Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота

Л.Д. Ландау, А.И. Китайгородский

Физика для всех: Движение. Теплота.

Предисловие

Первый вопрос, который задает себе читатель, беря эту книгу в руки, – для кого это «для всех»?

Конечно, доля преувеличения в этом названии есть. Для читателя этой книги достаточно знакомства с основами школьной алгебры. Знаний по физике не нужно: она может быть Вашей первой книгой о физике. Возможно, однако, книга окажется интересной и для тех, кто избрал физику своей специальностью.

Мы старались писать эту книгу легким и простым языком, мы не отказали себе в удовольствии кое-где пошутить с читателем. Но это совсем не значит, что наша «Физика для всех» – легкая книга. Многие ее страницы нужно читать долго и внимательно; для того чтобы понять физику, приходится очень часто задумываться крепко и напряженно.

Основное внимание в книге уделено фундаментальным законам и понятиям физики. Однако мы старались не забыть об иллюстрациях из жизни и техники, правда, не имея целью сколько-нибудь вдаваться в неисчерпаемую область приложений физики.

Небольшое число исторических отступлений посвящено исключительно основаниям физики, но не ее приложениям.

Пока «Физика для всех» охватывает лишь часть физики, относящуюся к механическому и молекулярному движению. Мы надеемся, что под этим же заголовком читатель встретится в дальнейшем со следующими книгами, посвященными электричеству, оптике и строению атома.

Л. Ландау

А. Китайгородский

I. Основные понятия

О сантиметре и секунде

Всем приходится измерять длину, отсчитывать время и взвешивать разные тела. Поэтому все хорошо знают, что такое сантиметр, секунда и грамм. Но для физика эти измерения особенно важны – они необходимы для суждения о большинстве физических явлений. Расстояние, промежутки времени и вес, называемые основными понятиями в физике, люди стремятся измерять как можно точнее.

Современные физические приборы позволяют определить различие в длине двух метровых стержней, даже если оно меньше одной миллиардной доли метра. Можно отличить промежутки времени, различающиеся на одну миллионную долю секунды. Хорошие весы с очень большой точностью установят вес макового зернышка.

Техника измерений начала развиваться всего несколько сот лет назад, и относительно совсем недавно условились о том, какой отрезок длины и вес какого тела принять за единицу.

Почему же сантиметр и секунда были выбраны такими, какими мы их знаем? Ведь ясно, что особого значения не имеет, будет ли сантиметр или секунда длиннее.

Единица измерения должна быть удобной – больше никаких требований мы к ней не предъявляем. Очень хорошо, если единица измерений есть под руками. А проще всего взять за единицу измерения саму руку. Именно таким способом и поступали в древние времена; об этом свидетельствуют самые названия единиц, например «локоть» – расстояние от локтя до кончиков пальцев вытянутой руки, дюйм – ширина большого пальца у его основания. Для измерения использовали и ногу – отсюда название длины «фут» – длина ступни (по английски foot – ступня).

Хотя эти единицы измерения весьма удобны тем, что они всегда при себе, но недостатки их очевидны: слишком уж отличаются друг от друга люди, чтобы рука или нога могла служить не вызывающей споров единицей измерения.

С развитием торговли возникла необходимость договориться о единицах измерения. Сначала внутри отдельного рынка, затем для города, потом для всей страны и, наконец, для всего мира устанавливаются эталоны длины и веса. Эталон – это образцовая мера: линейка, гиря. Государство тщательно хранит эталоны, и другие линейки и гири должны изготавливаться в точном соответствии с эталонами.

В царской России основные меры веса и длины – они назывались фунт и аршин – были впервые изготовлены в 1747 г. В XIX веке требования к точности измерений возросли, и эти эталоны оказались несовершенными. Сложная и ответственная работа по созданию точных эталонов была выполнена в 1893–1898 гг. под руководством Дмитрия Ивановича Менделеева. Великий химик придавал большое значение установлению точных мер. По его почину в конце XIX века была создана Главная палата мер и весов, где хранились эталоны и изготовлялись их копии.

