Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Концепция центра масс может объяснять несколько вещей, которые иначе могли быть достаточно озадачивающими. Согласно ньютоновскому первому закону движения, объект, находящийся в движении, продолжает перемещаться с постоянной скоростью, если на него не воздействовать некоторой внешней силой. Предположим, что снаряд, содержащий взрывчатое вещество, перемещается через пространство с постоянной скоростью и что в некоторой точке он взрывается. Фрагменты снаряда разлетаются во всех направлениях, и различные химические продукты взрыва также расширяются по различным направлениям вовне. Этот взрыв является внутренней силой, однако, будучи одним из фрагментов в пределах рассматриваемой системы, согласно первому закону он не должен оказывать никакого эффекта на движение системы. Все же различные фрагменты снаряда больше не перемещаются с первоначальной скоростью. Что же — сломались ньютоновские законы движения?

Нисколько. Законы описывают систему в целом и совсем не обязательно должны подходить к той или иной ее части, рассмотренной в изоляции от других. В результате взрыва система изменила свою форму. Но изменил ли взрыв центр масс системы? Центр масс мог бы рассматриваться как «средняя точка» тела. Если одна часть снаряда брошена наружу, то это сбалансировано другой частью, брошенной в противоположном направлении. Чтобы быть более точным, согласно закону сохранения импульса векторная сумма всех импульсов в одном направлении должна быть равна векторной сумме всех импульсов в противоположном направлении. Можно показать, что независимо от того, как изменилась форма тела под действием внутренних силы, центр масс остается там, где он и находился до того, как произошло изменение формы. Другими словами, центр масс системы перемещается с постоянной скоростью независимо от взрыва, который расшвырял частицы системы туда и сюда.

Если бы тело под влиянием силы тяготения двигалось по параболической дуге, его внезапный взрыв не заставил бы центр масс прекратить плавное движение по этой параболической дуге, несмотря на то что отдельные фрагменты разлетелись бы во все стороны. (Сказанное подразумевает отсутствие вмешательства сил извне системы. Если фрагменты ударяются в другие тела и (при)останавливаются, движение центра масс изменяется. Опять же эффект, который оказывает сопротивление воздуха на множество частиц после взрыва, не может быть тем же, что оказывает действие на цельный снаряд перед взрывом; это тоже может изменять движение центра масс.)

Предположим теперь, что тело падает к земле. Каждую частицу тела тянет сила тяжести, но тело ведет себя так, как будто вся сила сконцентрирована в одной точке в пределах тела; такая точка называется «центром тяжести» тела. Если рассматриваемое тело находится в однородном поле тяготения, центр тяжести совпадает с центром масс тела. Однако более низкая часть тела находится несколько ближе к центру земли, чем верхняя, поэтому более низкая часть испытывает на себе большее гравитационное влияние. Следовательно, центр тяжести тела находится чуть-чуть ниже центра масс; при нормальных условиях эта разница настолько незначительная, что ей можно пренебречь, но не следует смешивать или подменять друг другом эти понятия.

Концепция центра тяжести весьма полезна при рассмотрении устойчивости тел. Представьте себе кирпич, опирающийся на свою узкую сторону. Если его слегка качнуть, а затем отпустить, он вернется назад, к своему первоначальному положению. Если качнуть его несколько больше и снова отпустить, он снова вернется назад. По мере увеличения наклона, однако, наступает такое положение, когда он падает на другую свою сторону. Что это за положение, при котором происходит этот «переворот»?

Мы можем рассматривать силу тяжести как силу, воздействующую на центр тяжести кирпича и только на эту точку. Пока центр тяжести расположен непосредственно по некоторой части первоначального основания, после удаления качающей силы эффект гравитационного напряжения перемещает кирпич назад на это основание. Если кирпич качнуть так сильно, что центр тяжести сместится на некоторую точку вне первоначального основания, кирпич упадет на то основание, на котором теперь расположена эта точка.

Центр тяжести

Естественно, чем более широким является основание по сравнению с высотой центра тяжести, тем на больший градус требуется качнуть кирпич, прежде чем центр его тяжести переместится, другими словами: чем шире основание, тем устойчивей тело. Кирпич, лежащий на своей самой широкой стороне, более устойчив, чем такой же, но стоящий на своей узкой стороне.

Конус, опирающийся на свой острый конец, может быть выставлен таким образом, что его центр тяжести будет непосредственно выше этой точки. Тогда он останется в состоянии равновесия. Однако самое небольшое движение или слабое дуновение воздуха способно переместить его центр тяжести за эту точку в одном или другом направлении, и конус упадет вниз. Жонглер переносит объекты, сбалансированные на точках, или, говоря более точно, на очень маленьких основаниях, перемещая собственное тело таким образом, чтобы подводить основание под центр тяжести каждый раз, когда центр тяжести пытается сместиться из этого положения.

Если тело неоднородно по плотности, то его центр тяжести не расположен в его геометрическом центре, а смещен к более плотным частям. Объект, который является особенно плотным в своей самой нижней части («с тяжелым основанием»), имеет необычно низкий центр тяжести. Даже большой градус наклона не будет выносить этот низкий центр тяжести за границу основания, и, когда мы отпустим его, объект возвратится в свое первоначальное положение. С другой стороны, объект, который является особенно плотным в своей верхней части («с тяжелой вершиной»), имеет необычно высокий центр тяжести и упадет даже после небольшого качания. Так как обычно мы имеем дело с объектами примерно однородной плотности, мы удивляемся отказу объекта с тяжелым основанием падать (например, детская игрушка ванька-встанька, которая поднимается, даже если мы положим ее на бок), или легкости, с которой объект с тяжелой вершиной переворачивается.

Позвольте нам теперь вернуться к нашей точечной массе, которая подвержена только поступательному движению. Если мы представим себе силу, приложенную к реальному телу таким образом, чтобы пересечь его центр масс, то это реальное тело ведет себя так, как будто оно — точечная масса и подвергается чисто поступательному движению. Таким образом, у свободно падающего тела сила тяжести приложена непосредственно к центру тяжести (обычно совпадающему с центром масс), поэтому (без учета действия возможного крутящего момента, возникающего в момент, когда тело отпускают, а также ветра и сопротивления воздуха) тело будет падать чисто поступательно.

Если, однако, сила приложена к телу таким способом, что направлена по одной или другой стороне от центра масс, происходит возникновение крутящего момента. Такие тела, даже когда сила приводит их в поступательное движение, одновременно подвергаются и вращательному движению. Манера, в которой двигается футбольный мяч, бейсбольный мяч и любой другой подобный объект, известна всем. В природе настолько трудно сосредоточить силу на центре масс, что фактически невозможно предохранить тело от вращения.