В пояснені явища, чому велосипед стійкий і не падає під час руху зайвий раз доводиться, що в оточуючій нас природі існує ще багато загадок, які на перший погляд здаються цілком зрозумілими. Але варто тільки по-уважніше до них придивитися, як вони стають непояснимими з теоретичної точки зору. Часто розгадка їх лежить не десь в глибинах недоступного, а прямо-таки під поверхнею, а то і зовсім на відкритому місці. Варто тільки правильно потрудитися головою.
А це вже залежить не тільки від великого багажу накопичених знань, скільки від самого природодослідника - від його здібностей спілкуватися з природою. Бо не завжди навіть відповідний багаж знань гарантує успіх в упізнанні ще невпізнаного. А це основним чином по тій причині, що людство ще не виробило ні методів впізнання, ні всіх істинних законів природи, застосування яких задовольняло б успіх.
Для розкриття загадок – потрібно вміння проводити аналогії
Для впізнання таємниць оточуючої нас природи природодосліднику перш за все необхідна спостережливість і вміння нею скористуватись. І найосновніше - це вміти вловлювати зв’язки і встановлювати закономірності між речами і явищами, які його цікавлять. Без цього він ніколи не задовільнить свого бажання правильно впізнати те, що до цього часу ще не знайшло свого пояснення. До цього варто ще доповнити, що спостережливість обов'язково потрібна в широкому діапазоні, а не вибірково без всякого зв'язку з більш ширшим колом явищ природи. Можна, звичайно, чимось одним цікавитись, а все інше пропускати мимо уваги, уникаючи перевантаження себе "зайвим". Але якщо дотримуватися такого принципу "перевантаження", то можна стати тільки володарем вузького кола знань фактичного матеріалу, але аж ніяк не майстром і творцем нового із надбаного багажу.
Ми навіть не запідозрюємо, як в природі все між собою тісно пов'язане. Як по своєму зовнішньому вигляді, так і по змісту часто підкорені якомусь загальному закону буття. Наприклад, що спільного може бути між велосипедистом і звичайним дитячим іграшковим м'ячиком? На перший погляд здається, що ніякі признаки їх не об'єднують, щоб можна було їх спів-ставити і робити з цього якийсь узагальнюючий висновок їх спільності. Але тут все залежить від того, з якого боку дивитися на ці речі і з якою саме метою. І не дивлячись на стільки велику відмінність між ними, їх бездоганно об'єднує основним чином природний закон руху, якому вони - усі речі - підкорені в однаковій мірі.
Відомо, що в природі все перебуває в русі. А тому ніщо так не об'єднує іноді далекі і зовсім різні між собою речі і явища, як закон руху. Він же і допомагає нам багато дечого взнавати, якщо правильно його зрозуміти і правильно ним скористуватись.
Про такі зближення і піде розмова.
Наявні відомості про стійкість велосипеда в русі
Питання про причини стійкості велосипеда в русі виникали мабуть ще з часів винайдення самого агрегату. Більш досконало вирішили обґрунтувати їх ще з початку 70-х років минулого століття. Так в 1974 році світ побачила книга американських інженерів Уітта та Уілсона "Велосипедна наука". В ній освітлювалися біля півтора десятка факторів, що сприяють тому, щоб велосипед не падав. Зазначались там всі можливі варіанти, навіть ті, що неможливо між собою поєднати.
Немало зусиль для вирішення питання, чому велосипед не падає доклав англійський вчений (фах - хімія і спектроскопія) Девід Джонс. Він вирішив зайнятися сам перевіркою найбільш реалістичних існуючих пояснень стійкості велосипеда. А теорій щодо цього є декілька.
Про зміст таких ми згадаємо пізніше. А поки-що пошукаємо відповіді на поставлене запитання, чому саме велосипед стійкий, так як і Девід Джонс своєю перевіркою нічого нового не приніс для пояснення стійкості велосипеда.
Досить добре охарактеризував роботу Девіда Джонсона в журналі "Наука и жизнь" за 1984 №1 С.Транковський про досить знайомий всім велосипед і настільки же загадкову його поведінку під час руху.
Всі подальші роботи на цю тему (в тім числі і в мережі Інтернет), базуються в основному (якщо не повністю) на цих працях. Додались хіба що оригінальні (деякі навіть – екстравагантні) моделі велосипедів. Деякі навіть велосипедами назвати неможливо, бо ніякий "їздець" там не вміститься. Та вони лише ще більше знівелювали гіроскопічну силу чи вплив геометрії кермового управління. А ще переклали всю відповідальність на мозок "вершника" на велосипеді. В загальному – нічого нового з тих пір. То ж, для зручності – візьмемо за основу статтю С.Транковського.
