Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Такие успокоительные цистерны в начале прошлого века устанавливались в основном на немецких судах. Хотя при регулярном волнении на море они хорошо справлялись со своей задачей, при хаотическом волновом движении зачастую были бесполезны, а в некоторых случаях даже усиливали качку.

Новые грунтовые дороги изначально, как правило, ровные, но довольно скоро колеса автомобилей образуют на них поперечный рельеф в виде гребней и впадин, отстоящих друг от друга на расстоянии от 0,5 до 1 м. Этот повторяющийся рисунок, в отличие от случайных выбоин, не объясняется эрозией, вызванной погодными условиями. Такие же рельефы можно увидеть и на горнолыжных трассах. Какова же причина образования такого рельефа? Почему рельеф не исчезает, а дорога снова не выравнивается, когда колеса автомобилей надавливают на гребни?

ОТВЕТ •Рельеф появляется, как только на гладкой поначалу поверхности дороги возникает неровность. Когда колеса на большой скорости наезжают на нее, они подскакивают, а приземляясь, слегка проминают поверхность. Даже если колесо и не отрывается от поверхности дороги, при попытке подскочить его давление на дорогу на мгновение уменьшается, а затем колесо «отрабатывает» и еще сильнее вдавливается в дорогу. В тот момент, когда колеса сильнее давят на дорогу, они проделывают в поверхности ухаб, из которого должны выбраться наверх, то есть опять подскочить. Когда следующие машины поедут по этой дороге, рельеф станет еще более выраженным и распространится по дороге дальше.

Мы видим только одну сторону Луны, причем эта картинка слегка видоизменяется. Но раз Луна вращается вокруг Земли, разве мы не должны видеть всю ее поверхность?

ОТВЕТ •Сила притяжения Земли меняется с изменением расстояния от нее. Это означает, что притяжение на противоположной стороне Луны слабее, чем на стороне, обращенной к Земле. Эта разница вызывает небольшие выпуклости на поверхности Луны из-за приливного эффекта (одну на дальней стороне, другую на ближней), так что Луна — не идеальная сфера. С помощью этих выпуклостей поле тяготения Земли синхронизирует вращение Луны вокруг собственной оси с ее вращением вокруг Земли. При вращении Луны вышеупомянутые выпуклости «бегут» по ее поверхности, в результате часть механической энергии ее вращения превращается в тепло, а вращение замедляется. Поэтому Луна всегда показывает нам только свое лицо (иногда чуть меняющееся). Многие естественные спутники в Солнечной системе также поворачиваются к планете, вокруг которой вращаются, лишь одной своей стороной.

Когда в определенном районе Земли нужно постоянно контролировать происходящее, этот район фотографируется с искусственных спутников. Они запускаются с таким расчетом, что, когда один спутник перестает видеть нужный район, следующий как раз начинает его видеть. Аналогичный способ применяется для космической связи. Не проще ли «повесить» над интересующим нас местом один спутник, чтобы он вращался по орбите с той же скоростью, с которой вращается вокруг земной оси данное место? Эта стратегия на первый взгляд кажется предпочтительнее, но для большинства районов Земли она неосуществима. Почему нельзя «повесить» спутник над большинством мест на Земле и где это как раз можно сделать?

ОТВЕТ •Вращающийся вокруг Земли спутник удерживается на орбите благодаря силе притяжения Земли. Эта сила направлена всегда на центр Земли, и, соответственно, спутник всегда будет вращаться вокруг этого центра. И из-за этого спутник не может висеть, скажем, над Нью-Йорком, поскольку тогда он должен был бы вращаться не вокруг центра Земли, а в плоскости, параллельной экваториальной, но расположенной в Северном полушарии. Однако если спутник вращается по геостационарной орбите (на которой его угловая скорость совпадает с угловой скоростью вращения Земли вокруг своей оси, причем эта орбита находится в экваториальной плоскости), он висит над какой-либо точкой экватора. Для этого спутник должен находиться на определенной высоте (36 000 км). Такой спутник называется геостационарным спутником. Орбиты других искусственных спутников наклонены к экваториальной плоскости, и фотографировать эти спутники будут те точки земной поверхности, которые окажутся под ними в данный момент времени.

Большинство спутников вращается вокруг Земли по орбитам, находящимся там, где сопротивление воздуха хоть и мало, но все же существует. И оно должно замедлять движение спутника так же, как сопротивление воздуха (вместе с трением о дорогу) постепенно останавливает катящуюся по инерции машину! Однако в случае со спутником все наоборот — сопротивление лишь ускоряет его движение. Как же тормозящая сила может ускорять спутник и тем самым увеличивать его кинетическую энергию?

ОТВЕТ •Сопротивление воздуха уменьшает полную энергию спутника, которая состоит из его потенциальной и кинетической энергии, так что спутник постепенно переходит на все более низкие орбиты. При этом потенциальная энергия спутника уменьшается, но только половина этой энергии переходит в тепловую, выделяемую при трении о воздух. Вторая половина переходит в кинетическую энергию, и, так как новая орбита имеет меньший радиус, скорость спутника обязательно возрастет. Если задуматься, результат не такой уж неожиданный — ведь при падении предметов на Землю их скорость возрастает.

Когда космический корабль должен облететь Луну (и вернуться на Землю), почему его запускают не по эллиптической траектории, а по траектории, имеющей форму неправильной восьмерки?

ОТВЕТ •Для полета «по восьмерке» требуется меньше энергии, поскольку б о льшую часть пути корабль остается близ линии, соединяющей центры Земли и Луны. Вдоль этой линии притяжения Земли и Луны направлены в противоположные стороны и суммарная сила, воздействующая на корабль, меньше, чем на эллиптической орбите. Поэтому для преодоления этой результирующей силы требуется меньше энергии.

Луна вращается вокруг Земли, значит, к Земле она притягивается сильнее, чем к Солнцу, верно? На самом деле нет: Солнце притягивает ее вдвое сильнее, чем Земля. Так почему же мы до сих пор не лишились Луны?

ОТВЕТ •Притяжение со стороны Солнца в действительности определяет движение Луны — она вместе с Землей вращается вокруг Солнца. Притяжение Земли создает лишь «небольшое» возмущение, которое приводит к появлению петель на лунной траектории — вращению вокруг Земли. Про движение Луны правильнее будет сказать: «Луна вращается вокруг Земли, и вместе с ней — вокруг Солнца».