В объяснении явления, почему велосипед устойчив и не падает во время движения лишний раз доказывается, что в окружающей нас природе существует еще много загадок, которые на первый взгляд кажутся вполне понятными. Но стоит только повнимательнее к ним присмотреться, как они становятся необъяснимыми с теоретической точки зрения. Часто разгадка их лежит не где-то в глубинах недоступного, а прямо-таки под поверхностью, а то и вовсе на открытом месте. Следует только правильно потрудиться головой.
А это уже зависит не только от большого багажа накопленных знаний, сколько от самого естествоиспытателя – от его способностей общаться с природой. Ибо не всегда даже соответствующий багаж знаний гарантирует успех в опознании еще неузнаваемого. А это основным образом по той причине, что человечество еще не выработало ни методов опознания, ни всех истинных законов природы, применение которых удовлетворяло бы успех.
Для раскрытия загадок – нужно умение проводить аналогии
Для узнавания тайн окружающей нас природы естествоиспытателю прежде всего необходима наблюдательность и умение ею воспользоваться. И самое основное - это уметь улавливать связи и устанавливать закономерности между интересующими его вещами и явлениями. Без этого он никогда не удовлетворит свое желание правильно узнать то, что до сих пор еще не нашло своего объяснения. До этого следует еще дополнить, что наблюдательность обязательно нужна в широком диапазоне, а не избирательно без всякой связи с более широким кругом явлений природы. Можно, конечно, чем-то одним интересоваться, а все остальное упускать мимо внимания, избегая перегрузки себя "лишним". Но если следовать такому принципу "перегрузки", то можно стать только обладателем узкого круга знаний фактического материала, но отнюдь не мастером и создателем нового из приобретенного багажа.
Мы даже не подозреваем, как в природе все между собой тесно связано. Как по своему внешнему виду, так и по содержанию часто подвластны какому-либо общему закону бытия. К примеру, что общего может быть между велосипедистом и обычным детским игрушечным мячиком? На первый взгляд кажется, что никакие признаки их не объединяют, чтобы можно было их сопоставить и делать из этого некий обобщающий вывод их общности. Но здесь все зависит от того, с какой стороны смотреть на эти вещи и с какой именно целью. И не смотря на столько большое различие между ними, их безупречно объединяет главным образом естественный закон движения, которому они – все вещи – покорены в одинаковой степени.
Понятно, что в природе все находится в движении. А потому ничто так не объединяет иногда дальние и совершенно разные между собой вещи и явления, как закон движения. Он же и помогает нам многое узнавать, если правильно его понять и правильно им воспользоваться.
О таких сближениях и пойдет разговор.
Имеющиеся сведения об устойчивости велосипеда в движении
Вопросы о причинах устойчивости велосипеда в движении возникали вероятно еще со времен изобретения самого агрегата. Более тщательно решили обосновать их еще с начала 70-х годов прошлого века. Так в 1974 году свет увидела книга американских инженеров Уитта и Уилсона "Велосипедная наука". В ней освещались около полутора десятка факторов, способствующих тому, чтобы велосипед не падал. Отмечались там все возможные варианты, даже те, которые невозможно воссоединить между собой.
Немало усилий для решения вопроса, почему велосипед не падает приложил английский ученый (профессия – химия и спектроскопия) Дэвид Джонс. Он решил заняться сам по проверке наиболее реалистичных существующих объяснений устойчивости велосипеда. А теорий на этот счет несколько.
О содержании таковых мы упомянем позже. А пока что поищем ответы на заданный вопрос, почему именно велосипед устойчив, так, как и Дэвид Джонс своей проверкой ничего нового не принес для объяснения устойчивости велосипеда.
Достаточно хорошо охарактеризовал работу Дэвида Джонсона в журнале "Наука и жизнь" за 1984 г. №1 С.Транковский о достаточно знакомом всем велосипеде и столь же загадочном его поведении во время движения.
Все дальнейшие работы по этой теме (в том числе и в сети Интернет), базируются в основном (если не полностью) на этих работах. Добавились разве что оригинальные (некоторые даже экстравагантные) модели велосипедов. Некоторые даже велосипедами назвать невозможно, потому что никакой "ездок" там не уместится. Но они еще больше нивелировали гироскопическую силу или влияние геометрии рулевого управления. А еще переложили всю ответственность на мозг "всадника" на велосипеде. В общем – ничего нового с тех пор. Для удобства – возьмем за основу статью С.Транковского.
"Почему велосипед устойчив?" - так озаглавлена статья. Но ответа правильного после всего там так и не было.
