то можно убедиться, что эта величина совпадает в штрихованной и нештрихованной системах координат. Чтобы доказать это, заметим, что это верно для величин а·а, b·b и с·с, где с=а+b. Сумма квадратов (ax+bx)2+(ay+by)2+(az+bz)2 —инвариант:
(аx+bx)2+(аy+by)2+(аz+bг)2= (аx'+bx')2 + (ay'+bу')2+(az,+bz')2. (11.20) Раскроем скобки в обеих сторонах этого уравнения. Перекрестные произведения дадут нам выражения типа (11.19), а суммы квадратов составляющих а и b — выражения (11.18). Инвариантность слагаемых типа (11.18) приводит к инвариантности перекрестных произведений типа (11.19).
Величина а·b называется скалярным произведением двух векторов а и b и имеет много интересных и полезных свойств. Например, легко доказать, что
а· (b+c)=а·b+а·с. (11.21)
Есть еще очень простой геометрический способ вычисления а·b, при котором не надо определять составляющих а и b; просто а·b есть произведение длин векторов а и b на косинус угла между ними. Почему? Предположим, что мы выбрали такую систему координат, в которой вектор а направлен вдоль оси х; в этом случае вектор а имеет единственную ненулевую составляющую ах, которая равна длине вектора а. Таким образом, уравнение (11.19) сводится в этом случае к a·b=axbx, что равно произведению длины вектора а на составляющую вектора b по направлению а, которая в свою очередь равна bcosq, т. е.
а·b=abcosq.
Таким образом, в этой частной системе координат мы доказали, что a·b равно произведению длин векторов а и b на косинус угла между ними 9. Но если это верно в одной системе координат, то это верно и во всех системах, потому что а·b не зависит от выбора системы координат.
Что хорошего может дать нам эта новая величина? Нужно ли физику скалярное произведение? Да, оно необходимо ему постоянно. Например, в гл. 4 мы назвали кинетической энергией величину 1/2mv2, но если частица движется в пространстве, то нужно возвести в квадрат отдельно составляющие скорости х, у и z, так что формулу для кинетической энергии можно записать в виде
к.э.=1/2m(v·v)=1/2m(v2x+ v2y+v2z). (11.22)
Энергия не имеет направления. Импульс же направление имеет, это — вектор, и он равен произведению массы на вектор скорости.
Другим примером скалярного произведения может служить работа, произведенная силой при перемещении какого-нибудь предмета с одного места на другое. Мы еще не дали определения работы, она равна изменению энергии, прибавке в весе, после того как сила F поработает вдоль пути s:
Работа=F·s. (11.23)
Иногда целесообразно говорить о составляющей вдоль определенного направления (например, вдоль вертикали, потому что это направление силы тяжести). Для этого удобно ввести единичный вектор вдоль интересующего нас направления. Под единичным вектором мы будем понимать вектор, скалярное произведение которого на себя равно единице. Пусть это будет вектор i; тогда i·i=l. Скалярное произведение i·a равно acosq, т. е. оно равно составляющей вектора а вдоль направления i. Это наилучший способ получить составляющую вектора. Поступая так, мы можем найти все составляющие вектора и получить забавную формулу.
Предположим, что нам задана какая-то система координат х, у и z. Введем три вектора: i — единичный вектор вдоль оси х,
j — единичный вектор вдоль оси y и к — единичный вектор вдоль оси z. Ясно, что i·i=l. Чему же равно произведение i·j? Если угол между векторами прямой, то их скалярное произведение равно нулю. Таким образом,
i·i=1,
i·j = 0, j·j=1, (11.24) i·k=0, j·k=0, k·k=l.
Используя эти свойства векторов i, j, k, можно записать любой вектор а в виде
a=ax·i + ay·j+ az·k. (11.25)
Таким образом, можно от составляющих вектора легко перейти к самому вектору.
Мы изучили далеко не все свойства векторов. Однако, прежде чем углубиться в этот вопрос, научимся сперва применять обсужденные сейчас идеи в физике. И тогда, когда мы хорошо овладеем основным материалом, будет легче продвинуться дальше, не впадая в ошибки. Позднее мы увидим, что удобно определить еще одно произведение двух векторов, которое называется векторным произведением и записывается в виде аXb. Однако обсуждение этого вопроса лучше отложить до следующей главы.
* В книгах вектор обозначается полужирной буквой; в рукописях же используется стрелка:
Глава 12
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛЫ
§ 1. Что есть сила?
§ 2. Трение
§ 3, Молекулярные силы
§ 4, Фундаментальные силы. Поля
§ 5. Псевдосилы
§ 6. Ядерные силы
§ 1, Что есть сила?
Хотя изучение законов физики интересно и поучительно, хотя они и помогают нам понимать природу и овладевать ее силами, все же порой стоит остановиться и поразмыслить: что же они на самом деле значат? Смысл любого утверждения — вещь, которая издавна, с незапамятных времен, интересовала и тревожила философов, а уж смысл физических законов тем более должен волновать нас, ведь повсеместно считается, что в этих законах таятся некоторые реальные знания. Смысл истины — это глубочайший философский вопрос; всегда важно вовремя спросить: что это значит?
Спросим же: в чем смысл физических законов Ньютона, в чем смысл формулы F=ma? В чем смысл силы, массы и ускорения? Мы интуитивно понимаем, что такое масса; мы можем также определить ускорение, если нам понятно, что такое место и что такое время. Смысл этих понятий мы поэтому не будем обсуждать, а сосредоточимся на новом понятии силы. И здесь ответ тоже весьма прост: если тело ускоряется, значит на него действует сила. Так говорят законы Ньютона, и самое точное и красивое из мыслимых определений силы состояло бы в том, что сила есть масса тела, умноженная на его ускорение.
Имеется, положим, закон, что импульс сохраняется тогда, когда сумма внешних сил равна нулю. И вот у нас спрашивают: «А что это значит: сумма внешних сил равна нулю?» И мы любезно отвечаем: «Когда полный импульс постоянен, то сумма внешних сил равна нулю». Нет, здесь что-то не то. Ведь ничего нового мы при этом не сказали. Обнаружив основной закон, утверждающий, что сила есть масса на ускорение, а потом определив силы как произведение массы на ускорение, мы ничего нового не открываем. Можно также определить силу и на другой манер: движущееся тело, на которое сила не действует, продолжает двигаться по прямой с постоянной скоростью. Тогда, увидев, что тело не движется по прямой с постоянной скоростью, мы можем утверждать, что на него действует сила. Но такие высказывания не могут составить содержание физики: зачем же ей гонять определения по кругу? Несмотря на это, приведенное выше положение Ньютона, по-видимому, самое точное из всех определений силы, одно из тех, которые так много говорят сердцу математика. И все же оно совершенно бесполезно, потому что из одного определения никогда ничего никто не выводил. Можно день-деньской просиживать в кресле, определяя слова по своему хотению, но совсем иное дело — понять, что происходит при столкновении двух шаров или что бывает, когда груз висит на пружинке. Поведение тел и выбор определений — между этими вещами нет ничего общего.