Наука требует точности. Но для достижения точности учёным нужно буквально «держать в голове» кучу информации. Для упрощения задачи они стали использовать ёмкие таблицы с часто используемыми данными (например, Периодическая таблица химических элементов, таблица умножения) и условные правила (известное «правило буравчика»). А также константы — некие постоянные значения, которые были давно посчитаны и используются как связующие коэффициенты в различных уравнениях. Речь пойдёт о таких числах в физике, разберёмся, в каких уравнениях они используются и на самом ли деле с ними проще.

Ускорение свободного падения 

Механика — самый старый раздел физики, именно с законов классической механики умы древности начали свой путь в познании мира. Галилео Галилей, один из основоположников классической механики, задавался вопросами природы движения — начиная от движения планет и заканчивая перекатыванием каменных шаров по склону. Галилей наблюдал за телами, желая познать, что есть «движимая сила». Итальянский учёный опытным путём, наблюдая за падением тел известной массы и размеров, понял, что есть некое общее для всех значение ускорения. Проведя ряд одинаковых экспериментов, Галилей эмпирически (то есть, не используя математический аппарат, а основываясь лишь на опытных данных) рассчитал значение константы — 9,8 м/с 2 , название которой сейчас — ускорение свободного падения . Существует история, что Галилей для своих опытов посылал слугу с грузом на крышу Пизанской башни, а сам на земле следил и записывал параметры падения разных тел, что сбрасывал слуга.

Заметив, что разные тела в итоге падают за одинаковое время, он рассчитал значение ускорения свободного падения. На самом деле это распространённый миф, такого произойти не могло, ведь разные по массе тела достигнут земли в разное время, так как тела движутся не в вакууме, а в воздушной среде (воздух, как и любое другое вещество, например, вода, имеет способность «тормозить» объекты). Это легко проверить, сбросив с высоты пёрышко и камень — камень упадёт прямо, а пёрышко начнёт медленно «порхать» по воздуху (из-за трения и обтекания). Однако, если провести данный эксперимент в вакуумной трубке, то мы заметим, что и пёрышко , и камень падают одновременно — в этом и есть доказательство влияния среды и зависимость константы g не от массы напрямую, а от силы источника притяжения (в данном случае Земли). Немного позже Ньютон создал математическое описание этой константы, выведенного из его знаменитого закона всемирного тяготения. Справедливости ради стоит сказать, что Галилей не сильно просчитался.

Галилео cмог измерить H — высоту и  t — время 

Это отношение постоянно для бросаемых объектов 

Первый закон Ньютона 

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

Гравитационная постоянная 

Продолжая говорить о механике, нельзя не посвятить абзац сэру Исааку Ньютону. В отличии от практика Галилея, Ньютон вдобавок создавал математические модели наблюдаемых объектов (что, собственно, и стало основным алгоритмом любого научного исследования — наблюдение, эксперимент, теория). Это и не удивительно, среди современников Ньютон считался одним из сильнейших математиков. Эти навыки ему также помогли в вычислении константы элементарного гравитационного взаимодействия, или просто — гравитационная постоянная G. Отдыхая в саду, Ньютон почувствовал боль от приземления яблока на его макушку. Поняв, что боль возникает от какой-то силы, Ньютон предположил, что эта сила возникает из-за притяжения. В данном случае взаимодействие «земля-яблоко». Красивая легенда, опять не совсем правдивая. Ньютон на самом деле долго работал над законом всемирного тяготения, потому считать роковое яблоко отправной точкой не совсем корректно.

Сформулировав закон, Ньютон заметил, что есть некая константа пропорциональности, связывающее силу, возникающую между двумя телами, и массами самих тел. Так была введена гравитационная постоянная.

Гравитационная постоянная численно равна силе, с которой притягиваются две частицы с массой 1 кг и которые находятся на расстоянии 1 м друг от друга.

Но численное значение Ньютон тогда не рассчитал — просто потому, что в те времена не была известна масса Земли. Это было сделано позднее, в XIX веке.

Как видно, значение крайне малое. Потому между телами с относительно малыми массами сила притяжения настолько мала, что ею можно пренебречь. Однако на уровне космических объектов, ввиду их массивности, гравитация начинает играть важнейшую, если не основную, роль в каждом взаимодействии.

