Значит, вес — это не есть что-то присущее всем предметам, как утверждал Аристотель и другие древнегреческие ученые. Предметы могут утрачивать свой вес и прекрасно существуют без него.
При всяком ускоренном движении вниз человек тоже теряет полностью или частично свой вес. Частичная потеря веса приятна и может даже доставить удовольствие. Поэтому-то и взрослые и дети любят старинную русскую забаву — качание на качелях. Когда качели идут вниз, качающиеся частично теряют свой вес и говорят: «сердце замирает» или «дух захватывает».
То же самое испытывает человек, когда скатывается на санках или на лыжах с крутой горки. В некоторых парках культуры и отдыха есть забавный аттракцион — катание с гор. На таких горах маленький поезд из вагонеток с сиденьями для пассажиров стремительно скатывается по крутым спускам и снова взлетает на подъем, чтобы ринуться вниз на следующем спуске. И каждый раз у пассажиров «замирает сердце».
Ощущение частичной потери веса хорошо знакомо жителям московских высотных зданий. Всякий раз, когда приходится спускаться в скоростном лифте, пассажиры чувствуют, что кабинка лифта словно уходит из-под ног и тело становится почти невесомым.
Полную потерю веса испытывают парашютисты, когда выбрасываются из самолета, и летчики, когда вводят самолет в пике, то есть направляют его к земле, стремительно снижаясь.
Сопротивление воздуха
Рассуждая о причине своей маленькой неудачи во время опытов с двумя ядрами, Галилей еще в Пизанском университете пришел к заключению, что всему виною был воздух. Ведь опыт происходил не в безвоздушном пространстве, и, конечно, именно воздух вынудил маленькое ядро отстать от большого.
Опыты с маятниками подтвердили эту догадку. Когда качающиеся шары проносятся мимо пола, видно, как пылинки на полу разлетаются в стороны — их разгоняет ветерок, поднятый движением шаров. Стоит протянуть руку так, чтобы шар пролетел мимо ладони, и рука ощущает легкое дуновение — это шар маятника расталкивает воздух, встречающийся на его пути, и вызывает ветерок. Воздух служит помехой для маятника и оказывает сопротивление его движению.
Галилей взял два шара одинакового веса. Один был свинцовый, а другой деревянный. Наблюдая качания этих шаров, привязанных на нитках одинаковой длины, он заметил, что деревянный шар успокаивается гораздо скорее свинцового. Свинцовый еще раскачивается, а деревянный уже висит недвижимо на своей нитке. Несомненно, воздух мешает движению обоих шаров, но в большей степени его сопротивление сказывается на деревянном шаре, потому что его поверхность больше, чем у свинцового.
Воздух тормозит движение всех предметов: падающих, качающихся, летящих, больших и маленьких, легких и тяжелых, но большие предметы испытывают большее сопротивление воздуха, чем маленькие. И действительно, комок пуха падает всегда медленнее, чем камешек; шерстяной мячик не удается бросить так же далеко, как железную гирьку.
Песчинка и мельничный жернов должны падать с одинаковой скоростью, а если они так не падают, то это, так сказать, не их вина, а результат сопротивления воздуха. Жернов тяжел и падает быстро, но если его раздробить в мельчайшую пыль, то она будет падать несколько часов, — при дроблении общий вес камня не меняется, а поверхность сильно увеличивается. Большое влияние на сопротивление воздуха движению предмета имеет и форма движущегося предмета.
Ошибка Аристотеля
Аристотель не заметил, какую роль играет сопротивление воздуха, и потому в своих рассуждениях допустил ошибку.
Галилей понял, в чем дело, но не смог окончательно доказать свою правоту. Для доказательства ему надо было проследить за падением тел в безвоздушном пространстве, а этого Галилей сделать не мог: тогда еще не умели откачивать воздух — воздушный насос изобрели только через десять лет после смерти Галилея.
Несмотря на отсутствие решающего опыта, правильность взглядов Галилея быстро признали все ученые — бесчисленные примеры чуть ли не на каждом шагу доказывали, что воздух мешает движущимся предметам: он тормозит их движение.
Галилей упорно подтачивал учение Аристотеля о движении. Он трудился, как бобр, собравшийся свалить толстое дерево. Зубами перегрызая ствол, бобр отдирает щепку за щепкой, кусок за куском до тех пор, пока дерево не рухнет под собственной тяжестью. Так и Галилей каждым своим опытом разрушал и опровергал какое-нибудь неверное положение Аристотеля. Взамен он высказывал новые мысли, проверенные опытом и выраженные математическими формулами. Он создавал основы физики, опирающейся на опыт и на измерения.
Загадка летящей стрелы, которая поставила Аристотеля в тупик, Галилею совсем не казалась загадкой. Стрела, выпущенная из лука, или камень, брошенный пращой, летят вовсе не потому, что их подгоняет воздух, устремляющийся им вслед. Это неправильное объяснение. Дело в том, что стрела и камень получили толчок: стрела от тетивы лука, камень от пращи; и они летят, потому что им сообщена некоторая скорость. Но эта скорость постепенно иссякает: ее гасит сопротивление воздуха, — стрела и камень падают на землю гораздо раньше, чем это должно было бы случиться, если бы на них действовал только собственный вес.
