Така постановка запитання у кожного може викликати нездорову реакцію, особливо в тих, кому відома семантика цих термінів. Здавалось би, що в наш час - в час бурхливого розвитку науки і техніки такого становища в науці не повинно бути та і немає якихось видимих причин про такі вади вести розмову. Однак, саме цей бурхливий розвиток, особливо техніки і примушує призадуматися та ближче приглянутися до тих теоретичних основ, які наче б то сприяють такому бурхливому розвитку цивілізації. Адже коли уважніше придивитися, співставити та проаналізувати, то зразу стає зрозумілим, як далеко ще відстає теорія від практики.
І де-де, а найбільше таке відставання виявлено в теоретичній механіці - в її фундаментальних началах. Поки що важко судити про корінну причину такого становища, але факт залишається фактом: найпершим чином дає про себе знати догматизм в теоретичній механіці - в її самому найважливішому і найосновнішому розділі - в динаміці. І якщо сказати відверто, то він ще і досі не перевівся з часу своєї появи. А можливо і цьому криється причина невідповідності результатів одних і тих же законів в земних умовах і, до прикладу, на орбіті, що в свою чергу веде до таких невтішних наслідків?
Щоб зрозуміліше сприймалося надалі все те, про що йтиме розмова, варто згадати про суть цього поняття.
Про важливість вдумливого засвоєння знань
Згідно "Словника іншомовних слів", догматизм - спосіб засвоєння й застосування знань, в якому те чи інше вчення або положення сприймається як закінчена, вічна істина, як догма, застосовується без урахування конкретних умов життя; один із видів метафізичного способу мислення. Чи за Вікіпедією: догматизм - спосіб мислення, що оперує догмами і спирається на них. Для догматизму характерні некритичність по відношенню до догмам і консерватизм мислення, сліпа віра в авторитети.
Саме такий спосіб засвоєння знань домінує в фізиці, та й не лише в ній одній.
Найелементарніші теоретичні основи фізики молода людина починає засвоювати насамперед в стінах школи. Тому можливо, в цьому є причина відсутності по сучасній навчальній програмі деяких спірних, раніше існуючих, законів в підручниках. Та чи є це правильним кроком, хоч факт залишається фактом: невірна трактовка законів природи в минулому відгукується своїм результатом в майбутньому. Для розгляду фактів поки-що візьмемо один-два параграфи зі шкільного підручника фізики 8 класу, на вивчені якого виросло не одне покоління будівників "світлого майбутнього". Мається на увазі підручник авторів І.К. Кікоїна, А.К, Кікоїна, який витримав десяток перевидань, але зберігши при цьому основні базові засади. Звернемось до першоджерел.
Параграф 36. Другий закон Ньютона (продовження).
Під час вивчення параграфа 35 "Другий закон Ньютона" учнів підведено до певного розуміння змісту сформульованого Ньютоном другого закону механіки лише в такій формі: "Сила, що діє на тіло дорівнює добутку маси цього тіла на прискорення надане цією силою".
Імовірно, що в даній розмові не варто розглядати питання про те, чи змогли учні зрозуміти суть ІІ закону Ньютона, чи ні згідно такого тлумачення, як це викладено в підручнику та на основі запропонованих дослідів. Варто лише вказати, що формулювання закону подано учням не повністю і не так, як вона була сформульована самим Ньютоном. Як побачимо далі, таку помилку було допущено нарочито. Стане зрозумілою і причина, чому випущено ту частину формулювання закону, де говориться про зміну руху тіла в напрямку дії сили. А це поняття являється невід'ємним від загального смислу закону. Таке конче необхідне для ґрунтовного осмислення взаємозв'язку між силою і прискоренням в русі тіл. Так як за мету взято проведення аналізу наступного уроку фізики після вивчення ІІ закону Ньютона, то в основному і піде про це розмова.
Автори підручника поставили за мету поглибити засвоєння учнями цього закону на конкретних прикладах, взятих із життя і практики. Малося на увазі і те, щоб учні вміло застосовували набуті знання в практичній діяльності, на що й дано відповідну вправу. Але чи зуміли автори підручника досягти поставленої мети? Чи змогли учні 8 класу зрозуміти справжній зміст ньютонівського закону? Відповідь на поставлене запитання сама прийде після аналізу такого вчення.
В підручнику говориться так.
"З другого закону Ньютона випливає, і це важливо зрозуміти, що сили, які діють на тіло, визначають його прискорення, тобто зміну швидкості, а не саму швидкість руху тіла. Тому напрям прискорення завжди збігається з напрямом діючої сили. А напрям швидкості, а отже, й переміщення може і не збігатися з напрямом діючої сили. Так, наприклад, сила може бути весь час напрямлена перпендикулярно до швидкості руху тіла. У цьому разі тіло рухається по колу, а прискорення, так само, як і сила, напрямлене вздовж радіуса, проведеного від тіла, що рухається, до центра. Так рухалося тіло під дією сили пружності у відцентровій машині".
