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

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!

Это подводит нас к третьему закону Ньютона: «У каждого действия всегда есть равное противодействие». Это означает, что силы, с которыми два тела воздействуют друг на друга, всегда равны и имеют противоположную направленность.

Некоторые из последствий данного закона очевидны на интуитивном уровне, например, винтовка при выстреле дает отдачу в плечо стреляющего. Но учтите также, что когда вы давите на стену, она давит на вас в противоположном направлении с точно такой же силой, как вы на нее. И клубничный торт, купленный на день рождения, давит на блюдо с той же силой, с какой блюдо давит на него. В сущности, каким бы странным ни казался третий закон Ньютона, мы с вами буквально окружены его примерами в действии.

Вам когда-нибудь приходилось, включив кран с присоединенным к нему лежащим на земле шлангом, видеть, как тот извивается, словно змея, а если вам особенно повезло, обрызгивает вашего не успевшего отбежать младшего братишку? Почему это происходит? Потому что вода, выталкиваемая из шланга, тоже давит на него, в результате чего шланг обливает все вокруг. И, само собой, вы пробовали надуть воздушный шарик, а затем отпустить его, чтобы посмотреть, как он бешено мечется по комнате. А все дело в том, что шар выталкивает воздух и воздух, выходящий из него, толкает шар в противоположном направлении, вынуждая носиться вокруг – этакая воздушная версия извивающегося садового шланга. По этому же принципу работают реактивные самолеты и ракеты. Они выталкивают газ с очень большой скоростью, что заставляет их двигаться в противоположном направлении.

Чтобы до конца понять, насколько необыкновенна и глубока эта идея, рассмотрим, что происходит согласно законам Ньютона, когда мы бросаем яблоко с тридцатиэтажного здания. Мы знаем, что ускорение будет g, то есть 9,8 метра в секунду за секунду. Теперь предположим, что масса яблока составляет около половины килограмма. Используя второй закон, F = ma, вычисляем, что Земля притягивает яблоко с силой 0,5 × 9,8 = 4,9 ньютона. Пока все идет нормально.

Теперь смотрим, что происходит в соответствии с третьим законом: если Земля притягивает яблоко с силой 4,9 ньютона, то и яблоко притягивает Землю с силой 4,9 ньютона. Таким образом, выходит, что, когда яблоко падает на Землю, Земля падает на яблоко. Звучит нелепо, верно? Но погодите. Поскольку масса Земли несравненно больше массы яблока, цифры получаются довольно дикие. Так как масса Земли нам известна (около 6 × 1024 килограммов), мы можем вычислить, насколько сильно она смещается в направлении яблока: где-то на 10−22 метра, то есть около одной десятимиллионной размера протона. Это расстояние настолько мало, что его просто невозможно измерить; по сути, оно бессмысленно.

Утверждение, что два тела воздействуют друг на друга с равной силой противоположной направленности, работает повсюду в нашей жизни, и именно оно виновато в том, что ваши весы сходят с ума, когда вы встаете на них на цыпочки. Это возвращает нас к вопросу, что же такое вес, и позволяет лучше это понять.

Когда вы стоите на весах, земное притяжение давит на вас вниз с силой mg (где m – ваша масса), а весы толкают вас вверх с той же силой, так что результирующая сила, действующая на вас, равна нулю. На самом деле ваши весы измеряют именно эту толкающую вверх силу, и именно она отображается на циферблате как ваш вес. Но, как вы помните, вес – не то же самое, что масса. Чтобы изменилась ваша масса, вам придется сесть на диету (или, наоборот, начать есть больше); изменить же вес гораздо легче и быстрее.

Предположим, что ваша масса (m) – 55 килограммов. Когда вы встаете на весы, вы давите на них с силой mg и весы воздействуют на вас с той же силой, mg. Результирующая сила, воздействующая на вас, равна нулю. Сила, с которой весы давят на вас, отобразится на их шкале. Например, если они указывают вес в килограммах, вы это и увидите: 55 килограммов.

