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

Другими словами, если мы прикладываем силу в точке, в десять раз так же отдаленной от точки опоры, как вес, а затем поднимаем вес на данное расстояние, мы должны опустить рычаг вниз на расстояние в десять раз большее. Вот он — ответ! При подъеме веса посредством рычага мы можем регулировать расстояния от точки опоры таким образом, чтобы использовать только часть силы, которая потребовалась бы, если бы мы поднимали груз без рычага, но тогда мы должны применить эту часть силы на соответственно большем расстоянии. Произведение силы на расстояние остается тем же самым с обоих концов рычага.

Сила и расстояние

Это оказывается истинным для любого механизма, который, как нам кажется, умножает силу. Меньшая сила исполняет задачу, которая без механизма потребовала бы большей силы, но всегда за счет необходимости приложения этой силы на соответственно большем расстоянии. Произведение силы на перемещение, на котором действует сила, называется «работой» и обычно обозначается w. Таким образом:

w = fd. (Уравнение 7.1)

В некотором смысле работа — достаточно неудачный термин, чтобы использовать его в данной связи. Любой согласится, что подъем веса на какое-то расстояние — работа, но в повседневном использовании смысл данного термина не ограничен одним этим значением. В повседневной речи работа — термин, который применяется к любой форме производства. Если я спокойно сижу в своем кресле и в течение получаса думаю о том, что же дальше написать в этой книге, то такое действие может показаться мне тяжелой работой, но данный процесс не включает в себя какого-либо действия на каком-либо расстоянии, а значит, с точки зрения физика, не является работой. Опять же стоять на одном месте и держать в руке тяжелый чемодан — кажется тяжелой работой, но так как чемодан не двигается, то при этом не совершается никакой работы. Если идете и несете чемодан, то опять же при этом не производится никакой работы, поскольку хотя чемодан и перемещается (горизонтально), но перемещается не в направлении действия силы (вертикально), которая предохраняет его от падения.

Тем не менее термин «работа», означающий силу, умноженную на расстояние, на которое тело перемещается под ее действием, установлен повсеместно и не подлежит переделке.

Единицы измерения работы — это единицы измерения силы, умноженные на единицы измерения расстояния. В системе МКС единицей измерения работы является произведение ньютона на метр; это произведение было названо «джоулем» в честь английского физика, о котором я буду иметь случай упомянуть позже. В системе СГС единица работы получается равной дине, умноженной на сантиметр; эта единица называется «эрг» (от греческого слова, означающего «работа»). Так как ньютон равен 100 000 дин, а метр равен 100 сантиметрам, то ньютон-метр равен 100 000 раз по 100 дин-сантиметров. Другими словами, один джоуль равен 10 000 000 эргов.

Так как сила — векторная величина, может показаться, что работа, которая является произведением силы на расстояние, также должна быть вектором; это означало бы, что можно говорить о данном количестве работы, сделанной при движении направо, и том же количестве работы, сделанной при движении налево, как о равных и противоположных по знаку. Однако это не так. Для того чтобы понять — почему, рассмотрим единицы измерения работы еще раз.

Ньютон определяется как килограммометр в секунду за секунду, или кг-м/с2. Если джоуль равен ньютон-метру, то тогда он равен килограмм-метр-метру в секунду за секунду, или кг-м2/с2. Это последнее выражение может быть записано как кг-(м/с)2. Но м/с (метры в секунду) — единица скорости, а это означает, что единица работы равна единице массы, умноженной на квадрат единицы скорости, или w = mv2.

Истинно, что скорость является векторной величиной, поэтому можно было бы говорить о –v и +v, но единица работы включает в себя квадрат скорости. Как мы знаем из элементарной алгебры, квадрат положительного числа (+v) x (+v) и квадрат отрицательного числа (– v)∙(−v) положительны (+v2).

Следовательно, квадрат скорости не показывает никаких различий в знаках, и единица, которая включает в себя квадрат скорости, — не векторная, а скалярная величина (если, конечно, она не содержит других (иных, чем скорость) векторных единиц измерения).

Таким образом, мы пришли к выводу, что работа — скалярная величина.

Возвращаясь к рычагу, мы видим, что работа, потраченная на подъем валуна рычагом, та же самая, что потребовалась бы на подъем валуна без рычага. В данном случае отличается лишь распределение работы между силой и расстоянием. То же самое истинно и в том случае, когда в качестве механизма мы используем наклонную плоскость.

Допустим, что нам необходимо поднять 50-килограммовую бочку на высоту два метра на задний борт грузовика. Так как килограмм веса прикладывает направленную вниз силу, равную 9,8 ньютона, то, чтобы поднять бочку, потребуется сила общей величиной 490 ньютонов. Приложив силу, равную 490 ньютонов, на расстояние в два метра в направлении силы, мы выполним 980 джоулей работы.

Предположим вместо этого, что мы кладем доску от основания (земли) на грузовик таким образом, чтобы доска составляла угол в 30° с землей. При таких условиях длина доски от основания до грузовика только в два раза больше вертикального расстояния от земли до грузовика, или четыре метра. Сила, которая потребуется, чтобы катить бочку по доске, равна 245 ньютонам, то есть только половине силы, требуемой для прямого подъема. Эта половина силы прикладывается на расстоянии в два раза большем, но работа продолжает равняться 980 джоулям.

Наклонная плоскость

Чем меньше угол наклона наклонной плоскости, тем меньше сила, которая потребуется, чтобы переместить бочку, и тем длиннее расстояние, на которое она должна быть перемещена. Наклонная плоскость уменьшает силу так же, как она уменьшала скорость в опыте с силой тяжести, который выполнил Галилео. Ни наклонная плоскость, ни рычаг, ни любой другой механизм не уменьшает работу. Если мы рассматриваем работу, то мы никогда не получаем что-то из ничего.

Но если мы не получаем никаких преимуществ при выполнении работы, то зачем беспокоиться? Ответ состоит в том, что, даже если мы не получаем ничего непосредственно, мы можем извлечь пользу, изменяя распределение между силой и расстоянием. Если рассматриваемый случай — подъем груза, когда мы должны поднять вверх на два метра 250 килограммов, то без дополнительной помощи мы не сможем его поднять и вынуждены будем отказаться. Мы не сможем поднять его на метр, сантиметр или вообще на какую-либо высоту; мы не сможем сдвинуть его. Однако переместить груз, эквивалентный 50 килограммам, на расстояние в десять метров — вполне выполнимая задача, особенно если нам некуда спешить; таким образом, мы можем сделать ту же самую работу (50∙10), которая была признана невозможной при предыдущих условиях (250∙2). Поднять эквивалент пяти килограммов по наклонной плоскости длиной 100 метров — может быть, утомительно, но вполне возможно.