Приступая к изложению своей великой теории механического движения, И. Ньютон прежде всего вводит основные понятия, которые понадобятся ему для формулировки аксиом, принципов или постулатов, того, что мы сейчас привычно называем законами классической механики, законами Ньютона. Это понятия массы, импульса и силы. Вот, например, Определение IV: Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Сила проявляется единственно в действии и по прекращении действия в теле не остаётся. И самое интересное: «Происхождение силы может быть различным, от удара, от давления, от центростремительной силы».
Кроме этой последней фразы всё логично и понятно для любого читателя.
Далее сам Ньютон рассмотрит гравитационное взаимодействие, а к нашим дням физика накопит сведения и о силах иной природы, о которых во времена автора «Начал» было ещё очень мало сведений.
Неопределённость выделенной мысли Ньютона о происхождении силы от силы до сих пор отражается в рассуждениях физиков и других пользователей этой гениальной конструкции Ньютона, описывающей массу явлений в окружающем нас мире.
Последователи Ньютона были менее аккуратны в определениях, и в науке появилось множество сил, совершенно не удовлетворяющих ньютоновой логике – сила тока, электродвижущая сила, и даже так называемая сила поверхностного натяжения совсем не похожи на силы по Ньютону.
Особенно много путаницы накопилось вокруг «силы», которой у Ньютона не было, зато очень популярной после него центробежной силы.
Она появилась в работах более математика, чем физика, французского учёного Даламбера, а закрепил её в физике учёный ещё большего авторитета П. Лаплас..
Талантливый популяризатор науки Гастон Тиссандье (21.11.1843-30.8.1899) в книге «Научные развлечения», переизданной АСТ Астрель в 2008 году пытается объяснить «Действие центробежной силы».
«...Чтобы уяснить себе ее действие, всего лучше произвести следующий опыт. Возьмем простой стакан и опустим его в картонную коробку, к краям которой нужно привязать шнурочки. Нальем в стакан воды и станем вертеть его, как мечут пращой. К общему удовольствию оказывается, что вода при этом не выливается из стакана даже в том положении, когда он обращен кверху дном.
Этот опыт чрезвычайно легко произвести без всякой предварительной подготовки» (С.62-63).
Стало ли понятно происхождение и действие «центробежной силы», удалось ли «уяснить себе её действие»? Любопытно, что прошедшие полтора столетия как-то притупили общее восприятие этого «опыта» и он уже редко кого удивляет. Привыкли. К сожалению, потеряли способность удивляться, и не только при наблюдении этого опыта.. Больш того, непонимание происходящего демонстрируют даже профессиональные физики.
Очень занимательно говорится о силах центростремительных и центробежных в Советском энциклопедическом словаре 1980 года. На странице 1484 сначала по алфавиту идёт
«ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА, сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тела (связи), стесняющие свободу её движения и вынуждающие её двигаться криволинейно. Ц.с. численно равна mv2/r, где m – масса тела, v – его скорость, r – радиус кривизны траектории, и направлена от центра кривизны траектории по её гл. нормали (при движении по окружности – по радиусу от центра окружности). Ц.с. и центростремительная сила равны по величине, направлены противоположно, но действуют на разные тела; центростремительная сила – на движущееся тело, Ц.с. – на связи».
Когда в строгий физический текст встраивются гуманитарные украшения, вроде «стесняющие свободу её движения и вынуждающие её двигаться…» это всегда тревожный сигнал о слабости физики. Зато ни звука не проронил словарь о главном дляфизики – о природе этой силы. Не решились ничего сказать в доказательство того, что эта сила «направлена от центра кривизны траектории по её гл. нормали», а вы поняли, что такое «гл. нормаль»?
Немного ниже совсем элегантно расправляются с другим важным понятием:
«ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ СИЛА, см. ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА.»
