Продовжимо розпочату розмову. Про динамічний стан тіла багато написано книг і статей особливо в останній час - часи бурного розвитку космонавтики. Кожен автор намагається пояснити, чому виникає невагомість космонавтів після вимкнення двигунів космічного корабля і чому настає період перевантаження при підйомі або спуску корабля, коли двигуни працюють на повну потужність. Ось тут то і розкривається повнота картини розуміння чи нерозуміння, твердих знань чи помилкових поглядів, методів і принципів пошуку відповіді на розв'язання проблеми.
Початок в Закон інерції -1- чи оправдав він надії наукового світу
За приклад розгляду візьмемо уривки з книг відомих авторів, які намагалися в популярній формі донести до читача розуміння суті динамічного стану невагомості і перевантаження.
Перед ознайомленням із змістом уривку ставимо запитання: чи можна на основі тільки одного експерименту робити узагальнюючий висновок?
Один із авторів-популяризаторів пише: "В умовах Землі людина відчуває невагомість... (протягом 15-20 хв) корабель рухається в умовах невагомості). І лише при русі в густіших шарах атмосфери, коли знову стає помітний опір повітря, який за кілька хвилин зменшує швидкість корабля від 8 км/с до десятків метрів за секунду, космонавт знову зазнає великих перевантажень. При спусках космонавти зазнавали перевантажень майже у 8 разів більших від сили земного тяжіння". (с. 135 С.У. Гончаренко).
Чи все тут роз’яснено про суть перевантаження до найменшої дрібниці, тобто сказано так, що навіть не можна було б поставити запитання як про ще щось незрозуміле?
За повну відповідь вважатимемо ту, до якої неможливо поставити запитання, або щось доповнити. В наведеному уривку з книги лише констатується те, що є в дійсності, але не про суть самої природи перевантаження.
При розгляді питання перевантаження, яке відбувається згідно другого закону Ньютона, насамперед виникає запитання: чому саме тіло, яке рухається вертикально вгору в ліфті повинно збільшувати тиск на опору? Здавалось би, що тут все зрозуміло, якщо осмислене застосовувати другий закон Ньютона, з якою силою тисне опора на тіло, з такою ж силою і тіло тисне на опору. Причина сили тиску опори на тіло нам зрозуміла - затрата певної енергії електродвигунів, що приводять в рух самий ліфт, і при чім в рух досить швидкісний. То хіба не однаково для тіла, з якою швидкістю рухатиметься опора чи повільно, чи досить швидко? Адже сила тяжіння земного завжди залишається сталою, незалежно від руху тіла і в однаковій мірі діє на нього, що в стані спокою, що в стані руху. Але, як бачимо, що тіло неоднаково поводиться як при повільному, так і швидкісному русі. На великій швидкості руху ліфта воно начеб то стає важчим.
Якщо дивитися на таке явище не з механічної, а з природної точки зору, то від чого ця зміна залежить: від рухомої опори, від сили тяжіння, чи, може, від самого рухомого тіла?
Здається, що і на таке запитання легко відшукати відповідь: все це залежить від характеру руху опори, яка весь час перебуває в полі тяжіння. І знову тут можна підставити другий закон Ньютона. Коло замкнулося. Але чи вирішено проблему? Ні. Тут підозрюється поведінка самого тіла, яке так чутливо реагує на зміну швидкості. Коротше кажучи, збільшення тиску на опору зі збільшенням швидкості залежить від самого тіла. Адже ж свою вагу воно збільшить тільки само. Але як це зрозуміти і в чім його винуватість - ось основний напрямок в дослідженні, щоб виявити суть такої причинності.
Чи аналогічні причини перевантаження запуску і спуску космічного корабля
Але перш чим приступити до детального розгляду справи "винуватості" самого тіла і в чім вона полягає, необхідно ще і виявити конкретність характеру стану перевантаження. А для цього слід подумати та подивитися, чи можна ототожнювати в одне поняття "перевантажити" те, що виникає під час запуску космічного корабля і виведення його на орбіту з тим, яке виникає під час спуску на Землю? Чи однакові ці перевантаження по своїй природі? Є між ними якась істотна відмінність чи немає? Якщо обидва види перевантаження тотожні, то немає потреби і в постановці таких запитань. А якщо між ними існує істотна різниця, то необхідно і конче потрібно їх осмислене розчленувати й усвідомити аби йти по правильному шляху впізнання їх суті.
