Законы Ньютона
В глубинах космоса движется ракета. Вокруг пустота, звезды и планеты далеко. Если двигатели выключены и ракета не испытывает действия никаких других тел, она либо летит прямо и с постоянной скоростью, либо находится в состоянии покоя. Такое поведение ей предписано первым законом ньютоновской динамики, который гласит: всякое тело, не подверженное действию других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Способность тела сохранять покой или равномерное прямолинейное движение называют инерцией. Поэтому первый закон именуют иногда законом инерции. Движение по инерции – это движение тела, не испытывающего действия других тел.
Но вот ракета попадает в густое облако космической пыли. О нее стали ударяться миллиарды пылинок, возникла сила сопротивления среды, и ракета замедлила свое движение. Другой случай: космонавты включили двигатели, и тотчас ракета рванулась вперед. Влекомая силой тяги, она получила ускорение. Чем массивнее ракета, тем большая сила нужна, чтобы ее ускорить или замедлить. Об этом говорится во втором законе динамики: ускорение тела прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Масса, которую мы привыкли считать мерой количества вещества, здесь – мера инерции тела. Сила – результат взаимодействия тел.
Есть еще третий закон динамики: всякое действие сопровождается равным и противоположно направленным противодействием. В согласии с третьим законом работают двигатели ракеты. Сжигается топливо, ракета как бы отталкивает струю раскаленных газов. Но и струя отталкивает ракету. Это противодействие создает силу тяги, которая движет ракету вперед.
Три динамических закона Ньютона применимы к великому множеству явлений. Катится автомобиль, сталкиваются бильярдные шары, сжимаются пружины, тянут железо магниты – всюду проявляется инерция, ее преодолевает сила, и действие обязательно равно противодействию. Но в этом разделе речь пойдет о механике небесных тел, где заметнее всего сказывается тяготение - гравитация. Поэтому о тяготении, о движении тел в гравитационном поле мы поговорим подробнее.
Всемирное тяготение
Действие гравитации Ньютон описал своим законом всемирного тяготения: тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами тяжести. С этой точки зрения вес камня, лежащего на земной поверхности, есть сила взаимного притяжения камня и земли на расстоянии, равном радиусу земного шара. Если же камень не имеет опоры, он падает – ускоренно движется к Земле под действием силы тяжести. В свою очередь Земля падает на камень (во исполнение третьего закона), но это практически незаметно.
Разумеется, свободное падение может складываться с другим движением. Скажем, подброшенный камень тоже падает, хотя и летит вертикально вверх, - благодаря падению он постоянно замедляет свой подъем. А камень, брошенный вбок, к горизонту, благодаря падению искривляет свой путь. Гравитационное взаимодействие тел обладает чрезвычайно важной особенностью: тела разных масс в одной и той же точке поля тяжести получают одинаковые ускорения.
Проведите простой опыт - сбросьте со стола сразу два предмета: металлический ключ и легонькую спичку. Что быстрее достигнет пола? Оказывается ключ и спичка коснутся пола вместе. В безвоздушном пространстве (где нет сопротивления среды) одинаково быстро падают на Землю с одной высоты пушечное ядро и тополиная пушинка. Это удивительно: ведь вес ядра больше, чем пушинки, значит, если верить закону всемирного тяготения, к ядру и в падении приложена сила больше, чем к пушинке. Но тогда по второму закону динамики, казалось бы, ядро должно получить большее ускорение. А опыт показал, что это не так.
В классической физике описанный странный факт объясняется следующим образом. Действительно, к ядру приложена большая сила тяжести. Но как только начинается падение, в дело вступает инерция ядра, мешающая разгону. Масса ядра сразу и ускоряется под действием силы, и замедляет свой разгон. Ускоряется, подчиняясь закону всемирного тяготения, а тормозится, исполняя второй закон динамики. Причем соотношение этих противоположных свойств в любых телах - и в спичке, и в ключе, и в ядре, и в пушинке - одинаково. Поэтому все они падают с одинаковым ускорением.
Ради удобства рассуждений последователи Ньютона согласились считать, что в любом теле присутствуют как бы две массы. Та, что ускоряется в гравитационном поле, называется гравитационной или тяжелой, а та, что замедляет ускоряющее воздействие силы, - инерционной или инертной. При надлежащем подборе единиц обе массы считаются строго одинаковыми. Всегда, везде в любых телах тяжелой массы столько же, сколько инертной. Таково в классике условие постоянства земного ускорения для тел разных масс.
Механика Вселенной: невесомость
Пусть падают весы, на чашке которых лежит гиря. И весы и гиря движутся с равным ускорением - просто летят рядом. Поэтому гиря не давит на чашу весов, не имеет веса. Любые тела в состоянии свободного падения невесомы.
Невесомы не только тела, падающие вертикально вниз, но и брошенные вверх, вбок и так далее. Ведь если весы с гирей брошены вверх или в сторону, их сложное движение складывается из двух простых: во-первых, они летят в каком-то направлении прямолинейно с постоянной скоростью (сопротивлением воздуха пренебрегаем) и, во-вторых, падают отвесно вниз. В обоих этих движениях гиря летит рядом с весами, не давит на чашу весов.
Как видите, устроить для себя состояние невесомости совсем нетрудно - надо лишь подпрыгнуть. Как только ноги оторвутся от пола, наступит свободное падение (даже при движении вверх или вбок) и, следовательно, невесомость.
Такова природа невесомости и в орбитальных космических полетах. Спутник, разогнанный ракетой-носителем, летит в сторону, вместе с тем свободно падает и, "не успевая упасть", огибает планету по орбите. Так обращается и Луна вокруг земли, и Земля вокруг Солнца. Так совершаются все астрономические движения, вплоть до обращения звезд и звездных систем - галактик.
Теперь вам известно главное в содержании классических воззрений на природу небесных движений. Формулы ньютоновской механики дают возможность подробнейшим образом вычислять перемещения светил, составлять на много лет вперед расписания затмений и так далее. Физика Ньютона сумела рассчитать массу Земли, Луны, Солнца, предсказать открытие новых планет. В наши дни она стала надежным теоретическим фундаментом бурно развивающейся космонавтики. Орбиты и вывод на них космических кораблей, всевозможные перемещения в пространстве можно рассчитывать лишь на основе ньютоновских законов.
Изъяны классической механики
И все же в классической механике нашлись изъяны. Самым слабым ее местом было деление массы на тяжелую и инертную и гипотеза об абсолютном равенстве той и другой. Почему имеет место этот факт, другими словами – почему ключ и спичка одинаково быстро падают на пол, никто понять до конца не мог. Говорили о случайном совпадении, и казалось невероятным, что строгий порядок земных и небесных движений держится на случайности.
Пришлось также признать силу тяготения "дальнодействующей", таинственным образом проникающей через пустоту. Строить гипотезы о природе этого явления Ньютон отказался: "гипотез не измышляю".
Не было в мире Ньютона и физической необходимости движения. Вещество представлялось инертным, лишенным энергии. Чтобы "пустить мир в ход", сообщив ему энергию, потребовался, по мнению Ньютона, "первичный толчок", некогда совершенный самим богом (великий физик был религиозным человеком). Наконец, пространство и время, по мысли Ньютона, оторваны от вещества, это как бы нематериальное математическое вместилище движения, не более. Ньютон считал их абсолютными, то есть вечно неизменными, едиными для всего мира, не подверженными влиянию материальных процессов.
Постепенно накапливались и некоторые астрономические явления, не получившие объяснения в классической механике, например тонкие особенности орбиты ближайшей к Солнцу планеты Меркурия (об этом пойдет речь в
следующих разделах).
