Новая занимательная астрономия - Страница 26

Бывает ли движение по инерции?

Очень важную роль в понимании движений небесных тел, в частности планет Солнечной системы, сыграло открытие Галилеем закона инерции.

В те времена, когда этот закон был еще неизвестен, великий Кеплер, пытаясь найти причину, заставляющую планеты безостановочно обращаться вокруг Солнца, искал загадочную силу, подталкивающую планеты и не дающую им остановиться.

Теперь хорошо известно, что круговое движение планет складывается из двух движений — прямолинейного и равномерного движения по инерции и падения на Солнце под действием солнечного притяжения.

Но вот несколько неожиданный вопрос: существует ли в реальном мире движение по инерции?

На всю жизнь запомнился мне поучительный случай. Я тогда учился в школе, кажется, в восьмом классе, и мы проходили на уроках физики три закона Ньютона.

На заключительное занятие наш учитель, человек изобретательный и отлично знавший физику, пришел с проекционным фонарем и коробкой диапозитивов.

— Сейчас я буду показывать картинки, — сообщил он. — На них изображены различные ситуации. А вы должны внимательно в них всматриваться и говорить, какой из трех законов Ньютона в них проявляется. Начнем…

На экране появилась первая картинка. Бегущий мальчик зацепился за камень и стремительно падает, выставив вперед руки.

— Итак, о каком законе Ньютона идет речь?

— О первом, — ответили мы дружным хором.

Рис. 12. Мнимая иллюстрация первого закона Ньютона.

И у нас были основания для подобного ответа: дело в том, что за несколько дней до этого нам попалась на глаза пояснительная записка к комплекту диапозитивов «Три закона Ньютона». Уж не знаю, кем она была составлена, но в аннотации к номеру первому — «падающему мальчику» — говорилось:

«Иллюстрация к первому закону Ньютона — закону инерции. Мальчик на бегу зацепился ногой за камень, но верхняя часть его тела продолжает двигаться по инерции. В результате мальчик падает…» Или что-то в этом роде.

— Допустим, — сказал учитель. И вызвал меня к доске.

Я бодро начал:

— Мальчик на бегу зацепился ногой…

— Так… значит, первый закон?

Я кивнул.

— Хорошо. В таком случае вспомним, как он читается?

— Тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается внешними силами изменить это состояние, — без запинки отбарабанил я ньютоновскую формулировку.

— Верно… А теперь переведем это на привычный физический язык. Если на тело не действуют внешние силы, его ускорение равно нулю. Не правда ли?..

— А покой? — спросил кто-то с места. — Вы о нем ничего не сказали?

— Покой — частный случай движения, когда скорость равна нулю… Итак, о чем же говорит и о чем не говорит первый закон? Он говорит только о том случае, когда силы равны нулю. И ни о чем другом! А если силы не равны нулю — первый закон об этом ничего не «знает».

Это было нечто новое. До того дня мы просто старались запомнить формулировки трех законов и научиться решать задачи. Теперь же первый закон Ньютона как бы приоткрылся для нас и с другой своей стороны. Вдруг мы поняли, что «падение мальчика» на картинке не имеет к первому закону ровным счетом никакого отношения.

В самом деле, мальчик зацепился ногой за камень. Но ведь это значит, что на него подействовала сила и в движении мальчика появилось ускорение. С этого момента его движение перестало быть равномерным и прямолинейным… Действительно, первый закон о таком случае ничего сказать не может.

А из всего этого следует важный вывод. О движении по инерции можно говорить только тогда, когда на данное тело не действуют абсолютно никакие силы. Или хотя бы равнодействующая всех сил равна нулю.

Довольно часто приходится слышать такие высказывания: «Двигатели выключились, и ракета продолжала движение по инерции», «Шофер затормозил, но машина по инерции продолжала скользить по ледяной поверхности дороги».

Правомерны ли подобные выражения? Пожалуй, только в литературном смысле. В действительности же и ракета после выключения двигателей, и автомобиль после начала торможения двигались ускоренно. В первом случае это ускорение (положительное или отрицательное) ракете сообщила сила притяжения Земли, во втором — отрицательное ускорение машине сообщила сила трения между протекторами колес и полотном дороги.

Если встать на абсолютно строгую точку зрения, то вряд ли вообще в природе можно указать хотя бы один случай движения «по инерции» в чистом виде, в точном соответствии с первым законом Ньютона. Ведь на любой объект, где бы он ни находился, всегда действуют силы притяжения множества небесных тел.

Речь может идти лишь о таких случаях, когда допустима известная идеализация, т. е. силы, действующие на данное тело, столь незначительны, что практически не оказывают на его движение никакого влияния.

Но без этой существенной оговорки первый закон Ньютона в природе практически никогда не выполняется — это лишь крайний, предельный случай ускоренного движения.

Орбитальные парадоксы

Как мы уже знаем, в основе движения небесных тел лежат законы Кеплера и закон тяготения Ньютона. Эти законы сделались настолько привычными, что невольно может сложиться впечатление, будто в движении космических объектов многое можно предугадать и без расчетов, так сказать, качественно, исходя из физического содержания вышеупомянутых законов. Иногда это в самом деле неплохо удается. Однако в ряде случаев расчеты приводят к результатам, совсем не похожим на те, которые казались нам чуть ли не очевидными…