Одни расстояния выражают в больших единицах, другие – в более мелких. В самом деле, не станем же мы выражать расстояние от Москвы до Ленинграда в сантиметрах и вес железнодорожного состава – в граммах. Поэтому люди условились об определенном соотношении крупных и мелких единиц. Как всем известно, в той системе единиц, которой мы пользуемся, крупные единицы отличаются от мелких в 10, 100, 1000 и вообще в любую степень от десяти раз. Такое условие очень удобно и упрощает все вычисления. Однако такая удобная система принята не во всех странах. В Англии и США до сих пор редко пользуются метром, сантиметром и километром, а также граммом и килограммом*1, несмотря на очевидность удобств метрической системы.

В XVII столетии возникла мысль выбрать такой эталон, который существует в природе и не изменяется с годами и веками. В 1664 г. Христиан Гюйгенс предложил за единицу длины принять длину маятника, совершающего одно колебание в секунду. Примерно через сто лет, в 1771 г., было предложено считать эталоном длину пути, который проходит в секунду свободно падающее тело. Однако оба варианта оказались неудобными и не были приняты. Понадобилась революция для того, чтобы появились современные меры, – килограмм и метр рождены Великой французской революцией.

В 1790 г. Учредительное собрание создало для выработки единых мер специальную комиссию, в которую входили лучшие физики и математики. Из всех предложенных вариантов единицы длины комиссия выбрала одну десятимиллионную долю четверти земного меридиана и дала этой единице название «метр». В 1799 г. был изготовлен эталон метра и отдан на хранение в архив Республики.

Вскоре, однако, стало ясно, что отвлеченно правильная мысль о целесообразности выбора образцовых мер, заимствованных из природы, не осуществима в полной мере. Более точные измерения, проведенные в XIX веке, показали, что изготовленный эталон метра приблизительно на 0,08 миллиметра короче одной сорокамиллионной части земного меридиана. Стало очевидно, что по мере развития измерительной техники будут вноситься новые поправки. Сохраняя определение метра как части земного меридиана, пришлось бы после каждого нового измерения меридиана изготовлять новые эталоны и пересчитывать заново все длины. Поэтому после обсуждения на международных съездах в 1870, 1872 и 1875 гг. было решено считать единицей длины не одну сорокамиллионную часть меридиана, а эталон метра, изготовленный в 1799 г. и хранящийся теперь в Международном бюро мер и весов в Севре.

История метра не кончается на этом. Новые физические идеи положены в настоящее время в основу определения этой фундаментальной величины. Мера длины опять заимствуется из природы, но гораздо более хитроумным способом.

Вместе с метром возникли и его доли: одна тысячная, называемая миллиметром, одна миллионная, называемая микроном, и наиболее часто употребляемая, одна сотая – сантиметр.

Теперь скажем несколько слов о секунде. Она много старше сантиметра. При установлении единицы измерения времени не было никаких разногласий. Это и понятно: смена дня и ночи, вечный круговорот солнца подсказывают естественный способ выбора единицы времени. Каждому хорошо известно выражение: «определить время по солнцу». Высоко стоит солнце в небе, значит – полдень, и нетрудно, измеряя длину тени, отбрасываемой шестом, установить то мгновение, когда оно находится в самой высокой точке. На следующий день тем же способом можно отметить то же мгновение. Истекший промежуток времени составляет сутки. А дальше остается лишь поделить сутки на часы, минуты и секунды.

Большие единицы измерения – год и сутки – дала нам сама природа. Но час, минута и секунда придуманы человеком.

Современное деление суток восходит к глубокой древности. В Вавилоне была распространена не десятичная, а шестидесятиричная система счисления. Шестьдесят делится на 12 без остатка, отсюда у вавилонян деление суток на 12 равных частей.

В древнем Египте было введено деление суток на 24 часа. Позднее появились минуты и секунды. То, что в часе 60 минут, а в минуте 60 секунд – также наследие шестидесятиричной системы Вавилона.

В древние и средние века время измеряли при помощи солнечных часов, водяных часов (по времени вытекания воды из больших сосудов) и ряда других хитроумных, но весьма неточных приспособлений.

При помощи современных часов легко убедиться, что сутки в разное время года не совсем одинаковы. Поэтому условились принять за единицу измерения времени средние за год солнечные сутки. Одна двадцать четвертая часть этого среднего за год промежутка времени и называется часом.