"И в самом деле, почему он устойчив? – спрашивает в статье. - Какие силы удерживают на ходу в равновесии конструкцию, абсолютно неустойчивую в неподвижности?"
Странный вопрос. Разве это непонятно каждому ездоку? Даже ребенок и тот овладевает успехом езда на велосипеде, не говоря о взрослом или научном работнике.
Да. Практически понятно, но теоретически это "понятно" еще не нашло своего объяснения. Так что и среди простых вещей, как видим, могут существовать трудные загадки.
Детский мячик против существующих законов физики
Но трудны ли загадки на самом деле, как эта? Нет. Здесь совсем немного нужно: стоит только хорошенько присмотреться к самому обычному движению тел в окружающей нас среде. Даже к самым простым детским играм, когда дети бросают мячиком. И все станет понятным без лишних экспериментов и лабораторных исследований.
И что в этом такого особенного? - с удивлением можете спросить сами себя, если и в самом деле начнем познавать устойчивость велосипеда на поле деятельности детских игр.
Мальчик, замахнувшись рукой, бросил изо всех сил мячик на противоположную сторону площадки. Мячик, описав дугообразную траекторию, упал и быстро покатился, пока не столкнулся с препятствием. Спрашивается, есть ли здесь над чем задумываться? Так разве такое простое движение, постоянно и всеми виденное, чему-нибудь новому и полезному поучает? Да, поучает. И учит о многом.
И действительно такой простой пример движения тел в природе заслуживает пристального внимания для глубоких размышлений. Но мы к этому не привыкли, видимо, из-за той же повседневной видимости, которая утоляет всякую заинтересованность к себе. Мы сплошь и рядом физическую теорию или формулировку закона движения, изучив наизусть, лучше понимаем, чем содержание простейшего примера движения, с которым сталкиваемся лицом к лицу и ежедневно. А этот пример подвижного мячика в воздухе и по земле, брошенного мальчиком, учит нас, как нужно понимать и как нужно осмысливать закон движения по естественному, по-простому, а не по заученному из учебника физике.
С убедительностью этот детский мяч подробно рассказывает о тех свойствах тела в движении, о чем с такой ясностью не говорится ни в одном классическом законе механики. Но этот естественный рассказ повествуется очень быстро. Так что мы не успеваем в мгновение ока осмыслить всю полноту содержания и схватываем только его отдельные фрагменты, отрывки. Именно здесь и должен естествоиспытатель выявить свое умение понимать язык природы с той скоростью, с которой он рассказывает.
В данном случае от него требуется не очень много: уметь видеть одновременно все стороны подвижного мячика; сопоставлять их между собой относительно неподвижных сторон окружающей среды; давать надлежащую оценку каждой частности; различать врожденное свойство и приобретенное в одно и то же время и, наконец, из всего вместе взятого сделать надлежащий вывод. Короче говоря, нужно как можно полнее осмыслить увиденное, хотя время его существования всего лишь мгновение.
Из этого и из множества других примеров движения тел в природе мы в силе безошибочно подметить общую закономерность: всякое быстро движущееся тело всегда пытается сохранить в пространстве прямолинейность движения, если сбоку на него не действует сила какого-либо другого тела. И это его (закона природы) самое основное и неотъемлемое свойство, о котором следует всегда помнить и в нужный момент им воспользоваться. Особенно тогда, когда речь идет о загадочных сторонах движения тел. О прямолинейности движения тел упоминается и в 1 законе Ньютона. Подчеркнем: упоминается, а не объясняется так, как это очень нужно.
Откровенно говоря, на примере с движущимся мячиком прямолинейности мы не замечаем, а видим только одну криволинейную траекторию, так как она больше всего бросается в глаза и приковывает к себе наше внимание.
Но это не помеха для внимательного и придирчивого исследователя, так как он должен помнить ту истину, что движение тел в земных условиях всегда происходит в поле достаточно большого тяготения, что ощутимо отражается на любой движущейся траектории. Именно эта сила тяготения Земли, которая непрерывно действует только в одном направлении – вниз, и искривляет траекторию движения в одной и только в одной вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости, где отсутствуют какие-либо побочные силы воздействия, подвижное тело всегда сохраняет свою прямолинейность.
А если бы, допустим, отсутствовало земное тяготение, то подвижное тело в воздухе всегда сохраняло бы прямолинейность в две плоскости одновременно.
Такое понимание природного свойства подвижного тела очень нужно и вместе с этим полезно исследователю-теоретику.
