Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Моя цель – заставить студентов полюбить физику и сделать так, чтобы они стали смотреть на мир по-другому – на всю оставшуюся жизнь! Я хочу расширять их кругозор, чтобы побудить их задавать вопросы, которые они никогда не задали бы ранее. Моя задача – разблокировать мир физики таким образом, что он соединился с реальным интересом студентов к окружающему миру. Вот почему я всегда стараюсь показать им лес, а не заставляю лазить вверх и вниз по каждому дереву. То же самое я пытался сделать и для вас в этой книге. И искренне надеюсь, что у меня получилось и вам понравилось наше путешествие в мир физики.

Логично было бы предположить, что масса млекопитающего пропорциональна его объему. Сравним, например, щенка с матерым псом в четыре раза большего размера. Предположим, что все линейные размеры взрослой собаки в четыре раза больше размеров щенка: высота и длина тела, длина и толщина лап, объем головы – в общем, все. Если это так, то объем (и, следовательно, масса) взрослой собаки приблизительно в 64 раза больше объема щенка.

Для того чтобы все яснее представить, возьмем параллелепипед со сторонами a, b и c. Его объем будет равен a × b × c. Если увеличить все его стороны в четыре раза, его объем составит 4 a × 4b × 4с, то есть 64abc. Выражаясь более математическим языком, можно сказать, что объем (и, следовательно, масса) млекопитающего пропорционален его размеру в кубе. Если большая собака в четыре раза больше щенка, то ее объем должен быть в четыре в кубе (4³) раз больше, то есть в 64 раза. Таким образом, обозначив длину бедренной кости l , при сравнении млекопитающих разного размера получаем, что их масса должна быть примерно пропорциональна l в кубе ( l ³).

Ну хорошо, с массой разобрались. Далее, прочность бедренной кости млекопитающего, поддерживающей весь его вес, должна быть пропорциональна ее толщине, не так ли? Более толстая кость способна поддерживать больший вес – это интуитивный вывод. Если перевести данную идею на язык математики, то прочность бедренной кости должна быть пропорциональна площади ее поперечного сечения. Данное сечение, грубо говоря, представляет собой круг, а мы знаем, что площадь круга равна π r ², где r – радиус круга. Таким образом, если d диаметр круга, площадь пропорциональна d ².

Обозначим толщину бедренной кости буквой d (от слова диаметр). Тогда, следуя идее Галилео, масса млекопитающего будет пропорциональна d ² (чтобы кости могли выдержать его вес), но она также пропорциональна l ³ (это всегда так, независимо от идей Галилея). Стало быть, если идея Галилея верна, d ² должно быть пропорционально l ³, что равнозначно заявлению о том, что d пропорционально l ³/2.

Если сравнить двух млекопитающих, одно из которых в пять раз больше другого (следовательно, длина l его бедренной кости примерно в пять раз больше), можно ожидать, что толщина d его бедренной кости будет приблизительно в 5 3/2 = 11 раз больше толщины бедренной кости меньшего животного. На своих лекциях я показываю, что длина l бедренной кости слона примерно в 100 раз больше длины бедренной кости мыши; следовательно, если идея Галилео верна, следует ожидать, что толщина d бедренной кости слона приблизительно в 100 3/2 = 1000 раз больше кости мыши.

Таким образом, на определенном этапе роста и развития толщина бедренных костей очень тяжелых млекопитающих должна была бы сравняться с длиной этих костей – или даже стать больше ее, – что сделало бы, по сути, этих животных нежизнеспособными. Очевидно, именно по этой причине мудрая природа ввела максимальные ограничения на размеры млекопитающих.

Закон всемирного тяготения Ньютона можно записать следующим образом:

F тяг – сила гравитационного притяжения между объектами с массой m 1и m 2, а r – расстояние между ними. G – это так называемая гравитационная константа.

Законы Ньютона в принципе позволили нам вычислить по крайней мере массу Солнца и некоторых планет.

Давайте посмотрим, как это работает. Начну с Солнца. Допустим, m 1 – масса Солнца, а m 2 – масса планеты (любой). Предположим, что орбита планеты представляет собой окружность с радиусом r , а ее орбитальный период равен Т ( Т составляет 365,25 дня для Земли, 88 дней для Меркурия и почти 12 лет для Юпитера).