Ускорение свободного падения и прочих процессов проникновения (внедрения) в пространство
1) Предположим, я хочу сдвинуть с места тяжёлый автомобиль или автобус и толкаю его изо всех своих сил, но он не сдвигается с места. Это означает, что приложенной мною силе в этой же точке, то есть на каком-то минимальном расстоянии соответствует такая же по значению противодействующая сила. Надо понимать, что она приложена именно на таком же расстоянии, как и приложенная мной сила.
2) Предположим теперь, что я с силой толкнул большой каменный шар, он сдвинулся (прокатился) всего на полметра и остановился. Я делаю шаг и снова, упираясь, толкаю его с такой же силой, и он снова прокатывается на полметра и останавливается. Это означает, что в каждой точке моего воздействия приложенной мною силе противодействовала сила, которая по значению была меньше моей во столько раз, во сколько полметра больше расстояния, на котором приложена моя сила.
Сила, мною приложенная, рассчитывается по второму закону Ньютона как произведение массы каменного шара и ускорения на расстоянии приложения моей силы, после которого полметра шар движется по инерции в этом же направлении. А сила противодействия складывается из силы трения о поверхность (например, о траву или об асфальт) и силы сопротивления воздуха, из которых последней можно пренебречь, в виду её очевидной мизерности при низких скоростях смещения тел. Так что сила трения, приложенная к шару противоположно моему воздействию, заставляет шар, движущийся по инерции, остановиться через полметра. С учётом того, что масса шара за время толчка и остановки никак не изменяется, можно сказать, что торможение шара (отрицательное ускорение), вызванное силой трения, меньше по модулю, чем ускорение шара, вызванное моим толчком, во столько же раз, во сколько расстояние торможения длиннее расстояния ускорения при моём толчке. Доказать это легко: кинетическая энергия, которую шар получил от меня, полностью потрачена на расстояние торможения вплоть до остановки шара, то есть энергия полученная (произведение силы толчка на расстояние воздействия) равна энергии затраченной (произведение силы трения на расстояние торможения).
3) Допустим, я иду и толкаю впереди себя четырёхколёсную тележку или коляску. В результате тележка движется прямолинейно и практически равномерно с определенной средней скоростью. Каждый мой шаг являет собой воздействие на тележку, на каждом шагу я прикладываю к тележке одинаковую по модулю силу, каждый раз тележка совершает одинаковое небольшое ускорение и одинаково тормозится трением и встречным воздухом до определённой минимальной скорости, с которой на следующем шаге я вновь заставляю её слегка ускоряться до максимальной скорости. Половина суммы максимальной и минимальной скоростей даёт, в итоге, среднюю скорость перемещения тележки по дороге.
Здесь ситуация с противоположными силами, с ускорением и торможением такая же, как и в предыдущем рассмотренном пункте, за исключением того, что тележка продолжает движение постоянно и не останавливается после толчка в каждом моём шаге. Таким образом, физическое тело (тележка), на которое периодически с постоянной частотой оказывается воздействие, перемещается прямолинейно с постоянной средней скоростью, за счёт соблюдения третьего закона Ньютона на каждом участке своего перемещения. Но есть нюанс: если в данном законе речь идёт о воздействиях двух тел друг на друга, то во всех описываемых тут ситуациях рассматриваются равные противоположные воздействия на одно тело со стороны других тел, то есть речь идёт о моём воздействии на тело (тележку, шар, автобус) и одновременном воздействии среды на него же.
Кроме того, если мы вместо тележки или коляски рассмотрим автомобиль, который движется с большой средней скоростью, и который толкаю уже не я, а его двигатель через коленвал и систему передач, то легко можем убедиться, что есть определённая зависимость между средней скоростью перемещения и отрицательным ускорением (торможением) при движении автомобиля по инерции, если двигатель выключить в процессе движения, не нажимая на тормоз. А именно: чем больше средняя скорость, тем меньше численное значение торможения, вызванного воздействием среды (трением и воздухом), то есть автомобиль при большой скорости проходит по инерции большее расстояние с заглушенным двигателем, чем при меньшей скорости.
