Эссе

 «Мир без трения»

Старый Оскол 2012 г

Мир без трения

Кому из вас не случалось помечтать... Тем более на уроках, тем более, когда слушаешь крайне неинтересную и «ненужную» тебе, да и всему окружающему миру, тему... Как, казалось бы, просто и легко мир обошелся бы без силы трения и архимедовой силы, Пушкина и Чернышевского, логарифмов и квадратных уравнений... Но не получалось ли у вас так, что подхваченные Мечтой вы попадали в страну «Невыученных Уроков» - с поездами, несущимися навстречу друг другу по одному полотну, и половинчатыми землекопами?

Я решил пойти немного дальше пустых мечтаний. С помощью своих фантазий и размышлений я постарался понять силу трения и то, за что она отвечает.

Размышления на тему: мир без трения.

В нашем мире очень многое «держится» на равновесии, и сила трения, а именно сила трения покоя, является той силой, которая это равновесие поддерживает - трение ведь всегда против скорости, в том числе, и против скорости разрушения. Сила трения покоя препятствует разрушению так же, как реакция опоры не дает телу провалиться сквозь землю. И она точно так же, как и реакция опоры, существует до каких-то пределов, не может превысить некоторое значение: если трактор хорошенько подтолкнуть, он, в конце концов, поедет, но, если на него положить что-нибудь такое тяжелое, то опора может не выдержать. Часто, говоря про трение, мы имеем в виду только трение скольжения или качения, забывая про труд трения покоя. Жидкое трение устроено иначе, и требуется малейшее дуновение ветерка, чтобы привести в движение айсберг - вот эти айсберги и дрейфуют по океанам, создавая опасность мореходам. Если бы в нашем мире не было бы трения покоя, то он был бы похож на огромное скопление таких айсбергов (это не значит, что график трения скольжения совпадал бы с графиком жидкого трения). На равновесии держится все, что скреплено винтами и гвоздями (но не на заклепках, так что «Аврора» без трения останется целой).

Если только без трения покоя будет такое, то можно себе представить, что будет вообще без трения (можно, но трудно). Равновесие очень важно - в мире нет ничего идеального, нет так же идеально горизонтальной поверхности, так что без трения под действием силы тяжести вскоре развалятся многие сооружения. Без трения, как это ни смешно, если в стенку с двух сторон вкрутить шурупы (проделав дырки - чем?), то, насколько бы вертикальной стенка ни была, один из них через некоторое время выкрутится - идеальных стенок не бывает. Короче, между деталями зданий, и не только зданий, а вообще всех частей чего-либо должны действовать какие-то силы, кроме трения. И желательно, чтобы эти силы были направлены на созидание, а не наоборот. А видов этих самых сил, если вообще делить все силы на виды (что само по себе невозможно - ведь все силы, в конце концов, сводятся к одному, тому, чего мы не понимаем - к взаимодействию между частицами; и с таким же успехом можно бы было спросить, что было бы, например, без силы тяги), в мире оказывается не так уж много. Тем более, мало тех, которые мы (живые организмы, то есть все те, к которым применимо слово «использовать») можем использовать для передвижения - так что без трения этот процесс представляет большую проблему. В основном для передвижения мы используем силу трения, силу реакции опоры и силу тяжести. Другое дело, что, может, без передвижения можно и обойтись, ведь обходится же большинство растений. Но, может, сами эти растения и обходятся без него, но семена-то этих растений либо летят по ветру, либо их переносят насекомые. А без размножения никак.

Без трения бедным людям придется как-то использовать реакцию опоры и притяжение для передвижения. На самом деле, это не так уж и сложно - ведь реакцией опоры мы можем управлять, поворачивая эту самую опору. Отсутствие трения нам не мешает оттолкнуться от стенки - это и делает все время поезд на шестеренках, постоянно отталкиваясь от наклоненных поверхностей зубчиков, он едет на реакции опоры. И самые первые поезда так и делали, потому что люди не верили, что сила трения может сдвинуть состав. Кстати, такой же способ можно применить и для передвижения пешком - нужно сделать рифленую дорогу, чтобы плоскость зубчика была по размеру ступни. Тогда люди будут подпрыгивать, отталкиваясь от наклонных поверхностей, а сила тяжести будет возвращать их на землю. Придется немного попрыгать! В общем-то, в этом и состоит суть наших лестниц - мы тоже, чтобы не скатиться вниз, заменяем силу трения силой реакции опоры.

