Страница 24 из 173
Но только ли движущиеся тела стремятся сохранить свое состояние? Нет. Известно, что если тело покоится, то для приведения его в движение тоже нужно прилагать усилия. И покоящиеся тела оказывают сопротивление изменению их состояния, причем и в этом случае сопротивление одних тел больше, других — меньше: очень легко сдвинуть с места мяч; большой снежный ком — значительно труднее и еще труднее — большой камень.
Такое стремление тел сохранить свое состояние — покоя или движения — было названо инерцией. Применительно к нашему примеру можно сказать, что мяч обладает меньшей инерцией, чем снежный ком, а инерция кома меньше инерции камня.
От чего же зависит величина инерции тела?
Согласно учению основоположников механики она зависит от количества содержащейся в теле материи, то есть от его массы: чем больше масса тела, тем больше его инерция, и наоборот. Но если инерция изменяется в зависимости от массы, то отсюда следует, что по изменению инерции тела можно судить о его массе. Иначе говоря, масса является мерой инерции.
Идеи атомизма развивались и в России, где их горячим сторонником был М. В. Ломоносов. Ему принадлежит попытка определить размер атома. Ломоносов исходил из того, что золото можно раскатать до очень тонкого слоя, а именно до 1/15552 линии (линия — старинная мера длины, равная приблизительно 2,5 миллиметра). Если предположить, что толщина такого слоя равна диаметру атома, то, по подсчетам Ломоносова, в одной кубической песчинке золота, сторона которой равна 0,1 линии, должно содержаться 3 761 479 876 атомов. Меньше одного атома толщина слоя, конечно, быть не может, поскольку атом, по представлениям ученых того времени, неделим. Но она может быть большей, например, равной двум или трем атомам. Тогда число атомов в одной крохотной песчинке оказалось бы еще в несколько раз больше. Отсюда нетрудно себе представить, сколь мал по величине атом.
Атомистическую теорию М. В. Ломоносов использовал для объяснения одного из наиболее важных для нашей жизни явлений — явления нагревания тел.
Было время, когда люди добывали себе тепло в тяжелой, напряженной борьбе с природой. Первобытный человек сначала не умел добывать огонь. Он пользовался только тем огнем, который находил в природе, например во время лесных пожаров. Огонь избавлял людей от замерзания в холодных пещерах, давал им возможность варить пищу. Прошли сотни тысяч лет, прежде чем человек научился добывать огонь посредством трения. Постепенно способы добычи огня совершенствовались. Добывание огня стало в конце концов простым, обычным, общедоступным делом. Однако, пользуясь теплом в течение многих тысячелетий каждый день, во всяком производстве, в каждом доме, люди долгое время не понимали, какова природа теплоты, как происходит передача теплоты от нагретых тел к холодным.
Ученые выдвигали различные объяснения, но они оказывались несостоятельными. Так, например, многие считали, что теплота — это особая невесомая жидкость, которую назвали теплородом. Эта жидкость якобы переливается из одних тел в другие, отчего и происходит остывание одних тел и нагревание других. Но уже в XVII веке английский ученый Фрэнсис Бэкон установил, что теплота связана с движением. Но какое это движение и как оно происходит, что движется и как движется— это оставалось неясным.
Ответ на эти вопросы ищет М. В. Ломоносов, опираясь на атомистическую теорию строения материи.
Теплота — это не что иное, говорит он, как движение мельчайших частиц тела. Степень нагрева тела зависит от скорости движения частиц в нем: чем больше эта скорость, тем выше температура, и наоборот. То, что мы не видим этого движения частиц, объясняется слишком малыми их размерами. Для пояснения своей мысли Ломоносов приводил такой пример. Когда через лес проносится ветер, то деревья и листья на них колышутся. Но, если смотреть на лес издали, он кажется неподвижным.
Идеи Ломоносова привели впоследствии (уже в XIX веке) к тому, что предположение о существовании теплорода было окончательно отброшено. Стало общепризнанным учение, что теплота — это движение частиц материи. Это учение было названо кинетической теорией теплоты (от греческого слова «кинео» — двигаю).