Рухнуло еще одно неверное заключение Аристотеля: древнегреческий мыслитель полагал, что воздух подталкивает падающее или летящее тело вперед. Галилей установил совершенно противоположную истину: воздух оказывает сопротивление всякому движущемуся предмету.
Современные инженеры придают всем движущимся машинам такую форму, которая позволяет им успешнее преодолевать сопротивление воздуха. У кузовов автомобилей все углы закруглены, сглажены, все выступающие части убраны, и это сделано вовсе не потому, что так красивее, а потому, что округленные, обтекаемые формы уменьшают сопротивление воздуха. Конструкторы придают обтекаемые формы самолетам, тепловозам, пароходам, подводным лодкам и т. п.
Пули и артиллерийские снаряды делают заостренными, чтобы им легче было рассекать воздух. Мины для минометов и небольшие авиационные бомбы имеют форму капель, потому что жидкость, падая с высоты, разбивается на капли, которые сами принимают форму, облегчающую им падение.
Сопротивление воздуха оказывается весьма полезным, если нужно замедлить падение. Парашютист, выбросившись из самолета, распускает свой парашют, и этот огромный зонтик встречает столь сильное сопротивление воздуха, что падение замедляется и становится совершенно безопасным.
Ускорение силы тяжести
Галилей обратил внимание на то, что всякое падающее тело сначала летит медленно, а потом все быстрее и быстрее — его движение ускоряется. Ученому хотелось измерить, насколько именно ускоряется падение, то есть насколько возрастает в каждую секунду скорость падающего предмета. Но как провести такие измерения? Сбрасывать шарики с высокой башни бесполезно: они падают слишком быстро, а измерять короткие промежутки времени Галилею было нечем — часов-секундомеров тогда не существовало.
Ученый решил замедлить падение так, чтобы оно стало доступным измерению с его скудными средствами. Пусть, решил Галилей, шарик скатывается по наклонному желобку. Если наклон невелик, шарик покатится так медленно, что можно успеть проследить за изменением его скорости.
Галилей взял доску толщиной в три пальца и длиной в двенадцать локтей (на наши меры это приблизительно семь метров), поставил ее на ребро и вдоль всей доски вырезал желобок. Желобок он оклеил самым гладким пергаментом, а пергамент старательно выгладил и отполировал, чтобы небольшой бронзовый шарик катился по желобку без помех.
Шарик катится по наклонному желобку.
Однако для измерений все равно ему нужны были часы. Некоторое подобие часов тогда имелось, но с очень несовершенным механизмом. Современник Галилея — астроном Тихо Браге купил для своей обсерватории механические часы, но почти не пользовался ими. Они были на редкость капризны и ненадежны.
Словом, часов Галилей не имел. Такое препятствие, конечно, не могло его остановить. Галилей изготовил самодельные водяные часы.
Взял ведро, просверлил в его днище отверстие и подставил под него стакан. В ведро Галилей налил воды, а дырочку заткнул.
Во время опытов ученый одной рукой пускал шарик по желобу, а другой управлял своими часами: пустит шарик и откроет отверстие, а как только шарик докатится до намеченной черты, затыкает дырочку и убирает стакан с набежавшей в него водой.
Водяные часы Галилея.
Галилей взвешивал стакан и по количеству собравшейся в нем воды определял промежутки времени. Он в шутку говорил:
— Мои секунды мокрые, но зато я могу их взвешивать.
Конечно, при таком способе измерения времени очень легко было ошибиться. Чтобы уменьшить величину возможной ошибки, Галилей каждый опыт повторял по нескольку раз, стараясь натренироваться так, чтобы как можно проворнее открывать и закрывать дырочку в ведре с водой. В этом хлопотливом деле ученый приобрел большую сноровку.
Сначала Галилей пускал шарик с верхнего конца наклонного желоба так, чтобы он прокатился по всей его длине. Воды в этом случае набирался полный стаканчик. Потом Галилей разметил желобок по длине на четыре равные части и стал замечать время, в течение которого шарик пробегал только четвертую часть всего пути. Воды при этом набиралось только полстаканчика — ровно вдвое меньше, чем в первом случае.
Затем ученый скатывал шарик с середины желоба, то есть давал ему пробежать половину пути, и опять взвешивал набежавшую воду.
Галилей сделал несколько сотен таких опытов и убедился, что падение шарика по наклонному желобу не просто ускоренное движение, а равномерно-ускоренное.
Скорость падения шарика возрастает равномерно — она прибывает каждую секунду, так сказать, одинаковыми порциями. Свободное падение предметов происходит по тому же закону.
Однако точно измерить, насколько возрастает скорость падающих предметов, самому Галилею так и не удалось — он допустил ошибку, уменьшившую величину ускорения ровно, вдвое. Эту ошибку Галилея исправили другие ученые. Теперь установлено, что свободно падающее тело за одну секунду ускоряет свое движение на 9,81 метра в секунду.