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

Несколько моих друзей, больших любителей пиццы, недавно пригласили меня в один уютный ресторанчик с открытой кухней. Я спросила у кого-то из обслуживающего персонала, можно ли понаблюдать за процессом приготовления заготовок для пиццы. Молодые итальянские повара посмеялись в ответ, но потом выбрали добровольца, который согласился продемонстрировать свое мастерство. Немного смущаясь, но в то же время гордясь возможностью покрасоваться на публике, он слегка размял и расплющил в руках комок теста, придав ему форму небольшого толстого диска. Затем поднял этот диск в руке и легким движением придал ему вращение. Диск набрал обороты.

Дальнейшие события происходили с молниеносной быстротой. Диск взмыл в воздух, внезапно освободившись от воздействия каких-либо сторонних сил. Процессы, происходящие при этом, проще всего объяснить, рассматривая какую-либо отдельно взятую точку на краю диска. Она движется по кругу – но только потому, что является составной частью диска и он втягивает ее внутрь. Эта тянущая сила, направленная внутрь, необходима, чтобы объект вращался. В случае велосипедиста, движущегося по велотреку, дорожка все время отталкивает велосипед от наружной части велотрека, заставляя велосипедиста постоянно сворачивать внутрь и кружить таким образом по треку, вместо того чтобы продолжать двигаться по прямой линии. Когда речь идет о заготовке для пиццы, именно стягивающая сила, действующая из середины заготовки, заставляет ее края принимать форму окружности. В том и другом случае должна действовать сила, направленная к центру вращения. Но заготовка для пиццы мягкая и эластичная. Если вы тянете ее, она растягивается. Середина заготовки стягивает ее края внутрь, но это говорит о наличии силы, действующей в обратном направлении и тянущей края заготовки наружу. Поэтому заготовка должна растягиваться. Когда любой твердый объект вращается, это вращение создает внутри него невидимые силы. Сила, тянущая внутрь и придающая заготовке компактную круглую форму, растягивает заготовку, и ее края расходятся все дальше и дальше от центра. Особая ценность этого обстоятельства для мастера по приготовлению пиццы заключается в том, что сила, тянущая внутрь, действует строго равномерно и симметрично по всей площади заготовки. Вращается вся заготовка целиком, поэтому вся она растягивается равномерно и симметрично в направлении от центра.

Иногда вы можете ощутить действие сил, тянущих внутрь, на самом себе. Если взять в руки сумку с каким-либо достаточно тяжелым предметом внутри и попытаться вращаться «волчком» вокруг собственной оси, то вы почувствуете действие тянущей силы, растягивающей вашу руку. Эта сила, тянущая сумку к оси вращения, обеспечивает возможность ее вращения по кругу. К счастью для вас, ваша рука куда менее эластичная, чем тесто для пиццы, поэтому она остается неизменной. Но чем длиннее ваша рука и чем быстрее вы вращаетесь, тем большую тянущую силу будете ощущать.

Итак, пока тесто для пиццы вращалось в воздухе, та же тянущая сила, которая поддерживала движение его края по окружности, постепенно растягивала его от центра в стороны. Я полагаю, тесто находилось в воздухе менее секунды, но это был довольно толстый блин, когда оно поднималось, и красивый тонкий гладкий круг, когда опускалось. Мастер продолжил вращать заготовку и еще раз отправил ее в воздух. Однако на сей раз тянущие силы оказались настолько большими, что она разорвалась посередине. Одним словом, мне показалось, что мастер слегка перестарался. Будто отвечая на невысказанную мною мысль, он скромно улыбнулся: «Именно поэтому мы обычно ограничиваемся лишь одним сеансом вращения. Вообще говоря, тесто, из которого получается наилучшая пицца, не очень-то подходит для вращения, потому что слишком мягкое. Поэтому нам не остается ничего другого, как раскатывать его вручную на доске» [61]. Кстати, заготовки, используемые во время соревнований пицца-акробатов, изготавливаются на основе особого рецепта – потому они такие прочные и эластичные. Если из такого теста приготовить пиццу, не факт, что она вам понравится. Сила, тянущая внутрь и действующая на краях пиццы, может в пять-десять раз превысить силу земного притяжения. Именно поэтому заготовка растягивается гораздо быстрее, когда вы ее вращаете, чем в случае, когда просто поднимаете в воздух и отпускаете, после чего она падает под действием собственного веса.

За вращением заготовки для пиццы интересно наблюдать, потому что она изменяет свою форму в ответ на силы, скрывающиеся в ней самой. Вращение чего бы то ни было (например, мяча для регби или диска «фрисби» – «летающей тарелки») создает тянущую силу, направленную от центра к краю, но вы можете даже не подозревать о ее существовании в твердых предметах наподобие мяча для регби или «летающей тарелки», поскольку они настолько прочны, что не растягиваются. По крайней мере растягиваются так мало, что это невозможно заметить. Однако растяжение происходит в любом случае. Это утверждение относится даже к Земле.

Вращаясь вокруг Солнца, наша планета вращается и вокруг собственной оси и, подобно тесту для пиццы, растягивается силами, которые втягивают каждый ее кусочек внутрь, заставляя его вращаться по кругу. К счастью, гравитация достаточно велика, чтобы предотвратить последствия вроде повреждения заготовки для пиццы, и Земля в основном сохраняет свою сферическую форму. Впрочем, у Земли есть нечто под названием «экваториальное утолщение». Этот термин выглядит как эвфемизм для обозначения тех, кто не привык отказывать себе в еде. Находясь на экваторе, вы оказываетесь на 21 километр дальше от центра планеты, чем тот, кто стоит на Северном полюсе. Земля существует как единое целое благодаря силе гравитации, но форму ей придает вращение вокруг собственной оси. Таким образом, несмотря на то что Эверест – самая высокая гора на планете, ее вершина не является точкой наибольшего удаления от центра Земли, такой точкой будет Чимборасо, вулкан в Эквадоре. Его высота – 6268 метров над уровнем моря, тогда как высота Эвереста – 8848 метров над уровнем моря, но Чимборасо расположен на вершине экваториального утолщения. Поэтому, стоя на вершине Чимборасо, мы находимся примерно на 2 километра дальше от центра Земли, чем тот, кому удалось взобраться на вершину Эвереста. Впрочем, покорение вершины Чимборасо вряд ли принесет вам такую же славу, как восхождение на Эверест.

В целом силы, генерируемые вращением, могут быть полезны в двух отношениях. Один из примеров – пицца. Вращение объекта в условиях отсутствия какие-либо внешних ограничителей создает тянущую силу, направленную внутрь этого объекта и обеспечивающую его целостность во время вращения. Другой пример – велосипедист на велотреке: если для некоего вращающегося объекта создать преграду, отталкивающую его в обратную сторону, то на объект будет воздействовать значительная сила, подобная силе земного притяжения. Но общее у этих двух примеров то, что любая тянущая сила, направленная внутрь, должна откуда-то исходить. При ее исчезновении объект не сможет продолжить круговое движение.