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

Когда я помешиваю чай, на его поверхности образуется «дыра», потому что каждая его капелька пытается двигаться по прямой, из-за чего наталкивается на боковую стенку чашки, тогда как в середине чашки остается меньше жидкости. Когда я прекращаю помешивать чай, «дыра» в середине чая остается, поскольку жидкость продолжает вращение. По мере замедления вращения стенки чашки оказывают все меньшее обратное давление на жидкость и в конечном счете его становится недостаточно для поддержания вращения жидкости. Жидкость, накопившаяся у боковой поверхности чашки, возвращается к центру. Весь процесс легко проследить в жидкости, которая может свободно двигаться и, следовательно, легко изменять форму.

А в центре кругов, образующихся в результате помешивания, можно наблюдать вращение пузырьков. Их наличие в центре говорит о том, что это место для них самое подходящее. Когда на столе стоит стакан с пивом, пузырьки поднимаются вверх, поскольку пиво выигрывает конкуренцию за право быть как можно ближе ко дну стакана. То же самое можно сказать о чашке чая. Пузырьки собираются в ее середине потому, что чай выигрывает конкуренцию за право двигаться к боковой стенке чашки. Жидкость обладает большей плотностью, чем газ, поэтому газ собирается в освободившемся месте, то есть у центра.

В современном мире масса вращающихся объектов: центрифуги для сушки одежды, дискоболы, карусели и гироскопы. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца и одновременно вокруг собственной оси. Вращение – важный вид движения, так как позволяет проделывать множество интересных вещей. Иногда при этом задействуются колоссальные силы и огромные энергии, хотя фактически все остается на месте. Худшее, что может случиться, – вы просто вернетесь в то место, с которого стартовали. Пузырьки в чае – это только начало. Тот же принцип объясняет, почему не следует запускать ракету из Антарктики и как врачи определяют, достаточно ли у вас в крови красных кровяных телец (эритроцитов). Вращение также может играть важную роль в энергетической системе будущего. Все эти вещи проистекают из одного ограничения: отсутствия возможности двигаться по прямой.

Если вы движетесь по кругу, то должно быть нечто такое, что либо тянет, либо толкает вас внутрь, заставляя непрерывно менять направление. Это касается всего, что вращается, независимо от конкретной ситуации. Если убрать эту дополнительную силу, вы продолжите движение по прямой линии. Таким образом, если вы хотите двигаться по кругу, то в вашем распоряжении должно быть что-то, что обеспечит дополнительное усилие, направленное внутрь. Чем быстрее вы вращаетесь, тем большим оно должно быть. Гонки по замкнутому кругу относятся к числу наиболее зрелищных видов спорта: у них такое же достоинство, как и у всего, что вращается. Вы можете достигать огромных скоростей на сравнительно небольшом «пятачке», и зрителям не нужно гоняться за вами, чтобы не упустить деталей. Помещения для гонок в основном делают очень длинными, чтобы гарантировать, что на гонщиков будет воздействовать сила, направленная внутрь и достаточная для того, чтобы гонщика не вынесло за пределы трека. Самые очевидные примеры таких зданий – крытые велотреки. Но когда я впервые оказалась на одном из них, меня поразили не столько его размеры, сколько крутизна.

Всю жизнь я обожала кататься на велосипеде, но этот велотрек не имел ничего общего с моими представлениями о велосипедной езде. Оказавшись на Олимпийском велодроме в Лондоне, я была поражена его ярким освещением, необъятностью размеров и необычной тишиной, царящей внутри. Желающим попробовать себя «в деле» (а я не могла упустить такой шанс) предлагают усесться на невзрачный, «тощий» гоночный велосипед с единственной зубчатой передачей, без тормозов и с самым неудобным сиденьем из тех, на какие мне когда-либо приходилось усаживаться. Когда наконец собралась группа из таких же, как я, новичков, нас вывели на трек. Чтобы усесться на велосипед и поставить ноги на педали, нужно было крепко держаться за поручни трека. Гоночный трек состоит из двух длинных сторон, на которых можно двигаться по прямой, и двух коротких, чрезвычайно крутых (местами крутизна достигала 43°) участков (виражей), – настолько крутых, что создается впечатление, будто перед вами просто отвесная стена. Проехать по ней на велосипеде казалось мне совершенно немыслимым. Впрочем, отступать было поздно. Гоночный трек ждал нас.

Сперва нам предложили прокатиться по ровной дорожке, расположенной внутри главного трека. Ее поверхность была идеально гладкой, и мы получили истинное удовольствие. Затем нам посоветовали попробовать свои силы на голубой дорожке, расположенной под относительно небольшим углом к горизонту. С этой задачей наша группа справилась довольно легко. А потом, чувствуя себя птенцами, которых выпихивают из гнезда, чтобы они научились летать, мы поплелись на главный трек.

Впереди меня ждал неприятный сюрприз. Я-то думала, что вираж имеет переменную крутизну: внизу поменьше, вверху – побольше. Ничуть не бывало! Вверху и внизу его крутизна одинакова. Инстинкт мне подсказывал, что при входе в вираж нужно как можно быстрее крутить педали; именно так я и поступала. После первых трех кругов я напрочь забыла о чрезвычайно неудобном сиденье моего велосипеда. Мы преодолевали круг за кругом, подобно полоумным хомячкам, вертящимся в гигантском беличьем колесе, и лишь время от времени останавливались, чтобы инструкторы могли проверить наше состояние. В течение всех двадцати пяти минут, пока мы наматывали круги, меня всякий раз охватывал ужас при приближении к виражу. Но я ведь только училась!

В трековых велогонках задача гонщика – наклонить велосипед внутрь настолько, чтобы он составлял прямой угол с дорожкой. Единственный способ этого добиться, не свалившись по склону вниз, – ехать как можно быстрее. В этом случае происходящее с гонщиком на треке напоминает ситуацию с размешиванием ложечкой чая в чашке. Велосипед хочет продолжать двигаться по горизонтали, но не может, поскольку на его пути лежит вираж. Обратное отталкивание от трека создает силу, направленную внутрь, благодаря которой вы можете двигаться по кругу. Велосипед настолько сильно надавливает на трек, что если силу этого давления сложить с силой земного притяжения, то создается впечатление, будто сила земного притяжения изменила направление. Теперь все выглядит так, словно вы притягиваетесь к треку, а не вниз, к центру Земли. Чем быстрее вы крутите педали, тем больше изменяете направление «результирующей» силы земного притяжения. Ощущение, что вы движетесь по отвесной стене, не покидает вас, но по крайней мере появляется чувство, что вас удерживает от падения нечто хорошо вам знакомое.