Представьте себе быстро идущего человека, который держит камень на уровне плеча. Как будет падать камень, если он его отпустит? Какую траекторию он опишет? Многие полагают, что камень будет падать вертикально и стукнется о землю в той точке, над которой его отпустили. Некоторые даже убеждены, что падающий камень завернет назад и коснется земли, пройдя эту точку. На самом же деле камень, падая, будет двигаться вперед и упадет примерно на метр дальше той точки, над которой его выпустили.
В механике Ньютона это объясняется тем, что отпущенный камень продолжает двигаться вперед с той же скоростью, что и идущий человек, поскольку (если не считать сопротивления воздуха) на него не действует никакая сила, которая могла бы изменить его горизонтальную скорость. Двигаясь вперед, камень одновременно падает с непрерывно возрастающей скоростью. Движения вперед и вниз, слагаясь, дают траекторию, очень близкую к параболе. Несоответствие между интуитивными представлениями и физической реальностью, имеющее место в данном случае, представляется весьма удивительным.
Казалось бы, на основании повседневного опыта люди должны иметь достаточно верные представления не только о движении предметов в привычных ситуациях, но также и об общих законах движения. Однако это далеко не так. Проведенные недавно исследования характера, развития и применения знаний о движении показали, что у многих людей существуют неверные представления о движении предметов даже в простейших случаях. Причем на основе этих представлений у них формируется некая последовательная интуитивная теория движения, противоречащая основным законам ньютоновской механики.
Любопытно, что теория эта очень схожа с теорией механического движения, которой придерживались многие философы за три столетия до Ньютона. В экспериментах А.Карамацца и Б.Гринмладший — проводили в Университете Джонса Гопкинса, студентам университета и колледжа давались задания, связанные с оценкой траектории движения предметов в различных случаях. Один из таких случаев — движение предмета, который сначала удерживают, раскручивая по окружности, а затем отпускают, например как при метании диска.
Допустим, что удерживаемый за веревку мяч вращается в горизонтальной плоскости. Как он будет двигаться, если веревка оборвется? На схеме, где была изображена круговая траектория мяча, студентам предлагалось провести линию, вдоль которой, по их мнению, полетит мяч, когда веревка оборвется. При этом требовалось указать только горизонтальное движение, не учитывая сопротивление воздуха. Один из основных законов ньютоновской механики гласит, что всякое тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действует внешняя сила.
Следовательно, правильный ответ на поставленную задачу таков: с момента обрыва веревки мяч будет двигаться прямолинейно по касательной к исходной круговой траектории. Однако из 50 студентов, которым была предложена эта задача, примерно треть нарисовали искривленную траекторию оторвавшегося мяча, полагая, что некоторое время он будет продолжать двигаться по кривой.
Случаи из жизни, рассказанные некоторыми из студентов, позволяют предположить, что интуитивные представления о движении оказывают влияние не только на решение подобных задач, но и на выполнение действий в реальных ситуациях. Так, один из студентов рассказал, что, выстрелив впервые из рогатки, он разбил окно, потому что выпущенный камень полетел не так, как он ожидал. Решив исследовать соотношение между интуитивными представлениями и действиями, мы с моей аспиранткой Д. Кол поставили простой эксперимент.
Каждому в группе студентов было предложено пустить по столу небольшой предмет так, чтобы он прошел через нарисованный на этом столе искривленный «коридор» — 90°-ный кольцевой сегмент, ограниченный двумя дугами концентрических окружностей и двумя отрезками радиусов. Предмет походил на хоккейную шайбу уменьшенного размера. Благодаря вставленному в него шарикоподшипнику он мог плавно катиться по поверхности стола. Задача состояла в том, чтобы провести рукой шайбу от края стола до входа в «коридор» и здесь отпустить, так чтобы она дошла до выхода из «коридора», не задев его «стенок».
Многие из студентов, участвовавших в эксперименте, сообразили, что шайба может пройти через «коридор» по прямой линии, и разгоняли ее также по прямой. Однако четвертая их часть разгоняли шайбу по кривой, считая, что, продолжая двигаться криво линейно, она опишет дугу окружности внутри «коридора». Большинство из них были явно удивлены, что шайба «не захотела» двигаться по кривой. Нетрудно было придумать и такую задачу, выполнение которой зависело бы от интуитивных представлений о движении падающих предметов. В проведении подобного эксперимента мне помогала моя аспирантка Э. Уошберн.