3.5. Ускорение
Свободное падение тел. Если камень и лист бумаги начали падать с одинаковой высоты одновременно, то камень достигнет земли раньше, чем лист. Из подобных повседневных наблюдений, казалось бы, следует, что под действием силы тяжести тяжелые тела падают быстрее легких. Такое неверное заключение и было сделано еще в древности великим греческим философом Аристотелем (384-322 гг. до нашей эры), и это воззрение продержалось в науке в течение почти 2 тысяч лет! Только в 1583 г. Галилей на основании более глубокого опытного изучения законов падения опроверг мнение Аристотеля. Галилей выяснил, что в обычных условиях тела падают под действием не только силы тяжести, но и сил сопротивления воздуха и что истинный закон падения под действием только силы тяжести искажается сопротивлением воздуха. Галилей установил, что в отсутствии этого сопротивления все тела падают равномерно ускоренно и, что очень важно, в данной точке Земли ускорение всех тел при падении одно и то же.
Сопротивление воздуха искажает законы падения потому, что оно зависит главным образом от размеров тела. Например, для перышка оно больше, чем для дробинки, в то время как сила земного притяжения для перышка меньше, чем для дробинки. Поэтому сопротивление воздуха гораздо значительнее уменьшает скорость падения перышка, чем дробинки. В пустоте же все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от их размеров, материала и т.д.
3.6. Деформации
Силы упругости возникают между телами только в том случае, если они деформированы. Нить действует на тележку с некоторой силой потому, что она растянута, паровоз толкает вагон потому, что его буферные пружины сжаты и т.д. Силы упругости определяются величиной деформации, причем по мере увеличения деформаций растут и силы упругости. Деформации возникают потому, что различные части тела движутся по-разному. Если бы все части тела двигались одинаково, то тело всегда сохраняло бы свою первоначальную форму, т.е. оставалось бы недеформированным.
Например, возьмем мягкую резинку для карандаша и нажмем на нее пальцем. Палец, нажимающий на резинку, перемещает верхние слои резинки, нижний слой, лежащий на столе, остается неподвижным, так как он соприкасается с гораздо более жесткой, чем резинка поверхностью стола. Разные части резинки движутся по-разному, и резинка меняет свою форму: возникает деформация. Деформированная резинка действует на соприкасающиеся с ней телами с некоторой силой. Палец отчетливо чувствует давление резинки. Если палец убрать, то резинка примет прежнюю форму.
Почти все твердые тела, ведут себя подобным образом: при возникновении в них деформации они действуют на соприкасающиеся с ними тела с силой, зависящей от величины деформации; при возвращении же тела в недеформированное состояние действие силы прекращается. И такие силы называют упругими. Упругими называют и сами тела, в которых такие силы возникают.
Существуют тела, со стороны которых силы действуют, только пока происходит изменение формы тела; когда же форма тела перестает изменяться, сила исчезает, хотя тело остается в деформированном состоянии. Например, мягкая глина, воск, пластилин и т.д. Подобные тела называют пластическими.
Разрушение движущихся тел. Все реальные тела способны деформироваться только до известного предела. Когда этот предел достигнут, тело разрушается. Например, нить рвется, когда ее удлинение превосходит известную величину; пружина ломается, когда она слишком сильно изогнута и т.д.
Чтобы объяснить, почему произошло разрушение тела, нужно рассмотреть движение, предшествовавшее разрушению. Рассмотрим, например, причины разрыва нити. Тяжелый груз подвешен на нити; снизу к грузу прикреплена нить той же прочности. Если медленно тянуть нижнюю нить, то оборвется верхняя нить, на которой висит груз. Если же резко дернуть за нижнюю нить, то оборвется именно нижняя нить. Объяснение таково: когда груз висит, то верхняя нить уже растянута до известной длины и ее натяжение уравновешивает силу притяжения груза к Земле. Медленно натягивая нижнюю нить, мы вызываем перемещение груза вниз. Обе нити при этом растягиваются, однако верхняя нить оказывается растянутой сильнее, так как она была уже растянута. Поэтому она рвется раньше. Если же резко дернуть нижнюю нить, то вследствие большой массы груза он даже при значительной силе, действующей со стороны нити, получит лишь незначительное ускорение, и поэтому за короткое время рывка груз не успевает приобрести заметную скорость и сколько – нибудь заметно переместиться. Практически груз остается на месте. Поэтому верхняя нить больше не удлиниться и останется цела; нижняя же нить удлиниться выше допустимого предела и оборвется. Подобным же образом происходят разрывы и разрушения движущихся тел и в других случаях. Чтобы избежать разрывов и разрушения при резком изменении скорости, нужно применять сцепления, которые могли бы значительно растягиваться, не разрушаясь.