Многие, да, похоже, и я, преувеличивают разрушительные способности отсутствия трения, ведь не надо забывать про не менее важную реакцию опоры. Трение зависит от реакции опоры и у нас интуитивно отсутствие первой связано с отсутствием второй. Действительно, без реакции опоры мир выглядел бы очень смешно, правда, смеяться было бы уже некому.

Конечно, нельзя не сказать, что энергии придется все равно тратить меньше, в том числе, и на передвижение - ведь, потратив неимоверные усилия на то, чтобы забраться на гору, нам больше не придется ничего делать, чтобы попасть на другую такую же; приобретя нужную скорость, нам не надо ничего делать, чтобы ее поддерживать. Таким образом, мы вплотную приближаемся к осуществлению идеи вечного двигателя. Но, если над этим задуматься, то в самом названии «Вечный двигатель» заключена ошибка. От двигателя мы можем что-то получать, какую-то энергию, но что можно получить от двигателя, который останавливается, когда от него пытаются что-то взять? Какая ему разница, кто у него забирает энергию - трение или мы?

Несмотря на это, механизмы, где мы используем смазку, конечно, будут работать лучше, и колесо никогда никому ни будет нужно. Скорее всего, это сильно затормозит развитие механики. Но тут есть и еще один момент - наличие трения тоже тормозит развитие науки, ведь оно мешает правильному пониманию законов Ньютона и восприятию постоянности ускорения свободного падения. Скорее всего, без трения люди поняли бы их раньше.

Но что говорить о науке, когда существование самой Земли сомнительно - она, как и другие планеты, была бы разрушена метеоритной атакой. Конечно, в Луну и в нашем мире попадают метеориты, но в том-то и дело, что без трения не только метеориты не будут сгорать в атмосфере, но между частями планеты, на которые она дробиться в месте удара, нет трения, и ударная волна придает им большую изначальную скорость, так что они могут и не вернуться обратно на планету.

Все-таки, отсутствие трения - это, конечно, абсурд. А, когда думаешь о том, чего не может быть, невольно приходишь либо к причине этого, либо просто к парадоксу. Действительно, не совсем понятно, что тут надо понимать под «трением». Возьмем, к примеру, тот же поезд на шестеренках - он, как выяснилось, без трения поедет. Но если взять, и размер зубчиков уменьшить во много раз, чтобы они были не видны на фоне поезда - он не будет ничем принципиально отличаться от первого, но ведь тогда мы сможем уже сказать, что на его колесо действует сила трения, которой нет! То есть непонятно, на каком этапе масштабирования мы можем применить к рельсе коэффициент трения. Наверно, для описания таких фантастических тем нужно на время забыть о причине явлений.

Так можно описать наш мир, где «выключили» трение, но вряд ли наш, уже сформировавшийся мир сможет перестроиться. Скорее возможен мир, где трения никогда не было. Такой мир был бы совершено другим, и мы практически не можем его описать, наши представления к нему неприменимы.

Если цивилизация, да что там цивилизация, жизнь смогла вообще возникнуть, что само по себе невозможно, значит, она сможет возникнуть и без трения. Мир «большой», места много - выбор есть. И при любых условиях найдется такое место, где образование жизни, какой бы она ни была, возможно.

Об этом, наверно, нельзя говорить серьезно, но тогда это уже будет не физика.

Мир без силы трения

В мире, который мы будем рассматривать, остается трение твердых тел о жидкость и о газ - вязкое трение. А вот насчет сухого трения надо подумать. Так как трение на молекулярном уровне - это «зацеп выступа о выступ». А абсолютно гладких поверхностей (идеальных) - не бывает. Но не будем забывать, что этот мир - волшебный, в нем может происходить абсолютно все, в зависимости от придуманных нами условий. Так что, поставим условие (закон) о трении: любой скол поверхности (да и сама поверхность) твердого тела - идеал, но сильно выдающиеся выступы (камни) этому закону не подчиняются.

Так как остается трение о воздух, а гравитацию никто не отменял, атмосфера нашего мира от мира, в котором нет силы сухого трения, будет неотличима. Что же касается литосферы, «земли», то она почти по всему миру будет разрушаться воздушной эрозией. Но поверхность не будет состоять из «голого камня»- твердого слоя (у которого сила межмолекулярного взаимодействия будет больше силы трения выступающих частиц поверхности о воздух), как кажется на первый взгляд. Это не так. Земля большая и является системой замкнутой: если в одном месте что-то убавилось, в другом месте обязательно это же и прибавится. Получится «круговорот земли в природе».

