Первый пример таких сил — полный закон тяготения, пред­ложенный Ньютоном. Формулируя свой закон, он отвечал на вопрос: что такое сила? Если бы ничего, кроме тяготения, не существовало, то сочетание этого закона и закона силы (второго закона движения) оказалось бы завершенной теорией. Но, кроме тяготения, существует и многое другое, и мы собираемся пользоваться законами Ньютона во всевозможных положениях. Поэтому нам придется кое-что порассказать о свойствах сил.

К примеру, говоря о силе, мы всегда неявно предполагаем, что когда нет физических тел, то сила равна нулю. Если мы видим, что сила не равна нулю, мы ищем по соседству ее источник. Это предположение совсем не то, что введенная нами «жила».

Одна из важнейших характеристик силы — ее материаль­ное происхождение; и это свойство как раз нельзя считать определением.

Ньютон привел еще одно правило, касающееся сил: силы между взаимодействующими телами равны и противоположны; действие равно противодействию. И это правило, оказывается, не совсем верно. Да и сам закон F=ma не совсем верен; будь он определением, мы бы должны были утверждать, что он точно верен всегда; а на самом деле это не так.

Вы можете заявить: «А мне не нравится эта неточность, я хочу, чтобы все определялось точно, да и во многих книжках написано, что наука — вещь точная, что в ней все определено». Но сколько бы вы ни настаивали на точном определении силы, вы его никогда не получите! Во-первых, и сам Второй закон Ньютона не точен, а во-вторых, чтобы понять физические зако­ны, вы должны усвоить себе раз и навсегда, что все они — в какой-то степени приближения.

Любое простое высказывание является приближенным; в виде примера рассмотрим некоторый предмет... кстати, что такое предмет? «Философы» всегда отвечают: «Ну, например, стул».

Стоит услышать это и сразу становится ясно, что они сами не понимают того, о чем говорят. Что есть стул? Стул имеет определенную массу... Определенную? Насколько опре­деленную? Из него время от времени вылетают атомы — не­много, но все же! На него садится пыль, из него сыплется тру­ха, да и лак со временем сходит. Четко определить стул, ска­зать точно, какие атомы принадлежат ему, какие — воздуху, а какие — лаку, невозможно. Значит, массу стула можно определить лишь приближенно. Точно так же невозможно опре­делить массу отдельного предмета, ибо таких предметов не су­ществует, в мире нет одиноких, обособленных объектов; любая вещь есть смесь множества других, и мы всегда имеем дело с рядом приближений и идеализации. Вся суть в идеализации. В очень хорошем приближении (около 1 к 10¹⁰) количество атомов стула за минуту не меняется. Если вас эта точность устраивает, вы имеете право считать массу стула постоянной. Точно так же можно идеально изучить и характеристики силы, стоит только не гнаться за точностью. Вас может не удовлетворить этот при­ближенный взгляд на природу, который пытается выработать физика (все время стремясь повысить точность приближений), вы можете предпочесть математическое определение, но оно никогда не действует в реальном мире. Математические опреде­ления хороши для математики — там можно полностью и до конца следовать логике, а физический мир сложен. Мы об этом уже говорили, приводя такие примеры, как океанские волны и бокал вина. Пытаясь разделить их на части, мы толкуем отдель­но о массе вина и отдельно о массе бокала. Но как можно узнать, где одно, где другое, раз одно растворимо в другом? И сила, действующая на обособленный предмет, уже включает неточность, и всякая система рассуждений о реальном мире, по крайней мере сегодня, предполагает разного рода прибли­жения.

Эта система ничем не похожа на математические рассужде­ния. В них все может быть определено, и в итоге всегда не извест­но, о чем говорят.

Действительно, ведь все великолепие математики в том и состоит, что в ней мы не знаем, о чем толкуем. Ее законы, ее доказательства, ее логика не зависят от того, чего они ка­саются,— и в этом своя, особая красота. Когда вы имеете другую совокупность объектов, подчиняющихся той же системе аксиом, что и евклидова геометрия, то вы можете выдвинуть новые определения и делать выводы, сообразуясь с правильной логикой, — все следствия окажутся правильными, и совершенно неважно, чего они касаются. А в природе? Когда вы проводите линию или провешиваете ее при помощи луча света и теодоли­та (как это делается на геодезических съемках) — следует ли природа Евклиду? Нет, вы делаете приближение; крест на объективе имеет определенную толщину, а геометрическая ли­ния — никакой; значит, применять ли в съемках евклидову гео­метрию или нет — это вопрос физики, а не математики.

Конечно, с экспериментальной (а не математической) точ­ки зрения вам нужно знать, применимы ли законы Евклида к тому роду геометрии, которую вы используете, изме­ряя окрестности; вы предполагаете, что да, применимы. И, действительно, они прекрасно работают; прекрасно, но не точно, потому что ваши съемочные линии— это не настоя­щие геометрические линии. Приложимы или нет абстрактные евклидовы прямые к линиям, провешиваемым на опыте,— есть дело самого опыта; на этот вопрос чистым рассуждением не ответить.

Точно таким же образом вы не можете назвать F=ma опре­делением, вывести из него все чисто математически и сделать механику математической теорией: механика — это описание природы. Выдвигая подходящие постулаты, всегда можно соз­дать математическую систему вроде евклидовой, но вы не можете создать математики мира; рано или поздно вам пришлось бы отвечать на вопрос: выполняются ли эти аксиомы на объектах природы? И вы немедленно завязли бы среди этих запутанных, «нечистых» реальных предметов,— правда, добиваясь все боль­шей и большей точности приближений.

§ 2. Трение

Итак, чтобы по-настоящему понять законы Ньютона, мы должны обсудить свойства сил; цель этой главы— начать это обсуждение и составить своего рода дополнение к законам Ньютона. Мы уже знакомы со свойствами ускорения и с дру­гими сходными представлениями, теперь же нам предстоит заняться свойствами сил. Из-за сложности их мы в этой главе (в отличие от прежних) не будем гнаться за точными формули­ровками. Чтобы начать с конкретной силы, рассмотрим сопро­тивление, которое воздух оказывает летящему самолету. Каков закон этой силы? (Мы обязаны найти его; ведь закон существует для каждой силы!) Едва ли только он будет прост. Стоит пред­ставить себе торможение воздухом самолета — свист ветра в крыльях, вихри, порывы, дрожание фюзеляжа и множество других сложностей,— чтобы понять, что этот закон вряд ли выйдет простым и удобным. Тем замечательней тот факт, что у силы очень простая закономерность: F»cv² (постоянная, умно­женная на квадрат скорости).

Каково же положение этого закона среди других? Подобен ли он закону F=ma? Отнюдь. Во-первых, он эмпирический, и получен он грубыми измерениями в аэродинамической трубе. Но вы возразите: «Что ж, закон F=ma тоже мог бы быть эмпи­рическим». Но разве в этом дело? Различие не в эмпиричности, а в том, что, насколько мы понимаем, этот закон трения есть ре­зультат множества влияний и в основе своей ничуть не прост. Чем больше мы станем его изучать, чем точнее мерить, тем слож­ней (а не проще) представится он нам. Иными словами, все глубже вникая в закон торможения самолета, мы все ясней будем пони­мать его «фальшь». Чем глубже взгляд, чем аккуратней измерения, тем усложненной становится истина; она не предстанет перед на­ми как итог простых фундаментальных процессов (впрочем, мы и с самого начала об этом догадывались). На очень слабых скоро­стях (самолету, например, они даже недоступны) закон меняется: торможение уже зависит от скорости почти линейно. Или, к при­меру, торможение шара (или пузырька воздуха или чего-нибудь еще) за счет трения о вязкую жидкость (наподобие меда),— оно тоже при малых скоростях пропорционально скорости, а на больших, когда образуются вихри (не в меде, конечно, а в воде или воздухе), опять возникает примерная пропорциональность квадрату скорости (F=cv²); при дальнейшем росте скорости и это правило не годится. Можно, конечно, говорить: «Ну, здесь слегка меняется коэффициент». Но ведь это просто уловка.

