ОТТОЛКНУВШИСЬ ОТ ЯБЛОКА

 

GodfreyKneller-IsaacNewton-1689.jpg

 Здесь покоится Сэр Исаак Ньютон (Sir Isaac Newton), который почти божественной силой своего ума впервые объяснил с помощью своего математического метода движения и формы планет, пути комет, приливы и отливы океана. Он первый исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того времени никто даже не подозревал. Прилежный, проницательный и верный истолкователь Природы, древностей и священного писания, он прославил в своем учении Всемогущего Творца. Требуемую Евангелием простоту он доказал своей жизнью. Пусть смертные радуются, что в их среде жило такое украшение человеческого рода. Родился 25 декабря 1642 г. Умер 20 марта 1727 года.

То, что яблоко с яблони падает вниз, знали, наверное, еще Адам с Евой. Но, будучи в Раю, счастливцы, конечно, не пытались научно осмыслить этот факт.
Известное объяснение поведению яблока дал Аристотель (384 – 322 до н.э.): «все тела стараются занять свое естественное положение».
Похожее   у Николая Коперника (1474-1543): «Я думаю, что тяжесть есть не что иное, как некоторое стремление, которым божественный Зодчий одарил частицы материи…».
Галилео Галилей (1564-1642) пришел к еретическому убеждению, что центром мира является Солнце, а не Земля. Однако, вопреки этому, все тела, с которыми он производил опыты, все-таки падали на Землю, причем с одинаковым ускорением, если им не мешал воздух.В год смерти Галилея родился Ньютон, которому было суждено внести решающий вклад в проблему яблока  и решить, между прочим, парадокс Галилея.Аппетитный плод упал на гениальную голову Ньютона ночью, когда в своем саду он любовался круглой подобно яблоку луной.

«А ведь так, чего доброго, и луна может упасть» — подумал ученый и погрузился в расчеты. Оказалось, действительно, луна падает, но окончательно упасть на землю ей мешает центробежная сила. Так и приходится ей вечно крутиться на околоземной орбите.

В отличие от своих предшественников, которые  догадывались о законе всемирного тяготения,  Ньютон доказал существование таких сил строго математически,  исходя из наблюдаемой картины движения планет и их спутников. Ньютон писал "До сих пор мы объясняли явления небесные и морские, прибегая к силе тяготения, но мы еще не установили причины тяготения. Очевидно, эта сила происходит от некоторой причины, которая проникает вплоть до Центра Солнца и планет, не теряя своей способности; она действует не в соответствии с площадью поверхности частиц, на которые воздействует (как это бывает с механическими причинами), а пропорционально количеству твердого вещества, которое они содержат, и ее действие распространяется во все стороны на огромные расстояния, уменьшаясь в соотношении, обратном квадрату расстояния. Притяжение к отдельным частицам, из которых состоит тело Солнца, при удалении от Солнца уменьшается в обратном соотношении к квадрату расстояния вплоть до орбиты Сатурна, как ясно видно из покоя афелиев планет и вплоть до последних".

На вопрос о причинах действия сил тяготения Ньютон отвечал:
 "По правде говоря, мне еще не удалось вывести причину этих свойств тяготения, гипотез же я не измышляю".

Исаак появился на свет в деревушке Вулсторп (Woolsthorpe) графства  Линкольншир, что расположено к северу от Лондона. Младенец родился  недоношенным и, по словам матери,  был таким маленьким, что его можно было бы выкупать в большой пивной кружке.  Хилость ребенка сводила к минимуму его шансы выжить. К тому же его отец, Исаак Ньютон,  умер еще до рождения сына, а мать, Анна Эйскоу (Hannah Ayscough) вскоре вновь вышла замуж, оставив четырехлетнего малыша на попечение бабушки. Наперекор всему Исаак с годами  окреп, до глубокой старости почти не болел,  не носил очков, сохранил в целости зубы.

