В 384 году до начала нашего летоисчисления, то есть две тысячи триста сорок один год назад, в семье греческого врача Никомаха родился мальчик, которого назвали Аристотелем. Отец Аристотеля был придворным медиком македонского даря Аминты и жил в столице Македонии Эдессе. Когда Аминта умер, Никомаха переехал в город Стагир, расположенный близ устья протока, соединяющего озеро Бесик со Стримонским заливом Эгейского моря. Ныне этот залив называется Орфани. Там, в Стагире, и родился Аристотель, получивший, по обычаям того времени, прозвище Стагирит.

Мальчик рос, окруженный заботами родителей и рабов. Сначала за ним ухаживала рабыня-няня; потом, когда Аристотель подрос и научился ходить, к нему приставили раба-мужчину, называвшегося «педагог». У нас это слово утратило свое прежнее значение; теперь педагогами называют учителей, а в древней Греции оно означало: «тот, кто водит ребенка за руку». Обычно в «педагоги» выбирали раба, ставшего неспособным к тяжелой работе в поле или по дому, и он следил за ребенком, а иногда и учил его, если сам что-либо знал.

В своих сочинениях Аристотель большое внимание уделил механике, или науке о простейших движениях — таких, как падение, передвижение, действие рычагом или воротом.

Название этой полезной науки произошло от греческого слова «механика», что значит «хитрость». Один ученик Аристотеля в своей книге о механике так поясняет ее задачу и значение: «Природа не всегда поступает так, как нам хочется, поэтому, чтобы действовать вопреки природе, нужно применять хитрость — механику — и с ее помощью побеждать природу».

Воспитанник Аристотеля Александр Македонский разгромил и уничтожил многосоттысячную армию персидского царя Дария III и захватил его огромную империю. За двенадцать лет почти непрерывных сражений Александр Македонский со своей армией прошел свыше двадцати тысяч километров и завоевал территорию, простиравшуюся от Ливийской пустыни и берегов Адриатического моря до Инда и Сыр-Дарьи. Он вторгся в пределы современных Таджикистана и Узбекистана, предпринял поход в Индию.

В 323 году до начала нашего летоисчисления Александр Македонский заболел малярией и умер. После его смерти империя, созданная силой оружия и скрепленная исключительно страхом перед грозным завоевателем, стала быстро распадаться. Греки тоже воспользовались случаем и попытались свергнуть власть Македонии. В Афинах начались преследования сторонников Александра.

В 1581 году, когда Галилео исполнилось семнадцать лет, он поступил в Пизанский университет изучать медицину.

Согласно порядкам того времени, каждый студент до начала занятий по выбранной специальности был обязан прослушать курс лекций ученых, излагающих знаменитое учение Аристотеля. Эти лекции показались Галилео мертвенно-скучными, а некоторые суждения древнего философа попросту ошибочными. Юношу удивляло, почему университетские учителя не замечают, что в сочинениях Аристотеля наряду с мудрыми и верными мыслями так много явных нелепиц, противоречащих здравому смыслу. А учителя пересказывают все эти нелепицы с самым глубокомысленным видом.

Галилей вернулся в университет, но уже не на медицинский факультет, а на философский, где преподавали математику и физику. В те времена эти науки еще не отделялись от философии. На философском факультете Галилей решил терпеливо изучить Аристотеля.

Всем студентам, по университетским правилам, полагалось посещать церковь. Галилео, будучи верующим человеком, унаследовал от отца равнодушие к церковным обрядам, и ревностным молельщиком назвать его было нельзя. Как сообщает его ученик Вивиани, в 1583 году Галилей, находясь во время богослужения в Пизанском соборе, обратил внимание на люстру, подвешенную к потолку на тонких цепочках. Служители, зажигавшие свечи в люстрах, видимо, толкнули ее, и тяжелая люстра медленно раскачивалась.

В 1585 году Винченцо Галилей обеднел настолько, что не смог уже помогать сыну, и Галилео был вынужден покинуть университет, хотя до окончания курса ему оставался только один год.

