Эрик Роджерс: Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Человечество, разумеется, не собирало знания таким путем.

Люди не говорили: «Мы отправимся в лабораторию и будем проводить эксперименты». Они экспериментировали повседневно, изучая ремесла или создавая новые машины. Своего рода опыты мы проводим в течение всей нашей жизни. В детстве ванна и игрушки служили оборудованием вашей первой физической лаборатории. Там вы познали реальный мир, но это мало дало вам в смысле приобретения систематических научных знаний. Например, научили ли вас игрушки тому, что вы сейчас узнали, наблюдая за падающими телами?

По мере своего развития человечество приобретало не только знания, но и предрассудки. Профессиональные секреты и традиции ремесленников уступили место организованному познанию природы, которое шло от авторитетов и сохранялось в признанных печатных трудах.

Это было началом настоящей науки. Из опытов с падающими телами вы, несомненно, извлекли какие-то научные познания.

Вы установили, что маленький и большой камни, выпущенные из рук одновременно, падают с одинаковой скоростью [1] Если вы не проделывали этого опыта, вам теперь известен, по крайней мере отчасти, результат. При чтении книги, подобной этой, можно, забежав вперед, найти ответы на вопросы, которые вам предлагают решить. Но, разгадывая кроссворд, глупо заглядывать в ответы, или, читая детективную повесть, не очень интересно сразу узнать, чем она кончается. Здесь же, забегая вперед, вы теряете еще больше — не только интерес к решению задачи, но и чувство реальности науки — и наносите вред собственному образованию. Однако еще не все потеряно. Если вы не проделывали опытов, приступите к ним немедля. Выпустите из рук одновременно полтинник и гривенник и посмотрите, как они падают. Это позволит наблюдать простоту устройства природы. . То же самое можно сказать о кусках свинца, золота, железа, стекла и т. д. самых разных размеров. Из подобных опытов мы выводим простое общее правило: свободное падение всех тел происходит одинаково независимо от размера и материала, из которого тела сделаны .

Этот замечательный и простой факт люди находят удивительным [2] Обратите внимание на то, как вы сами отнесетесь к следующему утверждению: «Два мальчика, большой и маленький, одновременно начинают спускаться с вершины холма на одинаковых велосипедах свободным ходом. Если спуск короткий, они достигают подножия холма одновременно». Утверждение основано на неизменном поведении природы. При длинном спуске мальчики приобретают бóльшие скорости, различие в скорости создает также сопротивление воздуха. . Действительно, некоторые не верят, когда им о нем говорят, но в то же время упорно отказываются проделать простой опыт [3] Все мы во многих вопросах полагаемся на вбитые в нашу голову при домашнем воспитании авторитеты или на здравый смысл; мы боимся поколебать в себе чувство уверенности. Если вы отвергаете это обвинение, то потерпите немного, скоро сами себя на этом поймаете. .

Результат получается поразительный. Разве вы могли предположить, что камень весом 1 кГ будет падать с такой же скоростью, что и камень весом 5 кГ? Разве не более разумно предположить, что камень весом 5 кГ падает в 5 раз быстрее? Тем не менее простой опыт показывает, что куски металла, камни и т. д. весом 1/ 2, 1 и 5 кГ падают одинаково.

Фиг. 2.Свободное падение тел.

Факт, воображаемая картина или точный закон?

Ранний этап изучения свободного падения тел

Какова история развития этой области научного знания?

Между наблюдением за причинной связью явлений и тщательно выполняемым экспериментом, вероятно, долго существовал разрыв. Интерес к движению свободно падающих и брошенных тел возрастал вместе с усовершенствованием оружия. Применение копий, стрел, катапульт и еще более замысловатых «орудий войны» позволило получить примитивные и туманные сведения из области баллистики, но они принимали форму скорее рабочих правил ремесленников, нежели научных познаний, — это были некие несформулированные представления.

Две тысячи лет назад греки думали и писали о природе с подлинно научным интересом. Возможно, их вдохновлял пример начавшейся еще раньше такой же деятельности в Египте и Вавилоне. Греки формулировали правила свободного падения тел и дали им объяснения, но эти правила и объяснения были малообоснованны. Некоторые древние ученые, по-видимому, проводили вполне разумные опыты с падающими телами, но использование в средние века традиционных античных представлений, предложенных Аристотелем (примерно 340 г. до н. э.), скорее запутало вопрос. И эта путаница длилась еще много столетий. Применение пороха значительно повысило интерес к движению тел. Однако первые орудия по-прежнему служили главным образом для устрашения врага, и лишь Галилей (примерно в 1600 г.) заново изложил основы баллистики в виде четких правил, согласующихся с практикой. Эти правила были справедливы для тяжелых пушечных ядер, летящих с малой скоростью, позволяющей пренебречь сопротивлением воздуха. С того времени скорость полета снарядов неуклонно увеличивалась, и сопротивление воздуха становилось все более важным фактором, заставившим видоизменить упрощенное рассмотрение Галилея.