Найперша помилка авторів підручника фізики полягає в тім, що вони почали пояснювати зміст ІІ закону Ньютона на тілах, що рухаються по колу. Потрібно було починати з уже засвоєних відомостей про нерівномірний прямолінійний рух тіл. І тільки на фоні уже набутих знань можна було пояснити зміст ІІ закону Ньютона в причинно-спадковому аспекті. Необдуманий підхід до вирішення проблеми не увінчав її, а ще більше ускладнив, ще більше завів у заблудження.
Якщо ІІ закон Ньютона легко осмислюється на прикладах прямолінійного руху тіл, то не так вже й легко він може осмислюватися учнями, коли його застосовувати в криволінійному русі без попередньої підготовки. І замість того, щоб трудність розуміння суті руху тіл по колу згладжувалася і прояснялася дійсність все чіткіше, то все це ще в більшій мірі затрудняється, ще дальше відводиться учнів в незнання. А другий закон Ньютона в свою чергу замість того, щоб хоч би по мірі своєї можливості допоміг зрозуміти справжню суть колового руху тіл, в такому вченні виконує роль протилежного значення. Як видно, вкоренилися такі уявлення в науці про рух тіл по колу, яких не здолає і не обґрунтує будь-який з нині існуючих законів механіки. І не закони пояснюють цей рух, а, навпаки, окостенілі уявлення про рух тіл по колу беруться пояснювати зміст законів механіки. От і виходить, що над чим переважає. А звідси й такі наслідки отримуємо. Все досить чітко виражено в процитованому уривку з навчального підручника фізики. Хоч там і не багатослівно, зате буде багатомовно.
Термінологія, на яку будемо опиратися
Думається, що перш чим розпочати аналіз процитованих думок, насамперед потрібно домовитися про термінологію, якою прийдеться скористуватися в ході суджень. Ще в свій час древньогрецький філософ Аристотель вказував на те, що "особи, які починають обговорення якогось питання, повинні спочатку прийти до згоди відносно використовуваних понять, щоб обидва співбесідники розуміли під ними одне і те ж".
В нашій бесіді такими поняттями будуть: "рух тіла", "напрям руху" і "напрям дії", "сила", "швидкість", "прискорення", "доцентрове прискорення" і " доцентрова сила".
Для впевненості можна скористаюся визначеннями зі шкільних підручників, або з Вікіпедії.
- Рух. Процес переміщення, зміна положення тіла в просторі відносно інших тіл; ще називають механічним рухом.
- Швидкість - фізична величина, що відповідає відношенню переміщення тіла до проміжку часу, за який це переміщення відбувалось. Це величина векторна, що має значення і напрямок. В підручниках всі ті судження, в яких оперується терміном "швидкість", дають ясно зрозуміти, що швидкість - це той же самий рух тіла, тільки в більш інтенсивній формі. В загальному, термін "рух" і "швидкість" за своїм значенням можна вважати синонімами, лише з певним відтінком для зручності скористуватися тим чи іншим стосовно до змісту мови.
- Згідно ньютонівського формулювання другого закону механіки зміна швидкості тіла відбувається в напрямку дії сили. Та і сама практика переконує, що тіло рухається в тому напрямі, в якому діє сила, але аж ніяк не навпаки. Так що напрям дії сили і напрям руху тіла завжди співпадають, якщо не втручається в процес взаємодії двох тіл якесь третє, коли напрям дії сили може бути під кутом до напрямку руху тіла або навпаки.
- Прискорення. Рух під час якого швидкість за будь-які рівні проміжки часу змінюється однаково, називають рівноприскореним рухом. Прискорення рухомого тіла називають величину, що дорівнює відношенню зміни швидкості до проміжку часу протягом якого ця зміна відбувалася. Простіше кажучи, прискорення - це швидкість тіла в зростаючому темпі.
- Доцентрова сила і доцентрове прискорення. Якщо звичайне прискорення в русі тіл тісно пов'язане з поняттям сили і немислиме без неї, то і доцентрове прискорення теж повинно мати свою силу, яку відповідно називати б доцентровою силою.
"Доцентрова сила - будь-яка сила, що надає тілу доцентрового прискорення."
В підручниках фізики згадується і про таку. Найправильніше визначення доцентрової сили дано в підручнику фізики О.В. Пьоришкіна.
"Сила, що вдержує обертове тіло на колі і напрямлена до центру обертання називають доцентровою силою." Коментарі тут зайві.
Тепер подивимося, як появляється в науці таке поняття, як "доцентрове прискорення". Цитата з цього ж самого підручника.
"За другим законом Ньютона ця сила спричинюватиме прискорення тіла в тому самому напрямі. Прискорення напрямлене по радіусі до центру обертання, називається доцентровим прискоренням."
В сучасному вигляді: " Доцентрове прискорення - прискорення при рівномірному русі матеріальної точки по колу. Векторна величина, завжди направлена від матеріальної точки до центру кола."