"Чому велосипед стійкий?" - так озаглавлено статтю. Та відповіді правильної після всього там так і не було.
"І насправді, чому він стійкий? – запитується в статті. - Які сили утримують находу в рівновазі конструкцію абсолютно нестійку в нерухомості.
Дивне запитання. Хіба ж це не зрозуміло кожному їздцеві? Навіть дитина і та оволодіває з успіхом їзду на велосипеді, не говорячи про дорослого чи наукового працівника.
Так. Практично зрозуміло, але теоретично це "зрозуміло" ще не знайшло свого пояснення. Так що і серед простих речей, як бачимо, можуть існувати важкі загадки.
Дитячий м’ячик проти існуючих законів фізики
Але чи трудні загадки насправді, як ця? Ні. Тут зовсім небагато треба: варто тільки гарненько придивитися до звичайнісінького руху тіл в оточуючому нас середовищі. Навіть до самих найпростіших дитячих ігор, коли діти кидають м'ячиком. І все стане зрозумілим без зайвих експериментів і лабораторних досліджень.
І що в цім такого особливого? - з подивом можете запитати самі себе, якщо і насправді почнем пізнавати стійкість велосипеда на полі діяльності дитячих ігор.
Хлопчик, замахнувшись рукою, кинув зо всіх сил м'ячика на протилежний бік площадки. М'ячик, описавши дугоподібну траєкторію, впав і швидко покотився, поки не зіткнувся з перешкодою. Запитується, чи є тут над чим задумуватися? То ж хіба такий простий рух, постійно і всіма бачений, чого-небудь нового і корисного повчає? Так, повчає. І повчає про багато чого.
І дійсно такий простий приклад руху тіл в природі заслуговує пильної уваги для глибоких розмірковувань. Але ми до цього не привикли, мабуть, через ту ж саму повсякденну видимість, яка тамує всяку зацікавленість до себе. Ми часто-густо фізичну теорію або формулювання закону руху, вивчивши напам'ять, краще розуміємо, а ніж зміст найпростішого прикладу руху, з яким стикаємося віч-на-віч і щоденно. А цей приклад рухомого м'ячика в повітрі і по землі, кинутого хлопчиком, вчить нас, як потрібно розуміти і як потрібно осмислювати закон руху по-природньому, по простому, а не по завченому з підручника фізики.
З переконливістю цей дитячий м'ячик докладно розповідає про ті властивості тіла в русі, про що з такою ясністю не говориться ні в жодному класичному законі механіки. Але ця природна розповідь оповідується дуже швидко. Так що ми не встигаємо в одну мить осмислити всю повноту змісту і схоплюємо тільки його окремі фрагменти, уривки. Саме тут і повинен природодослідник виявити своє вміння розуміти мову природи з тією швидкістю, з якою вона розповідає.
В даному випадку від нього вимагається не дуже багато: вміти бачити одночасно всі боки рухомого м'ячика; спів-ставляти їх між собою відносно нерухомих сторін оточуючого середовища; давати належну оцінку кожній зокрема; розрізняти природжену властивість і придбану в один і той же час і, на-кінець, із всього разом взятого зробити належний висновок. Коротше кажучи, потрібно як-можна повніше осмислити бачене, хоч час його існування всього лише одна мить.
Із цього та і з безлічі інших прикладів руху тіл в природі ми в силі безпомилково підмітити загальну закономірність: всяке швидко рухоме тіло завжди намагається зберегти в просторі прямолінійність руху, якщо збоку на нього не діє сила якогось іншого тіла. І це його (закону природи) найосновніша і невід'ємна властивість, про яку слід завжди пам'ятати і в потрібний момент ним скористатися. Особливо тоді, коли йде розмова про загадкові сторони руху тіл. Про прямолінійність руху тіл згадується і в 1 законі Ньютона. Підкреслимо: згадується, а не пояснюється так, як це конче потрібно.
Відверто кажучи, на прикладі з рухомим м'ячиком прямолінійності ми не помічаємо, а бачимо тільки одну криволінійну траєкторію, так як вона більше всього кидається у вічі і приковує до себе нашу увагу.
Але це не завада для уважного і прискіпливого дослідника, так як він повинен пам'ятати ту істину, що рух тіл в земних умовах завжди відбувається в полі досить великого тяжіння, що відчутно відбивається на будь якій рухомій траєкторії. Саме ця сила тяжіння Землі, яка безперервно діє тільки в одному напрямі - донизу, і викривляє траєкторію руху в одній і тільки в одній вертикальній площині. У горизонтальній площині, де відсутні будь-які побічні сили впливу, рухоме тіло завжди зберігає свою прямолінійність.
А якби, припустимо, було відсутнім земне тяжіння, то рухоме тіло в повітрі завжди зберігало б прямолінійність в дві площини одночасно.
