Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах

Это пособие разработано в помощь преподавателям физики средней школы.

Приведенные в книге нетрадиционные, а порой и парадоксальные сведения по основному разделу физики – механике – должны повысить интерес школьников к изучению дисциплины, побудить к творческому мышлению, предметным дискуссиям с товарищами и преподавателями.

Материал пособия представлен в форме вопросов и ответов. Он может использоваться на уроке во время изложения новых сведений или проведения дискуссии, а также задаваться на дом для самостоятельного поиска решения.

Парадоксы механики, несомненно, привлекут внимание даже самых инертных учеников. Возможно, некоторые вопросы окажутся слишком сложными для учеников обычной, неспециализированной школы, но автор надеется, что в этом случае сам учитель с интересом отнесется к приведенным рассуждениям и выкладкам.

Отдельный интерес представляет информация о новых и малоизвестных приложениях механики в технике. Например, вопросы о накоплении кинетической энергии в маховиках, способах получения электроэнергии и даже непосредственно тепла из ветра. Приложения механики особенно интересуют старшеклассников, в большинстве своем уже неплохо знакомых с техникой.

Материал пособия в течение многих лет отрабатывался автором – профессором механики, доктором технических наук, заведующим кафедрой Московского государственного индустриального университета – при преподавании физики школьникам на подготовительном отделении университета, а также при преподавании теоретической механики студентам.

1.1. Вопрос. Что представляет собой модель мира Клавдия Птолемея (87-165), в течение полутора тысячелетий формировавшая представления человека о Вселенной?

Ответ. В центре мира находится неподвижная Земля, а вокруг нее вращаются планеты – Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, а также так называемая «сфера звезд». Земля при этом считается неподвижной: она не вращается не только вокруг Солнца или какой-нибудь другой планеты, но даже вокруг своей оси.

1.2. Вопрос. Были ли видные астрономы после Николая Коперника (1473–1543), которые считали Землю неподвижной?

Ответ. Родившийся почти через полторы тысячи лет после Птолемея и через три года после смерти Коперника великий датский астроном Тихо Браге (1546–1601), которому хорошо была известна система мира Коперника, где неподвижным центром считалось Солнце, все-таки создает свою систему мира, где неподвижной продолжает считаться Земля. Она – в центре мира, вокруг нее вращается Луна, чуть дальше – Солнце, а уже вокруг него «крутятся» все остальные планеты. Тихо Браге, несомненно превосходивший Коперника в своих знаниях и достижениях как астроном, все-таки настаивал на неподвижности Земли, и в этом был глубокий смысл, понятный из следующего вопроса.

1.3. Вопрос. Красивая легенда приписывает Галилео Галилею (1564–1642) изречение, которое он, якобы, топнув ногой, произнес на суде инквизиции. «А все-таки она вертится!» – заявил он, имея в виду Землю. Но если бы Галилей действительно это сказал, как любой из судей мог остроумно возразить ученому?

Ответ. Судье надо было спросить Галилея: «Если Земля действительно вертится, то почему мы все с нее не разлетаемся в разные стороны, как камешки и грязь с вращающегося колеса? Что удерживает нас в таком случае на поверхности вертящейся Земли?» И Галилею нечего было бы на это ответить – ведь он не знал о законе всемирного тяготения, который был открыт позже Ньютоном. Своим тяготением Земля не дает предметам, находящимся на ее поверхности, сначала сползти на экватор, а потом и вовсе оторваться от Земли и улететь в Космос. Вращайся Земля раз в 17 (!) быстрее, так оно и было бы – не хватило бы сил тяготения. Но Галилей и не предполагал, что небесные тела притягивают друг друга. Более того, Галилея этот вопрос не очень-то и занимал. В своих «Беседах…» [5] он прямо заявляет, что сейчас не время для занятия вопросом о причинах ускоренного движения (например, падения тел под действием сил гравитации), и будет достаточно лишь исследовать его безотносительно к причинам. Видимо он, как и Аристотель, считал, что «естественное место» тяжелых тел – внизу, а легких, например облаков, – наверху. Но ведь и облака не уносятся прочь в космос при вращении Земли, хотя их вроде бы ничто не удерживает на своем месте. Незнание закона всемирного тяготения приводило к колоссальной путанице в умах людей того времени и тем значительнее заслуга Ньютона в его открытии.