Законы движения

В Падуанский университет Галилей переехал осенью 1592 года и пробыл в нем восемнадцать лет. За эти годы Галилей сделал свои наиболее важные открытия. Прежде всего он повторил студенческие опыты с маятниками и продолжил исследование падения тел на землю.

Потеря веса

Галилей изготовил два шара: один из свинца, а другой из дерева — и сделал их с таким расчетом, чтобы свинцовый шар оказался ровно в сто раз тяжелее деревянного. Эти шары Галилей привязал к ниткам одинаковой длины, а длину нитей подобрал такую, чтобы на каждые два удара его пульса приходилось бы одно качание маятника — так удобнее подсчитать размахи качающихся шаров.

Свои маятники Галилей оттянул в сторону на одинаковое расстояние и одновременно отпустил их. Маятники стали раскачиваться мерно и дружно, как два солдата, шагающих в ногу. И свинцовый тяжелый шар и легкий деревянный делали по пятьдесят качаний на каждые сто ударов пульса. Галилей наблюдал сотни и тысячи качаний, и никогда не видел, чтобы один маятник хотя бы на йоту опередил другой: деревянный по числу колебаний не отставал от свинцового, хотя он был в сто раз легче его. Вес шаров в данном случае не играет роли. И это понятно — ведь маятник качается под действием силы тяжести. Его колебания — это только видоизмененное падение.

Галилей рассуждал так:

— Оттягивая шар маятника в сторону, я тем самым поднимаю его, то есть удаляю от земли, а когда отпускаю шар — даю ему свободу, он получает возможность упасть, но упасть прямо вниз не может, его держит нить. Шар маятника волей-неволей вынужден опускаться по кривой линии — по дуге окружности. Это движение шара — то же падение, и поэтому вес шаров не сказывается на частоте качаний маятников.

Исследования Галилея на этом не прекратились. Остроумным рассуждением он пришел к выводу, что падающий предмет во время своего падения вообще не имеет веса. Доказать это во времена Галилея было не так-то просто: даже в наши дни не всякий поверит, что падающие вещи ничего не весят. И в самом деле, кажется странным, как это так: яблоко, лежащее на столе, имеет вес, а стоит его столкнуть со стола — и на время падения оно вес теряет. Однако это верно!

Падающие предметы действительно ничего не весят.

Галилей долго не мог придумать опыт, который позволил бы ему взвесить падающий предмет и убедиться, что он ничего не весит. Много лет спустя такой опыт он сделал.

С одного коромысла больших торговых весов ученый снял чашку и вместо нее подвесил два ведерка — одно под другим. В донышке верхнего ведра имелось небольшое отверстие, которое Галилей заткнул пробкой. В верхнее ведро он налил воды, а на чашку весов, свисавшую с другого конца коромысла, наложил гирь, чтобы уравновесить вес ведер. Затем осторожно извлек пробку из отверстия, и вода струйкой потекла из верхнего ведра в нижнее.

В этот момент весы вышли из равновесия, чашка с гирями перетянула и опустилась, а ведра стали легче и поднялись. В таком положении весы находились все время, пока текла вода. Но как только она вся собралась в нижнем ведерке, весы снова пришли в равновесие. Этот поучительный опыт показывает, что та часть воды, которая находится в струе и падает из верхнего ведра в нижнее, во время падения ничего не весит, и, естественно, общий вес воды от этого уменьшается.

Вода, падающая из верхнего ведра в нижнее, теряет вес.

Теперь этот вывод Галилея доказывают совсем просто: на крючок пружинных весов вешают гирьку, а потом выпускают весы из рук. В первые моменты падения весов вместе с гирькой можно увидеть, что указатель весов мгновенно прыгает на нуль: гиря перестает растягивать пружину — падающее тело теряет свой вес.

Значит, вес — это не есть что-то присущее всем предметам, как утверждал Аристотель и другие древнегреческие ученые. Предметы могут утрачивать свой вес и прекрасно существуют без него.

