ВСЕЛЕНАТА НА НЮТОН - Студиопедия
Сегашните ни представи за движението на телата се връщат към Галилей и Нютон. Преди тях хората вярват на Аристотел, който твърди, че естественото състояние на тялото е покой и то се движи само под въздействието на сила или импулс. От това следва, че тежкото тяло трябва да пада по-бързо от лекото, защото е по-силно привлечено от Земята.
Аристотеловата традиция също така провъзгласява, че всички закони, управляващи Вселената, могат да бъдат изведени чрез чиста спекулация, без експериментална проверка. Следователно преди Галилей никой не си е направил труда да провери дали телата с различна маса наистина падат с различна скорост.
Твърди се, че Галилей демонстрира неверността на твърдението на Аристотел, като хвърля предмети от наклонена кула в италианския град Пиза. Тази история най-вероятно е измислена, но Галилей направи нещо подобно: той търкаля топки с различни маси върху гладка наклонена равнина. Това е подобно на вертикалното падане на тела, но поради по-ниските скорости в такъв експеримент е по-лесно да се правят наблюдения.
Измерванията на Галилей показват, че скоростта на телата нараства еднакво независимо от тяхната маса. Например, ако пуснете топка по наклонена равнина, която пада един метър на всеки десет метра, тогава независимо от масата, след секунда тя ще се движи със скорост около един метър в секунда, след две секунди - два метра в секунда и т.н.
Разбира се, оловното тяло пада по-бързо от перото, но само защото падането на перото се забавя от съпротивлението на въздуха. Две тела, които не изпитват значително въздушно съпротивление, например две оловни тежести с различни маси, ще паднат с еднакво ускорение. (Скоро ще разберем защо.) На Луната, където няма въздух, който да забави падането, астронавтът Дейвид Р. Скот прекараекспериментира, хвърляйки перо и парче олово, и се увери, че те едновременно падат на земята.
Нютон поставя измерванията на Галилей в основата на своите закони за движение. В експериментите на Галилей тяло се търкаля по наклонена равнина под действието на постоянна сила, която му придава постоянно ускорение. Това показа, че истинският ефект от действието на силата е промяна в скоростта на тялото, а не привеждането му в движение, както се смяташе досега. От това също следва, че докато тялото не е подложено на никаква сила, то се движи по права линия с постоянна скорост. Тази идея, за първи път ясно заявена в Елементите (1687), е известна като първия закон на Нютон [6].
Поведението на тялото под действието на сила се описва от втория закон на Нютон. Той твърди, че тялото ще се ускори, тоест ще промени скоростта си със скорост, пропорционална на големината на приложената сила. (Например, ускорението ще се удвои, ако силата се удвои.) Освен това ускорението на едно тяло е толкова по-малко, колкото по-голяма е неговата маса, тоест количеството материя. (Същата сила, действаща върху тяло с двойно по-голяма маса, дава половината от ускорението.) Всеки, който е работил с автомобили, знае, че колкото по-мощен е двигателят, толкова по-голямо е ускорението, а при същата мощност на двигателя по-тежката кола ускорява по-бавно.
В допълнение към законите на движението, които описват как телата реагират на силите, теорията на Нютон за гравитацията описва как да се определи величината на един конкретен вид сила, гравитацията. Както вече споменахме, според тази теория всеки две тела се привличат едно към друго със сила, пропорционална на техните маси. Тоест силата на привличане между две тела се удвоява, ако масата на едно от телата се удвои, например тялото А (фиг. 4). Това е съвсем естествено, тъй като може да се обмисли новтяло А като две тела, всяко от които има начална маса и привлича тяло В с начална сила. Така общата сила на взаимно привличане на телата А и В ще бъде два пъти по-голяма от първоначалната. И ако масата на едно от телата се увеличи шест пъти или масата на едното се удвои, а другото се утрои, тогава силата на привличане между тях ще се увеличи шест пъти.
Сега можете да разберете защо всички тела падат с еднакво ускорение. Според закона за всемирното притегляне това на две тела, чиято маса е два пъти по-голяма, се привлича два пъти по-силно от Земята. Но в съответствие с втория закон на Нютон, поради удвоената маса, неговото ускорение ще бъде наполовина по-малко за единица сила. По този начин тези два ефекта взаимно се компенсират и ускорението поради гравитацията не зависи от масата на тялото.
Законът за гравитацията на Нютон също гласи, че колкото по-далеч са обектите, толкова по-слабо е тяхното привличане. Според Нютон гравитацията на далечна звезда ще бъде точно четири пъти по-слаба от привличането на същата звезда, която е два пъти по-близо. Този закон позволява да се предвидят траекториите на Земята, Луната и планетите с най-висока точност. Ако гравитационното привличане на една звезда намалява по-бързо или по-бавно с разстоянието, орбитите на планетите няма да са елиптични, а ще бъдат под формата на спирала, сближаваща се към или отклоняваща се от Слънцето.
Фиг. 4. Гравитационно привличане на композитни тела.
Ако масата на едно от телата се удвои, силата на привличане между телата се удвоява.
