Законы Ньютона прежде и теперь
Классическая механика Ньютона наглядно объясняет закономерности нашего мира при скоростях, далеких от скорости света. В ее основе лежат три закона, которые английский ученый Исаак Ньютон впервые сформулировал в 1687 г. в своей книге «Математические начала натуральной философии». Надо сказать, что сегодня они формулируются несколько по-другому — более точно.
Формулировка первого закона была следующей: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние. Сегодня закон излагают немного не так, потому что Ньютон опирался на неподвижную систему отсчета, то есть на абсолютное пространство-время, с чем современная физика не согласна. Кроме того, понятие «тело» заменено на понятие «материальная точка», потому что тело конечных размеров в отсутствие внешних сил способно также вращаться. Таким образом, первый закон утверждает, что, если уже движущееся тело не трогать, оно будет по инерции продолжать двигаться по прямой. Инерция — это такое свойство тела, при котором скорость его движения остается неизменной и по величине, и по направлению, когда на него не действуют никакие силы. Чтобы изменить скорость движения тела или заставить неподвижное тело двигаться, на него нужно воздействовать с определенной силой. Разумеется, одинаковые силы воздействуют на различные тела по-разному. Иными словами, у тел имеется различная инертность, то есть свойство сопротивляться изменению скорости. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.
Современная формулировка звучит следующим образом: существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
Итак, с помощью первого закона Ньютона определяется, находится ли тело под воздействием внешних сил.
Второй закон Ньютона в классической формулировке выглядит так: изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
Современная формулировка звучит так: в инерциальной системе отсчета ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально ее массе.
Таким образом, второй закон показывает, что происходит с телом (материальной точкой) под воздействием внешних сил. Кроме того, он вводит массу как меру проявления инертности и связывает ее с ускорением. Чем больше приложенная к телу сила (точнее, сумма сил), тем большее ускорение оно приобретает, а чем массивнее это тело, тем меньше ускорение. В виде формулы второй закон записывается так:
F=ma
где F — сила, m — масса, a — ускорение. Отсюда видно, что ускорение обратно пропорционально массе, то есть чем больше масса, тем меньше ускорение при приложении определенной силы.
И если знать направление и интенсивность всех действующих на точку (тело) сил, а также ее координаты и скорость, то можно предсказать будущее состояние этой точки. Такая концепция существовала в науке более 200 лет, пока не появилась квантовая механика.
Третий закон в классической формулировке выглядит следующим образом: действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.
Сегодня он звучит так: материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.
Иными словами, согласно этому закону, любая сила является результатом взаимодействия других сил. Однако они могут значительно отличаться по величине. Когда с дерева падает яблоко, не только Земля притягивает его, но и оно притягивает Землю, и центр планеты смещается вверх, навстречу яблоку. Но на ничтожно малое расстояние — меньше диаметра атомного ядра. Ведь масса Земли, а значит, и ее инертность, несопоставимо больше массы яблока. И здесь уже работает второй закон Ньютона.
Вообще тела при движении нередко наглядно демонстрируют действие всех трех законов. Например, при запуске ракеты на нее действует сила реактивной тяги, и ракета поднимается (третий закон Ньютона), причем с ускорением (второй закон Ньютона), а выйдя на орбиту, начинает двигаться по ней согласно первому закону Ньютона.
Можно заметить, что в современных формулировках используется термин «инерциальная система отсчета». Это значит, что в неинерциальных системах отсчета законы Ньютона должны выполняться с поправками на силу инерции. Неинерциальные системы — такие, которые движутся с ускорением относительно инерциальных.
Законы Ньютона положили начало классической физике, именно их используют, чтобы строить дома и конструировать машины, запускать космические корабли. Однако с появлением квантовой механики в физике появились новые законы, не столь наглядные, как законы классической механики. Тем не менее законы Ньютона справедливы в очень широкой области и их невозможно отменить.
Падало ли яблоко на голову Ньютона
Ньютон также открыл закон всемирного тяготения. Существует исторический анекдот, что ученый сделал это после того, как ему на голову упало яблоко. Рассказывают также, что все свои открытия Ньютон совершил во время так называемых чумных каникул, в 1665—1666 гг., когда в Англии бушевала чума и он вынужден был уехать из Кембриджа, где учился и работал, в деревню. На самом же деле открытия Ньютона были результатом работы многих лет.
Физика, проникнутая математикой
Законы Ньютона являются основными законами механики, более того, с них началась математизация физики. Механика настолько проникнута математикой, что специалистов по ней готовят на механико-математических (или математико-механических) факультетах, а не на физических.