Что не учтено в основных существующих гипотезах стойкости велосипеда
В упомянутой статье рассматривается пять теорий устойчивости велосипеда. Но ни в одной из них не упоминается о самом основном и определяющем – о врожденном свойстве подвижного тела – как самого велосипеда, так и "наездника" вместе с ним. Так, как мы рассматриваем пример езды человека на велосипеде, как обычный пример движения обычных тел, обладающих собственной массой, то и должны пытаться отыскивать причину загадочной устойчивости в самой причине движения. Мы ведь сами говорим: "...велосипед удерживает равновесие тем легче, чем выше скорость". Не это ли та отправная точка, от которой нужно было бы начать поиск разъяснения причины его устойчивости? Именно из этого.
Тот же пример с детским мячиком. Если при метании приложить мало усилий, мячик далеко не улетит. Но если приложить больше усилий, он полетит быстрее, траектория движения уже будет более выровнена и упадет на большем расстоянии.
Что мы можем здесь заметить? Даже много кое-чего интересного, если всерьез над этим поразмыслить, оставив хотя бы на минутку так хорошо заученные догматические каноны механики, которые не побуждают к размышлению, а, наоборот, усыпляют любознательность, преподнося шаблонную формулировку ответа в готовом виде.
Из этого элементарного примера с забавным детским мячиком и вытекает столь же и элементарное заключение истины. Оно, по своему значению, очень важно для опознания причин устойчивости велосипеда. Из этого простенького примера движения и других мы убеждаемся в истинности самого основного понятия, что чем больше скорость перемещения тела в пространстве, тем устойчивее будет его направленная прямолинейность движения, основным образом в вертикальной плоскости. Обращается внимание на траекторию движения в вертикальной плоскости, потому что всегда на движущееся тело так же влияет сила земной гравитации. Она в каждый момент и на каждом отрезке пути пытается изменить направление его скорости. Тогда как в горизонтальной плоскости прямолинейность траектории сохраняется сама по себе всегда. Практика убедительно доказывает, что с ростом скорости, траектория движения тел в поле действия тех же сил тяжести, в вертикальной плоскости, становится все ровнее и ровнее в прямо-пропорциональных отношениях. А не говорит ли это о чем-то более важном и значимом для нашего исследования и понимания испытуемой проблемы?
Наблюдая траекторию движения тела в воздухе, мы видим только внешнюю сторону дела, под которой должен быть спрятан более глубокий смысл внутреннего содержания. До него и следует добраться, чтобы понять всю полноту явления.
Мало видеть глазами. Нужно еще одновременно происходящий процесс движения видеть и умом. В чем его суть? А в том, что во время самостоятельного перемещения в пространстве, без всякой на то жесткой опоры, подвижное тело испытывает не только сопротивление воздуха, но и большое влияние сил тяжести Земли.
Об этом уже упоминалось, но без должного рассмотрения. Спрашивается, о чем говорит взаимосвязь подвижного тела с полем тяжести? Не кроется ли в этом разгадка чего-то еще не осмысленного из области законов движения? Безусловно!
Мы многое видим, но это еще не значит, что все то виденное мы хорошо понимаем. Точно так же обстоит дело с данной постановкой вопроса об устойчивости велосипеда. Все знают, что поле тяготения не перестает действовать на подвижное тело не зависимо от его скорости, но почему-то никто не задался целью поразмыслить над сущностью такой связи. А она несет достаточно важную информацию в понимании естественных законов движения, которые даже в противостоянии уже существующим, сформулированных человеком. Возможно, не так выразимся, но в принципе и в действительности такое положение имеет место в механике (теоретической).
Постоянство противостояния при движении тел
Траектория движения тела до сих пор рассматривалась просто как путь перемещения его из одного места в другое. Но когда мы присмотримся к этой траектории движения с другой стороны, то увидим кое-что новое, дополняя уже известное. Траектория движения – это не просто изогнутая линия пути перемещения. Это – арена борьбы двух сил: борьбы подвижного тела, основным образом, с силой тяжести Земли. Эта сила непрерывно и в каждый момент пытается побороть подвижную массу тела, изменить направление скорости по другому пути – по пути к центру тяжести. Каждый отрезок траектории – это отдельная характеристика такой борьбы.
Но тело наперекор могучей природной силе почему-то все-таки движется по заданному направлению, пролетает немалое расстояние и не так-то сразу покоряется силе тяжести. Не в этом ли содержании противоборства весь смысл стойкости подвижного тела? Не в этом ли загадка его стойкости за счет движения? Да, именно в этом.