Таке розуміння природної властивості рухомого тіла дуже потрібне і разом з цим корисне досліднику-теоретику.
Що не враховано в основних існуючих гіпотезах стійкості велосипеда
В згаданій статті розглядається п'ять теорій стійкості велосипеда. Але ні в жодній з них не згадується про найосновніше і визначальне - про природжену властивість рухомого тіла - як самого велосипеда, так і "їздця" вкупі з ним. Так, як ми розглядаємо приклад їзди людини на велосипеді, як звичайний приклад руху звичайних тіл, які володіють власною масою, то і повинні намагатися відшуковувати причину їх загадкової стійкості в самій причині руху. Адже ми самі говоримо: "...велосипед утримує рівновагу тим легше, чим вища швидкість". Чи не це є та відправна точка, від якої потрібно було б почати пошук роз'яснення причини його стійкості? Саме з цього.
Той же самий приклад з дитячим м'ячиком. Якщо під час метання прикласти мало зусиль, м'ячик далеко не полетить. Але якщо прикласти більше зусиль, він полетить швидше, траєкторія руху вже буде більш вирівняною і впаде на більшій відстані.
Що ми можемо тут підмітити? Навіть багато дечого цікавого, якщо всерйоз над цим порозмислити, залишивши хоч би на хвилинку так добре завчені догматичні канони механіки, які не спонукають до розмислювання, а, навпаки, присипляють допитливість, підносячи шаблонне формулювання відповіді в готовому виді.
Із цього елементарного прикладу з забавним дитячим м'ячиком і випливає настільки ж і елементарний висновок істини. Він, за своїм значенням, дуже важливий для впізнання причин стійкості велосипеда. Із цього простенького прикладу руху та й з інших ми переконуємося в істинності найосновнішого поняття, що чим більша швидкість переміщення тіла в просторі, тим стійкішою буде його напрямлена прямолінійність руху основним чином в вертикальній площині. Звертається увага на траєкторію руху в вертикальній площині тому, що завжди на рухоме тіло так само впливає сила земної гравітації. Вона в кожну мить і на кожному відрізку шляху намагається змінити напрям його швидкості, тоді як в горизонтальній площині прямолінійність траєкторії зберігається сама по собі завжди. Практика переконливо доводить, що зі зростанням швидкості траєкторія руху тіл в полі дії тих же самих сил тяжіння в вертикальній площині стає все рівнішою і рівнішою в прямо-пропорційних відношеннях. А чи не говорить це про щось більш важливіше і більш значуще для нашого дослідження і розуміння піддослідної проблеми?
Спостерігаючи траєкторію руху тіла в повітрі, ми бачимо тільки зовнішній бік справи, під яким повинен бути захований більш глибокий смисл внутрішнього змісту. До нього то і слід добратися, щоб зрозуміти всю повноту явища.
Мало бачити очима. Потрібно ще одночасно процес руху, що відбувається, бачити й умом. В чім його суть? А в тім, що під час самостійного переміщення в просторі без всякої на те твердої опори рухоме тіло зазнає не тільки опору повітря, але і великого впливу сил тяжіння Землі.
Про це вже згадувалося, але без належного розгляду. Запитується, про що говорить взаємозв'язок рухомого тіла з полем тяжіння? Чи не криється в цім розгадка чогось ще не осмисленого з області законів руху? Безумовно!
Ми багато дечого бачимо, але це ще не означає, що все те бачене ми добре розуміємо. Точно так же буде справа з даною постановкою питання про стійкість велосипеда. Всі знають, що поле тяжіння не перестає діяти на рухоме тіло не залежно від його швидкості, але чомусь ніхто не взяв за мету порозмислити над суттю такого зв'язку. А він несе досить важливу інформацію в розумінні природних законів руху, які навіть в протистоянні уже існуючим, сформульованих людиною. Можливо, не так висловимося, але в принципі і в дійсності таке положення має місце в механіці (теоретичній).
Постійність протистояння під час руху тіл
Траєкторія руху тіла до цього часу розглядалася просто, як шлях переміщення його з одного місця в друге. Але коли ми придивимося до цієї траєкторії руху з іншого боку, то побачимо дещо нове, доповнюючи до вже відомого. Траєкторія руху - це не просто вигнута лінія шляху переміщення. Це - арена боротьби двох сил: боротьби рухомого тіла основним чином з силою тяжіння Землі. Ця сила безперервно і в кожну мить намагається побороти рухому масу тіла, змінити напрям швидкості по іншому шляху - по шляху до центру тяжіння. Кожен відрізок траєкторії - це окрема характеристика такої боротьби.
