1. Современная наука о природе, законы механики

Количественной мерой инертности является масса. Ее мож­но измерять так: просто привязать предмет на веревочке, кру­тить его с определенной скоростью и измерять ту силу, которая необходима, чтобы удержать его. Этим способом можно из­мерять массу любых предметов. Импульс — это просто произ­ведение массы тела на его скорость. Теперь можно записать Вто­рой закон Ньютона в математической форме:

F =(d/dt)(mv). (9.1)

Давайте разберем подробнее некоторые его стороны. При напи­сании закона, подобного этому, обычно используется много интуитивных идей; что-то подразумевается, что-то предпола­гается и комбинируется в приближенный «закон». Но после этого необходимо снова вернуться назад и подробно изучить, что означает каждый член. Если же пытаться сделать это с самого начала, то можно безнадежно запутаться. Так что мы считаем некоторые положения само собой разумеющимися и но требующими никакого доказательства. Во-первых, мы считаем, что массы тел постоянны. Это, вообще говоря, неправильно, но мы начнем с ньютоновского приближения, когда масса считается постоянной и не изменяющейся с течением времени. Во-вторых, если сложить вместе два предмета, то масса образовавшегося тела равна сумме их масс. Это положение неявно предполагалось Ньютоном, когда он писал свои уравнения, в противном слу­чае они были бы бессмысленны. Пусть, например, масса изме­няется обратно пропорционально скорости, но тогда импульс никогда бы не изменялся и закон потерял бы всякое содержание, за исключением только того, что вы знаете, как изменяется масса со скоростью. Так что сначала мы считаем массу неизмен­ной.

Несколько слов о силе. В качестве первого грубого при­ближения мы рассматривали силу как некий толчок или тягу, которая может быть произведена с помощью наших мышц, но теперь, пользуясь уравнением движения, мы можем определить ее более точно. Очень важно помнить, что закон Ньютона вклю­чает не только изменение величины импульса, но и изменение его направления. Итак, если масса постоянна, то уравнение (9.1) можно записать в виде

F =m(dv/dt)=ma, (9.2)

где а — ускорение, т. е. «скорость изменения скорости». Вто­рой закон Ньютона означает не только то, что изменения, выз­ванные данной силой, обратно пропорциональны массе, но и то, что направление изменения скорости совпадает с направ­лением действия силы. Важно понимать, что термин «ускорение» имеет в физике более широкий смысл, чем в обычной разговор­ной речи. Он означает не только увеличение скорости, но и за­медление ( в этом случае мы говорим, что ускорение отрицатель­но), и перемену направления движения. В гл. 7 мы уже позна­комились с ускорением, направленным под прямым углом к скорости, и мы видели, что предмет, движущийся по окружнос­ти радиусом R со скоростью v, за малый интервал времени t уклоняется от своего прямого пути на расстояние 1/₂(v2/R)t2. Так что в этом случае ускорение направлено под прямым углом к направлению движения и равно

a =v2/R. (9.3)

Таким образом, сила, действующая под прямым углом к скорос­ти, вызывает искривление пути, причем радиус кривизны можно найти, деля силу на массу тела (при этом мы получаем ускорение) и используя затем формулу (9.3).

Термин «скорость» тоже имеет в физике более широкий смысл, чем в обыденной жизни. Это не просто некоторое коли­чество метров в секунду, т. е. абсолютная величина скорости, но и направление перемещения в каждый момент времени. Мате­матически мы можем описать и величину, и направление скоро­сти, если будем задавать изменение координат тела с течением времени. Пусть, например, в некоторый момент тело движется так, как это показано на фиг. 9.1.

Фиг. 9.1. Малое перемещение тела.