Элементарный заряд 

Следующий раздел науки, на который мы остановим свой взор — теория электромагнетизма. XIX век — золотая эпоха развития промышленности, рождение индустриального общества и массового производства. И всё благодаря электричеству. Изучение физической природы электричества началось ещё в античной Греции, однако предположение о существовании малейшей элементарной частицы электричества было выдвинуто Бенджамином Франклином. Наблюдая за природой естественных источников электричества — молниями, Франклин выдвинул гипотезу о том, что каждый наблюдаемый в опыте электрический заряд всегда кратен элементарному.

Примерно век спустя Фарадей, изучая ток в электролитах, сделал предположение, что есть связь между количеством ионов, осевших на электродах и количеством движущихся в среде электронов. Константа Фарадея, соединяющая физические и химические свойства электричества, позволяла качественно рассчитать элементарный заряд. Однако, как показали дальнейшие измерения, погрешность у данного метода очень высока. Намного позже, в 1910 году, Роберт Милликен и Харви Флетчер провели весьма тонкий эксперимент по наблюдению заряженных капель масла в равномерном электрическом поле. Они опытным путём измеряли значение напряжения, при котором капельки будут левитировать либо двигаться равномерно вниз под действием силы тяжести. Используя нехитрые математические выкладки, было обнаружено: полученные значения оказались кратными одной и той же величине.

Таким образом была показана дискретная природа элементарного электрического заряда, что подтвердило гипотезу Франклина, выдвинутую около двух веков назад. Главное свойство элементарного заряда — он не может быть уничтожен. Тому подтверждение закон сохранения заряда, который утверждает, что в ограниченной системе количество зарядов остается постоянным. Даже если заряд по каким-то причинам исчез (аннигилировал), то с абсолютной уверенностью можно сказать, что где-то в в системе он возник вновь. Носителями элементарного заряда являются электроны (отрицательный заряд), протоны (положительный заряд), позитроны (античастица с положительным зарядом) и антипротон (античастица с отрицательным зарядом).

Постоянная Больцмана 

Учёные в скором времени поняли, что все объекты состоят из меньших, фундаментальных частиц, которые скрыты от человеческого глаза. Первым разделом физики, затронувшим этот вопрос, может считаться термодинамика. Она рассматривает объекты как совокупность частиц (не обязательно атомов), которые, согласуясь, обмениваются энергией со средой, другими телами или друг с другом. Мостом между микро- и макромиром является уравнение связи энергии частицы (характеристика микромира) и температуры (характеристика макромира), главную роль в которой играет константа k.

Проложив этот «мостик», Людвиг Больцман позволил учёным заглянуть глубже, в структуру материи, понять законы мельчайших частиц. Его подвиг вдохновил последующих исследователей продолжать изучать микромир, что после вылилось в квантовую теорию, считающуюся сегодня основной теорией физики.

Постоянная Планка

Постоянная Планка в квантовой физике связывает величину кванта энергии излучения с его частотой (или длиной волны). В конце XIX века в научном мире наступил застой. Физика к тому времени казалась полностью изученной наукой (что само по себе не поддавалось осмыслению). Учёные из других сфер науки даже подшучивали над физиками, мол, без работы остались, пора менять квалификацию. На тот период осталось только несколько «маленьких несущественных задач чисто косметического характера», и одна из них — связать энергию излучения с частотой (что и делает, как написано выше, постоянная Планка). Ну что ж, давайте разбираться. Макса Планка, тогда ещё малоизвестного, но амбициозного физика-теоретика Берлинского университета, местные промышленники попросили найти оптимальный способ при минимальных затратах энергии получать от лампочки максимальную светимость. Планк загорелся этой идеей и  немедленно приступил к работе. Он поставил задачу — вывести закон, описывающий зависимость спектра энергии свечения от температуры. То есть построить такую формулу, график, который будет показывать, как меняется «яркость» лампочки от её температуры.

Из школьного курса физики нам известно, что температура связана с энергией, та в свою очередь — с частотой и длиной волны. Это свидетельствует о том, что одно можно вывести из другого. К моменту начала работы Планка существовали закон Вина (для коротких волн) и закон Рэлея-Джинса (для длинных волн). Единой теории светимости не было. Всё потому, что в то время учёные предполагали, что энергия — характеристика непрерывная. То есть лампочка испускает энергию (свет, тепло) непрерывной однородной «волной». Согласно закону, выведенному Планком после выполнения заказа промышленников, энергия выделяется только дискретными порциями, квантами, охватывает весь спектр. Это и стало началом квантовой теории.

