Разумеется, все это было открыто не сразу. Сначала И. Ньютону предстояло сформулировать законы динамики. К слову, когда великий англичанин открыл второй закон динамики, то выразил его посредством декартовой величины — импульса тела. В формуле Ньютона ускорение полностью отсутствует, будучи замененным на более корректное выражение — изменение импульса тела за единицу времени. Ускорение ввели другие ученые, развивавшие классическую механику в посленьютоновский период. Они же тем самым невольно все испортили.
Формула Ньютона легко преобразуется в релятивистское выражение, которое учитывает изменение массы на больших скоростях. Релятивизм (теория относительности), предсказывает, что масса тела, движущегося на околосветовой скорости, существенно меняется. Ньютон не мог предвидеть этого открытия, сделанного на рубеже XIX–XX вв., но гениальный ученый подобрал наиболее верную и удобную форму для выражения физического закона и тем самым опередил научную мысль своего времени.
Если через второй закон динамики в механике закрепляется понятие импульса тела, то через третий закон обосновывается сохранение этой величины. Но все же не будем умалять заслуг Декарта. Он, конечно, не мог сформулировать понятие импульса тела так, как это сделали впоследствии Ньютон и другие механики. Однако заслуга выдающегося французского мыслителя состоит в другом. Он открыл универсальный закон природы, который послужил отправной точкой и для Ньютона, и для других физиков.
Наиболее существенным следствием из закона сохранения количества движения является закон сохранения материи. Впервые этот закон вывел М. В. Ломоносов, выразив его в виде химического закона сохранения количества вещества: «Все перемены, в натуре [в природе] случающиеся, такого суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому». Ломоносов обосновывает этот закон по аналогии с декартовым законом сохранения импульса тела:
«Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
В настоящее время материя признана естествознанием неуничтожимой, постоянной. Поэтому законы сохранения всегда справедливы, они являются следствием сохранения количества материи во всех ее формах. Физиками выведены на сегодняшний день законы сохранения количества движения, момента количества движения, работы, механической энергии, полной энергии, зарядов (электрического и др.), изоспина.
Интересно одно удивительное следствие из закона сохранения импульса тела. Если тело обладает способностью отбросить значительную часть своей массы, то перед нами уже система из двух тел, обменивающихся импульсом. Существуют ли в природе такие необычные тела? Да, они существуют. Более того, эти тела вполне обычны. В их числе стоит и человеческое тело. Оно неразрывно связано с Землей, образуя как бы единое целое. Однако силой мышц человек способен… отбросить от себя планету. На самом деле люди отталкиваются от Земли, но эффект получается равный.
Идущий по тротуару пешеход ежесекундно отбрасывает от себя земную массу, что и позволяет ему двигаться. Чем выше скорость отделения земной массы, тем выше скорость нашего движения. Отдача оружия основана на том же принципе. Ружье выбрасывает снаряд со столь большой скоростью, что и само начинает двигаться в противоположную сторону. Некоторые изобретатели в конце XIX столетия задались вопросом, что произойдет, если стрелять постоянно. Очевидно, можно будет двигаться вместе с оружием, чуть ли не лететь на винтовке или пушке!
В 1897 г. академик И. В. Мещерский вывел уравнения для движения тела, постоянно отбрасывающего часть своей массы. Само движение такого рода получило название реактивного. Из уравнений Мещерского следует, что на тело переменной массы действует т. н. реактивная сила, прямо пропорциональная массе отброшенного вещества и скорости удаления последнего относительно тела. Направление этой силы противоположно движению отброшенного вещества и создает реактивную тягу, заставляющую тело двигаться в том же направлении, что и сила. Вот почему оружие отдает при стрельбе в сторону, противоположную полету снаряда. Открытие реактивной тяги позволило сконструировать принципиально новый род техники — космические ракеты.