И больше нечего сказать о силе центростремительной? Мне кажется, что она не совсем совпадает с центробежной ни по точке приложения, ни по направлению. Только природа у них общая, но об этом не пишет никто и никогда.
Бывает и хуже. К сожалению, слишком часто повторяются утверждения такого типа:
«В классической модели атома водорода, по Н. Бору, центробежная сила УРАВНОВЕШИВАЕТСЯ силой кулоновского притяжения между электроном и атомным ядром (протоном)...» (профессор Крайнов В.П. Соросовский образовательный журнал, 1998, №4, С.60).
Много раньше о том же сказано аналогично: «... равновесие между центробежной силой и силой электрического притяжения будет достигнуто при условии...»
СТРАНАТАН Д.Д. «Частицы» в современной физике. М., 1949. С.208. Кому потребовалось это равновесие? В атоме сила электрического притяжения И ЕСТЬ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ СИЛА, а центробежной я бы назвал ту же самую кулоновскую силу, только действующую на ядро атома со стороны электрона того же атома, но этого не нужно.
И таких примеров по книгам и статьям рассеяно множество.
Даже в области, предельно опасной для жизни человека, трудятся специалисты, явно плохо знакомые с принципами классической механики: «В космическом аппарате, движущемся по орбите вокруг Земли, на тела действуют, помимо силы притяжения, силы инерции: центробежная составляющая ускорения компенсирует ускорение свободного падения g в точках орбиты, и тела оказываются в невесомости».
ВОЛКОВ Пётр Константинович, дфмн, начальник исследовательской лаборатории, Калуга//ПРИРОДА 2001, №11, С.35.
Начальник никак не уточняет понятие «центробежная составляющая ускорения» и не объясняет, как она может «компенсировать» «ускорение свободного падения». И нужно ли что-либо компенсировать в орбитальном полёте? Видимо, всё это предельно просто и понятно не только любому читателю журнала «Природа», но даже доктору физико-математических наук. Только я один не могу увидеть этой компенсации, мне почему-то кажется, что на спуник Земли в орбитальном полёте действует всего лишь одна сила, и это притяжение Земли. Неважно, искусственный это спутник или натуральная Луна.
Для школьников другой популярный журнал поясняет «уравновешивание сил» на другом безотказном примере.
ИСЗ, который зависает над головой наблюдателя, живущего на экваторе: «такой спутник называется суточным – угловая скорость его орбитального движения равняется угловой скорости вращения Земли. Из физики наблюдателю было известно, что в таком относительном равновесии, т.е. в равновесии относительно вращающейся Земли, спутник находится потому, что именно на этой орбите радиусом R уравновешиваются центробежная сила инерции,.. стремящаяся отбросить спутник подальше от оси вращения Земли, и сила земного тяготения,... ласково притягивающая его к центру Земли...»
БЕНОМОР П., БУРОВ А.//КВАНТ 2006, №5, С.34.
Обратите внимание, что и здесь появляется красивое слово «ласково», а ведь оно вызывает некоторые сомнения. А как же оценить сгорание отслуживших космических аппаратов и их обломков в плотных слоях атмосферы? Это тоже ласковая сила обеспечивает.
Даже видный учёный не может не напустить научного тумана в этот раздел механики.
«...Что же такое космический лифт? В его стандартном варианте предлагалось построить БАШНЮ - ТАКУЮ ВЫСОКУЮ, чтобы ЦЕНТРОБЕЖНОЕ УСКОРЕНИЕ ЕЕ ВЕРШИНЫ СТАЛО БОЛЬШЕ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ. Начнем строить ее, скажем, на пятикилометровой вершине Килиманджаро, где земная сила тяжести минимальна, и попробуем дотянуться до высоты геостационарной орбиты, 36 тыс км, а для большей устойчивости еще выше...»
БЯЛКО А.В., дфмн, проф ИТФ//ПРИРОДА 2012, №5, С.61.
