Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская
Он изменял высоту поднятого конца доски, подставляя под него различные опоры, и измерял время движения шариков. Если доска лежала слишком полого, шарик не катился. Если же он поднимал доску слишком круто, шарик скатывался так быстро, что становилось невозможным точно измерить время его движения. Время его «падения» зависело от наклона доски.
Из этого Галилей извлек главное правило, которым до наших дней пользуются ученые. Чтобы понять результаты эксперимента, следует исключить из рассмотрения все второстепенное (в данном случае — трение, мешающее свободному движению шарика) и сосредоточить внимание на главном (в данном случае на результатах, полученных при условиях, когда трение становится второстепенным, а время может быть измерено точно).
Теперь мы называем это правило — методом абстракции. (Абстракция — мысленное отвлечение от второстепенных свойств предметов или процессов с целью раскрыть их главные свойства). Метод абстракций является мощным средством при построении модели или теории, отображающей сущность сложных явлений.
Возвратимся к Галилею и его опытам с наклонной плоскостью.
Изменив длину доски, Галилей доказал сомневающимся и справедливость второго вывода, полученного им при наблюдении качания маятников. Шарики, скатывающиеся по наклонным плоскостям любой длины, при одинаковой высоте опоры, приобретают одинаковые скорости. Они откатываются по гладкому полу на одинаковое расстояние от конца наклонной плоскости. При движении по полу трение шарика о поверхность пола становится обстоятельством, далеко не второстепенным, как на наклонной плоскости. Здесь трение становится главным фактором. Именно оно определяет длину пробега шарика по горизонтальному полу.
Теперь любой желающий мог убедится в том, что легкие и тяжелые предметы затрачивают на «падение» по наклонной плоскости одинаковое время!
Регулируя величину наклона доски Галилей измерял это время, и оно менялось одинаково для всех шариков. По пологой наклонной плоскости они двигались медленно. По мере увеличения наклона время «падения» уменьшалось. В пределе, когда плоскость становилась отвесной, шарики свободно падали вдоль нее. Заметить различие времен, затраченных на свободное падение шариков, не удавалось. Но никто не мог доказать, что это время различно.
Так Галилей впервые осуществил на опыте переход к пределу. Переход, который до него был возможен только в математике. В этом опыте положение доски менялось между двумя крайними положениями, между двумя пределами: горизонтальным и вертикальным.
Важнейший вывод из опытов с наклонной плоскостью опровергает утверждение Аристотеля о том, что скорость движения зависит от величины действующей силы. Сила (сила тяжести) вызывает не какую-то определенную скорость, а ее изменение.
При опытах с наклонной плоскостью предмет, бывший неподвижным у ее верхнего конца, постепенно увеличивает скорость своего движения, которая становится наибольшей у нижнего конца наклонной плоскости.
Аристотель ошибся потому, что принимал второстепенное (силу трения) за главное. При движении по ровной дороге лошади работали против силы трения. Скорость при этом зависит не только от силы, с которой тянут лошади, но и от трения в ступицах колес и от трения обода колеса о дорогу.
Продолжая опыт с наклонной плоскостью, Галилей снова обратил внимание на то, что шарик, удаляясь от нижнего конца желоба, отходит от него одинаково далеко, если верхний конец наклонной плоскости поднят на постоянную высоту. Он понял, что постепенное уменьшение скорости шарика вызвано трением. Но что заставляет шарик двигаться после того, как он скатился с наклонной плоскости? Ведь на плоском полу сила тяжести уравновешивается противодействием пола!
Галилей снова обращается к рассуждениям. Тело, брошенное вверх, постепенно замедляется силой тяжести. Затем сила тяжести направляет его вниз и он падает все скорее. Сила тяжести, действующая на каждое тело, постоянна и определяется его весом. Галилей не знал, что эта сила на высокой горе меньше, чем на равнине. Но это не препятствовало истолкованию проводимых им опытов.
Путь тела, брошенного горизонтально, постепенно искривляется вниз и оно падает на землю. Упав, оно еще некоторое время движется по земле в направлении первоначального броска.
Постоянная сила, сила тяжести изменяет скорость и направление движения предмета. Сила трения может только уменьшить величину скорости.
Галилей снова обращается к наклонной плоскости. Скатываясь с нее, шарик движется все быстрее. Если его толкнуть так, чтобы он поднимался на наклонную плоскость — его скорость постепенно уменьшается. Она может уменьшиться до нуля, и тогда шарик начнет скатываться вниз. Но если устранить наклон, снять подпорку из под верхнего конца доски, она станет горизонтальной. Теперь действие силы тяжести гасится противодействием горизонтальной доски и шарик остается неподвижным.
ПЕРВЫЕ МЫСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Перед умственным взором Галилея возникает невероятное видение: по гладкому полу, совершенно лишенному трения, скользит предмет. Его путь прям, его скорость постоянна.
Это первый мысленный эксперимент. Ученый «ставит» его, отвлекаясь от действия мешающего трения. В действительности, к такому эксперименту можно лишь приблизиться, уменьшая трение. Но реализовать его абсолютно точно — невозможно.
В мысленном эксперименте тело движется равномерно и прямолинейно. Почему оно движется именно так?
Аристотель должен был бы объяснить это действием особой силы, как он поступил в случае движения стрелы. Но Аристотель не сделал этого, ибо не понимал, что следует опускать в рассуждениях второстепенное (здесь силу трения), для того, чтобы осознать главное.
Галилей сумел возвыситься до абстракции, до пренебрежения второстепенным. Но дело осложнялось тем, что Галилей знал: силы не поддерживают движение, а видоизменяют его. Изменяют скорость или направление движения.
Сила тяжести увеличивает скорость падения тела, которое сперва покоится в руке, а когда рука отпускает его, начинает падать все быстрее. Сила тяжести искривляет движение стрелы, заставляя ее все скорее приближаться к поверхности земли. Сила лошади движет повозку с постоянной скоростью, преодолевая трение.
Обдумывая все это, Галилей делает уступку Аристотелю: может быть существует особая сила? Сила, не изменяющая ни величины, ни направления скорости движения тела. Сила, поддерживающая прямолинейное равномерное движение тела, если другие силы, включающие и силу трения, совершенно отсутствуют.
Может быть, такая сила свойственна всем телам, свободным от действия обычных сил? Может быть, это свойство определяется косностью тел, их стремлением двигаться так, как они двигались в предыдущий момент? Может быть это особая «сила косности», «сила инерции»?
Следующий шаг — еще один опыт.
Снова мысленный опыт. Точнее целый набор мысленных опытов, выполненных в закрытом помещении под палубой корабля. Опыты мысленно выполняются дважды. Первый раз, когда корабль стоит неподвижно. Второй раз корабль равномерно без качки движется с постоянной скоростью по
