(34.) Эти явления также доказывают, что воздух обладает свойством упругости. Если бы он был просто сжимаемым, а не упругим, он сохранял бы те размеры, до которых был сокращен давлением жидкости; но это не является результатом. По мере уменьшения сжимающей силы воздух в той же пропорции, благодаря своему упругому свойству, оказывает силу, с помощью которой он восстанавливает свои прежние размеры.
То, что именно воздух, а не что-то иное, вытесняет воду из бокала в предыдущих экспериментах, легко доказать. Когда бокал глубоко погружен в сосуд с водой, наклоните его немного в одну сторону, пока его отверстие не будет направлено к стенке сосуда; отрегулируйте этот наклон так, чтобы поверхность воды в бокале едва достигала его края. При небольшом увеличении наклона можно заметить, как воздух выходит из бокала и поднимается пузырьками на поверхность воды. Если затем вернуть бокал в исходное положение, можно обнаружить, что пробка поднимется в нем выше, чем до выхода воздуха. Вода в этом случае поднимается и заполняет пространство, которое освободил вышедший воздух. Тот же процесс можно повторять до тех пор, пока весь воздух не выйдет, и тогда бокал будет полностью заполнен водой.
(35.) Жидкости сжимаются под действием механической силы в столь незначительной степени, что во всех гидростатических трактатах они рассматриваются как несжимаемые жидкости. Однако они не являются абсолютно несжимаемыми, а лишь слегка поддаются очень интенсивному давлению. Вопрос о сжимаемости жидкостей был поднят еще в отдаленный период истории науки. Почти два столетия назад в Академии дель Чименто во Флоренции был проведен эксперимент, чтобы установить, сжимаема ли вода. С этой целью полый золотой шар наполнили жидкостью, а отверстие точно и плотно закрыли. Затем шар подвергли очень сильному давлению, из-за чего его форма слегка изменилась. В геометрии доказано, что шар обладает тем особым свойством, что любое изменение его формы неизбежно должно уменьшить его объем или содержимое. Отсюда был сделан вывод, что если бы вода не просочилась через поры золота или не разорвала шар, ее сжимаемость была бы доказана. Результатом эксперимента стало то, что вода действительно просочилась через поры и покрыла поверхность шара, приняв вид росы или пара, охлажденного металлом. Но этот эксперимент был неубедительным. Совершенно верно, что если бы вода не вытекла при изменении формы шара, сжимаемость жидкости была бы установлена. Однако утечка воды не доказывает ее несжимаемость. Чтобы доказать это, необходимо было бы сначала точно измерить объем воды, просочившейся при сжатии, а затем измерить уменьшение объема, которое претерпел сосуд из-за изменения своей формы. Если бы это уменьшение было больше объема вытекшей воды, из этого следовало бы, что вода, оставшаяся в шаре, была сжата, несмотря на утечку остальной части. Но это никогда не могло быть выполнено с той тонкостью и точностью, которые необходимы в таком эксперименте; и, следовательно, в том, что касается вопроса о сжимаемости воды, ничего не было доказано. Однако это служит весьма яркой иллюстрацией пористости такого плотного вещества, как золото, и доказывает, что его поры крупнее элементарных частиц воды, поскольку последние способны проходить сквозь них.
(36.) С тех пор было доказано, что вода и другие жидкости сжимаемы. В 1761 году Кантон сообщил Лондонскому королевскому обществу результаты некоторых экспериментов, подтверждающих этот факт. Он подготовил стеклянную трубку с колбой, подобную описанной в (28), и наполнил колбу и часть трубки водой, хорошо очищенной от воздуха. Затем он поместил ее в аппарат, называемый конденсатором, с помощью которого смог подвергнуть поверхность жидкости в трубке очень интенсивному давлению сжатого воздуха. Он обнаружил, что уровень жидкости в трубке заметно понизился при приложении давления. Тот же эксперимент установил факт, что жидкости упруги; ибо при снятии давления жидкость поднялась до своего первоначального уровня и, следовательно, восстановила свои прежние размеры.
(37.) Упругость не всегда сопровождает сжимаемость. Если свинец или железо подвергнуть ковке, они могут стать тверже и уменьшиться в объеме; но они не восстановят свой прежний объем после каждого удара молота.
