Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Своим вторым законом Ньютон обеспечил нас удивительно простым, но очень полезным инструментом для расчета сил. По мнению некоторых людей, знаменитое F = ma – самое важное уравнение всей физики. Формулирую словами: результирующая сила, действующая на тело (F), равна его массе (m), умноженной на его ускорение (а).

Чтобы наглядно увидеть всего один из многочисленных примеров, объясняющих, почему эта формула очень полезна в повседневной жизни, рассмотрим рентгеновский аппарат. Согласитесь, определить точный диапазон энергий рентгеновских лучей при использовании этого оборудования чрезвычайно, жизненно важно. Вот как нам помогает в этом уравнение Ньютона.

Один из главных выводов в физике (мы подробнее обсудим его чуть позже) заключается в том, что на заряженную частицу (скажем, электрон, протон или ион), помещенную в электрическое поле, действует определенная сила. Если нам известен заряд частицы и напряженность электрического поля, можно вычислить действующую на нее электрическую силу. А зная ее, мы с помощью второго закона Ньютона можем вычислить ускорение частицы[10].

Электроны в рентгеновском аппарате, прежде чем ударить по намеченной цели, ускоряются внутри рентгеновской трубки. Скорость, с которой они ударяют в цель, определяет диапазон производимых при этом энергий рентгеновского излучения. Изменение напряженности электрического поля позволяет изменить ускорение электронов. Таким образом, скоростью, с которой электроны ударяют в цель, можно управлять, выбирая нужный диапазон энергий рентгеновского излучения.

Для облегчения подобных расчетов физики используют в качестве единицы силы ньютон. 1 ньютон – это сила, ускоряющая тело массой 1 килограмм на 1 метр в секунду за секунду. Почему мы говорим «в секунду за секунду»? Потому что при ускорении скорость все время меняется; то есть, иными словами, после первой секунды ее рост не прекращается. Если ускорение постоянно, скорость каждую секунду изменяется на одну ту же величину.

Чтобы стало еще понятнее, приведу пример с шаром для боулинга, падающего с высотки на Манхэттене, скажем со смотровой площадки Эмпайр-стейт-билдинг. Известно, что ускорение падающих объектов на Земле составляет примерно 9,8 метра в секунду за секунду; его называют ускорением свободного падения и обозначают в физике буквой g. (Ради простоты изложения я в данном случае игнорирую сопротивление воздуха; позже мы поговорим об этом подробнее.) Через одну секунду шар для боулинга летит со скоростью 9,8 метра в секунду. К концу второй секунды он ускоряется еще на 9,8 метра в секунду, следовательно, движется со скоростью 19,6 метра в секунду. А к концу третьей секунды он уже будет лететь со скоростью 29,4 метра в секунду. Чтобы долететь со смотровой площадки до земли, ему требуется около 8 секунд. Таким образом, его скорость к этому моменту составляет 8 раз по 9,8, то есть около 78 метров в секунду (приблизительно 280 километров в час).

Кстати, вы знаете о весьма распространенном мифе, что если бросить с верхушки Эмпайр-стейт-билдинг монетку и попасть в человека, то его можно убить? Тут я опять игнорирую роль сопротивления воздуха, которая – я подчеркиваю – в данном случае будет весьма значительной. Но даже без ее учета монетка, упавшая вам на голову со скоростью около 78 метров в секунду, вряд ли вас убьет.

Сейчас довольно удачный момент, чтобы разобраться с одной проблемой, которая будет неоднократно встречаться в этой книге, поскольку она часто возникает в физике – разницей между массой и весом. Обратите внимание, что Ньютон использует в своем уравнении массу, а не вес тела, и хотя вы, скорее всего, думаете, что это одно и то же, в действительности это принципиально разные понятия. Мы обычно используем как единицу веса килограмм (и в этой книге тоже), но на самом деле это единицы массы.

Разница между ними довольно проста. Ваша масса остается одинаковой независимо от того, в каком месте Вселенной вы находитесь. Правда-правда – и на Луне, и в открытом космосе, и на поверхности какого-нибудь астероида. При смене места изменяется не масса, а вес. Так что же такое вес? Вот тут все несколько усложняется. Вес – это результат гравитационного притяжения. Вес является силой: это масса, умноженная на гравитационное ускорение (F = mg). Таким образом, наш вес варьируется в зависимости от воздействующей на нас силы тяготения, поэтому космонавты на Луне весят меньше. Гравитация на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле, так что на Луне человек весит лишь одну шестую часть от своего веса на Земле.

