Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 8

Ще в далекі часи люди ставили перед собою питання: на чому тримається Земля? Скільки ж відповідей було на це питання! Ви, мабуть, чули, що колись уявляли собі Землю, яка стоїть на трьох китах або на трьох черепахах (чи на одній – яка ж різниця?). Але на чому тримаються ті кити?..

Звичайно, подібні наївні уявлення змінилися більш схожими на наукові, особливо тоді, коли вже стало відомо про кулеподібну форму планет та про їх обертання навколо певного центру.

Груба сила, що не підкріплена мудрістю, гине під власною вагою.

Горацій

Прихильники геоцентричного погляду на Всесвіт вважали, що Сонце та всі інші планети обертаються навколо Землі; інші були впевнені, що саме Земля з іншими планетами обертається навколо Сонця (то були прибічники геліоцентричного підходу, засновником якого був Микола Коперник). Проте в будь-якому випадку виникали питання: а що саме «тримає» планети, чому вони не відлітають від центру?

Цікаво, що здогад про єдність причин, які керують рухом планет та падінням земних тіл, було висловлено понад дві тисячі років тому грецьким філософом Анаксагором (бл. 500—428 до н.е.). Він говорив, що Місяць, коли б не рухався, то впав би на Землю, як падає камінь!.. На жаль, цей геніальний здогад практичного впливу на розвиток науки, очевидно, не мав. Йому було призначено бути незрозумілим та забутим нащадками. Навіть великий Іоганн Кеплер уважав, що причиною такого руху планет є обертання Сонця. До речі, цьому видатному астроному людство зобов’язане відкриттям перших законів руху планет.

Кеплер народився у 1571р. в Німеччині в невеликому містечку поблизу Вейля. Коли він був ще студентом Тюбінгенської семінарії, то ознайомився з ученням Коперника та став його палким прибічником. Зауважте, Кеплер жив у той самий час, що й Галілей – він навіть листувався з великим італійцем! А ще він дуже цінував видатного датського астронома Ііхо Браге (1546—1601). Так сталося, що через бідність та труднощі перебування спочатку в Німеччині, а потім в Угорщині, Кеплер відгукнувся на запрошення Тіхо Браге і переїхав до нього в Прагу.

Тіхо Браге був великим астрономом, що присвятив своє життя і всі свої сили астрономії. В Данії в нього був острів, на якому він створив ціле астрономічне місто, яке назвав Уранієнбург. Не дійшовши згоди з датським королівським двором, Тіхо покинув Данію та переїхав до Праги, куди перебрався до нього й Кеплер. Та, на жаль, довго попрацювати з Браге Кеплеру не пощастило, бо незабаром Тіхо помер.

Журнали тридцятип’ятирічних спостережень Тіхо Браге потрапили до рук Кеплера, і він почав обробку цього гігантського матеріалу. У 1609 р. в результаті величезної роботи Кеплера вийшла його книга «Нова астрономія, або Небесна фізика з коментарем щодо руху планети Марс, за спостереженнями Тіхо Браге».

На відміну від Галілея, який вважав, що планети обертаються навколо Сонця по колах, Кеплер показав, що орбіти планет мають форму овалу, а потім математично довів, що ця форма – еліпс. При цьому планети рухаються по своїх еліпсах нерівномірно: швидше, коли вони ближче до Сонця, і повільніше, коли віддаляються від нього.

Великі відкриття Кеплера не принесли йому матеріального достатку. Щоб звести кінці з кінцями, йому доводилося складати гороскопи для багатіїв, хоча сам він в астрологію не вірив.

Йому довелося ще переїжджати, але, незважаючи на всі життєві проблеми та негаразди, Кеплер продовжував займатися астрономією та фізикою, зокрема оптикою. (У своїй книзі 1611 р. він описує конструкцію телескопа, який так і називають: труба Кеплера.)

Останні роки вченого були дуже важкі – він жив на випадкові заробітки. Під час однієї з поїздок з-за турбот щодо отри-мання ним платні він застудився, захворів і 15 листопада 1630 р. помер.

