Вес падающего тела
Доказать то, что вес падающего тела теряется, во времена Галилея было не так-то просто: даже в наши дни не всякий поверит, что падающие вещи ничего не весят.
Флоренция в XVI веке
Флоренция в XVI веке, населенная преимущественно ремесленниками, купцами и мелкими промышленниками, была в то время одним из развитых городов Италии. И она встретила Галилея очень дружелюбно. Каждый ремесленник прекрасно понимал, что его мастерство обусловлено только его собственным трудом и опытом многих поколений таких же ремесленников, как и он сам.
Венецианские стекольщики веками сохраняли и совершенствовали тайные рецепты приготовления стекла и наконец достигли такого совершенства, что равных им стекольщиков не было во всем мире. И достигли они этого не путем рассуждений, а тяжелым трудом, бесчисленными опытами их отцов, дедов и прадедов. Их искусство создавалось трудом и опытом.
Купцы того времени сами командовали своими кораблями, терпели бури, преодолевали опасности, рисковали, боролись со стихией и с гордостью говорили о своем благосостоянии, что оно создано их трудом и опытом. Оружейники, красильщики, кожевники, ювелиры, строители знали, что путь к мастерству открывают только труд и опыт.
И вот, когда появился ученый, который так же, как и они, говорил на простом и понятном для них языке, так же, как они, в споре не лез в карман за словом, сам умел работать, знал ремесла и верил только опыту, - они признали его своим ученым. В недрах феодального строя рос и развивался новый общественный класс - буржуазия. (Слово «буржуазия» в его первоначальном смысле означало «жители городов, горожане».)
Буржуазия тогда была революционная и начинала беспощадную борьбу с феодализмом.
Способ познания природы - опыт
Галилей не стал слугой чванливых феодальных владык. Он отрицал замшелую науку феодального строя, которая, кроме Аристотеля, ничего знать не хотела. Галилей выступил как создатель и защитник новой, смелой науки о природе - науки горожан, буржуазии - и считал основным способом познания природы опыт.
Галилео Галилей в Падуанском университете профессор математики
Галилей быстро нашел себе друзей среди передовых людей того времени. Флорентинец Филипп Сальвиати и венецианец Франциск Сагредо помогли ему найти работу.
По их ходатайству Совет Венецианской республики большинством в сто двадцать девять голосов против трех и при девятнадцати воздержавшихся (такую популярность успел приобрести молодой ученый) постановил пригласить Галилео Галилея в Падуанский университет профессором математики и астрономии и назначил ему оклад втрое больший, чем он получал в Пизанском университете.
Несколько лет спустя жалованье Галилею удвоили, потом ему назначили пятьсот флоринов в год и наконец повысили жалованье до тысячи флоринов - так много денег никогда еще не платили в Италии ни одному математику.
Галилей сделал свои наиболее важные открытия
В Падуанский университет Галилей переехал осенью 1592 года и пробыл в нем восемнадцать лет. За эти годы Галилей сделал свои наиболее важные открытия. Прежде всего он повторил студенческие опыты с маятниками и продолжил исследование свободного падения тел на землю.
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.
Сопротивление воздуха служит помехой для маятника и тормозит 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.
Потеря веса
Галилей изготовил два шара: один из свинца, а другой из дерева - и сделал их с таким расчетом, чтобы свинцовый шар оказался ровно в сто раз тяжелее деревянного. Эти шары Галилей привязал к ниткам одинаковой длины, а длину нитей подобрал такую, чтобы на каждые два удара его пульса приходилось бы одно качание маятника - так удобнее подсчитать размахи качающихся шаров.
Свои маятники Галилей оттянул в сторону на одинаковое расстояние и одновременно отпустил их. Маятники стали раскачиваться мерно и дружно, как два солдата, шагающих в ногу. И свинцовый тяжелый шар и легкий деревянный делали по пятьдесят качаний на каждые сто ударов пульса.
Галилей наблюдал сотни и тысячи качаний, и никогда не видел, чтобы один маятник хотя бы на йоту опередил другой: деревянный по числу колебаний не отставал от свинцового, хотя он был в сто раз легче его.
Вес шаров в данном случае не играет роли. И это понятно - ведь маятник качается под действием силы тяжести. Его колебания - это только видоизмененное падение. Галилей рассуждал так:
- Оттягивая шар маятника в сторону, я тем самым поднимаю его, то есть удаляю от земли, а когда отпускаю шар - даю ему свободу, он получает возможность упасть, но упасть прямо вниз не может, его держит нить. Шар маятника волей-неволей вынужден опускаться по кривой линии - по дуге окружности. Это движение шара - то же падение, и поэтому вес шаров не сказывается на частоте качаний маятников.
Исследования Галилея на этом не прекратились. Остроумным рассуждением он пришел к выводу, что падающий предмет во время своего падения вообще не имеет веса. И в самом деле, кажется странным, как вода, падающая из верхнего ведра в нижнее, теряет вес. Это так: яблоко, лежащее на столе, имеет вес, а стоит его столкнуть со стола - и на время падения оно вес теряет.
Однако это верно! Вес падающего тела теряется. Падающие предметы действительно ничего не весят.
Опыт с потерей веса падающей воды
Галилей долго не мог придумать опыт, который позволил бы ему определить вес падающего тела и убедиться, что он ничего не весит. Много лет спустя такой опыт он сделал.
В этот момент весы вышли из равновесия, чашка с гирями перетянула и опустилась, а ведра стали легче и поднялись. В таком положении весы находились все время, пока текла вода. Но как только она вся собралась в нижнем ведерке, весы снова пришли в равновесие.
Этот поучительный опыт показывает, что та часть воды, которая находится в струе и падает из верхнего ведра в нижнее, во время падения ничего не весит, и, естественно, общий вес воды от этого уменьшается.
Опыт с падающими весами
Теперь этот вывод Галилея доказывают совсем просто: на крючок пружинных весов вешают гирьку, а потом выпускают весы из рук. В первые моменты падения весов вместе с гирькой можно увидеть, что указатель весов мгновенно прыгает на нуль: гиря перестает растягивать пружину - падающее тело теряет свой вес.
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.
Ощущение потери веса человеком
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 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, они попадают в ситуацию, когда вес падающего тела пропадает.
Полную потерю веса испытывают парашютисты, когда выбрасываются из самолета, и летчики, когда вводят самолет в пике, то есть направляют его к земле, стремительно снижаясь.