Во-вторых, есть и другие сложности: можно ли, скажем, эту силу делить на части, — на силу трения крыльев, фюзеляжа, хво­ста и т. д.? Конечно, когда нужно бывает узнать вращательные моменты, действующие на части самолета, то так делать можно, но тогда уж надо иметь специальный закон трения для крыльев и т. д. И выясняется тот удивительный факт, что сила, действую­щая на крыло, зависит от другого крыла, т. е. если убрать само­лет и оставить в воздухе одно крыло, то сила будет совсем не такой, какой она была бы, если бы в воздухе был весь самолет, Причина, конечно, в том, что ветер, бьющий в нос самолета, сте­кает на крылья и меняет силу торможения. И хотя кажется чу­дом, что существует такой простой, грубый эмпирический закон, пригодный для создания самолетов, но он не из тех законов физики, которые называют основными: по мере углубления он ста­новится все сложней и сложней. Какое-нибудь изучение зависи­мости коэффициента c от формы носа самолета сразу разрушает его простоту. Никакой простой зависимости не остается. То ли дело — закон тяготения: он прост, и дальнейшее его углубление только подчеркивает это.

Мы только что говорили о двух типах трения, возникающих в результате быстрого движения в воздухе или медленного в меде. Но есть еще вид трения — сухое, или трение скольжения: о нем говорят тогда, когда одно твердое тело скользит по дру­гому. Чтобы продолжать движение, такому телу нужна сила. Ее называют силой трения. Происхождение ее — вопрос очень запутанный. Обе соприкасающиеся поверхности неравномерны, если разглядывать их на атомном уровне. В точках соприкосно­вения атомы сцепляются; при нажиме на тело сцепка рвется и возникают колебания (во всяком случае, происходит нечто по­хожее). Прежде думали, что механизм трения несложен: повер­хность покрыта неровностями и трение есть результат подъема скользящих частей на эти неровности; но это неправильно, ведь тогда бы не было потерь энергии, а на самом деле энергия на трение тратится. Механизм потерь иной: неровности при сколь­жении сминаются, возникают колебания и движение атомов, и тепло растекается по обоим телам. И здесь крайне неожидан­ным оказывается, что эмпирически это трение можно прибли­женно описать простым законом. Сила, нужная для того, чтобы преодолевать трение и тащить один предмет по поверхности другого, зависит от силы, направленной по нормали (но перпен­дикуляру) к поверхностям соприкосновения. В довольно хо­рошем приближении можно считать, что сила трения пропорцио­нальна нормальной силе с более или менее постоянным коэффи­циентом:

F=mN, (12.1)





где m—коэффициент трения (фиг. 12.1).

Фиг. 12.1. Соотношение между силой трения и нормальной состав­ляющей силы при скольжении.

Хотя коэффициент m не очень постоянен, эта формула оказывается хорошим эмпири­ческим правилом, позволяющим прикидывать, какая сила пона­добится в тех или иных практических или инженерных обстоя­тельствах. Только когда нормальная сила или быстрота движения очень уж велика, закон отказывает: выделяется чересчур много тепла. Важно понимать, что у любого из этих эмпириче­ских законов есть ограничения, вне которых они не работают.

Приближенную справедливость формулы F=mN можно за­свидетельствовать простым опытом. Положим брусок весом W на плоскость, наклоненную под углом 6. Подымем плоскость круче, пока брусок под тяжестью собственного веса не соскольз­нет с нее. Составляющая веса вниз вдоль плоскости Wsin9 равна силе трения F, раз брусок скользит равномерно. Слагающая ве­са, нормальная к плоскости, это Wcos9; она и есть нормальная сила N. Формула превращается в Wsinq=mWcosq, откуда m=sinq/cosq = tgq. Согласно этому закону, при определенном наклоне плоскости брусок начинает скользить. Если брусок нагрузить дополнительным весом, то все силы в формуле воз­растут в той же пропорции, и W из формулы выпадет. Если вели­чина m не изменилась, то нагруженный брусок опять соскольз­нет при таком же наклоне. Определив из опыта угол q, убедимся, что при большем весе бруска скольжение все равно начинается на том же угле наклона. Даже если вес возрос многократно, это правило соблюдается. Мы приходим к заключению, что от веса коэффициент трения не зависит.

Когда проделываешь этот опыт, легко заметить, что при пра­вильном угле наклона 8 брусок скользит не непрерывно, а с остановками: на одном месте он застрянет, а на другом рванется вперед. Такое поведение есть признак того, что коэффициент трения только грубо можно считать постоянным: он меняется от места к месту. Столь же неуверенное поведение наблюдается и при изменении нагрузки бруска. Различия в трении возникают от разной гладкости или твердости частей поверхности, от грязи, ржавчины и прочих посторонних влияний. Таблицы, в которых перечислены коэффициенты трения «стали по стали», «меди по меди» и прочее,— все это сплошное надувательство, ибо в них этими мелочами пренебрегают, а ведь они-то и определяют значение m. Трение «меди о медь» и т. д.— это на самом деле трение «о загрязнения, приставшие к меди».

В опытах описанного типа трение от скорости почти не зави­сит. Многие верят, что трение, которое нужно преодолеть, чтобы привести предмет в движение (статическое), больше силы, необходимой для поддержания уже возникшего движения (трение скольжения). Но на сухих металлах трудно заметить какую-либо разницу. Мнение это порождено, вероятно, опытами, в которых присутствовали следы масла или смазки, а может быть, там бруски закреплялись пружинкой или чем-нибудь гибким, как бы привязываясь к опоре.

Очень трудно добиться точности в количественных опытах по трению, и до сей поры трение не очень хорошо проанализи­ровано, несмотря на огромное значение такого анализа для техники. Хотя закон F=mN для стандартных поверхностей почти точен, причину такого вида закона на самом деле не понимают. Чтобы показать, что m мало зависит от скорости, нуж­ны особо тонкие эксперименты, потому что от быстрых коле­баний нижней поверхности видимое трение сильно падает. В опытах на больших скоростях надо заботиться, чтобы тела не дрожали, а то видимое трение сразу уменьшается. Во вся­ком случае, этот закон трения относится к тем полуопытным законам, которые поняты не до конца и не становятся понят­ней, несмотря на огромные усилия. Оценить коэффициент трения между двумя веществами сейчас практически никому не под силу.

Раньше было уже сказано, что попытки измерить m при скольжении чистых веществ (медь по меди) ведут к сомнитель­ным результатам, потому что соприкасающиеся поверхности — не чистая медь, а смеси окислов и прочих загрязнений. Если мы хотим получить совершенно чистую медь, если мы вычистим и отполируем поверхности, дегазируем вещество в вакууме и соблюдем все необходимые предосторожности, то все равно m мы не получим. Потому что два куска меди слипнутся, и тогда хоть ставь плоскость торчком! Коэффициент m, для умеренно жестких поверхностей обычно меньший единицы, тут вырастает до нескольких единиц! Причина такого неожиданного поведе­ния вот в чем: когда соприкасаются атомы одного сорта, то они не могут «знать», что они принадлежат разным кускам меди. Будь там между ними другие атомы (атомы окислов, смазки, тонких поверхностных слоев загрязнений), тогда атомам меди было бы «ясно», находятся ли они на одном куске или на раз­ных. Вспомните теперь, что именно из-за сил притяжения меж­ду атомами медь является твердым веществом, и вам станет понятно, почему невозможно правильно определить коэффи­циент трения для чистых металлов.

То же явление наблюдается в простом домашнем опыте со стеклянной пластинкой и бокалом. Поставьте бокал на пластин­ку, накиньте на него петлю и тяните; он неплохо скользит и коэффициент трения чувствуется; конечно, этот коэффициент слегка нерегулярен, но все же это коэффициент. Увлажните теперь пластинку и ножку бокала и потяните; вы почувствуете, что они слиплись. Внимательно вглядевшись, можно обнаружить даже царапины. Дело в том, что вода может удалять жир и прочие вещества, засоряющие поверхность; остается чистый контакт стекло — стекло. Этот контакт настолько хорош, что разорвать его не так-то просто: нарушить его трудней, чем вы­рвать кусочки стекла, вот и возникают царапины.

