В одном из школьных учебников я нашёл фразу « закон сохранения импульса вытекает из второго и третьего закона Ньютона». Третий закон Ньютона известен всем – сила действия равна силе противодействия. «Что совой о пень, что пнём о сову» - этот закон известен всем и мало кто его пытается оспорить. Хотя некоторые считают, что повреждения движущегося автомобиля меньше у стоящего. Но это потому только, что передняя часть спроектирована более устойчивой к удару. С точки зрения физики удар нужно рассматривать относительно центра масс сталкивающихся тел.
А вот второй закон не так очевиден. Для человека понятие сила отождествляется с мускульной силой и рычагом. Рычаг со времён Архимеда вызывал удивление и восхищение, если кто работал на лесоповале, ощущали чувство невероятной силы, когда ты, оперируя обычной палкой, легко двигаешь брёвна весом в несколько сот килограммов. Так и хочется крикнуть в восторге от собственной силы как Архимед «дайте мне рычаг и я переверну всю землю».
Второй закон Ньютона служит вообще определением понятия силы. В одномерном пространстве, опустив пока понятие вектора, второй закон выглядит очень просто:
F=m * a ;
в физической математике для более продвинутых читателей
F=m*x”(t) ; F=F*V’(t)
Где m - масса, а – ускорение, x”(t) вторая производная положения в пространстве, V’(t) первая производная скорости.
Из этого следует, что понятие силы эфемерно, так же как и скорость, которую точно замерить нельзя, можно только измерить среднее её значение, на каком- то участке. Мне тут же возразят, ну как же ведь мы же измеряем силу динамометром, акселерометром. Вес это тоже сила, как же тогда точно взвешивать золото и алмазы.
Вот тут- то мы и подходим к сути вопроса, который вызывал ожесточенные споры в физике, сначала между Гуком и Ньютоном, потом у других учёных 18 века, затем учёные в 19 веке вообще решили отменить понятие силы за ненадобностью, слишком сложно и непонятно. Понятие силы осталось только в теоретической механике, которую использовать для практических расчётов нельзя, и в сопромате, где используется понятие статической силы.
Статическая сила не вызывает ускорения. Как-то не вяжется с законом Ньютона и его определением. Пример статической силы - вес и реакция опоры, уравновешивающие друг друга.
Однако статическая сила не совсем статическая сила. Сила реакция опоры сложная функция, которую легко вычислить, измеряя прогиб или сжатие пружины. Она даже есть у грунта и её измерение важная часть геологических исследований, особенно для строительства зданий в сейсмически опасных районах. Она даже может вызвать небольшое ускорение при резком снятии нагрузки
Fst = f (x)
Формулу реакции опоры можно упростить до выражения, называемого законом Гука
F=k1x + k2 (x-x0)
Не всегда большая сила вызывает большее ускорение, сила на конце копьеметалки вдвое меньше чем сила руки, но позволяет метнуть дротик в несколько раз дальше.
Древние греки и другие древние народы строили различного рода метальные орудия, расчёт которых с помощью современной классической физики невозможен. Учёные 18-19 веков вовсе отрицали существование подобных метательных орудий, и чертежи древних греков называли картинками, хотя ещё в средние века подобные машины использовались. Самый интересный для нас аппарат называется требушет или требюше. Подобные машины использовались орками для осады Гондора во властелине колец. На одном из сайтов зависимости дальности полета от веса снаряда были сделаны английской компанией Artefacts по заказу американской научно популярной программы из Бостона WGBH/NOVA. Так, при противовесе 8 т. снаряд весом 40 кг должен пролететь 402 м, 100 кг – 277 м, 180 кг – 240 м, 400 кг – 30 м. Были определены и зависимости дальности от массы противовеса при той же конструкции. Так, стандартный 100-кг снаряд при противовесе 4 т. пролетит 154 м, 6 т – 209 м, 8 т – 277 м. Понятно, что снаряд при такой реконструкции никуда не улетит
В этом аппарате не используется мускульная сила, поэтому аргументы о том, что копьеметалка использует силу медленных и быстрых мышц, а рука только быстрых отбрасываются, хотя они действительно. Здесь мы явно видим, что меньшая сила создаёт большее ускорения и эта сила гравитационная и сила инерции. Эти силы без изъянов, Ньютон называл эти силы абсолютными, поскольку они подчиняются законам Ньютона.
Проверим это на небольшом приборчике, используя шарики от подшипников. Рычаг планка, сделан из лёгкого дерева, достаточно толстый, чтобы пренебречь его изгибаемостью и весом. Данный приборчик разместим в большой коробке под наклоном 65-70 градусов
Экспериментируя с шарами, запуская их с различной высоты, мы находим, что закон сохранения импульса соблюдается.
Если масса тяжёлого шара много больше массы лёгкого шара и момент намного превышает момент лёгкого шара, маленький шар приобретает скорость большого шара, умноженную на отношение моментов. Ни о каком ускорении здесь говорить не имеет смысла. Если мы отпускаем шарики с места большой шар, ускоряясь с ускорением свободного падения, будет создавать ускорение 100 g при соотношении плеч один к 10. Огромное влияние при этом оказывает упругость соударения. Сосновая планка подбрасывает шарики много выше, чем липовая или сделанная из бальсы.
Мы видим, что законы физики совершенно не пригодны для описания этого простейшего опыта. Работает только закон сохранения импульса. Лейбниц называл импульс «мёртвой силой», потому что он работает всегда, в любой системе отсчёта. Только из-за реакции опоры импульс меняет направление на противоположное.
Это не значит, что нельзя совсем делать расчёты, если применяется такая физическая величина или понятие как сила. Силы, действующие в природе условно можно разделить на три класса:
1) Статические силы
2) Силы с ограничением по скорости действия
3) Абсолютные силы
К ним можно добавить ещё два промежуточных класса - между 1 и 2 – силы упругих опор назовём их квазистатическими, между 2 и 3 – электромагнитные силы назовём их квазиабсолютные.
Электромагнитные силы наиболее интересны, хотя для расчёта зданий в сейсмических районах без квазистатических сил не обойтись. Релятивисты пытаются выдать квазиабсолютность электрической силы за релятивистское увеличение массы, только забыли, что их теория примитивна, скорость вектор, а не эйнштейновский скаляр, перпендикулярная пластина позволяет ускорить разогнанный до околосветовой скорости электрон в циклотроне в перпендикулярном направлении и превысить скорость света. Так работают синхротронные излучатели и, похоже на них, излучатели терагерцевого диапазона.
А Ньютон ошибался только в корпускулярной теории света. На самом деле он писал, что его Второй Закон справедлив только для абсолютной силы (силы гравитации, силы инерции). Я нашёл это в его трудах, латинский язык на котором писал Ньютон, очень лёгок для перевода, если знаешь французский, там есть и просто русские слова.
Не правы преподаватели физики, которые выдают этот закон за фундаментальный закон для всех типов сил. Современная физика забыла про Гюйгенса и Лейбница, и не может правильно сформулировать закон сохранения энергии.