А теперь давайте взвесим вас в лифте. Пока лифт стоит на месте (или движется с постоянной скоростью), вы не ускоряетесь (как и лифт) и весы показывают все те же 55 килограммов, то есть столько же, как и при взвешивании в ванной комнате. Мы входим в лифт (он находится в состоянии покоя), вы встаете на весы и они показывают 55 килограммов. Теперь я нажимаю кнопку верхнего этажа, и лифт какое-то краткое время набирает скорость. Предположим, что его ускорение постоянно и составляет 2 метра в секунду за секунду. В течение короткого времени, пока лифт разгоняется, результирующая сила, действующая на вас, не может быть равна нулю. Согласно второму закону Ньютона она (Fрез) должна быть Fрез = maрез. Поскольку ускорение составляет 2 метра в секунду за секунду, результирующая сила, действующая на вас по направлению вверх, будет m × 2. Так как действующая на вас сила тяжести будет mg и направлена вниз, должна быть сила mg + m² (что можно также записать в виде m(g + 2)), действующая на вас в направлении вверх. Откуда же она берется? Она должна исходить от ваших весов (откуда же еще?). Весы воздействуют на вас силой m(g + 2), направленной вверх. Но вспомните, что вес, отображаемый на весах, – это сила, с которой они толкают вас вверх. В результате весы говорят вам, что ваш вес составляет около 65 килограммов (g равняется около 10 метров в секунду за секунду). Похоже, вы довольно сильно потолстели!

Согласно третьему закону Ньютона, если весы воздействуют на вас с силой m(g + 2), направленной вверх, то и вы должны прилагать к ним такую же силу противоположной направленности. Далее, по логике, если весы давят на вас с той же силой, с какой вы давите на них, то результирующая сила, действующая на вас, равна нулю, следовательно, вы не можете ускориться. Однако, рассуждая таким образом, вы совершаете весьма распространенную ошибку. На вас действуют только две силы: mg, направленная вниз вследствие силы тяжести, и m(g + 2), направленная вверх со стороны весов. Стало быть, к вам прилагается результирующая сила 2m, направленная вверх, которая ускоряет вас на 2 метра в секунду за секунду.

В тот момент, когда лифт прекращает ускоряться, ваш вес возвращается к норме. Следовательно, он увеличивается лишь в течение очень короткого промежутка времени, пока растет ускорение.

Как вы уже, наверное, догадались, если лифт ускоряется, двигаясь вниз, вы теряете вес. В течение того времени, что лифт разгоняется вниз с ускорением 2 метра в секунду за секунду, весы будут показывать, что ваш вес равен m(g–2), то есть около 44 килограммов. Поскольку лифт, идущий вверх, должен в итоге остановиться, ему для этого нужно короткое время разгоняться в направлении вниз. Таким образом, ближе к концу подъема вы увидите, что довольно сильно похудели, что, возможно, вас порадует! Однако вскоре после того, как лифт полностью остановится, ваш вес снова вернется к нормальному показателю (в нашем примере к 55 килограммам).

Теперь предположим, что какой-то ваш недоброжелатель перережет трос и вы полетите вниз по шахте лифта с ускорением свободного падения g. Понятно, что в этот момент вы вряд ли будете думать о физике, но это был бы весьма интересный (и весьма короткий) эксперимент. Ваш вес составил бы m(g – g) = 0, то есть вы стали бы невесомым. Учитывая, что весы будут падать вниз с таким же ускорением, что и вы, они перестанут воздействовать на вас направленной вверх силой. И если бы вы в этот миг посмотрели вниз на весы, то увидели бы, что они показывают ноль. В сущности, вы бы парили в воздухе, и все, что находилось в лифте, парило бы вместе с вами. Например, если бы у вас был стакан воды, вы запросто могли бы перевернуть его вверх дном, и вода не вылилась бы. Впрочем, это один из тех экспериментов, которые я настоятельно рекомендую никогда не проводить!

Это объясняет, почему космонавты парят в космических кораблях. Когда космический модуль, или шаттл (то есть многоразовый транспортный космический корабль), находится на орбите, он фактически пребывает в состоянии свободного падения – подобно летящему вниз лифту. Но что же такое свободное падение? Ответ может вас удивить. Свободное падение – это когда на тело действует только сила земного притяжения и больше никаких других сил. На орбите космонавты, космический корабль и все, что в нем, находятся в состоянии свободного падения – падают на Землю. Причина, почему космонавты не расплющиваются, заключается в том, что Земля изогнута и космонавты, космический корабль и все, что в нем, движутся так быстро, что по мере их падения на Землю поверхность планеты выгибается от них и они не шлепаются на нее.