(38.) Существуют некоторые тела, которые поддерживают состояние плотности, в котором они обычно находятся, за счет постоянного воздействия механического давления; и такие тела наделены качеством, в силу которого они расширяли бы свои размеры без ограничений, если бы давление, удерживающее их, было снято. Такие тела называются упругими жидкостями или газами и всегда существуют в форме обычного воздуха, свойствами которого они обладают. Поэтому их часто называют аэриформными жидкостями.
Те, у кого есть воздушный насос, могут легко установить это свойство экспериментально. Возьмите дряблый мочевой пузырь, подобный тому, что уже описан в (27), и поместите его под стеклянный колпак воздушного насоса: с помощью этого инструмента мы сможем удалить воздух, окружающий пузырь под колпаком, чтобы освободить небольшое количество воздуха, заключенного в пузыре, от давления внешнего воздуха: когда это будет сделано, можно будет заметить, что пузырь раздувается, как если бы его надули, и будет полностью растянут. Следовательно, содержащийся в нем воздух имеет тенденцию к расширению, которая проявляется, когда он перестает испытывать сопротивление со стороны давления окружающего воздуха.
(39.) Было сказано, что увеличение или уменьшение температуры сопровождается увеличением или уменьшением объема. В связи с этим существует другое явление, слишком примечательное, чтобы оставить его без внимания, хотя это не самое подходящее место для подробного его рассмотрения: это обратное предыдущему, а именно, что увеличение или уменьшение объема сопровождается уменьшением или увеличением температуры. Поскольку подведение тепла из какого-либо внешнего источника вызывает увеличение размеров, то если размеры увеличиваются по какой-либо другой причине, соответствующая часть тепла, которое тело имело до расширения, будет поглощена в этом процессе, и температура тем самым понизится. Таким же образом, поскольку отвод тепла вызывает уменьшение объема, то если это уменьшение вызвано какими-либо другими средствами, тело отдаст тепло, которое в другом случае было отведено, и его температура повысится.
Многочисленные и хорошо известные факты иллюстрируют эти наблюдения. Кузнец, ударяя молотом по железному пруту и тем самым сжимая его, раскалит его докрасна. Когда воздух подвергается сильному сжатию, он становится настолько горячим, что воспламеняет хлопок и другие вещества. Был сконструирован остроумный инструмент для получения огня в бытовых целях, состоящий из небольшого цилиндра, в котором герметично движется сплошной поршень: к нижней части поршня прикреплен небольшой трут или сухая губка, после чего поршень с силой вдавливается в цилиндр: воздух между дном цилиндра и поршнем подвергается интенсивному сжатию и выделяет так много тепла, что трут загорается.
Во всех случаях, когда трение или удар производят тепло или огонь, это происходит потому, что они являются средствами сжатия. Действие кремней, трение кусков дерева друг о друга, тепло, возникающее от трения о кожу, — все это следует приписывать одной и той же причине.
ГЛ. III. ИНЕРЦИЯ.
(40.) Качество материи, которое является самым важным из всех в механических исследованиях, — это то, что называют инерцией.
Материя неспособна к самопроизвольным изменениям. Это один из самых ранних и самых универсальных результатов человеческих наблюдений: это равносильно утверждению, что простая материя лишена жизни; ибо самопроизвольное действие — единственный признак присутствия живого начала. Если мы видим, что масса материи претерпевает какое-либо изменение, мы никогда не ищем причину этого изменения в самом теле; мы ищем какую-то внешнюю причину, вызывающую его. Эта неспособность к добровольному изменению состояния или качеств является более общим принципом, чем инерция. В любой данный момент времени тело должно находиться в одном из двух состояний: покоя или движения. Инерция, или неактивность, означает полное отсутствие способности изменить это состояние. Тело, наделенное инерцией, не может само по себе, независимо от какого-либо внешнего влияния, начать движение из состояния покоя; оно также не может, двигаясь, прекратить свое продвижение и стать неподвижным.
