Столь же таинственным осталось и наше главное удивление — тому, что Земля действует на камень через пустоту, без всякого прикосновения.
Глава 2. ЧТО ТАКОЕ ИНЕРЦИЯ
Куда залетит копье
Через двадцать строк вас ждет сообщение еще об одном чуде природы. Чтобы легче понять его, сделаем физкультурную разминку — займемся метанием копья.
Я разбежался по зеленому полю стадиона, сосредоточил волю в резком броске — и копье летит вперед. Дальше, выше!.. Ниже... Упало. Далеко оно пролетело? Для нашей космической эры — не очень. Если метров на 100, значит, я мировой рекордсмен.
А хорошо бы закинуть копье прочь от стадиона, километров этак за сто, за тысячу, вообще куда-нибудь в бездну Вселенной. Как вы думаете, много силы надо иметь для этого?
Да почти совсем не надо. Любой ребенок способен на такое, если только он предварительно уберет с дороги помехи движению копья. Главных помех немного — всего две. Первая — Земля. Она влечет к себе брошенное копье (так сказал бы Кеплер) и заставляет его в конце концов упасть. Вторая помеха — воздух, который тормозит копье. Вот и все. Уничтожьте Землю и воздух — и от малейшего толчка ваше копье улетит куда угодно.
Здесь мы и столкнулись с очередным чудом природы. Для неискушенного в физике человека оно, пожалуй, еще удивительнее, чем чудеса тяготения, действующего через пустоту, и одинаковой ускоренности падающих тел. Ведь загадка тяготения видна сразу, постоянство земного ускорения легко заметить по упавшим с карниза сосулькам. А неуничтожимость начатого движения никак не увидишь: все в нашем мире, где невозможно «убрать с дороги» Землю и воздух, тормозится и падает. Древние мудрецы думали поэтому, что движение брошенного камня происходит потому, что его проталкивает вперед воздух, окружающая среда. Так же, как удав проталкивает проглоченного кролика.
Хитро? Не очень. При таком объяснении совсем непонятно, почему же копье, летящее в воздухе, тормозится.
В действительности разогнанное копье летит само, если не встречает помех, летит, ничем не подталкиваемое, как угодно далеко — по прямой линии, с постоянной скоростью.
Но все-таки почему бы копью, летящему в пустоте вдалеке от планет и звезд, не остановиться вдруг или, наоборот, разогнаться, свернуть по дуге, завертеться по какой-нибудь спирали, кувыркнуться? Что заставляет его держаться прямого пути, сохранять скорость? Постепенно сложилось такое мнение.
Копью, как и любому другому физическому телу, присуще свойство инерции, которое и олицетворяет это универсальное стремление всех тел к сохранению покоя или равномерного прямого движения. Копью «все равно», покоится оно или движется. Оба состояния для него равноценны. И благодаря своей инерции оно бережно хранит каждое.
В фразах, которые вы только что прочитали, изложен знаменитый закон инерции. О нем догадывались многие мыслители — и гениально многогранный Леонардо да Винчи, и Галилей, и французский философ Рене Декарт. Но только великий английский ученый Исаак Ньютон до конца понял его значение, назвал его первым законом механики и поставил в основу этой области физического знания. В конце главы мы к этому закону еще вернемся. А потом и в конце книжки.
Сложение нулей
Надеюсь, вы не в претензии, что я обращаюсь с Землей, как футболист с мячом: захотел и отбросил ее, чтобы «не мешала». Ради удобства рассуждений и наглядности ученые нередко устраивают подобные «мысленные эксперименты». Значит, и нам с вами они не запрещены.
Итак, мы откинули Землю вместе с ее любопытным умением придавать вес всему, что пребывает рядом. Поэтому наше летящее по инерции копье не будет ничего весить: тяжести-то неоткуда взяться, нет того, что заставляло бы наше копье давить на опору. Вес тела вдали от Земли, если верить Кеплеру, равен нулю.
Ну, а если мы теперь вернем Землю и поставим ее где-нибудь подле летящего копья так, чтобы оно попало в зону земного притяжения, — приобретет тогда наше копье вес? Новичка тянет сказать: да, приобретет. А на самом деле — нет.