§ 3. Молекулярные силы

А теперь перейдем к характеристике молекулярных сил. Это силы, действующие между атомами; ими в конечном счете и вызывается трение. Классической физике так и не удалось удовлетворительно объяснить молекулярные силы. Чтобы их полностью понять, понадобилась квантовая механика. Эмпири­чески, однако, силу, действующую между двумя атомами, можно изобразить примерно так, как на фиг. 12.2, где эта сила F представлена как функция расстояния r между атомами.



Фиг. 12.2. Сила, действующая между двумя атомами, как функ­ция расстояния между ними.

Бывают и другие случаи: в молекуле воды, например, отрица­тельные заряды размещены главным образом на атоме кисло­рода и центры положительных и отрицательных зарядов оказываются не в одной точке, поэтому соседние молекулы испы­тывают действие сравнительно больших сил. Называют эти силы диполь-дапольными. Но во многих системах заряды сба­лансированы куда лучше, в частности в газообразном кислороде они почти симметричны. В этом случае, хоть минус- и плюс-заряды рассеяны по молекуле, распределение их таково, что центры минус- и плюс-зарядов совпадают. Молекулы, центры которых не совпадают, называются полярными; произведение заряда на промежуток между центрами называется диполъным моментом. У неполярных молекул центры зарядов совпадают. Для них для всех оказывается, что, хотя суммарный общий за­ряд равен нулю, сила на больших расстояниях ощущается как притяжение и изменяется обратно пропорционально седьмой степени удаления, т. е. F=k/r⁷, где k — постоянная, завися­щая от типа молекул. Почему это так, вы узнаете тогда, когда выучите квантовую механику. У диполей силы притяжения еще заметнее. И наоборот, если атомы или молекулы тесно сбли­зить, они очень сильно отталкиваются; именно по этой причине мы не проваливаемся на нижний этаж!

Эти молекулярные силы можно увидеть почти непосредствен­но и в опыте со скольжением бокала по стеклу, и в опыте с дву­мя тщательно отшлифованными и пригнанными плоскими по­верхностями. Примером таких поверхностей могут служить плитки Иоганссона, которыми пользуются в машиностроении как стандартами для точных измерений длин. Если, прижав одну из плиток к другой, осторожно поднять верхнюю плитку, то нижняя тоже поднимется. Ее поднимут молекулярные силы, демонстрируя прямое притяжение атомов одной плитки к ато­мам другой.

И все же эти молекулярные силы притяжения не являются фундаментальными в том смысле, в каком фундаментально тяго­тение; они возникают в итоге неимоверно сложного взаимодей­ствия всех электронов и ядер одной молекулы со всеми элект­ронами и ядрами другой. Никакой простой формулы, которая бы учитывала все эти сложности, нельзя получить, так что это явление не фундаментальное.

Именно потому, что молекулярные силы притягивают на большом удалении и отталкивают на малом (см. фиг. 12.2), и существуют твердые тела; их атомы скреплены воедино вза­имным притяжением, но держатся все же на расстоянии друг от друга (если их сблизить, сразу включается отталкивание). На том расстоянии d, где кривая на фиг. 12.2 пересекает ось r, сила равна нулю, т. е. наступает равновесие; на этом расстоя­нии и располагается молекула от молекулы. Если молекулы сблизить теснее, чем на расстояние d, то возникает отталкива­ние, изображенное частью кривой выше оси r. Но даже для ничтожного сближения требуются огромные силы, потому что кривая круто идет вверх на расстояниях, меньших d. А стоит чуть развести молекулы, как начинается слабое притяжение, возрастающее по мере удаления. Если же их резко потянуть, то они навсегда отделятся и связь разорвется.

Когда молекулы лишь слегка сводят или слегка разводят от положения равновесия d, то маленький участок кривой близ этого положения можно считать за прямую линию. Поэтому часто обнаруживается, что при небольших сдвигах сила пропор­циональна смещению. Этот принцип известен как закон Гука, или закон упругости; он утверждает, что силы, стремящиеся после деформации тела вернуть его в начальное состояние, пропорцио­нальны этой деформация. Закон, конечно, соблюдается лишь тогда, когда деформации малы; когда они велики, тело либо разорвется, либо сломается, смотря по характеру деформаций. Величина силы, до которой закон Гука еще действует, зависит от материала; скажем, у теста или замазки она очень мала, у стали — относительно велика. Закон Гука легко можно про­демонстрировать на длинной стальной спиральной пружине, подвешенной вертикально. Грузик на нижнем конце пружины слегка раскручивает витки проволоки и тем самым немного оттягивает вниз каждый виток, приводя в общем на большом числе витков к заметному смещению. Если измерить общее удлинение пружины, скажем от гирьки весом 100 г, то окажет­ся, что каждые добавочные 100 г груза вызовут примерно такое же удлинение, что и первые 100 г. Это постоянство отношения силы к смещению нарушается, когда пружина перегружена; тогда закон Гука больше не выполняется.

§ 4. Фундаментальные силы. Поля

Мы хотим побеседовать теперь об оставшихся фундаменталь­ных силах. Называем мы их фундаментальными потому, что законы их действия фундаментально просты. Сперва рассмот­рим электрическую силу.

Тела несут в себе электрические заряды, которые состоят просто из электронов и протонов. Если два тела заряжены, меж ними действует электрическая сила; если величины зарядов рав­ны соответственно q₁ и q₂, то сила изменяется обратно пропор­ционально квадрату расстояния между зарядами

F=(const) ·q₁q₂/r².

Для разноименных зарядов этот закон похож на закон тяготения, но для одноименных сила становится отталкивающей и ее знак (направление) меняется. Сами заряды q₁ и q₂ могут быть и положительными и отрицательными; практически, пользуясь формулой, можно получить правильный знак силы, если поставить возле q их знаки. Сила направлена вдоль отрез­ка, соединяющего заряды. Коэффициент в формуле зависит, конечно, от выбора единиц силы, заряда и длины. Обычно заряд измеряют в кулонах, промежуток — в метрах, а силу — в ньютонах. Чтобы получить силу в ньютонах, константа (по историческим причинам ее пишут в виде ¹/₄pe₀) должна при­нимать численное значение

¹/₄pe₀= 8,99·10⁹ ньютон·м²/кулон², (а) т. е.

e₀= 8,854·10^-12 кулон2 /ньютон·м². (б)

Итак, закон силы для покоящихся зарядов имеет вид

F=q₁q₂r/4pe₀r³ (12 2)

В природе самый важный из всех зарядов — это заряд отдель­ного электрона, он равен 1,60·10^-19 кулон. Кто работает не с большими зарядами, а с электрическими силами между фун­даментальными частицами, те предпочитают как-то выделить сочетание (q_эл)²/4pe₀, в котором q_эл определяется как заряд элект­рона. Это сочетание часто встречается, и для упрощения рас­четов его обозначают e²; его численное значение в системе СИ оказывается равным (1,52·10^-14)². Удобство пользова­ния константой в этой форме заключается в том, что сила в ньютонах, действующая между двумя электронами, запишется просто как e²/r² (r дано в метрах), без каких-либо коэффици­ентов. На самом деле электрические силы намного сложней, чем следует из этой формулы, потому что формула относится к покоящимся телам. Сейчас мы рассмотрим более общий случай.

Анализ фундаментальных сил (не сил трения, а электри­ческих сил или сил тяготения) связан с интересным и очень важным понятием.

