Вывел закон рычага

Кто придумал Рычаг — Когда Изобрели?

Каждому кто изучал физику, известно высказывание знаменитого греческого ученого Архимеда: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Оно может показаться несколько самоуверенным, тем не менее основания к такому заявлению у него были. Ведь если верить легенде, Архимед воскликнул так, впервые описав с точки зрения математики принцип действия одного из древнейших механизмов рычага.

Когда и где впервые было использовано это элементарное приспособление, основа основ всей механики и техники, установить невозможно. Очевидно, еще в глубокой древности люди заметили, что отломить с дерева ветку легче, если нажать на ее конец, а палка поможет приподнять с земли тяжелый камень, если поддеть его снизу. Причем чем длиннее палка, тем легче сдвинуть камень с места. И ветка, и палка являются простейшими примерами применения рычага принцип его действия люди интуитивно понимали еще в доисторические времена. Большинство древнейших орудий труда мотыга, весло, молоток с ручкой и другие основаны на применении этого принципа.

Простейший рычаг представляет собой перекладину, имеющую точку опоры и возможность вращаться вокруг нее. Качающаяся дощечка, лежащая на круглом основании, вот самый наглядный пример. Стороны перекладины от краев до точки опоры называются плечами рычага.

Доменико Фетти. Задумавшийся Архимед. 1620 г.

Уже в V тысячелетии до н. э. в Месопотамии использовали принцип рычага для создания равновесных весов. Древние механики заметили, что, если установить точку опоры ровно под серединой качающейся дощечки, а на ее края положить грузы, вниз опустится тот край, на котором лежит более тяжелый груз. Если же грузы будут одинаковы по весу, дощечка примет горизонтальное положение. Таким образом, опытным путем было обнаружено, что рычаг придет в равновесие, если к равным его плечам приложить равные усилия.

А что, если сместить точку опоры, сделав одно плечо более длинным, а другое коротким? Именно так и происходит, если длинную палку подсунуть под тяжелый камень. Точкой опоры становится земля, камень давит на короткое плечо рычага, а человек на длинное. И вот чудеса! тяжеленный камень, который невозможно оторвать от земли руками, поднимается. Значит, чтобы привести в равновесие рычаг с разными плечами, нужно приложить к его краям разные усилия: большее усилие к короткому плечу, меньшее к длинному.

Этот принцип был использован древними римлянами для создания другого измерительного прибора безмена. В отличие от равновесных весов, плечи безмена были разной длины, причем одно из них могло удлиняться. Чем более тяжелый груз нужно было взвесить, тем длиннее делали раздвижное плечо, на которое подвешивалась гиря.

Конечно, измерение веса было лишь частным случаем использования рычага. Куда более важными стали механизмы, облегчающие труд и дающие возможность выполнять такие действия, для которых физической силы человека явно недостаточно.

Знаменитые египетские пирамиды и по сей день остаются самыми грандиозными сооружениями на Земле. До сих пор некоторые ученые выражают сомнение в том, что древним египтянам было под силу возвести их самостоятельно. Пирамиды строили из блоков весом около 2,5 т, которые требовалось не только перемещать по земле, но и поднимать наверх. Неужели такое было возможно без использования двигателей?

Строительство пирамид. Литография XIX в.

Да, утверждает итальянский исследователь Фалестиеди, нашедший при раскопках храма царицы Хатшепсут остатки оригинального деревянного приспособления. Обвязанные веревками огромные блоки поднимали с помощью нескольких деревянных рычагов. Нажимая на длинные плечи каждого рычага, строители прикладывали достаточную силу, чтобы поднять камень на высоту своего роста.

Возведение египетских пирамид не единственный случай применения рычаговых механизмов в древности. Рычаг использовался повсеместно, но лишь в III в. до и. э. Архимед произвел математические расчеты и создал первую теорию рычага. Закон равновесия рычага, сформулированный им в ходе многочисленных опытов, не теряет актуальности и в современной физике и звучит следующим образом: «Усилие, умноженное на плечо приложения силы, равно нагрузке, умноженной на плечо приложения нагрузки, где плечо приложения силы это расстояние от точки приложения силы до опоры, а плечо приложения нагрузки это расстояние от точки приложения нагрузки до опоры».

Таким образом, чем длиннее плечо рычага приложения силы, тем меньше потребуется усилий, чтобы преодолеть заданную нагрузку, или тем большую нагрузку можно преодолеть при заданном приложении усилия. Иными словами, соотношение сил, приложенных к плечам рычага, обратно пропорционально соотношению длин его плеч.

Можно понять энтузиазм Архимеда, открывшего эту формулу. Выходит, даже самое незначительное усилие позволяет манипулировать грузами огромной массы, если оно прикладывается к рычагу достаточной длины. И поднять земной шар теоретически так же легко, как ведро с водой нужны только рычаг с плечом около 500 трлн км да точка опоры.

Архимед, переворачивающий Землю с помощью рычага. Гравюра из «Журнала механики». 1824 г.

Положение точки опоры на рычаге является решающим для определения его вида. Различают рычаги первого рода, где точка опоры располагается между точками приложения сил, и рычаги второго рода, где точки приложения сил расположены по одну сторону от точки опоры. Рычаги первого рода называются также двуплечими. Чтобы уравновесить такой рычаг, силы, приложенные к его плечам, должны быть направлены в одну сторону, в противном случае рычаг будет вращаться вокруг точки опоры. Примерами рычагов первого рода являются равновесные весы и безмен, колодезный журавль, ножницы, шлагбаум, детские качели-качалки, пассатижи.