Дома Галилей не прекращал научных занятий, стараясь чтением восполнить пробел в знаниях, на который его обрекла нужда. В эти годы он издал небольшое сочинение о законах плавания тел и способе определения их плотности с помощью весов особого устройства. Это сочинение Галилея, написанное на живом итальянском языке, а не на мертвом латинском, на котором обычно писали свои книги ученые того времени, привлекло всеобщее внимание. Люди, читавшие его сочинение, поняли, что недоучившийся студент стоит наравне с крупнейшими учеными.

В 1591 году умер Винченцо Галилей, и семья старого музыканта осталась без средств. Если один Галилео еще мог существовать на жалкие шестьдесят флоринов профессорского жалованья, то прокормить большую семью на эти деньги не было никакой возможности. Пришлось искать работу. Галилей заявил о своем желании уйти из университета. Его удерживать не стали. Трехгодичный срок подходил к концу, и в университете были рады избавиться от дерзкого «спорщика». Галилей вернулся в дом своей матери во Флоренции.

Тут Галилей с удивлением убедился, что многие знают о нем; оказалось, что глухой удар ядер, сброшенных им с башни в Пизе, раскатился по всей Италии. На его маленькую неудачу никто не обратил внимания. Люди хвалили его и подтрунивали над пизанскими профессорами, преклонявшимися перед авторитетом Аристотеля. В шумливой Флоренции на базарной площади слово «перипатетик» стало бранным. Когда кто-нибудь говорил глупости, ему кричали:

Галилей изготовил два шара: один из свинца, а другой из дерева — и сделал их с таким расчетом, чтобы свинцовый шар оказался ровно в сто раз тяжелее деревянного. Эти шары Галилей привязал к ниткам одинаковой длины, а длину нитей подобрал такую, чтобы на каждые два удара его пульса приходилось бы одно качание маятника — так удобнее подсчитать размахи качающихся шаров.

Свои маятники Галилей оттянул в сторону на одинаковое расстояние и одновременно отпустил их. Маятники стали раскачиваться мерно и дружно, как два солдата, шагающих в ногу. И свинцовый тяжелый шар и легкий деревянный делали по пятьдесят качаний на каждые сто ударов пульса. Галилей наблюдал сотни и тысячи качаний, и никогда не видел, чтобы один маятник хотя бы на йоту опередил другой: деревянный по числу колебаний не отставал от свинцового, хотя он был в сто раз легче его. Вес шаров в данном случае не играет роли. И это понятно — ведь маятник качается под действием силы тяжести. Его колебания — это только видоизмененное падение.

Рассуждая о причине своей маленькой неудачи во время опытов с двумя ядрами, Галилей еще в Пизанском университете пришел к заключению, что всему виною был воздух. Ведь опыт происходил не в безвоздушном пространстве, и, конечно, именно воздух вынудил маленькое ядро отстать от большого.

Опыты с маятниками подтвердили эту догадку. Когда качающиеся шары проносятся мимо пола, видно, как пылинки на полу разлетаются в стороны — их разгоняет ветерок, поднятый движением шаров. Стоит протянуть руку так, чтобы шар пролетел мимо ладони, и рука ощущает легкое дуновение — это шар маятника расталкивает воздух, встречающийся на его пути, и вызывает ветерок. Воздух служит помехой для маятника и оказывает сопротивление его движению.

Аристотель не заметил, какую роль играет сопротивление воздуха, и потому в своих рассуждениях допустил ошибку.

Галилей понял, в чем дело, но не смог окончательно доказать свою правоту. Для доказательства ему надо было проследить за падением тел в безвоздушном пространстве, а этого Галилей сделать не мог: тогда еще не умели откачивать воздух — воздушный насос изобрели только через десять лет после смерти Галилея.

Несмотря на отсутствие решающего опыта, правильность взглядов Галилея быстро признали все ученые — бесчисленные примеры чуть ли не на каждом шагу доказывали, что воздух мешает движущимся предметам: он тормозит их движение.

Галилей обратил внимание на то, что всякое падающее тело сначала летит медленно, а потом все быстрее и быстрее — его движение ускоряется. Ученому хотелось измерить, насколько именно ускоряется падение, то есть насколько возрастает в каждую секунду скорость падающего предмета. Но как провести такие измерения? Сбрасывать шарики с высокой башни бесполезно: они падают слишком быстро, а измерять короткие промежутки времени Галилею было нечем — часов-секундомеров тогда не существовало.