Заключение Это лишь часть от списка всех констант физической науки. Однако, прочитав данную статью, вы наверняка заинтересуетесь, что же есть ещё и поймёте, что за скучными длинными цифрами и буквами скрыта целая история, открытие, вызов учёного, брошенный природе в попытках постичь Вселенную. И перестанете наконец округлять ускорение свободного падения до 10.

КОСМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

Освоение космоса — очень сложное и дорогое занятие. С самых древних времен человечество мечтало о полётах к звездам. Но только в XX веке прогресс достиг необходимых высот. Именно тогда был запущен первый спутник Земли, отправлен в космос первый космонавт, осуществлен первый полёт аппаратов к Луне, Венере, выведена на орбиту первая космическая станция.

Тихое начало – не громче фейерверка

А начиналась космическая эра, как это часто бывает, буднично, тихо и незаметно, в кабинетах учёных. В далёком 1897 году российский математик Иван Мещерский вывел уравнение, которое описывает движение тела с переменной массой. Это было развитием ньютоновской механики, созданной за 200 лет до трудов Мещерского и описывающей движение тела только с постоянной массой. В то время уравнения Мещерского на практике применялись редко. Например, для изучения движения комет, которые при приближении к Солнцу «худели» за счёт испарения тела кометы и образования её хвоста. Такое уравнение описывает и движение ракеты, потому что масса ракеты в полёте непрерывно уменьшается изза сгорания её топлива. Но к движению ракет применять это уравнение стали не сразу — в конце XIX века ракеты использовались, пожалуй, только для запуска фейерверков. К счастью, такая ситуация длилась недолго: уже в начале XX столетия российский учёный Константин Циолковский доказал, что полёты в космос (то есть в безвоздушное пространство) возможны только с помощью ракет.

Он придумал многоступенчатую ракету, назвав её «ракетный поезд,» а из уравнений Мещерского вывел формулу, которую впоследствии нарекли его именем- Циолковского. Эта формула позволяет вычислить стартовую массу ракеты (то есть, фактически, первоначальный вес топлива), необходимую для вывода на орбиту груза с заданной массой. Например, для трёхступенчатой ракеты «Союз» используется топливо, состоящее из керосина и кислорода. И масса этого топлива примерно в 10 раз больше массы выводимого на орбиту груза! Для сравнения: у обычного легкового автомобиля всё наоборот — масса полного топливного бака примерно в 24–25 раз меньше массы автомобиля. Труды Циолковского сыграли большую роль в освоении космоса. В знак уважения и признательности в городе Калуге, где учёный жил и работал последние сорок лет своей жизни, был основан первый в мире музей истории космонавтики имени Циолковского. Непосредственное участие в создании музея приняли знаменитый конструктор Сергей Королёв и первый космонавт Юрий Гагарин.

• Сэр Исаак Ньютон (1643– 1727) в XVIII веке описал движение тел с постоянной массой, вывел три космические скорости, заложив основание для освоения космоса.
• Иван Мещерский (1859– 1935) в 1897 году российский математик вывел уравнение, которое описывает движение тела с переменной массой.
• Константин Циолковский (1857–1935) в начале XX столетия вывел формулу стартовой массы ракеты, необходимой для вывода на орбиту груза с заданной массой.

Ракеты мирные и не очень Конечно, технический прогресс в ракетостроении не обошёлся без помощи военных. Ещё в древнем Китае, где когда-то изобрели порох, да и ракеты тоже, были попытки применить их как оружие. Но по-настоящему серьёзной угрозой ракеты стали во время Второй мировой войны. Это были знаменитые «Катюши» (небольшие ракеты с дальностью полёта около 6 км) и не менее знаменитые немецкие «Фау-2». Причём дальность полёта немецких ракет была больше 300 км: с их помощью германские войска обстреливали Лондон. Ракеты тогда были хоть и довольно мощным оружием, но всё же не решающим. А после войны появилось атомные бомбы, и наилучшим средством их доставки к цели были признаны, опять же, ракеты. Вот тогда и началась «ракетная гонка» между странами — соревнование в создании ракет большей дальности, грузоподъёмности и надёжности. Нужно было решать задачи с составом топлива, материалов и многие другие. Среди них была и задача устойчивого движения ракеты.