В підручнику фізики для 8 класу І. Кіноїна, А. Кіноїна про доцентрову силу не говориться, лише дано визначення доцентрового прискорення. "...прискорення напрямлене вздовж радіуса до центра кола. Тому його називають доцентровим прискоренням."
Про другий закон Ньютона на основі руху тіла по колу
Здається, що потрібні поняття до деякої міри уточнено і уже можна приступати до обговорення питання, як ми пояснюємо другий закон Ньютона на основі руху тіл по колу. Процитоване будемо цитувати ще раз.
"З другого закону Ньютона випливає і це важливо зрозуміти, що сили, які діють на тіло, визначають його прискорення, тобто зміну швидкості, а не саму швидкість руху тіла."
Про що це говорить? Як все це розуміти? Чи відображає висловлена думка дійсну об'єктивність?
Дуже правильно сказано про те, що сили, які діють на тіло, визначають його прискорення. Безперервна дія сили на тіло відповідно й збільшує швидкість його руху. А таке збільшення швидкості і прийнято називати прискоренням. І дійсно, такий процес руху тіла під дією сили по праву називається зміною швидкості. Так що істинність висловленої думки всебічно обґрунтовується. Тут поняття руху цілком узгоджується з поняттям сили. Картина причинно-спадкового змісту незаперечна.
Але не це важливо. Важливо те, чому автори підручника фізики правильно висловлену думку так зразу крутим поворотом ходу мислі перекреслюють її? Чому діючу силу наділяють належною роллю в русі тіл і зразу ж позбавляють її цієї ролі? Як можна зрозуміти заперечене ствердження? Якщо сила створює прискорення, то її визнають. Визнають її роль і в зміні самої швидкості. Якщо ж торкається питання зв'язку сили зі швидкістю, як з актом руху взагалі, то такого поняття реальності не визнають. Запитується, а де ж береться швидкість, якщо її не створює та ж сама сила, яка створює прискорення? Сама по собі чи по чиємусь велінню з'являється швидкість? Чи може, будь-яке тіло в природі тільки й вичікує тієї нагоди, коли до нього доторкнеться сила, щоб почати самостійний рух? І на кінець, яка ж природна відмінність між швидкістю і прискоренням?
Якщо вже так впевнено стверджувати, що сила не створює швидкості, а тільки одне прискорення, то чому зразу ж не навести хоча б декілька простих переконливих прикладів? Адже оточуючий світ чим-чим, а різновидністю рухів чи не найбагатший? Хто зможе навести хоч би один приклад руху тіл в природі без втручання сили?
А. Франс сказав було так: "Можна вірити без всяких підстав, але не можна сумніватися не маючи на це підстав". Автори підручника не висловлюють свого сумніву, так воно чи ні, а зразу категорично заперечують. І перед цим запереченням ще і застерігають, що "це важливо зрозуміти". Ось де яскравий приклад догматизму! І бере він початок із самого змісту ІІ закону Ньютона. Яку помилку у формулюванні закону було допущено ще самим Ньютоном, такою вона і дублюється аж до нашого часу. Записана в його законі, що дія сили на тіло створює одне прискорення, от і всі повторюють так само, прийнявши це за абсолютну істину. А таке в свою чергу породжує неправильний погляд на природу руху взагалі. І саме через це автори шкільного підручника запевняють учнів, що "сила визначає прискорення (зміну швидкості) а не саму швидкість". Логічно? Це стосується не тільки підручника.
Як можна зрозуміти таку ситуацію в науці? Не більш і не менш, як народним прислів'ям: "Ложка дьогтю в бочці меду". Є для виду та немає для смаку. Одним і тим же самим, чим стверджують істину, тим же і заперечують. Як же тоді осмислюватиме школяр та і доросла людина роль сили в русі тіл?
Ось як іде розвиток думки в наступних висловлюваннях після категоричного заперечення.
"Тому напрям прискорення завжди збігається з напрямом діючої сили." (Цілком вірно висловлено думку, бо відображає дійсність). "А напрям швидкості, а отже і переміщення може й не збігатися з напрямом діючої сили." Знову той же прийом закреслювання утвердженого.
Той, хто сприймає правильно висловлену думку словами, перетворює її зміст в реальні образи і уявляє собі дійсну картину буття з оточуючого світу. А як можна уявити собі різнобічні напрямки прискорення і швидкості? І як можна було б змоделювати в своїй уяві напрямки діючої сили, яка одночасно збігається і не збігається з напрямками прискорення і швидкості руху тіла? Як можна було б змоделювати в своїй уяві різнобічність окремих напрямків руху від однієї сили: прискорення, швидкості і напрямку руху? Адже ж до цього спонукає висловлена думка в останньому реченні? Якщо в попередньому реченні сказано, що напрям прискорення завжди збігається з напрямом діючої сили, то в останньому говориться прямими словами, що напрям швидкості як напрям переміщення тіла може і не збігатися з напрямом діючої сили. Чи не підводить таке тлумачення до того розуміння суті справи, що прискорення і переміщення тіла - це два різних і незалежних процеси руху, напрями яких не співпадають? Чи не примушує таке тлумачення розглядати їх окремо, ізольовано одне від одного? Як видно, що воно так і є. Напрям прискорення виражається напрямом дії сили, а напрям того ж самого руху - швидкості і того ж самого переміщення тіла може і не визначатися напрямом діючої сили. То ж чи варто було домовлятися про смислове значення термінів і понять? Адже ж там ясно було сказано, що суб'єкт і предикат нерозривні, де предикат без суб'єкта немислимий. А в навчальному підручнику про це витлумачується в зворотному напрямі. Дозволено?
