Таким образом, мы можем сказать, что вес тела — это сила, тянущая тело к Земле. Но что это за сила? Почему она существует?
Правильный ответ на этот вопрос нашел великий ученый Ньютон, открывший закон всемирного тяготения. Он первый понял, что причина веса тел лежит в Земле. Вес тел есть сила, и с этой силой Земля притягивает к себе все находящиеся на ней тела.
Итак, вес тела есть не что иное, как сила земного притяжения.
Все земные тела падают вниз. Но что означает это столь привычное слово — «вниз»? Разберемся в нем. На первый взгляд кажется, что и спрашивать тут не о чем. «Вниз» — это значит прямо под ноги, так же как «вверх» — значит прямо над головой. Это кажется настолько ясным и простым, что как будто не требует никаких дальнейших пояснений. Если же мы захотим поточнее узнать направление вниз, то и это легко сделать, достаточно лишь на веревочке подвесить небольшой груз, он несколько секунд покачается и успокоится. Наша веревочка будет тогда направлена по отвесной линии, и тот ее конец, на котором привязан груз, будет совершенно точно определять нужное нам направление, т. е. направление «вниз».
Но спросим теперь себя: одинаково ли направление вниз для всех людей на Земле или нет? На первый взгляд опять-таки и здесь спрашивать не о чем, так как мы привыкли видеть, что все отвесные линии всюду как будто направлены в точности одинаково. Стоит только вспомнить, например, отвесные стены городских зданий, телеграфные или трамвайные столбы и так далее. Все они направлены не вкривь и вкось, а всегда отвесно и параллельно друг другу.
Однако ошибочно думать, что, например, телеграфные столбы по всей Земле направлены одинаково. Так было бы, если бы Земля наша была плоской. Тогда, конечно, все телеграфные столбы стояли бы параллельно друг другу. Но дело в том, что Земля наша не плоская, а круглая, как шар. И потому на ней направление вниз означает на самом деле направление к центру земного шара. А направления к центру шара из разных точек его поверхности совершенно неодинаковы. Например, если взять двух антиподов, т. е. людей, находящихся на противоположных сторонах земного шара: одного, скажем, где-нибудь у нас в СССР, а другого — в Южной Америке, то направление «вниз» для одного будет таким же, как направление «вверх» для другого, и наоборот (рис. 4).
В прежнее время, лет четыреста тому назад, когда шаровидная форма Земли еще не была так хорошо известна, как теперь, как раз вопрос об антиподах и приводился иногда в качестве доказательства против шаровидности Земли. Тогда многие думали, что на противоположной стороне Земли люди не могли бы жить, так как они должны были бы упасть с Земли.
Сейчас шаровидность Земли не может вызвать ни у кого никаких сомнений. Что земля имеет форму шара, следует хотя бы из того, что мы совершаем вокруг Земли кругосветные путешествия. Ясное дело, что, будь Земля плоская, такие путешествия были бы невозможны. В наше время почти вся земная поверхность тщательно измерена, изготовлены сотни и тысячи всевозможных географических карт, и потому размеры и форма земной поверхности известны теперь с очень большой точностью. Также теперь никто не может сомневаться в том, что антиподы на Земле существуют, и мы, например, обитатели Европейской части СССР, являемся сами антиподами по отношению к жителям Южной Америки. И тем не менее мы, конечно, никуда с Земли не падаем.
Ошибка противников шаровидности Земли теперь для нас ясна. Они просто не учли того факта, что направление «вниз» в различных частях земного шара различное и всегда означает направление к центру Земли (рис. 5). В обычной жизни мы этого не замечаем только потому, что человеческий кругозор слишком мал по сравнению с размерами Земли. Радиус земного шара достигает почти шести с половиной тысяч километров, и для того чтобы заметить разницу в направлениях отвесных линий, необходимо передвинуться по Земле на несколько сот километров. А тогда мы из одного места не будем видеть другого. Впрочем, ученые могут обнаружить эту разницу уже на расстоянии нескольких метров, но только с помощью особых приборов.
Таким образом, по отношению ко всей Земле в целом никакого направления «вниз» не существует. Тем самым становится ясным бессмысленность предположения, что вся наша Земля может упасть куда-то «вниз». Ведь наше обыденное направление «вниз» есть, как мы видели, направление к земному центру. Так что, если бы Земля падала «вниз», то это означало бы только что она падает по направлению к своему же собственному центру. А это уже полная нелепица.
Однако из того, что Земля наша не может падать куда-то «вниз», совсем еще не следует, что она остается неподвижной. В следующей главе мы как раз узнаем, что Земля не только двигается, но даже падает. Только падает она не «вниз», а по направлению к Солнцу. И падает так, что никогда на него не упадет.
