Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

• Название: Бегство от удивлений
• Автор: Глеб Анфилов
• Издательство: "Детская литература"
• Жанр: Физика
• Год: 1974

Книга рассказывает о рождении и развитии механики как науки, искавшей и ищущей ответы на самые простые и глубокие вопросы об устройстве природы.

---

В фразах, которые вы только что прочитали, изложен знаменитый закон инерции. О нем догадывались многие мыслители — и гениально многогранный Леонардо да Винчи, и Галилей, и французский философ Рене Декарт. Но только великий английский ученый Исаак Ньютон до конца понял его значение, назвал его первым законом механики и поставил в основу этой области физического знания. В конце главы мы к этому закону еще вернемся. А потом и в конце книжки.

Сложение нулей

Надеюсь, вы не в претензии, что я обращаюсь с Землей, как футболист с мячом: захотел и отбросил ее, чтобы «не мешала». Ради удобства рассуждений и наглядности ученые нередко устраивают подобные «мысленные эксперименты». Значит, и нам с вами они не запрещены.

Итак, мы откинули Землю вместе с ее любопытным умением придавать вес всему, что пребывает рядом. Поэтому наше летящее по инерции копье не будет ничего весить: тяжести-то неоткуда взяться, нет того, что заставляло бы наше копье давить на опору. Вес тела вдали от Земли, если верить Кеплеру, равен нулю.

Ну, а если мы теперь вернем Землю и поставим ее где-нибудь подле летящего копья так, чтобы оно попало в зону земного притяжения, — приобретет тогда наше копье вес? Новичка тянет сказать: да, приобретет. А на самом деле — нет.

Как только Земля водворена на место, копье начнет на нее падать — двигаться в направлении ее центра. Кроме того, оно будет продолжать по инерции лететь вперед, ибо появление Земли не сможет отменить первоначальный толчок, в свое время пославший копье по прямому пути. Получается совмещение двух движений. Копье будет сразу и лететь вперед (прямо и с постоянной скоростью) и отвесно падать в направлении к Земле (с ускорением свободного падения).

В первом движении вес копья равен нулю. Во втором движении, которое только и добавилось из-за возвращения Земли, вес копья тоже равен нулю, ибо падающие тела не имеют тяжести. Займемся сложением: нуль плюс нуль равно нулю.

Вывод: несмотря на возвращение Земли, свободно брошенное копье продолжает оставаться невесомым.

Падает вверх

Неожиданное известие: не только прославленные космонавты, но и остальные люди, в том числе читатели этой книжки (как и всех остальных), некоторую часть своей жизни проводят в состоянии невесомости. Удивились? Очень хорошо.

Пусть Земля где-то в стороне. Копье брошено и летит в определенном направлении, например вправо, точно по строке, которую вы сейчас читаете. Берем в руки Землю и помещаем ее перед летящим копьем — так, чтобы центр планеты находился на прямой линии, продолжающей вправо ту же строку.

Что произойдет с копьем?

Направление его движения не изменится. Путь останется таким же прямым, как и без Земли. Только из равномерного полет превратится в ускоренный. Получится нечто вроде обыкновенного отвесного падения, но с большей начальной скоростью, а потому более быстрое, хоть и с прежним ускорением. И, разумеется, копье останется невесомым (ибо, напоминаю, складывая нули, получаем нуль).

Случай второй. Подносим Землю с противоположной стороны — помещаем ее центр слева от копья на прежней линии.

Теперь копье сперва будет лететь, как и раньше, вперед (от Земли), но не равномерно, а замедленно (потому что Земля тянет его назад), потом замедлится настолько, что на мгновение остановится (в этот момент полностью исчезнет скорость, сообщенная копью первоначальным толчком), и тут же двинется назад, к Земле, в обычном отвесном падении.

Опять, по известной вам причине, копье останется невесомым, несмотря на то что некоторое время оно двигалось не к Земле, а от Земли — падало вверх! — и на бесконечно малое мгновение останавливалось, когда меняло направление.

Гагарин или Брумель?

Перекидка планеты вовсе не обязательна. И не трогая ее, можно прийти к тем же заключениям.

Вы стоите на стадионе и бросаете вверх все то же копье, если оно вам еще не надоело. Во время взмаха оно ускоряется, а вылетев из рук, участвует сразу в двух движениях: равномерном, направленном вверх (точно таком же, как если бы не было Земли), и ускоренном, направленном вниз — отвесном падении. Тут тяготение включается не с запозданием (что мы делали раньше из соображений наглядности), а сразу после разгона. Результат же прежний: едва копье вырвалось из ваших рук, оно потеряло вес. Если, конечно, пренебречь сопротивлением воздуха.

Можно закинуть копье не вверх, а куда-нибудь вбок, под углом к вертикали — опять после толчка будет сложение прямолинейного равномерного движения по инерции с отвесным падением. Значит, исчезнет тяжесть. Только на этот раз искривится путь.

Многим кажется странным, что брошенный камень теряет вес тотчас после вылета из руки. Легче согласиться, что он невесом во время движения вниз. Но интуиция подводит. И вверх и вниз брошенное тело летит, не имея ни грамма веса.

Все, что вы подбрасываете — камни, палки, пятаки, мячи, самих себя (когда прыгаете), — после броска пребывает в свободном падении и потому невесомо (разумеется, до тех пор, пока можно не считаться с сопротивлением воздуха). И поскольку прыжки случаются довольно часто в вашей жизни (я уж не говорю о бесконечных падениях, особенно в младенческом возрасте), эту часть жизни вы находитесь в состоянии невесомости.

По той же причине Валерий Брумель, я думаю, был в невесомости больше, чем Юрий Гагарин. Если Брумель ежедневно совершал десять тренировочных прыжков длительностью по полторы секунды каждый (это соответствует двухметровой высоте прыжка), то за десять лет (за вычетом воскресений) он был в невесомости примерно пятнадцать часов. Это почти в десять раз дольше орбитального полета корабля «Восток».

Впрочем, и Гагарин спортсмен. И он прыгал, бегал, упражнялся на батуте. К тому же он старше Брумеля. Так что, возможно, Гагарин и тут первый.

Опровергаем фантастов

Не стоит в сотый раз журить за ошибку Жюля Верна, который в романе «Из пушки на Луну» уверял, что невесомость в снаряде наступит где-то в середине пути между Землей и Луной (когда-де уравновесятся притяжения Земли и Луны). Теперь вину приписывают ученому-консультанту знаменитого фантаста: консультант- то обязан был знать, что на самом деле невесомость должна была наступить тотчас по вылете снаряда из жерла пушки.

Но, видимо, по этому примеру, а также и по собственной инициативе писатели-фантасты сочинили затем массу небылиц про невесомость. Например, «падая на чужую планету, звездолетчики всем своим существом чувствовали ее могучее тяготение». Или «двигатели умолкли, ракета удалялась от Земли, и постепенно все вещи становились легче». Объясните сами, почему это неверно.

Даже теперь, в разгар космической эры, про невесомость то и дело говорят опрометчивые вещи. Многие ваши друзья, читатель, считают, что наши космонавты были невесомы потому, что оказались далеко от Земли. Ручаюсь, что по крайней мере человек шесть из десяти думают в таком роде (сам проверял!). В действительности и космонавты в своих кораблях-спутниках падали.

Ракета-носитель настолько сильно разогнала корабль-спутник, что когда он был отпущен ракетой и перешел в свободное падение, то, сворачиваемый к Земле тяготением, не успевал упасть на нее. Движение корабля по инерции, направленное всегда вперед вдоль касательной к криволинейной орбите, было очень быстрым — около восьми километров в секунду. Вот и кружился корабль вокруг планеты, совершая виток за витком. Падал и не мог упасть!

Алексей Леонов, который выбрался из корабля в космос, тоже падал и не мог упасть. В космосе он даже не отстал от корабля и не опередил его по той же самой причине, по которой маленькая сосулька не отстала в падении от большой и не опередила ее.

Будь скорость космического корабля больше одиннадцати километров в секунду, он, падая, улетел бы прочь от Земли. При шестнадцати километрах в секунду ушел бы даже из Солнечной системы!

Ванна невесомости

Теперь вы можете без всяких хлопот исполнить старый замысел Уэллса — избавить человека от веса. Если под руками нет космической ракеты и корабля-спутника, надо попросить человека подпрыгнуть, только и всего.

Так, правда, он освободится от тяжести ненадолго.

Лучше посадить его в самолет и попросить пилота, чтобы тот забрался повыше, разогнался вверх и резко снизил тягу двигателей — чтобы она преодолевала только сопротивление воздуха. В этом режиме самолет полетит по «баллистической кривой» — сначала поднимется с замедлением, а потом будет ускоренно опускаться. Движение самолета будет таким, как если бы у Земли отсутствовала атмосфера. Произойдет полная имитация свободного падения в безвоздушной среде.

Если самолет высотный и достаточно быстроходный, а летчик опытный, каждый баллистический прыжок продлится довольно долго — минуту, а то и больше.