Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

раз наш вопрос. Почему Ньютон придал частному случаю ранг закона и почему назвал именно его первым законом движения?

Некоторый считаю причиной то, что этот закон проще и от него легче перейти к более сложному второму закону движения.

С этим трудно согласиться, если принять во внимание постоянное стремление Ньютона к ясности и краткости. С этим нельзя согласиться и потому, что в первом законе движения ничего не говорится об ускорении.

Вероятно Ньютон хотел, следуя Галилею, вбить осиновый кол в наиболее важный догмат Аристотеля, сформулированный им в книге «Физика». Вот утверждение Аристотеля: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие».

Первый закон Ньютона раз и навсегда опровергает этот догмат, тормозивший развитие науки в течение двух тысячелетий. Из первого закона со всей определенностью следует: если сила прекращает свое действие, то движение тела продолжается с неизменной скоростью, а неподвижное тело, не испытывающее действия сил, продолжает пребывать в неподвижности.

ГЛУБИННАЯ СУЩНОСТЬ

Первый закон Ньютона обычно называют законом инерции, но при этом редко кто вспоминает важный факт: стремящийся к точности и определенности Ньютон считает необходимым специально разъяснить сущность термина «сила инерции». Он делает это посредством другого термина, более полно и четко выражающего, с его точки зрения, одно из важнейших свойств материи. Этот термин — «врожденная сила материи».

Он пишет: «Врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставлено самому себе, удерживает свое состояние покоя или прямолинейного движения».

Здесь слова «предоставлено самому себе» означают, что на него не действуют никакие силы.

Далее следует пояснение: «Эта сила всегда пропорциональна массе и если отличается от инерции массы, то разве только воззрением на нее. От инерции материи происходит, что всякое тело лишь с трудом выводится из своего покоя или движения. Поэтому «врожденная сила» могла бы быть весьма вразумительно названа «силой инерции». Эта сила проявляется телом единственно, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии».

Приведенное пояснение настолько лаконично, что требует комментария. Его первая фраза содержит две важных мысли. Первая определяет связь между врожденной силой материи и массой: «Эта сила всегда пропорциональна массе…», то есть не зависит от сорта вещества, а лишь от количественной характеристики — от массы материи. И далее, «врожденная сила материи» отличается от инерции массы «разве только воззрением на нее». Значит различие состоит не в существе, а в словесном выражении.

Обратите особое внимание на последнюю фразу. Сила инерции проявляется (возникает) только, когда к данному телу приложена другая сила, изменяющая его состояние. Эта «другая сила» может быть только силой, с которой другое тело действует на данное тело.

В соответствии с третьим законом Ньютона сила инерции данного тела равна силе, с которой на него действует другая сила. Причем сила инерции направлена «в другую сторону», равна действующей силе и приложена к телу, от которого исходит действующая сила.

Так Ньютон определил суть силы инерции, так он понимал ее природу и ее способность проявлять себя только при наличии другой силы, действующей на данное тело.

Пока тело «предоставлено самому себе» и «удерживает свое состояние покоя», сила инерции себя не проявляет. Она не проявляет себя тогда, когда тело «удерживает» состояние прямолинейного движения.

Здесь Ньютон делает огромный шаг вперед от вывода Галилея. Галилей, как мы помним, в своем заочном споре с Аристотелем пришел к выводу о том, что сила инерции поддерживает равномерное прямолинейное движение предмета, на который не действуют другие силы. Ньютон считает, что тело, «предоставленное самому себе, удерживает свое состояние покоя или прямолинейного движения». А сила инерции — это врожденная сила материи. Она «проявляется телом единственно тогда, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии».

Мы останавливаемся на этом различии с таким вниманием потому, что здесь проявляется принципиальное продвижение Ньютона в понимании сущности сил инерции. Таким образом, если тело движется с ускорением, то на него обязательно действует другое тело. Но и это другое тело испытывает силу, исходящую от ускоряемого тела. Эта сила и есть сила инерции. Например, когда поезд движется по криволинейному пути, то реборды колес испытывают со стороны внешнего рельса силу, заставляющую колеса отклониться от прямого пути и следовать за поворотом рельса. (Реборда — это выступ на внутренней стороне обода железнодорожного колеса).

Здесь может возникнуть вопрос: почему две равные силы, направленные в противоположные стороны, не гасят одна другую? Следуя Ньютону, мы должны ответить: эти силы приложены к разным телам.

Забегая вперед заметим, что здесь речь идет только о механических силах, возникающих при непосредственном соприкосновении тел. Силах, порождаемых деформациями соприкасающихся тел. Читатель, несомненно, знает о существовании других сил. Не нарушаются ли для них законы механики? К этому мы обратимся позже.

Возвратимся к поезду. Поезд испытывает ускорение, направленное внутрь поворота за счет давления со стороны деформированного металла рельса, расположенного с внешней стороны поворота. Можно сказать, что этот рельс является ускоряющим телом, а поезд — ускоряемым. Но деформирован не только рельс, но и реборда катящегося по нему колеса. Давление деформированного колеса на рельс совпадает с центробежной силой инерции. Но можно назвать это давление просто центробежной силой потому, что она направлена от центра закругления пути вовне. Слово «инерция» не придает этой фразе никакого дополнительного смысла.

Взаимодействие рельса с колесом полностью удовлетворяет третьему закону Ньютона: сила давления рельса на колесо точно равна по величине и противоположна по направлению силе давления колеса на рельс.

С этой точки зрения сила инерции ничем не отличается от других сил, возникающих вследствие деформации упругих тел. Подобные деформации хорошо видны, если речь идет о пружинах, но требуют внимания, если упругость велика, как в случае рельса. Однако посмотрев на внешний рельс, легко заметить, что его внутренняя часть блестит. Именно здесь рельс воспринимает давление реборды колеса.

Если еще раз всмотреться в цепочку связанных между собой взаимодействий, неизбежно возникает вопрос: почему именно рельс заставляет поезд двигаться вдоль поворота, изменять направление своего движения; почему поезд не принуждает рельс перейти от неподвижности к движению?

Как ты ответишь, читатель?

Наверное, ты укажешь, что рельс удерживают от движения костыли (так железнодорожники называют предметы, напоминающие большие гвозди). Костыли вбиты в шпалы, не дающие им возможности сдвинуться. Шпалы удерживает щебенка (железнодорожники говорят — балласт). Так рельсы оказываются прочно связанными с Землей. А масса Земли столь велика, что мы попросту не замечаем ее движения.

Но если костыли недостаточно прочно связаны со шпалами, рельс опрокинется и произойдет