Теория этих сил намного сложнее, чем об этом следует из закона обратных квадратов. Закон этот действует лишь тогда, когда взаимодействующие тела находятся в покое. Поэтому нужен усовершенствованный метод обращения с очень сложными силами — силами, которые возникают, когда тела начинают двигаться запутанным образом. Как оказалось, для анализа сил такого типа очень полезен подход, основанный на введении понятия «поля». Чтобы пояснить мысль на примере, скажем, электрической силы, положим, что в точке Р находится заряд q₁, а в точке R—заряд q₂. Сила, действующая между заря­дами, равна

F=q₁q₂r/r². (12.3)

Чтобы проанализировать эту силу при помощи понятия поля, мы говорим, что заряд q₁ в точке Р создает в точке R такие «условия», при которых заряд q₂, попадая в R, «ощущает» дей­ствие силы. Это один из мыслимых путей описания действия силы. Может быть, он выглядит странно: мы говорим, что дей­ствие силы F на заряд q₂ в точке R можно разбить на две части — на q₂ и Е, причем величина Е существует в точке R безотноси­тельно к тому, есть ли там заряд или нет (лишь бы все прочие заряды были на своих местах). Величина Е есть «условие», соз­данное зарядом q₁, a F — ответ, отклик заряда q₂ на Е. Вели­чину Е называют электрическим полем. Это — вектор. Формула для электрического поля Е, созданного в точке R зарядом q₁ находящимся в точке Р, такова: заряд q₁, умноженный на по­стоянную ¹/₄pe₀, деленный на r² (r — расстояние от Р до R); поле действует по направлению радиус-вектора (вектор направпения радиус-вектора — это радиус-вектор, деленный на свою длину). Таким образом, выражение для Е таково:

Е=q₁r/4pe₀r³ . (12.4)

А затем мы пишем

F =q₂E, (12.5)

т. е. связываем силу, поле и заряд в поле. В чем же суть всего этого? Суть в том, что анализ разделяется на две части. Одна часть говорит, что что-то создает поле, а другая — что оно дей­ствует на что-то. Позволяя нам рассматривать две части не­зависимо, это разделение упрощает во многих случаях расчеты трудных задач. Когда зарядов много, то сперва мы рассчиты­ваем суммарное электрическое поле, создаваемое этими заря­дами в R, а потом, зная величину заряда, помещенного в R, находим силу, действующую на него.

Да и в случае тяготения мы можем сделать то же самое. Сила теперь F=-Gm₁m_zr/r³. Анализ полностью совпадает: сила притяжения тела в поле тяготения равна произведению массы тела на поле С. Сила, действующая на m₂, равна массе т₂, умноженной на поле С. созданное массой m₁, т. е. F = m₂C. Значит, поле С, создаваемое массой m₁, есть С =-Gm₁r/r³; оно, как и электрическое поле, направлено по радиусу.

Такое разделение на две части не так уж тривиально, как могло бы показаться на первый взгляд. Оно было бы триви­альным, было бы просто иной записью того же самого, если бы законы действия сил были совсем просты, но они очень сложны, и оказывается, что поле настолько реально, что почти не зави­сит от объектов, создающих его. Можно колебать заряд, и влияние этого (поле) скажется на расстоянии. Если колебания прекратятся, в поле все равно будут ощущаться следы этих колебаний, потому что взаимодействие двух частиц не про­исходит мгновенно. Оттого и желательно уметь запоминать, что здесь раньше происходило. Если сила действия на заряд зави­сит от того, где другой заряд был вчера и каким он тогда был, то должна быть возможность проследить за тем, что было вчера; в этом и состоит сущность поля. Чем сложнее силы, тем реаль­ней поле, и наша техника разделения становится все менее и менее искусственной.

Желая анализировать силы при помощи полей, мы нуж­даемся в законах двоякого рода. Первые—это отклик на поле. Они дают нам уравнения движения. Например, закон отклика массы на поле тяжести состоит в том, что сила равна массе, умноженной на поле тяжести, или если тело еще и заряжено, то отклик заряда на электрическое поле равен заряду, умно­женному на электрическое поле. Вторая часть анализа природы в таких положениях — это формулировка законов, определяющих напряженность поля и способ его возникновения. Эти за­коны иногда называют уравнениями поля, В нужный момент мы с ними познакомимся, а пока скажем о них лишь несколько

слов.

Вот вам для начала самое замечательное свойство поля, оно абсолютно точно и легко усваивается. Общее электрическое по­ле, создаваемое группой источников, есть векторная сумма полей, создаваемых по отдельности первым, вторым и т. д. источ­никами. Иными словами, когда поле создано множеством заря­дов и если отдельное поле первого есть Е₁, а второго —Е₂ и т. д., то мы должны просто сложить эти векторы, чтобы полу­чить общее поле. Принцип этот выражается в виде





Е = Е₁ + Е₂ + Е₃ + ... (12.6) или, в согласии с определением поля,



Можно ли эти методы применить к тяготению? Силу притя­жения двух масс m₁ и m₂ Ньютон выразил в виде F=-Gm₁m₂r/r³. Но в соответствии с понятием поля можно ска­зать, что m₁ создает поле С во всем окружающем пространстве и сила, притягивающая m₂, равна

F = m₂C. (12.8)





По аналогии с электричеством

и тогда поле тяжести нескольких масс равно

С = С₁+С₂+С₃+.. . (12.10)

В гл. 7, где рассматривалось движение планет, мы по существу использовали именно этот принцип. Мы складывали все векто­ры сил, чтобы обнаружить общую силу, действующую на пла­нету. Разделив на ее массу, мы и получим (12.10).

Уравнения (12.6) и (12.10) выражают так называемый прин­цип суперпозиции, или наложения полей. Этот принцип про­возглашает, что общее поле нескольких источников есть сумма полей, создаваемых каждым из них. Насколько нам ныне известно, закон этот в электричестве наверняка выполняется даже тогда, когда заряды движутся и закон сил усложняется. Бывают иногда кажущиеся нарушения, но внимательный анализ всегда доказывает, что просто забыли какой-нибудь из движущихся зарядов. Но в отличие от электрических зарядов для сильных полей тяжести он не совсем точен. В теории тяготения Эйнштейна доказывается, что уравнение Ньютона (12.10) соблюдается лишь приближенно.

С электричеством тесно связана сила другого рода, назы­ваемая магнитной; ее тоже можно анализировать через поня­тие поля. Некоторые из качественных связей между этими си­лами видны в опыте с электронной трубкой (фиг. 12.3).





Фиг. 12.3. Электронная трубка.

На одном конце трубки помещен источник, испускающий поток элект­ронов, а внутри имеется устройство, разгоняющее электроны до большой скорости и посылающее часть их на светящийся экран на другом конце трубки. Световое пятно в центре экра­на, в месте ударов электронов, позволяет проследить за их путем. На пути к экрану пучок проходит сквозь узкую щель между параллельными металлическими пластинами, располо­женными, допустим, плашмя. К пластинам подведено напря­жение, позволяющее любую из них заряжать отрицательно. Напряжение создает между пластинами электрическое поле.

В первой части опыта отрицательное напряжение подается на нижнюю пластину, т. е. на ней образуется избыток элект­ронов. Одноименные заряды отталкиваются, и поэтому светящее­ся пятно на экране взлетает внезапно вверх. (Можно сказать и иначе: электроны «чувствуют» ноле и отвечают отклоне­нием вверх.) Затем переключим напряжение и зарядим отрица­тельно уже верхнюю пластину. Световое пятно на экране опу­стится вниз, показывая, что электроны пучка отталкиваются электронами верхней пластины. (Иначе говоря, электроны «ответили» на изменение направления поля.)

Во второй части опыта напряжение на пластины уже не подается, а вместо этого проверяется влияние магнитного поля на электронный пучок. Для этого необходим подковообразный магнит, достаточно широкий, чтобы «оседлать» практически всю трубку. Предположим, что мы подвели магнит снизу к трубке, обхватили им ее и направили полюсы кверху (в виде буквы U). Мы замечаем, что пятно на экране смещается, скажем кверху, когда магнит приближается снизу. Выходит, что магнит отталкивает пучок. Но не так все просто: если мы пере­вернем магнит, не переставляя его сторон, и приблизим его к трубке сверху, то пятно снова сдвинется вверх, т. е. вместо оттал­кивания наступило притяжение. А теперь вернем магнит в пер­воначальное положение, когда он обхватывал трубку снизу. Да, пятно по-прежнему отклоняется кверху; но повернем маг­нит на 180° вокруг вертикальной оси, чтобы он имел вид буквы U, но уже с переставленными полюсами. Смотрите-ка, пятно прыгает вниз и остается там, даже если мы переворачиваем те­перь U вверх ногами.