Как только Земля водворена на место, копье начнет на нее падать — двигаться в направлении ее центра. Кроме того, оно будет продолжать по инерции лететь вперед, ибо появление Земли не сможет отменить первоначальный толчок, в свое время пославший копье по прямому пути. Получается совмещение двух движений. Копье будет сразу и лететь вперед (прямо и с постоянной скоростью) и отвесно падать в направлении к Земле (с ускорением свободного падения).
В первом движении вес копья равен нулю. Во втором движении, которое только и добавилось из-за возвращения Земли, вес копья тоже равен нулю, ибо падающие тела не имеют тяжести. Займемся сложением: нуль плюс нуль равно нулю.
Вывод: несмотря на возвращение Земли, свободно брошенное копье продолжает оставаться невесомым.
Падает вверх
Неожиданное известие: не только прославленные космонавты, но и остальные люди, в том числе читатели этой книжки (как и всех остальных), некоторую часть своей жизни проводят в состоянии невесомости. Удивились? Очень хорошо.
Пусть Земля где-то в стороне. Копье брошено и летит в определенном направлении, например вправо, точно по строке, которую вы сейчас читаете. Берем в руки Землю и помещаем ее перед летящим копьем — так, чтобы центр планеты находился на прямой линии, продолжающей вправо ту же строку.
Что произойдет с копьем?
Направление его движения не изменится. Путь останется таким же прямым, как и без Земли. Только из равномерного полет превратится в ускоренный. Получится нечто вроде обыкновенного отвесного падения, но с большей начальной скоростью, а потому более быстрое, хоть и с прежним ускорением. И, разумеется, копье останется невесомым (ибо, напоминаю, складывая нули, получаем нуль).
Случай второй. Подносим Землю с противоположной стороны — помещаем ее центр слева от копья на прежней линии.
Теперь копье сперва будет лететь, как и раньше, вперед (от Земли), но не равномерно, а замедленно (потому что Земля тянет его назад), потом замедлится настолько, что на мгновение остановится (в этот момент полностью исчезнет скорость, сообщенная копью первоначальным толчком), и тут же двинется назад, к Земле, в обычном отвесном падении.
Опять, по известной вам причине, копье останется невесомым, несмотря на то что некоторое время оно двигалось не к Земле, а от Земли — падало вверх! — и на бесконечно малое мгновение останавливалось, когда меняло направление.
Гагарин или Брумель?
Перекидка планеты вовсе не обязательна. И не трогая ее, можно прийти к тем же заключениям.
Вы стоите на стадионе и бросаете вверх все то же копье, если оно вам еще не надоело. Во время взмаха оно ускоряется, а вылетев из рук, участвует сразу в двух движениях: равномерном, направленном вверх (точно таком же, как если бы не было Земли), и ускоренном, направленном вниз — отвесном падении. Тут тяготение включается не с запозданием (что мы делали раньше из соображений наглядности), а сразу после разгона. Результат же прежний: едва копье вырвалось из ваших рук, оно потеряло вес. Если, конечно, пренебречь сопротивлением воздуха.
Можно закинуть копье не вверх, а куда-нибудь вбок, под углом к вертикали — опять после толчка будет сложение прямолинейного равномерного движения по инерции с отвесным падением. Значит, исчезнет тяжесть. Только на этот раз искривится путь.
Многим кажется странным, что брошенный камень теряет вес тотчас после вылета из руки. Легче согласиться, что он невесом во время движения вниз. Но интуиция подводит. И вверх и вниз брошенное тело летит, не имея ни грамма веса.
Все, что вы подбрасываете — камни, палки, пятаки, мячи, самих себя (когда прыгаете), — после броска пребывает в свободном падении и потому невесомо (разумеется, до тех пор, пока можно не считаться с сопротивлением воздуха). И поскольку прыжки случаются довольно часто в вашей жизни (я уж не говорю о бесконечных падениях, особенно в младенческом возрасте), эту часть жизни вы находитесь в состоянии невесомости.