Чи то розмовляємо, чи то думаємо про перевантаження, ми цілком тверезо маємо на увазі, що даний стан виникає і протікає в полі земного тяжіння. Відомий нам істинний напрям його дії. А раз так, то ми і праві будемо, якщо на дане явище будемо дивитися не з власного погляду, як нам забажається, а з погляду дійсного стану тобто з точки зору самої сили тяжіння і знаходити, коли воно причетне, а коли ні. Тут тонкощі причин перевантаження добренько приховуються, якщо огульно дивитися як на рух, так і на силу тяжіння, в полоні якого цей рух відбувається.
- Чи причетне поле тяжіння Землі до перевантаження саме в той час, коли відбувається процес запуску космічного корабля і виведення його на орбіту? Звісно, що причетне. Адже ж таке гарно пояснюється кількісною стороною. Виведені формули дають можливість точно взнавати величину перевантаження космонавтів.
- Чи причетне поле тяжіння до виникнення стану перевантаження в той час, коли відбувається процес спуску космічного корабля з орбіти на Землю?
Коли дотримуватися недавно-що сказаної тези, що будь-який рух відбувається в полі земного тяжіння, то і на дане запитання можна дати стверджувальну відповідь. Але чи буде така правильною? Ні, неправильною.
Якщо в першому випадку в перевантаженні основну роль відігравало дійсно земне тяжіння, то в другому роль земного тяжіння буде другорядна і не визначаюча, тобто земне тяжіння не являється причинністю у виникненні перевантаження. Тут уже основна роль належить силі інерції тіла.
Тому про кожен такий вид перевантажень і буде йти розмова зокрема як не про щось спільне і тотожне, а як про відмінне по своїй природі, де для кожного існує свій закон і своя причинність.
Другорядні питання щодо розуміння причин перевантаження
Отже, про причини виникнення перевантаження, яке виникає під час руху тіла, протилежно напрямку дії сил гравітації.
Перед авторитетом переконливих доводів Галілея ми настільки приклонилися, що і в думці боїмося запідозрювати хоч в чім-небудь його неправоту. І думаємо без оглядки, що все те, в чім він нас переконав є чистісінька правда - ясна істинність, а те, що говорили древні філософи - неправда і заблудження. Ну що ж, подивимося, хто прав, а хто не прав. Будемо користуватися і теоріями і фактами. Будемо надавати перевагу фактам. А факт - вперта річ і правдива, при тім, проти якої не попре найкраще витонченіша теорія.
Звісно, Ж. Фабр, говорячи про цінність факту, не мав на увазі про встановлений закон інерції, але волі-по-неволі само по собі напрошується в застосування.
Перевантаження - це один з різновидності станів, у якому перебуває рухоме тіло. Перевантаження - це ще простіше кажучи, все зростаючий прискорений рух тіла під безперервно діючою силою, в даному разі реактивних двигунів космічного корабля. Перевантаження відбувається тільки в русі тіла. А що таке рух тіла? Чи замислювався науковий світ над цією ще не розв'язаною проблемою? З точки зору фізики таке явище досить добре зрозуміле. А з філософськи-природничої?
Рух і спокій тіла (звісно відносні явища) - це дві сторони однієї і тієї ж медалі, тобто два стани, в яких може перебувати фізичне тіло, згідно виниклих для цього відповідних умов.
Якщо на одній стороні медалі дуже багато написано, то на зворотній лише одна позначка. Так само можна охарактеризувати цих два стани. Якщо тіло перебуває в стані спокою, воно має лише одну властивість в буквальному змісті цього слова. Але коли воно перебуває в стані руху, воно не одну властивість проявляє. Зі зміною зовнішнього впливу, відбуваються і зміни прояву його поведінки. Чи не говорить все це разом взяте, що в самому фізичному тілі закладені які-то незрозумілі ще досконало закони природи, які й керують його поведінкою під дією зовнішніх впливів? Мабуть, що так.
