Законы движения

Спутник Земли, Луна, удерживается на своей орбите благодаря притяжению Земли, но и сама притягивает Землю, вызывая на поверхности морей приливную волну и слегка изменяя движение Земли около Солнца.

Действие и противодействие

Здания, мосты, мебель в комнатах, плоды на ветках, деревья, провода на столбах, корабли в море, тучи на небе, самолеты и воздушные шары за облаками — словом, все, что лежит, стоит, висит, плавает, летает, — не проваливается под землю, не тонет, не падает, не скатывается вниз только потому, что находится во взаимодействии с каким-либо другим предметом. Эти предметы, все равно будь то земля, подставка, подвеска, вода или воздух, являются опорой, и сила тяжести, влекущая все предметы по направлению к центру. Земли, встречает со стороны опоры ответное действие. Это ответное действие мешает силе тяжести приводить предметы в движение, противодействует ей — ее уравновешивает, как одна чашка весов, мешая другой чашке опуститься, уравновешивает ее.

Точно в таком же положении находится корабль, стоящий на якоре и остающийся на месте даже в том случае, когда ветер и течение стремятся его увлечь.

Возникающие при этом силы называются силами реакции. Они уравновешивают действующую на тело силу и помогают ему оставаться в покое.

При постройке моста необходимо предварительно рассчитать, в какой мере мостовые устои способны оказать противодействие той нагрузке, которая на них навалится: смогут ли они ее выдержать, достаточен ли у опор запас противодействия, или, как говорят строители, запас прочности. И строители сооружают устои моста такими, чтобы они могли оказать противодействие любой нагрузке, какая только может проявиться на мосту. Они считают, будто устои давят на мост снизу. Действие всегда равно противодействию — они равносильны, равноправны, и потому строители вправе считать так, как им удобнее.

Точно так же поступают инженеры, проектирующие фундаменты зданий. Они знают, что обыкновенный грунт способен оказывать противодействие тяжести здания с силой примерно в два — три килограмма на каждый квадратный сантиметр фундамента. При этом условии действие, то есть тяжесть всего здания, и противодействие, сопротивление грунта, сжимают фундамент сверху и снизу. На фундамент действуют две одинаковые, но направленные в противоположные стороны силы. Такие силы уравновешиваются и не могут сдвинуть фундамент с места, но сдавливают его, и, если запаса прочности этого фундамента не хватит, он разрушится, а здание обвалится.

Разрушители машин

Ньютон был первым ученым, установившим причину вращательного движения планет вокруг Солнца. Силой, вызывающей это движение, оказалась сила тяготения.

Еще задолго до Ньютона ученые выяснили, что для того, чтобы тело вращалось, на него должна действовать сила. Но особенно хорошо это видно из законов Ньютона.

Вот мальчик вращает камень на веревке. Он крутит этот камень все быстрее и быстрее, пока веревка не оборвется. Тогда камень полетит куда-то в сторону.

Какая же сила разорвала веревку? Ведь она удерживала камень, вес которого, конечно, не менялся.

Веревку рвет центробежная сила, отвечали ученые до Ньютона.

Это правильно. А что это такое, откуда взялась эта сила?

Раз камень движется по окружности, значит, на него действует сила, изменяющая его движение. Ведь по инерции камень должен двигаться прямолинейно. Эту важную часть первого закона движения иногда забывают.

Движение по инерции всегда прямолинейно. И камень, оборвавший веревку, также полетит по прямой линии.

Сила, исправляющая путь камня, действует на него все время, пока он вращается.

Эта постоянная сила называется центростремительной. Приложена она к камню.

Но тогда, по третьему закону Ньютона, должна появиться сила, действующая со стороны камня на веревку и разная центростремительной.

Эта сила и называется центробежной.

Чем быстрее вращается камень, тем большая сила должна действовать на него со стороны веревки. Ну и, конечно, тем сильнее камень будет тянуть — рвать веревку. Наконец ее запаса прочности может не хватить, веревка разорвется, а камень полетит по инерции теперь уже прямолинейно. Так как он сохраняет свою скорость, то может улететь очень далеко.

Пожалуй, самое древнее оружие человека — праща. Камнем из этой пращи, по библейскому преданию, пастух Давид убил великана Голиафа.

А действует праща точно так же, как и веревка с камнем. Только в ней предварительно раскрученный камень просто отпускается в нужное время.

На стадионах вы часто видите спортсменов — метателей диска или молота.

Дискобол.

И здесь знакомая картина.

Спортсмен кружится все быстрее и быстрее, держа в руках диск, и наконец выпускает его из рук. Диск при этом летит на шестьдесят — семьдесят метров.

Ясно, что при очень больших скоростях во вращающихся телах развиваются и очень большие силы. Эти силы увеличиваются по мере удаления от оси вращения.

Если вращающееся тело хорошо центрировано — ось вращения точно совпадает с осью симметрии тела, — это еще не так страшно. Возникающие силы будут уравновешены. Но в результате плохой центровки могут быть самые неприятные последствия. В этом случае на вал вращающейся машины все время будет действовать неуравновешенная сила, способная при больших скоростях даже сломать этот вал.

Скорость вращения роторов паровых турбин достигает тридцати тысяч оборотов в минуту. Во время пробных испытаний на заводе работающую турбину выслушивают примерно так же, как врач выслушивает сердце больного человека. Если ротор турбины плохо центрирован, это сразу станет заметно — к ровному пению быстро вращающегося ротора присоединятся тревожные стуки и шумы, предвещающие неминуемую аварию. Турбину останавливают, ротор исследуют и добиваются того, чтобы вращение его стало совершенно плавным.

Уравновешивание центробежных сил составляет предмет постоянных забот инженеров и конструкторов. Эти силы — самые опасные враги машин, они обычно действуют разрушительно.

Замечательный советский ученый-кораблестроитель — академик Алексей Николаевич Крылов, читая лекции студентам, приводил пример такого разрушительного действия. В 1890 году один пароход, имевший на борту свыше тысячи пассажиров, направлялся из Англии в Америку. На этом пароходе были установлены две машины по девяти тысяч лошадиных сил каждая. Инженеры, строившие эти машины, по-видимому, были недостаточно опытны или недостаточно сведущи и пренебрегли третьим законом Ньютона.

В открытом море, когда двигатель работал на полную мощность, одна машина буквально разлетелась на куски, разорванная возникающими при вращении силами. Осколки повредили другую машину и пробили днище. Машинное отделение залило водой. Океанский пароход превратился в поплавок, беспомощно покачивавшийся на волнах. Его взял на буксир другой пароход, который доставил жертву центробежных сил в ближайший порт.

ПОЧЕМУ ЛЕТИТ РАКЕТА?

Глава седьмая

о детских игрушках и каракатицах, о реактивных двигателях и ракетах

Тележка Ньютона

Как рассказывают современники Ньютона, он изготовил небольшую и легонькую тележку. На тележке ученый укрепил стоечку для пробирки и под ней маленькую чашечку. В пробирку Ньютон налил воды, а в чашечку — спирт. Отверстие пробирки он заткнул пробкой и вставил пробирку в наклонном положении в стойку. Затем положил в спирт кусок ваты и зажег.

Через минуту или две вода в пробирке закипела. Давление появившегося пара вышибло пробку прочь. Она вылетела вместе со струей пара, и в тот же момент тележка покатилась в противоположную сторону, хотя ни во что она не упиралась и ничто ее как будто не толкало.