Рассмотрим еще один пример движения – прыжок лыжника с трамплина. Возможно, это будет более убедительным доводом существования довольно интересного и загадочного природного свойства подвижного тела, которое так хорошо доступно взгляду, но не доступно уму.
Все видели, как происходит скачок с трамплина (если не просто на месте событий, то на экране). И все мы хорошо понимаем, что дальность прыжка зависит от начальной скорости движения спортсмена по дорожке и последующего развития этой скорости по наклону трамплина. Хорошо осмысливаем и то условие, что чем большую скорость лыжник приобретет при спуске, тем дольше он продержится в полете, тем большее расстояние пролетит в воздухе, пока приземлится. Спрашивается, разве на лыжника перестает действовать сила земного тяготения, как только он оттолкнулся от крайней кромки трамплина? Нет. Сила тяжести остается неизменной, ни на долю секунды, независимо ни от места нахождения, ни от скорости его движения. С неизменной силой она притягивает лыжника вниз одинаково в состоянии покоя и в состоянии движения. Но почему лыжник неподвластен ей? Почему не падает вниз сразу, как только перестал скользить по твердой опоре трамплина? Почему он еще некоторое время летит в воздухе, как будто бы на него перестала действовать сила тяжести? Ответ прост и однозначен: потому, что лыжник, двигающийся с большой скоростью, обладает силой, превосходящей над силой тяжести.
Хотя в науке, то есть в теоретической механике, и не принято так понимать, но природа учит по-своему и правильнее, и понятнее.
Давайте поразмыслим над этой простой очевидностью. Согласно уже приобретенным знаниям посмотрим, как она убеждает нас в своей правоте. А если да, то мы должны быть с ней в согласии, с ее откровенностью и простотой поучений.
Силы в природе существуют только попарно
Законы механики говорят (а этого уже никто не сможет опровергнуть), что в природе существуют силы только попарно: где проявляет свое присутствие одна сила, обязательно там должна присутствовать и вторая сила, парная первой. Будем считать, что с этим положением все согласны и не найдется таких, которые стали бы здесь отыскивать какое-нибудь исключение или еще что-нибудь, чтобы не придать этому понятию особого значения в опознании неузнанного. Поэтому об обязательном присутствии силы тяжести при движении лыжника на протяжении всего пути мы согласны. Вполне естественно будет, когда спросим сами себя: а где будет парная сила силе тяжести в примере движения лыжника в воздухе?
Где и в чем ее нужно отыскивать: в трамплине, в лыжах или в самом лыжнике? Искать ее нужно не в чем ином, как в самой массе быстро движущегося тела. А таким будет человек, и все то, что вместе с ним приобрело скорость движения. А с приобретением скорости и появилась сила, противостоящая силе тяжести. Именно здесь и самое интересное, и загадочное то, как и откуда берется сила, превосходящая над силой тяготения. О том, что это действительно так, не стоит излишнего разговора. Если бы не появлялась такая невидимая загадочная сила противостояния, то и не было бы длинных прыжков, так как каждый лыжник в конце трамплина, ощутив утрату жесткой опоры, рухнул бы вниз. Бесспорно и то, что эта парная сила возникает только в процессе быстрого движения, и так же загадочно исчезает с прекращением скоростного движения. Последнее тоже очень наглядно: как скоро скорость полета лыжника уменьшается, так он и начинает падать вниз. А это, в свою очередь, говорит о том, что именно в этот момент сила тяжести начинает преобладать над силой движения. И когда лыжник совсем останавливается, противодействующая сила движения исчезнет, но противоборство двух сил так и не прекращается. Так как сила тяжести остается постоянной, то парной ей будет уже сила реакции, сила сопротивления твердому веществу, то есть поверхность Земли, на которую и давит масса тела человека. Вот это в науке хорошо осмыслено. А почему бы не осмыслить ту истину, которая не укладывается в рамки существующих законов классической механики? Что от чего зависит: природа от сформулированных нами законов физики или законы физики от природы? Это – вынужденная постановка вопроса ребром, так как многое не укладывается в каноны классических законов, а мы все это называем загадочностью, тайной. Чтобы разгадать их, мы прежде всего обращаемся к сформулированным законам, а не к своему здравому смыслу – соображению. Вот и выходит, что они нас водят за нос как слепых, а мы им верим. Пусть простят нас за грубость. Но лучше горькая правда, чем сладкая ложь.
Перевод с Велосипед стійкий і не падає тому, що - ч.1
Далее Велосипед устойчив и не падает потому, что - ч.2