Чтобы понять такое своеобразное поведение, нужно приду­мать какую-то иную комбинацию сил. Объясняется все это вот как. Вдоль магнита, от полюса к полюсу, тянется магнитное поле. Оно направлено всегда от одного определенного полюса (который можно снабдить какой-нибудь меткой) к другому. Вращение магнита вокруг его оси не меняет направления поля, а перестановка полюсов местами меняет. Например, если электроны летят горизонтально по оси х, а магнитное поле тоже горизонтально, но направлено по оси у, то магнитная сила, действующая на движущийся электрон, направлена по оси z (вверх или вниз, это уже зависит от того, как направлено поле — по оси у или против нее).

Мы пока не дадим полного закона сил взаимодействия заря­дов, движущихся друг относительно друга в произвольных на­правлениях, потому что он чересчур сложен, но зато приведем формулы для случая, когда поля известны. Действие силы на заряженный предмет зависит от его движения; когда предмет неподвижен, сила, действующая на него, считается пропорцио­нальной заряду с коэффициентом, называемым электрическим полем. Когда тело движется, сила изменяется, и поправка, но­вый «кусок» силы, оказывается линейно зависящей от скорости и направленной поперек скорости v и поперек другой вектор­ной величины — магнитной индукции В. Когда составляющие электрического поля Е и магнитной индукции В суть соответ­ственно (Е_х, Е_у, Е_г,) и (В_х, B_y, B_z), a составляющие скорости v суть (v_x, v_y, v_z), то составляющие суммарной электрической и магнитной сил, действующих на движущийся заряд q, таковы:



Если случайно магнитное поле имеет только компоненту B_y, а скорость — только v_x, то у магнитной силы остается состав­ляющая вдоль z, поперек В и у.

§5 Псевдосилы

Очередной тип сил, который нам предстоит рассмотреть,— это псевдосилы.

В гл. 11 мы обсудили взаимоотношение двух молодых людей, Джо и Мика, обладателей различных систем координат. Пусть положение частицы по измерениям Мика есть x, а Джо дает для нее х\'; тогда связь между ними такова:

x=x\'+s, y=y\' z=z\',





где s показывает, насколько сместилась система Джо отно­сительно системы Мика. Пусть у Мика в системе выполняются законы движения. Как они выглядят для Джо? Сперва мы обна­ружим, что





Раньше мы считали s постоянной и убедились, что законы дви­жения при этом не меняются, так как ds/dt=0; в конечном сче­те в обеих системах все законы физики одинаковы. Но пусть s = ut, где u — постоянная скорость движения по прямой. Тогда s непостоянна и ds/dt — не нуль, а u, т. е. константа. Но ускоре­ние d²x/dt² такое же, как d²x\'/dt², потому что du/dt =0. Этим до­казывается закон, использованный в гл. 10, а именно: когда мы движемся по прямой с постоянной скоростью, все законы фи­зики выглядят так, как если бы мы стояли. Это преобразова­ние Галилея. А теперь мы хотим рассмотреть случай поинтерес­нее, когда s зависит от времени еще сложнее, например s=at²/2. Тогда ds/dt=at, а d²s/dt²=a, т. е. ускорение по­стоянно; можно рассмотреть также случай, когда ускорение само оказывается функцией времени. Это значит, что хотя закон силы с точки зрения Джо выглядит как

но закон силы, по мнению Мика, иной:





Иначе говоря, поскольку система координат Мика ускоряется по отношению к системе Джо, появляется добавочный член ma. Чтобы работать с законами Ньютона, Мик обязан подправить силы, ввести в них этот член. Другими словами, появляется кажущаяся, мистическая, новая сила неведомого происхожде­ния; она возникает, конечно, из-за того, что у Мика координат­ная система неправильна. Это — пример псевдосилы; с другими примерами можно встретиться, если система координат вращается.

Примером псевдо- (как бы-, вроде-) силы является хорошо известная «центробежная сила». Наблюдатель во вращающейся системе координат (во вращающемся ящике) обнаружит таин­ственные силы, не вызываемые ни одним из известных источ­ников сил; они отбрасывают предметы к стенке ящика. А объяс­няются они просто тем, что у наблюдателя нет ньютоновой си­стемы координат — простейшей из всех.

Псевдосилы обнаруживаются на любопытном опыте, состоя­щем в том, что мы толкаем с ускорением кувшин с водой по столу. Тяжесть действует на воду вниз, но из-за горизонталь­ного ускорения есть еще и псевдосила в горизонтальном направ­лении, назад по отношению к ускорению. Сумма силы тяжести и псевдосилы образует угол с вертикалью, во время ускорения поверхность воды перпендикулярна к этой сумме сил, т. е. наклонена под углом к столу, и вода приподнята к задней стенке кувшина. Когда мы перестаем толкать кувшин, когда он замед­ляется вследствие трения, псевдосила меняет свое направление и вода приливает к передней стенке кувшина (фиг. 12.4).





Фиг. 12.4. Иллюстрация к псевдосилам

Очень важным свойством псевдосил следует считать то, что они всегда пропорциональны массам; то же справедливо и для тяжести. Существует поэтому возможность, что тяжесть — это тоже псевдосила. Не может ли статься, что тяготение вызы­вается отсутствием правильной системы координат? Ведь мы всегда можем получить силу, пропорциональную массе, стоит только представить, что тело ускоряется. Например, человек, помещенный в ящик, который стоит на земле, обнаруживает, что его что-то прижимает к полу с силой, пропорциональной его массе. Если бы земли не было вовсе, а ящик все еще поко­ился, то человек плавал бы в пространстве. С другой стороны, если бы опять не было земли, а ящик кто-то тащил бы вверх с ускорением g, то человек в ящике, анализируя физику этого явления, обнаружил бы псевдосилу, прижимающую его к полу точно так же, как это делает тяжесть.

Эйнштейн выдвинул знаменитую гипотезу, что ускорение вызывает имитацию (подобие) тяготения, что силы ускорения (псевдосилы) нельзя отличить от сил тяготения; нельзя сказать, какая часть данной силы — тяжесть, а какая — псевдосила.

Казалось бы, ничто не мешает считать тяжесть псевдосилой, говорить, что нас прижимает вниз оттого, что нас ускоряет вверх; но как быть с жителями Новой Зеландии, на другой сто­роне Земли — их-то куда ускоряет? Эйнштейн понял, что тя­готение можно считать псевдосилой одновременно только в одной точке; его рассуждения привели к предположению, что геометрия мира сложнее обычной геометрии Евклида. Наше обсуждение вопроса чисто качественное и не претендует ни на что, кроме общей идеи.

Чтобы пояснить в общих чертах, как тяготение может быть результатом действия псевдосил, мы приведем чисто геометрический пример, ничего общего не имеющий с истин­ным положением вещей. Предположим, что мы с вами обитаем в двумерном мире и ничего о третьем измерении не знаем. Мы бы считали, что живем на плоскости, а на самом деле, предположим, жили бы на шаре; пускай теперь мы бросили предмет вдоль нашей поверхности, не действуя больше на него никакими силами. Как бы он двигался? Нам казалось бы, что он движется по прямой линии, но поскольку третьего измерения нет и он должен был бы оставаться на поверхности шара, то он двигался бы по кратчайшему расстоянию на сфере, т. е. по окружности большого круга. Бросим точно так же другой пред­мет, но в ином направлении; он направится тоже по дуге боль­шого круга. Мы думаем, что находимся на плоскости, и наде­емся поэтому, что расстояние между двумя предметами будет расти линейно с течением времени. Но тщательные наблюдения вдруг обнаружат, что на достаточно большом расстоянии пред­меты снова начнут сближаться, как если бы они притягивали друг друга. Но они не притягиваются один к другому; все дело в геометрии, это с нею происходит что-то «чудное». Хотя эта картинка и не касается геометрии Евклида (не показывает нам, что в ней есть «чудного»), но она показывает, что, заметно иска­зив геометрию, можно все тяготение отнести за счет псевдосилы. В этом и состоит общая идея теории тяготения Эйнштейна.