Одноплечие рычаги, или рычаги второго рода, устроены иначе. Теперь обе силы приложены к одному плечу, но направлены в разные стороны. Самым простым примером такого рычага является тачка. Ее точка опоры колесо. Груз расположен в емкости, находящейся сразу за колесом, и сила тяжести направлена вниз. Человек, везущий тачку, направляет свое усилие вверх, прикладывая его у края конструкции, т. е. к ручкам.

Закон, выведенный Архимедом, справедлив и в этом случае. Хотя по конструкции рычаг является одноплечим, но для расчетов по формуле Архимеда длина каждого плеча берется от точки опоры до точки приложения силы. Таким образом, чем ближе к точке опоры расположена нагрузка и чем дальше от точки опоры приложена сила, тем меньшее усилие требуется для уравновешивания нагрузки.

Простейшие рычаги первого и второго рода являлись важнейшими деталями множества механизмов на протяжении нескольких тысячелетий. И все же возможности их были ограниченны. Если точку опоры, о которой восклицал Архимед, в мечтах переворачивающий Землю, чаще всего найти несложно, длина рычага является куда большей проблемой.

Весло также работает по принципу рычага: прикладывая меньшее усилие на длинном плече ручке весла, гребцы получают большее усилие на коротком.

Изготовить цельную перекладину достаточной длины можно из дерева или из металла, но в случае дерева ограничением является высота ствола, а слишком длинные металлические перекладины сами по себе весят так много, что усложняют создание рычагового механизма. Кроме того, выигрыш в силе при применении рычага компенсируется проигрышем в расстоянии, на которое можно переместить груз. Математическое обоснование этому явлению было сделано в Средние века с использованием ньютоновской механики.

Согласно закону сохранения энергии полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остается постоянной. Это означает, что для сохранения равновесия рычага силы, приложенные к разным его плечам, должны совершать равную работу. При увеличении соотношения между длиной плеча приложения силы и длиной плеча приложения нагрузки возрастает выигрыш в силе, но также возрастает и расстояние, которое требуется преодолеть.

Впрочем, в некоторых случаях проигрыш в расстоянии может обернуться и выигрышем. Так устроен, например, колодец-журавль. Ведро с водой на веревке закреплено на длинном плече перекладины, а усилие прикладывается к плечу гораздо более короткому. В результате перемещение короткого плеча на небольшое расстояние дает возможность вытащить ведро из глубокого колодца и поднять его достаточно высоко.

И все же длина рычага и проигрыш в расстоянии были существенным ограничением для создания механизмов, которые развивали бы усилия, достаточные для решения все более сложных инженерных задач. И вот в 1773 г., спустя два тысячелетия после того, как Архимед произвел свои расчеты, шотландский инженер-изобретатель Джеймс Уатт предложил идею составного рычага, в котором несколько рычагов связываются друг с другом, увеличивая производимое усилие. Выходное усилие первого рычага является входным усилием для второго и т. д., если рычагов в системе больше, чем два.

Впрочем, Уатта нельзя в полной мере считать изобретателем составного рычага.

Военная операция на железной дороге во время Гражданской войны в США. С помощью рычагов рабочие разбирают рельсы.

Еще в VI в. кочевые народы Центральной Азии использовали подобную конструкцию для создания очень мощных изогнутых луков. Стрелы, выпущенные из такого оружия, пробивали доспехи, поскольку загнутые концы лука значительно увеличивали усилие лучника, приложенное к тетиве. Но именно Уатт дал первое числовое обоснование эффективности составного рычага.

Числовой характеристикой механического эффекта при использовании рычага является передаточное отношение, которое показывает, как соотносятся нагрузка и приложенная сила. Чем меньшее значение принимает данная характеристика, тем больший эффект имеет рычаг. В системе, состоящей из двух и более рычагов, передаточным отношением будет произведение передаточных отношений всех рычагов, входящих в систему. Эта формула будет справедлива для любого количества звеньев цепочки.

Конечно, открытие формулы передаточного значения не могло само по себе решить какие-либо инженерные задачи. Однако математическая модель, продемонстрировавшая, что система рычагов дает возможность развить любое усилие, стала для инженеров-механиков своего рода точкой опоры. Большинство созданных человеком механизмов основано на применении простых и составных рычагов. Поэтому смело можно сказать, что рычаг, опираясь на смекалку древнего человека, взявшего палку и сдвинувшего с ее помощью тяжелый камень, действительно перевернул Землю и предопределил развитие механики.

Г. Ховард. Портрет Джеймса Уатта. 1797 г.

Колодец-журавль. Постер из серии «История коммунальных служб Нью-Йорка».

Самая короткая косточка человеческого организма стремечко, передающее колебания барабанной перепонки к чувствительным клеткам внутреннего уха. Она работает как рычаг, усиливая давление звуковых волн. При слишком сильных звуках мышца стремечка разворачивает косточку так, что соотношение длины плеч косточки-рычага меняется, и коэффициент усиления звука падает.

www.altpp.ru

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Закон — рычаг

Так, в основу теории равновесия он кладет семь постулатов, часть из которых использует для вывода закона рычага . [16]

Уравнение замкнутости треугольника векторов и уравнение моментов содержатся в одном винтовом уравнении (3.30), которое выражает одновременно закон параллелограмма и закон рычага . [17]

Так, использование простейших машин ( блоки, рычаги) при строительстве крупных зданий и стремление объяснить повседневно наблюдаемые явления механического движения привели в античное время к открытию закона рычага , определению центров тяжести тел простейших геометрических очертаний и созданию кинематики геоцентрической системы Птолемея. [18]

