науки, что два различных явления, две различных силы имеют общее название. Эта ситуация зачастую приводит к недоразумениям. Она заслуживает того, чтобы в ней разобраться.
Давайте возвратимся в наш вагон и откроем шторы.
ИЛЛЮЗИИ И РЕАЛЬНОСТЬ
Прежде, чем приступить к делу, вспомним, что мы наблюдали, когда наш вагон стоял на станции рядом с другим неподвижным поездом.
Мы видели, что наш поезд плавно трогается с места и вагоны соседнего поезда начинают все быстрее мелькать перед нашим окном. Вдруг, когда мимо нас промелькнул последний вагон, мы видим здание вокзала и людей на платформе и понимаем, что ошиблись. Поехал не наш поезд, а соседний!
Иногда, если поезд ведет хороший машинист, мы, не чувствуя толчка и не ощущая других признаков движения, думаем, что поехал соседний поезд. Ошибка выясняется лишь когда за окном возникает не вокзал, а совершенно иной пейзаж.
Тот, кто не испытал подобных иллюзий, должен поверить прочитанному.
Если скорость возрастает медленно и плавно, то трудно установить, что она изменяется, что все происходит в соответствии со вторым законом Ньютона. Создается впечатление, что скорость постоянна, а значит на предметы не действуют силы, вызываемые другими предметами. Создается впечатление, что здесь действует первый закон Ньютона, закон инерции. А в этом случае не только человек, но и приборы не могут установить какой из предметов движется, а какой неподвижен. Или, может быть, оба движутся прямолинейно и равномерно, но движутся по-разному.
Так проявляет себя принцип относительности Галилея, суть которого состоит в равноправии систем, в которых справедлив первый закон Ньютона — закон инерции.
Эти системы, на которые не действуют внешние силы, называют инерциальными системами. Встречая это название, мы понимаем, что речь идет о системах, в которых справедлив закон инерции.
Вернемся в вагон, движущийся с постоянной скоростью. Посмотрим на чемодан, неподвижно лежащий на полке, и на предметы, движущиеся за окном.
Принцип относительности Галилея заставляет нас признать, что вагон может считаться неподвижным, а ландшафт — движущимся с постоянной скоростью.
Особенно ясно это для случая двух кораблей, встречающихся в открытом море. Невозможно определить какой из них движется, если не прибегнуть к лагу — прибору, показывающему скорость корабля относительно воды.
Теперь, внимание!
Пассажир в вагоне замечает, что какая-то сила заставляет его наклониться, бросает вперед чемодан, спокойно лежавший на полке, и одновременно заставляет остановиться ландшафт, до того пробегавший за окном.
Эйнштейн обратил внимание на то, что тормоза не действуют на телеграфный столб и окружающую местность. Конечно, при торможении колеса деформируют рельсы, увлекая их верхнюю поверхность за собой. Но рельсы прикреплены к шпалам, шпалы связаны с грунтом, а масса Земли столь велика, что тормозящий поезд практически не изменяет ее скорость. После остановки поезда деформации рельсов и грунта исчезают.
Итак, приборы, установленные в вагоне, как и пассажиры отмечают, что во время торможения возникают новые силы, источник которых остается неизвестным. Физики называют эти силы силами инерции. Именно эти силы, фиксируемые приборами, находящимися в поезде, заставляют, с точки зрения пассажира, слететь с полки чемодан. Они же заставляют «остановиться» ландшафт, двигавшийся до того навстречу вагону.
Мы уже знаем, что пассажир и чемодан испытали действие силы инерции, заставившей их начать движение. Теперь мы вынуждены признать, что эти силы остановили бегущий ландшафт!
Это неожиданный вывод. Силы инерции, понимаемые иначе, чем силы инерции Галилея — Ньютона, силы, не имеющие видимого «источника», возникновение которых не вызвано какой-то определенной причиной, влияют на весь мир! Это кажется странным, но нужно помнить, что такие силы приходится ввести пассажиру тормозящегося вагона для того, чтобы не вступать в противоречие со вторым законом Ньютона.
Ньютон не применял термин «силы инерции» для описания подобных явлений, хотя он, несомненно, наблюдал нечто подобное, сидя в карете. По-видимому его не интересовали ситуации, разыгрывающиеся столь кратковременно и случайно.
Это только начало.
Вспомним о блестящей полосе, образующейся на закрепленном рельсе в месте его поворота. Она возникает из-за действия центробежной силы, прижимающей реборды колес к рельсу.
Но внимательный наблюдатель скажет, что блестящая полоска есть и на прямых участках рельсов. Ее можно увидеть на внутренней части головки правого (по ходу поезда) рельса двухколейной железной дороги даже там, где рельс не изогнут. (В южном полушарии эта полоска образуется на левом рельсе).
Что же прижимает колеса к этим рельсам? Ведь рельсы прямые, значит, они не должны испытывать бокового давления колес. Не должны быть деформированы этим давлением. Не должны со своей стороны давить на колеса, чтобы направить их вдоль (не существующего здесь) закругления пути. Подчеркнем еще раз: правые рельсы стираются и на прямых участках пути. Это выглядит странно и непонятно.
Здесь мы впервые сталкиваемся с непредусмотренным Ньютоном влиянием суточного вращения Земли на предметы, движущиеся по ее поверхности. До сих пор вращение Земли не проявляло себя в наших мысленных экспериментах. Большинство из нас даже не думает о такой возможности.
В 1829 году французский физик и инженер Г. Кориолис понял и доказал, что при движении предметов по поверхности Земли возникают особые силы, не вызываемые действием соприкасающихся с ними предметов. Эти силы получили название Кориолисовых сил. Они обусловлены вращением Земли. И возникают только при движении предметов относительно вращающейся Земли, если это движение происходит не параллельно тому участку экватора, который лежит на одном меридиане с движущимся предметом.
Кориолисовы силы должны быть прибавлены к обычным силам, действующим на движущиеся предметы, чтобы не возникало противоречия со вторым законом Ньютона. Именно эти силы прижимают колеса поезда, идущего на прямых участках пути, к правым (если смотреть по ходу поезда) рельсам. Это вполне реальные силы, как и обычные силы инерции, возникающие в системах, движущихся с ускорением. Но эти силы инерции не принадлежат к силам инерции, известным Ньютону.
Эти силы отклоняют речную воду в северном полушарии Земли к правому берегу, приводя к тому, что правые берега обычно бывают крутыми, обрывистыми, а левые берега — пологими и низкими. Несомненно, многие замечали такое различие между берегами, но только академик К. Бэр в 1857 году увидел в этом общую закономерность. Известен ряд отклонений от закона Бэра, например, реки Волхов, Нева, Сев. Двина, Печора, Темза.
Лишь в 1926 году Эйнштейн в краткой статье, без единой формулы дал физический анализ явлений, приводящих к закону Бэра. Он показал, что основной причиной действительно является взаимодействие движения воды и вращения Земли, приводящее к возникновению силы Кориолиса. Причем величина силы пропорциональна скорости течения, что объясняет слабое проявление закона Бэра в медленно текущих реках. В быстрых реках, текущих с Севера на
