Квинтэссенция. Книга первая

Теперь мы называем это правило — методом абстракции. (Абстракция — мысленное отвлечение от второстепенных свойств предметов или процессов с целью раскрыть их главные свойства). Метод абстракций является мощным средством при построении модели или теории, отображающей сущность сложных явлений.

Возвратимся к Галилею и его опытам с наклонной плоскостью.

Изменив длину доски, Галилей доказал сомневающимся и справедливость второго вывода, полученного им при наблюдении качания маятников. Шарики, скатывающиеся по наклонным плоскостям любой длины, при одинаковой высоте опоры, приобретают одинаковые скорости. Они откатываются по гладкому полу на одинаковое расстояние от конца наклонной плоскости. При движении по полу трение шарика о поверхность пола становится обстоятельством, далеко не второстепенным, как на наклонной плоскости. Здесь трение становится главным фактором. Именно оно определяет длину пробега шарика по горизонтальному полу.

Теперь любой желающий мог убедится в том, что легкие и тяжелые предметы затрачивают на «падение» по наклонной плоскости одинаковое время!

Регулируя величину наклона доски Галилей измерял это время, и оно менялось одинаково для всех шариков. По пологой наклонной плоскости они двигались медленно. По мере увеличения наклона время «падения» уменьшалось. В пределе, когда плоскость становилась отвесной, шарики свободно падали вдоль нее. Заметить различие времен, затраченных на свободное падение шариков, не удавалось. Но никто не мог доказать, что это время различно.

Так Галилей впервые осуществил на опыте переход к пределу. Переход, который до него был возможен только в математике. В этом опыте положение доски менялось между двумя крайними положениями, между двумя пределами: горизонтальным и вертикальным.

Важнейший вывод из опытов с наклонной плоскостью опровергает утверждение Аристотеля о том, что скорость движения зависит от величины действующей силы. Сила (сила тяжести) вызывает не какую-то определенную скорость, а ее изменение.

При опытах с наклонной плоскостью предмет, бывший неподвижным у ее верхнего конца, постепенно увеличивает скорость своего движения, которая становится наибольшей у нижнего конца наклонной плоскости.

Аристотель ошибся потому, что принимал второстепенное (силу трения) за главное. При движении по ровной дороге лошади работали против силы трения. Скорость при этом зависит не только от силы, с которой тянут лошади, но и от трения в ступицах колес и от трения обода колеса о дорогу.

Продолжая опыт с наклонной плоскостью, Галилей снова обратил внимание на то, что шарик, удаляясь от нижнего конца желоба, отходит от него одинаково далеко, если верхний конец наклонной плоскости поднят на постоянную высоту. Он понял, что постепенное уменьшение скорости шарика вызвано трением. Но что заставляет шарик двигаться после того, как он скатился с наклонной плоскости? Ведь на плоском полу сила тяжести уравновешивается противодействием пола!

Галилей снова обращается к рассуждениям. Тело, брошенное вверх, постепенно замедляется силой тяжести. Затем сила тяжести направляет его вниз и он падает все скорее. Сила тяжести, действующая на каждое тело, постоянна и определяется его весом. Галилей не знал, что эта сила на высокой горе меньше, чем на равнине. Но это не препятствовало истолкованию проводимых им опытов.

Путь тела, брошенного горизонтально, постепенно искривляется вниз и оно падает на землю. Упав, оно еще некоторое время движется по земле в направлении первоначального броска.

Постоянная сила, сила тяжести изменяет скорость и направление движения предмета. Сила трения может только уменьшить величину скорости.

Галилей снова обращается к наклонной плоскости. Скатываясь с нее, шарик движется все быстрее. Если его толкнуть так, чтобы он поднимался на наклонную плоскость — его скорость постепенно уменьшается. Она может уменьшиться до нуля, и тогда шарик начнет скатываться вниз. Но если устранить наклон, снять подпорку из под верхнего конца доски, она станет горизонтальной. Теперь действие силы тяжести гасится противодействием горизонтальной доски и шарик остается неподвижным.

ПЕРВЫЕ МЫСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Перед умственным взором Галилея возникает невероятное видение: по гладкому полу, совершенно лишенному трения, скользит предмет. Его путь прям, его скорость постоянна.

Это первый мысленный эксперимент. Ученый «ставит» его, отвлекаясь от действия мешающего трения. В действительности, к такому эксперименту можно лишь приблизиться, уменьшая трение. Но реализовать его абсолютно точно — невозможно.

В мысленном эксперименте тело движется равномерно и прямолинейно. Почему оно движется именно так?

Аристотель должен был бы объяснить это действием особой силы, как он поступил в случае движения стрелы. Но Аристотель не сделал этого, ибо не понимал, что следует опускать в рассуждениях второстепенное (здесь силу трения), для того, чтобы осознать главное.