Так, использование простейших машин ( блоков, рычагов) при строительстве крупных зданий и стремление объяснить повседневно наблюдаемые явления механического движения привели в античное время к открытию закона рычага , определению центров тяжести тел простейших геометрических очертаний и созданию кинематики геоцентрической системы Птолемея. [19]

Величина усилия, передаваемого на поршень кольцом диафрагмы, определится в результате интегрирования элементарных колец на этом участке, усилие от которых передается на поршень в зависимости от соотношения плеч по закону рычага . [20]

Он вывел закон рычага из принципа: силы уравновешивают друг друга, если они обратно пропорциональны скоростям. Поскольку рассматривается равновесие рычага, а аргументация основана на скоростях, здесь уже явно присутствует идея виртуальных перемещений, обусловленных какой-нибудь малой возмущающей силой. Термин виртуальные скорости вместо виртуальные перемещения, широко употреблявшийся в XIX столетии, восходит к формулировке принципа, данной Аристотелем. Тот же самый принцип, но в новой формулировке: то, что проигрывается в силе, выигрывается в скорости — был использован Стевином ( 1548 — 1620) при выводе законов равновесия блоков. [21]

Вертикальные возмущающие усилия считаются сосредоточенными в местах расположения подшипников машины. Распределение давления роторов на подшипники определяется по закону рычага . Горизонтальные и продольные возмущающие усилия приложены на уровне осей ригелей и продольных балок в рамных фундаментах и на уровне поверхности в стенных фундаментах. Если же фундамент смешанной конструкции, состоящей из нескольких рам, стенок или стоек, связанных упругим брусом, то нагрузка определяется как функция веса ротора, приходящегося на данную раму, стенку или стойку. [22]

Эти две задачи и были выполнены Архимедом, давшим точную математическую формулировку закона рычага и определившего дентр тяжести — как точку, при закреплении которой тело остается IB равновесии: во всех положениях. [23]

Однако именно Кеплеру принадлежит попытка динамического подхода к объяснению движения небесных тел, которая стала вместе с тем первым шагом к созданию действительной небесной механики. Убывание скорости планеты по мере возрастания ее расстояния от Солнца ассоциируется с формулировкой закона рычага , восходящей к Механическим проблемам: если планета дальше от Солнца, она тяжелее, и поэтому должна двигаться медленнее. [24]

Далее определяются усилия всех стержней отдельно от Р и Xх 1 и методом сил из уравнения X lt — — А 0 определяется величина Xt. Очень часто довольствуются приближенным решением, распределяя силу Р на упорные стержни по закону рычага . [25]

Далее распределяем усилия М, N, Q, найденные из статического расчета рамы, между элементами подкрановой части колонны — ветвями и распорками. В целях упрощения расчета принимают, что продольная сила распределяется между ветвями по закону рычага , а нулевые точки моментов в ветвях расположены в середине высоты панелей. [26]

Далее определяются усилия всех стержней отдельно от Р и ЛГ, 1 п методом сил из уравнения X t — J — Д р 0 определяется величина ATi. Очень часто довольствуются приближенным решением, распределяя силу Р на упорные стержни по закону рычага . [27]

Эти предложения тесно связаны с работами Архимеда по геометрии. Примером применения теоретических положений механики к геометрии может также служить определение площади сегмента параболы, основанное на законе рычага и теоремах о центре тяжести плоских фигур, которое приведено в математическом сочинении Архимеда Квадратура параболы. О тесной связи методов механики и математики в творчестве Архимеда свидетельствует Эфод, или послание к Эратосфену о механических теоремах. В этом произведении механика рассматривается как средство решения геометрических задач. [28]

Подобные наборы принципов в качестве введения к математическим сочинениям давались и до Евклида, по меньшей мере со времен Гиппократа, если не Фалеса1, — об этом свидетельствуют высказывания о соотношении площадей кругов, из которых выводились квадратуры гиппократовых луночек или простейшие высказывания о симметрии, которые предшествовали у Фалеса более сложным. Позднее мы видим, что небесной механике или вычислению размеров небесных тел и расстояний до них, или сочинениям по спрямлению дуг, или законам рычага также предпосылают подобные принципы. [29]

Значит, уже тогда люди имели представление о законах рычага и умели применять их. [30]

www.ngpedia.ru

Занимательная физика. Книга 1 (Я. И. Перельман, 1913)

Предлагаемая Вашему вниманию очередная книга Я. И. Перельмана содержит парадоксы, задачи, опыты, замысловатые вопросы и рассказы из области физики, относящиеся к кругу повседневных явлений или взятые из общеизвестных произведений научной фантастики. Задача книги не столько сообщить читателю новые знания, сколько помочь ему оживить уже имеющиеся, возбудить деятельность научного воображения. Привычные вещи, знакомые явления показываются с новой, неожиданной стороны. Парадоксы подстрекают любознательность. Положения науки иллюстрируются примерами из обыденной жизни, из художественной литературы, из мира современной автору техники. Разбираются распространённые предрассудки. Используются поразительные сопоставления, опыты, игры, фокусы. Забава и любознательность поставлены на службу обучению.

Книга рассчитана на учащихся средней школы и на лиц, занимающихся самообразованием.

Оглавление

• Выдающийся популяризатор науки
• Предисловие
• Глава I. Сложение и разложение движений и сил
• Глава II. Сила тяжести. Рычаг. Весы
• Глава III. Вращательное движение

Из серии: Занимательная физика

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Занимательная физика. Книга 1 (Я. И. Перельман, 1913) предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Сила тяжести. Рычаг. Весы

Вверх по уклону

Мы так привыкли видеть весомые тела скатывающимися с наклонной плоскости вниз, что пример тела, свободно катящегося по ней вверх, кажется с первого взгляда чуть не чудом. Однако нет ничего легче, как устроить подобное мнимое чудо. Возьмите полоску гибкого картона, изогните в виде кружкá и склейте концы – у вас получится картонное кольцо. К внутренней стороне этого кольца приклейте воском тяжелую монету, например полтинник. Поместите теперь это кольцо у основания наклонной дощечки так, чтобы монета приходилась впереди точки опоры, вверху. Отпустите кольцо – и оно само вкатится вверх по уклону (см. рис. 10).

