100 великих научных открытий - [53]

Кроме того, Галилео усомнился в общественном убеждении, что если не подталкивать объект постоянно, то он непременно остановится, пусть даже впереди нет никаких преград. Ученый наблюдал, как шар, сброшенный с башни, летит без остановок до самой земли, да еще и равномерно ускоряется. Очевидно, происходит это потому, что снизу на шар действует сила притяжения, подумал Галилей. Если пустить шар с горки, его ускорение станет гораздо менее заметным, но шар не остановится и будет катиться хоть целую вечность (ну, или пока горка не закончится). Толкнув шар вверх по горке, мы увидим, что он постепенно замедляется, а потом скатывается назад, — действует та же гравитация. А вот на горизонтальной поверхности шар после толчка мог бы двигаться на постоянной скорости сколь угодно долго, если бы ему не мешали сила трения и сопротивление воздуха. Таким образом, Галилей открыл закон инерции: любое тело будет двигаться с постоянной скоростью либо не двигаться вовсе при условии, что на него ничего не действует извне.

Далее ученый высказал догадку, что объект ускоряется независимо от продолжительности дистанции, — вероятнее всего, скорость растет обратно пропорционально времени: чем она выше, тем меньше времени придется затратить на дорогу. А значит, как бы мы ни двигались — ускоренно или равномерно, у нас получится пройти путь за одно и то же время, если равномерная скорость будет вдвое ниже ускорения на последнем этапе пути.

Чтобы проверить данные умозаключения, Галилею следовало бы фиксировать местонахождение падающего объекта на каждом минимальном отрезке времени, но, поскольку измерительных приборов для таких целей еще не существовало, ученый придумал другой эксперимент. Установив под наклоном неширокую 5-метровую доску, Галилео оборудовал ее желобом, покрыл его пергаментной бумагой, уменьшающей трение, и принялся пускать вдоль желоба бронзовый шар сверху, с середины, с четверти и т. д. При этом каждый раз засекал время, за которое шар прошел тот или иной отрезок дистанции, — считал собственный пульс либо следил за водными часами, устроенными по принципу песочных, только с водой вместо песка.

В итоге Галилео выяснил, что соотношению временных интервалов 1:2:3:4 соответствует соотношение дистанций 1:4:9:16 — то есть расстояние, которое преодолевается с постоянным ускорением, соразмерно квадрату времени. Этот вывод подтолкнул ученого к следующему открытию. Чтобы быстрее скатиться из одной точки в другую, расположенную ниже первой, но не на одной вертикали с ней, нужно двигаться не по прямой, а по четверти окружности, соединяющей эти две точки (по такому же принципу устроены площадки для катания на скейте).

Словно споря с Аристотелем, Галилео заявил, что покой и движение — понятия относительные. Мол, независимо от того, плывет судно или стоит на пристани, его пассажиры с равным успехом будут ходить или бегать по палубе, кружиться, подпрыгивать, играть в мяч и т. д. И то же самое они могут делать на суше. А значит, во всех инерциальных системах механические действия/процессы происходят одинаково.

Итак, Галилео Галилей первым додумался исследовать физические явления научными методами — опытными наблюдениями и точными измерениями. В ходе своих экспериментов он ввел понятия ускоренного и равномерного движения, сформулировал законы механики (в том числе инерции), разработал динамику — науку, описывающую, как движется тело, на которое действуют внешние силы. Труды Галилея бесценны, ведь написаны они на основе современного подхода к изучению физики.

Законы движения

Несмотря на колоссальную работу в области механики, проведенную Г. Галилеем, открытие основных законов движения приписывают английскому ученому Исааку Ньютону (1643–1727), который считается отцом классической физики. Ньютон и правда снял флер мистицизма со многих явлений, которые ранее считались необъяснимыми, но вот законы движения он сформулировал на основе, скорее, чужих исследований (в частности, того же Галилея, голландского ученого Х. Гюйгенса и др.), нежели собственных экспериментов.

Вообще, вопрос, как и почему происходит движение, издревле будоражил многих ученых. Однако ответить на него мешали устоявшиеся общественные предрассудки и даже суеверия. Так, образцом божественного совершенства и гармонии почему-то считался идеальный круг, и все во Вселенной должно было вписываться в эту фигуру. Астрономы, например, точно знали, что планеты обходят Солнце по правильной окружности без малейших отклонений, ведь разве может Высший Разум создать что-то несовершенное?

На фоне подобных заблуждений работа Ньютона «Математические начала натуральной философии», выпущенная в 1667 г., стала настоящим прорывом, ведь в ней среди прочего были изложены основные законы движения.

Первый закон подразумевал следующее: если движущийся объект не толкать и не пытаться остановить, он продолжит движение по прямой, не меня своей скорости; если же объект пребывает в состоянии покоя, то он так и будет лежать/стоять, пока кто-то или что-то не сдвинет его с места. К примеру, карета, стоящая на ровной, не наклонной дороге, не поедет, пока ее не потянут лошади. Об этом явлении — инерции — уже говорил Галилей, однако он не рассматривал случаев непрямолинейного движения. Скажем, такой: что будет, если хорошенько раскрутить над головой металлический шар на веревке, а затем разжать ладонь? Во время раскручивания шар будет двигаться строго по кругу благодаря центростремительной силе, направленной вдоль веревки к руке. А когда его отпустят, он ровно миг пролетит по прямой, а потом под действием земного притяжения направится вниз, по касательной к «орбите», на которой вращался (только в открытом космосе, где нет гравитации, шар продолжал бы лететь прямо). При этом его скорость будет такой же, как при вращении.