Тогда за малый промежуток времени Dt оно пройдет некоторое расстояние Dх в направлении оси х, Dy в направлении оси у и Dz в направлении оси z. Ре­зультатом же этих изменений координат будет перемещение Ds вдоль диагонали параллелепипеда со сторонами Dx, Dy, Dz, которые следующим образом связаны с составляющими скорос­ти и интервалом:

Dx=v_xDt, Dy=v_yDt, Dz=v_zDt. (9.4)

§ 2. Компоненты скорости, ускорения и силы

В уравнении (9.4) мы разложили скорость на составляющие (или компоненты), которые говорят нам, насколько быстро продвигается тело в направлениях х, у и z. Скорость будет полностью определена как в отношении ее направления, так и абсолютной величины, если задать числовые значения трех ее компонент:

При этом абсолютная величина равна

Теперь пусть под действием силы меняется не только вели­чина, но и направление скорости (фиг. 9.2). Хотя это довольно сложный случай, но с помощью подсчета изменения компонент его рассмотрение сильно упрощается. Изменение x-компоненты скорости за интервал Dt будет Dv_x=a_xDt, где а_х то, что назы­вается x-компонентой уско­рения. Совершенно аналогично Dv_x =a_уDt и Дv_z=a_tDt. В такой формулировке Второй закон Ньютона фактически превращается в три закона. Действительно, мы говорим, что сила имеет то же направление, что и ускорение, так что каждая из составляющих силы в направлениях х, у и z равна массе, умноженной на изменение соответствующей ком­поненты скорости:

Подобно скорости и ускорению, сила тоже может быть разло­жена на компоненты, причем каждая из них является проекцией отрезка прямой, численно равного абсолютной величине силы и указывающего направление ее действия, на оси х, у и z:

где F — абсолютная величина силы, a (xF), (yF) и (zF)— углы между направлением силы и осями х, у и z соответственно.

Уравнения (9.7) представляют собой полную форму Второго закона Ньютона. Зная силы, действующие на тело, и разлагая их на компоненты, можно с помощью этих уравнений найти дви­жение тела. Давайте рассмотрим простой пример. Пусть в нап­равлениях х и у не действуют никакие силы, а есть сила только в направлении z (скажем, вертикально). Тогда, согласно урав­нению (9.7), изменяется только одна вертикальная составляю­щая скорости; что же касается горизонтальных, то они будут ос­таваться неизменными. Пример такого движения уже рассмат­ривался в гл. 7 (см. фиг. 7.3). Таким образом, горизонтальное движение падающего тела остается неизменным, тогда как в вертикальном направлении оно движется так, как будто ника­кого горизонтального движения вообще нет. Другими словами, если компоненты сил не связаны друг с другом, то и движения в направлениях осей х, у и z будут независимы.

§ 3. Что такое сила?

Чтобы пользоваться законами Ньютона, мы должны иметь какую-то формулу для сил; ведь эти законы говорят нам: по­думайте о силах. Если тело ускоряется, стало быть, на него что-то действует. А как найти это «что-то»? Нашей программой на будущее должно быть отыскание законов для сил. Некоторые из таких законов были найдены самим Ньютоном. Например, формула для силы тяготения. Часть сведений о силах другого рода содержится в Третьем законе, который утверждает ра­венство сил действия и противодействия, но об этом более под­робно пойдет речь в следующей главе.

Продолжим наш предыдущий пример. Что за силы действу­ют на тело вблизи поверхности Земли? Это — сила тяжести, на­правленная вертикально вниз, пропорциональная массе тела и для высот, много меньших, чем радиус Земли R, почти не зави­сящая от высоты; она равна F=GmM/R2=mg, где g=GM/R2— так называемое ускорение силы тяжести. В горизонтальном направлении тело по-прежнему будет двигаться с постоянной скоростью, однако движение в вертикальном направлении бо­лее интересно. По Второму закону Ньютона

После сокращения массы m получаем, что ускорение в направле­нии х постоянно и равно g. Это хорошо известное движение свободно падающего тела, которое описывается уравнениями

Рассмотрим другой пример. Представим, что мы смогли создать устройство (фиг. 9.3), в котором сила прямо пропор­циональна отклонению от положения равновесия и направлена противоположно ему,— это пружина с грузиком.

Фиг. 9.3. Грузик на пружинке.