Відкривши закони руху планет навколо Сонця, Кеплер не дійшов до виявлення причин зв’язку нашого світила з планетами. До вирішення саме цієї проблеми наблизився Роберт Гук. У нього навіть вийшла книга за назвою «Спроба вивчення руху Землі». Ось що він написав про теорію, яку планував розробити: «Теорія ця засновується на трьох припущеннях: по-перше, що всі без винятку небесні тіла мають направлене до їх центру тяжіння…Згідно з другим припущенням, усі тіла, які рухаються прямолінійно та рівномірно, будуть рухатися вздовж прямої до тих пір, поки вони не будуть відхилені якою-небудь силою і не стануть описувати траєкторію у вигляді кола, еліпса або якої-небудь менш простої кривої. Згідно з третім припущенням, діючі сили притягання тим більші, чим ближче до них знаходяться тіла, на які вони діють».

Нині ми можемо тільки дивуватися, чому сам Гук не займався розвитком цих ідей, посилаючись на завантаженість іншими роботами. Він так близько підійшов до такого важливого в історії науки відкриття!

Таким чином, ані Галілею, ані Кеплеру, ані Гуку не вдалося чітко й повно сформулювати те, що по праву вважається тріумфом науки. Це зробив Ньютон! І річ зовсім не в тому, що йому на голову впало яблуко і тому він відкрив закон тяжіння, а в тому, що у Ньютона вже були відкриті ним закони, які можна було застосувати для опису будь-яких рухів. Саме Ньютон зрозумів, що основою, яка визначає особливості руху, є сили. Він був першим, хто побачив, що саме треба шукати для пояснення руху планет, – шукати треба сили!

До речі, а чи було те легендарне яблуко насправді? Багато істориків науки намагалися встановити, відповідає ця історія дійсності чи ні. У надрукованих лише в 1936 р. мемуарах Вільяма Стеклі, друга Ньютона, написано про його розмову  з ученим, що відбувалася в саду, в тіні яблуні 15 квітня 1725 р.

Потрібен був геній Ньютона, щоб здивуватися тому, що яблуко впало на землю…

К.Д. Ушинський

В цій розмові ніби й прозвучало з вуст Ньютона, що думка про тяжіння прийшла до нього саме за таких обставин, тобто була викликана падінням яблука. Про це пише і Вольтер, який посилається на свідчення родички Ньютона та її чоловіка, який у своїх мемуарах знову згадує про яблуко, що впало, і про те, що саме воно і вплинуло на хід думок ученого.

Звичайно, ця історія досить цікава, але будемо мати на увазі, що ніякі яблука, груші чи …кокоси, що падають, не приведуть до наукового відкриття, якщо людина не займається науковим дослідженням навколишнього світу та процесів, які в ньому відбуваються!

Повернімося до Ньютона. Насправді він розмірковував над питанням, як Місяць рухається навколо Землі. Вчений розрахував прискорення, з яким цей рух відбувається, і зіставив його з відстанню, на якій знаходиться Місяць. Крім того, Ньютон зрозумів, що, коли б припинився рух Місяця по інерції навколо Землі, він упав би на Землю. А коли б припинилося тяжіння Землі, то Місяць полетів би в космічний простір. Таким чином, Ньютон дійшов висновку, що Місяць утримується на своїй орбіті силами тяжіння. Те саме відбувається із Землею та іншими планетами, які обертаються навколо Сонця.

Ньютон назвав відкриті ним сили всесвітніми – вони є універсальними, діючими для всього, що має масу. Ньютон записав, що «тяжіння існує для всіх тіл та пропорційне масі кожного з них».

Для цих сил немає перешкод, від них неможливо відгородитися. При цьому що більша відстань між взаємодіючими тілами, то меншою за значенням стає ця сила. (Таку залежність називають законом обернених квадратів: при збільшенні відстані, наприклад, у два рази, сила зменшується в чотири рази, а при збільшенні в три рази – сила зменшується в дев’ять разів і т.д.)

Нехай ніхто не думає, що велике творіння Ньютона може бути спростовано теорією відносності або якою-небудь іншою теорією. Ясні і широкі ідеї Ньютона навічно збережуть своє значення фундаменту, на якому побудовані наші сучасні фізичні уявлення.

Альберт Ейнштейн

У сучасній фізиці ці сили називаються гравітаційними. Дія цих сил простягається, безперервно зменшуючись, практично на безкінечні відстані.

Саме завдяки дії гравітаційних сил із гігантської газопилової хмари утворилися планети, в тому числі і наша Земля. Завдяки гравітаційним силам найбільші та масивні небесні об’єкти стискувалися, потім розігрівалися й ставали палаючими зірками. І завдяки, передусім, гравітаційним силам розвиток та життя кожної зірки може закінчитися по-різному: чи спалахом наднової зірки, чи перетворенням на чорну дірку…

Ці сили мають величезний вплив на все, що відбувається на Землі. Ми вже звикли до того, що випущене з рук тіло падає вниз, як падає вниз і вода у водоспаді, і ті самі стиглі яблука з дерева… Проте слід підкреслити, що з точки зору фізики можна з повним правом казати, що саме Земля падає на яблуко, бо гравітаційними силами притягання взаємодіють обидва тіла: яблуко на Землю, Земля – на яблуко.