(41.) То же самое свойство, из-за которого тело неспособно какой-либо собственной силой перейти из состояния покоя в состояние движения или наоборот, также делает его неспособным увеличивать или уменьшать любое движение, которое оно могло получить от внешней причины. Если тело движется в определенном направлении со скоростью десять миль в час, оно не может никакой собственной энергией изменить скорость своего движения до одиннадцати или девяти миль в час. Это прямое следствие того проявления инерции, которое только что было объяснено. Ибо та же самая сила, которая заставила бы тело, движущееся со скоростью десять миль в час, увеличить свою скорость до одиннадцати миль, также заставила бы то же самое тело в состоянии покоя начать движение со скоростью одна миля в час; и та же самая сила, которая заставила бы тело, движущееся со скоростью десять миль в час, двигаться со скоростью девять миль в час, заставила бы то же самое тело, движущееся со скоростью одна миля в час, стать неподвижным. Таким образом, оказывается, что увеличение или уменьшение движения тела — это эффект того же рода, что и изменение состояния покоя на состояние движения или наоборот.
(42.) Эффекты и явления, которые ежечасно попадают в поле нашего зрения, дают бесчисленные примеры неспособности безжизненной материи привести себя в движение или увеличить любое движение, которое могло быть ей сообщено. Но не случается так, чтобы у нас были такие же прямые и частые доказательства ее неспособности уничтожить или уменьшить любое движение, которое она могла получить. И отсюда возникает то, что, хотя никто не будет отрицать в отношении материи первый эффект инерции, немногие поначалу признают второй. Действительно, даже во времена Кеплера философы сами придерживались максимы, что «материя более склонна к покою, чем к движению»; поэтому нас не должно удивлять, если в наши дни те, кто не был знаком с физической наукой, медленно верят в то, что тело, однажды приведенное в движение, продолжало бы вечно двигаться с той же скоростью, если бы его не остановила какая-либо внешняя причина.
Разум, подкрепленный наблюдением, однако, вскоре развеет эту иллюзию. Опыт показывает нам различными способами, что те же причины, которые уничтожают движение в одном направлении, способны произвести столько же движения в противоположном направлении. Так, если колесо, вращающееся на своей оси с определенной скоростью, остановить рукой, схватившись за одну из спиц, усилие, которое это совершает, в точности такое же, как если бы колесо было предварительно в покое, оно привело бы его в движение в противоположном направлении с той же скоростью. Если движется экипаж, запряженный лошадьми, то для его остановки требуется такое же приложение силы лошадьми, какое потребовалось бы, чтобы заставить его двигаться назад, если бы он был в покое. Теперь, если это признать общим принципом, должно быть очевидно, что тело, которое может уничтожить или уменьшить свое собственное движение, должно быть также способно привести себя в движение из состояния покоя или увеличить любое движение, которое оно получило. Но последнее противоречит всякому опыту, и поэтому мы вынуждены признать, что тело не может уменьшить или уничтожить любое движение, которое оно получило.
Давайте спросим, почему мы более склонны признать неспособность материи производить движение в себе, чем уничтожать его. Мы видим, что большинство тех движений, которые происходят вокруг нас на поверхности земли, подвержены постепенному затуханию и, если их не возобновлять время от времени, в конце концов прекращаются. Камень, катящийся по земле, колесо, вращающееся на своей оси, волнение морских глубин после шторма и все другие движения, вызванные в телах внешними причинами, затухают, когда возбуждающая причина прекращается; и если эта причина не возобновляет свое действие, они в конечном итоге прекращаются.
Но нет ли, с другой стороны, возбуждающей причины, которая таким образом постепенно лишает эти тела их движения? — и если бы эта причина была устранена или ее интенсивность уменьшена, не продолжалось бы движение или не замедлялось бы оно медленнее? Когда камень катится по земле, неровности его формы, как и неровности земли, являются препятствиями, которые замедляют и вскоре уничтожают его движение. Сделайте камень круглым, а землю ровной, и движение будет значительно продлено. Но все же на камне и на поверхности, по которой он катится, останутся мелкие шероховатости: замените камень шаром из высокополированной стали, движущимся по высокополированной стальной плоскости, идеально ровной, и движение будет продолжаться без заметного уменьшения в течение очень долгого времени; но даже здесь, и в любом случае движений, созданных искусственно, на поверхностях, движущихся в контакте друг с другом, должны существовать мельчайшие шероховатости, которые должны сопротивляться, постепенно уменьшать и в конечном итоге уничтожать движение.
