Текст книги "Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах"

Нурбей Владимирович Гулиа
Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах

Предисловие

Это пособие разработано в помощь преподавателям физики средней школы.

Приведенные в книге нетрадиционные, а порой и парадоксальные сведения по основному разделу физики – механике – должны повысить интерес школьников к изучению дисциплины, побудить к творческому мышлению, предметным дискуссиям с товарищами и преподавателями.

Материал пособия представлен в форме вопросов и ответов. Он может использоваться на уроке во время изложения новых сведений или проведения дискуссии, а также задаваться на дом для самостоятельного поиска решения.

Парадоксы механики, несомненно, привлекут внимание даже самых инертных учеников. Возможно, некоторые вопросы окажутся слишком сложными для учеников обычной, неспециализированной школы, но автор надеется, что в этом случае сам учитель с интересом отнесется к приведенным рассуждениям и выкладкам.

Отдельный интерес представляет информация о новых и малоизвестных приложениях механики в технике. Например, вопросы о накоплении кинетической энергии в маховиках, способах получения электроэнергии и даже непосредственно тепла из ветра. Приложения механики особенно интересуют старшеклассников, в большинстве своем уже неплохо знакомых с техникой.

Материал пособия в течение многих лет отрабатывался автором – профессором механики, доктором технических наук, заведующим кафедрой Московского государственного индустриального университета – при преподавании физики школьникам на подготовительном отделении университета, а также при преподавании теоретической механики студентам.

1. Механические модели мира

1.1. Вопрос. Что представляет собой модель мира Клавдия Птолемея (87-165), в течение полутора тысячелетий формировавшая представления человека о Вселенной?

Ответ. В центре мира находится неподвижная Земля, а вокруг нее вращаются планеты – Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, а также так называемая «сфера звезд». Земля при этом считается неподвижной: она не вращается не только вокруг Солнца или какой-нибудь другой планеты, но даже вокруг своей оси.

1.2. Вопрос. Были ли видные астрономы после Николая Коперника (1473–1543), которые считали Землю неподвижной?

Ответ. Родившийся почти через полторы тысячи лет после Птолемея и через три года после смерти Коперника великий датский астроном Тихо Браге (1546–1601), которому хорошо была известна система мира Коперника, где неподвижным центром считалось Солнце, все-таки создает свою систему мира, где неподвижной продолжает считаться Земля. Она – в центре мира, вокруг нее вращается Луна, чуть дальше – Солнце, а уже вокруг него «крутятся» все остальные планеты. Тихо Браге, несомненно превосходивший Коперника в своих знаниях и достижениях как астроном, все-таки настаивал на неподвижности Земли, и в этом был глубокий смысл, понятный из следующего вопроса.

1.3. Вопрос. Красивая легенда приписывает Галилео Галилею (1564–1642) изречение, которое он, якобы, топнув ногой, произнес на суде инквизиции. «А все-таки она вертится!» – заявил он, имея в виду Землю. Но если бы Галилей действительно это сказал, как любой из судей мог остроумно возразить ученому?

Ответ. Судье надо было спросить Галилея: «Если Земля действительно вертится, то почему мы все с нее не разлетаемся в разные стороны, как камешки и грязь с вращающегося колеса? Что удерживает нас в таком случае на поверхности вертящейся Земли?» И Галилею нечего было бы на это ответить – ведь он не знал о законе всемирного тяготения, который был открыт позже Ньютоном. Своим тяготением Земля не дает предметам, находящимся на ее поверхности, сначала сползти на экватор, а потом и вовсе оторваться от Земли и улететь в Космос. Вращайся Земля раз в 17 (!) быстрее, так оно и было бы – не хватило бы сил тяготения. Но Галилей и не предполагал, что небесные тела притягивают друг друга. Более того, Галилея этот вопрос не очень-то и занимал. В своих «Беседах…» [5] он прямо заявляет, что сейчас не время для занятия вопросом о причинах ускоренного движения (например, падения тел под действием сил гравитации), и будет достаточно лишь исследовать его безотносительно к причинам. Видимо он, как и Аристотель, считал, что «естественное место» тяжелых тел – внизу, а легких, например облаков, – наверху. Но ведь и облака не уносятся прочь в космос при вращении Земли, хотя их вроде бы ничто не удерживает на своем месте. Незнание закона всемирного тяготения приводило к колоссальной путанице в умах людей того времени и тем значительнее заслуга Ньютона в его открытии.

