Открытые Галилеем законы движения проложили путь к решению многих
задач механики того времени, и целому поколению физиков хватило бы
работы над ними. Однако выполнил эту работу, по существу, один человек -
английский физик Исаак Ньютон (1643-1727). В предисловии к своему
основному труду <Математические начала натуральной философии> он так
говорит о своей задаче: <Вся трудность физики состоит, по-видимому, в
том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим
силам объяснить остальные явления... Было бы желательно вывести из начал
механики и остальные явления природы> .
В этих словах заключена программа, которая увлекала и вдохновляла
Ньютона и его последователей. До конца прошлого столетия механика
Ньютона служила фундаментом почти для всей физики, а в большинстве
областей техники она сохранила эту роль и до сих пор. Как и ранее,
ньютоновская механика базируется на трех знаменитых законах Ньютона.
1. Все тела сохраняют состояние покоя или прямолинейного равномерного
движения до тех пор, пока на них не действует сила, изменяющая это
состояние.
2. Изменение во времени количества движения пропорционально действующей
силе.
3. Действие всегда равно противодействию.
В первом законе мы вновь узнаем открытый Галилеем принцип инертности,
однако у Ньютона он связывается с понятием силы. Если применить третий
закон к силам, то из него следует, что силы всегда возникают попарно.
Согласно второму закону, сила неразрывно связана с количеством движения,
или импульсом, под которым понимают произведение массы т движущегося
тела на его скорость v. Принцип равенства действия и противодействия
должен быть, таким образом, применим не только к силам, но и к импульса
м2. Мы можем убедиться в этом с помощью небольшого простого устройства.
Оно состоит из трубки, оба конца которой закрыты шариками одинаковых
размеров. Между ними находится небольшой заряд пороха, так что все
устройство напоминает пушку, стреляющую одновременно в обе стороны.
Если, например, шарики сделаны из дерева и алюминия, то отношение их
масс м1/М2 = 1 : 5. После запала оба шарика разлетаются из трубки в
противоположных направлениях (рис. 2).
Рис. 2. К закону сохранения импульса. Дальность
падения шара обратно пропорциональна его массе.
Дальнейший анализ мы будем строить на третьем законе, согласно
которому импульсы шариков должны быть равны: m1v1 = m2v2 или М1:М2 = v2
: v1. При выбранном отношении масс деревянный шарик вылетает из трубки
со скоростью, в пять раз превышающей скорость алюминиевого шарика. Время
полета шариков определяется высотой трубки над горизонтальной
поверхностью. Поскольку, согласно Галилею, все тела падают одинаково
быстро, это время для обоих шариков одинаково, поэтому дальности падения
относятся как 5:1, то есть обратно пропорционально массам шариков.
Запишем приведенное выше уравнение в виде m1 и, м2 v2 = 0 и далее будем
рассматривать обе массы, т, и т2, как принадлежащие одной замкнутой
системе1. Тогда полученное равенство выражает важный и универсальный
закон сохранения импульса. При любых движениях отдельных частей
замкнутой системы ее полный импульс всегда остается постоянным. В нашем
опыте до запала полный импульс обоих шариков, очевидно, равнялся нулю;
он равен нулю и после взрыва, следовательно, полный импульс системы не
изменился.
Закон сохранения импульса особенно наглядно проявляется при движении
ракет. Пусть т, - масса газообразных продуктов сгорания, непрерывным
потоком со скоростью v1 вылетающих из сопла ракеты. Соответственно
импульс, приобретаемый ракетой, по величине должен быть равен импульсу
газов и направлен в противоположную сторону. Ввиду очень большой массы
ракеты т2 ее начальная скорость v2 сравнительно невелика. Однако по мере
сгорания горючего ракета становится легче, так что в конечном счете она
достигает требуемой скорости полета.
