Немного теории
В отличие от специалистов-археологов мы отнюдь не настаиваем ни на одной из наших версий. Мы готовы даже поверить, что любой из описанных случаев происходил не на Земле, а где-нибудь на далекой Альфе Центавра. В одном мы убеждены твердо. Изобретая колесо, человек (или альфацентаврянин) не имел ни малейшего представления о том, что он изобретает «способ транспортировки грузов, основанный на замене трения скольжения трением качения».
Так трактуют в серьезных книгах тот эффект, который достигается при использовании колеса: колесо позволяет заменить трение скольжения трением качения. На самом деле это не совсем так или, точнее, не всегда так. Давайте разбираться по порядку.
Начнем с привычной школьной задачки: необходимо переместить груз из пункта А в пункт Б. Предположим, перемещать груз можно по прямой линии и с постоянной скоростью. Первый закон Ньютона гласит о том, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.
Предположим, что тело находится в пункте А в состоянии покоя. Тогда, если опираться на один лишь первый закон Ньютона, для решения задачи достаточно приложить к грузу совсем небольшую силу в направлении пункта Б. Под действием этой силы груз станет двигаться с ускорением. Когда сила перестанет действовать, груз уже не остановится — он начнет двигаться равномерно (то есть с постоянной скоростью), пока не достигнет пункта Б. Если сила мала и действует недолго, то груз будет двигаться с малой скоростью и достигнет пункта Б не скоро. Но тем не менее задача будет решена.
Именно так ведут себя грузы в космосе. Космонавту, вышедшему в открытый космос, достаточно слегка оттолкнуться пальцем от корабля. Человек начнет удаляться от своей опоры, пока натянувшийся фал не прекратит это равномерное прямолинейное движение.
Но попробуйте заставить, например, книжный шкаф двигаться по полу равномерно и прямолинейно. Вы сразу почувствуете, что это совсем не легко. Выполнению первого закона Ньютона в данном случае препятствует ТРЕНИЕ.
Проделаем (если угодно, даже мысленно) простейший опыт. Положим на стол плоский кусок стекла и поставим на него стакан, наполовину заполненный водой. Если прикрепить к стакану пружинку или резинку и тянуть за ее свободный конец, мы увидим, что все время, пока стакан перемещается с постоянной скоростью, пружинка растягивается на одну и ту же длину. Растяжение пружинки пропорционально силе, которую надо приложить, чтобы стакан перемещался по прямой линии и с постоянной скоростью.
Нальем теперь стакан дополна. Повторив опыт, увидим, что растяжение пружинки стало вдвое больше. Значит, для того чтобы с той же скоростью перемещать по стеклу груз, вдвое больший, нужно приложить вдвое большее усилие. Почему?
На ощупь поверхность стекла и дно стакана кажутся совершенно гладкими, но на самом деле это не так. Если посмотреть на кусочек стекла в микроскоп, то вместо гладкой блестящей поверхности мы увидим холмистую равнину, или, как любят говорить спортсмены и военные, пересеченную местность.
Когда мы ставим стакан на стеклянную пластинку, отдельные выступы поверхности пластинки и дна стакана цепляются друг за друга. При движении стакана выступы его дна как бы взбираются на выступы пластинки.
Теперь ясно, откуда берется та сила (ее называют силой трения), которая препятствует перемещению одной поверхности по другой. Ясно и то, что чем тяжелее стакан, тем труднее микроскопическим выступам перебираться друг через друга. Иными словами, чем больше вес перемещающегося груза, тем больше сила трения.
Сила трения между двумя поверхностями, одна из которых перемещается по другой, прямо пропорциональна силе давления одной поверхности на другую. Примерно в такой форме основной закон трения был сформулирован впервые французским физиком Гийомом Амонтоном. Он описал открытый им закон в своей книге «О причине сопротивления в машинах», вышедшей в 1699 году.
Попробуем теперь немного изменить наш опыт. Положим на стекло несколько круглых карандашей, на карандаши — книгу, а на книгу — стакан. Художник показал, как это надо сделать.
Начинаем перемещать книгу вместе со стаканом. Легко убедиться — или просто на ощупь, или с помощью пружинки, как в предыдущем случае, — что, хотя вес груза увеличился, по меньшей мере, на вес книги, перемещать его стало легче. Нужно только следить, чтобы ни один карандаш не выкатился из-под книги, а когда он все-таки выкатывается, немедленно переносить его под передний край книги.
То, что мы проделали, и есть замена трения скольжения трением качения. Разберемся подробнее, что же происходит в этом случае, и посмотрим для этого на следующий рисунок.
Художник изобразил круглый предмет, зажатый между двумя плоскими поверхностями. Когда мы двигаем книгу, карандаш катится по стеклу (и заодно по нижней поверхности книги). И вот какую замечательную особенность качения мы отмечаем. Та точка окружности карандаша, которая в данный момент касается поверхности стекла, остается неподвижной относительно этой поверхности.
На первый взгляд, такой вывод кажется невероятным. Но мы легко убедимся в его справедливости, если проделаем еще один опыт. Вырежем из плотной бумаги круг, отметим у его края несколько точек и покатим круг, например, по линейке. Что при этом происходит, хорошо видно из рисунка. Все точки круга перемещаются относительно линейки, но та точка, которая в данный момент касается поверхности линейки, неподвижна относительно этой поверхности. Она не скользит по ней.
При качении тела по какой-то поверхности все точки этого тела, в которых оно соприкасается с поверхностью, остаются неподвижными относительно данной поверхности. А если они неподвижны, следовательно, не надо затрачивать силу на преодоление трения.