1.4. Вопрос. Что представляет собой система мира Коперника? Ответ. Польский астроном Николай Коперник традиционно считается автором гелиоцентрической модели солнечной системы, хотя первым гелиоцентристом был еще античный грек Аристарх Самосский, с трудами которого (причем в подлинниках) Коперник был хорошо знаком. А модель мира Коперника состояла в том, что в «центре мира» находилось неподвижное Солнце (как бы «прибитое» или «приклеенное» к этому центру), а вокруг него по окружностям вращались планеты, в том числе и Земля со своим спутником Луной. «Сферу звезд» Коперник отодвинул от Солнца на огромное, буквально чудовищное расстояние. Земля, находящаяся на относительно небольшом расстоянии от Солнца, тоже фактически оказалась в центре Вселенной.

1.5. Вопрос. Можно ли считать сегодня систему мира Коперника правильной? Ответ. Вселенная по Копернику является стабильным замкнутым пространством, ограниченным сферой звезд, неподвижных, как бы «прибитых гвоздями» к этой сфере. В центре Вселенной находится неподвижное, тоже «прибитое» к своему месту Солнце, вокруг которого по окружностям равномерно вращаются планеты. Такая система свободных массивных тел противоречит основным положениям механики.

1.6. Вопрос. В чем основные ошибки коперниканской системы мира?

Ответ. Еще великий Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1755) в одном из своих стихотворений пытался показать устами повара ложность геоцентрического учения Птолемея и правильность гелиоцентрической модели Коперника, мотивируя тем, что «нельзя вращать очаг вокруг жаркого». Под очагом или огнем здесь подразумевалось Солнце, а под жарким – Земля.

Если спросить у любого «здравомыслящего» человека, правда ли, что планеты вращаются вокруг Солнца, то ответ будет однозначно положительным. «Конечно же, – скажет он, – а вокруг чего же им еще вращаться? Это еще Коперник доказал!» Однако, утверждение, что Земля вращается вокруг неподвижного Солнца, не менее ошибочно, чем то, что Солнце вращается вокруг неподвижной Земли. Аналогичное можно сказать и про взаимное движение Земли и Луны [2].

Все свободные тела Солнечной системы (планеты, Солнце), связанные между собой силами тяготения, вращаются вокруг общего центра масс.

Где расположен этот центр масс, зависит от взаимного положения Солнца и планет друг относительно друга. (Например, во время так называемого «парада планет», когда все они «выстраиваются» по одну сторону от Солнца, центр масс Солнечной системы максимально смещен в сторону от центра Солнца к планетам.) И только чисто случайно, в какое-то мгновенье, при каком-то определенном положении планет центр масс системы может совпасть с геометрическим центром самого Солнца.

Сам центр масс Солнечной системы отнюдь не неподвижен, а вместе со всей системой несется в пространстве с громадной скоростью, скорее всего, в сторону созвездия Геркулеса. Но так как это движение достаточно близко к инерционному – равномерному и прямолинейному, то при решении многих физических задач можно считать центр масс Солнечной системы неподвижным.

1.7. Вопрос. Была ли необходимость в замене системы Птолемея, если и система Коперника неверна?

Ответ. Сам Коперник восхищался учением и системой мира Птолемея. Но эпоха новых географических открытий, тесно связанных с мореплаванием, требовала точных данных о движении Солнца и Луны, которыми наука тогда не располагала. Популярная в то время, как, к сожалению, и сейчас, астрология тоже требовала совершенствования теории планетарной системы. И наконец, чрезвычайно острой стала проблема календаря, который к XVI веку расходился с астрономическими датами уже на десять дней.

Конечно, можно было внести уточнения в систему Птолемея и получить нужный результат. Но Коперник решил коренным образом изменить само представление о Вселенной на более близкое к реальному. С математической точки зрения система Коперника оказалась настолько проще системы Птолемея, что ею сразу же воспользовались в практических целях, в том числе для составления нового календаря, действующего и в наше время. Новый, григорианский календарь был введен по инициативе папы Григория XIII в 1582 году.1.8. Вопрос. В школьных учебниках и энциклопедиях сказано, что Джордано Бруно (1548–1600) развивал теорию Коперника и по приговору суда инквизиции был сожжен за свои взгляды, признанные еретическими. Так ли это на самом деле?

