Вадим Сыромясский. Занимательная теормеханика

Вадим Сыромясский. Занимательная теормеханика
Научное эссе

Со школьной скамьи мы пребываем в убеждении, что движение есть форма существования материи, и при этом всякое движение относительно. При взаимодействии тела обмениваются скоростями, а ответственна за это сила, возникающая в точке контакта и численно равная произведению массы тела на его ускорение. Так ли это? И не пришло ли время, подойти к этим фундаментальным знаниям с мерилом конструктивной оппозиции?
В настоящей публикации в несколько критическом ракурсе проводится рассмотрение ряда утверждений в толковании основных законов механики и связанных с этим проблем в объяснении природы динамического контактного взаимодействия твердых упругих тел. Тех противоречий и разночтений законов, которые накопились за довольно значительный период развития теоретической механики. Которые своим рождением обязаны усилиям ревнителей непреложности однажды установленных истин и незыблемости авторитета их канонизированных отцов-основателей. А также усилиями тех, кто пожелал присовокупить к общему достоянию своё видение добрых старых истин и свои новации. В результате, как это нам представляется, теоретическая механика на страницах научных и учебных изданий стала постепенно терять очертания строгой научной дисциплины и превращаться в эклектический сборник суждений, сомнений и разночтений. Особенно это находит проявление в толковании основных воззрений механики на такие вещи, как масса твердого тела, инерция, сила, ускорение, динамическое контактное взаимодействие (удар). Ради справедливости следует заметить, что начало сомнениям положили сами великие. В подтверждение приведём некоторые их высказывания.

И.Ньютон: “Выражение для силы – есть всего лишь правила, согласующиеся с кинематическими опытами”.

Д` Аламбер: “Силы – туманные понятия”.

Пуанкаре: “Когда говорят, что сила есть причина движения, - то это метафизика”.

Д.Мэрион в книге “Физика и физический мир”:
“Логическая структура динамики таит в себе сложности, обойти которые, по-видимому, невозможно. Никому ещё не удавалось найти неопровержимый переход к динамике – на пути всегда возникает дилемма силы и массы”.
Особый интерес представляют высказывания учёных-представителей прикладных наук, близко стоящих к реализации крупных научно-технических проблем.
Профессор Калифорнийского Технологического института Р.Фейнман (Фейнмановские лекции по физике. М., Мир.1976):
“Все физические законы отличаются своим абстрактным характером. Закон сохранения энергии – это теорема о величинах, которые нужно вычислить и сложить, не думая о причине этого; точно так же и великие законы механики представляют собой количественные математические закономерности, о внутреннем механизме работы которых данных нет. Почему мы можем пользоваться математикой для описанных законов, не зная их причины? Никто этого не знает. Мы продолжаем идти по этой дороге, потому что на ней всё ещё происходят открытия”.

“Одна из важнейших характеристик силы – её материальное происхождение; и это свойство как раз нельзя считать определением. Ньютон привел ещё одно правило, касающееся сил: силы между взаимодействующими телами равны и противоположны; действие равно противодействию. И это правило, оказывается не совсем верно. Да и сам закон F = ma не совсем верен; будь он определением, мы должны были бы утверждать, что он точно верен всегда, а на самом деле это не так. Любое простое высказывание является приближенным. Сколько бы вы не настаивали на точном определении силы, вы его никогда не получите”.

Авторы совремённой версии прикладной теории ударных систем Е.В.Александров и В.Б.Соколинский (Прикладная теория и расчеты ударных систем. М., 1969):
“Методы теории упругости дают более правильный и точный результат, чем классической механики, и, тем не менее, на практике пользуются “классическим вариантом” ввиду сложности понимания и громоздкости расчетов по первому направлению. Однако такое положение нетерпимо, ибо очень часто встречаются задачи, для которых решения классической механики дают совершенно неправильные результаты”.

До настоящего времени как со стороны классической механики, так и со стороны теории упругости, не нашел окончательного решения механизм динамического контактного взаимодействия твердых тел, не снят с вооружения ньютоновский несколько уже одиозный “принцип дальнодействия”.

Р.Файнман об упругом столкновении двух тел равных масс: “Если такие тела ударяются друг о друга с какой-то скоростью, то по соображениям симметрии они должны разлететься в стороны с той же скоростью”. Как видим, всё очень просто. Соударяющиеся тела обязаны руководствоваться нашими соображениями о симметрии.

