Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия - [46]
Правило «с горки на горку»
Успешной демонстрации опыта с шаром, скатывающимся вниз по одному склону и затем подымающемуся вверх по другому на ту же высоту, препятствует трение. В своих рассуждениях Галилей, вероятно, исходил не только из эксперимента, но и из теоретических соображений — он обладал гениальной интуицией и благодаря ей, опираясь на самые грубые эксперименты, выдвигал правильные гипотезы. Для своих коллег Галилей подкреплял гипотезу тщательными аргументами о сложных движениях вниз и вверх, так что гипотеза должна была представляться еще более правдоподобной. Рассмотрим следующий «мысленный эксперимент» Галилея (описанный позже другим автором). Предположим, что шар остановится на склоне В выше. Воспользуемся доской С (фиг. 89, а), заставим шар скатиться обратно к началу его движения по склону А и позволим ему снова скатиться со скоростью, которую он приобрел. Будем повторять этот процесс. Шар от раза к разу будет приобретать все больший и больший импульс, что является абсурдом. Если шар, поднимаясь по склону В, остановится ниже, мы должны будем производить отсчет от >(…нечитаемый текст…) такой подход к решению различных проблем имели большое значение. Кроме того, здесь, как и в любой другой области физики, дискуссия могла помочь выяснению данной проблемы, указать путь, по которому следует вести исследование.
Фиг. 89.«Мысленный опыт» Галилея.
>а — шар остановился выше; б — шар остановился ниже.
Сам Галилей доказал правильность своих рассуждений, выполнив то, что казалось невозможным, — осуществил удивительно простой, но убедительный вариант описанного опыта «с горки на горку», а именно опыт с гвоздем и маятником. В этом опыте гвоздь задерживает нить маятника, когда последний проходит через нижнюю точку; таким образом, маятник из длинного внезапно превращается в короткий. Во всех случаях груз маятника, падавший по длинной дуге большого радиуса, поднимается затем по дуге меньшего радиуса на ту же высоту (фиг. 90). Попробуйте сами произвести такой эксперимент.
Исследуя это явление, Галилей держал в своих руках ключ и одному из аспектов закона сохранения энергии, который в общем виде был, однако, сформулирован позже.
Фиг. 90. Опыт с гвоздем и маятником.
>Груз маятника поднимается на одну и ту же высоту, независимо от изменения движения, вызываемого наличием гвоздя
…???…
действует сила, то оно продолжает двигаться с постоянной скоростью (по прямой). Хотя Галилей этого и не знал, в его руках был ключ к решению одной из загадок, связанных с движением планет.
Какие силы поддерживают движение планет, Луны и других небесных тел? Что подталкивает их вдоль направления движения по орбитам? На этот вопрос теперь можно было бы ответить: сила не нужна, так как движение этих небесных тел продолжается само по себе.
Независимость движения
Сложение скоростей, сил и т. д. по правилу параллелограмма было только что открыто; по существу оно означало, что один вектор не оказывает влияния на другой — они действуют независимо и складываются геометрически. В своих экспериментах Галилей настаивал на том, что движения (и силы) не зависят друг от друга.
Например, ускоренное движение по вертикали и постоянное движение по горизонтали просто складываются как векторы, одно движение не влияет на другое, каждое происходит независимо. Он применил это правило к полету снарядов и показал, что их траектории являются параболами.
Галилей многократно говорил об этой независимости векторов в своих диалогах, возражая критикам теории Коперника. Последние заявляли, что если Земля движется, то падающие тела будут отставать от нее. Галилей задавал им вопрос: как ведут себя предметы, падающие с мачты корабля, который плывет с постоянной скоростью? Если его противники начинали что-то бормотать о влиянии ветра, Галилей проводил «мысленный эксперимент» в каюте корабля. Он утверждал, что воздух и облака, которые участвовали в движении поверхности Земли, просто продолжают двигаться вместе с ней и далее. Он предлагал своим читателям задачи, подобные тем, которые приводились в конце гл. 1 и 2[63], и демонстрировал, что равномерное движение лаборатории не влияет на эксперименты, связанные со статикой, со свободным падением тел, с полетом снарядов. Равномерное движение лаборатории невозможно обнаружить никакими механическими опытами, проводимыми внутри нее. В этом и заключается принцип относительности Галилея.
Отъезд из Падуи
Галилей прожил в Падуе двадцать лет. Его стали уговаривать вернуться в родной город Пизу, в университет. Он не терял связи с семейством Медичи и теперь вел переговоры с герцогом о переходе на работу во Флоренцию, которая оплачивалась бы выше, чем его работа в Падуе, и оставляла бы больше свободного времени. Его обязанности в Падуе занимали всего лишь один час в неделю, но он вынужден был давать частные уроки, ибо получаемое жалованье было все еще слишком скудным, хотя преклонявшийся перед ним университет уже несколько раз увеличивал его содержание. «Он устал от университетов, от чтения лекций, от преподавания, от квартирующих у него студентов; ему надоели длинные мантии, которые он высмеивал в сатирических поэмах… от душной и мелочной атмосферы Падуи… Он хотел жить на родине, дышать родным воздухом, жить свободно, среди друзей, выбранных им самим»