Независимо от препятствий для продолжения движения, возникающих из-за трения, существует другое препятствие, которому подвержены все движения на поверхности земли — сопротивление воздуха. Насколько сильно это может влиять на продолжение движения, видно из многих знакомых эффектов. В спокойный день несите открытый зонт вогнутой стороной в направлении, в котором вы движетесь, и вашему продвижению будет оказано мощное сопротивление, которое будет увеличиваться с каждым увеличением скорости, с которой вы движетесь.
(43.) Мы, однако, не лишены прямого опыта, доказывающего, что движения при отсутствии сопротивления будут продолжаться вечно. На небесах мы находим аппарат, который дает возвышенное подтверждение этого принципа. Там, удаленные от всех случайных препятствий и сопротивлений, огромные тела вселенной движутся по своим назначенным путям с безошибочной регулярностью, сохраняя без уменьшения все то движение, которое они получили при своем создании от руки, запустившей их в пространство. Одно это, даже без поддержки другими доводами, было бы достаточным, чтобы установить качество инерции; но в связи с другими обстоятельствами, упомянутыми ранее, не может оставаться сомнений в том, что это универсальный закон природы.
(44.) Было доказано, что неспособность изменить количество движения является следствием инерции. Неспособность изменить направление движения — другое следствие этого качества. Та же самая причина, которая увеличивает или уменьшает движение, также придала бы движение телу в состоянии покоя; и поэтому мы делаем вывод, что та же самая неспособность, которая мешает телу двигаться самому, также помешает ему увеличить или уменьшить любое движение, которое оно получило. Таким же образом мы можем показать, что любая причина, которая изменяет направление движения, также придала бы движение телу в состоянии покоя; и поэтому, если тело изменит направление своего собственного движения, то же самое тело могло бы привести себя в движение из состояния покоя; и поэтому способность изменять направление любого движения, которое оно могло получить, несовместима с качеством инерции.
(45.) Если тело, движущееся от A (рис. 3) к B, получит в точке B удар в направлении C B E, оно немедленно изменит свое направление на направление другой линии B D. Причина, которая вызывает это изменение направления, привела бы тело в движение в направлении B E, если бы оно было неподвижно в точке B, когда получило удар.
(46.) Опять же, предположим, что G H — это твердая плоская поверхность; и пусть тело считается идеально неупругим. Когда оно ударяется о поверхность в точке B, оно начнет двигаться вдоль нее в направлении B H. Это изменение направления вызвано сопротивлением поверхности. Если бы тело, вместо того чтобы встретить поверхность в направлении A B, двигалось в направлении E B, перпендикулярном ей, все движение было бы уничтожено, и тело пришло бы в состояние покоя.
(47.) Из предыдущего примера видно, что отклоняющая причина привела бы покоящееся тело в движение, а из последнего — что она привела бы движущееся тело в состояние покоя. Следовательно, явление изменения направления следует отнести к тому же классу, что и изменение от покоя к движению или от движения к покою. Качество инерции, следовательно, несовместимо с любым изменением направления движения, которое не возникает от внешней причины.
(48.) Из всего, что здесь было сказано, мы можем сделать общий вывод, что неодушевленная частица материи неспособна изменить свое состояние покоя или движения; что в каком бы состоянии она ни находилась, в этом состоянии она должна вечно продолжать находиться, если ее не потревожит какая-либо внешняя причина; что если она находится в движении, это движение должно всегда быть равномерным, или должно происходить с одной и той же скоростью, при этом равные расстояния проходятся за равное время: любое увеличение ее скорости должно выдавать какую-то побуждающую причину; любое уменьшение должно происходить от препятствующей причины, и ни одна из этих причин не может существовать в самом теле; что такое движение должно быть не только постоянно с одной и той же равномерной скоростью, но также должно быть всегда в одном и том же направлении, любое отклонение от одного равномерного направления обязательно возникает от какого-либо внешнего влияния.
Язык, который иногда используется для объяснения свойства инерции в популярных работах, в высшей степени способен ввести студента в заблуждение. Термины «сопротивление» и «упрямство при движении» ошибочны в этом отношении. Инерция подразумевает абсолютную пассивность, полное безразличие к покою или движению. Она столь же сильно подразумевает отсутствие всякого сопротивления получению движения, как и отсутствие всякой способности двигаться самостоятельно. Термин vis inertiæ, или «сила неактивности», так часто используемый даже авторами, претендующими на научную точность, еще более предосудителен. Это противоречие в терминах; термин «неактивность» подразумевает отсутствие всякой силы.