Действи­тельно, поскольку сила тяжести компенсируется начальным натяжением пружины, то имеет смысл говорить только об избыточной силе. Если потянуть грузик вниз, то пружина растянется и потянет его вверх, если же толкать грузик вверх, то пружина сожмется и будет толкать его вниз. При этом все устроено таким образом, что чем больше сила и чем сильнее мы оттягиваем грузик вниз, тем больше растягивается пружина и тем сильнее она тянет его вверх, и наоборот. Наблюдая за работой этого устройства, мы видим довольно интересное движе­ние: вверх — вниз, вверх — вниз... Возникает вопрос, могут ли уравнения Ньютона правильно описать его? Если применить закон Ньютона (9.7) для такого периодического осциллятора, то получим следующее уравнение:

т. е. здесь мы встречаемся с таким положением, когда x-компонента скорости изменяется с быстротой, пропорциональной х. Нет смысла сейчас вводить многочисленные константы; в целях простоты предположим, что либо изменился масштаб времени, либо что-то произошло с другими единицами измерения, сло­вом, они выбраны так, что klm равно единице. Итак, будем пы­таться решать уравнение

Чтобы пойти дальше, нужно сначала разобраться в том, что такое v_x; то, что это быстрота изменения положения, нам, разумеется, уже известно.

§ 4. Смысл динамических уравнений

Попытаемся теперь понять, что же означает уравнение (9.12). Пусть в данный момент времени t тело находится в точке х и движется со скоростью v_x. Каково будет его положе­ние и скорость спустя небольшой промежуток времени, т. е. в момент t+e? Если мы сможем ответить на этот вопрос, то проблема решена, так как, исходя из начальных условий, т. е. положения и скорости в некоторый начальный момент времени, можно сказать, как они изменяются в первый момент, а зная положение и скорость в первый момент, можно найти их и в следующий и т. д. Таким образом, шаг за шагом вы­страивается вся картина движения. Для большей определен­ности предположим, что в момент t=0 положение грузика х=1, а его скорость v_x=0. Почему вообще движется грузик? Да потому, что на него в любом положении, за исключением положения равновесия х=0, действует сила. Если х>0, то эта сила направлена вверх. Следовательно, скорость, кото­рая вначале была нулем, благодаря уравнениям движения начинает изменяться. Но как только скорость начинает воз­растать, грузик приходит в движение. Для любого момента времени t при очень малом е можно с достаточно хорошей точ­ностью найти положение в момент t+е через скорость и положение в момент t:

x(t+e)=x(t)+ ev_x(t). (9.13)

Конечно, это выражение тем точнее, чем меньше e, но оно может быть достаточно точным, даже когда интервал e не исчезающе мал. Что теперь можно сказать о скорости? Чтобы определить скорость в момент t+e, очевидно, нужно знать, как она изменяется со временем, т. е. нужно знать ускорение. А как узнать его? Вот здесь-то нам на помощь приходят уравнения динамики. Именно они позволяют определить, чему равно ускорение. В нашей задаче уравнение динамики говорит, что ускорение равно -x. Поэтому

v_x(t+e)=v_x(t)+ ea_x(t), (9.14)

= v_x(t)- ex(t). (9.15)

Уравнение (9.14) еще кинематическое; оно просто говорит о том, что из-за наличия ускорения скорость изменяется. Однако уравнение (9.15) уже динамическое, потому что оно связывает ускорение с силой. Оно говорит, что в данной частной задаче для данного момента времени ускорение можно заменить на -х(t). Следовательно, если в какой-то момент времени нам известны положение х и скорость v_x, то мы знаем и ускорение, которое дает возможность найти скорость в следующий момент, а скорость в свою очередь определяет новое положение и т. д. Вот каким образом действует весь этот динамический меха­низм! Действующая сила немного изменяет скорость, а скорость приводит к небольшому изменению положения.

§ 5. Численнов решение уравнений

Давайте теперь действительно решим нашу задачу. Допус­тим, что мы взяли e=0,100 сек. (Если после того, как мы про­делаем все вычисления, окажется, что этот интервал не достаточ­но мал, то необходимо повторить все сначала с меньшим интервалом времени, например 0,010 сек.) Чему будет равно х(0,1), если в начальный момент времени х (0) = 1? Оно равно старому положению х(0) плюс скорость в начальный момент (которая равна нулю), умноженная на 0,10 сек. Таким образом, х(0,1) равно 1,00, ибо грузик еще не начал двигаться. Но новая скорость в момент 0,10 сек будет равна старой скорости v (0)=0 плюс e, умноженное на ускорение. А само ускорение равно -х(0)=-1,00. Так что

v(0,1)=0,00+0,10·1,00=-0,10. В момент 0,20 сек

х(0,2)=х(0,1)+ev(0,1)=1,00-0,10·0,10=0,99

и

v(0,2)=v(0,1)+ ea(0,1) =-0,10-0,10·1,00 =-0,20.