Рис. 10. Кольцо само вкатывается вверх.

Причина ясна: монета, в силу своего веса, стремится занять низшее положение в кольце, но, двигаясь вместе с кольцом, она тем самым заставляет его катиться вверх.

Если вы хотите превратить опыт в фокус и поразить ваших гостей, то должны обставить его несколько иначе. К внутренней боковой стороне пустой круглой коробки от шляпы прикрепите какой-нибудь тяжелый предмет; затем, закрыв коробку и поместив ее надлежащим образом на середину наклонной доски, спроси́те гостей: куда покатится коробка, если ее не удерживать – вверх или вниз? Разумеется, все в один голос скажут, что вниз, – и будут немало изумлены, когда коробка на их глазах покатится вверх. Наклон доски должен быть для этого, конечно, не слишком велик.

Вопреки силе тяжести

Бильярдный шар и пара киев позволяют произвести подобный же фокус, – подобный, впрочем, лишь по внешности, а не по существу. Положите на стол два кия так, чтобы их острия соприкасались, а толстые концы отстояли друг от друга на поперечник шара. Казалось бы, что шар, положенный у середины киев, должен был скатиться в сторону тонких концов, а не толстых. Но стоит вам проделать этот опыт, чтобы убедиться в противном: шар катится к толстым концам, как бы подымаясь вверх!

Секрет в том, что здесь перед нами любопытная иллюзия зрения: так как кии по направлению к толстым концам расходятся врозь, то шар, катясь по ним, опускается все глубже и глубже; поэтому в действительности центр тяжести его следует по линии, понижающейся к толстым концам. Тот же опыт можно проделать и иначе. Приготовьте из картона два одинаковых конуса и склейте их основаниями. Затем поставьте на стол две книги – одну повыше, другую пониже. На спинки книг положите две ровных палки, – не параллельно, а с небольшим углом между ними. Ваш двойной конус будет по этим палкам катиться не от высокой книги к низкой, а как раз наоборот (рис. 11).

Рис. 11. Куда катится этот двойной конус?

Отличие этих двух опытов от предыдущего заключается в том, что там тело в самом деле катилось вверх по уклону; здесь же и шар и конусы катятся вверх лишь кажущимся образом, – в действительности-то они катятся вниз. Это лишь иллюзия зрения. Впрочем, центр тяжести во всех трех опытах перемещался вниз, а не вверх.

Опыты эти, конечно, нисколько не противоречат законам падения тел, – наоборот, они именно на них и основаны. Но постановка опытов такова, что простой закон тяжести в них маскируется, и на первый взгляд может показаться, что здесь, действительно, нарушаются строго установленные законы падения тел.

Если человек станет на площадку десятичных весов, попросит кого-нибудь уравновесить его гирями и затем быстро присядет, – то что́ произойдет с платформой весов в момент приседания?

Возможны три ответа:

1) весы не выйдут из равновесия,

2) платформа опустится,

3) платформа поднимется.

Из ста человек, к которым вы обратитесь с этим вопросом, наверное девяносто дадут первый или второй ответ. Одни скажут: «Вес человека не изменяется оттого, что он приседает, – значит, весы не выйдут из равновесия. Это ведь так ясно!» Другие скажут: «Раз вы приседаете вниз, то и платформа под вами опустится вниз. Это ведь так ясно!»

Однако, как это ни ясно, дело обстоит совсем иначе. Стóит лишь вам самим проделать этот простой опыт, и вы убедитесь, что на деле осуществляется именно третье предположение, которое никому не кажется «ясным».

И все же, ничего неожиданного и непонятного здесь нет. Дело в том, что пока вы стои́те, верхняя часть вашего туловища давит на ваши ноги, которые и передают платформе полный вес тела. В момент же приседания ваше туловище находится в движении и, следовательно, не оказывает на ноги прежнего давления. Другими словами, вес тела на это мгновение значительно уменьшается, – и вот почему платформа поднимается вверх. Само собою разумеется, что когда вы окончательно сядете, то туловище опять будет давить на ноги и равновесие восстановится.

За неимением десятичных весов можно проделать другой опыт в том же роде. На одну чашку обыкновенных торговых весов кладут щипцы для раскалывания орехов так, чтобы одно колено их покоилось на чашке, другое же привязывают за конец (M) бечевкой (A) к крючку (N), как показано на рис. 12. На другую чашку насыпают столько дроби, чтобы весы были в равновесии.

Рис. 12. Что станет с весами, если бечевку A пережечь?

Поднесите к бечевке зажженную спичку; бечевка перегорит, и верхнее колено щипцов упадет на чашку. Что произойдет с весами в этот момент?

Теперь вы не удивитесь уже, если увидите, что чашка со щипцами на мгновение поднимется вверх.

А что будет с платформой десятичных весов, если человек, сидящий на ней, быстро встанет во весь рост? Да то же самое: движущееся туловище не передает своего веса ногам, и платформа должна приподняться.

Можно ли послать ядро на Луну?

Как известно, Жюль Верн заставил членов американского «Пушечного клуба» послать ядро на Луну и даже самим совершить в нем полет вокруг нашего спутника. Вероятно, читателям увлекательного романа Жюля Верна небезынтересно узнать: возможно ли в действительности подобное предприятие?

