100 великих научных открытий

Закон свободного падения тел

В глубокой древности греки считали, что движение может быть как природным, так и противоестественным. К первой категории относилось падение — поскольку любой предмет якобы всегда стремится вернуться на свое место. Мудрец Аристотель, живший в IV в. до н. э., считал, будто предмет сдвигается с места только тогда, когда кто-то или что-то прикладывает к нему силу, и по пути теряет скорость из-за склонности окружающей среды чинить сопротивление. То есть чем плотнее среда, тем медленнее падает тело. Поскольку в полной пустоте нет никаких преград, скорость любого тела там бесконечна, а значит, о движении в такой среде не может быть и речи. Яблоко падает на землю быстрее листика потому, что весит больше, ведь это помогает ему эффективнее бороться с сопротивлением.

Теорию о том, что при броске тела мы передаем ему силу, принимал и Филопон — философ VI столетия. Вместе с тем Филопон отрицал, что скорость падения напрямую зависит от массы тела, и утверждал: в пустом пространстве скорость предмета вполне определенная и постоянная — ввиду отсутствия сопротивления она не убывает.

Десять веков спустя итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642) прочитал труды механика и астронома Дж. Бенедетти, который критиковал идеи Аристотеля и развивал теорию Филопона. Бенедетти писал, что при толчке/броске тела ему сообщается импе´тус — движущая сила, или, современным языком, импульс. Импетус направлен прямолинейно и имеет определенную величину, но по пути движущийся объект постоянно порождает новые импетусы и таким образом ускоряется. В целом же скорость падения зависит и от разницы в плотности тела и среды, и от площади тела. Галилея эти мысли заинтересовали, и в 1611 г. он отправился в Рим, чтобы выступить против догматических учений церкви, слепо насаждавшей теорию Аристотеля. Ученому очень хотелось исследовать движение экспериментально.

Каждое свое умозаключение Галилей пытался доказать или опровергнуть в ходе эксперимента, используя только идеальные предметы: гладкие, совершенно круглые шары и ровные дорожки. Вслед за Бенедетти он отказался от разделения движений на природные и противоестественные, поскольку четкой границы между ними не существует, и сосредоточился на самом процессе, без учета первопричины.

Первым предположением Галилея было то, что масса предметов никак не влияет на скорость их падения. Конечно, если сбросить с крыши три одинаковых шара, они долетят до земли одновременно. Но даже если скрепить два шара между собой (то есть увеличить массу тела вдвое) — все три снова-таки будут падать синхронно. Чтобы проверить это, ученый вышел на самый верх Пизанской башни и сбросил оттуда 80-килограммовое пушечное ядро и 200-граммовую пулю, которые имели одинаковую форму и текстуру поверхности. На землю шары упали в один и тот же момент, и Галилей сделал вывод: скорость падающего предмета зависит не от его массы, а от сопротивления воздуха, тормозящего объект. Для современников ученого это стало настоящим откровением: издревле в народе бытовало заблуждение, будто сдвинутый с места предмет образует позади себя пустое пространство, которое тут же заполняется воздухом (поскольку природа не терпит пустоты), а тот, в свою очередь, проталкивает тело дальше. То есть все думали, что воздух должен давать ускорение, а не замедлять.

Кроме того, Галилео усомнился в общественном убеждении, что если не подталкивать объект постоянно, то он непременно остановится, пусть даже впереди нет никаких преград. Ученый наблюдал, как шар, сброшенный с башни, летит без остановок до самой земли, да еще и равномерно ускоряется. Очевидно, происходит это потому, что снизу на шар действует сила притяжения, подумал Галилей. Если пустить шар с горки, его ускорение станет гораздо менее заметным, но шар не остановится и будет катиться хоть целую вечность (ну, или пока горка не закончится). Толкнув шар вверх по горке, мы увидим, что он постепенно замедляется, а потом скатывается назад, — действует та же гравитация. А вот на горизонтальной поверхности шар после толчка мог бы двигаться на постоянной скорости сколь угодно долго, если бы ему не мешали сила трения и сопротивление воздуха. Таким образом, Галилей открыл закон инерции: любое тело будет двигаться с постоянной скоростью либо не двигаться вовсе при условии, что на него ничего не действует извне.

Далее ученый высказал догадку, что объект ускоряется независимо от продолжительности дистанции, — вероятнее всего, скорость растет обратно пропорционально времени: чем она выше, тем меньше времени придется затратить на дорогу. А значит, как бы мы ни двигались — ускоренно или равномерно, у нас получится пройти путь за одно и то же время, если равномерная скорость будет вдвое ниже ускорения на последнем этапе пути.