A = F · S,
где A обозначает работу, F — силу, а s — путь (расстояние).
Любое увеличение силы означает сокращение пути. Любое сокращение пути приводит к увеличению силы. То есть реален выигрыш в силе или в расстоянии. Но количество работы остается неизменным. Выполнить большую работу за счет неизменных силы и расстояния нельзя. Чтобы работа увеличилась, одну из величин в правой части формулы или сразу обе также необходимо увеличить. Но если мы увеличиваем силу, то не должны делать этого за счет расстояния. А если увеличиваем расстояние, то не за счет сокращения силы.
Иными словами, для выполнения большей работы требуется затратить больше энергии, а выдумывать «экономичный» механизм бесполезно. В этом и состоит «золотое правило» механики, которое утверждает: когда выигрывается в силе, то проигрывается в перемещении, и наоборот. Это правило лежит в основе закона сохранения энергии, который доказывает, что невозможно получить выигрыш в работе без дополнительных затрат энергии. При постоянных затратах X нужно либо уменьшить расстояние, тогда получится применить наибольшую силу, либо уменьшить силу, тогда тело можно будет переместить на большее расстояние.
Неизвестно, с какими бы трудностями столкнулись физики в своих попытках утвердить «золотое правило» механики в его современном виде, если бы задолго до того это правило не было сформулировано в применении к частному случаю. Свыше 2200 лет назад наука открыла закон рычага — простой машины, наглядно иллюстрирующей справедливость «золотого правила». Парадоксально, но рычаг изобрели задолго до того, как был открыт физический закон, объясняющий принцип действия этого устройства.
Принцип работы рычага настолько прост, что это нехитрое устройство впервые стали применять, видимо, еще доисторические люди. Они использовали палки для перемещения больших камней, особенно при воздвижении своих культовых мегалитических сооружений — менгиров, дольменов, кромлехов. В дальнейшем рычажные устройства, сконструированные по гораздо более сложной схеме, стали применяться строителями древнейших городов.
Поскольку самый первый город Иерихон был заложен свыше 10 тыс. лет назад, то можно утверждать, что начиная с этой даты применение рычагов становится все более частым. Регулярно рычажные механизмы применялись в Древнем Египте, где имело место широкомасштабное планомерное строительство разнообразных архитектурных комплексов, объектов хозяйственного назначения и т. п. Каждый в первую очередь представляет себе царские гробницы — пирамиды. Если соблюдать точность, то знаменитые египетские пирамиды представляют собой колоссальные надгробия из каменных блоков.
Сама гробница является крупным помещением, уходящим глубоко под землю и заканчивающимся комнатой-усыпальницей, в которой помещался саркофаг с мумией усопшего владыки. Первоначально надгробиями для подземных гробниц фараонов служили огромные плоские мастабы. Лишь фараон Джосер около 4700 лет назад ввел традицию увеличивать мастабы ввысь и превращать их в пирамидальные сооружения. Во время воздвижения пирамид широко применялись рычаги, которые являлись самым необходимым строительным приспособлением, поскольку лишь с помощью подобных устройств было возможно поднимать массивные каменные глыбы на большую высоту.
Затем машины, действие которых основано на принципе рычага, стали использоваться в строительстве повсеместно. Естественно, особое значение они получили в Древней Элладе, т. к. греки уважали архитектуру. Эта наука в их представлении была связана с одной из «идеальных» наук — геометрией. Конструирование механических устройств не было, однако, столь почетным делом. По этой причине рычагом пользовались, не пытаясь объяснить его свойств.
Некоторые древнегреческие мыслители предпринимали попытки разгадать тайны рычага, но все эти начинания оказались тщетны по той причине, что древние подходили к проблеме с предвзятым суждением о свойствах этого простого устройства. Вскоре рычаг был объявлен магическим инструментом, потому что его работа основывалась на полумистических свойствах круга. Дело в том, что концы плеч рычага описывают в пространстве во время своего движения дуги окружностей. А круг и окружность почитались в Древнем мире как священные и волшебные фигуры, ведь по кругу двигались небесные светила.