Изобретение реактивного двигателя
Реактивное движение впервые было открыто самой природой. Оно широко применяется многими живыми существами. Медузы, например, перемещаются в толще воды, порождая реактивную тягу своими колоколами. Ритмично расширяя и сжимая колокол, медуза то вбирает в него воду, то выталкивает ее. В результате выброса из своего тела большой массы вещества (воды), медуза толкает сама себя вперед. Тем самым примитивное морское животное более успешно повторяет трюк барона Мюнхгаузена, якобы вытащившего себя за волосы из болота.
Удачливее оказались кальмары. В процессе эволюции эти головоногие моллюски приобрели мощную водометную установку, способную быстро выбрасывать большую массу воды через специальное сопло. Благодаря такому приспособлению кальмары развивают невиданные скорости. Некоторые виды даже научились искать спасения от хищника в воздушной среде. Уплывая прочь от преследователя, эти т. н. летучие кальмары разгоняются до скорости, позволяющей им выпрыгнуть из родной водной стихии и лететь некоторое время в воздухе.
О существовании реактивной тяги люди догадывались давно. Доказательством тому служит способ надувания парусов, который сводится к следующему. Кормчий судна устанавливает на корме мехи, в которые закачивает воздух. Полными мехами затем надувается парус, и судно таким способом приводится в движение. До открытия законов реактивного движения люди поняли, что способ неосуществим и судно двигаться не будет.
Сформулированный позднее закон реактивного движения объясняет, почему так происходит. Сила ветра, производимого мехами, равна реактивной тяге, развиваемой этими же мехами и направленной в противоположную сторону. Результирующая двух равных по модулю и противонаправленных сил всегда равна нулю. Стало быть, судно должно было неподвижно стоять на месте.
Одним из наиболее примечательных устройств, сконструированных Героном, была реактивная сфера. В ней находилась вода, которая на пламени доводилась до кипения. Пар выходил из сферы через изогнутые трубки и силой отдачи заставлял сферу вращаться. Это устройство отдаленно напоминает сегнерово колесо и фактически является первой в истории паровой турбиной.
Ньютон, опираясь на свой закон противодействия, развил идею реактивного автомобиля. Впервые такие автомобили были сконструированы в 1928 г. и работали на сложном химическом топливе. Автомобиль Ньютона был оснащен паровым двигателем. Нагретый пар с силой выбрасывался из сопла и приводил устройство в движение. В начале Нового времени изобретатель Ремзи предлагал проект парохода, который под напором выбрасывает из специальных резервуаров воду, чем приводит себя в движение. Проект Ремзи так и не был осуществлен, но зато натолкнул P. Фултона на идею создания обыкновенного парохода.
Китайские хроники сообщают, что ракетное летательное устройство было изобретено задолго до настоящего времени. Пятьсот лет тому назад, в 1500 г., человек по имени Ван-Ху изготовил аппарат, поднимаемый над землей силой реактивной тяги. Тягу создавали 47 пороховых ракет, использовавшихся китайцами для организации фейерверков. Ракеты были привязаны Ван-Ху к обыкновенному плетеному стулу, на котором изобретатель мечтал совершить полет.
По приказу Ван-Ху все 47 ракет были одновременно зажжены. Если верить хроникам, стул поднялся вместе с изобретателем и улетел высоко в небо, после чего этого человека никто больше не видел. Затем в течение длительного времени люди изобретали массу всевозможных устройств, предназначенных для полета, преимущественно нереальных, фантастических, а подчас и просто комических. Даже в произведениях великого французского фантаста XIX в. Ж. Верна нет ни намека на использование реактивной тяги для космических полетов, о которых он так много писал.
Идея ракетного двигателя зародилась на рубеже XIX–XX вв. Она заинтересовала одновременно нескольких ученых и инженеров. Наиболее полно она была проработана в трудах замечательного ученого-самоучки К. Э. Циолковского. В 1900–1903 гг. он окончательно обосновал необходимость использования реактивного двигателя для осуществления межпланетных перелетов и прочих космических путешествий. Аэропланы и дирижабли не могут совершать полетов в пустоте межпланетного пространства, поскольку они опираются на воздух, а в пустоте опираться не на что. Необходимо, чтобы движущая сила исходила из самого тела.
