Для школьников.
Известно, что бурное развитие науки и техники (технический прогресс) произошло в последние столетия. Произошло это после того, как были сформулированы основные законы динамики и закон всемирного тяготения.
До этого времени развитию науки и техники препятствовали неверные, господствующие в течение 20 веков, представления Аристотеля, древнегреческого философа и учёного, жившего в 3 веке до н.э., о строении мира и о механическом движении тел.
Далее коротко изложу исторические факты.
Считалось, что в центре Вселенной находится неподвижная Земля, а вокруг её вращаются Солнце, Луна, звёздная сфера.
С развитием мореплавания стали составлялись таблицы взаимного расположения планет и звёзд (астрономические таблицы), но они оказывались не совсем точными и их приходилось улучшать.
Этим же занимался и польский астроном Коперник. Наблюдая за движением планет и Солнца, Коперник пришёл к выводу, что не звёздная сфера делает оборот вокруг Земли за сутки, а Земля делает суточный оборот вокруг своей оси; что Земля, как и другие планеты, вращается вокруг Солнца.
Таким образом, Коперник явился основателем гелиоцентрической системы мира. Коперник понимал, какие могут быть последствия таких выводов, поэтому долго держал их в секрете. Он опубликовал свой труд под названием "Об обращении небесных сфер" только в 1542 году, незадолго до своей смерти.
Сначала результаты его исследований были приняты спокойно, но затем, когда взгляды Коперника приняли Галилей и Кеплер, этот труд был признан еретическим и запрещён к распространению.
Кеплер и Галилей испытывали преследования со стороны церкви. Галилею (итальянскому физику, механику, астроному, философу, математику, 1564 г.р.) в возрасте 70 лет, даже пришлось публично отказаться от "еретических" взглядов Коперника, но в действительности он оставался верен гелиоцентрической системе мира.
Галилей создал свой телескоп с увеличением в 8 раз, затем в 34 раза. Увидел, что поверхность Луны не гладкая, как считал Аристотель, увидел пятна на Солнце. Установил, что Млечный путь состоит из множества звёзд. Объяснил свечение Луны отражением солнечного света Землёй. Открыл 4 спутника Юпитера, подтвердив этим гелиоцентрическую систему мира.
Современник Галилея, немецкий астроном Кеплер, 1571 г.р., очень подробно исследовавший орбиты 6 ближних к Солнцу планет, точно описал их движение в виде трёх законов:
1) каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце;
2) линия, проведённая от Солнца к планете, за равное время описывает равные площади (на рисунке они заштрихованы);
3) квадраты времён обращения любых двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.
Кеплер обнаружил, что, чем ближе планета расположена к Солнцу, тем больше её скорость вращения.
Скорость движения планеты по орбите несколько увеличивается при приближении к Солнцу и несколько уменьшается при удалении от Солнца. Но эти изменения незначительны и можно считать орбиты планет окружностями с Солнцем в центре, а их движения по орбитам можно считать равномерными.
Тогда, согласно законам Кеплера, получается, что нормальное ускорение каждой планеты обратно пропорционально квадрату её расстояния от Солнца и вектор ускорения направлен к Солнцу:
Если умножить ускорение движения планеты на её массу, то получим силу, с которой планета притягивается к Солнцу.
В 1627 году Кеплером были составлены очень точные астрономические таблицы. Причиной тому явились верно открытые им законы движения планет.
Теперь про взгляды Аристотеля на механическое движение тел. Аристотель считал, что если на тело не действует сила, то тело, движущееся равномерно и прямолинейно, все равно придёт к состоянию покоя. А чтобы тело двигалось равномерно прямолинейно на него должна действовать одна сила.
Можно представить равномерное прямолинейное движение санок, когда к ним прикладывают силу (тянут за верёвку). Но здесь обычно не думают о силе трения, действующей на санки, которая уравновешивает внешнюю силу.
Санки двигаются равномерно, потому что равнодействующая сила равна нулю. Если дорога очень скользкая, то санки под действием внешней силы будут двигаться с ускорением.
Согласно Галилею, если равнодействующая сила равна нулю, то тело не только будет сохранять состояние покоя, но и будет продолжать двигаться равномерно прямолинейно.
Этим Галилей поставил на один уровень состояние покоя и равномерного прямолинейного движения, то есть что движение тела с постоянной скоростью не требует силы (не требует причины движения). В этом смысл закона инерции Галилея, который мы называем первым законом Ньютона. Справедливо было бы его называть законом Галилея.
Можно пояснить данное Галилеем понятие "движение по инерции" следующим примером. Представим, что отполированный металлический шарик, толчком пустили по горизонтальной зеркальной поверхности. Здесь силы в направлении движения нет, практически нет и силы трения - шарик двигается по инерции равномерно прямолинейно.
Можно ещё представить человека, стоящего на полу вагона равномерно прямолинейно движущегося поезда.
Подпрыгнув, казалось бы человек должен опуститься на пол вагона в другом месте - "отстать" от вагона. Но человек опускается на то же место, с которого подпрыгнул.
Это значит, что за время прыжка человек "по инерции" продолжал двигаться с той же скоростью и в ту же сторону, что и поезд. Человек сохранил по инерции ту скорость, которую он имел к моменту прекращения взаимодействия с полом вагона.
Галилеем был сформулирован ещё принцип относительности: все инерциальные системы отсчёта равноправны относительно причин ускорений (принцип относительности Галилея). Это означает, что в разных инерциальных системах отсчёта тело под действием одинаковой силы приобретёт одинаковое ускорение.
Теперь о мнении Аристотеля, что тяжёлое тело падает на Землю быстрее, чем лёгкое. Кажется, что с этим надо согласиться, так как в жизни это и наблюдаем.
Но Галилей с этим не согласился. Согласно Галилею, на падение тел влияет не только притяжение Земли, но и сопротивление воздуха. Если сравнить падение массивных тел, на движение которых воздух будет мало влиять, то с одинаковой высоты они упадут за одно время и движение их будет ускоренным.
Опыты подтвердили это. Если из высокой трубки откачать воздух и одновременно отпустить дробинку и пёрышко, то они одновременно упадут на дно трубки и оба будут двигаться с ускорением свободного падения, для Земли равного 9,81м/с2.
Ньютон - английский физик, математик, механик, астроном , 1642 г.р., обобщив результаты исследований предшественников, сформулировал основные законы динамики и закон всемирного тяготения, описав их в работе "Математические начала натуральной философии". Формулировки законов, их смысл см. в Занятии 14.
Отметим важность сформулированных Ньютоном законов динамики. Эти законы позволили решать в каждой области знаний, в каждой области техники основную задачу - это получение уравнений движения тела.
А именно, зная действующие на тело силы и начальные условия движения (координаты, скорость тела в какой-то момент времени), можно найти ускорение тела.
Затем, используя уравнения кинематики, можно получить уравнение зависимости скорости от времени, координаты от времени. Умение решать конкретную задачу - это самое важное в физике. Поэтому предлагаемые на канале занятия, наряду с теорией, содержат большое количество решённых задач.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Предыдущая запись: Нахождение мощности силы тяжести
Следующая запись: Занятие 20. Потенциальная энергия.
Первая запись на канале: Занятие 1. Физика. Механика. Кинематика