4. МОЖНО ЛИ ПАДАТЬ ТАК, ЧТОБЫ НИКОГДА НЕ УПАСТЬ?
Мы уже видели, что даже такие простые понятия, как вес и направление вниз, если в них вдуматься, позволяют сделать ряд интересных выводов. Теперь мы разберемся в том, что означает слово «падать». Казалось бы, и здесь все ясно и просто. Мы привыкли говорить, что какое-нибудь тело падает, когда оно под влиянием силы собственной тяжести летит вниз, на Землю. И мы, конечно, всегда уверены в том, что раз тело начало свое падение, то оно, рано или поздно, обязательно упадет на поверхность Земли. Вопрос только во времени. Если тело падает с небольшой высоты, то оно упадет быстро, а если с большой, то оно будет падать немного дольше. Вот и все.
Но на самом деле и здесь все происходит совсем не так просто, как кажется сначала, когда мы, не продумав явление до конца, полагаемся только на наш маленький житейский опыт. Житейский опыт, который сплошь и рядом нам помогает в жизни, здесь оказывается несостоятельным. Мы в этом убедимся, как только станем рассматривать явление падения тел так, как это делает наука, т. е. со всей строгостью и не упуская из внимания никаких «мелочей», которые часто приводят ученых к величайшим открытиям.
Изучением падения тел на Землю занимается наука о движении — механика. Основы этой науки заложили великие ученые Галилей и Ньютон, изучившие законы движения тел. Наш повседневный опыт часто отступает назад перед неоспоримыми доводами этой науки. Пример этому и дает как раз явление падения тел.
Что говорит нам житейский опыт? Он говорит, что всякое тело, если оно падает, обязательно упадет вниз, на Землю. А вот механика учит, что падающее тело может никогда не упасть на Землю и даже при некоторых условиях вовсе улететь прочь от Земли.
Для того чтобы разобраться как следует в явлении падения тел, нам нужно познакомиться с двумя законами движения тел: с законом инерции и с законом сложения движений.
С проявлением закона инерции нам приходится сталкиваться на каждом шагу. Когда вагоновожатый трамвая быстро тормозит вагон, то все пассажиры испытывают обычно сильный толчок вперед. Кто из нас не знает этого случая? Такой толчок и происходит как раз вследствие закона инерции. Пока вагоновожатый не тормозит, мы, находясь в вагоне, катимся вперед с некоторой скоростью. Когда же вследствие торможения вагон сразу останавливается, то тело каждого пассажира в первое мгновение по закону инерции продолжает свое движение с прежней скоростью. В результате пассажиры наклоняются или падают вперед. И наоборот, если вожатый сразу дает большую скорость, то пассажиры наклоняются или падают назад, так как они имели до включения мотора меньшую скорость и стремятся по закону инерции ее сохранить.
Закон инерции тел формулируется так:
«Если какое-нибудь тело двигается по прямой линии с постоянной скоростью (т. е. проходит в равные промежутки времени одинаковые расстояния), то оно будет сохранять такое движение до тех пор, пока какая-нибудь сила это движение не изменит».
Второй закон — закон сложения движений — применяется в тех случаях, когда какое-либо тело участвует одновременно в двух разных движениях. Возьмем, например, человека в лодке, гребущего поперек реки с быстрым течением. В этом случае лодка имеет два различных движения. С одной стороны, сила гребца заставляет лодку двигаться поперек реки, а с другой, — течение воды в то же самое время увлекает ее вдоль реки. В результате лодка никогда не придет на другой берег прямо против того места, откуда она отчалила, течением ее снесет вниз, и чем сильнее это течение, тем дальше.
Чтобы лучше понять это, посмотрите на рисунок 6. Здесь буква А обозначает то место, откуда отчалила лодка. Если бы течения реки не было и лодка плыла лишь благодаря силе гребца, то она пристала бы к месту, обозначенному буквой Б, находящемуся на другом берегу прямо против места А. Но вода в реке все время течет в одну сторону и лодку относит вниз по течению. Если бы гребец совсем не греб, а пустил лодку плыть по воле волн, по течению, то лодка приплыла бы к месту, обозначенному буквой Г. На самом деле лодка участвует одновременно в обоих этих движениях и потому не придет ни к месту Б, ни к месту Г, а к месту В, которое находится на конце диагонали ВА прямоугольника АБВГ (рис. 6).
То, что мы сказали о движении лодки, можно применить и к любому другому телу (предмету). Это и есть закон сложения движений; формулируется он так: