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

Интересно отметить, что в ситуации с падением тоста вы в действительности можете сделать только одно для изменения конечного результата падения[67], но здесь достаточно высок риск неожиданных последствий. Поняв, что нечаянно толкнули тост и он покачнулся на краю стола, вы, согласно законам физики, должны для исправления ситуации придать ему значительную боковую скорость, то есть толкнуть его еще сильнее. После этого, если ваше движение окажется достаточно резким, тост может перелететь через всю комнату, но поскольку в его распоряжении окажется меньше времени на совершение переворота через край стола, скорость его вращения будет гораздо меньше и в процессе падения ему может не хватить времени на переворот на 180 градусов. В результате у вас появляется шанс, что тост не упадет маслом на пол. Правда, без гарантии, что он не упадет на диван или не угодит в вашу собаку.

Тост начинает вращаться, потому что соблюдаются два условия, необходимые для возникновения вращения: во-первых, наличие оси, вокруг которой оно будет совершаться, и, во-вторых, наличие силы, которая заставит тост совершить поворот вокруг оси вращения. Неважно, что эта сила направлена строго вниз и не заставляет тост продолжать движение по окружности. Важно лишь то, что ее вполне достаточно, чтобы придать тосту движение (а становится достаточно после того, как центр массы тоста сместится с края стола и повиснет в воздухе), и что она вынуждает тост совершить поворот вокруг оси вращения хотя бы на небольшой угол. Как только будет инициирован процесс вращения, он продолжится до тех пор, пока что-нибудь его не остановит.

Этот принцип лежит в основе вращения яиц, о котором рассказывалось во введении. Если вы поразмышляете о тех или иных свободно вращающихся объектах – «летающих тарелках», подброшенных вверх монетках, мячах для игры в регби, волчках, – то обратите внимание, что они продолжают вращение как бы сами по себе. Было бы очень странно, если бы подброшенная вверх монетка, находясь в воздухе, внезапно прекратила вращаться еще до того, как опустится вам в ладонь[68]. Все, что вращается, обладает моментом импульса, который является показателем количества вращения соответствующего объекта. Если действие какого-либо фактора (например, трения или сопротивления воздуха) не замедляет вращения, то объект будет вращаться бесконечно долго. Это свойство называется законом сохранения момента импульса. Вращающийся объект будет продолжать вращение, если какое-либо внешнее воздействие его не остановит.

Я совершенно уверена, что в детстве воспринимала головокружение как своего рода игрушку, которая всегда со мной и которую никто не может у меня отнять. Если вам было скучно, вы всегда могли вертеться на месте волчком и наблюдать, кто продержится дольше других, а кто свалится на пол. Мы покатывались со смеху, глядя, как кто-нибудь из нашей компании, совершив столько-то оборотов вокруг собственной оси и остановившись, валился на пол от головокружения. Похоже, что само по себе вращение не создавало проблем. Кратковременная и забавная дезориентация в пространстве наступает, когда вы его прекращаете. Жаль, что взрослые не играют в эту игру: мы могли бы лучше понять себя, если бы вели себя, как в детстве. Ощущение дезориентации в пространстве наступает из-за чего-то происходящего в ваших ушах, что вы не можете видеть, но ваш мозг, несомненно, знает.

Давайте вернемся к вращению сырых и вареных яиц, о котором я рассказывала во введении. Каждое яйцо, еще не очищенное от скорлупы, кладется на бок и раскручивается. Предоставив яйцам возможность вращаться в течение двух-трех секунд, вы быстро касаетесь каждого из них, чтобы остановить вращение. Оба яйца останавливаются. Вы убираете пальцы. После этого одно из яиц возобновляет вращение. Яйцо, будучи твердым предметом, должно остановиться полностью, когда вы останавливаете вращение оболочки. И яйцо, и его оболочка должны вращаться вместе. Но, останавливая сырое яйцо, вы останавливаете только его оболочку. Жидкость внутри нее продолжает вращаться; она не скреплена прочно с оболочкой и поэтому у нее нет причин останавливаться. Таким образом, жидкость толкает оболочку до тех пор, пока та не возобновит вращение.

Когда вы вращаетесь вокруг собственной оси, большая часть вашего тела, к счастью, ведет себя подобно яйцу, сваренному вкрутую: вращается как единое целое. Поэтому, когда вы перестаете вращаться, ваш мозг, и нос, и уши также перестают. Однако это не относится к внутреннему уху. Внутри каждого уха есть небольшие каналы в виде полуокружий, наполненные жидкостью, и именно поэтому они ведут себя подобно сырому яйцу. Жидкость не вращается вместе со своей оболочкой, поскольку к ней не прикреплена. Такое устройство уха наряду с другими механизмами, заложенными в ваш организм, позволяет вашему телу ориентироваться в пространстве: крошечные волоски отслеживают перемещения этой жидкости, а ваш мозг согласует эту информацию с тем, что вы видите. Когда вы поворачиваете голову, жидкость в криволинейном канале не успевает повернуться с той же скоростью; она движется по своим каналам, не поспевая за поворотом вашей головы. Но если вы вращаетесь вокруг собственной оси достаточно долго, эта жидкость также начинает вращаться. Требуется всего две-три секунды, чтобы скорость ее вращения сравнялась со скоростью вращения вашего тела, после чего жидкость в ваших ушах продолжает устойчиво вращаться вместе с каналами, синхронно с движением своего «контейнера». Когда вы внезапно прекращаете вращение, жидкость не останавливается. Подобно сырому яйцу, «контейнер» остановился, но жидкость продолжает вращаться. Таким образом, ваше внутренне ухо сообщает мозгу о том, что вы вращаетесь, а ваши глаза говорят ему, что вы остановились. Именно в момент, пока ваш мозг разбирается, что же происходит на самом деле, вы ощущаете головокружение. Со временем жидкость в вашем внутреннем ухе прекращает вращаться (потому что остановился ее «контейнер») и головокружение проходит.

Это одна из причин, почему балерины, которые крутят фуэте (то есть быстро-быстро вращаются на одном месте), стараются как можно дольше смотреть в одном направлении, а затем, когда тело повернется на достаточно большой угол, очень быстро поворачивают голову вслед за телом (опережая скорость его вращения), чтобы вернуть ее в исходное положение. При столь быстром движении по принципу «старт-стоп» жидкость во внутреннем ухе не успевает синхронизировать свое движение с ритмичным вращением тела, в результате чего балерина, остановившись, не испытывает головокружения.

В сохранении вращательного момента существуют два аспекта. Во-первых, невращающемуся объекту требуется некий начальный толчок, приводящий его во вращение. Объект не может начать вращаться сам по себе. Во-вторых, вращающийся объект будет продолжать вращаться до тех пор, пока на него не подействует внешняя сила, которая остановит вращение. В повседневной жизни роль такой внешней силы играет трение. В результате его действия волчок в конце концов перестает вращаться, а вращающаяся монетка настолько замедляет вращение, что в конце концов переворачивается и падает плашмя. Но в ситуациях, когда сила трения отсутствует, вращение длится бесконечно долго. Именно этим обусловлена смена времен года на Земле.