Сначала рассмотрим другой вопрос: можно ли выстрелить из пушки так, чтобы ядро никогда не упало на Землю, а вечно кружилось вокруг нашей планеты, наподобие спутника? Оказывается, что это вполне возможно. В самом деле, почему ядро, выброшенное пушкой горизонтально, в конце концов падает на Землю? Потому, что притяжение Земли искривляет его путь; оно следует не по прямой линии, а по кривой, и потому, наконец, встречается с Землей. Земная поверхность, правда, тоже искривлена, но путь ядра изгибается круче, чем земная поверхность. Однако кривизну пути ядра можно ослабить и сделать ее одинаковой с искривлением земного шара. Кáк этого достигнуть, скажем после, – а пока обратим внимание читателя на то, что при таком условии ядро никогда не упадет на Землю! Оно будет следовать по кривой, концентрической с окружностью земного шара, другими словами – сделается его спутником, как бы второй Луной.

Рис. 13. Как надо стрелять из пушки, чтобы ядро никогда не упало на землю.

Теперь рассмотрим, каким образом добиться того, чтобы ядро, выброшенное пушкой, шло по пути, не менее искривленному, чем земная поверхность. Оказывается, что для этого необходимо только сообщить ядру достаточную скорость. Обратите внимание на рис. 13, изображающий разрез земного шара. На горе в точке A стоит пушка. Ядро, выброшенное ею по касательной, было бы через секунду в точке B, – если бы не существовало притяжения Земли. Тяжесть меняет дело, и под влиянием этой силы ядро через секунду окажется не в точке B, а на 5 метров ниже, в точке C. Пять метров – это путь, проходимый всяким свободно падающим телом в первую секунду под влиянием силы тяжести близ поверхности Земли [5] . Если, опустившись на 5 метров, наше ядро окажется над уровнем земли ровно настолько же, насколько и в точке A, – то это значит, что оно следует по кривой, концентрической с окружностью земного шара.

Рис. 14. При скорости 7. верст в секунду пушечное ядро может превратиться в спутника земного шара.

Теперь вопрос в том, чтобы вычислить отрезок АВ – тот путь, какой проходит ядро в секунду. Вычислить его нетрудно из треугольника АОВ, в котором ОА = радиусу земного шара (6 000 000 метров); ОС = ОА; ВС = 5 метров, следовательно, ОВ = 6 000 005 метров. Отсюда, по теореме Пифагора, имеем:

т. е. около 7½ верст.

Итак, ядро, выброшенное из пушки со скоростью 7½ верст, никогда не упадет на Землю, а будет вечно кружиться вокруг неё, подобно спутнику. Такой скорости наши пушки дать пока не могут, но со временем, быть может, мы этого и достигнем.

Разница не так уж велика: современные пушки сообщают ядрам скорость (при выходе из орудия) всего вдесятеро менее.

Что же станется с ядром, выброшенным из пушки с еще большей скоростью? В небесной механике доказывается, что ядро при скорости в 8, 9, даже 10 верст, вылетев из жерла пушки, будет описывать вокруг земного шара эллипс тем более вытянутый, чем больше начальная скорость ядра. И только при скорости 7½ × √2, т. е. приблизительно при скорости в 10½ верст, ядро вместо эллипса опишет незамкнутую кривую – параболу; оно уйдет в бесконечный простор вселенной, навсегда удалившись от нашей солнечной системы.

Мы видим, следовательно, что теоретически нет ничего невозможного в идее путешествовать по мировому пространству в ядре, выброшенном с достаточно большой скоростью. Правда, на практике это еще не осуществлено, но препятствия – чисто технические; возможно, что в будущем изобретут взрывчатое вещество такой силы, которая достаточна будет для придания снарядам секундной скорости в 8–10 верст. Тогда отправка ядра на Луну не представит никаких затруднений.

Как Жюль Верн описал путешествие на Луну, и как оно должно было бы происходить в действительности

Итак, послать ядро на Луну возможно – это не противоречит законам механики. Можно и поместить пассажиров внутри ядра, как это описано у Жюля Верна в романе «Вокруг Луны». Но не все подробности этого воображаемого путешествия описаны у французского романиста правильно. Фантазия Жюля Верна многое предусмотрела, многое угадала, – однако не все. Об одном из этих упущений мы сейчас и поведем речь.

Помните ли вы тот интересный момент путешествия, когда ядро пролетало нейтральную точку, одинаково притягиваемую Землей и Луной? Все предметы внутри ядра утратили свой вес, и сами путешественники, подпрыгнув, повисли в воздухе без всякой опоры…

Все это описано совершенно верно, – но дело в том, что то же самое было и до и после перелета через нейтральную точку. Путешественники, как и все другие предметы внутри ядра, сделались невесомыми с первого же момента полета, и им вовсе не было нужды ждать ней тральной точки, чтобы испытать эти странные ощущения.

Это утверждение кажется невероятным, – но читатель, мы уверены, скоро согласится с нами и даже будет удивляться, как он сам не заметил ранее столь явного упущения.

Чтобы убедить читателя, возьмем пример из того же романа «Вокруг Луны». Вы помните, конечно, как пассажиры ядра выбросили наружу труп их собаки Спутника и как они с удивлением заметили, что труп вовсе не падает на Землю, а продолжает нестись вперед вместе с ядром. Жюль Верн совершенно верно описал это явление и дал ему вполне правильное объяснение. Действительно, в пустоте, как известно, все тела падают с одинаковой скоростью – т. е. притяжение Земли сообщает всем телам одинаковое ускорение. В данном случае и ядро и труп собаки должны были под действием силы земного притяжения приобрести одинаковую скорость падения; или, иначе говоря, их поступательная скорость, сообщенная им при вылете из пушки, должна под действием тяжести уменьшиться на одну и ту же величину. Это значит, что скорость ядра и скорость собаки во всех точках пути должны оставаться равными, – вот почему труп собаки, выброшенный наружу ядра, продолжал следовать за ним, нисколько не отставая.