Ученый решил замедлить падение так, чтобы оно стало доступным измерению с его скудными средствами. Пусть, решил Галилей, шарик скатывается по наклонному желобку. Если наклон невелик, шарик покатится так медленно, что можно успеть проследить за изменением его скорости.

Когда Галилей катал свой шарик по наклонному желобу, у него возникла мысль, сначала удивившая его самого. Он рассуждал так:

— Я пустил шарик вниз по наклонному желобу, и он покатился с ускорением. Это так и должно быть, потому что на него действует сила тяжести, она подгоняет его. Но если я толкну шарик по наклонному желобу и заставлю его катиться не вниз, а вверх, он покатится с замедлением. Это тоже совершенно понятно — сила тяжести тормозит его движение. Предположим, что я толкну шарик по горизонтальному желобу, — продолжал свои рассуждения Галилей, — как он покатится в этом случае? С ускорением?..

В 1609 году Галилей построил телескоп. Впоследствии он усовершенствовал его так, что тот стал давать увеличение в тридцать два раза. С помощью своего телескопа Галилей сделал много важных астрономических открытий. Он увидел на Луне горы и равнины, очень похожие на те, которые есть и на Земле, и тем самым опроверг утверждение церковников, что Луна будто бы светоносный сосуд — светильник, созданный для освещения ночи.

По наблюдениям Галилея, Луна оказалась шарообразной планетой, подобной Земле. А ее фазы, зависящие от того, с какой стороны Луну освещает Солнце, оказались полностью сходными с фазами планеты Венеры, которые Галилей мог наблюдать в свой телескоп.

Несмотря на поздний час, жители селения Вульсторпа не спали. Встревоженные фермеры перебегали из дома в дом, сообщая соседям тревожное известие. Маленькие дети, разбуженные суетой взрослых, плакали, а старшие просились на улицу — посмотреть, что там случилось. Мужчины собирались группами и старались разглядеть зловещее знамение, появившееся на небе. Там, в темных облаках, плавало белесоватое пятно причудливой формы, а около него подпрыгивала и раскачивалась красная искорка.

Неведомое светило непрерывно двигалось: то поднималось, то опускалось и было похоже на хвостатую комету, считавшуюся тогда предвестницей всяческих бед и несчастий.

Примерно за год до рождения Исаака Ньютона проезжие люди занесли в Вульсторп тревожное известие: король английский, Карл I, покинул свою столицу, Лондон, и уехал на север страны. Он намерен собрать армию, чтобы начать войну против парламента.

В английском парламенте того времени большинство принадлежало депутатам от купечества, судовладельцам-корабельщикам, банкирам, предпринимателям, хозяевам промышленных предприятий и помещикам средней руки. Словом, там заседали представители зажиточной части городского и сельского населения, которая впоследствии стала называться буржуазией.

В университете исключительные способности Ньютона развернулись полностью. Профессора поражались, с какой легкостью он все усваивал и запоминал. Учебник Евклида «Начала геометрии» Ньютон прочитал как увлекательную повесть.

В 1664 году Ньютон стал «действительным» студентом — избавился от унизительных обязанностей слуги. В следующем году он получил первую ученую степень — бакалавра.

Но дальнейшие занятия в университете пришлось прекратить. Осенью 1664 года вспыхнула эпидемия чумы. За лето 1665 года в Лондоне от чумы умерло свыше тридцати тысяч человек. Люди покидали густонаселенные города и разъезжались по деревням. И Ньютон уехал из Кембриджа к себе на родину, в Вульсторп.

Еще при жизни Галилея в Италии возникло общество любителей естествознания, которое называло себя Академией Рысьеглазых, то есть зорких, наблюдательных. В 1611 году Галилей был принят в члены этой Академии.

В 1657 году в Италии образовалось еще одно научное сообщество — Академия Опыта. Энергичная деятельность исследователей природы в Академии Опыта привлекла внимание кардиналов папы римского. Инквизиция признала научные изыскания этой Академии опасными для религии и запретила ее деятельность. Одного из членов Академии Опыта, Анатолия Олива, инквизиция арестовала, и он, чтобы избежать пытки, выбросился из окна темницы.