При всяком ускоренном движении вниз человек тоже теряет полностью или частично свой вес. Частичная потеря веса приятна и может даже доставить удовольствие. Поэтому-то и взрослые и дети любят старинную русскую забаву — качание на качелях. Когда качели идут вниз, качающиеся частично теряют свой вес и говорят: «сердце замирает» или «дух захватывает».

То же самое испытывает человек, когда скатывается на санках или на лыжах с крутой горки. В некоторых парках культуры и отдыха есть забавный аттракцион — катание с гор. На таких горах маленький поезд из вагонеток с сиденьями для пассажиров стремительно скатывается по крутым спускам и снова взлетает на подъем, чтобы ринуться вниз на следующем спуске. И каждый раз у пассажиров «замирает сердце».

Ощущение частичной потери веса хорошо знакомо жителям московских высотных зданий. Всякий раз, когда приходится спускаться в скоростном лифте, пассажиры чувствуют, что кабинка лифта словно уходит из-под ног и тело становится почти невесомым.

Полную потерю веса испытывают парашютисты, когда выбрасываются из самолета, и летчики, когда вводят самолет в пике, то есть направляют его к земле, стремительно снижаясь.

Сопротивление воздуха

Рассуждая о причине своей маленькой неудачи во время опытов с двумя ядрами, Галилей еще в Пизанском университете пришел к заключению, что всему виною был воздух. Ведь опыт происходил не в безвоздушном пространстве, и, конечно, именно воздух вынудил маленькое ядро отстать от большого.

Опыты с маятниками подтвердили эту догадку. Когда качающиеся шары проносятся мимо пола, видно, как пылинки на полу разлетаются в стороны — их разгоняет ветерок, поднятый движением шаров. Стоит протянуть руку так, чтобы шар пролетел мимо ладони, и рука ощущает легкое дуновение — это шар маятника расталкивает воздух, встречающийся на его пути, и вызывает ветерок. Воздух служит помехой для маятника и оказывает сопротивление его движению.

Галилей взял два шара одинакового веса. Один был свинцовый, а другой деревянный. Наблюдая качания этих шаров, привязанных на нитках одинаковой длины, он заметил, что деревянный шар успокаивается гораздо скорее свинцового. Свинцовый еще раскачивается, а деревянный уже висит недвижимо на своей нитке. Несомненно, воздух мешает движению обоих шаров, но в большей степени его сопротивление сказывается на деревянном шаре, потому что его поверхность больше, чем у свинцового.

Воздух тормозит движение всех предметов: падающих, качающихся, летящих, больших и маленьких, легких и тяжелых, но большие предметы испытывают большее сопротивление воздуха, чем маленькие. И действительно, комок пуха падает всегда медленнее, чем камешек; шерстяной мячик не удается бросить так же далеко, как железную гирьку.

Песчинка и мельничный жернов должны падать с одинаковой скоростью, а если они так не падают, то это, так сказать, не их вина, а результат сопротивления воздуха. Жернов тяжел и падает быстро, но если его раздробить в мельчайшую пыль, то она будет падать несколько часов, — при дроблении общий вес камня не меняется, а поверхность сильно увеличивается. Большое влияние на сопротивление воздуха движению предмета имеет и форма движущегося предмета.

Ошибка Аристотеля

Аристотель не заметил, какую роль играет сопротивление воздуха, и потому в своих рассуждениях допустил ошибку.

Галилей понял, в чем дело, но не смог окончательно доказать свою правоту. Для доказательства ему надо было проследить за падением тел в безвоздушном пространстве, а этого Галилей сделать не мог: тогда еще не умели откачивать воздух — воздушный насос изобрели только через десять лет после смерти Галилея.

Несмотря на отсутствие решающего опыта, правильность взглядов Галилея быстро признали все ученые — бесчисленные примеры чуть ли не на каждом шагу доказывали, что воздух мешает движущимся предметам: он тормозит их движение.