В 1655 году мальчика отправили в общественную школу маленького города Грэнтем, расположенного в десяти километрах от Вулсторпа.   Вначале школьные предметы Исаака не увлекали, он ленился, считался последним  учеником в классе. К тому же, слабый от природы,  он частенько подвергался нападкам и унижениям со стороны товарищей. Чтобы чем-то превзойти своих обидчиков, Исаак поднажал в занятиях и, в конце концов, сделался первым учеником. Вскоре он снискал еще и славу большого умельца: его  точными водяными  часами пользовались даже взрослые, на  оригинальном самокате мечтали прокатиться мальчишки, воздушными змеями с прикрепленными к ним цветными фонариками засматривались праздношатающиеся горожане. Особый восторг вызывала миниатюрная ветряная мельница, которая при помощи «живого мельника» — мыши,  молола зерно даже в безветренную погоду: чтобы поесть, мышонок должен был взбираться наверх к мешочку с зерном и при этом вращать мельничное колесо. После окончания школы в июне 1661 года Исаак  приехал в Кембридж, где после сдачи экзамена на знание латинского языка  был принят в Тринити-колледж (Колледж святой Троицы) Кембриджского университета по разряду студентов – «субсайзеров», с которых не брали платы за обучение в замен на узаконенную «дедовщину» — обязанность чистить сапоги и оказывать другие мелкие  услуги богатым студентам. Через три года Ньютона  перевели в категорию действительных студентов — «школяров»; он стал получать стипендию, еще через год получил степень бакалавра. 8 августа 1665 года в связи с охватившей Англию эпидемией чумы  занятия в Университете были приостановлены.  Ньютон  вернулся  в родную деревушку, где оставался с 1665 по 1667 год.  Уединение способствовало продуктивному труду. В деревенской тиши, в саду у знаменитой яблони рождались идеи, ставшие основой современной классической механики. Здесь Ньютон открыл закон всемирного тяготения, разработал дифференциальное и интегральное исчисления, опытами установил, что эффект белого света возникает от совместного действия цветов солнечного спектра.  Для дополнительного подтверждения этого открытия  Ньютон разрисовал деревянный круг всеми цветами радуги: при вращении круг становился белым. Каким чудесным образом вчерашний провинциальный школьник стал самостоятельным ученым – такая же тайна, как превращение стратфордовского шалопая и посредственного актера театра «Глобус» в великого драматурга Уильяма Шекспира.

Ньютон  неохотно  отвлекался от процесса творчества, ему было жаль тратить время на оформление  трудов. Лишь отдельные публикации Ньютона  становятся известными научной общественности Англии и ряда зарубежных стран. В 1668 году Ньютону присвоена степень магистра, 9 октября 1669 года он наследовал от своего учителя, известного математика Исаака Барроу почётную физико-математическую кафедру. По настоянию  авторитетных ученых, с которыми Ньютон поддерживал дружеские отношения, в 1684-1686 годах он готовит к изданию обобщающий результаты многолетних исследований,  главный труд своей жизни — "Математические начала натуральной философии». В «Началах» Ньютон дал определения базовым понятиям механики,  ввёл такие важнейшие физические величины, как масса, сила, инерция, количество движения, постулировал абсолютность пространства и времени,  мера которых не зависит от положения и скорости наблюдателя, на основе этих понятий сформулировал три  закона получившей его имя механики,  привел строгий вывод из закона тяготения  трёх законов Кеплера, описал неизвестные ранее гиперболические и параболические  орбиты небесных тел.

Основанное в 1660 году «Лондонское Королевское общество» собиралось было издать «Начала». Однако бюджет общества  был подорван печатанием  трактата по истории рыб. В результате трехтомник Ньютона издали на частные средства известного английского ученого, астронома, геофизика, математика и демографа Эдмонда Галлея (Edmond Halley). В благодарность Королевское общество одарило Галлея пятьюдесятью экземплярами нераспроданного трактата о рыбах. Впоследствии, в 1713 году Ньютон отправил в Россию шесть экземпляров второго издания «Начал»: «царю для него самого и для главных библиотек Московии».

Большее впечатление, чем появление «Начал», произвела на английскую публику демонстрация в 1671 году построенного Ньютоном первого в истории техники телескопа-рефлектора, способного давать 40-кратное увеличение. Этой действо сделало Ньютона знаменитым. Уже через год его избирали членом «Лондонского Королевского общества». В 1687 году король Яков II попытался нарушить права Кембриджского университета, предписав его руководству дать степень магистра некоему католическому монаху.  Единственным, кто решительно  отверг притязания короля,  стал Ньютон. Вице-канцлера университета отстранили от должности, но монах остался без искомой степени.

«Всякий честный человек по законам Божеским и человеческим обязан повиноваться законным приказаниям короля. Но если Его Величеству советуют потребовать нечто такое, чего нельзя сделать по закону, то никто не должен пострадать, если пренебрежёт таким требованием»,  — написал Ньютон в одном из своих писем.

В 1703 году Ньютон становится президентом Лондонского королевского общества.  В 1705 году королева Анна  за научные труды возводит Ньютона в рыцарское  достоинство: отныне он – сэр Исаак Ньютон. К своей известности Ньютон относился без особого пафоса: "Не знаю, кем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным".