Здесь теория стыкуется с практическим проектом, начинается расчёт реальной конструкции, а в основе – заблуждение! Дело в том, что если не полениться взять в руки калькулятор и внести в него два ряда цифр, он быстро выдаст бесстрастный результат: центростремительное ускорение ω2R=0,19м/с2, а ускорение силы тяжести на высоте 36 тысяч километров равно 0,22м/с2. В пределах погрешности вычислений СИЛА ПРИТЯЖЕНИЯ ЗЕМЛИ ИМЕННО И СОЗДАЁТ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОЕ УСКОРЕНИЕ! А вот «ЦЕНТРОБЕЖНОЕ УСКОРЕНИЕ» на таком уровне встречается впервые. Во всяком случае, в природе оно не существует, да и физика прекрасно без него обходится со времени Ньютона и до наших дней.
Старая отличная во многих отношениях книга известного физика на этом самом месте особенно отличается:
«Когда планета вращается вокруг Солнца, сила тяготения сохраняет орбиту круговой, точно так же, как груз на веревке движется по кругу, если вы вращаете его, держа веревку за другой конец. Сила притяжения уравновешивается центробежной силой, которая при круговом движении стремится столкнуть тело с орбиты наружу.
Центробежная сила (натяжение веревки) тем больше, чем больше оборотов в секунду совершает тело. Она увеличивается также и с удлинением радиуса и, разумеется, пропорцинальна массе тела. Легко вычислить центробежной силу, действующую на каждую планету, так как нам известно ее расстояние от Солнца и время обращения.
Центробежная сила точно уравновешивается силой тяготения; поэтому, если мы вычислим центробежной силу на орбите, то тем самым найдем и силу тяготения. Таким способом Ньютон определил силу притяжения планет к Солнцу и спутников планет к самим планетам. Он нашел, что сила тяготения следует очень простому закону: притяжение двух тел прямо пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними».
ВАЙСКОПФ В. Наука и удивительное. М., 1965. С.46.
Забавный пример понимания и практического использования этой самой виртуальной центробежной силы приводится в прекрасной книге, биографии крупного американского физика.
«...Лестница в школе Никольса, на Темпль Плэйс, имела вид узкой спирали с перилами, привинченными к стенам каменного колодца, как внутри маяка. Все мальчики любят ездить по перилам, но здесь этого нельзя было сделать, потому что на них нельзя было сесть – они были слишком близко к стенке. Юный Вуд знал кое-что о центробежной силе и начал экспериментировать с лестницей. Беря старт с разбега вверху ступенек, чтобы набрать скорость, он садился боком на перила и скользил с возрастающей скоростью по спирали до самого дна, где со стуком приземлялся. Другие мальчики восхищались и безуспешно пытались повторить трюк, но Вуд не позволял им смотреть, как он стартует. Это было чудесно. Центробежной силой спину прижимало к сене, появлялась возможность твёрдо сидеть и ты нёсся вниз. Вуд говорит, что он всю жизнь потом хотел найти такую лестницу и повторить номер.
Наконец он посвятил других в свою тайну и в результате через день или два поток хохочущих маленьких мальчиков скатывался по последнему завитку спирали лестницы – прямо на мистера Никольса, который входил с улицы.
Робу вручили письмо к отцу. На следующее утро он был вызван перед всеми школьниками и директор спросил его, что сказал отец, прочитав письмо. Роб весело ответил, что отец сказал, что он счастлив, что не случилось чего-нибудь похуже...»
СИБРУК В. Роберт ВУД, чародей современной физической лаборатории. М., 1978. С.28-29.
За многие годы преподавания на физическом факультете не встретил ни одного студента, который на вопрос: «Сколько сил действуют на естественный спутник Земли, на Луну?» не ответил бы после некоторого размышления и сложного подсчёта: «Две».
