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

У меня на кухне хранится блокнот, в который я с девятилетнего возраста записываю рецепты. Кстати, я обожаю готовить по многим рецептам из детства. Одно из таких блюд – морковный кекс. Страница, на которой он записан, за многие годы изрядно истрепалась и вся в жирных пятнах. Рецепт начинается со слов: «Возьмите 200 граммов обычной муки». Итак, хозяйка поступает очень разумно, относясь к своим действиям как к чему-то само собой разумеющемуся: она насыпает немного муки в миску и измеряет силу, с которой мука притягивается к Земле. Разумеется, процесс выполняется с помощью обычных весов. Вы помещаете весы в зазор между Землей и миской с мукой и оцениваете силу сжатия пружины (если речь идет о пружинных весах). Сила притяжения между любым объектом и нашей планетой прямо пропорциональна массе этого объекта и массе Земли. Поскольку масса Земли неизменна, сила притяжения зависит исключительно от массы миски с мукой. Весы измеряют вес, который есть не что иное, как сила притяжения между миской с мукой и планетой. Но вес – это просто масса муки, умноженная на силу притяжения, постоянную на наших кухнях. Таким образом, если вы измеряете вес и знаете силу притяжения, то можете определить массу муки в миске. Затем вам нужно отмерить 100 граммов сливочного масла, поэтому вы кладете кусок масла в миску, после чего докладываете или отнимаете оттуда ровно столько масла, чтобы его количество, оставшееся в миске, сжимало пружину весов в два раза слабее, чем в случае с мукой. Весы – чрезвычайно полезный и простой прибор для измерения количества тех или иных материалов. Ими может пользоваться любой из нас. Тяжелые объекты тяжелы только потому, что содержат большее количество «материи», в результате чего Земля притягивает их сильнее. В открытом космосе нет тяжелых предметов, поскольку локальная гравитация слишком слаба и не обеспечивает их более или менее ощутимого притяжения – если, конечно, вы не приблизитесь вплотную к какой-либо планете или звезде.

На самом деле кухонные весы измеряют силу притяжения – великую силу, не только обеспечивающую существование человеческой цивилизации, но и удерживающую всю Солнечную систему. Тем не менее эта сила чрезвычайно слаба и немощна. Масса Земли составляет 6 × 10 24 килограмма (6 тысяч миллиардов миллиардов тонн, если вы предпочитаете более крупные единицы измерения), но она может притягивать миску с мукой с силой весьма тонкого эластичного бинта. Впрочем, это тоже хорошо, поскольку в противном случае жизнь на Земле была бы невозможна. Однако это позволяет взглянуть на мир несколько иначе. Каждый раз, поднимая какой-либо объект, вы преодолеваете силу притяжения целой планеты. Солнечная система огромна, потому что гравитация слаба. Но у гравитации есть одно важное преимущество по сравнению со всеми другими фундаментальными силами – ее вездесущность. Она может быть слабой и становиться еще слабее по мере отдаления от Земли, но в космосе простирается на огромные пространства, притягивая другие планеты, звезды и галактики. При всей ничтожности сил тяготения именно это слабое силовое поле придает нашей Вселенной определенную структуру.

Тем не менее, чтобы поднять даже такой легкий объект, как готовый морковный кекс, понадобится некоторое усилие. Когда морковный кекс покоится на столе, поверхность стола оказывает на него давление снизу, толкая его вверх. Силы этого давления достаточно, чтобы уравновесить силу притяжения между кексом и планетой. Чтобы поднять кекс, вам нужно приложить несколько большую (буквально на самую малость) силу, достаточную для того, чтобы суммарная сила обеспечила его поднятие вверх. Нашей жизнью управляет не то, какие именно отдельные силы действуют на нас и окружающие предметы, а то, каков их результирующий баланс. Это существенно упрощает задачу. Действие тех или иных мощных сил можно вообще игнорировать, если они уравновешиваются действием других мощных сил. Проще всего представить эту ситуацию на примере твердых объектов, поскольку они сохраняют форму при воздействии тех или иных сил. А знаменитый разводной Тауэрский мост в центре Лондона с двумя грациозными башнями, несомненно, очень прочный объект.

Гравитация может стать серьезной помехой, потому что иногда вам приходится удерживать те или иные объекты «на весу», то есть в воздухе. Для этого нужно преодолеть силу притяжения, направленную вниз. В противном случае предметы, которые вы пытаетесь удержать, падали бы на пол. Жидкости стекают вниз – по-другому не бывает. С твердыми предметами все несколько иначе. Такая концепция, как опора, позволяет эффективно нейтрализовать действие силы тяжести, применяя принцип детских качелей: доска, центр которой помещен на опору. В случае Тауэрского моста одна половина таких «качелей» скрыта от глаз зрителей. Мост покоится на двух рукотворных островах-опорах, каждый из которых расположен на трети расстояния через Темзу. Башни моста напоминают двух стражников, охраняющих въезд в Лондон со стороны моря. По мосту проходит дорога, соединяющая северную и южную части столицы.

На пешеходной дорожке через мост всегда полн о туристов, увешанных фотокамерами и оживленно обсуждающих открывающийся замечательный вид. По проезжей части движется нескончаемый поток такси, автобусов и мотоциклов. Кое-где теснятся сувенирные лавки, кафе, маленькие магазинчики. Наша экскурсионная группа во главе с гидом пробирается сквозь этот хаос, устремляясь к конечной цели путешествия – «чреву» моста, чтобы увидеть механизм, обеспечивающий разведение его двух половин. Проникнув туда, мы оказываемся в царстве медных манометров, гигантских рычажных механизмов, клапанов и прочих механических устройств, символизирующих собой изобретательность и надежность инженерной мысли викторианской эпохи. Неповторимый внешний вид Тауэрского моста и его башен в стиле сказочных замков славится во всем мире, однако в данном случае нас интересует его внутренняя «начинка».

Лондон вот уже два тысячелетия является крупным портом. Особая прелесть города, раскинувшегося на берегах реки, в том, что в вашем распоряжении есть два берега, а не один, как в случае городов, расположенных на берегу океана. Однако Темза – не только путь для всего, что способно плавать, но и серьезное препятствие для всего, что перемещается на «своих двоих» или ездит на колесах. Через Темзу переброшено немало мостов, однако к 70-м годам XIX века город остро нуждался в еще одном. При его строительстве предстояло решить важную проблему: мост должен был не только удовлетворять потребность людей в свободном перемещении с одного берега Темзы на другой, но и не создавать препятствий для прохождения по Темзе достаточно высоких морских судов. Конструкторы Тауэрского моста предложили гениальное решения проблемы.