиардов раз. Куда уж точнее!

Впрочем, бывает, что и инерциальность галактической системы не удовлетворяет астрономов. Тогда они принимают инерциальную систему: «несколько галактик». В этом случае они ориентируются не на одну нашу, пишущуюся с большой буквы, Галактику, но и на окружающие ее другие звездные острова.

Более инерциальных систем мы не знаем.

Находясь в инерциальной системе, легко обнаружить появление новой силы: закачалась люстра, упал стакан, зазвучал вдруг сам собой рояль… Еще не зная, что произошло, вы знаете уже точно, что какая-то внешняя сила вторглась в ваш мирок, в вашу инерциальную систему. Может быть, это осела почва, может быть, просто в открытое окно ворвался сильный поток воздуха; проехавший мимо грузовик мог вызвать неслышимое колебание фундамента, частично обратившееся, по закону резонанса, в слышимое колебание рояльных струн.

Но не только появлением нового движения проявляет себя сила. В общем случае, как утверждает повседневный опыт, сила проявляет себя четырьмя способами: вызывая или прекращая движение, изменяя направление движения (например, заставляя тело двигаться по кругу), изменяя форму тела.

Из этих четырех проявлений силы лишь последнее может быть легко измерено. На помощь здесь приходит так называемый закон Гука (по имени соотечественника Ньютона — Роберта Гука, жившего с 1636 по 1703 год и открывшего этот закон). Закон Гука гласит:

Если деформирующееся тело не выходит за пределы упругости (иначе говоря, после прекращения действия силы возвращается в исходное состояние), то деформация тела прямо пропорциональна приложенной силе.

Например, если доска через ручей под тяжестью второго мальчика прогнулась в полтора раза больше, чем под тяжестью первого, значит, второй мальчик тяжелее первого ровно в полтора раза.

Справедливость закона Гука легко проверяется с помощью обыкновенных пружинных весов. Они как раз основаны на этом законе: указатель опускается на число делений вдвое, втрое, вчетверо больше, если удваивать, утраивать, учетверять груз.

Как же по возникающим эффектам измерять величину силы в остальных трех случаях? Это было очень трудно, пока Ньютон не сформулировал своего второго закона движения:

Действующая на тело сила равна произведению массы тела на его ускорение.

Но что такое масса тела и что такое ускорение?

О массе. Иногда говорят (даже физики), что масса — это количество вещества в теле. Однако понятие «количество вещества» звучит довольно-таки неопределенно, туманно.

Мы не будем здесь пытаться дать точное определение массы — это заставило бы нас обратиться к некоторым более специальным и сложным рассуждениям. Отметим только, что масса тела характеризует его инерционность. Чем больше масса, тем большая сила нужна для данного изменения скорости тела за данное время или тем медленнее изменяется скорость под действием данной силы.

В практической жизни массы и их величины занимают нас гораздо больше, чем мы себе это обычно представляем. Мы приходим, например, в магазин и просим продавца взвесить нам килограмм сосисок. В действительности, мы заказываем не вес, а массу сосисок. Вес в данном случае нас совсем не интересует, нам важно фактическое «количество вещества», то есть нечто неизменное, а вес — это переменная величина, случайный показатель.

Весом тела называется сила притяжения тела Землей (или другим небесным телом), он может быть измерен пружинными весами. А сила веса, как показывает опыт, на Земле разная: она увеличивается в точках планеты поближе к ее центру (например, на уровне моря у полюса, который из-за сплюснутости Земли ближе к земному центру) и уменьшается в точках более далеких (на экваторе, на вершинах гор). Килограмм сосисок, купленный в магазине в Москве, прибавил бы в весе граммов на десять в лагере «Мирный» в Антарктиде; зато он же на грамм «похудел» бы на вершине Эвереста, а на экваторе тот же килограмм весил бы на пять граммов меньше, чем в Москве.

Все это мы могли бы проверить одними и теми же пружинными весами. Только человек, забывший физику, напрасно в двух последних случаях винил бы московского продавца. Космонавт мог бы купленные сосиски взять с собой; в полете они совершенно потеряли бы вес, но это не помешало бы ему с аппетитом питаться ими. Для него важна масса, а она, в отличие от веса, не уменьшается и не увеличивается.

Массу можно измерить, не задумываясь над географией и другими внешними обстоятельствами. Только весы надо брать не пружинные, где измеряется непостоянная сила тяжести, а с коромыслом, где измерение производится путем сравнения неизвестной массы с массой того или иного количества эталонных (то есть образцовых) единиц, иначе говоря, гирь.

В большинстве стран мира, в том числе и у нас, за единицу массы принимают грамм или килограмм (1000 граммов). Один грамм, как известно, есть масса кубического сантиметра воды при температуре 4 градуса. Водой при определении массы неизвестного тела пользоваться неудобно, поэтому сделали в виде цилиндра металлический эталон, равноценный массе литра воды при 4 градусах. Договорились, что этот эталон будет служить исходной меркой для всех других эталонов и гирь. В настоящее время он хранится в подвале Международного бюро мер и весов близ Парижа, а СССР обладает его копией № 12.

Ну, а как быть с неправильным употреблением слова «взвешивание», из-за которого массу и вес все время путают? Что придумать? Может быть, издать декрет, по которому вместо «взвесьте мне» говорили бы «взмассьте мне» или что-нибудь в этом роде?

Такой декрет делу не поможет, потому что путаница, как назло, увеличивается еще и тем, что вплоть до самых последних лет (часто и поныне) вес и массу измеряли в одних и тех же единицах: граммы и фунты служили одинаково для измерения того и другого.

Сперва, правда, иногда к названию единицы прибавлялось то, что подразумевалось измерять: говорили не просто «грамм» или «килограмм», а «грамм-масса», «килограмм-масса», «килограмм-вес» и т. д. Килограмм массы обозначался сокращенно кг, а килограмм силы или веса кГ. Но этого все же было мало. Недавно по договоренности между учеными многих стран, в том числе и нашей, была введена (с 1 января 1963 года) новая «Международная система единиц» — СИ, которая устранила эту путаницу. Массу в этой системе договорились измерять, как и было, в килограммах, а силу — в новых единицах: ньютонах (сокращенно н).

Один ньютон — это сила, которая сообщает массе в 1 килограмм (кг) ускорение 1 метр в секунду в квадрате.

Если выразить новую единицу силы в основных единицах длины, времени и массы — установить, как говорят, ее размерность, — то получается: н = кгм/сек2.

Не трудно ли будет людям отвыкнуть от прежних единиц и перейти к ньютону?

Никаких оснований для этих опасений нет. Надо запомнить одно: 1 килограмм силы (кГ) равен 9,80665, или приблизительно 9,8 ньютона (а еще приблизительнее: 1 кГ = 10 н), а 1 ньютон — 0,101971 килограмм-силы, приблизительно 0,1 кГ.