Читать книгу Хамса. Пятерица - Ахун Андижани - Страница 8

Один из самых привычных, наглядных примеров устойчивости – устойчивость положения какого-либо физиологического объекта, лежащего на земле. Пусть это будет монолитный кусок какой-либо горной породы, камень без трещин. При обычных и несколько благоприятных условиях, когда суточный и сезонный перепады температур не превышают 20 и 70 ℃ соответственно, при отсутствии действия концентрированных кислот и щелочей, при отсутствии сильных ударных воздействий и т. п. этот камень довольно долгое время (годами, веками) лежит на земле, не изменяя своего положения. В течение этого времени его положение устойчиво.

В рассматриваемых условиях устойчив и сам рассматриваемый камень. Основные действующие на него силы, сила притяжения Земли и сила контактного взаимодействия с соприкасающейся поверхностью Земли, уравновешены и не изменяются со временем. Остальные силы малы. Если мысленно разрезать камень на несколько частей и рассмотреть произвольную его часть, то окажется, что в основном каждая часть устойчива. Действующие на неё силы притяжения и отталкивания, давления других частей и реакции уравновешены и не изменяются. Сама эта часть также не изменяется в течение рассматриваемого времени при указанных условиях. Если мысленный процесс деления камня на части продолжить, то на уровне молекул можно обнаружить, что подавляющее большинство молекул устойчивы (не изменяются) и находятся в равновесии. Только сравнительно небольшое число молекул неустойчивы. Неустойчивы те молекулы, которые непосредственно воспринимают все тяготы воздействия окружающей среды, малые для камня как целого, но необязательно малые для отдельных молекул камня. Эти слабо, непосредственно и, может быть, вразнобой действующие на лежащий камень относительно малые силы окружающей среды могут разрушить камень лишь в течение очень большого промежутка времени. Кроме того, воздействия внешней среды не обязательно препятствуют устойчивости камня как объекта. Могут создаваться условия, защищающие его от разрушительного действия ветра, влаги и т. д.

Несколько другие аспекты рассматриваются при исследовании устойчивости положения камня (в предположении о целостности камня, т. е. в предположении механики твёрдого тела). В этом случае исследуется устойчивость взаиморасположения центров тяжести камня и Земли, так как расстояние между этими центрами является более существенным фактором в рассматриваемой системе.

Если какая-либо сила выведет лежащий на Земле камень из устойчивого положения и он окажется в неустойчивом, то есть в таком положении, в котором действующие на него основные силы неуравновешенны, то он будет изменять своё положение – двигаться в направлении вектора, равнодействующего сумме всех сил. Неуравновешенность действующих сил – необходимое и достаточное условие изменяемости положения камня относительно Земли.

Основными действующими силами будут силы притяжения Земли и силы инерции движения камня из-за начального толчка. Второстепенные силы – это силы трения о воздух в атмосфере Земли и т. д. Всевозможные изменения положения камня относительно Земли в рассматриваемом случае всегда приведут к одной из трёх следующих ситуаций:

1) если начальная скорость камня меньше первой космической, то камень постоянно изменяет своё положение до тех пор, пока не упадёт на землю и не окажется снова в уравновешенном положении, в котором будет задействована ещё одна основная сила – сила реакции Земли;

2) если начальная скорость камня больше первой космической и меньше второй, то камень может (в зависимости от направления начального толчка) оказаться на устойчивой орбите, на которой сила притяжения Земли уравновешивается центробежной силой инерции движения камня;

3) если начальная скорость камня больше второй космической, то камень окажется так далеко от Земли, что перестанет ощущать её притяжение. Начиная с некоторого момента, можно считать, что система Земля-камень распалась, положение камня относительно Земли устоялось – существенных изменений в этом смысле происходить не будет. Так как система камень-Земля распалась, то камень более правомерно уже рассматривать в собственной системе координат, в которой действующие на камень силы инерции равны нулю. Все силы уравновешены, так как все они исчезают.