Круг был «идеален» во всех отношениях, а потому ссылкой на него легко можно было объяснить все самое непонятное в природе и жизни людей. Закон рычага предстояло открыть великому древнегреческому геометру III в. до н. э. Архимеду, жившему в городе Сиракузы на Сицилии. Архимед первым приподнял завесу тайны над магическим кругом, обнаружив число «пи», и поэтому относился к геометрии без излишней предвзятости и идеализации.
Кроме того, Архимед обладал чрезвычайно широким кругозором и занимался практически всеми вопросами существовавших в ту эпоху направлений геометрической науки. Архимед работал над правилами построения фигур, развивал теорию геометрии, конструировал осадные и строительные машины, изучал центры равновесия (центры тяжести), рассчитывал планетарии, т. е. глобусы звездного неба. Единственной отраслью современной ему геометрии и механики, в которой ученый себя никак не проявил, было изобретение механических игрушек.
Таковы предпосылки, благодаря которым Архимед первым описал сущность работы рычажного устройства и на этом основании сформулировал закон рычага. Рычагом называется любой жесткий стержень для приподнимания и перемещения тяжестей. Он имеет точку опоры или ось скольжения, позволяющую ему осуществлять передвижку предметов. Участки стержня, к которым приложены противодействующие силы, называются плечами рычага. Длина каждого плеча равна протяженности отрезка стержня между точкой опоры и точкой приложения силы.
Одной из сил является вес тяжелого тела, которое необходимо переместить. Вторая сила, приложенная к другому плечу, — мускульная. Эту силу развивает человек, работающий с рычагом. Естественно, такая схема сильно упрощена, поскольку рычаги бывают самыми разными, и силы на них действуют также различные. Работа равняется, как и в предыдущих случаях, произведению расстояния на силу. Тело смещается благодаря рычагу в вертикальном направлении.
Однако это расстояние, как несложно убедиться, зависит от длины плеча рычага. Это следует из равенства треугольников, а треугольниками в данном случае являются воображаемые фигуры, отражающие перемещение точек приложения сил и точки опоры. Следовательно, чем ближе к точке опоры вес тяжелого тела и чем дальше приложение мускульной силы, тем больший выигрыш получает человек. Впрочем, понятие выигрыша относительно, т. к. выигрыша в работе рычаг не дает. В этом он схож с любым простым механизмом.
В рассмотренном случае, когда к длинному плечу приложена мускульная сила, происходит выигрыш в силе: малой силой можно уравновесить большую. Но есть рычаг другого рода, который дает выигрыш в расстоянии. В этом случае мускульная сила приложена к короткому плечу. Перемещать слишком тяжелые предметы нельзя, зато свободно передвигаемые таким рычагом тела могут смещаться на большие расстояния. «Золотое правило» механики действует и здесь. Если есть выигрыш в силе, то будет проигрыш в расстоянии, и наоборот.
Многие люди ошибочно полагают, что тела одинакового веса всегда уравновешиваются рычагом. Отнюдь, равновесие между одинаковыми телами наступает лишь в одном случае — когда плечи рычага равны по длине. В остальных случаях равенства не наступает. Это неудивительно. Соотношение сил равняется соотношению длины плеч рычага. То есть при равных силах, когда соотношение равно 1, для установления баланса необходимо, чтобы соотношение длин плеч количественно равнялось той же величине. Единицу в пропорции можно получить при единственном условии: когда длины плеч одинаковы.
В связи с этим любопытна задача о «пустом» рычаге. К нему не приложены никакие внешние силы, кроме тяготения, которое действует на сами плечи простой машины. Плечи равны по длине и изготовлены из одного материала, следовательно, рычаг находится в равновесном состоянии. Если согнуть одно из плеч, нарушится ли равновесие? Оказывается, да! Поразительно, но перетянет длинное плечо.
Это произойдет по следующей причине. В согнутом плече сместится центр тяжести, он приблизится к точке опоры. В результате само плечо окажется короче, потому что длина плеча представляет собой расстояние между точкой опоры и точкой приложения силы (последняя в нашем случае есть центр тяжести, к которому приложен вес плеча). В другом плече центр тяжести находится по-прежнему далеко от точки опоры. Вес обоих плеч не изменился, значит, смещение центра тяжести приведет к нарушению баланса.
