65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Кроме того, физика бывает теоретической и экспериментальной. Физики-теоретики все время придумывают различные теории, описывающие всевозможные природные явления – и в этом деле обычно конкурируют сразу несколько теорий, пытающихся дать объяснение на основе разных идей и принципов. Многие из этих теорий достаточно убедительны и выглядят логически непротиворечивыми. Так какой из них отдать предпочтение? Какая из них все-таки имеет отношение к реальности, а какая является всего лишь красивой фантазией автора? Вердикт в этом споре теорий может вынести только эксперимент. Поэтому так важны физики-экспериментаторы – именно они проверяют на практике это множество теорий, чтобы указать именно ту, которая наиболее точно описывает природу.
Но в физике возможно и обратное движение, когда физики-экспериментаторы открывают какое-то новое явление, а потом теоретики либо пытаются объяснить его на основе уже существующих теорий, либо (если объяснить не получилось) придумывают новые теории, описывающие природу на более глубоком уровне. Именно так и появились электродинамика, квантовая механика, теория относительности и другие теории, о которых пойдет речь на страницах этой книги.
А начнем мы наше знакомство с удивительным миром физики с классической механики – раздела физики, который изучает движение тел и взаимодействия между ними. Ключевую роль в становлении классической механики сыграли Галилео Галилей, Рене Декарт, Роберт Гук и, конечно же, Исаак Ньютон, совершившие революционный прорыв в науке и положившие начало физике в ее современном понимании. И когда механика показала свою эффективность в объяснении всевозможных видов движения, ученые стали распространять эти принципы описания и методологию исследований на другие сферы: тепловые, электрические и магнитные явления. В первой части нашей книги мы познакомимся с ключевыми идеями классической механики, которые сформировали наши представления о мире как механизме.
Часть 1
Классическая механика
Вопрос 2. Что такое сила и как мы понимаем, что она как-то действует?
Поскольку механика изучает движение тел и взаимодействия между ними, то хорошо бы понять, что заставляет тела двигаться и как различные взаимодействия влияют на их движение. Для этого в физике используется понятие силы – одно из ключевых в классической механике.
Если мы спросим обычных людей, что такое сила, то скорее всего в качестве ответа услышим что-то про силу притяжения к Земле, которая не дает нам улететь с ее поверхности. То есть Земля создает силу, которая тянет нас вниз. Помимо гравитации, в природе также существует множество других сил (о них мы поговорим чуть позже). Все они отличаются друг от друга как своей природой, так и механизмами воздействия на разные предметы. Но как мы вообще понимаем, что на тело воздействует какая-либо сила? Только по двум возможным проявлениям:
1) тело изменяет свою скорость – при движении поворачивает в другую сторону, начинает ускоряться или замедляться либо просто начинает двигаться, если до этого покоилось;
2) тело изменяет свою форму – сжимается, растягивается или как-то иначе деформируется.
Например, если я возьму мяч и сожму его в руках, то форма мяча изменится, он станет уже не круглым, а чуть сплюснутым. Причиной этой деформации будет сила моих мышц. Или если я подниму мяч над землей и отпущу, то он начнет падать, постоянно ускоряясь, т. е. его скорость под действием силы притяжения Земли начнет увеличиваться. Это два примера того, как можно зафиксировать, что на мяч действует какая-либо сила.
Но что, если я просто положу мяч на пол? Он будет спокойно лежать на полу и никуда не будет двигаться. То есть мяч не деформируется, его скорость не изменяется. Но ведь при этом гравитация Земли не перестала на него действовать. Почему же тогда он ведет себя так, будто никакой силы притяжения не существует? А дело тут в том, что под весом мяча пол немного деформируется, так что возникает еще одна сила, равная по величине силе тяжести[1], но направленная в противоположную сторону. Получается, что сила тяжести тянет мяч вниз, а сила упругой деформации давит на мяч, отталкивая его от пола вверх. Эти силы компенсируют друг друга, в итоге результирующая сила оказывается равной нулю, и мяч продолжает лежать на месте. Поэтому при описании поведения различных тел мы должны учитывать сразу все силы, действующие на эти тела.
Рассмотрим еще один пример. Если взять металлическую пружину и подвесить к ней небольшой груз, т. е. подействовать на один из ее концов силой, равной весу груза, то пружина растянется. Причем (и это экспериментальный факт) величина деформации пружины пропорциональна весу груза: если мы подвесим груз в два раза тяжелее, то пружина растянется в два раза больше, а если подвесить груз в пять раз легче, то пружина растянется в пять раз меньше. Этот закон в 1660 году открыл английский ученый Роберт Гук (1635–1703), благодаря чему у физиков появилась возможность измерять величину абсолютно любой силы. Для этого достаточно приложить измеряемую силу к одному из концов пружины и измерить, насколько деформировалась эта пружина. Такой прибор называется динамометр, а принцип его работы лежит в основе конструкции практически всех весов[2], которые на самом деле измеряют не массу тела, а его вес, т. е. силу притяжения со стороны Земли.
Но можно не подвешивать груз к динамометру, а растягивать пружину своими руками или прицепить ее конец к автомобилю и попытаться на нем сдвинуться с места. В обоих этих случаях пружина будет растягиваться и, соответственно, динамометр покажет величину силы наших рук или силу тяги двигателя автомобиля. Таким образом можно поступить с любой силой. Так что теперь мы можем сказать, что сила – это физическая величина, характеризующая меру воздействия одних тел на другие (о существовании таких воздействий мы судим по изменению скорости или деформации) и измеряемая при помощи динамометра.
Вопрос 3. Сколько всего сил существует в природе?
В предыдущей главе мы рассмотрели несколько примеров сил – гравитацию, силу упругой деформации, мышечную силу и силу тяги двигателя автомобиля. В школе, помимо этих сил, также изучают силу трения, силу реакции опоры, магнитную силу и многие другие. Но сколько всего различных сил существует в природе? Наверняка ведь не бесконечное множество? Оказывается,