Ответ. Нет, это не так. Бруно стал первым разрушителем коперниканской системы мира. Он отверг замкнутую систему (сферу) звезд, а также центральное положение Солнца и тем более Земли во Вселенной. Вообще Бруно, как и до него Николай Кузанский, отрицал даже возможность существования центра Вселенной. Бруно считал Вселенную вечной и бесконечной, а также предположил существование множества таких миров, как наш. Он писал, что борьбу за истину он считает выше всех наслаждений мира, и мученически погиб за это. Но не бывает и не может быть абсолютных истин, устанавливаемых человеком. Все истины устаревают, изменяются и часто превращаются в свою противоположность. Теперь установлено, что Вселенная возникла в результате Большого Взрыва. Известно, когда она возникла, рассчитаны ее размеры в различные периоды существования, и известно, что с большой степенью вероятности наступит ее конец, например, в результате сжатия. В эти два момента – рождения и гибели – известно и местонахождение центра масс Вселенной. Не исключено (хотя об этом можно и спорить), что центр масс Вселенной остается на том же самом месте, хотя бы потому, что ему нет причины менять свое место…

1.9. Вопрос. Каких взглядов на систему мира придерживался Галилей?

Ответ. Галилей придерживался «осторожных» взглядов на систему мира.

В 1597 году Галилей, переписывавшийся с Кеплером, получил в подарок от великого астронома его только что вышедшую книгу «Космографическая тайна», где Кеплер развивал учение Коперника. Кеплер предложил Галилею поддержать его. Но Галилей даже не ответил на письмо Кеплера, испугавшись, что переписка с протестантом бросит на него тень в глазах церкви [4]. Галилей упорно не признавал открытий Кеплера – в частности, того, что планеты движутся по эллиптическим траекториям с переменными скоростями. Тем самым Галилей невольно «оттягивал» время открытия закона всемирного тяготения. Для Галилея «естественным» движением тел, на которые не действуют силы, могло быть только движение по окружностям. Не зная закона всемирного тяготения, он и движения небесных тел тоже считал совершающимися по окружностям [11]. Таким образом, Галилей превратно понимал движение по инерции, и он не может считаться наряду с Ньютоном открывателем закона инерции.

1.10. Вопрос. Какую траекторию описывают в своем движении планеты Солнечной системы?

Ответ. Галилей, как и Коперник, считал, что планеты движутся по окружностям. Но это не так. Иоганн Кеплер (1571–1630) – немецкий астроном, которого ученые называли «законодателем неба», обнаружил, что планеты в своем движении описывают не окружности, а эллипсы, в фокусе которых находится Солнце. Подходя к Солнцу ближе, планеты разгоняются, начинают двигаться быстрее, а отходя от него – медленнее. Более того, Кеплер дал строго количественную зависимость: квадраты периодов обращения любых двух планет относятся между собой, как кубы их средних расстояний от Солнца.

Эти открытия Кеплера (а не падение яблока на голову!) дали Ньютону возможность открыть закон всемирного тяготения, управляющий движением планет и объясняющий механику всей Вселенной.

Следует обратить внимание на некоторую неточность в законах Кеплера: планеты несколько отклоняются от эллиптических траекторий из-за гравитационного взаимодействия друг с другом. Кроме того, везде, где Кеплер упоминает Солнце, следует понимать «центр масс Солнечной системы». Но это уже «мелочь» по сравнению с тем, какую роль сыграли законы Кеплера в понимании небесной механики и открытии закона всемирного тяготения.

1.11. Вопрос. Как был открыт закон всемирного тяготения?

Ответ. Впервые качественную характеристику этого закона дал в 1674 году Роберт Гук – английский ученый, старший коллега Ньютона. Он писал: «… Все без исключения небесные тела обладают направленным к их центру притяжением… и эти силы притяжения действуют тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют». Остается сожалеть, что Р. Гук не продолжил исследований в этой области. Количественную зависимость этого закона вывел Исаак Ньютон (1643–1727). Закон можно сформулировать так: «Всякое тело притягивает другое с силой, прямо пропорциональной массам этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними».