Но если труп собаки, по-видимому, не падает к Земле, находясь вне ядра, то почему же будет он «падать», находясь внутри его? Ведь и там и тут действуют одинаковые силы, и тело собаки, помещенное внутри ядра без вся кой опоры, должно оставаться висящим в воздухе: оно имеет совершенно ту же скорость, что и ядро, и, следовательно, остается по отношению к нему в покое.

Что верно для тела собаки, то верно и для тел пассажиров и для всех вообще предметов внутри ядра: все они во всех точках пути имеют такую же поступательную скорость, как и само ядро, и, следовательно, не нуждаются ни в какой опоре, чтобы оставаться в равновесии. Стул, стоящий на полу летящего ядра, можно поместить вверх ножками у потолка – и он вовсе не упадет «вниз», потому что будет продолжать нестись вперед вместе с потолком ядра. Пассажир может усесться вниз головой на этот стул и спокойно сидеть на нем, не испытывая ни малейшего стремления падать на пол ядра. Какая сила может заставить его упасть? Ведь если бы он «упал», то это значило бы, собственно говоря, что ядро мчится в пространстве с большей скоростью, чем он сам (иначе он не при близился бы к полу). А между тем, это невозможно: мы знаем, что все предметы внутри ядра участвуют в его движении, движутся с тою же скоростью, как и оно само.

Всего этого не заметил Жюль Верн: он полагал, что предметы внутри свободно несущегося ядра будут про должать давить на свои опоры, как давили они тогда, когда ядро было неподвижно. Он упустил из виду, что весомое тело давит на опору только потому, что опора неподвижна; если же и тело и опора движутся в пространстве с одинаковой скоростью, то они друг на друга давить не могут. Когда вы сидите в вагоне лицом к паровозу и опираетесь спиной о стенку вагона, разве вы чувствуете, что эта стенка несется вперед с огромною скоростью? Нет, вы не ощущаете никакого давления, потому что сами несетесь вперед с точно такою же скоростью.

Для тех, кому это все еще кажется невероятным, сделаем дополнительное пояснение. Допустим, что вместо ядра пушка извергла из себя две монеты, лежащие одна на другой. Будет ли верхняя монета давить на нижнюю? Нет, не будет: обе понесутся с одинаковой скоростью. Прекрасно. Теперь вообразите вместо нижней монеты пол нашего вагона-ядра, а вместо верхней – наших путешественников: будут ли их тела давить на пол? Конечно нет. А если они не будут давить на пол, то ведь это и значит, что они не весомы!

Итак, пассажиры ядра с первого же момента путешествия не имели никакого веса и могли свободно «ходить по воз духу» внутри ядра; точно также и все предметы внутри него должны были казаться пассажирам совершенно невесомыми. Следовательно, во все время путешествия (а не только в момент перелета через нейтральную точку) наши пассажиры находились в совершенно необычайных условиях невесомости. По этому признаку они очень легко могли определить, движутся ли они или продолжают неподвижно оставаться на дне пушки. А между тем Жюль Верн подробно описывает (во второй главе романа), как пассажиры в первые полчаса путешествия тщетно ломали голову над вопросом: летят они или нет?

«– Николь, движемся ли мы?

Николь и Ардан переглянулись: они не чувствовали колебаний ядра.

– Действительно! Движемся ли мы? – повторил Ардан.

– Или спокойно лежим на почве Флориды? – спросил Николь.

– Или на дне Мексиканского залива? – прибавил Мишель».

Такие сомнения возможны у пассажиров парохода, но немыслимы, как мы видели, у пассажиров свободно несущегося ядра: первые вполне сохраняют свой вес, вторые же не могут не заметить, что сделались невесомыми.

Странное явление должен представлять собой этот фантастический вагон-ядро! Перед нами крошечный мир, где тела лишены веса, где предметы, выпущенные из рук, спокойно остаются на месте, где тела сохраняют равновесие во всяком положении, где вода не выливается из опрокинутой бутылки… Все это упустил из виду автор книги «Вокруг Луны», – а между тем, какой простор эти неограниченные возможности могли бы дать фантазии романиста!

Между прочим, отсутствие весомости странным образом сказалось бы на свойствах жидкостей, – но об этом мы побеседуем особо – в главе VI.

Прежде чем покончить с этим, разрешим одно недоумение, которое может, пожалуй, еще возникнуть кое у кого из читателей. Нас могут спросить: почему же не становятся невесомыми пассажиры аэростата? Да потому, что аэростат никогда не движется свободно, а преодолевает со противление воздуха; пассажиры аэростата этого сопротивления не испытывают; поэтому сила тяжести сообщает пассажирам большее ускорение, нежели аэростату; различие скоростей и сказывается в ощущении весомости (ноги пассажиров давят на корзину аэростата). То же относится и к плавающему судну, к железнодорожному вагону и т. п.

Путешественники по Японии не раз выражали удивление бескорыстию японских возниц, которые без всякой добавочной платы охотно отвозят обратно седоков, предпочитая везти свою «джинрикшу» (возок) (см. рис. 15) нагруженной, нежели пустой. Это изумительное бескорыстие японских возниц станет понятнее, если мы докажем, что на ровной дороге нагруженную джинрикшу легче вести, нежели пустую… Такое парадоксальное утверждение находит себе объяснение в законах рычага. Мы сейчас в этом убедимся.