Планета не будет равнинной, на ней спокойно могут существовать горы. Пусть на планете произойдет землетрясение: две тектонические плиты начнут двигаться друг на друга, и образуется складка (одна плита "налезет" на другую и приподнимется, или они «упрутся носами» и станут медленно подниматься). По идее, эта конструкция не сможет существовать, ведь трения покоя нет, и приподнявшаяся земля просто «съедет обратно». Но не надо забывать, что существуют и другие силы, отвечающие за сохранение формы: сами силы межмолекулярного взаимодействия. Земля большей частью по агрегатному состоянию - твердое вещество, но в виде «порошка». Сила взаимодействия между молекулами ее частиц намного больше, чем у жидкости или пластилина (хотя даже у пластилина хватит ее, чтобы вернуть телу форму после небольшой деформации). Таким образом, после поднятия поверхности, земля не рассыплется полностью, молекулы будут 2держаться друг за друга», и просто так изменить форму - не получится. Съедет только небольшая часть верхнего слоя, в котором за время этого процесса силы межмолекулярного взаимодействия «были разрушены».

Но будут присутствовать и более заметные отличия от нашего мира. Трение о землю отсутствует, речки будут без остановки разгоняться, т.к. сила тяжести все еще присутствует. Это, однако, относится не ко всем речкам. В случае, если речка каменистая, то силу трения заменяет сила упругости. Несмотря на то, что трения о камни не существует (трения скольжения: поверхность камней подобна скользящей поверхности лыжи, натертой специальными мазями), молекулы воды все равно сталкиваются с выступающими частями камней (им «без разницы», есть трение или нет, но впереди твердое, упругое тело, загораживающее путь). Другое отличие в том, что в зимний период сухой снег (его образование возможно), падающий с неба (кстати, падение ли это «земного снега» или снега на той планете мы отличить не сможем - ведь трение о газы есть), попадая на поверхность гор, залеживаться не будет. Под действием гравитации он будет скатываться. В этом случае, кроме преград, которые встречаются, не очень часто, ничто ему препятствовать не будет.

Пляжи на этой планете будут существовать, так что жизни будет легче выйти на сушу, если она, конечно, появится. Поэтому возможно и «точение» водой камня, например, когда вода капает на его поверхность (подземные реки).

Подумаем, возможна ли жизнь на этой планете. Вероятность, что за несколько миллиардов лет на планету хоть раз упадет огромный метеорит и после его падения на нем сохранятся какие-нибудь органические молекулы или даже одноклеточные живые существа, и этот метеорит упадет в какой-нибудь водоем (в океан или впадающую в него реку), не равна нулю. Если такое случится, то эти микрочастицы жизни окажутся в океане (непосредственно или - по течению реки). В результате мутаций (пройдут сотни миллионов лет) возникнут одноклеточные водоросли, а со временем - и многоклеточные. Тем, кто существует в океане, сухое терние не нужно (разве что тем, кто ползает по дну, но их мы можем и отбросить).

Проанализируем ситуацию с образованием растительности на суше. Представим себе бурю в океане. Некая водоросль попала в результате этого в замкнутый пресноводный водоем на суше. В результате огромного множества подобных случайностей одна водоросль в таком водоеме все же выжила и дала «потомство» (как и положено добропорядочной древней водоросли - вегетативно). В точности так же, как жизнь «осваивала» сушу в нашем мире - мире с трением - это произойдет и в мире без терния. На суше образуются растения. Ничто не помешает возникнуть и семенному размножению. Для всего этого сухое трение не нужно.

Совсем другое дело - с миром животных. Ведь им нужно двигаться! Начнем с животного мира океана. Его образованию ничто мешает - ни для рыб, ни даже для плавающих зверей сухое терние не нужно. То же самое относится и к двоякодышащим. Главное - чтобы они не пытались ползать - вот уж это точно невозможно без терния! Настанет такой прекрасный момент, когда в мире без трения появится и большая крокодила. Особенно огромными у нее будет когти - ведь только благодаря зацеплению за грунт в мире без сухого трения можно передвигаться по твердой поверхности. Такие когти позволят новенькой крокодиле выйти прогуляться из океана на материк - и со временем заселить границу воды и суши своим большим крокодильим потомством. Пройдут еще сотни миллионов лет - и суровый, но справедливый естественный отбор потребует от потомков крокодилы (как и от потомков других морских и пресноводных животных), чтобы они научились быстро бегать, высоко или далеко прыгать, лазить по деревьям, копать норы… Все это в мире без трения не так-то просто проделать. Всем животным на этой планете потребуются очень длинные и очень острые когти - чтобы вонзались в грунт, в дерево, а у некоторых, может быть - даже в лед и в известняк. В такой схеме есть место и зверю, в чем-то подобному нашим приматам. А тут уж недалеко и до питекантропа. Но, разумеется, с некоторыми задатками древней крокодилы - огромными острыми когтями.

