Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Вот та иллюстрация, которая помогает наглядно представить Ньютоново абсолютное пространство.

Можно пояснить и время.

Комната «живет» не одно мгновение. Бесконечная длительность ее существования безотносительно ко всем процессам, которые могут в ней протекать, дает представление и об абсолютном времени.

В подобную «комнату», в Евклидов мир, тяготение, как и любое физическое явление, должно быть привнесено откуда-то извне, «из-за пространства» и «из-за времени».

Оказывается, однако, как показал тот же Эйнштейн, тяготение и свойства пространства и времени тесно связаны между собой. Тела, следуя определенным законам, «искривляют» пространство и удлиняют промежутки времени, а искривленное пространство оказывает свое влияние на траектории движущихся тел. Кажется, что тело движется все время по прямой, а в действительности оно движется по какой-то кривой, радиус которой определяется местными свойствами пространства. Отдаленно это напоминает человека, отправившегося по экватору прямо вперед и незаметно начавшего описывать кривую вокруг земного шара.

Третье направление, двигаясь по которому классическая механика встречает себе препятствие, — это направление к миру молекул, атомов, элементарных частиц, подчиняющихся законам иной, квантовой механики.

Неприменимость принципов Ньютона в этой области может быть проиллюстрирована наглядно невозможностью делать здесь некоторые утверждения, обычные для классической механики.

В мире больших масштабов, в мире нашей практики мы можем сказать: передняя плоскость поезда, движущегося с определенной скоростью из Ленинграда в Москву, ровно в шесть часов утра пересекает переднюю плоскость платформы станции Клин. В микромире, как мы увидим, когда займемся квантовой механикой, такие утверждения невозможны (см. стр. 164).

Получается три рубежа, три зоны недоступности для классической механики. Не многовато ли?

Не передвигаются ли интересы техники и науки все больше за эти рубежи, так что скоро и вообще лишь за ними будет происходить важнейшее?

Возможно ли развитие самой классической механики в наши дни или она постепенно превратилась во вспомогательную науку, знать которую, конечно, необходимо, но которая больших горизонтов не раскроет?

Обидно было бы изучать классическую механику, выучиться, скажем, на инженера и вдруг услышать:

— Э-э, батенька, сейчас век атомной энергии. Ваши знания нам ни к чему. Занимайтесь-ка квантовой механикой!

Получилось бы, как в анекдоте, где один малыш жалуется другому на родителей:

— Сперва они учили нас ходить и говорить, а теперь требуют, чтобы мы сидели и молчали.

К счастью, такой разговор никому не угрожает.

Сегодня в числе бурно развивающихся наук — науки, вырастающие из классической механики, как ее развитие и усложнение. Среди них такие, например, увлекательные науки, как гидродинамика и аэродинамика, теория упругости и акустика. С теоретической стороны они прямые продолжения Ньютоновой механики: оттуда их методы и принципы, дополненные постепенно гипотезами, подсказанными опытом. Там, где требуются более практические выводы, ученые и инженеры обращаются тоже к вышедшим из классической механики наукам — сопротивлению материалов и гидравлике. Можно привести и другие примеры.

Человек правильно видит природу и создает правильные, неумирающие науки.

Ограниченность классической механики — это, скорее, ее сосредоточенность, столь нужная, когда стоишь перед решением больших и очень разных по характеру проблем.

Как познавались законы и открывались тайники энергии

Путаница и разъяснение понятий

Окно, у которого я пишу, выходит во двор большого интерната. Мальчишки часто дуются в футбол, а притихшие болельщики-девочки порою вдруг взрываются бурным шквалом голосов, что позволяет мне и не глядя подсчитывать число забитых голов. Когда восторг уж слишком ярок, я выглядываю в окно. Кроме смущенно торжествующих ребят и дико скачущих девчонок, я вижу мелюзгу, копошащуюся у невесть зачем вырытой у футбольных ворот прямоугольной ямы с водой (правда, глубиной воробью по колено). На душе становится легко, и строчки словно бы охотнее ложатся на бумагу.