Продолжая эту процедуру еще и еще, можно найти положение и скорость в любой момент времени, а это как раз то, что нам нужно. Однако практически мы используем нехитрый прием, который позволит увеличить точность вычислений. Если бы мы продолжали начатые нами расчеты, то они оказались бы до­вольно грубыми, поскольку интервал e=0,10 сек довольно большой. Пришлось бы уменьшить его, скажем, до 0,01 сек. Но тогда, чтобы проследить движение за какой-то разумный отрезок времени, потребовалось бы сделать множество шагов. Мы же организуем процесс таким образом, что сможем увели­чить точность, используя тот же интервал e=0,10 сек. Этого можно достичь, несколько изменив метод расчета.

Заметьте, что новое положение тела равно старому плюс интервал времени e, умноженный на скорость. Но что это за скорость? В какой момент? В начале интервала одна скорость, а в конце она совсем другая. Прием состоит в том, чтобы брать скорость в середине интервала. Если известна скорость в на­стоящий момент и известно, что она меняется, как же можно надеяться получить удовлетворительный результат, считая, что тело все время движется с той же скоростью, что и в на­стоящий момент? Более разумно использовать какую-то сред­нюю скорость между началом и концом интервала. Те же рассуждения применимы к изменению самой скорости: для под­счета ее изменений нужно использовать ускорение в средней точке между двумя моментами времени, в которых необходимо найти скорость. Таким образом, реально мы будем пользовать­ся следующими уравнениями: положение в конце интервала равно положению в начале плюс интервал e, умноженный на скорость в середине интервала. Эта скорость в свою очередь равна скорости в середине предыдущего интервала (т. е. на отрезок e меньше) плюс ускорение в начале интервала, умно­женное на e.

Таким образом, мы будем пользоваться уравнениями

Остается еще один небольшой вопрос: что такое v (e/2)? Вна­чале у нас было v (0), а не v (-e/2). Но теперь, чтобы начать наши вычисления, необходимо использовать дополнительное уравнение v(e/2)=v (0)+( e/2)а(0).

Таблица 9.1 · решение уравнения (dv_x/dt)=-x Интервал e=0,10 сек

Ну, а теперь все готово для расчетов. Для удобства можно их выполнить в виде таблицы, в столбцах которой стоят время, положение, скорость и ускорение, причем скорость пишется в промежутках между строками (табл. 9.1). Такая таблица есть, конечно, просто удобный способ записи результатов, по­лученных из уравнений (9.16), и фактически полностью заме­няет их. Мы просто заполняем одно за другим свободные места в ней и получаем очень интересную картину движения: сначала грузик находится в покое, затем понемногу приобретает отри­цательную скорость (вверх), а это приводит к уменьшению его расстояния от точки равновесия. При этом хотя ускорение и становится меньше, оно все еще «подгоняет» скорость. Однако по мере приближения к положению равновесия (х=0) уско­рение становится все меньше и меньше, скорость нарастает все медленней и медленней, но все же еще нарастает вплоть до точки x=0, которая достигается примерно через 1,5 сек. Скажем по секрету, что произойдет дальше. Грузик, конечно, не остано­вится в точке х=0, а пойдет дальше, но теперь все пойдет наоборот: его положение х станет отрицательным, а ускоре­ние — положительным. Скорость начнет уменьшаться. Инте­ресно сравнить полученные нами числа с функцией cost. Результат этого сравнения представлен на фиг. 9.4.

Фиг. 9.4. График движения грузика на пружинке.

Оказы­вается, что в пределах точности наших расчетов (три знака после запятой) совпадение полное! Позднее вы узнаете, что функция cos t — точное решение нашего уравнения, так что у вас теперь есть наглядное представление о мощи численного анализа: столь простой расчет дает столь точный результат.