Можно было бы привести ещё один очень характерный пример того, как изящно обходит препятствия высокая наука.
Л.Д.Ландау и Е.М.Лившиц в пособии для физиков-теоретиков «Механика»: “Тот факт, что потенциальная энергия зависит только от расположения точек в один и тот же момент времени, означает, что изменение положения одной из них мгновенно отражается на всех остальных; можно сказать, что взаимодействия “распространяются” мгновенно. Неизбежность такого характера взаимодействий в классической механике тесно связано с основными предпосылками последней – абсолютностью времени и принципом относительности Галилея”.

При изложении и толковании основных законов классической механики часто возникают дискуссии о том, какой из них считать действительно фундаментальным законом природы, а какой можно квалифицировать как следствие первого. Многочисленны также попытки, дать собственноё видение и изложение того, что только недавно воспринималось как истина в последней инстанции.
Возьмём, к примеру, первый закон Ньютона, который в изначальной редакции звучит так : “Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние”.

Дж. Б.Мэрион (Физика и Физический мир. ИЛ. М., 1975): “Если действующая на тело результирующая сила равна нулю, то ускорение тела равно нулю и тело движется с постоянной скоростью”.

А.А.Яблонский (Курс теоретической механики. Высшая школа. М., 1966): “Материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие других тел не изменит это состояние”.

И.Е.Иродов (Основные законы механики. Высшая школа. М., 1975): “Утверждение, что инерциальные системы отсчёта существуют, составляет содержание первого закона классической механики – закона инерции Галилея-Ньютона”.

C.П.Стрелков (Механика. Высшая школа. М., 1965): В этом законе, называемом первым законом Ньютона, прежде всего, имеется утверждение, что покой и равномерное и прямолинейное движение тела – одно и то же механическое состояние тела”.

Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц (Механика. Изд. Наука. М,. 1965): “В инерциальной системе отсчета всякое свободное движение происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. Это утверждение составляет содержание так называемого закона инерции”.

Оставим в стороне стилистический произвол авторов и постоянную подмену ими предмета обсуждения. Но остаётся несомненным, что истинный закон природы не может определяться столь разноречиво. Чем глубже он познан и верно осознан, тем меньше он оставляет свободы для разночтений. Закон – это философская категория, отражающая существенное, общее, необходимое, устойчивое, повторяющееся для данной области отношение между явлениями объективной реальности. Законы внутренне присущи предметам и явлениям и выступают в качестве принципа их организации и функционирования. Они не могут быть “так называемыми” и приспособляемыми по необходимости.
Суммируя всё изложенное ранее, мы выражаем солидарность с Е.В.Александровым в том, что “такое положение нетерпимо”.
Известно, что при формулировке основных законов механики Ньютоном были сделаны допущения, позволившие перебросить мост между приложением силового воздействия и получением конечных результатов, игнорируя физическую суть процессов, происходящих в промежутке (периоде) между этими двумя событиями. Основным из этих допущений является, как уже отмечалось ранее, принцип дальнодействия. Следует отметить, что упрощённую схему взаимодействия тел первым принял Х.Гюйгенс в своём трактате “О движении тел под влиянием удара” (Три мемуара по механике. О движении тел под влиянием удара. Изд. АН СССР, 1951). Свою гипотезу под номером два он изложил так: “Не входя в рассмотрение причины отскакивания твёрдых тел после соударения, принимаем следующее положение: если два одинаковых тела, движущихся с одинаковой скоростью навстречу друг другу, сталкиваются прямым ударом, то каждое из них отскакивает назад с той же скоростью, с какой ударилось”.
Теперь, вооружившись накопленными знаниями и совершенными средствами измерения, мы должны ещё раз пройти этот путь от начала до конца, не обходя никаких препятствий. Основной задачей на этом пути будет построение непрерывной цепи механических эволюций, которые испытывают реальные физические тела в процессе их динамического контактного взаимодействия во времени и пространстве. Для того чтобы избежать в процессе этой работы возможных ошибок и предубеждений, полезно было бы провести предварительно своего рода инвентаризацию основных положений классической механики и на её основе сформулировать возможные вопросы и спланировать необходимые эксперименты. Что мы и предлагаем тем, кто ищет свой путь в науке. Несомненно, что критический подход к изучению законов механики поможет их глубокому осмыслению и теми, кто только вступает на путь познания.