Эти странные силы инерции
— Когда весь бензин вышел, автомобиль принуждён был остановиться... И после этого ещё болтают об инерции, господа! Ну не смешно ли?
Ярослав Гашек. Похождения бравого солдата Швейка
Силы инерции — очень необычны. Даже профессиональные физики не всегда сходятся во мнении по поводу их реальности, а на многочисленных интернет-форумах вокруг этих сил ведутся ожесточённые многолетние дискуссии. Какой смысл у сил инерции, если большинство специалистов считает их фиктивными? Можно ли с их помощью объяснить, как происходит движение тел по инерции и почему Луна не падает на Землю?
Ньютоновская сила инерции
Причины движения и покоя тел интересовали мыслителей с древности. На протяжении тысячелетий они полагали, что для движения тел требуется прикладывать усилие, ведь телега не едет, если её не тянет лошадь. Но почему же тогда летит стрела после окончания действия тетивы? Мы не будем здесь останавливаться на долгой истории попыток объяснить подобные явления, а перейдём сразу к Галилео Галилею (1564—1642), который сделал очень важный вывод: для движения по прямой с постоянной скоростью, названного инерциальным, не нужна причина. В результате Галилей сформулировал закон инерции, который потом стал первым законом Ньютона: тело будет находиться в состоянии инерциального движения или покоя, пока не найдётся внешняя причина, которая выведет его из этого состояния. Позднее Декарт отлил этот принцип в чеканную латынь: «Quod in vacuo movetur, semper moveri» («Что движется в пустоте, будет двигаться всегда»).
Постойте, скажут сторонники «реальности», но ведь на практике нельзя добиться отсутствия всех сил, как же тогда можно сделать такой вывод? Давайте представим шар, катящийся по горизонтальной поверхности. Причиной его остановки служит сила трения. Чем более гладкой мы сделаем поверхность, чем больше мы уменьшим силу трения, тем дальше укатится шар. А что произойдёт, если силы трения не будет вообще? Напрашивается вывод, что движение будет продолжаться бесконечно, с неизменной скоростью и вдоль одной и той же прямой линии.
Но что же тогда мешает телу самопроизвольно изменить своё инерциальное движение: поменять скорость или повернуть? Особая врождённая сила материи — «сила инерции» — ответил на этот вопрос основоположник современной механики Исаак Ньютон (1642—1727). В своей книге «Математические начала натуральной философии» он писал, что эта сила проявляется телом «единственно лишь, когда другая сила, к нему приложенная, производит изменение в его состоянии».
Прежде чем разобраться с современным взглядом на силу инерции, сделаем замечание для тех, кто любит в качестве аргумента ссылаться на Ньютона. Признавая заслуги первопроходцев в науке, надо всегда понимать, что в их трудах имеются неточности, несоответствие современной терминологии, сложившейся в результате многолетних исследований (поэтому ориентироваться надо только на неё), и даже ошибки, поскольку быть первыми очень сложно.
В отличие от обычного языка, наука во избежание недоразумений требует однозначного определения своих терминов. Многозначность слов обычной речи, делающая её богаче и выразительнее, в науке может приводить к ошибкам. Кстати, получившие недостаточное образование люди часто делают ошибки в понимании тех или иных проблем физики из-за того, что используют «житейский» смысл термина, а не принятый в науке. Первой эту проблему осознала математика, построение которой изначально шло значительно строже.
Что касается физики, то многозначность некоторых её терминов сохраняется и поныне, а во времена Ньютона, да и гораздо позже, не было строгого определения понятия «сила». Так, кинетическая энергия долгое время называлась живой силой, а мощность измерялась лошадиной силой. Известная работа Германа Гельмгольца 1847 года (через 160 лет после Ньютона), посвящённая закону сохранения энергии, называлась «О сохранении силы». А достаточно вольное обращение с этим термином привело к появлению, например, понятий электродвижущей силы и силы света, к механическим силам вообще отношения не имеющих. Поэтому к использованию понятия «сила» в старину надо относиться очень осторожно.
Современное понимание термина «сила» в механике тесно связано с законами Ньютона, в которые входят приложенные силы: действия, производимые над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Итак, «приложенная сила» у Ньютона это то, что изменяет движение, а «врождённая сила» — то, что сохраняет. Таким образом, они совершенно различны по природе, и объединять их одним термином нехорошо. Это создаёт ненужную путаницу. Поэтому современная механика приняла в качестве сил «приложенные силы», а вот «врождённая сила» таковой статус потеряла и стала просто инерцией. В современной механике ньютоновская сила инерции отсутствует.