4) Допустим, я подкидываю вертикально вверх камень. Он получает ускорение на расстоянии замаха моей руки, далее летит вверх по инерции, тормозясь силой тяжести, останавливается и под своим весом падает на землю. Такая ситуация в первой своей половине (до падения) подобна ситуации, рассмотренной в пункте 2. Вместо толчка и смещения шара тут замах руки (моё воздействие) и полёт вверх до остановки, а вместо силы трения тут сила тяжести. Так что можно повторить сказанное в п.2: приложенной мной силе в каждой точке моего воздействия противодействует сила тяжести, которая по значению меньше моей силы броска во столько раз, во сколько полёт камня вверх больше расстояния, на котором произошёл замах моей руки.
Вторую половину ситуации, то есть свободное падение камня следует рассматривать в таком же ключе, только воздействую на камень уже не я, а воздействует планета Земля. Так как планета непрерывно поворачивается вокруг своей оси, она совершает воздействия на камень периодически с постоянной частотой, соответствующей определённому углу поворота вокруг оси (у каждой планеты есть свой минимальный угол поворота, об этом были другие статьи, "Константы Солнечной системы" и др.). После каждого воздействия, то есть толчка сверху вниз, камень летит по инерции вниз, испытывая лишь мизерное встречное сопротивление воздуха, тут же воспринимает следующее воздействие, снова летит по инерции и т.д. Таким образом, если не учитывать воздух, камень в движении не тормозится трением среды, а лишь периодически ускоряется и снова ускоряется до тех пор, пока не остановится на земной поверхности, так что участком его ускорения можно считать всё расстояние полёта сверху вниз.
5) Предположим, я взял камень и поднял его по лестнице на крышу высокого дома. С этой крыши я могу скинуть камень вниз, и он полетит с постоянным ускорением, как было описано в предыдущем пункте. А вот подъём камня вверх я могу описать подобно ситуации в пункте 3, только вместо силы трения равномерное движение камня вверх на каждом моём шаге (на каждой ступеньке лестницы) будет тормозиться силой тяжести, то есть весом камня.
Кроме того, надо учитывать, что движение тележки в п.3 происходит по горизонтальной поверхности земной сферы, то есть на постоянном расстоянии от центра Земли, поэтому энергия, затраченная мною на перемещение тележки на любое расстояние с преодолением поверхностного трения, является полностью невозобновляемой. В отличие от этого, движение камня вверх по лестнице на крышу происходит с увеличением расстояния от центра Земли, поэтому энергия, затраченная на перемещение (подъём) камня, включает в себя возобновляемую часть (потенциальную энергию), так как в процессе подъёма и после него камень способен падать вниз, при появлении возможности в виде отсутствия препятствий, даже без моего воздействия.
Какой общий вывод можно сделать из пяти рассмотренных ситуаций?
Кроме смещения по инерции в отсутствие воздействий (1 закон Ньютона) и смещения с ускорением под воздействием в одной точке (2 закон Ньютона), физическое тело под "постоянным воздействием", то есть в
результате частых периодических воздействий на тело с постоянной частотой с одной стороны и встречных (с другой стороны) воздействий среды с той же периодичностью, способно перемещаться прямолинейно равномерно с практически постоянной средней скоростью или, в случае практического отсутствия встречных воздействий среды, тело способно перемещаться прямолинейно с постоянным ускорением. При таких способах перемещения сила "постоянного воздействия" обеспечивает телу "периодически постоянное" ускорение, которое можно вычислить, измеряя среднюю скорость равномерного движения тела, которая, в свою очередь, зависит от плотности окружающей среды, а точнее, обратно пропорциональна плотности веществ одномерного, двухмерного и трёхмерного полей пространства, участвующих в противодействии движению тела.