Рис. 15. Японские возки – джинрикши, которые легче везти нагруженными, нежели пустыми.

Рис. 16. Равновесие сил на японском возке.

Рисунок 16 упрощенно изображает возницу, везущего джинрикшу с седоком. Линия AB – между точкой приложения рук возницы и точкой опоры седока – есть не что иное, как неравноплечий рычаг, вращающийся вокруг оси колеса; возница напирает на длинное плечо, седок – на вдвое более короткое. Поэтому половина веса тела возницы уравновешивается весом седока; а это все равно, как если бы возница стал вдвое легче – ведь ногам его приходится нести вдвое меньший груз. Работа же по перемещению веса седока и другой половины веса возницы по ровной дороге с по мощью легких колес – крайне незначительна. Всех этих преимуществ возница лишен, если его джинрикша пуста, – так как тогда половина веса его собственного тела уже не уравновешивается весом пассажира.

Отсюда следует, что японскую джинрикшу – в отличие от всех иных экипажей и повозок мира – действительно легче вести нагруженной, нежели пустой.

Но так происходить лишь на дороге совершенно ровной и горизонтальной. Если же дорога имеет наклон, и возок приходиться тащить в гору – дело меняется. Вместо японского возка мы, для разнообразия, рассмотрим английскую те лежку или одноколку при двух положениях седока.

Рассмотрите рис. 17 и попробуйте, на основании законов рычага, объяснить, почему тележку с седоком легче везти в гору, если седок сидит в передней, а не в зад ней её части.

Рис. 17. Какую тележку легче везти в гору и почему?

Надо рассуждать так: если седок расположен впереди оси колес, то вес его тела через поручни тележки прибавляется к весу тела везущего: последний становится тяжелее, и ему не приходится прилагать больших усилий к тому, чтобы мешать тележке скатываться вниз. Если же седок располагается на заднем конце тележки, то, как мы уже видели, он облегчает вес тела возницы; вот почему последнему приходится сильно наклоняться вперед, напрягая мускулы, чтобы помешать обратному скатыванию тележки.

Другое дело, когда тележку с седоком катят вниз по уклону: здесь уменьшение веса, как и в случае с джинрикшей, выгодно для возницы, а увеличение – невыгодно. По этому правый возница на рис. 18 бегом катит тележку, между тем как левый катит ее шагом и с большим напряжением.

Рис. 18. Кому труднее везти тележку под гору и почему?

Из веревок и картона нетрудно смастерить весы, которыми можно пользоваться даже для хозяйственных надобностей.

В горизонтальную полку вбейте два гвоздя на расстоянии полуаршина [6] один от другого. К ним привяжите концы крепкой двухаршинной бечевки, предварительно завязав узел строго посредине её длины. Теперь приготовьте из кусков картона «чашки», которые и подвяжите на бечевках на расстоянии 5–6 вершков [7] в обе стороны от узла. К полке прибейте кусок картона, на котором поставьте знак – стрелку, как раз против того места, где находится узел.

Теперь весы готовы. Когда «чашки» нагружены одинаково, узел приходится против стрелки. Если же какая-либо из чашек перетягивает, то средняя часть бечевки, отвечающая коромыслу весов, наклоняется в соответствующую сторону и тянет ту да же узел.

Рис. 19. Самодельные весы из веревок.

Чтобы наши веревочные весы действовали правильно, необходимо изготовить их чрезвычайно тщательно: гвозди должны быть на одной горизонтальной линии, узел должен быть строго посередине и т. д. Достичь этого трудно, поэтому мы объясним сейчас –

Как на неверных весах взвесить верно.

Не думайте, что если у вас имеются неверные весы, то с их помощью нельзя произвести верного взвешивания. Ничего нет легче, как взвесить верно на неверных весах. Надо только знать, как взяться за дело.

А дело очень просто. Положив предмет, подлежащий взвешиванию, на одну чашку весов, насыпайте на другую песку (или дроби) до тех пор, пока весы не придут в равновесие. Затем, сняв с чашки взвешиваемый предмет (песок не трогают), кладите на него гири до тех пор, пока весы снова не уравновесятся. Ясно, что теперь гири равны весу снятого с чашки предмета, так как предмет и гири вполне заменяют друг друга. Отсюда и название способа – «взвешивание заменой».

На пружинных весах, имеющих только одну чашку, этот простой прием также вполне применим. Здесь нет надобности запасаться песком или дробью. Положите взвешиваемую вещь на чашку и заметьте, у какого деления остановится указатель. Затем, сняв вещь с безмена, по ставьте на чашку столько гирь, сколько надобно для того, чтобы указатель остановился у того же деления. Вес этих гирь, очевидно, должен равняться весу вещи.

Так как пружинные весы часто портятся, то мы советуем всегда применять этот прием, который дает верный результат даже на неверных весах. Он пригоден, конечно, для проверки всякого рода иных весов, будут ли это весы с коромыслом, весы столовые, безмен и т. д.

Если, покупая товар в магазине, вы сомневаетесь в правильности весов, заставьте продавца перевзвесить еще раз по только что описанному способу – и недовес, если он был, сразу скажется. Разумеется, при этом мы полагаем, что в вашем распоряжении имеются вполне верные гири.

Как взвешивать, не имея гирь?

Гири далеко не всегда оказываются под руками, и потому всякому полезно запомнить, что за неимением гирь можно с успехом пользоваться… деньгами! В самом деле, монеты чеканятся вполне определенного веса, и зная это, можно в случае нужды (разумеется – не денежной) обходиться без гирь. Кто читал роман Жюля Верна «Гектор Сервадак», тот знает, какую услугу в этом отношении могут оказать французские деньги. Но многим неизвестно, что для тех же целей можно употреблять и русские деньги.