Первая сила легко обнаруживается, ведь нет сейчас человека, который не знал бы, не слышал бы о всемирном тяготении. А затем приходится спасаться от падения Луны нам на голову, и придумывать уравновешивающую силу, и это, несомненно, та самая «центробежная сила инерции». Но найти природу и происхождения этой силы никому и никогда не удаётся, потому что в природе ничего этого не существует.
Есть же в этой задаче только гравитационное взаимодействие Земли и Луны. Учитывая размеры и расстояние между двумя телами и соотношение их масс, представляется вполне разумным считать Землю неподвижной точкой, а тогда Луна притягивается к Земле гравитационной силой, и падает на Землю, как любой камень или другой предмет. Допустив на минутку, что в процессе этого падения её ускорение свободного падения оставалось бы неизменным, Луна достигла бы поверхности Земли примерно через полнедели, а поскольку это ускорение всё время увеличивалось бы, «прибытие» Луны произошло бы гораздо раньше.
Что же мешает падению Луны, не ангел же хранитель?!
Конечно, она падает, но когда-то давно она каким-то образом получила точно рассчитанную скорость, перпендикулярную направлению на Землю..
Ещё хуже обстановка на Луне: космонавт увидит нашу голубую планету неподвижно висящую на одной и той же высоте над горизонтом – и она почему-то не падает на Луну.
Заканчивая разговор о простом вращательном движении, мы видим, что вовсе не понадобилась вторая сила, хотя она, несомненно, присутствует: это такая же по природе сила, только приложена она к телу, которое в данной задаче мы считаем неподвижным. Ведь у Ньютона был ещё знаменитый третий закон, по которому силы всегда выступают парно, всегда одной природы и только приложены к разным телам, потому никогда друг друга не уравновешивают.
В этот момент преподаватель может достать из кармана удивительно простое устройство, моделирующее движение Луны вокруг Земли и силы, действующие в этом процессе. На одном конце отрезка шпагата привязана лёгкая игрушка, на другом – гиря или другой груз, а верёвка свободно пропущена через короткую пластиковую трубку. Если взяться рукой за трубку и раскрутить игрушку, она постепенно будет поднимать груз, масса которого значительно превышает массу игрушки. В этом случае роль центростремительной силы играет упругая сила, натяжение верёвки и эта сила приложена к игрушке. Длина верёвки не изменяется, поэтому в неё существует вторая сила той же природы, натяжение, приложенная к массивному грузу. Хотите, можете назвать её центробежной, ведь распрямив мысленно верёвку, мы увидим, что она направлена от оси вращения, а действующая на игрушку сила натяжения верёвки направлена к оси, к центру, и она, конечно, по праву называется центростремительной, создающей центростремительное ускорение.
В принципе ничем не отличается ситуация в атоме, если принять планетарную модель Резерфорда, на которой опробовал свои постулаты Нильс Бор, хотя не видел доказательств существования орбит электронов в атоме, и они ему не понадобились. Мы тоже можем вспомнить, что ускоренно движущийся заряд по классической физике излучает энергию, т.е. запас её в атоме уменьшается, и электрон очень быстро действительно упал бы на ядро. Важнее даже другое – при этом спектр излучения атома не был бы линейчатым, а сплошным и кратким по времени. На самом деле спектр любого атома является его постоянным «паспортом» или визитной карточкой.
А вот попробуйте разглядеть центростремительную силу в стакане Тиссандье или на перилах в школе Вуда! Зато центробежная сила хороша уже тем, что её и искать не нужно, её просто нет в Природе.
При этом я прекрасно понимаю всю тщетность моих размышлений о сущности вращательного движения, даже мои ученики если и соглашаются со мной под давлением аргументов, вскоре забудут всё разумное, а вот ошибки и даже простые оговорки учителя запоминаются навсегда. Но не говорить и не писать об этом не могу. Между прочим, в знаменитой книге И. Ньютона побольше половины объёма отдано обсуждению именно вращательного движения, но слов «центробежная сила» совсем нет.