Які ж погляди на це побутують зараз в науці? С.У. Гончаренко в своїй книзі "Фізика для допитливих" робить викладку про інерцію.
"Інерція тіл полягає також і в тому, що зміна руху тіла під дією сил здійснюється не миттєво, а відбувається в часі.
З поняттям інерції пов'язано багато непорозумінь, частина яких міцно вкоренилася і стала вже традиційною. Можливо внаслідок того, що досить часто в побуті, а іноді і в науці терміном "інерція" або "інертність" позначають лінощі, в'ялість, пасивність тощо, досить популярним є міркування, що інерція тіла ніби відображає його пасивність, неподатливість або навіть опір дії сили. На основі того, що масивне тіло важче зрушити з місця, ніж тіло малої маси (навіть при відсутності тертя), а якщо масивне тіло рухається, то його важче зупинити або змінити його рух, роблять висновок, що масивніше тіло сильніше опирається дії сил, ніж тіло з меншою масою.
Такі міркування на перший погляд здаються досить переконливими, але насправді є поверхневими і такими, що перекручують точний смисл механіки. Очевидно, певну роль у такому тлумаченні поняття інерції відіграло вживання не зовсім вдалих виразів Ньютоном. Згідно з вченням Ньютона, кожному тілу властиве вперте намагання до збереження стану спокою або таке ж вперте намагання до збереження рівномірного і прямолінійного руху. Проте такі помилкові твердження можна зустріти досить часто в художній літературі" (с.46).
Запитується, хто ж каламутить воду? Хто ж ці помилкові твердження випинає як істину, а істину називає помилковим поглядом. Ньютон, чи автор наведеного уривку з книги?
А щодо термінології слів "інерція", "інертність" слід би поговорити окремо, як про одне невеличке гальмо в науці але великого значення.
Приведемо приклад ще одного судження з приводу ньютонівського погляду на матерію і її властивість із книги Б.Г. Кузнецова "От Галилея до Эйнштейна" с 56. "В третьому визначенні Ньютон говорить: Природжена сила матерії є притаманна їй властивість опиратися, згідно якої всяке окремо взяте тіло, оскільки воно представлене само собі, утримує свій стан спокою або рівномірного і прямолінійного руху".
Які ж зауваження з приводу такого визначення формулювання дає Кузнєцов?
"Варто підкреслити, - пише він, - що це формулювання зовсім не співпадає з принципом інерції, зокрема з першим ньютонівським законом руху. Тут мова ведеться не про рух, а про матерію, про її природу і її невід'ємну динамічну властивість. Інерція в смислі збереження швидкості прямолінійного рівномірного руху була достатньо чітко сформульована до Ньютона. Тут підкреслюється інша сторона справи: властивість опору є природжена властивість тіла не тільки зберігати, але й утримувати свій стан".
Якщо так, то запитується: яка ж відмінність між поняттям матерія і тіло? Хіба ж це не одне і те ж саме? Якщо ми говоримо про тіло, то розуміємо під цим терміном, як якесь матеріальне утворення. Якщо ж говоримо про матерію і маємо на увазі про її динамічний стан чи то спокою, чи руху, то знову ж таки розуміємо не всю сукупність форм матерії Всесвіту а якесь окреме чітко уявиме або відоме для прикладу тіло.
Якщо Ньютон вжив термін "матерія" то це не значить, що він не мав на увазі будь-які фізичні тіла з притаманними їм природними властивостями.
Якщо ми говоримо або формулюємо перший закон Ньютона про рух, то знову ж таки навіть в своїй уяві відтворюємо якийсь предмет - тіло, що лежить нерухомо або проноситься перед нашим мислимим взором.
То чому ж не співпадає ньютонівське формулювання з його першим законом - із законом інерції? Відповідь одна: неосмислено те, про що хотів сказати Ньютон. І дехто цю не осмисленість намагається зо всіх сил захистити, опираючись на те ж саме формулювання першого закону Ньютона.