Для русских мер нужно пользоваться медными монетами. Достоинство их находится в очень простом отношении к нашей весовой единице, а именно: на пуд [8] идет 50 рублей медной монеты современного образца. Отсюда уже легко вывести, что на фунт идет медной монеты на 125 копеек. При этом безразлично, возьмете ли вы 25 пятаков, 125 отдельных копеек или со ставите какие-либо иные комбинации из монет 5-ти, 3-х, 2-х и 1-копеечного достоинства, так как вес медных монет пропорционален их достоинству. Один лот [9] до вольно близко отвечает весу 4 копеек.

Для мер французских (граммов), которые часто указываются в научных сочинениях, физик-любитель может пользоваться нашей серебряной монетой, зная, что

серебряный рубль весит ровно…… 20 граммов

серебряный полтинник весит ровно…… 10 граммов

серебряный четвертак весит ровно…… 5 граммов.

Что же касается мелкой серебряной разменной монеты (20, 15, 10 и 5 коп.), то вес её не пропорционален достоинству, так как она чеканится из сплава более низкой пробы, чем полноценная. Не мешает запомнить, на всякий случай, что серебряный пятачок весит 0,9 грамма, т. е. немногим меньше грамма.

Этих данных достаточно, чтобы с удовлетворительной точностью производить взвешивания в русских и французских мерах. Нужно только избегать пользоваться слишком потертой монетой.

Один средневековый ученый предлагал устроить колесо, которое само вертелось бы, без всякой посторонней силы, и при том вечно.

На рис. 20 изображен его самодвижущийся механизм. К краям зубчатого колеса прикреплены откидные палоч ки с грузами на концах. При всяком положении этого колеса грузы на правой его стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, будет перевешивать и увлекать колесо во вращательное движение.

Рис. 20. Будет ли это колесо вертеться само собой?

Казалось бы, такое колесо должно вращаться вечно, – по крайней мере, до тех пор, пока не перетрется его ось. А между тем, если вы смастерите этот двигатель, то убедитесь, что он и не думает двигаться.

Очень просто: грузы на левой стороне, действительно, дальше от центра – но это преимущество уничтожается тем, что самое число их зато гораздо меньше. Взгляните на рисунок: налево всего два шарика, а направо чуть не целых пять… Оттого-то наш двигатель и не трогается с места.

Уже более полувека, как доказано, что невозможно построить механизм, который вечно двигался бы сам собой. Поэтому не стоит и ломать голову над такой безнадежной задачей. Все равно ни до чего не додуматься. А в прежнее время, особенно в средние века, люди немало таки потратили времени и труда на изобретение «вечного движения» – perpetuum mobile по-латыни. Это казалось им еще более заманчивым, чем искусство делать золото из дешевых металлов.

У Пушкина в «Сценах из рыцарских времен» выведен такой мечтатель в лице Бертольда:

«– Что такое perpetuum mobile? – спрашивает Мартын.

– Perpetuum mobile – отвечает ему Бертольд, – есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому… Видишь ли, добрый мой Мартын, делать золото – задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное и выгодное, но найти perpetuum mobile… О. »

Выдумали целые сотни и тысячи «вечных двигателей» – но все они не двигались долее четверти часа. В каждом случае, как и в нашем примере, изобретатель упускал из виду какое-нибудь обстоятельство, которое и разрушало все его планы.

«Чудо – и не чудо»

Чертеж, который изображен на восьмой странице нашей книги, взят из сочинения Стевина, ученого XVII века. Этот бельгийский математик сделал много важных открытий, которыми мы теперь постоянно пользуемся; так, он изобрел десятичные дроби, ввел в алгебру употребление показателей, открыл гидростатический закон, впоследствии вновь открытый Паскалем. Между прочим, Стевин открыл также за кон равновесия сил на наклонной плоскости – и, с помощью прилагаемого чертежа (см. рис. 21), доказал этот закон чрезвычайно остроумным способом.

Рис. 21. Два шара уравновешивают четыре.

Здесь перед нами действительно как бы чудо. Через две сходящиеся под углом наклонные плоскости перекинута замкнутая цепь, которая, конечно, находится в равновесии – ибо нет причины ей приходить в движение. Но та часть этой цепи, которая полукругом свисает вниз, уравновешивается сама собой. Значит, обе остающиеся части цепи – те, что лежат на плоскостях, – должны уравновешивать одна другую. Получается как бы парадокс: два звена цепи уравновешивают четыре.

Но Стевин из этого «чуда» вывел важный закон механики. Он рассуждал так. Обе цепи – и длинная и короткая – весят различно: одна цепь тяжелее другой во столько же раз, во сколько раз длинная плоскость длиннее короткой. Отсюда прямо вытекает, что два тела, связанные шнуром, уравновешивают друг друга на наклонных плоскостях, если веса их пропорциональны длинам этих плоскостей. В том случае, когда короткая плоскость отвесна, вы получаете известный закон механики: чтобы удержать тело на наклонной плоскости, надо действовать в направлении этой плоскости силою, которая во столько раз меньше веса тела, во сколько раз длина плоскости больше ее высоты.

Оглавление

• Выдающийся популяризатор науки
• Предисловие
• Глава I. Сложение и разложение движений и сил
• Глава II. Сила тяжести. Рычаг. Весы
• Глава III. Вращательное движение

Из серии: Занимательная физика

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Занимательная физика. Книга 1 (Я. И. Перельман, 1913) предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

kartaslov.ru