Важко збагнути непосвяченому глибину змісту такого вчення.
Як видно, автори підручника заздалегідь запідозрювали можливу появу непорозумінь в читача, а тому і надали цьому вченню своє роз'яснення та так, як це вони самі розуміють.
"Так, наприклад, сила може бути весь час напрямлена перпендикулярно до швидкості руху тіла. У цьому разі тіло буде рухатися по колу, а прискорення, так само як і сила, напрямлене вздовж радіуса, проведеного від тіла, що рухається, до центра. Так рухалося тіло під дією сили пружності у відцентровій машині."
Згідно такого вчення можна розуміти, що рух тіла по колу визначається лише тією силою, яка напрямлена до центру обертання. Якщо присіпатися до висловленої думки в першому і другому реченнях, то виходить, що сила, напрямлена перпендикулярно до швидкості примушує тіло рухатися взагалі і по колу зокрема. А таке пояснення являється зовсім невірним, так як сила напрямлена перпендикулярно до напрямку руху тіла, не сприяє створенні цього руху. Така сила може тільки змінювати напрям швидкості, а не надавати її тілу. Дане фізичне положення відоме всім як закон руху і не потребує в даний час якогось доведення або роз'яснення істини. Не розуміння цього закону або ігнорування ним і є прямим поводом до невірних тлумачень про закони криволінійного руху. Звідси і бере початок плутанини поняттям про силу, її роль і види. Автори таких і подібних тлумачень про криволінійний рух тіл не задаються метою самим усвідомити, скільки сил бере участь в криволінійному русі і що це за сили за своїм походженням і призначенням.
Суть сил – активної і пасивної
Щоб не сплутувати суть криволінійного (колового) руху тіл небесних з криволінійним рухом тіл земних на поверхні нашої планети, потрібно розрізняти дві окремі сили: одна з них буде рушійною силою - це тією, яка надає тілу поступального лінійного руху, а друга - пасивна - це та, що змінює прямолінійний (природний) рух на криволінійний і утримує рухоме тіло на коловій траєкторії. Нічим ці сили між собою не близькі і не подібні, щоб їх можна було ототожнювати або приймати за одну. Пасивна сила ніякого відношення не має ні до створення прискорення, ні до будь-якої іншої зміни модуля швидкості руху тіла, окрім гальмування руху. Якщо вона лише змінює напрямок швидкості, то це ще не значить, що їй властиве і змінювати модуль швидкості, тобто створювати прискорення. Якщо цій силі притаманне поняття зміни, то це ще не значить, що ним можна підмінювати інше поняття зміни, не властиве цій силі. Саме в цьому і допущена помилка, що послужила першим кроком до розвитку антинаукової теорії про криволінійний рух. Вже кращого прикладу такого становища в науці і не може бути, як те вчення, де в рівномірному русі тіла по колу знаходять і "роз'яснюють" про прискорення. Це вже не помилка, а заблудження і досить глибоке. Адже ніщо не існуюче видавати за щось реальне і доводити про це не тільки одними словами, а навіть математичними формулами - важко знайти цьому підходящу назву.
Таке положення в науці уже не назвеш догматизмом. Це - щось ще гірше. Не можна це назвати і софізмом, так як автори підручника фізики не навмисно перекручують правду на неправду. Ні, вони не намагалися завести когось в оману. Це - звичайнісіньке загальнонаукове заблудження. Це - паралогізм. Всі фізики-теоретики дотримуються цієї спільної думки. А раз так, то і корінці заблудження десь повинні бути. В даному разі автори підручника фізики на щось то опираються, коли так впевнено пояснюють про неіснуюче доцентрове прискорення. Про це вони самі ось як говорять: "Так рухалося тіло під дією сили пружності у відцентровій машині".
Значить, для таких тверджень підшуковуються і свої аргументи. Ну що ж, і до них придивимось.
Щоб не повторюватися в даному аналізі про експеримент руху тіл по колу у відцентровій машині, скажемо по-іншому: все це так, але не так – схожість ще не означає ідентичність.
Демонстрування такого досліду - це не що інше, як намагання чим-небудь доводити або захистити уявне і неіснуюче доцентрове прискорення у русі тіл по колу в земних умовах. Дане доведення є всього-на-всього проміжною ланкою більш давнішого ланцюжка заблуджень в проблемах криволінійного руху.