Цікаво, що іноді сам Ньютон висовував цілком правильні тези на основі спостережень, але не вникав у їх суть глибоко-мислено, що й приводило до невірних тлумачень і роз'яснень цих тез. Про таке можна вести розмову з приводу іншої теми. А поки-що зупинимося на його правильному розумінні властивостей матерії при різних умовах її існування.
Будь-якому фізичному тілу, як реально-існуючому матеріальному утворенню властива сила опору при переході з одного стану в інший. Це не залежить від нашого бажання, щоб воно було так, а не по-іншому. І як би не намагалися механіки сучасні та і взагалі послідовники Галілея доводити навіть найвитонченішими хитромудрими запереченнями істинності буття, завжди будуть приречені на провал, якщо не йтимуть із непохитними законами матеріального світу. А причиною такого становища є перш за все посилка на неправильно сформульований закон інерції, що явно суперечить дійсному стану оточуючої нас природи.
Хіба ж то неправда, "що масивне тіло важче зрушити з місця, - як про це пише Гончаренко, - ніж тіло малої маси (навіть при відсутності тертя)"?
То чому ж тоді неправильно "роблять висновки, що масивне тіло сильніше опирається дії сил, ніж тіло з меншою масою"? Вже очевиднішого й не може бути, щоб так переконливо говорило само про себе. Та і сам Гончаренко на двозначно зауважує, що "такі міркування на перший погляд здаються досить непереконливими". Проте він в ці переконливі доводи зовсім не охочий вірити і сприймати по-реальному, бо "насправді є поверхневими і такими, що перекручують точний смисл понять механіки". І тут він знаходить своє оправдання. Вже стало відомо, які значення мають ці закони механіки.
Тут просто напрошується запитання по цілком природним мотивам: хто кого перекручує - механіка природу, чи природа механіку? А послідуюче, стосовне до першого: що від чого залежне, механіка від природи, чи природа від механіки? Мабуть, що природа від "точного смислу механіки", від того, як людина хоче бачити природу в своєму розумінні. А тому й не дивно, що всю вину за таке непорозуміння переноситься на Ньютона, бо він, мовляв, "вжив зовсім не вдалий вираз".
Вираз то вдалий, та тільки невдалий тлумач, що не бачать кричущих протиріч перед самісіньким носом. Де ж логіка? Щоб безпосередньо стикатися з реальністю, з незаперечною дійсністю і не вірити їй, бо не вкладається в зміст завчених слів кимось-то і колись-то давно сказаними.
Народна мудрість твердить: краще один раз побачити, а ніж сто разів почути. Та в механіків виходить навпаки.
Подивимося, як Горчаренко намагається захистити точний смисл механіки наперекір природі. "Звичайно, ні про яку впертість, непіддатливість тіла дії сили не може й бути мови - впевнено заявляє. Навпаки, воно, можна сказати, цілком "слухняне" силі: тіло набуває прискорення, як тільки на нього подіє сила. Безумовно, якщо треба розігнати тіло до певної швидкості дією деякої сили, то на масивне тіло доведеться діяти цій силі значно довше, ніж на тіло меншої маси".
Де ж самокритичний аналіз сказаного? Викладеними словами відображена реальність, в дійсності так, як воно є насправді. Але чи осмислювалося сказане? Ні. Зовсім не осмислювалося. Сам же автор стверджує те, чому тільки що суперечив.
Запитати б самого себе: навіщо ж прикладати силу, якщо будь-яке фізичне тіло слухняне і не володіє природним опором тобто намаганням зберегти свій попередній стан, в якому воно перебувало до часу впливу на нього? Якби тіла були слухняніші і не володіли такою природженою властивістю, то варто було б лише легесенько доторкнутися чи то до горошини, чи то до глиби граніту в декілька десятків кубічних метрів, як те і друге помчалося б в бажаному напрямі. Навіщо ж тоді існувала б сила? І комар міг би гори перевертати. А щодо людини, то й важко уявити, які б вона чудеса творила навіть без найсучаснішої техніки. Гарна ідея для письменника-фантаста.
Та замість того, щоб хоч на мить задуматися, що таке сила, коли і для чого вона застосовується, яке практичне значення її взагалі в природі, автор ревниво обертає ідею, прийняту за істину і пре проти факту.