§ 6. Ядерные силы

Мы заключим эту главу кратким обзором единственных ныне известных сил, отличающихся от перечисленных,— ядерных сил. Эти силы действуют внутри ядра атома, и, хотя их много изучали, никто ни разу еще не смог рассчитать силу, действую­щую между двумя ядрами; и фактически закон ядерных сил сей­час не известен. Эти силы имеют крайне незначительную протя­женность действия — они действуют только на размерах ядра около 10^-13 см. Поскольку частицы столь малы, а расстояния так коротки, нам нечего надеяться на законы Ньютона — здесь действуют только законы квантовой механики. Анализи­руя ядра, мы больше не говорим о силах; мы заменяем понятие силы понятием энергии взаимодействия двух частиц (позже об этом будет сказано подробнее). Любые формулы, которые можно написать для ядерных сил, представляют довольно грубые приближения, в которых опущены многие детали взаимодействия; выглядят они примерно так: силы внутри ядер убывают не обратно квадрату расстояния, а отми­рают экспоненциально за некоторым расстоянием r₀ (порядка 10^-13 см) как F=(l/r²) exp(-r/r₀). Иначе говоря, чуть частицы удалятся, как силы тут же исчезают, хотя ближе 10^-13 см они очень велики. По-видимому, законы ядерных сил сложны до чрезвычайности; мы их не понимаем, и вся задача анализа фун­даментального механизма, стоящего за ними, не решена. Попыт­ки решить эту задачу привели к открытию множества необыч­ных частиц, например p-мезонов, но происхождение сил все равно остается темным.



Глава 13

РАБОТА И ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ (I)

§ 1. Работа падаю­щего тела

§ 2. Работа, выполняемая тяжестью

§ 3, Сложение энергий

§ 4. Поле тяготения больших тел

§ 1. Работа падающего тела

В гл. 4 мы разобрали вопрос о сохранении энергии. При этом законами Ньютона мы не пользовались. Интересно теперь посмотреть, как возникает сохранение энергии из-за того, что действуют эти законы. Для ясности мы начнем с самых простых примеров и постепенно будем их усложнять.





Простейший пример сохранения энергии — это тело, падающее вниз, т. е. тело, движущееся только в вертикальном направлении. Если оно меняет свою высоту под влиянием только тяже­сти, то из-за движения оно обладает кинети­ческой энергией Т (или к. э.) Кроме того, у него есть потенциальная энергия mgh (сокра­щенно U, или п. э.). Их сумма постоянна:

или

Т+U=const. (13.1)

Мы хотим показать, что это утверждение пра­вильно. Что значит доказать его правильность? Второй закон Ньютона говорит, как движется тело, как со временем изменяется его скорость (а именно, что в падении она растет пропорци­онально времени, а высота падения меняется как квадрат времени). Если поэтому отмерять высоту от нулевой точки (где тело покоилось), то не будет ничего странного в том, что она окажется равной квадрату скорости, умножен­ному на какие-то постоянные. Однако все же рассмотрим это повнимательней.





Попробуем вычислить прямо из второго закона Ньютона, как обязана меняться кинетическая энергия; мы продифференцируем кинетическую энергию по времени и потом применим за­кон Ньютона. Дифференцируя ¹/₂ mv² по времени, получаем

потому что m считается постоянной. Но по второму закону Ньютона m(dv/dt)=F, так что

dT/dt=Fv. (13.3)

В общем случае получается F·v, но для нашего одномерного случая лучше оставить просто произведение силы на скорость.

Сила в нашем простом примере постоянна, равна —mg и направлена вниз (знак минус именно это и показывает), а ско­рость есть степень изменения положения по вертикали (высоты h) со временем. Поэтому степень изменения кинетической энер­гии равна —mg(dh/dt). Взгляните: что за чудо! Перед нами снова чья-то скорость изменения — скорость изменения со вре­менем величины mgh! Поэтому выходит, что с течением времени изменения в кинетической энергии и в величине mgh остаются равными и противоположными, так что их сумма остается не­изменной. Что и требовалось доказать.

Мы только что показали, пользуясь Вторым законом Нью­тона, что для постоянных сил энергия сохраняется, если только прибавлять потенциальную энергию mgh к кинетической ¹/₂mv². Исследуем этот вопрос дальше; посмотрим, можно ли его обобщить, можно ли еще продвинуться в его понимании. Действует ли этот закон только для свободно падающих тел или является более общим? Из того, что мы знаем о сохранении энергии, можно ожидать, что он будет верен для тела, движу­щегося из одной точки в другую по кривой без трения и под дей­ствием одной лишь тяжести (фиг. 13.1). Когда тело, начав дви­гаться с высоты Н, достигает высоты h, то опять должна быть верной та же формула, хотя бы скорость уже не была направле­на по вертикали. Нам надо понять, почему она все еще правильна. Проведем тот же анализ; отыщем скорость изменения кинетиче­ской энергии во времени. Опять будет получаться mv(dv/dt) — скорость изменения величины импульса, т. е. сила в направлении движения — касательная сила F_t . Итак,







Скорость—это скорость изменения расстояния вдоль кривой ds/dt, а касательная сила F_t теперь оказывается меньше mg в отношении, равном отношению расстояния ds вдоль пути к вер­тикальному расстоянию dh. Иными словами,





так что



(ds выпадает). И опять, как прежде, мы получили величину — mg(dh/dt), равную скорости изменения mgh.

Чтобы точно уяснить себе, как вообще соблюдается сохра­нение энергии в механике, рассмотрим сейчас некоторые полез­ные понятия.

Во-первых, рассмотрим скорость изменения кинетической энергий в общем трехмерном случае. Кинетическая энергия, когда движение имеет три измерения, равна

T =1/2m (v²_x+v²_y+v²_z).





Дифференцируя ее по времени, получаем три устрашающих члена:

Но ведь m(dv_x/dt) — это сила F_x, действующая на тело в на­правлении х. Значит, в правой части формулы (13.4) стоит F_xv_x+F_yv_y+F_zv_z. Призвав на помощь векторный анализ, вспоминаем, что это F·v. Итак,

dT/dt=F·v (13.5)

А можно это вывести и быстрей: если а и b — два вектора, зави­сящих от времени, то производная от a·b равна









Подставим сюда а=b=v:

Так как понятие кинетической энергии и вообще энергии очень важно, то различным величинам в этих уравнениях при­своены разные имена: ^l/_zmv² называется, как известно, кинети­ческой энергией; F·v называется мощностью: сила, действующая на тело, умноженная («скалярно») на скорость тела,— это мощность, сообщаемая телу этой силой. Получается великолеп­ная теорема: скорость изменения кинетической энергии тела рав­на мощности, затраченной силами, действующими на тело. Но для изучения сохранения энергии анализ следует продол­жить. Давайте оценим изменение кинетической энергии за очень короткое время dt. Умножив обе части уравнения (13.7) на dt, найдем, что изменение кинетической энергии равно силе, скалярно умноженной на дифференциал пройденного расстояния

dT=F·ds. (13.8)



А интегрируя, получаем

(13.9)





Что это значит? Это значит, что, как бы и по какой бы кривой траектории ни двигалось тело под действием силы, все равно изменение в к. э. при переходе от одной точки кривой к другой равно интегралу от компоненты силы вдоль кривой, умножен­ной на дифференциал смещения ds (интегрирование от первой точки до второй). И у этого интеграла есть имя: его называют работой, совершенной силой над телом. Немедленно мы обнару­живаем, что мощность — это работа за секунду. И еще мы заме­чаем, что работу производит только составляющая силы вдоль направления движения. В нашем первом простом примере участ­вовали только вертикальные силы с одной-единственной состав­ляющей F_z, равной —mg. В этих обстоятельствах совершенно неважно, как тело движется, прямо вниз или по параболе, все равно от F·ds (которое можно написать как F_xdx+F_ydy+F_zdz) остается только F^dz = -mgdz, потому что прочие составляющие силы — нули. Значит, в этом случае

так что в потенциальную энергию входит только высота, с кото­рой тело падает.

