Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Я отвожу груз так, чтобы угол наклона каната относительно вертикальной оси составлял около 5 градусов, отпускаю его и одновременно включаю таймер. Студенты хором считают колебания, и после десятого качка я останавливаю таймер. Потрясающе – таймер показывает 45,70 секунды, в десять раз больше моей оценки времени одного колебания. Студенты в восторге аплодируют.

Тогда я увеличиваю амплитуду до 10 градусов, отпускаю груз и запускаю таймер; аудитория считает до десяти, я останавливаю таймер: 45,75 секунды. 45,75 ± 0,1 секунды за десять колебаний дает 4,575 ± 0,01 секунды на одно колебание. Результат для амплитуды в 5 градусов практически такой же, как для амплитуды в 10 градусов (в пределах погрешности данных измерений). Так что мое уравнение по-прежнему очень точное.

Затем я спрашиваю аудиторию: предположим, я сяду на груз и буду качаться вместе с ним – останется ли период колебаний прежним или изменится? Не могу сказать, что сплю и вижу, как бы забраться на эту штуку верхом (это, знаете ли, довольно больно), но ради науки, да и чтобы повеселить студентов и еще больше заинтересовать предметом, я никогда не упускаю данной возможности. Конечно, я не могу сидеть на грузе вертикально, потому что в этом случае сильно сокращу длину каната и, соответственно, несколько уменьшу период колебания. Но если пристроить тело, насколько это возможно, в максимально горизонтальном положении, чтобы быть на одном уровне с грузом, длина веревки останется практически прежней. Итак, я засовываю груз между ног, берусь за канат, сажусь на груз верхом и начинаю качаться.

Признаюсь, включать и выключать таймер, изображая груз маятника, не увеличив при этом время реакции, довольно трудно. Но я практиковал это так много раз, что совершенно уверен в своей способности сохранить погрешность измерений в пределах ± 0,1 секунды. Я качаюсь десять раз, пока студенты хором считают колебания и хохочут над абсурдностью моего положения, поскольку я, качаясь, нарочито громко причитаю и стону, – и после десятого колебания останавливаю таймер. Он показывает 45,61 секунды. Период одного колебания – 4,56 ± 0,01 секунды. «Уравнение работает!» – кричу я. Студенты в полном восторге.

Другим весьма запутанным аспектом гравитации является то, что у нас может сложиться ложное впечатление, будто она действует с совсем другого направления, нежели на самом деле. Сила земного тяготения всегда притягивает объект к центру Земли на Земле, а не где-нибудь на Плутоне, конечно. Но порой кажется, что она действует в горизонтальном направлении, и эта искусственная, или мнимая, гравитация, как ее называют физики, иногда фактически попирает саму гравитацию.

Вы можете без труда продемонстрировать мнимую гравитацию в домашних условиях, повторив то, что имела обыкновение делать моя бабушка, готовя мне салат. Как я уже говорил, у бабушки было множество поистине потрясающих идей – помните, это именно она убедила меня, что в лежачем состоянии человек длиннее, чем в стоячем. Так вот, к приготовлению салата она тоже подходила весьма оригинально. Бабушка мыла зелень в дуршлаге, а затем, вместо того чтобы сушить ее тканевым полотенцем, которое могло повредить хрупкие листья, использовала собственную, ею изобретенную методику. Она накрывала дуршлаг полотенцем, закрепляла его на месте резинкой, а потом очень-очень быстро и воинственно начинала им вертеть.

Когда я воспроизвожу это в аудитории, я стараюсь предупредить студентов, сидящих в двух первых рядах, чтобы они закрыли тетради, иначе страницы промокнут. Я приношу салат в аудиторию, тщательно промываю его в раковине на лабораторном столе и кладу в дуршлаг. «Поехали!» – объявляю я и начинаю энергично вертеть дуршлаг в руке. Капли воды разлетаются повсюду! Конечно, сегодня практически у каждой хозяйки имеется специальное кухонное приспособление – банальная скучная центрифуга для сушки салатных листьев, которая заменила веселый метод моей бабушки. Очень жаль. Вот так современная жизнь постепенно выдавливает из окружающих нас вещей романтику.

Такую же искусственную гравитацию испытывают космонавты, когда ракета разгоняется при выходе на орбиту Земли. Мой друг и коллега по МТИ Джеффри Хоффман участвовал в пяти космических миссиях и рассказывал, что в процессе запуска экипаж испытывает на себе целый диапазон различных ускорений, от примерно 0,5 g на начальном этапе до около 2,5 g к завершению стадии сгорания твердого ракетного топлива. Потом ускорение опять уменьшается приблизительно до 1 g на короткое время, за которое загорается жидкое топливо, а затем нарастает до 3 g в течение последней минуты запуска, который в целом длится около восьми с половиной минут (за это время ракета набирает скорость примерно 27 тысяч километров в час). И, как говорят знающие люди, это не самые приятные ощущения. Когда космонавты наконец достигают орбиты, они становятся невесомыми, что воспринимается ими как нулевая гравитация.

Как вы теперь знаете, и салат, ощущая на себе давление дуршлага, и космонавты, чувствуя, как на них давит кресло, испытывают своего рода искусственную, мнимую, гравитацию. Хитроумное изобретение моей бабушки, как и нынешние скучные сушилки для зелени, конечно же, представляет собой разновидность центрифуги, отделяющей салат от воды, цепляющейся за его листья, которая, в свою очередь, брызгами разлетается во все стороны через отверстия дуршлага. Кстати, чтобы испытать на себе искусственную, мнимую, гравитацию, вовсе не обязательно быть космонавтом. Можно просто пойти в парк развлечений на аттракцион под названием «Тарелка» – это когда вы стоите на краю большой вращающейся вертушки, прислонившись спиной к металлической ограде. Вертушка вращается все быстрее и быстрее, и вы чувствуете, как ваше тело все сильнее вдавливается в ограду, верно? В соответствии с третьим законом Ньютона вы давите на ограду с той же силой, с какой она давит на вас.

Сила, с которой ограждение давит на вас, называется центростремительной. Она обеспечивает необходимое ускорение, чтобы вы могли вращаться, причем чем быстрее вы вращаетесь, тем она больше. Помните, что при движении по кругу сила (и, следовательно, ускорение) необходима, даже если величина скорости не меняется. Аналогичным образом сила тяготения обеспечивает центростремительной силой и планеты, вращающиеся вокруг Солнца, о чем я подробно рассказываю в Приложении II. Силу, с которой вас прижимает к ограде аттракциона «Тарелка», часто называют центробежной. Величина центростремительной и центробежной силы одинакова, но действуют они в противоположных направлениях. Их не следует путать. На вас действует только центростремительная сила (но не центробежная), а на ограду аттракциона только центробежная (но не центростремительная) [13].