Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

При этом воздействие Солнца на приливы нельзя считать незначительным. Когда три небесных тела выстраиваются в ряд, что происходит чуть чаще раза в месяц (илл. 5), действие Луны усиливает действие Солнца – и приливы особенно сильны. Эти квадратурные приливы приходятся на полнолуние или новолуние. А в первой или в последней лунной четверти происходят слабые сизигийные приливы (илл. 6). С другой стороны, приливы особенно сильны в дни равноденствия, когда Солнце оказывается в одной плоскости с земным экватором.

Гениальная и простая, теория приливов Ньютона все же неспособна правильно предсказать их амплитуду. Их высота (разница уровня воды между приливом и отливом), согласно теории создателя классической механики, должна составлять всего несколько десятков сантиметров. В действительности же высота прилива на океанском побережье обычно достигает десятка метров. Кроме того, она значительно варьирует в зависимости от места, что нельзя объяснить теми аргументами, которые мы приводили ранее. Дело оказывается в том, что Ньютон предполагал поверхность океана всегда пребывающей практически в равновесии и смиренно повинующейся действующим на нее силам. Почти веком позже французский математик и физик Пьер-Симон Лаплас (1749–1827) показал, что правильная теория должна быть динамической. Выяснилось, что важную роль в этом процессе играет явление резонанса: высота прилива в данный момент времени и в данной точке зависит от силы приливов в предыдущие дни и, в свою очередь, оказывает влияние на амплитуду следующих приливов. Сила Кориолиса также играет роль, отклоняя движение водных массивов, поэтому изменение уровня воды во время прилива на берегах Ла-Манша достигает десятка метров с французской стороны, но практически на четыре метра меньше на английских берегах!

Приливы несут ценную энергию, которую было бы заманчиво получить. Для этого были изобретены приливные электростанции (см. илл.), которые для производства электроэнергии используют приливные течения или связанные с ними перепады высоты воды. Однако действительно ли энергия приливов неисчерпаема, как солнечная или ветровая? Как мы уже упоминали, потери энергии во время приливов приводят к замедлению вращения Земли. Так что использование энергии приливов, вполне вероятно, может усилить это замедление…

Давайте сначала оценим энергию, которую человек может максимально извлечь из каждого прилива. Дадим очень грубую оценку, предполагая, что прилив ежедневно поднимает на высоту h = 1 м площадь воды, равную R З 2. Получается энергия порядка g ρ R з 2 h 2, где ρ – плотность воды, то есть около 10 18Дж в день. Это значение огромно и близко ко всему мировому потреблению энергии, которое в 2008 году составило около 5 ∙ 10 20Дж. Теперь давайте сравним его с кинетической энергией вращения Земли. Она определяется формулой для энергии вращающегося шара: (1/5) M з R з 2ω 2. Подставляя в нее массу Земли M з = 6 ∙ 10 24кг, ее радиус R З = 6,37 ∙ 10 6м и угловую скорость ω – один поворот в день, то есть около 7 ∙ 10 –5радианов в секунду, находим, что кинетическая энергия вращения Земли составляет примерно 2,4 ∙ 10 29Дж. Разделив этот результат на 5 ∙ 10 20Дж, мы увидим, что, даже если человечество научилось бы полностью извлекать всю энергию приливов (что технически кажется неосуществимым), Земля продолжит вращаться еще на протяжении полумиллиарда лет.

В Рансе, на севере Бретани, приливная электростанция успешно работает с 1967 года. Плотина (которая также служит мостом) работает при движении воды в обоих направлениях: турбины действуют во время как прилива, так и отлива. Таким образом предприятие использует вызванное приливом изменение уровня воды для выработки электроэнергии

Высота приливов определяется не только расположением Луны и Солнца по отношению к Земле, но и очертаниями берегов и подводным рельефом. Вычисления крайне сложны, и проделать их не представляется возможным. К счастью, предсказать свойства приливов с очень большой точностью можно, принимая уровень моря в данной точке за сумму синусоидальных функций времени Σ a i sin(ω i t − α i ). В такой сумме достаточно учесть десяток слагаемых. Частоты ω i хорошо известны, а коэффициенты ω i , так же как фазовые сдвиги α i , в каждой точке берега определяются экспериментально.

Наблюдения показывают, что приливы по отношению к видимому движению Луны задерживаются примерно на 12 минут. Моделируя Землю и ее водные массивы в виде удлиненного эллипсоида, находим, что его бо́льшая ось направлена не точно на Луну, а составляет с направлением Земля – Луна угол φ порядка 3° (илл. 7). Действительно, вода из-за торможения ее движения трением о дно океанов и о берега не успевает в каждый момент времени занять самое энергетически выгодное положение. Это трение приводит к превращению части кинетической энергии вращения Земли в тепло. То есть приливы тормозят вращение Земли! Следовательно, увеличивается и протяженность дня. Об этом первым догадался в XIX веке английский физик лорд Кельвин. В дальнейшем скорость этого замедления удалось оценить с высокой точностью: исследователи изучили найденные в Индийском океане окаменевшие кораллы и нашли в них кольцевые образования, отражающие чередование дня и ночи. Возраст кораллов был оценен в 400 млн лет. Подсчитав эти кольца, ученые установили, что календарный год, то есть время, которое Земля затрачивала на полный оборот вокруг Солнца, составлял в ту эпоху 395 дней. То есть день длился всего 22 часа!

«Запаздывание» приливов имеет и другие следствия: Земля принимает форму мяча для игры в регби, чья ось все больше отклоняется от оси Земля – Луна. Сила притяжения между Землей и Луной направлена не точно к центру Земли, а имеет небольшую составляющую, перпендикулярную оси Земля – Луна. И эта компонента силы приводит к удалению Луны от Земли на 3,8 см в год… все больше разделяя нас и наших лунных соседей!

Пузыри и капли завораживают детей… и больших детей – ученых. «Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него. Вы могли бы провести всю свою жизнь, изучая его, не переставая извлекать из него уроки физики», – писал упомянутый выше лорд Кельвин. Поэтому мы не сумеем охватить всю эту тему в одной главе. Но мы поймем, почему капли и пузыри принимают сферическую форму, как получить пузыри в форме цилиндра или лошадиного седла… и даже как сделать микрофон с помощью текущего крана!