Михаил Ивановский - Рождение миров

Если же нужно какой-либо предмет заставить вращаться вокруг оси, дело несколько усложняется. Вращение и движение по окружности — явления более сложные, чем обычное поступательное движение.

Опыт убеждает нас, что камень, привязанный к длинной веревке, раскрутить труднее, чем точно такой же камень на короткой веревке. И это понятно: чтобы разогнать камень по большей окружности, требуется соответственно большее усилие.

Значит, заставляя какой-либо предмет вращаться вокруг оси или двигаться по окружности, приходится считаться не только с массой этого предмета и не только с той скоростью, какую мы хотим этому предмету сообщить, но и с расстоянием, которое отделяет предмет от оси вращения. Если тело ближе к оси вращения, раскрутить его легче, если дальше — труднее.

Это подтверждается примерами из повседневной практики. Широкий и плоский волчок вертится лучше, чем шарообразный. Маховые колеса машин всегда делают большого диаметра и с массивным ободом, то есть так, чтобы основная масса маховика располагалась как можно дальше от оси вращения.

Следовательно, понятие — количество движения, применимое для случая прямолинейного движения, не подходит для вращающегося тела, — приходится принимать во внимание радиус тела или радиус той окружности, по которой это тело движется. Для этого в механике введено понятие — момент количества движения.

Момент количества движения тела, обращающегося по какой-либо окружности — орбите, равен произведению трех величин: массы тела, скорости его движения по орбите и радиуса орбиты. Разумеется, сомножители надо брать в соответственных единицах. Например, вычисляя моменты количества движения планет, можно принять за единицу массы — массу земного шара, за единицу скорости — скорость Земли, а за единицу расстояния — радиус земной орбиты.

Известно, что Юпитер расположен в 5,2 раза дальше от Солнца, чем Земля, его масса в 318 раз больше земной массы, а скорость орбитального движения составляет 0,437 скорости Земли. Перемножим эти числа и получим момент количества движения Юпитера — 722,8. Таким же простым способом можно высчитать моменты количества движения любой другой планеты и всей солнечной системы в целом.

Самой существенной особенностью момента количества движения является его неизменность, никакие внутренние силы — трения, расширения или сжатия, химические реакции и т. п. — не могут ни увеличить, ни уменьшить его. Момент количества движения никогда не исчезает и ни во что не преобразуется. Он только передается от тела к телу, то есть перераспределяется между ними или же переходит «по наследству» от одного тела к другому.

В этом заключается коренное различие между моментом количества движения и кинетической энергией движущегося тела. Кинетическая энергия может преобразовываться в теплоту, в свет, в звуковые колебания, она может переходить в любые другие виды энергии. Например, метеорит врезался в земную атмосферу. Он летит и сжимает впереди себя воздух. От этого и сам метеорит и воздушная «подушка» перед ним раскаляются, полет метеорита замедляется, — кинетическая энергия летящего метеорита расходуется на преодоление сопротивления воздуха, она преобразуется в свет и теплоту. Метеорит полностью сгорает, а его кинетическая энергия рассеивается в окружающем пространстве.

Но, несмотря на гибель метеорита, его момент количества движения не исчезает, его «наследует» Земля. На какую-то ничтожно-малую долю миллиметра уменьшается или увеличивается радиус земной орбиты, замедляется или ускоряется ее движение по орбите, удлиняются или укорачиваются сутки, то есть изменяется момент количества движения Земли.

Знаменитый русский ученый, которою В. И. Ленин называл отцом нашей авиации, академик Н. Е. Жуковский, объясняя студентам закон сохранения момента количества движения, показывал опыт с вертящейся скамейкой. Эта скамейка была похожа на табуретку, какой пользуются вагоновожатые и пианисты, — она могла вращаться на вертикальной оси почти без всякого трения.

На скамейку становился человек с двумя тяжелыми гирями в руках, затем скамейку раскручивали, чтобы она завертелась с определенной скоростью, и просили человека развести руки в стороны. И как только он подымал руки, скорость вращения резко замедлялась, а когда он их опускал, прижимая гири к телу, скорость вращения снова возрастала.

Подняв руки, человек, стоящий на скамейке Жуковского, замедляет скорость своего вращения.

Этот опыт наглядно доказывает закон сохранения момента количества движения. Когда человек разводил руки в стороны, он тем самым увеличивал радиус вращающегося тела, и соответственно этому уменьшалась скорость. Наоборот, опуская руки вниз, он укорачивал радиус вращающегося тела, и скорость вращения возрастала.

Человек, стоящий на вращающейся скамейке может делать что угодно: подымать и опускать гири, приседать, становиться на цыпочки, наклоняться, — он не в силах изменить момент количества своего вращения. Каждое его движение, вызывающее изменение радиуса, будет неизбежно сопровождаться изменением скорости, а момент количества движения, то есть произведение массы на расстояние от оси вращения и на скорость, останется неизменным.

Ученые, исследовавшие распределение момента количества движения в солнечной системе, пришли к весьма странным выводам.

В Солнце сосредоточено 99,87 % всего вещества, имеющегося в солнечной системе. Оно самое массивное тело солнечной системы. Все планеты вместе взятые в 745 раз меньше Солнца. На их долю приходится только 0,13 % общей массы.

Момент количества движения между Солнцем и планетами распределен иначе. Планеты движутся по огромным орбитам. Поперечники орбит исчисляются миллионами и миллиардами километров. Скорости движения планет также велики. Поэтому планеты обладают огромным моментом количества движения — у Юпитера — 722,8, а у Солнца — только 40!

Солнце вращается вокруг оси медленно. Оно делает один оборот примерно в 25 суток. И поэтому, несмотря на огромную массу, Солнце обладает, самое большее, 3,37 % общего момента количества движения. У планет же — все остальное — 96,63 %!

Странное распределение! Почти вся масса у Солнца, почти весь момент у планет.

Согласно гипотезе Лапласа первобытное Солнце, отслаивая кольца, само при этом вращалось все быстрей и быстрей, так как его радиус сокращался. Казалось бы, что Солнце должно было унаследовать от породившей его туманности огромный момент количества движения. Но в действительности же момент количества движения Солнца почему-то очень мал. В чем кроется причина этого явления, — ни гипотеза Лапласа, ни разнообразные дополнения к ней не могли объяснить.