На тело определенной массы действует приблизительно одинаковая сила земного притяжения, не зависящая от того, где именно на Земле оно находится. Следовательно, вполне правомерно говорить: «Он весит восемьдесят килограммов», несмотря на то что при этом мы путаем две категории – массу и вес. Я долго и упорно думал, стоит ли использовать в этой книге специальную физическую единицу силы (то есть вес), а не килограммы, и решил этого не делать, потому что тогда обсуждение получится слишком запутанным. Вряд ли даже самый фанатичный физик, весящий 80 килограммов, сказал бы: «Я вешу 784 ньютона» (80 × 9,8 = 784). Так что вместо этого я просто прошу запомнить, в чем разница между массой и весом, поскольку вскоре мы вернемся к данному вопросу, выясняя, почему весы сходят с ума, когда вы, стоя на них, поднимаетесь на цыпочки.

Тот факт, что ускорение свободного падения на Земле фактически везде одинаково, базируется на еще одном таинственном обстоятельстве, о котором вы, возможно, наслышаны: что тела с разной массой падают с одинаковой скоростью. В известной истории о Галилео Галилее, впервые рассказанной в его ранней биографии, описывается, как он проводил эксперимент, одновременно бросая с верхушки Пизанской башни пушечное ядро и деревянный шар меньшего размера. Предположительно, он делал это, чтобы опровергнуть приписываемое Аристотелю утверждение, будто более тяжелые предметы падают быстрее, чем легкие. Этот рассказ у многих вызывал сомнение, и сегодня, кажется, уже для всех очевидно, что Галилей никогда не проводил такого эксперимента, тем не менее история по-прежнему популярна. Причем настолько, что командир «Аполлона 15» астронавт НАСА Дэвид Скотт, как известно, одновременно бросил на поверхность Луны молоток и перо сокола, чтобы посмотреть, будут ли они падать вниз с одинаковой скоростью и в вакууме. Это замечательное видео можно найти в интернете.

Лично меня в этом видео поражает то, как медленно падают оба предмета. Если не слишком над этим задумываться, можно было бы ожидать, что они будут падать быстро, по крайней мере молоток. Но оба падают медленно – потому что ускорение свободного падения на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Почему же Галилей был прав, утверждая, что два тела разной массы приземлятся одновременно? Потому что ускорение свободного падения одинаково для всех объектов. Согласно формуле F = ma, чем больше масса, тем больше сила тяготения, но ускорение у всех объектов одно и то же. Таким образом, они достигают земли с одинаковой скоростью. Конечно, объект с большей массой будет иметь большую энергию и, следовательно, сильнее ударяться о землю.

Тут важно отметить, что перо и молоток ни за что не приземлилась бы в одно и то же время, если бы вы провели этот эксперимент на Земле. Это результат сопротивления воздуха, которое мы до сих пор сбрасывали со счетов. Сопротивление воздуха – сила, противодействующая движению движущихся тел. Кроме того, ветер будет гораздо сильнее влиять на перо, нежели на молоток.

Это подводит нас к очень существенной особенности второго закона Ньютона. Слово результирующая в приведенном выше уравнении критически важно, поскольку в природе на тело практически всегда действует более одной силы и все они должны приниматься во внимание. Это означает, что их нужно суммировать. Но на самом деле все не так просто, как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что силы являются тем, что мы называем векторами, то есть у них есть не только величина, но и направление, что, в свою очередь, означает, что для определения результирующей силы вы не можете просто сложить цифры, скажем, 2 + 3 = 5. Предположим, например, что на тело массой 4 килограмма действуют всего две силы: одна, в 3 ньютона, направлена вверх, а другая, в 2 ньютона, – вниз. Их сумма составляет 1 ньютон с направленностью вверх, и согласно второму закону Ньютона данное тело будет двигаться вверх с ускорением 0,25 метра в секунду за секунду.

Сумма двух сил даже может быть равна нулю. Например, если я поставлю объект массой m на свой стол, то по второму закону Ньютона на него будет действовать сила тяготения mg (масса × ускорение свободного падения) ньютонов в направлении вниз. Поскольку данное тело не ускоряется, результирующая сила, действующая на него, должна равняться нулю. Это означает, что должна быть другая сила, равная mg ньютонам, направленная вверх. Это сила, с которой стол толкает объект вверх. Сила mg, направленная вверх, суммируется с силой mg, направленной вниз, и в сумме они дают силу, равную нулю!