Что придумал Королёв

Пробовал ли ты катить тележку по песку или рыхлому грунту? Тогда ты наверняка знаешь, что толкать тележку впереди себя гораздо труднее, чем тащить за собой. А ведь сила-то твоя при этом одинакова! Дело в том, что при толкании тележки впереди себя она постоянно норовит отклониться куда-нибудь в сторону, и нужно всё время выправлять её движение в нужном тебе направлении. Когда же ты тащишь её за собой, то тележка покорно движется куда тебе нужно. Вот и у ракеты двигатель всегда сзади, то есть ракету он точно также толкает впереди себя. 

Как же сделать так, чтобы и ракета не отклонялась от курса? Решение задачи придумал конструктор Сергей Королёв. Вместо одной первой ступени ракеты он решил установить параллельно ещё четыре, по одному двигателю в каждой из них, а у каждого двигателя по четыре сопла. Если продолжить аналогию с тележкой, то получилось, что тележку толкают сразу несколько человек. То есть устойчивость ракеты оказалось гораздо проще обеспечить с несколькими ступенями, а не с одной. Эта гениальная идея, в числе прочих, позволила СССР вырваться вперёд в ракетной гонке с США, и обеспечить баланс сил между странами, обладающими ядерным оружием. И не только для ракет как оружия: конструкция, придуманная Сергеем Королёвым, до сих пор применяется в освоении космоса.

Скорость скорости рознь

Ракеты для полёта в космос не просто большие, они огромные. Самая широко используемая в России космическая ракета «Союз» перед стартом весит больше 300 тонн, максимальная высота — более 50 метров, а диаметр превышает 10 метров. И при таких размерах вес ракеты на 90% состоит из горючего. Такие размеры и масса нужны, чтобы вывести на орбиту Земли груз весом всего 7 тонн (для этого необходимо поднять этот груз выше земной атмосферы и разогнать до скорости почти 8 километров в секунду). Такая скорость — 7,9 км/сек — называется первой космической.

Если корабль или спутник движется вдоль поверхности Земли с первой космической скоростью — он никогда не упадёт на неё, а будет только вращаться вокруг по круговой орбите. Если скорость корабля будет выше первой космической скорости, то его орбита будет вытянутой (в виде эллипса), и чем больше скорость, тем более вытянутой будет орбита. Так будет в том случае, если скорость корабля будет меньше второй космической скорости. При достижении второй космической скорости — 11,2 км/ сек — корабль улетит от Земли в межпланетное пространство и станет спутником Солнца. Такая скорость нужна, чтобы отправить корабль к другим планетам Солнечной системы.

Все аппараты, запущенные для исследования Марса, Венеры, комет и астероидов, покидали Землю именно с такой скоростью. А вот при достижении аппаратом третьей космической скорости — 16,6 км/сек — он покинет пределы Солнечной системы и улетит в межзвёздное пространство. Такую скорость придавали космическим аппаратам, отправленным для изучения далёких от Солнца планет: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Подобные экспедиции очень дорогие и редкие: аппараты летели к далёким планетам несколько лет, и всё это время должны были находиться в исправном состоянии, имея устойчивую связь с Землёй. Эти космические скорости известны давно — ещё со времен Ньютона (XVIII век). Но практически применяться стали только при освоении космоса.

Неподвижные спутники

Подавляющее большинство космических аппаратов вращается около Земли. Но есть среди них такие, которые с нашей планеты кажутся неподвижными. И всё же они вращаются вокруг Земли. Как это возможно? Всё дело во вращении планеты вокруг своей оси. Если запустить спутник на орбиту на высоту примерно 36 тысяч км, и с направлением вращения в ту же сторону, что и Земля, то полный оборот вокруг неё такой спутник делает за сутки, то есть вращаться будет с такой же угловой скоростью, как и Земля. Поэтому спутник будет казаться висящим над нами неподвижно. Такие спутники и их орбиты называются геостационарными. Тебе, конечно, приходилось видеть спутниковые антенны на стенах и крышах домов, так вот, чаши этих антенн «смотрят» как раз на такие спутники, которые как бы неподвижно висят в космосе. Эти спутники используются не только для передачи телепрограмм, но и для связи. А ещё для навигаторов в автомобилях, самолётах и на кораблях. С октября 1957 года, когда был запущен в космос первый искусственный спутник Земли, прошло меньше шестидесяти лет, а космические аппараты уже прочно вошли в нашу повседневную жизнь. То ли ещё будет!