Ньютон, так же как и Галилей, начал исследования механического движения с изучения законов падения тел, но его задача была уже несколько проще. В распоряжении Ньютона имелся воздушный насос, о котором Галилей мог только мечтать.

Ньютон взял длинную стеклянную трубку, запаянную с одного конца, положил в нее маленький кусочек пробки и дробинку и присоединил трубку к воздушному насосу. Насос выкачал большую часть воздуха. Ученый запаял второй конец трубки. И дробинка с кусочком пробки осталась в сильно разреженном воздушном пространстве.

Ньютон продолжал свои рассуждения: мы прекрасно знаем, что различные вещества, взятые в одинаковых объемах, весят неодинаково. Например, кусочек золота более чем вдвое тяжелее точно такого же кусочка меди. Вероятно, частичку золота, предположил Ньютон, способны укладываться плотнее, чем частички меди, и в золоте умещается больше вещества, чем в таком же по размерам куске меди.

Современные ученые установили, что различная плотность веществ объясняется не только тем, что частицы вещества уложены более плотно. Сами мельчайшие частички — атомы — отличаются по весу друг от друга: атомы золота тяжелее атомов меди.

Количество вещества, содержащееся в том или ином предмете, Ньютон назвал массой.

После того как было установлено различие между массой и весом, Ньютон сформулировал свой первый закон движения, выразив его такими словами: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».

Этот закон с полным правом мог бы носить имя Галилея— ведь открыл его все-таки Галилей, но итальянский ученый не сумел выразить его так четко, ясно и полно, как это сделал Ньютон. История науки присвоила ему название первого закона Ньютона, закона инерции. Он говорит о свойстве всех тел — вещей, предметов, даже самых малых частиц — сохранять свое движение. Это свойство назвали инерцией.

Повседневная жизнь чуть ли не на каждом шагу напоминает о наличии у всех предметов инерции и о связи ее с их массой… Ни одна машина, будь то автомобиль, самолет, паровоз или пароход, не могут сразу, с места, развивать полную скорость. Им обязательно нужен разбег, разгон — некоторое время, чтобы набрать ее. Тяжелые пассажирские самолеты взлетают медленно, с трудом набирая высоту. Легкие спортивные самолеты вследствие меньшей массы взлетают сравнительно легко и быстрее набирают скорость.

Учитывать инерцию приходится и начиная движение, и прекращая его. Никакая машина даже с самыми усовершенствованными тормозами не может остановиться сразу как вкопанная. Велосипедов, мотоциклов или автомобилей с «мертвыми тормозами» не бывает. Чтобы остановить машину, затормозить ее движение, нужно некоторое время, а за это время автомобиль пройдет какое-то расстояние, называемое тормозным путем.

Своим первым законом движения Ньютон определил, что происходит с предметом, если действующие на него силы уравновешены.

Такой предмет либо движется прямолинейно, либо остается в покое.

Совершенно естественно, что после этого Ньютон задал себе вопрос:

— А что случится с телом, когда на него подействует какая-либо внешняя сила?

Перипатетики, последователи Аристотеля, главным средством познания природы считали рассуждение. Они были способны часами так и сяк толковать о силах, но никогда не считали нужным их измерить. Современная наука, не отрицая пользы рассуждений, на первое место ставит опыты и точные измерения. Поэтому, прежде чем вести разговор о силах, надо условиться, как и чем их измерять.

Для измерения сил существует прибор, называемый динамометром.

Падает на землю камень. Сила притяжения тянет его вниз. И камень стремительно несется к земле, увеличивая свою скорость. Так и должно быть, раз действует сила.

Но что такое количество движения, о котором говорит Ньютон? Как оно увеличивается под действием силы?

Это определение введено еще во времена Галилея. Количеством движения назвали произведение массы тела на его скорость.

Если массивный предмет движется даже с небольшой скоростью, то все равно остановить его нелегко. То же самое произойдет, если останавливать небольшое по массе тело, которое мчится с большой скоростью. Поэтому и стали говорить о количестве движения. И если изменяется скорость, меняется и количество движения, оно становится большим или меньшим.