"Однак це не означає, що масивне тіло чинить опір дії на нього сили". Просто важко збагнути, щоб ще ясніше переконати, що дійсно коли до тіла прикладається сила, то їй відповідає така ж сама сила опору. Та із самої повсякденної практики видно, що перемагає та сила, яка перевершує по своїй величині супротивну.
Гончаренко замість осмислювання дійсного стану речей при застосуванні сили, спирає всю вину на час і тільки в цім вбачає розв'язання проблеми.
"Всякий фізичний процес відбувається в часі, але час не є ознакою опору". (Для підсилення наводить приклад про миску борщу). Навпаки, час якраз і являється тим основним мірилом, яке й визначає силу опору до прикладеної сили.
Після наведення абсурдного прикладу з мискою борщу, він усе-таки відстоює свою концепцію. "Так само позбавлене всякого смислу міркування про те, що тіло спочатку упирається, протидіє дії сили, а потім підкоряється і приходить в рух, продовжуючи і під час руху упиратися в своєму "небажанні" рухатися.
Упертості тіла дії на нього сил не існує. Навпаки, можна сказати, що тіла цілком "слухняні": тіло миттєво подається дії будь-якої сили, якщо тільки ця сила не врівноважується тертям, або іншими силами, прикладеними до того ж тіла".
Ну, якщо вже таке говорити і насаджувати своє безглуздя читачеві, то для загальної оцінки сказаного, відповідного терміну в лексиконі не існує. Це все одно, що на щось дивитися цілком здоровими очима і нічого не бачити, а уявляти себе Гулівером серед розкиданого лебединого пір'я.
Цікаво, чому б не навести конкретного прикладу із повсякденного життя людини, щоб вона миттєво перемістила вантажі чи ще щось. Адже нічого переконливішого не існує, як сам факт, що стверджує теорію. Теорія то є, а факти до неї відсутні. Навпаки, факти, про які намагається пояснити теорія, заперечують її. Явний софізм. А раз так, то одне з двох щось невірне. А таким буде не сам факт, а теорія. Характерно те, що автор говорить про правду і зразу ж її перекручує на неправду як навмисне. І софізм і не софізм.
Автор намагається відшукати причину, коли не вдається зрушити важкий камінь з місця зовсім в іншому напрямі, не в природній властивості самого тіла, а в його оточуючому середовищі.
"Якщо нам не вдається зрушити з місця важкий то це не тому, що він сам упирається, нашим зусиллям протидіє, а тому, що нашим зусиллям протидіє сила тертя. Коли б тертя не існувало, то ми могли б будь-яке тіло, яким би масивним воно не було, наймізернішою за величиною силою розігнати до дуже великих швидкостей. Для цього потрібен був би лише час".
Однак і тут конкретного прикладу не наводиться, як саме таке можна було б здійснити. Не всебічно до такого твердження підходив і сам автор сказаного. Якщо він мав на увазі лише горизонтальний рух тіла по поверхні площини, то дійсно тут існує сила тертя. Але напрям руху предмета може бути яким завгодно: під кутом до площини, вгору. То хіба скрізь існує тертя спокою. Можна взяти напрям, де зовсім буде відсутнє тертя спокою, якщо нехтувати опором повітря, наприклад, вверх або під великим кутом до площини.
Візьмемо за приклад десяти-кілограмову гирю. Маса її невелика і цілком слухняна відповідно до наших мускульних зусиль. Чи можемо ми практично переконатися в упертості даної маси?
Підняти в десять кілограм гирю може навіть школяр, не говорячи про дорослу людину. Якщо ми можемо однією рукою підняти гирю, то це вже говорить, що мускульні зусилля не зрівноважують ні з силами тертя, ні з силою тяжіння, а переважають їх.
Але чи миттєво ми піднімаємо гирю, як про таке можливе говорить Гончаренко? Ні, ми підіймаємо її повільно приблизно на висоту 1 м.