Итак, в силу того, что в неуравновешенном положении существуют неуравновешенные силы, положение камня относительно Земли всё время изменяется. И это изменение будет происходить до тех пор, пока камень не окажется в уравновешенном ≈ неизменяемом ≈ устойчивом положении, из которого его может вывести лишь достаточно сильное воздействие внешней среды или внутренней (например, взрыв). Какое именно устойчивое положение будет реализовано, зависит от величины основных параметров, в данном случае от начальной скорости камня.

Стремление к устойчивому, равновесному положению и состоянию в приведённом примере отнюдь не выражает чью-либо волю, желание, хотя и отражает в какой-то мере реакцию объекта на наличие не скомпенсированной силы. С точки зрения термодинамики (сильно огрубляя ситуацию), наличие некомпенсированной силы можно трактовать как наличие свободной энергии, то есть что энтропия рассматриваемой системы (камень-Земля) не достигла своего максимума и система ещё находится в неустойчивом состоянии.

В естественных условиях, конечно, скажется влияние неучтённых сил, но основной вывод окажется неизменяемым.

Кратко и более общо об этом говорил Ф. Энгельс: «Отдельное движение стремится к равновесию, совокупное движение снова нарушает равновесие». Для того чтобы уточнить, что имеется в виду под равновесием в этом контексте, рассмотрим наиболее популярную в физике классификацию всевозможных равновесных положений шарика в потенциальных полях с точки зрения устойчивости равновесных положений.

Во всех представленных на фигуре 1 равновесных положениях шарика (А, Б, В) сила веса шарика уравновешивается силой реакции.

Фиг. 1

В положении «А» шарик находится в равновесном, но не устойчивом состоянии. Почти любое изменение ситуации, почти любое по силе и направлению случайное воздействие (флуктуация) выведет шарик из равновесного состояния, что приведёт к появлению не скомпенсированной силы (в частности, горизонтальной составляющей силы реакции), и шарик будет изменять своё положение до тех пор, пока он не окажется в более устойчивом состоянии. В положении «Б» шарик находится в равновесном (безразличном) состоянии. Это положение можно трактовать как относительно устойчивое на том основании, что, например, расстояние от центра шарика до центра притяжения (Земли) не изменяются. И в точке «Б», и в точке «б», и в близлежащих точках, куда шарик может переместиться под действием случайных, достаточно ограниченных воздействий внешней среды, указанное расстояние постоянно. В положении «В», когда шарик оказывается на дне выемки, он находится в равновесном (устойчивом) состоянии.

Если какое-либо возмущение вынудит шарик перейти в состояние «в» (и перестанет действовать), то в реальных условиях (при наличии трения) шарик в конце концов возвращается на дно выемки в устойчивое (равновесное) состояние. И будет находиться в нём до тех пор, пока какие-либо достаточно сильные воздействия окружающей среды не изменят возникшую ситуацию. С точки зрения термодинамики, стремление шарика в своё устойчивое состояние (точку «В») характеризуется возрастанием энтропии, или, другими словами, потерей свободной энергии. Математически и физически многие утверждения и выводы, характерные для приведённого примера, верны и для более общих случаев, когда вместо шарика рассматривается любая физическая система, находящаяся в потенциальном поле (поле тяготения, электромагнитном поле, поле слабого и сильного взаимодействия и любой их совокупности).

Рассмотрённую выемку физики называют потенциальной ямой, а математики чаще всего аттрактором.

Из приведённого анализа вытекает, что, рассматривая физические системы, Энгельс под равновесием, к которому стремится любое движение, подразумевал именно устойчивое (равновесное) состояние; отчасти равновесно-безразличное, но отнюдь не устойчивое (равновесное) состояние (А). Изречение Энгельса применительно к физическим объектам, движениям является просто перефразировкой одного из основополагающих законов физики, а именно второго начала термодинамики. Рассмотрим подробнее это начало и связанные с ним понятия энтропии и свободной энергии.