Несколько слов о единицах. Так как сила измеряется в ньютонах, а для получения работы ее умножают на расстояние, то работу измеряют в единицах ньютон·метр, но большинство людей этого названия не любит, предпочитая название джоуль (дж). Это только другое слово, а единица та же. Итак, работу измеряют в джоулях. Мощность же — в джоулях в секунду; эту единицу называют ватт(вт). Если умножить ватты на вре­мя, то получим произведенную работу. Работу, которую местная энергосистема производит в наших квартирах (в техническом смысле), оценивается в ваттах, умноженных на время. Например, киловатт-час — это 1000 втX3600 сек, т. е. 3,6·10⁶ дж.

Приведем еще несколько примеров работы и сохранения энергии. Рассмотрим тело, которое вначале имеет кинетическую энергию и быстро двигается, скользя по полу с трением. Оно останавливается. В начале кинетическая энергия не равна нулю, а в конце она равна нулю\', существует работа, произ­веденная силами, потому что раз есть трение, то есть и составляющая силы в направлении, противоположном на­правлению движения, и энергия постепенно теряется. Теперь рассмотрим массу на конце маятника, который ка­чается в вертикальной плоскости в поле тяжести без тре­ния. Здесь наблюдается нечто другое, потому что, когда масса опускается, сила направлена тоже вниз, а когда подымается, сила направлена в обратную сторону, так что у F·ds на спуске и на подъеме разные знаки. В соответствующих точках спуска и подъема значения F·ds равны по величине, но противополож­ны по знаку, так что в итоге интеграл есть чистый нуль. Поэтому кинетическая энергия в конце спуска в точности такая же, какой она была в начале подъема; это и есть принцип сохранения энер­гии. (Заметьте, что в присутствии сил трения сохранение энер­гии на первый взгляд не выполняется. Значит, нужно искать другую форму энергии. И действительно, оказывается, что когда два тела трутся друг о друга, то возникает тепло, мы же сейчас делаем вид, что об этом не знаем.)

§ 2. Работа, выполняемая тяжестью

Теперь займемся задачей потруднее, когда силы уже не по­стоянны и не направлены вниз, как раньше. Мы рассмотрим, например, движение планеты вокруг Солнца или спутника во­круг Земли.





Сперва мы рассмотрим движение тела, которое падает из точ­ки 1 прямо на Солнце или на Землю (фиг. 13.2).

Фиг. 13.2. Падение малой массы m под

действием тяжести на боль­шую массу М.

Будет ли в этих обстоятельствах сохраняться энергия? Единственное отличие от того, что было раньше, — что теперь сила не постоян­на, она меняется по мере падения. Мы знаем, что сила равна произведению GM/r² на массу m падающего тела. Конечно, и теперь кинетическая энергия при падении возрастает, как воз­растала и тогда, когда нас еще не волновало изменение силы с высотой. Вопрос только в том, можно ли отыскать иную, отлич­ную от mgh, формулу для потенциальной энергии, найти дру­гую функцию расстояния от Земли, чтобы для нее сохранение энергии не нарушалось.





Этот одномерный случай рассматривать легко, потому что мы знаем, что изменение кинетической энергии равно интегралу от начала движения до конца от силы —GMm/r² по перемеще­нию dr





В формуле нет никакого косинуса, потому что сила и перемеще­ние направлены одинаково. Интегрировать dr/r² легко; получает­ся (—1/г), так что

Перед нами другая формула для потенциальной энергии. Уравнение (13.12) говорит нам, что величина ¹/₂mv²- GMm/r, вычисленная в точке 1, в точке 2 или в любой другой, остается постоянной.





У нас теперь есть формула для потенциальной энергии в поле тяготения для вертикального движения. Здесь возникает интересный вопрос: можно ли добиться вечного движения в поле тяготения? Поле-то меняется, в разных местах у него разная напряженность и разное направление. Нельзя ли взять беско­нечную ленту без трения и запустить ее, скажем, так: пусть она сперва поднимает тело из одной точки в другую, потом проводит его по дуге окружности в третью точку, опускает на неко­торый уровень, сдвигает по наклонному направлению и выводит на новый путь и т. п., так что по возвращении в началь­ную точку оказывается, что поле тяготения совершило неко­торую работу и кинетическая энергия тела возросла? Нельзя ли так начертить эту траекторию, чтобы, обойдя по ней, тело приобрело чуть-чуть больше скорости, чем имело вначале? Так получится вечное движение. Но ведь оно невозможно, значит, мы обязаны доказать, что такая траектория немыслима.

Фиг. 13.3. Замкнутый путь обхода в поле тяготения.

Мы должны доказать следующее предположение: раз трения нет, тело должно вернуться ни с меньшей, ни с большей скоростью, а как раз с такой, чтобы еще и еще делать круги по этому замк­нутому пути. Или, другими словами, вся работа, произведенная в движении по замкнутому пути, должна быть нулем для сил тяжести, потому что если бы она не была нулем, то можно было бы получить энергию за счет такого движения тела. (Если бы работа оказалась меньше нуля, так что скорость в конце обхода уменьшилась бы, то для получения энергии стоило бы только повернуть обратно; силы ведь зависят не от направления дви­жения, а только от положения. Если в одном направлении рабо­та получится с плюсом, то в обратном она будет с минусом; лю­бая ненулевая работа означает создание вечного двигателя.) Так что же, действительно ли работа равна нулю? Попробуем показать, что да. Сперва мы лишь на пальцах поясним, почему это так, а уж потом оформим математически. Положим, мы вы­думали траекторию, показанную на фиг. 13.3; масса падает от 1 к 2, поворачивает до 3, обратно поднимается к 4, затем через 5, 6, 7, 8 движется обратно к 1. Все линии идут либо по радиусу, либо по кругу с центром М. Какая работа совершается на таком пути? Между 1 и 2 она равна произведению GMm



на разность 1/r в этих точках:





От 2 до З сила в точности направлена поперек движения, и W₂₃=0. От 3 к 4







Но ведь r₂=r₃, r₄=r₅, r₆ =r₇, r₈=r₁. Поэтому W=0.

Но возникает подозрение, не слишком ли эта кривая проста. А что даст настоящая траектория? Что ж, попробуем настоящую. Сразу же ясно, что ее можно достаточно точно пред­ставить как ряд зазубрин (фиг. 13.4) и поэтому... и т. д., что и требовалось доказать.



Фиг. 13.4. «Плавный» путь об­хода.



Показан увеличенный отрезок этого пути и близкая к нему траектория, состоящая из радиальных и круговых участков, а также один из зубцов этой траектории.

Но надо еще посмотреть, действительно ли работа обхода вокруг маленького треугольника тоже равна нулю. Увеличим один из треугольников (см. фиг. 13.4). Равны ли работы по пути от а к b и от b к с работе, совершаемой, когда идешь напрямик от а к с? Пусть сила действует в каком-то направлении. Расположим треугольник так, чтобы у его катета bc было как раз такое направление. Предположим также, что сам треугольник так мал, что сила всюду на нем постоянна. Какова работа на отрезке ас? Она равна









(поскольку сила постоянна). Теперь определим работу на двух катетах. На вертикальном катете ab сила перпендикулярна к ds, так что работа равна нулю. На горизонтальном катете bc

Мы убеждаемся таким образом, что работа обхода по бокам ма­ленького треугольника такая же, как и по склону, потому что scosq равно х. Мы уже показали прежде, что работа при дви­жении по зазубринам (как на фиг. 13.3) равна нулю, а теперь видим, что производимая работа одинакова, независимо от того, движемся ли мы по зазубринам или срезаем путь между ними (если только зазубрины малы, но ведь ничто не мешает сделать их такими); поэтому работа обхода по любому замкну­тому пути в поле тяготения равна нулю.