Ще під час домовленості про термінологію і відповідні поняття було наведено приклад, звідки береться поняття "доцентрова сила" і на основі чого появляється термін (і тільки термін!) "доцентрове прискорення". Якщо тоді про них було просто процитовано з навчальних підручників, то тепер прийдеться більш детальніше про них дізнатися.
Щодо визначення доцентрової сили Пьоришкін підходить об'єктивно і цілком логічно. В його визначенні лише одне слово криє в собі цілий зміст об’ємного поняття, що являє собою ця сила. Словом таким буде "вдержує". Що "вдержує", а що "спонукає", то це що термін, то і окремого значення його зміст. Один вказує на ознаку пасивної сили, а другий - діючої, активної. Хоч автор підручника дав і правильне визначення доцентрової сили, але без будь-якого дальшого його розвитку в цьому аспекті.
Зовсім протилежного смислового значення і змісту набуває "логічно" виведене ним похідне поняття "доцентрове прискорення". Хоч хід його суджень і логічно побудований, але то є логіка без логіки. Це просто такі собі слова, які нічого реального, об'єктивного не відображають. Хоч тут і застосовано ІІ закон Ньютона, як опору, але це ще не означає, що ним утверджена істина. Ним, простіше кажучи, сліпо скористувалися.
Другий закон Ньютона говорить лише про діючу, активну силу дії. Про пасивну силу він нічого не знає і не обслуговує такої тому, що пасивна сила ніколи не створює сама ні руху, ні прискорення. А в даному разі доцентрова сила якраз і є пасивною силою. Так як в науці немає поділу сил на пасивні і активні, то і автори підручників під пасивну силу підводять основу ролі активної. Таким чином пасивну силу штучно перетворено в діючу (а про діючу й знати немає бажання), де вже дійсно згідно ІІ закону Ньютона повинно появитися прискорення, спричинене діючою силою, не вникаючи в об'єктивність висловлених суджень.
Ми бачимо тепер, як легко потрапити на слизьке, а ще легше - в тенета заблуджень. І все здавалось би правильно, все - логічне, а наслідки такої логіки не ті, що треба.
Поцікавитись би тепер в прихильників Анрі Пуанкаре, які так ревно вірять в його слова, чи прав він був коли говорив: (саме тому в механіці) "немає необхідності, щоб визначення сили пояснювало, що є сила в собі і що вона - причина чи спадковість руху"?
А в теоретичній механіці користуються терміном "сила" постільки, по-скільки без нього не можна обійтися під час формування ньютонівських законів. До глибини цього поняття і тепер не намагаються докопуватися вдовольнившись наслідками нерозривного зв'язку понять "сила - прискорення". Не можна змовчати і того, що в науці і досі немає чіткого поділу сил на види. Наука обмежилася чотирьома типами сил в природі і на цьому поставила крапку. В теоретичній механіці сили існують на правах інкогніто. Хоч без них і не обходиться і по імені не називають, але і не замічають їхньої присутності. А якщо змушені, то лише одну-однісіньку. І все їй одній безіменній приписують властиве і невластиве. Так воно і вийшло при виведенні визначення, що називається доцентровим прискоренням.
Доцентрове прискорення, а чи існує воно?
Той, хто вперше подав на світ таку красиву фразу, таке чаруюче словосполучення, сам не задумувався над реальністю динамічного стану об'єктивності, який повинен був би відповідати словесній формі і змісту. Його, як видно, полонив лише зміст ІІ закону Ньютона, який при майстерно вмілому підтасовуванні так хороше вписувався в поняття доцентрової сили. Він навіть не ставив перед собою проблеми пошуку істини: а де ж те рухоме тіло, на базі якого "доцентрова сила спричинюватиме прискорення тіла в тому самому напрямі"?
Таке вчення є вченням про існування предиката без суб'єкта. Чи не дивно?
Раз визначається напрям доцентрового прискорення, то в тому ж напрямі і повинно рухатися якесь тіло, як реальний об'єкт в русі з однієї сторони і як реальний носій самого прискорення - з другої. Коротше кажучи, в понятті "доцентрове прискорення" повинно бути відображено рух тіла не по колу, а рух тіла з периферії кола до центру. Якщо "прискорення напрямлене по радіусу до центра обертання (називається доцентровим прискоренням)", то і тіло-носій цього прискорення повинно разом з ним рухатись по тому ж самому радіусі до центра. (Скільки ж тоді тіл повинно перебувати в русі одночасно і в одному місці?). Тут логіка проста: куди голка, туди й нитка. А в нас виходить навпаки: голка в один бік а нитка - в другий. Казкове пошиття.