Але тіло наперекір могутній природній силі чомусь все-таки рухається по заданому напрямі, пролітає чималу відстань і не так то й зразу підкорюється силі тяжіння. Чи не в цьому змісті протиборства весь смисл стійкості рухомого тіла? Чи не в цім загадка його стійкості за рахунок руху? Так, саме в цім.
Розглянемо ще один приклад руху - стрибок лижника з трампліна. Можливо, це буде більш переконливим доводом існування досить цікавої і загадкової природної властивості рухомого тіла, яка так добре доступна погляду, але не доступна уму.
Всі бачили, як відбувається стрибок з трампліна (якщо не просто на місці подій, то на екрані). І всі ми добре розуміємо, що дальність стрибка залежить від початкової швидкості руху спортсмена по доріжці і послідуючого розвитку цієї швидкості по нахилу трампліна. Добре осмислюємо і ту умову, що чим вищу швидкість лижник набуде під час спуску, тим довше він протримається в польоті, тим більшу відстань пролетить в повітрі, поки приземлиться. Запитується, хіба на лижника перестає діяти сила земного тяжіння, як тільки він відштовхнувся від крайньої кромки трампліна? Ні. Сила тяжіння залишається незмінною, ні на частку секунди, не залежно ні від місця знаходження, ні від швидкості його руху. З незмінною силою вона притягує лижника донизу однаково в стані спокою і в стані руху. Але чому лижник непідвладний їй? Чому не падає донизу зразу, як тільки перестав ковзатись по твердій опорі трампліна? Чому він ще деякий час летить в повітрі, як нібито на нього перестала діяти сила тяжіння? Відповідь проста і однозначна: тому, що лижник, який рухається з великою швидкістю, володіє силою, що є переважаючою над силою тяжіння.
Хоча в науці, тобто в теоретичній механіці і не прийнято так розуміти, але природа вчить по-своєму і більш правильніше, і більш зрозуміліше.
Давайте порозмислимо над цією простою очевидністю. Згідно уже надбаних знань подивимося, як вона переконує нас в своїй правоті. А якщо так, то ми повинні бути з нею в згоді з її відвертістю і простотою повчань.
Сили в природі існують лише попарно
Закони механіки гласять (а цього вже ніхто не зможе спростувати), що в природі існують сили тільки попарно: де проявляє свою присутність одна сила, обов'язково там повинна бути присутньою і друга сила парна першій. Вважатимемо, що з цим положенням всі згодні і не знайдеться таких, які стали б тут відшуковувати якогось виключення чи ще чого, щоб не надати цьому поняттю особливого значення в упізнанні невпізнаного. Тому про обов'язкову присутність сили тяжіння під час руху лижника на протязі всього шляху ми згодні. Цілком природно буде, коли запитаємо самі себе: а де ж буде парна сила силі тяжіння в прикладі руху лижника в повітрі?
Де і в чому її треба відшуковувати: в трампліні, в лижах чи в самому лижнику? Шукати її потрібно не в чім іншім, як в самій масі швидко рухомого тіла. А такою буде людина, і все те, що разом з нею набуло швидкості руху. А з надбанням швидкості і появилася сила, яка й протистоїть силі тяжіння. Саме тут і найцікавіше і найбільш загадково те, як і звідки береться сила, що переважає над силою тяжіння. Про те, що це дійсно так, не варто зайвої розмови. Якби не появлялась така невидима загадкова сила протистояння, то й не було б довгих стрибків, так як кожний лижник в кінці трампліна, почувши втрату твердої опори, рухнув би донизу. Незаперечно і те, що ця парна сила виникає тільки в процесі швидкого руху і так же само загадково зникає з припиненням швидкісного руху. Останнє також дуже наочно: як тільки швидкість польоту лижника зменшується, так він і починає падати донизу. А це в свою чергу говорить про те, що саме в цей момент сила тяжіння починає переважати над силою руху. І коли лижник зовсім зупиняється, протидіюча сила руху зникне, але протиборство двох сил так і не припиняється. Так як сила тяжіння залишається постійною, то парною їй буде вже сила реакції, сила опору твердої речовини, тобто поверхня Землі, на яку і тисне маса тіла людини. От це в науці добре осмислене. А чому не осмислити б ту істину, яка не вкладається в рамки існуючих законів класичної механіки? Що від чого залежить: природа від сформульованих нами законів фізики, чи закони фізики від природи? Це - вимушена постановка запитання руба, так як багато дечого не вкладається в канони класичних законів, а ми все це називаємо загадковістю, таємницею. Щоб розгадати їх, ми найпершим чином звертаємося до законів, що сформульовані, а не до свого здорового глузду - розсуду. От і виходить, що вони нас водять за ніс як сліпців, а ми їм вірим. Нехай простять нам за грубість. Але краще гірка правда, а ніж солодка брехня.
Далі в Велосипед стійкий і не падає тому, що - ч.2