Но как же быть с тем, что в природе существуют взаимодействия, которые приводят к возникновению массы элементарных частиц и, как следствие, инерции тел? Например, хиггсовский механизм отвечает за появление масс элементарных частиц благодаря взаимодействию с так называемым полем Хиггса. Может быть, это и есть силы инерции? Нет. Объяснение этих механизмов выходит за рамки данной статьи, там всё очень непросто и, самое главное, не описывается средствами механики. Отметим лишь любопытный факт. Масса протона, связанная с взаимодействием кварков, равна 940 МэВ, а масса составляющих его трёх кварков всего 15 МэВ — в 62 раза меньше! В обычной жизни это выглядит так: кладём в сумку три пакета массами 4 кг, 4 кг и 7 кг, и сумка приобретает массу 940 кг. Невозможно, скажете вы. Совершенно верно, в рамках классической механики невозможно. Именно поэтому не надо применять механические понятия вроде силы к этим механизмам. По поводу же хиггсовского взаимодействия добавим, что оно порождается ускорением частиц, а не создаёт его, следовательно, не описывается понятием механической силы, о котором мы говорили. Таким образом, эти взаимодействия — причина того, что тела приобретают свойство инертности, но они не порождают механическую силу инерции. Гипотеза известного физика и философа Эрнста Маха (1838—1916), полагавшего, что инерция тел определяется всеми остальными телами Вселенной («принцип Маха»), современной физикой отвергается.
Не описываются понятием механической силы также сильное и слабое взаимодействия, поскольку они тоже не создают ускорение частиц. Поэтому, когда иногда говорят, что нуклоны (протоны и нейтроны) в ядрах атомов удерживаются силами, в этом как раз проявляет себя неоднозначность термина «сила», который фигурирует здесь как синоним «взаимодействия». Чтобы избежать неоднозначности, стараются при разговоре об этих взаимодействиях слово «сила» не употреблять.
Ещё одно неточное слово в ньютоновском определении силы инерции, вызывающее споры, — «сопротивление». Он охарактеризовал врождённую силу как способность материи к сопротивлению (имея в виду сопротивление попытке изменить её движение). Это слово может вызывать ассоциацию с механической силой, однако здесь его надо понимать иначе. Мы можем, например, сказать, что сильное взаимодействие сопротивляется развалу атомного ядра, но это вовсе не означает наличия там механических сил. Слово «сопротивление» в данном случае лишь образная характеристика ограничивающего фактора. В случае инертности — фактора, ограничивающего ускорение тела.
Впрочем, существует и другое толкование ньютоновской силы инерции, также имеющее право на жизнь. Под ней понимают силу со стороны рассматриваемого тела на препятствие, мешающее его инерциальному движению. Механические силы — результат взаимодействия тел. Рассматривая ускоренное движение какого-либо объекта, мы можем условно выделить ускоряемое и ускоряющее тела. Например, когда мы тянем шарик за привязанную к нему верёвку или раскручиваем его над головой, то можем рассматривать шарик как ускоряемое тело, а верёвку как ускоряющее тело. При этом из-за инертности шарик «сопротивляется» ускорению, что приводит к силе, действующей на верёвку. Она приводит к растяжению верёвки и появлению в ней силы упругости (натяжения). Вот эту силу, в принципе, можно назвать силой инерции, поскольку её возникновение связано именно с инертностью шарика.
Но такое толкование не получило широкого распространения по двум причинам. В физике и технике название «силы инерции» уже закрепилось за другими силами, причём действующими на ускоряемое тело. Так, в данном случае центробежной силой инерции будет сила, растягивающая верёвку и приложенная к ней, в то время как в технических задачах — это сила, действующая на шарик. Такое двойное использование термина может приводить к путанице. Кроме того, по своей природе сила, растягивающая верёвку, представляет собой силу упругости (более широко — электромагнитную силу), возникающую из-за деформации шарика, а потому нет необходимости давать ей второе название «сила инерции», к тому же подразумевающее, что это какой-то особый вид сил.
Далее мы будем говорить о силах инерции, действующих на ускоряемое тело.
Движение и силы. Мифы о силе инерции
Сторонники ньютоновской силы инерции в защиту своих взглядов часто приводят ситуации, объяснение которых, как им кажется, невозможно без её существования. Рассмотрим некоторые из них, остальные будут их вариациями.
Почему при разгоне автомобиля действующей силой F скорость автомобиля возрастает постепенно? Отвечая на этот вопрос, сторонники силы инерции говорят, что именно она противодействует F, препятствуя мгновенному разгону. Причём второй закон Ньютона ma = F в этом случае понимается ими как равенство силы инерции (ma) действующей силе (F). Такая трактовка вступает в противоречие с физическим смыслом закона. Ведь ma — это следствие действия силы (изменение количества движения) и самостоятельной силой названо быть не может. К тому же смысл второго закона Ньютона в том, что тело приобретает ускорение (a) только в том случае, если действующие на него силы не уравновешены. Если же сила инерции всегда будет уравновешивать действующую силу, то тело просто никогда не сможет набрать никакого ускорения. Здесь опять всё упирается в понимание того, что формирование массы m (инертности) происходит за пределами механики, в том числе и второго закона Ньютона. Можно сказать, что в механике масса тела — это некоторая данность.