Жизнь Ньютона отмечена не только научной деятельностью. Дважды, в 1689 и 1701 годах его избирают в парламент от Кембриджского университета. В 1696 году по рекомендации Чарльза Монтегю (Charles Montagu), президента Королевского общества и канцлера казначейства, король назначает Ньютона управляющим Монетного двора. В этой должности Ньютон способствовал успешному проведению финансовой реформы, изъятию из обращения недоброкачественных монет. Недовольными остались только фальшивомонетчики.  На Ньютона обрушился поток ложных доносов. Однако и здесь ученый оказался на высоте. Он потребовал тщательного расследования всех обвинений в свой адрес. Более сотни жуликов были осуждены, главарей организованных преступных групп казнили. Ньютон был домоседом, ни разу не пересек Ла-Манш. Невысокий, молчаливый мужчина с вполне заурядной внешностью вряд ли пользовался успехом у женщин. Да и сам он не пытался стяжать лавры Дон Жуана.  Впрочем, однажды, в школьные годы, он увлекся симпатичной девушкой, мисс Сторей, воспитанницей аптекаря, у которого снимал комнату в Грэнтеме. Возможно, что намеченному  браку помешала средневековая традиция, согласно которой члены колледжа должны были быть холостыми. Или от романтического увлечения отвлекло упавшее на  голову яблоко. Тем не менее, дружеские отношения с участницей своих детских игр Ньютон сохранил до конца жизни.

Хотя законы Ньютона, из которых выведены основные формулы аэромеханики, хорошо известны, не будет большим грехом написать их еще раз, причем в том незамутненном современными премудростями  виде, в каком их опубликовал автор:
1.     Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.
2.     Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
3.     Действию всегда есть равное и противоположное  противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Чудесен, кто понимает, закон № 1: «На свете счастья нет, но есть покой и воля», «Мои желания – покой» — говаривал А.С. Пушкин.

Если же все-таки появится желание выйти из состояния покоя, надо набрать камешки и бросать их в сторону, противоположную намеченной цели движения. Прикладывая силу к камню, вы взамен по закону № 3 получаете от него такую же силу и начинаете двигаться. Лень собирать и разбрасывать  камни – приделайте к спине реактивный двигатель, способный испускать стремительный поток газа. Газ в одну сторону – вы в другую.  Тогда вы доберетесь до заветного «горшка щей» будь он хоть на Луне.

Для описания динамики полета закон Ньютона № 2 записывают в форме уравнения F = ma: ускорение материальной точки a прямо пропорционально действующей на точку силе F, обратно пропорционально массе m и по направлению совпадает с силой.

Самолет использует, как минимум, два источника сил.  Один – в виде пропеллера или реактивного двигателя, создает пропульсивную силу,  заставляющую летательный аппарат двигаться вперед, преодолевая сопротивление воздуха. Второй – в виде крыла с такой формой профиля и под таким углом наклона к набегающему потоку воздуха, чтобы отбрасывать этот поток вниз наиболее эффективно. Произведение массы отбрасываемого вниз воздуха на придаваемое ему ускорение образует подъемную силу самолета.

Вертолет изобретен, в том числе для того, чтобы наглядней продемонстрировать  первый закон Ньютона. Из летательных аппаратов тяжелее воздуха  – он единственный способен оставаться неподвижным на режиме висения. Вертолет может обладать всего одним источником силы – несущим винтом.   Несущий винт —  набор специфических крыльев – лопастей, вращающихся вокруг оси, наклон которой относительно вертикального положение изменяет пилот. На режиме вертикального подъема на диск несущего винта набегает поток воздуха Vy, равный скорости подъема. Вращающиеся лопасти придают протекающему сквозь диск воздуху дополнительный импульс, в результате которого возникает приращение скорости на величину так называемой индуктивной скорости v.  Вследствие увеличения скорости отбрасываемая от диска струя воздуха суживается, и на расстоянии одного диаметра несущего винта вниз от диска индуктивная скорость удваивается. Используя вытекающую из второго закона Ньютона теорему о количестве движения, определяют тягу Т несущего винта:

Т = ½ Ст ρ π R2 ( ω R2), где:

Ст = 0,313Fл/FСy0 – коэффициент тяги несущего винта, определяемый через осредненный коэффициент подъемной силы Сy0 и так называемый коэффициент заполнения Fл/F , равный отношению площади всех лопастей к площади диска несущего винта;

ρ – плотность воздуха;
R – радиус несущего винта;
ω – угловая скорость вращения несущего винта.
Зная приведенную формулу, любой желающий может смело приступить к проектированию вертолета.

Что касается знаменитой яблони, то, отдавая должное ее заслугам, человечество решило отправить кусочек этого дерева в космос. Дабы оно на собственной шкуре почувствовало силу всемирного тяготения и всю прелесть ее преодоления.

Добавить комментарий

WordPress SEO