Если выразить новую единицу силы в основных единицах длины, времени и массы — установить, как говорят, ее размерность, — то получается: н = кгм/сек2.
Не трудно ли будет людям отвыкнуть от прежних единиц и перейти к ньютону?
Никаких оснований для этих опасений нет. Надо запомнить одно: 1 килограмм силы (кГ) равен 9,80665, или приблизительно 9,8 ньютона (а еще приблизительнее: 1 кГ = 10 н), а 1 ньютон — 0,101971 килограмм-силы, приблизительно 0,1 кГ.
Если Андрей «весил», как выражались раньше, 70 килограммов, а Анна — 50 килограммов, то эти величины для них так и сохранились. Только Андрей и Анна поступили бы вернее, если бы вместо «мы весим 70 и 50 килограммов» говорили «наши массы равны 70 и 50 килограммам». Весят же они в новых единицах на поверхности Земли приблизительно: Андрей — 700 ньютонов, а Анна — 500 ньютонов. На поверхности Луны их массы сохранят прежние значения (70 и 50 кг), а вес уменьшится в 6 раз (до 117 и 83 н).
Об ускорении. Под ускорением мы понимаем быстроту изменения скорости во времени. Время измеряется в секундах (сек), скорость — в метрах в секунду (м/сек); разделив второе на первое, мы получаем размерность ускорения — м/сек2.
Нет ничего проще, как проиллюстрировать на жизненных примерах действие второго закона Ньютона.
Автомобиль стал резко набирать скорость. Мы немедленно чувствуем появление новой силы, действующей на автомобиль, так как благодаря нашей связанности с сиденьем автомобиля эта сила начинает действовать и на нас — нас отбросит назад.
Шофер вдруг увеличил ускорение вдвое. Вдвое возросла и сила, потому что по закону сила равна массе, умноженной на ускорение, — при неизменной массе автомобиля и пассажиров сила увеличивается пропорционально ускорению. Шофер резко затормозил (а торможение — то же ускорение, только наоборот) — нас словно что-то ударило в спину и мы «клюнули носами».
Во втором законе Ньютона, как он записан выше, не говорится о скорости. Однако эта физическая величина неотделима от него, как тень: скорость, достигаемая к данному моменту, увеличивается (или уменьшается) вместе с ускорением, а так как ускорение пропорционально силе, то можно сказать, что при неизменной массе скорость изменяется пропорционально силе (если сила не зависит от времени). Этот на первый взгляд простой и очевидный факт объясняет многое из того, что когда-то находилось в тумане.
Почему, скажем, когда хоккеист ударяет клюшкой вдвое сильнее, шайба летит вдвое быстрее, а двухкилограммовая гиря не падает вдвое быстрее килограммовой, хотя 2 килограмма — сила вдвое большая, чем 1 килограмм?
Да просто потому, что хоккеист прикладывает разные силы к телу одной и той же массы, а так как скорость при неизменной массе возрастает пропорционально силе, то, естественно, и скорости шайбы будут разными. Иное дело при свободном падении разных тел. Второй закон Ньютона, если им воспользоваться для определения ускорения, можно переписать и так:
Ускорение равно силе, деленной на массу.
Сила веса двухкилограммовой гири вдвое больше силы веса килограммовой гири. Будь только это одно различие между двумя гирями (как в примере с хоккеистом), конечно, более тяжелое тело полетело бы вниз, как учил Аристотель, вдвое быстрее. Но ведь гири различаются еще и массами, причем, как оказывается, так, что сила веса пропорциональна массе. В результате оба тела будут падать с одним и тем же ускорением, а стало быть, с одной и той же скоростью.
Каких бы масс телá ни падали свободно на Земле, их ускорение всегда будет примерно одинаковое, не очень отличающееся от величины 9,8 м/сек2. Чтобы не писать каждый раз одну и ту же величину, договорились обозначать ускорение латинской буквой g.
В районе Москвы g = 9,81 м/сек2, или 981 см/сек2.
Оказывается, правы туркмены, считая, что мальчик, упавший с лошади, ушибется меньше, чем его родитель. Ускорение при падении взрослого и ребенка одинаково, но масса взрослого больше. Значит, упав, взрослый испытает со стороны поверхности земли бóльший удар.
Еще один хороший пример проявления второго закона Ньютона мы можем привести, если перепишем его следующими словами:
Сила равна произведению массы на скорость, деленному на время.
Эта формулировка особенно полезна спортсменам: она объясняет, как, например, надо ловить мяч, чтобы его не упустить или чтобы он не очень сильно ударил ловящего. Надо расслабить все мускулы, податься с мячом немного назад. Правильное поведение увеличивает время ловли мяча и тем уменьшает удар.
Можно сказать, что первый закон движения есть в некотором смысле частный случай второго закона. Когда на тело не действует никакая сила, то равно нулю и его ускорение. А когда нет ускорения, нет и изменения движения: тело, находившееся в покое, без внешней силы с места не сдвинется; тело же движущееся не может ни остановиться, ни увеличить или уменьшить свою скорость, пока на него не подействует внешняя сила, которой не было раньше.
В примере с падением с лошади и с ловлей мяча мы, не говоря об этом прямо, пользовались еще одним законом механики — третьим законом Ньютона.
Третий закон Ньютона — закон действия и противодействия может быть записан так:
Всякому действию всегда есть равное и противоположное противодействие.
Третий закон движения Ньютона сплошь да рядом проявляет себя в повседневной жизни.
Никому еще не удавалось спрыгнуть с непривязанной лодки на берег так, чтобы не оттолкнуть при этом лодку: человек толкает лодку назад, лодка толкает человека вперед.
В реактивных самолетах и в ракетах горячие газы выбрасываются назад, а тело движется вперед.
Не столь, быть может, наглядное, но более распространенное проявление закона действия и противодействия — покоящиеся предметы в наших комнатах. Почему стол и стул стоят на месте, если их никто и ничто не двигает? Потому, что на них действуют со стороны пола силы, в точности равные их весу.
Мы потому смеемся над рассказом Мюнхаузена о том, как он самого себя вытащил за волосы из болота, что, даже когда не думаем об этом, смутно чувствуем чепуху: рука тянет волосы вверх, волосы тянут с той же силой руку вниз. По первому закону Ньютона все должно остаться на местах, так как нет неуравновешенной внешней силы.
Третий закон Ньютона интересен тем, что он говорит: одиночных сил в природе не бывает, они всегда встречаются парами, причем каждая из сил в такой паре равна и противоположна по направлению своей «напарнице».
«Противоположна по направлению»… Вот мы и подошли к важной и отличительной черте физики, точнее — к ее могущественному оружию: пользованию направленными величинами.
«Покорный вектор» — величайшее изобретение человечества
Всякая направленная величина в физике, то есть величина, для характеристики которой надо знать не только ее абсолютное значение (как говорят: модуль), но и направление в пространстве, называется вектором. Величина, вполне определяемая численным значением, называется скаляром. Примеры векторов: сила, перемещение (путь), скорость, ускорение. Примеры скаляров: масса, плотность, энергия, мощность.
Скаляр и вектор — физические понятия, точный смысл которых только что указан. Однако на «скалярность» и на «векторность» (отсутствие и наличие направленности) можно посмотреть и с гораздо более общей точки зрения. Мы сейчас попробуем сделать это, отмечая кавычками такой общий — не узкофизический — смысл «скалярности» и «векторности».
Конечно, само по себе существование векторов от человека не зависит. Векторы были и до возникновения жизни на нашей планете. По вектору падал камень, выброшенный извержением вулкана, по вектору двигалась Земля вокруг Солнца.