Якщо прискорення базується тільки на швидкості руху тіла, є його відображенням і немислиме без нього, а тіло являється носієм швидкості а заодно і самого прискорення, то в якому напрямі буде рухатися тіло, точнісінько в тому ж самому напрямі і буде спрямовано прискорення. І - навпаки. Це - закон природи, а не витвір широкодіапазонної уяви людини, яка що завгодно може придумати. Закони природи тверді і однозначні. Як видно, нікому не приходило в голову порозмислити над цією простотою істини, щоб відкритими очима побачити дійсну картину руху тіл по колу, а не видумувати нереальне і неіснуюче. Випадково уявне прийнято за дійсне і пішла штамповка таких понять.
Автори підручника фізики спочатку підвели теоретичну основу, як розуміти доцентрове прискорення, а для закріплення такої новели приклад під назвою "гігантські кроки". Якщо, може, кому важко було засвоювати це заблудження на голих словах та на прикладі відцентрової машини, то конкретний приклад руху людини на гойдалці "гігантські кроки" повинен трохи облегшити.
"Наведемо простий приклад. На гойдалці, що відома під назвою "гігантські кроки", на людину діють одночасно дві сили (див.мал.): сила F1 - з боку Землі, напрямлена вниз і сила F2 - з боку каната, напрямлена вздовж каната. Під дією цих двох сил "пасажир" рухається по колу навколо стовпа, до якого прикріплений канат. Отже, прискорення напрямлене до центру кола, а не вздовж сили F1 чи F2. З малюнка бачимо, що до центра кола напрямлена також сила F, яка дорівнює геометричній сумі F1 і F2. Отже, "пасажир" рухається так, ніби на нього діють не дві сили: F1, F2, а лише одна - їх рівнодійна F. F = F1 + F2."
Роз’яснено просто і зрозуміло, тільки варто запитати, чи правильним буде таке пояснення причин руху "пасажира" навколо стовпа. Якщо, не аналізуючи, наперед сказати, то чогось гіршого в застосуванні ІІ закону Ньютона для розкриття причин руху тіл по колу або таким же розкриттям суті колового руху тіл пояснювати зміст цього закону і не може бути. Тут зовсім одне з другим не клеїться. І на цій гойдалці ніхто і нічого толком не зрозуміє, де і як тут може бути застосований другий закон Ньютона.
Механікам-теоретикам, мабуть, дуже важко оперувати поняттям сили в логічних судженнях, коли таких більше однієї. Чи не тому з двох реально існуючих, але не подібних між собою сил, виведено одну? А де ж тоді ще й третя - реальна сила руху "пасажира"? За неї навіть і не згадується! Така "геометризація" не завжди дає позитивні наслідки. Про це говорить сам приклад. На невірно поставлене запитання не отримаєш істинної відповіді. Так само і тут. Це свого роду штучна підтасовка факту, щоб показати напрям доцентрового (неіснуючого) прискорення, а не реальної сили, яка в дійсності надає швидкості руху навколо стовпа. Автори підручника вбачають рушійну силу в земному тяжінні і в канаті. Неправильно.
Якщо придивитися уважно до напрямків розташування цих сил по відношенню до напрямку руху "пасажира" та співставити це з уже відомим фізичним правилом про роль сили, яка перпендикулярно спрямована до траєкторії руху тіла, то само по собі стане зрозумілим, що вказані на малюнку сили F, F1 і F2 не створюють прискорення, не надають тілу і поштовху до руху. Не надає руху і ново-виведена рівнодійна F.
Про ту силу, якої вимагає ІІ закон Ньютона, в поясненні даного прикладу зовсім не згадується. То як же тоді можна пояснити застосування ІІ закону Ньютона до інших конкретних прикладів типу "гігантські кроки"?
Однобічний і необдуманий підхід до розв'язання проблеми не приводить до успіху. Однак твердження ці все-таки варто розглянути, щоб побачити краще їхній внутрішній зміст і роль в русі тіла по колу. Може, й вони про щось говорять.
"Під дією цих двох сил "пасажир" рухається по колу навколо стовпа, до якого прикріплений канат."
Що можна сказати про висловлену думку? Вона відображає реальність, чи ні? І так, і ні. Тут потрібен скрупульозний підхід до вирішення проблеми. І перш за все, дивлячись, на чому ми будемо акцентувати свою увагу і якого значення надаватимемо цим двом силам. Перед вирішенням проблеми будь-якої природодосліднику слід пам'ятати правило з неписаного закону: не може бути правильною відповідь, якщо не було сформульовано правильної постановки запитання. Правильна постановка запитання - це не тільки ясність проблеми а й дороговказ до неї. Не можна забувати і про причинно-спадковий характер будь-яких явищ природи, а про причинність руху і тим більше. А тому, щоб правильно підійти до вирішення поставленого питання руху, насамперед потрібно відшукати причинність, характер спадковості якої ми на даний час розглядаємо. Після вияснення і усвідомлення проблеми необхідна і відповідна постановка запитання перед собою. Наприклад. Яке з двох стосовних запитань ми повинні розглядати в першу чергу, а яке - в другу?