Най-важната разлика между учението на Аристотел и идеите на Галилей и Нютон е, че Аристотел смята покоя за естествено състояние на всяко тяло, към което то се стреми, ако не изпитва действието на някаква сила или импулс. По-специално, Аристотел вярва, че земята е в покой. Но отЗаконите на Нютон предполагат, че няма уникален стандарт за почивка.
Можем да кажем, че тяло A е в покой, а тяло B се движи спрямо него с постоянна скорост или че тяло B е в покой, а тяло A се движи, и двете твърдения ще бъдат еднакво верни.
Например, ако забравим за момент, че земята се върти около оста си и се върти около слънцето, тогава е еднакво възможно да кажем, че земята е в покой и влакът се движи на север по нея със скорост от деветдесет мили в час, или че влакът е в покой и земята се движи на юг със скорост от деветдесет мили в час.
Ако провеждате експерименти с движещи се тела във влак, всички закони на Нютон ще бъдат потвърдени. Например, играта на пинг-понг във вагон гарантира, че топката се подчинява на законите на Нютон по същия начин, както топката на масата до пътя. Така че е невъзможно да се разбере какво точно се движи - влакът или Земята.
Как да проверим кой е прав - Нютон или Аристотел? Ето един възможен експеримент. Представете си, че се намирате в затворен контейнер и не знаете дали е на пода на вагон в движещ се влак или върху твърдата повърхност на Земята, стандартът за почивка според Аристотел. Можете ли да определите къде се намирате? Ако мога, Аристотел вероятно е бил прав: състоянието на покой на Земята е специално. Това обаче не е възможно. Експериментите, извършени вътре в контейнер на движещ се влак, ще продължат точно по същия начин като тези, извършени вътре в контейнер на „стационарна“ платформа (предполагаме, че влакът не изпитва удари, не се обръща и не спира). Докато играете пинг-понг във вагон, може да откриете, че топката се държи точно по същия начин като топката на масата до пътя. И ако, докато сте вътре в контейнера, играете пинг-понг, с различнискорости на влака спрямо земята - 0,50 или 90 мили в час - топката винаги ще се държи по същия начин. Ето как работи светът, което се отразява в уравненията на законите на Нютон: няма как да разберем какво се движи - влакът или Земята. Концепцията за движение има смисъл само ако е дадена спрямо други обекти.
Има ли значение кой е прав - Аристотел или Нютон? Дали става въпрос за разлика във възгледите, философските системи или това е важен за науката проблем? Липсата на абсолютен стандарт на покой има далечни последици във физиката: от това следва, че е невъзможно да се определи дали две събития, случили се в различно време, са се случили на едно и също място.
За да стане ясно това, нека приемем, че някой във влак хвърля топка за тенис вертикално върху маса. Топката отскача нагоре и след секунда се удря отново на същото място на повърхността на масата. За лицето, което е хвърлило топката, разстоянието между точките на първия и втория контакт ще бъде равно на нула. Но за някой, който стои извън колата, двете докосвания ще бъдат разделени от приблизително четиридесет метра, защото толкова време ще измине влакът между два отскока на топката (фиг. 5). Според Нютон и двамата хора имат еднакво право да вярват, че са в покой, така че и двете гледни точки са еднакво приемливи. Никой от тях няма предимство пред другия, противно на това, което вярваше Аристотел. Местата, където се наблюдават събитията и разстоянията между тях са различни за човека във влака и този на перона и няма причина да предпочитате едното наблюдение пред другото.
Фиг. 5. Относителност на разстоянието.
Разстоянието, което едно тяло изминава - и неговият път - могат да бъдат оценени по различен начин от различни наблюдатели.
Нютон беше много притеснен от липсата на абсолютни позиции,или абсолютно пространство, както беше обичайно да се казва, защото това не беше в съгласие с идеята му за абсолютен Бог. Всъщност той отказва да приеме липсата на абсолютно пространство, въпреки факта, че неговите закони го предполагат. Той беше критикуван за тази ирационална вяра от мнозина, особено от епископ Бъркли, философ, който вярваше, че всички материални тела, пространство и време са илюзия. Когато известният д-р Джонсън беше запознат с мнението на Бъркли, той възкликна: „Опровергавам го така!“ и ритна голям камък.
И Аристотел, и Нютон вярваха в абсолютното време. Тоест те вярваха, че е възможно недвусмислено да се измери интервалът от време между две събития и получената стойност ще бъде същата, без значение кой я е измерил, ако се използва точен часовник. За разлика от абсолютното пространство, абсолютното времесъответствана законите на Нютон. И повечето хора смятат, че това е здрав разум.
Въпреки това през ХХ век физиците бяха принудени да преосмислят представите си за времето и пространството. Както ще видим по-късно, учените са открили, че интервалът от време между две събития, подобно на разстоянието между отскоците на топка за тенис, зависи от наблюдателя. Физиците също са открили, че времето не е напълно независимо от пространството.
Ключът към прозрението беше новото разбиране на свойствата на светлината. Тези свойства, изглежда, противоречат на нашия опит, но нашият здрав разум, който редовно ни служи, когато имаме работа с ябълки или планети, които се движат сравнително бавно, престава да работи в света на почти светлинни скорости.
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката: