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

Некоторые «Тарелки» вращаются так быстро, что, когда в какой-то момент пол ухолит из-под ваших ног, вы вниз не соскальзываете. Почему?

А вы подумайте. Если «Тарелка» вообще не вращается, сила тяготения заставит вас соскользнуть вниз, поскольку сила трения между вами и (вертикальным) ограждением недостаточно велика, чтобы уравновесить силу тяготения. Но сила трения при опущенном поле будет больше, когда «Тарелка» вращается, так как она зависит от центростремительной силы. Чем она больше (с опущенным полом), тем больше сила трения. Таким образом, если аттракцион с опущенным полом вращается довольно быстро, сила трения может быть достаточно большой для того, чтобы уравновешивать силу тяготения, и вы, следовательно, вниз не соскользнете.

Продемонстрировать искусственную гравитацию можно разными способами. Опишу один, который вы можете попробовать в домашних условиях, скажем, у себя во дворе. Привяжите веревку к ручке пустой банки из-под краски и налейте в нее воды (примерно наполовину, иначе вам будет тяжело крутить), а затем начните быстро вертеть банкой над головой. Возможно, чтобы получалось достаточно быстро, придется немного потренироваться. Научившись, вы увидите, что из банки не выливается ни капли. Мои студенты делают это на лекциях, и, должен сказать, это полный восторг! Такой маленький эксперимент также объясняет, почему некоторые особенно адреналиновые разновидности аттракциона «Тарелка» постепенно переворачиваются до тех пор, пока катающиеся в какой-то момент не оказываются вверх ногами и все равно не падают на землю (хотя их в целях безопасности, конечно же, привязывают к ограждению).

Сила, с которой весы давят на нас, определяет, что они скажут нам о нашем весе; сила тяготения – а не ее отсутствие, – делает космонавтов невесомыми; а когда яблоко падает на Землю, Земля падает на яблоко. Законы Ньютона просты, всеобъемлющи, глубоки и совершенно противоречат здравому смыслу. Разрабатывая их, сэр Исаак Ньютон соперничал с поистине таинственной Вселенной, и человечеству невероятно повезло, что он сумел разгадать некоторые из этих тайн, заставив нас взглянуть на окружающий мир совершенно по-новому.

Для одной из моих любимых демонстраций я приношу в аудиторию две банки из-под краски и винтовку. Затем заполняю одну банку до краев водой и плотно закрываю крышкой, потом заполняю вторую банку, но не до конца, на пару сантиметров ниже края, и тоже плотно закрываю. Поставив их на столе одну за другой, я подхожу ко второму столу, находящемуся в нескольких метрах от первого, на котором стоит длинный белый деревянный ящик с загадочным содержимым. Я открываю крышку, и все видят винтовку, закрепленную на подставке и нацеленную на банки. Глаза студентов расширяются: неужели я собираюсь палить из винтовки в аудитории?

«Что бы было, если бы мы выстрелили в эти банки?» – спрашиваю я их и, не дожидаясь ответа, наклоняюсь, чтобы проверить, правильно ли нацелено оружие, и обычно немного вожусь с затвором. Это весьма эффективно повышает градус напряженности аудитории. Я сдуваю пыль с патронника, вставляю в него пулю и объявляю: «Итак, пуля на месте. Готовы?» Затем кладу палец на спусковой крючок и считаю: «Три, два, один…» – выстрел. Крышка с одной банки мгновенно взлетает в воздух, а на другой остается на месте. И как думаете, с какой банки слетает крышка?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо помнить о том, что воздух – вещество сжимаемое, а вода нет; молекулы воздуха могут сдвигаться ближе по направлению друг к другу, как и молекулы любого газа, а молекулы воды не могут, как и молекулы любой жидкости. Чтобы изменить плотность жидкости, необходимо приложить поистине огромную силу и давление. Когда пуля ударяет в банки, она оказывает на них существенное давление. В банке, где есть воздух, вода остается нетронутой, поскольку он действует как подушка, или амортизатор, и банка не взрывается. Но в банке, заполненной водой до краев, вода не может сжаться. Из-за дополнительного давления, возникающего вследствие удара пули, вода сильно давит на стенки и верхнюю часть банки и крышка слетает. В целом все это выглядит очень драматично, и мои студенты обычно находятся под большим впечатлением от данного эксперимента.

Когда мы со студентами говорим о давлении, это всегда очень весело, а давление воздуха – тема особенно интересная, потому что тут абсолютно все противоречит здравому смыслу. Мы даже не понимаем, что воздух постоянно давит на нас, пока специально в этом не убедимся, что действует поистине потрясающе. Осознав данный факт и приняв его, мы начинаем видеть доказательства этому повсюду: от воздушных шариков до барометров; в том, как работает соломинка, через которую мы пьем сок; как глубоко человек может нырять в океан и во многом-многом другом.

То, чего мы поначалу не замечаем и принимаем как должное, например сила тяготения или давление воздуха, при ближайшем рассмотрении оказывается одним из самых захватывающих явлений. Это как в анекдоте о двух рыбах, счастливо плавающих в речке. Одна поворачивается к другой со скептическим выражением и говорит: «Ну и к чему все эти разговоры о какой-то там “воде”?»

В нашем случае мы воспринимаем вес и плотность нашей невидимой атмосферы как нечто само собой разумеющееся. В сущности, мы с вами живем на дне огромного воздушного океана, который ежесекундно и ежедневно оказывает на нас немалое давление. Предположим, я вытягиваю перед собой руку ладонью вверх. Теперь представьте длиннющий кусок квадратной трубы в один сантиметр шириной (по каждой стороне, конечно), который балансирует на моей ладони и уходит вверх к самому краю атмосферы. Это больше чем в полторы сотни километров. Так вот, масса одного лишь воздуха в этой трубе – не говоря уже о весе ее самой – составляла бы около килограмма [14]. Это один из способов измерения давления воздуха: давление 1,03 килограмма на квадратный сантиметр в физике называется нормальной, или стандартной, атмосферой.

Другой способ расчета давления воздуха – как и давления любого другого типа – заключается в использовании довольно простого уравнения, настолько простого, что я на самом деле только что сформулировал его словами, но не упомянул, что это уравнение. Давление – это сила, поделенная на площадь: P = F/S. Таким образом, давление воздуха на уровне моря составляет около одного килограмма на квадратный сантиметр. Опишу еще один способ, позволяющий наглядно представить взаимосвязь между силой, давлением и площадью.

Предположим, вы катаетесь на коньках на пруду и кто-то проваливается под лед. Как вы будете приближаться к полынье – пойдете по льду? Нет, ляжете на живот и начнете медленно ползти вперед, распределяя тело по максимально большей площади, чтобы оказывать наименьшее давление на лед и таким образом снизить вероятность того, что он проломится при вашем приближении к полынье. И будете совершенно правы, ибо разница в давлении человека на лед в стоячем и лежачем положении очень велика.