Впервые мысль об этом законе возникла еще у Ньютона – студента, но вычисления его не дали нужной точности (погрешность была около 15 %), и Ньютон с горечью отложил эту работу. Дело в том, что Ньютон для расчетов использовал неточное значение радиуса Земли. Потом, уже через 18 лет, когда радиус Земли был достаточно точно определен Пикаром, Ньютон снова взялся за вычисления и доказал правильность своего предположения. Он тщательно проверил свой закон на известных ему данных о движениях планет и комет и опубликовал результаты своих исследований только в 1687 году.

1.12. Вопрос. Почему Луна постоянно повернута к Земле одной стороной?

Ответ. Большинство ученых полагает, что Земля и Луна возникли из одного и того же первичного материала, причем из-за высокой температуры этот материал был жидкой или пастообразной консистенции. При этом Земля и Луна находились гораздо ближе друг к другу, чем сейчас, и Луна быстрее вращалась вокруг своей оси. Огромное притяжение Земли вызывало на Луне «приливы» самого материала Луны. Из-за больших потерь кинетической энергии на эти «приливы» Луна быстро теряла скорость своего вращения, пока период собственного вращения Луны не стал равен периоду ее обращения вокруг Земли. Когда Луна обратилась к Земле только одной своей стороной, потери на приливные явления на Луне прекратились. В таком положении Луна остыла и затвердела.

1.13. Вопрос. Откуда известно, что Луна раньше находилась гораздо ближе к Земле, чем сейчас?

Ответ. Наблюдения показывают, что Луна имеет более вытянутую по направлению к Земле форму, чем следовало ожидать, если бы Луна затвердела на ее нынешнем расстоянии от Земли. Поэтому был сделан вывод, что в те далекие времена, когда Луна была жидкой или пастообразной, она находилась значительно ближе к Земле, чем сейчас, и приливный «горб» на ней от притяжения Земли был весьма велик.

1.14. Вопрос. Чем объяснить тот факт, что Луна постоянно удаляется от Земли? Ведь если бы ее кинетическая энергия «терялась», то Луна, напротив, приближалась бы к Земле вплоть до падения на нее?

Ответ. Приливы в океанах Земли, оказывается, не уменьшают, а увеличивают суммарную (кинетическую плюс потенциальную) энергию Луны в ее вращении вокруг Земли. На смещение воды в океанах на Земле тратится кинетическая энергия системы «Земля – Луна». Но так как Земля в своем суточном вращении имеет большую угловую скорость, чем Луна в своем вращении вокруг Земли, то угловая скорость вращения Земли снижается, а энергия Луны в ее вращении вокруг Земли увеличивается. Таким образом, Земля своими приливными явлениями увеличивает ее суммарную энергию, и соответственно, Луна отдаляется от Земли (см. ответ на вопрос 1.16).

Луна уже миллиарды лет тормозит Землю и разгоняется сама за счет приливов и отливов на Земле. Три миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раза быстрее, а ее кинетическая энергия была почти в 7,3 раза больше, чем сейчас!

Постепенно Луна отдаляется от Земли и наступит такое время, когда ее орбитальный период станет равным периоду суточного вращения Земли, что составит около 1 200 часов или 50 современных суток. Стало быть, сутки на Земле станут в 50 раз длиннее, а Луна будет неподвижно висеть над одним и тем же местом на Земле.

Если к тому времени будут созданы достаточно прочные материалы, то Землю и Луну можно будет соединить тросом, по которому будут ходить космические лифты, перевозящие пассажиров и грузы с Земли на Луну и обратно. Но не стоит обольщаться, будет это еще очень и очень нескоро, и нам на этих лифтах путешествовать не придется!

Аналогичные явления ожидают и Землю в ее вращении вокруг Солнца, только все будет происходить гораздо медленнее. В конце концов Земля обратится к Солнцу одной стороной, как это уже почти сделал Меркурий (день на Меркурии практически равен его году).

Последствия для Земли, конечно, ожидаются при этом катастрофические: одна сторона будет «поджариваться» до сотен градусов по Цельсию, а другая – замерзать в космическом холоде. Но и это явление наступит нескоро – через миллиарды лет, за которые Солнце, возможно, успеет «взорваться» и поглотить в этом взрыве всю Солнечную систему.

1.15. Вопрос. Каким образом Луна вызывает приливы и отливы на Земле?

