Страница 6 из 75
P = 2F.
Итак, чтобы человек удержал платформу в равновесии посредством описанной системы блоков, вес платформы не должен превышать мускульную силу человека более чем в 2 раза. Если же вес платформы много меньше мускульной силы человека или, по крайней мере, равен ей, значит, человек может применить неполную силу для поддержания равновесия. Как видно, блок не так уж прост.
Обращает на себя внимание вертикальное натяжение канатов, которое максимально. Натянуть же с помощью двух неподвижных блоков веревку в горизонтальном положении столь успешно нельзя, т. к. она все равно будет немного провисать. А причиной тому является баланс сил в системе блоков. Провисание вызывает сила тяжести, направленная вертикально. Поэтому никакая приложенная к горизонтали сила на веревку не подействует и силу тяжести не скомпенсирует.
Как видно, описанные выше системы меняют направление сил или меняют их величины. Принципы действия простых машин легко объяснить на наиболее типичных устройствах — неподвижном и подвижном блоках. У неподвижного блока силы приложены к двум точкам, которые лежат на равных расстояниях от центра, служащего точкой опоры. Данные силы всегда количественно равны друг другу, т. к. взаимно уравновешиваются. Однако направление их действия неодинаково. То есть неподвижный блок меняет направление силы, в этом заключается выигрыш.
Теперь рассмотрим подвижный блок. У него точка опоры лежит на краю колеса, на середину его приходится нагрузка, а на другой край — противодействующая сила. Все три точки — опоры и приложения сил — лежат на одной прямой, совпадающей с диаметральной хордой окружности колеса блока. Нетрудно убедиться, что неподвижный блок меняет величину приложенной силы. Расстояние от точки опоры до точки приложения сил неодинаково, и мускульная сила приложена к точке, что находится на расстоянии 2r.
Силы сравниваются при помощи геометрии. Для этой цели восстанавливаются векторы сил, и по ним строятся фигуры. Здесь геометрических построений приводиться не будет, интересующиеся этим могут выполнить необходимые расчеты самостоятельно. Сейчас же приводится окончательный результат таких сравнений. Силы соотносятся между собой так же, как соотносятся расстояния точек их приложения от точки опоры. Если поделить величину противодействующей нагрузки на величину мускульной силы, то получится тот же результат, что при делении 2r на r. Иными словами, мускульная сила уравновешивает на подвижном блоке вдвое превышающую ее нагрузку. Получается выигрыш в силе.
Следует ли считать эти выигрыши, которые дают простые машины, выигрышами в работе? Вовсе нет, и вот почему. Работа прямо пропорциональна силе, приложенной к телу, и расстоянию, которое тело преодолело под действием данной силы. Выигрыш в работе означает увеличение работы при постоянной силе или неизменном пути. Посмотрим, реально ли это. Если записать соотношение данных трех величин в виде физической формулы, то получится выражение
A = F · S,
где A обозначает работу, F — силу, а s — путь (расстояние).
Любое увеличение силы означает сокращение пути. Любое сокращение пути приводит к увеличению силы. То есть реален выигрыш в силе или в расстоянии. Но количество работы остается неизменным. Выполнить большую работу за счет неизменных силы и расстояния нельзя. Чтобы работа увеличилась, одну из величин в правой части формулы или сразу обе также необходимо увеличить. Но если мы увеличиваем силу, то не должны делать этого за счет расстояния. А если увеличиваем расстояние, то не за счет сокращения силы.
Иными словами, для выполнения большей работы требуется затратить больше энергии, а выдумывать «экономичный» механизм бесполезно. В этом и состоит «золотое правило» механики, которое утверждает: когда выигрывается в силе, то проигрывается в перемещении, и наоборот. Это правило лежит в основе закона сохранения энергии, который доказывает, что невозможно получить выигрыш в работе без дополнительных затрат энергии. При постоянных затратах X нужно либо уменьшить расстояние, тогда получится применить наибольшую силу, либо уменьшить силу, тогда тело можно будет переместить на большее расстояние.
Изобретение рычага
Неизвестно, с какими бы трудностями столкнулись физики в своих попытках утвердить «золотое правило» механики в его современном виде, если бы задолго до того это правило не было сформулировано в применении к частному случаю. Свыше 2200 лет назад наука открыла закон рычага — простой машины, наглядно иллюстрирующей справедливость «золотого правила». Парадоксально, но рычаг изобрели задолго до того, как был открыт физический закон, объясняющий принцип действия этого устройства.
Принцип работы рычага настолько прост, что это нехитрое устройство впервые стали применять, видимо, еще доисторические люди. Они использовали палки для перемещения больших камней, особенно при воздвижении своих культовых мегалитических сооружений — менгиров, дольменов, кромлехов. В дальнейшем рычажные устройства, сконструированные по гораздо более сложной схеме, стали применяться строителями древнейших городов.
Поскольку самый первый город Иерихон был заложен свыше 10 тыс. лет назад, то можно утверждать, что начиная с этой даты применение рычагов становится все более частым. Регулярно рычажные механизмы применялись в Древнем Египте, где имело место широкомасштабное планомерное строительство разнообразных архитектурных комплексов, объектов хозяйственного назначения и т. п. Каждый в первую очередь представляет себе царские гробницы — пирамиды. Если соблюдать точность, то знаменитые египетские пирамиды представляют собой колоссальные надгробия из каменных блоков.
Сама гробница является крупным помещением, уходящим глубоко под землю и заканчивающимся комнатой-усыпальницей, в которой помещался саркофаг с мумией усопшего владыки. Первоначально надгробиями для подземных гробниц фараонов служили огромные плоские мастабы. Лишь фараон Джосер около 4700 лет назад ввел традицию увеличивать мастабы ввысь и превращать их в пирамидальные сооружения. Во время воздвижения пирамид широко применялись рычаги, которые являлись самым необходимым строительным приспособлением, поскольку лишь с помощью подобных устройств было возможно поднимать массивные каменные глыбы на большую высоту.
Затем машины, действие которых основано на принципе рычага, стали использоваться в строительстве повсеместно. Естественно, особое значение они получили в Древней Элладе, т. к. греки уважали архитектуру. Эта наука в их представлении была связана с одной из «идеальных» наук — геометрией. Конструирование механических устройств не было, однако, столь почетным делом. По этой причине рычагом пользовались, не пытаясь объяснить его свойств.
Некоторые древнегреческие мыслители предпринимали попытки разгадать тайны рычага, но все эти начинания оказались тщетны по той причине, что древние подходили к проблеме с предвзятым суждением о свойствах этого простого устройства. Вскоре рычаг был объявлен магическим инструментом, потому что его работа основывалась на полумистических свойствах круга. Дело в том, что концы плеч рычага описывают в пространстве во время своего движения дуги окружностей. А круг и окружность почитались в Древнем мире как священные и волшебные фигуры, ведь по кругу двигались небесные светила.
Круг был «идеален» во всех отношениях, а потому ссылкой на него легко можно было объяснить все самое непонятное в природе и жизни людей. Закон рычага предстояло открыть великому древнегреческому геометру III в. до н. э. Архимеду, жившему в городе Сиракузы на Сицилии. Архимед первым приподнял завесу тайны над магическим кругом, обнаружив число «пи», и поэтому относился к геометрии без излишней предвзятости и идеализации.