- Чому "пасажир" рухається навколо стовпа?
- Чому відбувається рух "пасажира" по колу навколо стовпа?
Здавалось би, зміст постановки запитань ідентичний і не було б помилки дати на них ідентичну відповідь. І якщо такої думки насправді дотримались, то допустили б помилку і не зуміли б дати повного пояснення. В даному разі ставиться питання самого руху, як процесу переміщення тіла в просторі не залежно від його характеру і напрямку. Тому спочатку слід добре уяснити собі, чому відбувається рух "пасажира" взагалі, а потім вже всебічно його вивчати. Це буде основним і визначальним, а рух навколо стовпа по колу - другорядним і уточнюючим. Тут одна причина чи дві?
Якщо поставити запитання, яка причина руху "пасажира" в смислі переміщення в просторі, то відповідь прослідує тільки одна: тому, що він біжить і силою своїх ніг весь час відштовхується від долівки. Сам процес відштовхування гігантськими кроками і є причиною поступального руху. Що тут неправильно чи протизаконно, протиприродно сказано? В наявності причина, в наявності і спадковість цієї причинності. Таким чином, відповідь на постановку першого запитання дано повністю згідно формулювання другого закону Ньютона. Тут дійсно можна вказати на прискорення.
Відповідь на друге запитання те не являється важким. Якщо в першому запитанні в самому його формулюванні зроблено наголос, чому "пасажир" рухається (а не стоїть) навколо стовпа, то в другому уже запитується (як би на основі уже відомої причинності, яка не співпадає з природною спадковістю - прямолінійністю руху), чому рух "пасажира" відбувається навколо стовпа, а не по прямій? Щоб дати відповідь і на це запитання, теж повинні відшукати причину зміни напрямку руху. Такою причиною буде побічний вплив іншої сили - сили канату.
Так як вірьовка прикріплена одним кінцем до нерухомого стовпа, а другим - до рухомого "пасажира", то, звісно, що сила міцності каната примушує рухоме тіло змінювати свій попередній напрям руху прямолінійний на криволінійний - коловий рух.
Скористаємося ще раз визначенням з підручника фізики Пьоришкіна. "Сила, яка вдержує обертове тіло на колі і напрямлена до центра обертання, називається доцентровою силою".
Як бачимо, ми дійсно маємо справу з доцентровою силою, але аж ні на які сліди не натрапляємо, щоб відповідно до цієї сили було якесь прискорення. Та і бути таке не може, бо дана сила перпендикулярна швидкості тіла. Незаперечний факт і в тім, що тіло "пасажира" рухається по колу, а не по радіусу до центра. Немає ніяких підстав застосовувати ІІ закон Ньютона до даної доцентрової сили. Хоч ця - доцентрова - сила і діє на обертове тіло, однак воно не рухається в напрямку її дії. А згідно закону Ньютона тіло повинно рухатися в напрямку діючої сили. Застосований може бути до цієї сили даний закон механіки? Ні, не може бути застосований.
Якщо при одній окремо взятій силі дії на тіло виникає напрям руху прямолінійний, то для того, щоб змінити цей природний напрям руху на штучний - криволінійний, однієї сили недостатньо. Для цього потрібна окрема і ні в чім не залежна від першої сили зовсім інша сила. Такою другою може бути активна і пасивна. Але найчастіше в природі і в практичній діяльності людини виступає пасивна сила, як сила протидіюча. Хіба ж не так?
Якщо "пасажир" розбігається і поки схватиться за канат, то він рухається тільки прямолінійно. В такому ж самому напрямі він рухався б і ще далі, якби закріплений канат не примусив його змінити прямолінійний рух на криволінійний.
В підручнику фізики розглядається не перше, а друге досліджуване нами запитання і то з неправильним напрямком пошуку відповіді на основі ІІ закону Ньютона. В цім і основна помилка по даній темі уроку з фізики.
Про ту силу, яка дійсно надала тілу швидкості руху навколо стовпа навіть і не згадується. Замість неї - діючої - вип’ячено протидіючу - пасивну.
Дивує та обставина, що в теоретичній науці склалася якась така традиція (теж назвати б її догматичною), коли для вирішення якоїсь важливої наукової проблеми звертаються найпершим чином не до наймудрішого вчителя - природи, до багатовікового житейського досвіду, до об'єктивної реальності, а до уже давно сформульованих кимось одним правил, канонів і законів без найменших вагань і розсуду, без самокритичної оцінки таких. Прикладів - скільки завгодно, але поки-що - по темі розмови.
Запитується, навіщо цій гойдалці дано назву "гігантські кроки"? Чи не тому, що при допомозі канату людина зменшує свою вагу і може робити великі стрибки, мов птах ширяючий навколо стовпа? Що тут являється рушійною силою канат чи нога людини? Не при допомозі канату, а при допомозі зусиль своїх ніг вона може рухатися прискорено, обійшовшись навіть без всякої доцентрової сили. Тому не до канату, а до зусилля ніг застосовується ІІ закон Ньютона.