§ 6. Движение планет

Приведенный анализ очень подходит к движению осцилли­рующей пружинки с грузиком, но можно ли таким же путем вычислять движение планеты вокруг Солнца? Давайте посмот­рим, можно ли при некоторых приближениях получить эллип­тическую орбиту. Предположим, что Солнце бесконечно тяжелое в том смысле, что его движение не будет приниматься в расчет.

Допустим, что в известной точке планета начала свое дви­жение и имеет определенную скорость. Она движется во­круг Солнца по какой-то кривой, и мы попытаемся определить с помощью уравнений движения Ньютона и его же закона все­мирного тяготения, что это за кривая. Как это сделать? В не­который момент времени планета находится в каком-то опреде­ленном месте, на расстоянии r от Солнца; в этом случае извест­но, что на нее действует сила, направленная по прямой к Солнцу, которая, согласно закону тяготения, равна определенной по­стоянной, умноженной на произведение масс планеты и Солнца и деленной на квадрат расстояния между ними. Чтобы рассуж­дать дальше, нужно выяснить, какое ускорение вызывает эта сила.

Однако в отличие от предыдущей задачи нам потребуются теперь компоненты ускорения в двух направлениях, которые мы назовем х и у. Положение планеты в данный момент будет определяться координатами х и у, поскольку третья коорди­ната z всегда равна нулю.

Действительно, координатная плоскость ху выбрана нами таким образом, что z-компоненты как силы, так и начальной скорости равны нулю, а поэтому нет никаких причин, которые бы заставили планету выйти из этой плоскости. Сила при этом будет направлена по линии, соединяющей планету с Солнцем, как это показано на фиг. 9.5.

Фиг. 9.5. Сила притяжения, действующая на планету.

Из этого рисунка видно, что горизонтальная компонента силы так относится к полной ее величине, как координата х относится к расстоянию r. Это сразу следует из подобия тре­угольников. Кроме того, если х положительна, то F_x отрица­тельна, и наоборот.

Таким образом, F_xъFъ=-x/r, или F_я=-ъFъxlr=-GM mx/r3 и соответственно F_y=-GMmy/r3. Теперь можно воспользо­ваться динамическими законами (9.7) и написать, что х- или y-компонента ускорения, умноженная на массу планеты, равна соответственно х- или y-компоненте силы:

Это именно та система уравнений, которую мы должны решить. Для того чтобы упростить вычисления, предположим, что либо единицы измерения времени или массы выбраны соответствую­щим образом, либо нам просто повезло, словом, получилось так, что GM=1. Для нашего случая предположим, что в на­чальный момент t=0 планета находилась в точке с координа­тами х=0,500 и у=0,000, а скорость ее в этот момент направ­лена параллельно оси у и равна 1,6300. Как же в этом случае делаются расчеты? Снова составляется таблица со столбцами для времени t, координаты х, x-компонент скорости v_x и уско­рения а_х. Затем идут отделенные чертой три колонки: для координаты y, у-компонент скорости и ускорения. Однако, для того чтобы подсчитать ускорения, мы должны воспользо­ваться уравнением (9.17), согласно которому его компоненты равны —х/r3 и —у/r3, а r=Ц(x2+y2). Так что, получив х и у, мы должны где-то в сторонке провести небольшие вы­числения — извлечь квадратный корень из суммы квадра­тов и получить расстояние. Удобно также отдельно вычис­лить и 1/r3.

После этого все готово, чтобы определить компоненты ус­корения. Всю эту работу можно сильно облегчить, если поль­зоваться таблицами квадратов, кубов и обратных величин. На нашу долю останется тогда только умножение х на 1/r3, которое легко выполняется на логарифмической линейке.

Перейдем к дальнейшему. Возьмем интервал времени e=0,100. В начальный момент t=0

x(0)=0,500,. у(0)=0,000,

v_x(0) = 0,000, v_y(0)=+1,630.

Отсюда находим

r(0)=0,500, 1/r3=8,000,

a_x=-4,000, а_у=0,000.

После этого можно вычислять компоненты v_x (0,05) и v_y (0,05):

v_я (0,05)=0,000-4,000·0,050 = -0,200,

v_y(0,05)=1,630+0,000-0,100=1,630.

А теперь начнем наш основной расчет: