Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Примерно через полчаса причудливый танец изюминок в бутылке с лимонадом практически прекратился, и лишь отдельные экземпляры изюминок продолжали неспешный путь вниз и вверх, а лимонад приобрел обескураживающий желтоватый цвет. Захватывающее зрелище круговорота изюминок в лимонаде превратилось в нечто, напоминающее бутылку мочи, доставленной в лабораторию для анализа, причем на дне бутылки скопились объекты, похожие на дохлых мух.

Впрочем, вы сами можете провести такой эксперимент. К тому же это прекрасный способ оживить скучную вечеринку. Только необходимо заранее запастись порцией изюма, сушеных ягод смородины или чего-нибудь в этом роде. Главное, чтобы пузырьки газа и ягоды становились одним целым и перемещались как одно целое. Когда изюминки обволакиваются воздушными карманами, они почти не изменяют своего веса, но зато занимают гораздо больше места. Отношение массы материала к объему заполненного им пространства называется плотностью, поэтому конструкция «изюминка плюс газовый пузырек» обладает меньшей плотностью, чем изюминка сама по себе. Сила притяжения может притягивать лишь материал как таковой, отчего менее плотные предметы испытывают меньшую силу притяжения к Земле. Именно потому некоторые объекты могут плавать: способность плавать – лишь один из уровней в гравитационной иерархии. Сила притяжения тянет плотные жидкости вниз, и любой объект, помещенный в некоторую жидкость, неминуемо всплывает на ее поверхность, если оказывается менее плотным, чем сама жидкость. Мы называем объекты, менее плотные, чем жидкость, в которую они помещены, плавучими.

Пространства, заполненные воздухом, позволяют управлять относительной плотностью и, следовательно, плавучестью. Как известно, одной из особенностей конструкции, которая должна была обеспечить непотопляемость «Титаника», было наличие больших водонепроницаемых помещений, расположенных в нижней части корабля. Они должны были действовать как пузырьки воздуха, прилипшие к изюминке, и представляли собой своеобразные «воздушные карманы», призванные повысить плавучесть судна и удерживать его на плаву. Когда «Титаник» натолкнулся на айсберг, эти водонепроницаемые отсеки оказались не такими уж водонепроницаемыми и в конце концов заполнились водой [9]. Эффект был таким же, как и в случае нескольких последних пузырьков, лопнувших на поверхности воды. Подобно изюминке, лишившейся «спасательного жилета», «Титаник» ушел на дно [10].

Мы согласны с тем, что предметы могут тонуть или плавать, но редко задумываемся о причине такого явления, как гравитация (сила гравитационного притяжения, сила тяжести). Театр нашей жизни (выражаясь языком Шекспира) разворачивается на сцене, где преобладает эта вездесущая сила, которая всегда напоминает нам, где находится «верх», а где – «низ». Она чрезвычайно полезна, так как приводит окружающие нас предметы в порядок, удерживая их на полу (для начала). Кроме того, это самая очевидная из сил, с которыми нам приходится как-то справляться. Силы, вообще говоря, странная штука: они невидимы и нам неведомо, что они замышляют. Но сила гравитационного притяжения (далее для краткости именуемая просто силой притяжения) всегда с нами, всегда действует в одном направлении и ее величина всегда одинакова (по крайней мере на поверхности Земли). При желании поэкспериментировать с теми или иными силами лучше всего начать с силы притяжения. А что будем исследовать первым? Разумеется, падение!

Трамплин и вышка для прыжков в воду позволят вам насладиться максимальным ощущением свободы и раскрепощенности. В момент прыжка вы полностью освобождаетесь от ощущения силы тяжести. Дело не в ее исчезновении, просто вы полностью отрешаетесь от нее, поскольку лишаетесь точки опоры. Вы можете совершать в воздухе всевозможные пируэты, подобно теоретически свободному телу, как если бы вы свободно парили в пространстве. При этом у вас появляется чувство необычайной свободы. Увы, оно непродолжительно: проблема возникает буквально через пару секунд, когда вы врезаетесь в водную поверхность. Есть два способа пережить этот неприятный момент: 1) проделать руками или ногами узкий туннель в воде и сгруппироваться таким образом, чтобы остальная часть вашего тела элегантно скользнула в этот туннель, минимизируя силу удара о воду; 2) свободно раскинуть в стороны руки и ноги и плюхнуться в воду животом или спиной, подняв вокруг себя столб брызг. Однако такой способ приводнения чреват весьма неприятными последствиями.

В молодости я не только прыгала в воду с трамплина, но и была тренером. Однако прыжки в воду с вышки ненавидела. Трамплин находится на высоте одного или трех метров над поверхностью воды в бассейне. Это немного напоминает прыжки на батуте. Вышка же – негибкий помост, расположенный на высоте 5, 7,5 или 10 метров над поверхностью воды. В бассейне, где я тренировалась, была только 5-метровая вышка, но я всеми силами избегала прыжков даже с такой не самой внушительной высоты.

С 5-метровой вышки вода в бассейне кажется очень далекой. Со дна бассейна всегда поднимается тонкая струйка воздушных пузырьков, поэтому водная поверхность хорошо видна даже в случае, когда в бассейне никто не плавает и поверхность воды совершенно гладкая. Самый простой прыжок, который спортсмены используют для разогрева, – это прыжок из «передней стойки» (лицом к воде). Стоя на краю доски, вы наклоняете верхнюю часть туловища вперед, в виде буквы L, руки сомкнуты над головой, ноги прямые. В таком положении голова находится несколько ближе к воде, поэтому высота не кажется столь пугающей. Впрочем, страшно все равно. Затем вы слегка приподнимаетесь на носках – и отрываетесь от доски. Внезапно возникает ощущение свободы. Есть лишь вы и планета массой 6 миллионов миллиардов миллиардов килограммов, с которой вы связаны только штуковиной под названием сила притяжения, а законы Вселенной означают, что вы притягиваетесь друг к другу.

Гравитация, как и любая другая сила, ускоряет вас. Это следствие знаменитого второго закона Ньютона [11], который гласит, что любая результирующая сила, действующая на вас, изменяет вашу скорость. Отталкиваясь в статичном положении от доски на вышке для прыжков в воду, вы медленно начинаете двигаться. Интересная особенность ускорения заключается в том, что оно измеряется в единицах изменения скорости за секунду. Чтобы преодолеть первый метр, вам потребуется относительно продолжительное время (0,45 секунды). Но второй метр вы преодолеваете уже значительно быстрее, в результате чего для ускорения на этом отрезке пути (на втором метре) у вас останется меньше времени. После первого метра пути ваша скорость составит 4,4 метра в секунду, а после двух метров – всего 6,3 метра в секунду.