Ответ. Вот наиболее простое и часто приводимое объяснение появления приливов и отливов. Действительно, притяжение Луны должно вызвать появление «горба» на поверхности океанов на Земле, причем «горб» этот будет вытянут в сторону Луны. Земля вращается, а «горб» удерживается Луной на одном и том же месте относительно Луны; поэтому вода в океане будет поочередно повышать свой уровень на различных участках. Водяной «горб» как огромная волна будет катиться по океану в сторону, противоположную вращению Земли, затапливая на своем пути участки суши. Явление это называется приливом. Отступая, эта волна будет спадать, вызывая отлив (рис. 1).

Рис. 1. Наиболее распространенное, но неверное представление о возникновении приливов и отливов.

Такое объяснение приводит к противоречию, суть которого в следующем.

Если бы «горб», вызванный притяжением Луны, был один (как показано на рис. 1), то приливы и отливы повторялись бы лишь раз в сутки. Но они происходят два раза в сутки – через каждые 12 часов!

Дело в том, что в океанах Земли образуются не один, а два водяных «горба». Один – по уже известной причине. Второй же «горб» образуется как раз потому, что не Луна вращается вокруг Земли, а эти небесные тела вращаются вокруг общего центра масс.

Этот центр масс находится на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны, причем он сдвинут в сторону центра масс Земли, так как Земля значительно – в 80 раз – массивнее Луны. Вот и центр масс системы «Земля-Луна» в 80 раз ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Считая расстояние между центрами Земли и Луны примерно равным 400 тыс. км, получим, что центр масс системы будет отстоять от центра масс Земли всего на 5 тыс. км. То есть он будет находиться даже внутри Земли, немного «не дотягивая» до ее поверхности, – ведь радиус Земли составляет около 6,25 тыс. км. Этот центр показан на рис. 2.

Рис. 2. Два водяных «горба» в океанах Земли.

Вот и вращаются центры масс Земли и Луны вокруг этого общего центра масс, причем вода в океанах, стремясь двигаться по прямой вследствие инерции, «отодвигается» на максимально возможное расстояние от центра вращения. Так образуется второй водяной «горб» на противоположной стороне Земли. Чтобы отличить их друг от друга, назовем «горб», вытянутый к Луне, – гравитационным, а вытянутый в обратную сторону – инерционным.

Повторяются приливы и отливы через каждые 12 часов – один раз из-за «горба» гравитационного, а другой раз – из-за инерционного.

1.16. Вопрос. Как Луна «тормозит» вращение Земли?

Ответ. Если бы водяные «горбы» лежали на одной линии, соединяющей центры масс Земли и Луны, то никакого торможения Земли не было бы. Так могло случиться (и так еще будет – см. ответ на вопрос 1.14), если бы Земля и Луна были обращены друг к другу одними и теми же сторонами и периоды суточного вращения Земли и орбитального вращения Луны совпадали бы.

Но Земля вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем вся система вокруг общего центра масс, и «горбы» в океанах, «привязанные» к орбитальному движению Земли, отстают от вращения суши. Трение в самой воде и воды о дно океанов создает момент, тормозящий Землю. Так как этот момент образован притяжением Луны, то реактивный момент (обратный по направлению и такой же по величине, действующий на Луну) разгоняет Луну в ее движении по орбите (рис. 3), увеличивая ее суммарную энергию.

Рис. 3. Схема торможения Земли и разгона Луны на орбите из-за движения водяных «горбов» по океанам Земли.

Из-за этого длительность суток на Земле постоянно увеличивается. Впервые объяснил физическую суть этого явления английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин, 1824–1907). А доказали это увеличение продолжительности суток так. У окаменевших кораллов, оказывается, имеются как «годичные», так и «суточные» кольца, наподобие «годичных» колец на срезах стволов деревьев. Так вот у этих кораллов, живших в океанах 400 миллионов лет назад, «суточных» колец оказалось в «годичных» 395! Продолжительность года, связанная с периодом обращения Земли вокруг Солнца, с большой степенью вероятности с тех пор не изменилась. Стало быть, тогда в сутках было всего 22 часа. А три миллиарда лет тому назад, как подсчитали ученые, сутки составляли всего девять часов (см. ответ на вопрос 1.14).