Любая спортивная игра с мячом — будь то волейбол, футбол, баскетбол или теннис — дает множество наглядных примеров действенности второго закона движения. Каждая из этих игр как раз и состоит в том, чтобы применением силы заставлять мяч все время менять скорость и направление движения. А искусство хорошего игрока проявляется именно в умелом использовании законов движения, для того чтобы загнать мяч туда, куда требуют правила и цель игры.

Как в играх, так и в повседневной жизни и технике люди стараются иметь второй закон движения своим другом и союзником, а не врагом.

В дни первой мировой войны во французских газетах промелькнуло удивительное сообщение: летчик ухитрился поймать немецкую пулю рукой, как муху! Дело обстояло будто бы так: самолет летел над немецкими позициями на высоте примерно двух километров. Летчик заметил, что возле него движется какой-то маленький черный предмет. Пилоту показалось, что это шмель или жук, и он схватил его рукой, но, когда разжал ладонь, увидел на ней немецкую винтовочную пулю.

Насколько правдив этот рассказ — неизвестно. Но пуля, выпущенная из винтовки вдогонку самолету, на высоте двух километров находится, как говорится, на излете — ее скорость может сравняться со скоростью самолета. Самолеты же в 1915 году летали довольно медленно. Поэтому в происшествии, рассказанном французским летчиком, нет ничего сверхъестественного и невероятного. Он мог поймать пулю рукой, потому что сила тяжести и сопротивление воздуха уже успели поглотить ее скорость.

Сил-помех, замедляющих движение, довольно много — целое «семейство»! Эти силы играют огромную роль в технике и вообще в нашей жизни — они вековечные спутники механического движения, и во многих случаях спутники недружественные, которые как бы цепляются за каждый предмет, стараются его остановить, мешают ему двигаться или заставляют свернуть в сторону. Это всевозможные силы сопротивления.

Всему движущемуся в воздухе мешает сопротивление воздуха.

Всему движущемуся в воде и по воде мешает сопротивление воды.

На станциях железных дорог иногда приходится наблюдать, как паровоз безуспешно старается стронуть поезд с места. И странно, этот же самый паровоз недавно мчал поезд со скоростью свыше сорока километров в час, успешно втаскивал его на подъемы, а как только остановился, все вагоны как будто сделались гораздо тяжелее.

Но разве вес поезда и его масса зависят от того, стоит он или едет? Вес поезда тут ни при чем, беда кроется в том, что, когда поезд остановился, силы трения покоя словно вцепились во все колеса, во все оси и держат их. Чтобы преодолеть это трение, нужна большая сила тяги — гораздо больше той, какая требуется, чтобы везти поезд, поддерживать его скорость постоянной. Трение покоя больше трения скольжения.

Каждый велосипедист, мотоциклист, шофер, машинист, летчик или капитан корабля знает, что у его машины есть предельная скорость, превысить которую не удается никакими усилиями. Можно сколько угодно нажимать на педаль акселератора автомобильного двигателя, но «выжать» из машины лишний километр в час невозможно.

Автомобиль «Победа» имеет двигатель мощностью в пятьдесят лошадиных сил. Когда водитель нажимает акселератор до отказа, коленчатый вал двигателя начинает делать три тысячи шестьсот оборотов в минуту. Поршни как сумасшедшие мечутся вверх и вниз, подскакивают клапаны, вертятся шестеренки, а автомобиль движется хотя и очень быстро, но совершенно равномерно, и вся сила тяги двигателя уходит на преодоление различного трения.

Дождевая капля, падая с высоты облаков под действием силы тяжести, сначала движется ускоренно, но сопротивление воздуха быстро уравновешивает силу тяжести, и весь остальной путь до земли капля совершает уже только по инерции с постоянной скоростью.

Эта скорость в зависимости от величины капли достигает только десяти-двадцати метров в секунду. И это очень хорошо! Если бы дождевые капли не встречали сопротивления воздуха, то их скорость падения достигала бы сотен метров в секунду. Такие капли убивали бы, как пули. Мелкие животные и птицы были бы истреблены, а людям пришлось бы вооружаться железными зонтиками и носить вместо плащей-дождевиков кольчуги и шлемы.