Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
В 1829 году французский физик и инженер Г. Кориолис понял и доказал, что при движении предметов по поверхности Земли возникают особые силы, не вызываемые действием соприкасающихся с ними предметов. Эти силы получили название Кориолисовых сил. Они обусловлены вращением Земли. И возникают только при движении предметов относительно вращающейся Земли, если это движение происходит не параллельно тому участку экватора, который лежит на одном меридиане с движущимся предметом.
Кориолисовы силы должны быть прибавлены к обычным силам, действующим на движущиеся предметы, чтобы не возникало противоречия со вторым законом Ньютона.
Эти силы отклоняют речную воду в северном полушарии Земли к правому берегу, приводя к тому, что правые берега обычно бывают крутыми, обрывистыми, а левые берега — пологими и низкими. Несомненно, многие замечали такое различие между берегами, но только академик К. Бэр в 1857 году увидел в этом общую закономерность. Известен ряд отклонений от закона Бэра, например, реки Волхов, Нева, Сев. Двина, Печора, Темза.
Лишь в 1926 году Эйнштейн в краткой статье, без единой формулы дал физический анализ явлений, приводящих к закону Бэра. Он показал, что основной причиной действительно является взаимодействие движения воды и вращения Земли, приводящее к возникновению силы Кориолиса. Причем величина силы пропорциональна скорости течения, что объясняет слабое проявление закона Бэра в медленно текущих реках. В быстрых реках, текущих с Севера на Юг, дно обычно полого опускается от левого берега и круто поднимается к правому.
Возникает законный вопрос: почему Ньютон не пришел к пониманию необходимости введения сил инерции в их втором понимании? Конечно, этот вопрос не имеет ответа. Но следует учесть, что при жизни Ньютона не существовали железные дороги, а реки, знакомые Ньютону, текут медленно и преимущественно не вдоль меридианов, а почти параллельно экватору. Вероятно Ньютон не встречался с явлениями, для понимания которых нужно вводить силы Кориолиса, силы инерции, не являющиеся «врожденной силой материи».
Мы должны сделать небольшое пояснение. Начиная разговор о силах Кориолиса, мы не обратили внимания на то, что только на двухколейных дорогах блестящие полоски видны на правых рельсах. Читатель, можешь ли ты сказать, почему так происходит? Для того, чтобы ты мог проверить свой ответ скажем: на одноколейных дорогах по одному пути движутся встречные поезда. Для них «правыми» являются противоположные рельсы.
Перед тем, как двигаться дальше, проведем еще один мысленный опыт.
ЧЕРТОВО КОЛЕСО
Представим себе, что мы вместе с неким физиком входим на «Чертово колесо» — круглую горизонтальную площадку, которая может вращаться вокруг оси, проходящей через ее центр. Пусть края площадки имеют кольцевую стенку. На ней укреплен потолок. Стенка и потолок жестко связаны с площадкой. В начале площадка и скрепленные с нею стенка и потолок неподвижны.
Физик может производить там опыты, пригодные для проверки законов механики, например, повторять опыты Галилея с наклонной плоскостью и шариками. Все опыты будут подтверждать справедливость законов механики…
Но вдруг ситуация резко изменяется. Шарики, до того спокойно лежащие на полу, разбегаются к стенке. Пути шариков, скатывающихся
Все результаты опыта будут противоречить законам Ньютона. Состояние покоя станет неустойчивым. Возникнут силы, источниками которых не являются деформации предметов, доступных экспериментаторам. Эти силы увлекут экспериментаторов к стенке, окружающей площадку. Словом произойдут чудеса, не объяснимые на основе законов, установленных Ньютоном.
Но наш физик не впадает в уныние. Он скажет:
– Незачем думать о чудесах. Какой-то внешний механизм, плавно набрав скорость, теперь равномерно вращает нашу площадку вместе с ее стенами и потолком, с нами и нашими приборами.
– Поэтому приборы и наши ощущения свидетельствуют о том, — продолжит он, — что мы здесь не можем применять законы Ньютона в их первоначальной форме, пригодной только в том случае, если наша площадка неподвижна или движется поступательно с постоянной скоростью.
Иначе говоря, если мы обнаруживаем в наших опытах любые отклонения от законов Ньютона, то должны признать, что мы сами, наши приборы и вся лаборатория движемся с ускорением. Движение с ускорением, в отличие от движения с постоянной скоростью или от состояния покоя, можно обнаружить внутри нашей лаборатории.
Что же делать нам, находящимся на вращающейся площадке? Как определиться относительно окружающего мира?
Возможны два выхода.
Первый — отказаться от законов Ньютона и создать новую механику, приспособленную к условиям, существующим во вращающихся лабораториях.
Этот путь приводит к неоправданным усложнениям всех расчетов. Поэтому ученые идут по другому пути.
Они сохраняют законы Ньютона, но вводят во второй закон механики, связывающий изменение скорости с действующими силами, новые силы. Такие новые силы, которые позволяют на основе законов Ньютона описывать все явления, происходящие в системах, обладающих ускорением. Эти новые силы и есть силы инерции. Силы инерции, не вошедшие в законы механики, полученные Ньютоном.
Это именно те новые силы инерции, которые действуют на предметы, находящиеся на вращающейся площадке. Они малы для предметов, закрепленных вблизи оси вращения и увеличиваются вместе с расстоянием от этой оси. Обычно эти силы называют центробежными силами инерции, чтобы отличить их от центробежных сил, возникающих, когда предмет вращается по отношению к неподвижной площадке (например, груз, который человек вращает на веревке, не изменяя своего положения).
Если же предмет движется относительно вращающейся площадки, то для описания его движения при помощи законов Ньютона, необходимо учесть и силы, открытые Кориолисом. Мы знаем, что ему пришлось привлечь их для того, чтобы устранить противоречия с законами Ньютона, возникающие при учете суточного вращения Земли.
Все, с чем мы познакомились, связано с тем, что принцип относительности Галилея применим только к инерциальным системам — неподвижным или движущимся прямолинейно с постоянной скоростью. Этот принцип, как показал Галилей, не позволяет человеку или механическому прибору, находящемуся под палубой корабля, определить (не выглядывая наружу) движется ли корабль с постоянной скоростью или он неподвижен.