Возвращение чародея

Физика утверждает, что движение относительнопо самой своей природе. Сказать просто: «Тело движется так-то» — это значит произнести слова, не имеющие содержания. Если быть точным, нужно говорить: «Тело движется так-то по отношению к такому-то другому телу», или, как принято в физике, «по отношению к такой-то системе отсчета», или просто — «в такой-то системе отсчета».

Всякое движение есть движение в какой-то системе отсчета, оно относительно. Заметим кстати, что нередко считается, будто бы установление этой относительности движения — достижение теории относительности Эйнштейна. Это совершенно неправильно. В теории относительности речь идет совсем о других вещах.

Вот теперь вернемся к тому первому вопросу, на который пока не получили ответа, к вопросу об «одинаковости» или «неодинаковости» покоя и равномерного прямолинейного движения.

Согласно закону инерции тело, на которое ничто не действует или же воздействия на которое уравновешивают друг друга, движется с постоянной скоростью, прямолинейно и равномерно (в частности, это может быть покоящееся тело, то есть тело, скорость которого равна нулю). Спрашивается: к каким системам отсчета относится это утверждение? Очевидно, что не ко всем.

Пусть на верхней полке вагона, движущегося с постоянной скоростью относительно железнодорожного полотна, лежит в покое (относительно вагона) чемодан. Если машинист внезапно затормозит поезд, чемодан может свалиться с полки. Очевидно, что в период торможения чемодан находился в иной системе отсчета, чем до торможения.

Подлинное содержание закона инерции заключается в том, что существуютсистемы отсчета, по отношению к которым тело, не подверженное неуравновешивающим друг друга воздействиям, сохраняет свою скорость. Такие системы отсчета называются инерциальными.

Ясно, что если какая-нибудь система отсчета является инерциальной, то инерциальной будет и любаядругая система отсчета, движущаяся относительно первой с постоянной скоростью, в частности покоящаяся относительно ее.

Это и есть «одинаковость» покоя и равномерного прямолинейного движения, о которой шла речь.

Где же в природе находятся инерциальные системы?

Опыт показывает, что с очень большой точностью инерциальной является система отсчета, связанная со звездами центральной части нашей Галактики — звездным скоплением, насчитывающим около ста миллиардов объектов.

Ну, а обыкновенная комнатная лаборатория, поле под открытым небом — инерциальные это системы или нет? Строго говоря, нет, отдельные участки земной поверхности с расположенными на них физическими приборами — неинерциальные системы. Ведь Земля вращается вокруг своей оси, а система, движение которой относительно инерциальной системы (в данном случае Галактики) имеет вращательную часть, уже не является инерциальной. Эта неинерциальность характеризуется появлением центробежных сил, зависящих от скорости вращения.

Тем не менее для очень многих опытов можно неинерциальностью Земли пренебречь: за одну секунду наша планета поворачивается всего на ¹/ ₂₄₀долю градуса, или на 0,00007 радиана, а это не так много.

Иногда, однако, требуется точность более высокая, чем можно этого добиться в условиях земной системы отсчета, считая ее инерциальной. В таких случаях ищут более подходящую, более инерциальную систему. Коперник пользовался системой, центром которой была не Земля, а Солнце. Все же и она не является вполне идеальной. Ведь наше Солнце всего лишь одна из ста миллиардов звезд Галактики, а это звездное скопление вращается относительно своей центральной части со скоростью один оборот в 180 миллионов лет. Солнечная система находится сравнительно далеко от центра вращения Галактики (примерно в двух третях радиуса Галактики). Однако она тоже вращается вокруг оси, проходящей через этот центр, с окружной скоростью 250 км/сек.Значит, Солнечная система неинерциальна. Только в данном случае неинерциальность, конечно, совсем ничтожна. Можно высчитать, что система «Солнце» инерциальнее системы «Земля» в 100 миллиардов раз. Куда уж точнее!

Впрочем, бывает, что и инерциальность галактической системы не удовлетворяет астрономов. Тогда они принимают инерциальную систему: «несколько галактик». В этом случае они ориентируются не на одну нашу, пишущуюся с большой буквы, Галактику, но и на окружающие ее другие звездные острова.

Более инерциальных систем мы не знаем.

Находясь в инерциальной системе, легко обнаружить появление новой силы: закачалась люстра, упал стакан, зазвучал вдруг сам собой рояль… Еще не зная, что произошло, вы знаете уже точно, что какая-то внешняя сила вторглась в ваш мирок, в вашу инерциальную систему. Может быть, это осела почва, может быть, просто в открытое окно ворвался сильный поток воздуха; проехавший мимо грузовик мог вызвать неслышимое колебание фундамента, частично обратившееся, по закону резонанса, в слышимое колебание рояльных струн.

Но не только появлением нового движения проявляет себя сила. В общем случае, как утверждает повседневный опыт, сила проявляет себя четырьмя способами: вызывая или прекращая движение, изменяя направление движения (например, заставляя тело двигаться по кругу), изменяя форму тела.

Из этих четырех проявлений силы лишь последнее может быть легко измерено. На помощь здесь приходит так называемый закон Гука (по имени соотечественника Ньютона — Роберта Гука, жившего с 1636 по 1703 год и открывшего этот закон). Закон Гука гласит:

Если деформирующееся тело не выходит за пределы упругости (иначе говоря, после прекращения действия силы возвращается в исходное состояние), то деформация тела прямо пропорциональна приложенной силе.

Например, если доска через ручей под тяжестью второго мальчика прогнулась в полтора раза больше, чем под тяжестью первого, значит, второй мальчик тяжелее первого ровно в полтора раза.

Справедливость закона Гука легко проверяется с помощью обыкновенных пружинных весов. Они как раз основаны на этом законе: указатель опускается на число делений вдвое, втрое, вчетверо больше, если удваивать, утраивать, учетверять груз.

Как же по возникающим эффектам измерять величину силы в остальных трех случаях? Это было очень трудно, пока Ньютон не сформулировал своего второго закона движения:

Действующая на тело сила равна произведению массы тела на его ускорение.

Но что такое массатела и что такое ускорение?

О массе. Иногда говорят (даже физики), что масса — это количество вещества в теле. Однако понятие «количество вещества» звучит довольно-таки неопределенно, туманно.

Мы не будем здесь пытаться дать точное определение массы — это заставило бы нас обратиться к некоторым более специальным и сложным рассуждениям. Отметим только, что масса тела характеризует его инерционность. Чем больше масса, тем большая сила нужна для данного изменения скорости тела за данное время или тем медленнее изменяется скорость под действием данной силы.

В практической жизни массы и их величины занимают нас гораздо больше, чем мы себе это обычно представляем. Мы приходим, например, в магазин и просим продавца взвесить нам килограмм сосисок. В действительности, мы заказываем не вес, а массусосисок. Вес в данном случае нас совсем не интересует, нам важно фактическое «количество вещества», то есть нечто неизменное, а вес — это переменная величина, случайный показатель.