Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

В центрифуге стиральной машины корпус барабана толкает белье внутрь, не позволяя ему разлететься в стороны. На велодроме тянущая сила, направленная внутрь и не дающая велогонщику вылететь за пределы велотрека, обеспечивается за счет высокой крутизны велотрека. А в случае спутника, возвестившего своими скромными сигналами «бип… бип… бип…» о прорыве человечества в космос, аналогичную функцию выполняла гравитация. Для всего, что вращается, требуется сила, которая все время тянула или толкала бы вращающийся объект в направлении центра вращения. Если бы такая сила внезапно исчезла, то белье в центрифуге стиральной машины и спутник на околоземной орбите начали бы двигаться по прямой линии.

Таким образом, гравитация продолжает играть важную роль даже на высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли. Но, безусловно, самым волнующим событием для человека, оказавшегося в космосе, стала невесомость. Вспомним астронавтов, которые, пребывая в условиях практически нулевой гравитации, отчаянно пытаются не пролить ни капли жидкости, иначе она будет сутками плавать в воздухе. Сейчас на околоземной орбите постоянно находится Международная космическая станция (МКС). Астронавты, пребывающие на ее борту, с гордостью говорят, что выполняют важные задания, но я отнюдь им не завидую. Подумать только: человеку, отправляющемуся на полгода работать на МКС, предстоит в течение шести месяцев падать на Землю! Да-да, они не летят – а все время падают. Подобно спутнику, все время падающему на Землю, астронавты, работающие на борту МКС, пребывают в состоянии непрерывного падения.

Находясь в состоянии свободного падения, вы не можете чувствовать силу тяжести ввиду отсутствия силы, которая толкала бы вас в обратную сторону. Поскольку астронавты не могут испытывать на себе действие какой-либо силы, которая толкала бы их в обратную сторону, они не могут утверждать, что на них действует сила тяжести. Это подобно моменту начала движения лифта, опускающегося вниз: вы ощущаете кратковременное снижение своего веса. Все дело в том, что пол не толкает вас в противоположную сторону с такой же силой, как до этого. Если бы лифт перешел в состояние свободного падения (допустим, у лифта очень глубокая шахта), то вы ощутили бы невесомость. На орбите невозможно избежать гравитации – она просто не ощущается. Но при этом все равно присутствует: ее тянущая сила, направленная к Земле, позволяет вам вращаться вокруг нашей планеты.

Вращение полезно во многих отношениях, но иногда становится досадной помехой. Например, почему бутерброд падает маслом вниз? Вы только что вынули из тостера поджаренный кусочек хлеба и намазали на него слой масла, которое сразу же начало плавиться. В предвкушении удовольствия у вас уже потекли слюнки, но, протянув руку за чашкой чая, вы совершаете неосторожное движение, толкаете локтем тост, и он оказывается на самом краю стола. Остановившись там на какую-то долю секунды и покачнувшись, словно в нерешительности, он в конце концов падает на пол – конечно же, маслом вниз. Подтаявший слой масла, который должен был вызвать у вас массу положительных эмоций, превратился в жирное пятно на полу. И вместо наслаждения поглощением аппетитного тоста вам приходится его убирать, проклиная злой рок, который, как всегда, перевернул ваш бутерброд маслом вниз. Ну почему он переворачивается именно так, а не наоборот?

Все объясняется действием неумолимых законов природы. Разные люди проводили многочисленные эксперименты, в ходе которых безжалостно и целенаправленно сталкивали бутерброды со стола, и в подавляющем большинстве случаев бутерброд падал на пол именно маслом вниз. Конечно, кое-что в этом процессе зависит от начальной фазы его падения, то есть как именно вы сталкиваете его со стола. Но в целом здесь действует неумолимый закон природы, который мы не в силах отменить. Сразу же нужно отметить, что это никак не связано с дополнительным весом масла. Большая его часть уже расплавилась и проникла до середины тоста, но даже если бы масло не расплавилось, в совокупной массе бутерброда его вес составляет лишь незначительную долю.

Прежде всего возникает вопрос: почему бутерброд вообще переворачивается? Это происходит настолько быстро, что заметить момент переворота практически невозможно (с другой стороны, если бы вы внимательно следили за бутербродом, то, наверное, не сбросили бы его со стола, не так ли?). Впрочем, вы можете понаблюдать за этим процессом, если готовы пожертвовать тостом[65] (или хотя бы подставкой под горячее или книжкой подходящих размеров). Итак, положите плашмя тост, который решили принести в жертву, у края стола и столкните его на пол. Обратите внимание: в момент, когда половина тоста пересечет край стола, произойдут две вещи. Во-первых, тост начнет поворачиваться вокруг края стола, который в данном случае играет роль оси вращения. Во-вторых, тост начнет самостоятельно, без внешнего воздействия, соскальзывать за край стола. Соскальзывание, переворот, шлепок на пол.

Итак, вращение начинается, как только большая часть тоста пересечет край стола, поскольку именно в этот момент стол начинает поддерживать меньшую часть тоста. Сила тяжести тянет вниз весь тост. Стол толкает его вверх, но воздух не оказывает практически никакого сопротивления. В момент, когда на краю стола оказывается ровно половина тоста, силы тяжести, которая действует на его свисающую половину, едва хватает на то, чтобы приподнимать ту половину тоста, которая все еще находится на столе. У физиков эту точку, соответствующую половине тоста, принято называть «центром массы». В случае детских качелей она соответствует положению идеального равновесия, когда доска качелей пребывает в строго горизонтальном положении без какого-либо внешнего воздействия.

В момент, когда вы осознали, что тост падает, уже поздно что-либо предпринимать. Как только тост соскользнул с края стола, его падение займет фиксированное количество времени. Если высота стола примерно 75 сантиметров, то на падение уйдет меньше, чем полсекунды. Но как только началось вращение, нет никаких причин для его остановки и в процессе падения тост продолжает вращаться[66]. Поскольку сила земного притяжения всегда одна и та же, а высота всех столов примерно одинакова, тост всегда имеет одинаковую скорость вращения. За 0,4 секунды он повернется на 180 градусов. Так как падение тоста началось с момента, когда масло было вверху, закончится оно в момент, когда масло окажется внизу. Каждый раз физика падения тоста остается в основном одной и той же: тост всегда падает маслом на пол.