Кинетическая теория выяснила, с какого рода движением частиц связана теплота. Ломоносов полагал, что теплота вызывается вращательным движением частиц, при котором центр каждой частицы остается на месте. Теперь же было установлено, что теплота связана со всяким хаотическим (то есть беспорядочным) движением частиц. Составляющие тело частицы постоянно перемещаются, но от этого тело не сдвигается с места. Его можно сравнить с роем комаров: каждый комар в отдельности двигается по разным направлениям, но в целом рой остается на месте.
С точки зрения кинетической теории легко объясняются все явления, связанные с действиями тепла и холода.
Если тело холодное, то это значит, что составляющие его частицы движутся сравнительно медленно. Для того чтобы нагреть тело, нужно заставить эти частицы двигаться быстрее. Этого можно достигнуть, например, при помощи трения: при трении происходят столкновения частиц одного тела с частицами другого, что заставляет быстрее двигаться как те, так и другие. А увеличение скорости движения частиц тела и есть увеличение тепла. Можно нагреть холодный предмет также путем приведения его в соприкосновение с более теплым. При этом быстро двигающиеся частицы теплого тела, ударяясь о частицы холодного тела, заставляют их двигаться быстрее, причем сами они после этого двигаются уже медленнее, подобно тому как бывает при столкновении движущегося мяча с неподвижным: последний приходит в движение, но зато скорость первого при этом уменьшается. Так происходит до тех пор, пока скорости движения частиц в обоих телах не сравняются, то есть пока оба тела не будут одинаково нагреты.
Так же просто объясняются и другие тепловые явления. Например, известно, что твердое тело можно путем нагревания превратить в жидкое (плавка металлов, таяние льда), жидкое — в газообразное (образование пара из воды при кипячении). Что происходит здесь с точки зрения кинетической теории? В твердом теле частицы прочно связаны друг с другом. Поэтому твердое тело при отсутствии внешнего воздействия не меняет своей формы. Другое дело — жидкость. В сосуде она принимает форму сосуда. Будучи вылита из него, она растекается по поверхности. Это происходит потому, что частицы жидкости слабее связаны друг с другом. Но, растекаясь по поверхности, жидкость не меняет, однако, своего объема. Это значит, что ее частицы все же настолько крепко сцеплены, что не разлетаются в разные стороны. В газах же связь между частицами очень слаба. Поэтому, если нет удерживающего сосуда, эти частицы сразу начинают разлетаться во все стороны, вследствие чего объем газа сильно увеличивается. Таким образом, твердое, жидкое и газообразное вещества различаются между собой силой сцепления составляющих их частиц. Сила же сцепления между частицами вещества уменьшается при увеличении скоростей их хаотического движения. Отсюда понятно, что при нагревании твердое тело можно превратить в жидкое, а жидкость — в газ.
Но как же все-таки доказать, что частицы вещества находятся в постоянном движении, если частицы эти невидимы?
Доказательство, как это часто бывает, пришло совсем из другой области, то есть не из области физики. Оно связано с исследованием одного очень интересного явления, открытого не физиком, а ботаником.
В 1827 году ботаник Броун, рассматривая в микроскоп каплю жидкости, содержавшую пыльцу растений, обнаружил в ней много твердых мелких частичек. При этом, к своему великому удивлению, он совершенно ясно увидел, что все эти частицы прыгают с места на место, ни на секунду не останавливаясь, хотя капля была в полном покое. Создавалось такое впечатление, как будто эти частицы живые. Были поставлены опыты с явно неживыми частицами. Происходило то же самое.
Объяснение этого явления было дано позднее на основе учения об атомах. Объяснение это таково. Твердые частички, находящиеся в капле воды, подвергаются ударам частиц воды, которые непрерывно двигаются. А так как частицы воды движутся хаотически, беспорядочно, то и твердые частицы под влиянием их ударов летят то в одну, то в другую сторону. Если менять температуру воды, то по мере нагревания «пляска» броуновских частиц усиливается, по мере охлаждения — ослабевает. С точки зрения кинетической теории это вполне понятно: нагревание воды есть не что иное, как усиление движения составляющих ее частиц. Двигаясь быстрее, атомы воды энергичнее толкают плавающие в воде твердые частички, отчего частички эти начинают прыгать сильнее. При охлаждении же происходит обратное.