Законы движения

При постройке моста необходимо предварительно рассчитать, в какой мере мостовые устои способны оказать противодействие той нагрузке, которая на них навалится: смогут ли они ее выдержать, достаточен ли у опор запас противодействия, или, как говорят строители, запас прочности. И строители сооружают устои моста такими, чтобы они могли оказать противодействие любой нагрузке, какая только может проявиться на мосту. Они считают, будто устои давят на мост снизу. Действие всегда равно противодействию — они равносильны, равноправны, и потому строители вправе считать так, как им удобнее.

Точно так же поступают инженеры, проектирующие фундаменты зданий. Они знают, что обыкновенный грунт способен оказывать противодействие тяжести здания с силой примерно в два — три килограмма на каждый квадратный сантиметр фундамента. При этом условии действие, то есть тяжесть всего здания, и противодействие, сопротивление грунта, сжимают фундамент сверху и снизу. На фундамент действуют две одинаковые, но направленные в противоположные стороны силы. Такие силы уравновешиваются и не могут сдвинуть фундамент с места, но сдавливают его, и, если запаса прочности этого фундамента не хватит, он разрушится, а здание обвалится.

Разрушители машин

Ньютон был первым ученым, установившим причину вращательного движения планет вокруг Солнца. Силой, вызывающей это движение, оказалась сила тяготения.

Еще задолго до Ньютона ученые выяснили, что для того, чтобы тело вращалось, на него должна действовать сила. Но особенно хорошо это видно из законов Ньютона.

Вот мальчик вращает камень на веревке. Он крутит этот камень все быстрее и быстрее, пока веревка не оборвется. Тогда камень полетит куда-то в сторону.

Какая же сила разорвала веревку? Ведь она удерживала камень, вес которого, конечно, не менялся.

Веревку рвет центробежная сила, отвечали ученые до Ньютона.

Это правильно. А что это такое, откуда взялась эта сила?

Раз камень движется по окружности, значит, на него действует сила, изменяющая его движение. Ведь по инерции камень должен двигаться прямолинейно. Эту важную часть первого закона движения иногда забывают.

Движение по инерции всегда прямолинейно. И камень, оборвавший веревку, также полетит по прямой линии.

Сила, исправляющая путь камня, действует на него все время, пока он вращается.

Эта постоянная сила называется центростремительной. Приложена она к камню.

Но тогда, по третьему закону Ньютона, должна появиться сила, действующая со стороны камня на веревку и разная центростремительной.

Эта сила и называется центробежной.

Чем быстрее вращается камень, тем большая сила должна действовать на него со стороны веревки. Ну и, конечно, тем сильнее камень будет тянуть — рвать веревку. Наконец ее запаса прочности может не хватить, веревка разорвется, а камень полетит по инерции теперь уже прямолинейно. Так как он сохраняет свою скорость, то может улететь очень далеко.

Пожалуй, самое древнее оружие человека — праща. Камнем из этой пращи, по библейскому преданию, пастух Давид убил великана Голиафа.

А действует праща точно так же, как и веревка с камнем. Только в ней предварительно раскрученный камень просто отпускается в нужное время.

На стадионах вы часто видите спортсменов — метателей диска или молота.

Дискобол.

И здесь знакомая картина.

Спортсмен кружится все быстрее и быстрее, держа в руках диск, и наконец выпускает его из рук. Диск при этом летит на шестьдесят — семьдесят метров.

Ясно, что при очень больших скоростях во вращающихся телах развиваются и очень большие силы. Эти силы увеличиваются по мере удаления от оси вращения.

Если вращающееся тело хорошо центрировано — ось вращения точно совпадает с осью симметрии тела, — это еще не так страшно. Возникающие силы будут уравновешены. Но в результате плохой центровки могут быть самые неприятные последствия. В этом случае на вал вращающейся машины все время будет действовать неуравновешенная сила, способная при больших скоростях даже сломать этот вал.

Скорость вращения роторов паровых турбин достигает тридцати тысяч оборотов в минуту. Во время пробных испытаний на заводе работающую турбину выслушивают примерно так же, как врач выслушивает сердце больного человека. Если ротор турбины плохо центрирован, это сразу станет заметно — к ровному пению быстро вращающегося ротора присоединятся тревожные стуки и шумы, предвещающие неминуемую аварию. Турбину останавливают, ротор исследуют и добиваются того, чтобы вращение его стало совершенно плавным.

Уравновешивание центробежных сил составляет предмет постоянных забот инженеров и конструкторов. Эти силы — самые опасные враги машин, они обычно действуют разрушительно.