Завдяки гравітаційним силам утримуються на поверхні Землі океани води та біля неї повітряний океан – атмосфера. Гравітація не тільки утримує біля Землі людей, тварин, воду та повітря, вона й стискає їх. Сама Земна куля стиснута гравітаційними силами до колосального тиску: можливо, в центрі Землі тиск перевищує три мільйони атмосфер.

Існуючі на планеті припливи та відпливи пов’язані з гравітаційними впливами Сонця та Місяця, причому через те, що невеличкий Місяць знаходиться суттєво ближче до нас, ніж Сонце, його вплив є найпомітнішим.

Усі ми також притягуємося до всіх об’єктів навкруги, але через залежність сил тяжіння від маси суттєвим стає наше притягання саме до Землі, а не, наприклад, до іменинного пирога, що стоїть на столі (звісно, якщо не говорити про «негравітаційне» бажання скуштувати шматочок…).

Порівняйте: сила тяжіння між дівчинкою масою 45 кг та Землею дорівнює приблизно 441Н, а сила тяжіння між цією ж дівчинкою та пирогом масою 1 кг, що знаходиться на відстані одного метра від неї, – всього 300-10^-11 Н!

Гравітаційні сили, які існують між космічними об’єктами, є величезними саме через те, що космічні об’єкти – планети, зорі, галактики – дуже масивні. Наприклад, сила тяжіння між Землею та Місяцем становить приблизно 240²⁰ Н, а сила тяжіння між Землею та Сонцем – 3,5.10²² Н, і це при тому, що Сонце знаходиться набагато далі від Землі, ніж Місяць (середня відстань Місяця від Землі дорівнює приблизно 384 тисячам кілометрів, а середня відстань від Землі до Сонця – приблизно 150 мільйонів кілометрів!).

Найбільші планети Сонячної системи – Юпітер, Сатурн, Нептун – мають найбільшу кількість супутників та ще й кільця. Все це є теж проявом гравітаційного тяжіння: найбільш масивні об’єкти справляють найбільший гравітаційний вплив. Проте малі планети – астероїди – не в змозі своїм гравітаційним тяжінням утримати навіть газову оболонку – атмосферу.

Саме через наявність гравітаційного тяжіння тілові, щоб воно могло залишити певний космічний об’єкт (планету, зорю), потрібно набрати досить великої швидкості. Наприклад, щоб тіло злетіло над Землею і стало її штучним супутником, йому потрібно надати першу космічну швидкість – приблизно 7,9 км/с. А для того, щоб тіло (наприклад, космічний корабель) змогло полетіти до іншої планети, тобто вийти за межі земного тяжіння, йому потрібно надати швидкість вже 11,2 км/с (друга космічна швидкість). Нарешті, щоб вийти за межі Сонячної системи, тілу потрібно надати швидкість 16,6 км/с (третя космічна швидкість).

Зауважимо, що наведені вище значення космічних швидкостей справедливі саме для польоту з поверхні Землі, маса якої 5,98-10²⁴ кг. Для інших тіл Сонячної системи ці значення будуть іншими через інші значення їх маси, а отже, й іншого гравітаційного тяжіння.

Свого часу відомий англійський письменник Герберт Веллс у романі «Перші люди на Місяці» запропонував цікаву фантастичну ідею, яка ніби дозволить мандрувати з планети на планету. Герой його книжки винайшов особливу речовину, яка має чудову властивість: непроникність для сил тяжіння.

Якщо таку фантастичну речовину (її назвали кеворит) розмістити під яким-небудь тілом, воно звільниться від тяжіння Землі й буде знаходитися під дією тяжіння тільки інших тіл.

У романі герої споруджують спеціальний небесний корабель, на якому здійснюють політ до Місяця. Цей корабель не має ні двигуна, ні пального. Під час польоту мандрівники відкривають або закривають спеціальні заслінки, які вкриті шаром кевориту, і таким чином здійснюють маневри у просторі.

На жаль, такі подорожі не можуть здійснитися, бо відгородитися від гравітації неможливо!..