А от спробуйте підняти її на таку висоту миттєво, чи зможе це зробити навіть силач? Ні. Чому? Маса тіла, яка прагне весь час до збереження стану спокою дійсно чинить опір і лише повільно піддається переважаючим впливовим силам у певному пропорціональному відношенні в часі. Чим важче тіло, тим повільніше ми його піднімаємо, бо переважаюча сила не набагато вище за силу опору. І нехай те не дивує, що менш масивні предмети легше піддаються дії зовнішньої сили, бо ми тут не враховуємо кратного відношення прикладеної сили, до сили опору предмета.
Спробуйте жбурнути цю гирю, як грудку. Вдасться? Адже ми її підняли . Значить перебороли силу опору стану спокою. То чому ми при такому ж прикладанні зусиль не можемо гирі надати такого прискорення, щоб вона перейшла в стан самостійного руху хоча б десятків два-три метрів прямолінійно. Скажемо, що не вистачає в нас на це сили. Чому не вистачає? А тому, що силу земного тяжіння ми перебороли, але крім сили гравітаційної маси, маса володіє і ще властивістю зберігати стан спокою, навіть тоді, коли цій масі надано деякої кількості руху.
Якщо ми піднімали гирю, то це ще не значить, що ми надавали їй прискорення такого, аби вона могла самостійно продовжувати рух по траєкторії. Чому для надання тілу прискорення аби воно могло перейти в стан самостійного руху - руху по інерції, потрібно прикласти набагато більше зусиль, чим при звичайному повільному русі? Чи не тому, що потрібно переборювати протягом певного відрізку часу оту впертість до збереження стану спокою? Що тут є неправильного?
Так що, це пусті слова, коли ми думаємо, що наймізернішою силою можна було б розігнати до великої швидкості якийсь найважчий предмет. А не можемо тому, що існує тертя. Тертя - це ще не причина, а лише ширма, яка прикриває наші незнання.
"Досить часто, - продовжує Гончаренко, - вживані терміни "опір інерції", "подолати інертність тіла" тощо не виражають нічого реального.
Опору інерції просто не існує, і треба долати не інерцію тіла, а тертя спокою, щоб зрушити з місця предмет.
Вираз "подолати інертність тіла" взагалі позбавлений смислу. Інертність (або інерція) є невід'ємною властивістю матерії, вона притаманна всім без винятку тілам природи, а тому не можна говорити про подолання цієї властивості або про надання її тілу".
Реально чи нереально вживають такі терміни вже говорилося. Це питання ще ясніше і зрозумілішим стане, коли торкнеться справа самої термінології, яку пошито на один копит, на одну ногу.
Змішане поняття "інерція" і "інертність" і вносить ту плутанину, яку важко осмислювати й оперувати фактами, а це все приводить до невірних пояснень явищ природи особливо в механіці.
Перевантаження під час руху – що це?
Таким чином, скільки потрібно було здавалось би, зайвого розгляду другорядних питань, щоб підійти до визначення, що таке перевантаження.
Перевантаження - це є невід'ємна природжена властивість тіла намагатись зберегти стан спокою, тобто опиратися дії сили, яка по своєму характеру являється наростаючою в кожну послідуючу мить, під дією якої тіло не встигає набирати інерційного руху. Це і обґрунтовується законом інертності. Якщо на певному відрізку часу і шляху тіло набуло однієї швидкості і могло б рухатися вже самостійно, на нього зразу ж діє нова сила ще до більшого прискорення. Тіло як би безперервно чинить опір такому наростанню швидкості. Природна властивість прискорення, видно, має свою межу, коли постійно переважаюча сила впливу на тіло і його придбана швидкість співпадають і врівноважуються. Це одиниця прискорення земного тяжіння що дорівнює 9,8 м/с2. А якщо вплив сили перевершує величину земного тяжіння в певну кількість разів, у стільки й разів зростає опір тіла до прискореного руху. З кількісної сторони пояснення знайдено.
Це стосується перевантаження, яке виникає під час запуску космічних кораблів.
Перевантаження при посадці - це вже іншої природи. Тіло набуло швидкості і намагається зберегти її. Та вступає в силу закон інерції. І на шляху такого руху постає реакція двигунів гальмування.
Якщо перше перевантаження - вияв сили інертності, то друге - вияв сили інерції.
На закінчення хочеться сказати словами арабського афоризму: як багато треба знати, щоб знати, як мало ми знаємо!