У «нации питекантропов» мира без трения развитее техники будет затруднено. Им, например, не понадобятся «палка-копалка», которая древним людям с нашей планеты заменяла когти животных для поиска корешков и прочего подобного, хотя в нашем мире и есть трение. Питекантропы из мира без трения для того, чтобы рыть нору, могут научиться запускать когти своих задних конечностей в грунт, тем самым, используя силу упругости, оставаться на месте и не «уезжать». Не понадобится им и «дубина», которая была предназначена как для добычи «живой пищи», так и для защиты от нее - чтобы самому не стать едой.           Не понадобится им и обувь. Ведь ходят люди в Африке без обуви. У них на ногах засохшие мозоли, и им это кажется нормальным, естественным. Но это не слишком существенные различия между эволюцией и начальным развитием техники науки нашего мира и мира без трения. Куда важнее образование огня.

В нашем мире все было легко. Люди за несколько сотен лет освоили способ добычи огня. В описываемом же мире сила трения отсутствует, и палочку о палочку не потрешь, даже если ее сможешь взять и удержать (вонзишь в нее свои длинные острые когти), также и не выбьешь искру, стукнув кремнем об огниво. В общем, проблемы... Я думаю, что возможен вариант знакомства «питекантропа» с огнем только в случае, если молния ударит в дерево и оно загорится. Один из древних «людей» возьмет обломанную, горящую ветку и сохранит огонь под какой-либо крышей, под выступом скалы, и этот огонь будет передаваться из поколения в поколение. Далеко в будущем люди узнают причину его образования и создадут первый гальванический элемент...

О дальнейшем можно размышлять едва ли не бесконечно. Но столько времени у нас нет, да и предугадать все этапы развития жизни волшебного мира, сидя в комнате, а, не находясь там с машиной времени - невозможно. Можно лишь представить примерный путь, по которому пойдет жизнь, коротко изложить перспективы ее развития.

Техника, а потом и наука вынужденно будут двигаться больше в направлении изобретений из области электричества, чем в направлении чисто механических машин, простых механизмов.

Механикой «тамошние люди» заинтересуются очень нескоро. У них не будет потребности в создании более быстрого способа передвижения. Ведь трения о поверхность (скольжения, качения) нет, и изобретать колесо вообще не понадобится (не будет разницы между доской и колесом). Они заинтересуется изучением науки, разве что только в случае войны племен. Им придется придумать какое-нибудь оружие. Только не копья или луки (их изготовить довольно сложно, да и вообще - вопрос, будет ли такое оружие в том мире действовать: стрела при запуске может просто немного проскользнуть вбок - изменится угол), а оружие «массового поражения». Например, катапульта. Но все равно она будет устроена немного по-другому, чем наша (ведь у них «все не как у людей»). Но для того, чтобы ее выдумать и соорудить, им придется несколько лет посидеть над физикой. Узнать много о силе упругости («что это такое, и с чем ее едят»). Механизм работы катапульты основан на силе упругости, а сила трения, которой нет, почти ни за что не отвечает, ее легко можно заменить, создав какой-либо упор (опять же - сила упругости и равновесие). Кроме трения о воздух и «грубых» преград (где силу трения заменяет сила упругости), никакому живому существу двигаться сколь угодно долго ничто не помешает (и то при малых скоростях это будут такие потери, что при «малейших усилиях» ими можно будет пренебречь).

Наиболее развитой областью в науке будет наука об электричестве. Без него жизнь на этой планете существовала бы, но в совершенно неразвитой форме Электричество («молния») может дать культуру жителям этой планеты, дать толчок в развитии науки, заставить «людей» задуматься об окружающем мире. В будущем электричество будет единственным начальным источником энергии, так как солнечную энергию они использовать и сохранять не смогут (ведь солнечных батарей у них нет). С помощью электричества «люди» смогут добывать тепло, проводить исследования и изобретать новые вещи («строить мир», например: расплавлять металл и отливать нужные формы). Такой мир через миллионы лет его развития мы представить уже не можем. Это будет мир фантастики, которая частично встречается в книгах...