О движении(Из истории механики)
Шрифт:
Сын русского астронома, А. М. Ляпунов окончил С.-Петербургский университет, получив золотую медаль за сочинение по математике. Он был оставлен при кафедре математики для подготовки к профессуре.
А. М. Ляпунов работал с увлечением, довольствуясь четырьмя-пятью часами сна. Он редко посещал театры и концерты, сосредоточив все свои интересы на математических исследованиях.
Диссертация А. М. Ляпунова, написанная для соискания первой ученой степени (магистра), была посвящена фигуре вращающегося жидкого космического тела. Последующие его работы также родственны этой теме.
А. М. Ляпунов доказал, что если бы
В настоящее время земные меридианы имеют эллиптическую форму, а экватор и параллели — круги. При большом же ускорении вращения экватор и параллели также превратились бы в эллипсы.
Тело, у которого и меридианы и параллели — эллипсы, называется трехосным эллипсоидом.
Исследование показало, что превращение фигуры Земли началось бы, когда большая ось ее превзошла бы по длине малую в 1,72 раза.
Трехосный эллипсоид оставался бы фигурой «равновесия» до определенной угловой скорости вращения Земли. При ускорении вращения отношение между его осями продолжало бы изменяться. Наконец, когда оси стали бы относиться как 1000: 432: 343, то один конец эллипсоида начал бы вытягиваться, а другой притупляться.
Трехосный эллипсоид принял бы грушевидную форму. Как доказал А. М. Ляпунов, эта фигура неустойчива: от вытянутого конца должна бы отделиться часть тела, после чего тело опять приняло бы устойчивую форму эллипсоида. При замедлении вращения тела изменение его формы происходило бы в обратном порядке: укорачивался бы экваториальный диаметр и удлинялась бы ось вращения.
В настоящее время сжатие Земли равно 1/298,3. Оно соответствует угловой скорости вращения, при которой Земля совершает один оборот около оси в течение 24 часов [19] .
Но, как доказали астрономические наблюдения, скорость вращения Земли замедляется. В течение ста лет сутки становятся длиннее на 0,001 секунды. Это явление объясняется трением волны морского прилива, двигающейся в направлении, обратном вращению Земли.
Когда-то в далеком геологическом прошлом Земля вращалась быстрее, чем в наше время. Но трение волны прилива замедлило ее вращение.
19
Сжатие Земли есть отношение разности между ее полуосями к большой полуоси. В круглых числах оно равно (6378,3-6356,9)/6378.3 = 298,3.
Положим, что удлинение суток вследствие замедления приливным трением угловой скорости вращения Земли происходило в течение тысячи шестисот миллионов лет. Как показывает расчет, сутки должны были удлиниться приблизительно на 4 часа.
Вместо 24 часов сутки длились только 20 часов, то-есть 0,8 нынешних суток. Значит, Земля вращалась в 1/0,8 = 1,2 раза быстрее. Поэтому сжатие ее было больше, чем теперь.
Сжатие увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения. Теперь оно равно 1/298,3. Значит, в те времена оно было в 1,22 больше, то-есть равнялось 1/210. Через тысячу миллионов лет сутки удлинятся на 2,5 часа. Они будут равны 26,5 часа, то-есть в 26,5/24 = 1,1 раза длиннее.
Все эти расчеты сделаны в предположении, что вращается жидкая масса. Земля же — твердое тело. Однако под влиянием постоянных сил, как, например, тяготения частиц к центру масс, она проявляет свойства жидкого тела.
Поэтому при изменении скорости вращения фигура Земли будет изменяться. Но это изменение может происходить лишь очень медленно, вследствие чрезвычайной вязкости Земли.
Начало Даламбера
В первой половине XVIII века французский механик и математик Жан Лерон Даламбер (1717–1783) дал замечательный новый метод решения задач динамики.
Жизнь этого ученого может служить примером достижения больших успехов личным трудом.
Даламбер не знал своих родителей. Он был найден ребенком на паперти одной из церквей в Париже. Воспитанный в семье стекольщика, Даламбер занимался для заработка юридическими науками. Но, увлекшись математикой, он проявил в ней большие способности и быстро приобрел известность среди ученых.
В возрасте двадцати четырех лет Даламбер уже был выбран в члены Парижской Академии наук и получил крупную королевскую пенсию, позволившую ему, не заботясь о заработке, отдать все свое время научным исследованиям.
В расцвете славы Даламбер получил приглашение занять пост президента Берлинской Академии наук, а позднее — стать воспитателем сына императрицы Екатерины II. Но он отказался от обоих предложений и всю жизнь оставался на родине — во Франции, где был избран секретарем Парижской Академии наук.
Свой знаменитый трактат по динамике, составивший эпоху в развитии механики, Даламбер написал, когда ему было только двадцать шесть лет. В этом труде он изложил введенный им метод решения задач динамики, получивший название «начала Даламбера».
Чтобы понять, в чем заключается этот метод, нужно ввести понятие об инерционных (фиктивных) силах, возникающих при ускоренном движении.
Положим, что в каюте судна, плывущем равномерно и прямолинейно, наблюдатель изучает движение тел. Соответствующими опытами он установил бы законы, открытые Галилеем. С какой бы скоростью ни плыло судно, законы Галилея оправдывались бы в его каюте так же, как и на берегу.
Ни по каким механическим (и вообще физическим) явлениям пассажир каюты не мог бы узнать, движется ли он или находится в состоянии покоя.
Но если бы судно вдруг наскочило на подводный камень, то все предметы в каюте получили бы резкий толчок вперед. Это — проявление инерции движущихся тел: судно остановилось, а предметы в каюте, не связанные с ним, продолжают прежнее движение вперед.
Пассажир, не знающий о движении судна, имел бы право приписать внезапное движение предметов в каюте действию какой-то силы.
Подобное же явление наблюдалось бы при отплытии от пристани судна, равномерно ускоряющего ход.
Желая изучить возникающее в каюте движение тел, пассажир мог бы поставить в каюте игрушечный поезд на рельсах, направленных от кормы к носу судна. Он прикрепил бы один конец тонкого резинового шнура к поезду, а другой — к передней стенке каюты.