Однажды мое внимание привлекла совсем другая картина. Футбола и ребят на поле не было (вероятно, шли занятия), а из окна второго интернатского этажа женщина в белом выбрасывала узлы с бельем. Рядом с растущей горкой белья стоял голубой «пикап», видимо из прачечной. Вдруг — я даже обомлел — вслед за последним узлом из окна на горку выпрыгнула и сама женщина. Было очень смешно. Потом я подумал: «Физики, поди, не знает, а ведь сообразила, как сэкономить свою работу. Понимает, что одно дело — пойти по коридору, спуститься вниз по лестнице, открыть наружную дверь и т. д. и совсем другое — подобрать юбки и так вот запросто выпрыгнуть в окошко. Благо, думает, никто не наблюдает».

Сама того не подозревая, кастелянша (вероятно, это была она) наглядно продемонстрировала важнейшую физическую величину: работу. Физика говорит:

Работа равна силе, действующей вдоль перемещения, умноженной на это перемещение.

А здесь как раз и то и другое: сила (вес кастелянши) и перемещение (высота подоконника второго этажа над землей). Могут обратить внимание на то, что работу совершила не сама кастелянша, а земное тяготение. Совершенно верно. Но мы в данном случае говорим лишь об определении этой физической величины, и нас не интересует ее источник.

Запомнить краткое и ясное определение работы чрезвычайно важно, потому что в повседневной жизни люди часто под этим словом понимают что-нибудь иное. Футболисты удивляются, когда им говорят, что их игра — тоже настоящая работа (а это так и есть). Зато иной раз школьник задает учителю вопрос: «Почему гирю тяжелее поднять, чем проволочить на то же расстояние по земле? Ведь работа одна и та же: вес гири, помноженный на ее перемещение». И учитель терпеливо разъясняет, что при качении или протяжке по земле работы совершается немного, только та, что нужна, чтобы преодолеть сопротивление трения. А гиревик, как известно, работает против силы тяготения, перемещает гирю от земли.

Работа — это произведение не всякой вообще силы на перемещение, а только той, что действует вдоль перемещения.

Поэтому центростремительная сила, например, не производит работы. Она перпендикулярна перемещению (всех точек шкива), а в этом случае работа силы равна нулю.

Разноголосица в употреблении слова «работа» создается в большой степени тем, что мы охотно применяем это слово в областях, иногда далеких от физики. Там же оно звучит порой не похоже на то, что подразумевается в физике.

Кто из школьников, сомневающихся в том, что игра в мяч — работа, в то же время не соглашается охотно, что работа — это не только пилить и колоть, но и заниматься, сидеть спокойно в классе, внимательно слушать преподавателя. (Правда, почему-то это часто понимается односторонне: у взрослых молчаливая деятельность ума не всегда признается за работу.)

Единица измерения работы в новой системе мер (СИ) — ньютон силы на метр пути, или джоуль (дж). Когда хотят воспользоваться более мелкими единицами, принимают эрг — одну десятимиллионную часть джоуля. Джоуль, таким образом, равен 10 000 000 эргов. А тот, кто хочет представить себе наглядно эрг, может воспользоваться следующими сравнениями. Эрг немногим больше той работы, которую совершает человек, чтобы раз моргнуть. Комару, чтобы перелететь с мочки уха на его верхушку тоже надо совершить примерно эрг работы.

Мы начали эту часть с определения работы. Так же пойдем и дальше. Разберем еще понятия «мощность» и «энергия». Их часто путают одну с другой. Их путают даже со словом «сила». Поэтому, прежде чем говорить об этих величинах, надо внести ясность в их определение.

Что же такое мощность?

Спросите разных людей, чем, по их мнению, будет отличаться наиболее мощный автомобиль от остальных, и вы получите разные ответы. Одни скажут: самый мощный автомобиль — это тот, который тащит больше остальных; другие возразят: нет, самый мощный автомобиль тот, который развивает наибольшую скорость; третьи за мерило мощности почитают крутизну подъема, преодолеваемого автомобилем. А в действительности часто получается так, что 30-сильный трактор тянет больше 100-сильного автомобиля, а маломощный автомобиль берет на большой скорости подъем, который не под силу более мощному автомобилю.

При определении работы пользуются лишь двумя величинами: протяженностью пути и силой. Человек, напиливший кубометр дров за два часа, сделает такую же работу, как и тот, кто напилит свой кубометр с перекурами за восемь часов.