Дану помилку повторює кожен автор, який береться пояснювати зміст ІІ закону Ньютона на прикладі руху тіл по колу.
Тепер уже можна було б поставити запитання, чому автори підручника фізики не запропонували учням вивчати цей закон в його первозданному змісті.
Якщо судити тільки по наслідках проведеного аналізу, то можна впевнено сказати, що винуватцем такого заблудження в першу чергу був сам приклад руху тіла по колу, як невдало підібраний факт для утвердження самого закону. Це - з одного боку. З другого - негативний вплив неправильного погляду в науці на закони криволінійного руху тіл взагалі і руху тіл по колу зокрема. А звідси всяк може зробити належні висновки про шкідливі наслідки в розв'язанні наукових проблем на такій основі.
Де ж причина помилкових тлумачень в теоретичній механіці?
Що ж говорять закони логіки з приводу вчення про доцентрове прискорення і застосування такого для пояснення явищ природи, пов'язаних з криволінійним рухом?
Якщо звернутися до законів логіки, то насамперед вони говорять, що в кожній простій мислі, як правило, є два основних елементи:
- відображення предмета, що носить назву суб'єкта;
- відображення тієї чи іншої властивості предмета, яка називається предикатом думки.
Якщо має місце порушення цього закону, то ніякий інший закон мислення не виступить на захист неправдоподібності.
Під час аналізу помилкових суджень про криволінійний рух ми переконалися, що маємо справу з суб'єктом і предикатом, але завжди без їх природнього взаємозв'язку. Якщо суб'єкт і предикат - це єдине ціле і нерозривне, то в розглянутих прикладах криволінійного руху цих два елементи виступають нарізно: тіло рухається по колу і з рівномірною швидкістю в одному напрямі, а прискорення спрямоване в іншу сторону - по радіусу до центру кола. Якщо підходити по-справедливому, то в якому напрямі рухається тіло, в такому ж самому напрямі ми і повинні відшуковувати бажане нам прискорення та тільки не в рівномірному поступальному русі. Адже ж швидкість руху тіла по колу може бути не лише рівномірною, а й змінною. Рух тіла по колу - це той же самий поступальний рух, це те ж саме переміщення тіла з місця на місце, тільки не по прямій, а по викривленій замкненій лінії.
Як видно, наука ще не виробила якогось такого вдалого поняття, щоб відповідно було називати і належно осмислювати прискорення в криволінійному русі. Принципово ніякої різниці немає в збільшенні швидкості руху, що по прямій, що по колу. Щодо цього в науці існує така роздільність - "збільшення кутової швидкості" - але це тільки гарна фраза, як хмара без краплини дощу.
Комусь бовкнуло в голову "доцентрове прискорення", от і "центрить" воно уже декілька століть в умах довірливих. От що-то сила авторитету!
Звісно, в земну механіку це словосполучення прийшло з небесної механіки. Але ревнивим охоронцям такого словосполучення варто було б знати, що і в небесній механіці цьому безпредметному оклику немає місця.
А тому, щоб витлумачити повний зміст формулювання ІІ закону Ньютона автори підручника фізики для учнів 8 класу повинні були показати напрям прискорення по ходу руху, а заодно і виявити реальну силу, згідно якої "пасажир" в першу чергу рухався взагалі, а потім вже виявляти причину, чому його рух був не по прямій, а по колу. А таке в науці поки-що не прийнято вважати за щось реальне і серйозне, бо з цим не узгоджується нині існуючий закон класичної механіки.
От і постає запитання: хто ж являється причиною такого помилкового витлумачення змісту фактів? Автори підручника? Формулювання ньютонівського закону механіки?
Автори підручника тут ні при чім. Не їх вина. Вони тільки відображають дійсний стан теоретичної механіки на сьогодні, керуючись загальновизнаними і загальноприйнятими і віками утвердженими законами Ньютона. По суті справи винуватцем являється саме формулювання ньютонівського закону, так як вона говорить лише про одне: про зв'язок сили з прискоренням і тільки з прискоренням, не визнаючи зв'язку сили з різновидністю руху взагалі. А звідси й виходить, що ІІ закон Ньютона застосовується лише там, де є реальне прискорення. Лише там, де відбувається рівномірний рух, та ще й до того прямолінійний, то про котрий береться пояснювати І закон Ньютона. Досить суперечливий поділ! А як же бути і до якого закону механіки відносити обговорення такого руху, де необхідно скористуватися термінами "рух", "швидкість" конче застосованими до реальних явищ природи! Чи не ця ситуація примусила послідовників Ньютона відокремити поняття "швидкість" від "прискорення", напрям поступального переміщення тіла від напряму діючої сили в криволінійному русі? Чи не все це разом взяте примусило стати явно всупереч змісту самого формулювання цього ж закону вже хоч би з приводу реального прискорення, зміст якого вони намагаються витлумачувати?