Это очень примечательный результат. Благодаря ему нам становятся известны такие подробности о движении планет, о которых мы раньше и не догадывались. Выясняется, что когда планета вертится вокруг Солнца одна, без спутников и в отсут­ствие каких-либо других сил, то квадрат ее скорости минус некоторая константа, деленная на расстояние до Солнца, вдоль орбиты не меняется. Например, чем ближе планета к Солнцу, тем быстрее она движется. Но насколько быстрее? А вот на­сколько: если вместо движения вокруг Солнца вы толкнете ее к Солнцу с той же скоростью и подождете, пока она не упадет на нужное расстояние, то приобретенная скорость будет как раз такой, какой планета обладает на этой орбите, потому что полу­чился просто другой пример сложного пути обхода. Если пла­нета вернется по такому пути обратно, ее кинетическая энергия окажется прежней. Поэтому независимо от того, движется ли она по настоящей невозмущенной орбите или же по сложному пути (но без трения), кинетическая энергия в момент возвраще­ния на орбиту оказывается как раз такой, какой нужно.

Значит, когда мы проводим численный анализ движения пла­неты по орбите (как мы делали раньше), мы можем проверить, не сделали ли заметных ошибок при расчете этой постоянной величины, энергии, на каждом шаге; она не должна менять­ся. Для орбиты, приведенной в табл. 9.2 (стр. 170), энергия меняется примерно на 1,5% с начала движения до конца. Почему? То ли потому, что в численном методе мы пользова­лись конечными приращениями, то ли из-за мелких погрешнос­тей в арифметике.

Рассмотрим энергию в другой задаче: задаче о массе, подве­шенной на пружине. Когда отклоняют массу от положения рав­новесия, сила, восстанавливающая ее положение, пропорцио­нальна смещению. Можно ли в этих условиях вывести закон сохранения энергии? Да; потому что работа, совершаемая этой силой, равна







Значит, у массы, подвешенной на пружине, сумма кинетической энергии ее колебаний и

¹/₂ kx² постоянна. Посмотрим, как это происходит. Оттянем массу вниз; она неподвижна и скорость ее равна нулю, но х не равно нулю, теперь величина х максималь­на, так что имеется и некоторый запас энергии (потенциальной). Отпустим теперь массу: начнется какой-то процесс (в детали мы не вникаем), но в любое мгновение кинетическая плюс потен­циальная энергии будут постоянны. Например, когда масса проходит через точку первоначального равновесия, то х=0, но тогда значение v² наибольшее, и чем больше величина x², тем меньше v² и т. д. Значит, во время колебаний соблюдается равновесие между величинами x² и r². Мы получили, таким обра­зом, новое правило: потенциальная энергия пружины равна ^l/₂ kx², если сила равна -kx.

§ 3. Сложение энергий





Перейдем теперь к более общему случаю и рассмотрим, что произойдет, если тел много. Предположим, что имеется несколь­ко тел; пронумеруем их: i = l, 2, 3, ... и пусть все они притяги­вают друг друга. Что тогда произойдет? Можно доказать, что если сложить кинетические энергии всех тел и добавить сюда сумму (по всем парам частиц) их взаимных потенциальных энер­гий тяготения —GMm/r_ij, то все вместе даст постоянную:

Как же это доказать? Мы продифференцируем обе стороны по времени и докажем, что получится нуль. При дифференцирова­нии ¹/₂т_iv²_i мы получим производные скорости — силы [как в (13.5)], а потом эти силы заменим их величиной, известной нам







из закона тяготения, и увидим в конце концов, что останется как раз производная по времени от

Начинаем доказательство. Производная кинетической энергии по времени есть









Производная по времени от потенциальной энергии есть





но





так что

потому что r_ij=-r_ji, хотя r_ij=r_}i . Итак,







Теперь внимательно посмотрим, что значит

и означает, что i принимает по порядку

все значения i=1, 2, 3,..., и для каждого i индекс j принимает все значения, кроме i. Если, например, i = 3, то j принимает зна­чения 1, 2, 4, ....

С другой стороны, в (13.16) S означает, что каждая пара i и j встречается лишь однажды. Скажем, частицы 1 и 3 дают только один член в сумме. Чтобы отметить это, можно договориться, что i принимает значения 1, 2, 3, ..., а j для каждого i — только значения, большие чем i Если, скажем, i=3, то j равно 4, 5, 6, .... Но вспомним, что каждая пара i, j дает два слагаемых в сумме, одно с v_i, а другое с v_j, и что оба эти члена выглядят так же, как член в уравнении (13.14) [но только в последнем в сумму входят все значения i и j (кроме i=j)]. В уравнениях (13.16) и (13.15) член за членом совпадут по величине. Знаки их, однако, будут противоположны, так что производная по времени от суммы потенциальной и кинетической энергий действительно равна нулю. Итак, мы видим, что и в системе многих тел кинети­ческая энергия составляется из суммы энергий отдельных тел и что потенциальная энергия тоже состоит из взаимных потен­циальных энергий пар частиц. Почему она складывается из энер­гий пар? Это можно уяснить себе следующим образом: положим, мы хотим найти всю работу, которую нужно совершить, чтобы развести тела на определенные расстояния друг от друга. Мож­но это сделать не за один раз, а постепенно, доставляя их одно за другим из бесконечности, где на них никакие силы не влияли. Сперва мы приведем тело 1, на что работы не потребуется, потому что, пока нет других тел, силы отсутствуют. Доставка тела 2 потребует работы W₁₂ =-Gm₁m₂/r_i2. И вот теперь самый суще­ственный момент: мы доставляем тело 3 в точку 3. В любой мо­мент сила, действующая на 3, слагается из двух частей: из си­лы, действующей со стороны 1, и силы со стороны 2. Значит, и вся произведенная работа равна сумме работ каждой из сил, потому что раз F₃ разбивается на сумму сил

F₃= F₁₃+F₂



то работа равна



Стало быть, вся работа равна сумме работ, произведенных про­тив силы 1 и против силы 2, как если бы они действовали неза­висимо. Продолжая рассуждать таким образом, мы увидим, что полная работа, которую необходимо выполнить, чтобы собрать данную конфигурацию тел, в точности равна значению (13.14) для потенциальной энергии. Именно из-за того, что тяготение подчиняется принципу наложения сил, можно потенциальную энергию представить в виде суммы по всем парам частиц.

§ 4. Поле тяготения больших тел





Теперь рассчитаем поля, встречающиеся во многих физиче­ских задачах, когда речь идет о распределении масс. Мы пока не рассматривали распределения масс, а занимались только отдель­ными частицами. Но интересно рассчитать и поля, образуемые более чем одной частицей. Для начала найдем силу притяжения со стороны плоского пласта вещества бесконечной протяженности. Сила притяжения единичной массы в данной точке Р (фиг. 13.5), конечно, направлена к плоскости. Расстояние от точки до пло­скости есть a, а масса единицы площади этой плоскости есть m., где m=m/4pa² — поверхностная плотность массы. (Вообще пло­щадь поверхности шарового пояса пропорциональна его вы­соте.) Поэтому потенциальная энергия притяжения массы dm есть





Но мы видим, что



Значит,

2rdr=-2Rdx,

или







Поэтому





и получается

Стало быть, для тонкого слоя потенциальная энергия массы m\', внешней по отношению к слою, такова, как если бы масса слоя собралась в его центре. Землю же можно представить в виде ряда таких слоев, и притяжение каждого из слоев зависит только от его массы; сложив их, получим всю массу планеты; значит, и вся Земля действует так, словно все ее вещество находится в ее центре!

Но посмотрим, что произойдет, если точка Р окажется внутри слоя. Проделывая те же расчеты вплоть до интегрирования, мы получим разность двух значений r, но уже в другой форме: (a+R)-(а-R)=2R (двойное расстояние от Р до центра). Дру­гими словами, теперь W становится равной W=-Gmm\'/a, что не зависит от R, т. е. точка Р всюду внутри сферы обладает одной и той же энергией тяготения. А значит, на нее не дей­ствует никакая сила, и не нужно никакой работы, чтобы двигать ее внутри. Когда потенциальная энергия тела всюду, в любой точке внутри сферы, одинакова, то на тело не действует никакая сила. Внутри сферы тело не испытывает действия сил, сила действует только снаружи.

*Энергия в единицах табл. 9.2 есть Ѕ(v²_x+v²_y)-1/r