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

Находясь в состоянии свободного падения, вы не можете чувствовать силу тяжести ввиду отсутствия силы, которая толкала бы вас в обратную сторону. Поскольку астронавты не могут испытывать на себе действие какой-либо силы, которая толкала бы их в обратную сторону, они не могут утверждать, что на них действует сила тяжести. Это подобно моменту начала движения лифта, опускающегося вниз: вы ощущаете кратковременное снижение своего веса. Все дело в том, что пол не толкает вас в противоположную сторону с такой же силой, как до этого. Если бы лифт перешел в состояние свободного падения (допустим, у лифта очень глубокая шахта), то вы ощутили бы невесомость. На орбите невозможно избежать гравитации – она просто не ощущается. Но при этом все равно присутствует: ее тянущая сила, направленная к Земле, позволяет вам вращаться вокруг нашей планеты.

Вращение полезно во многих отношениях, но иногда становится досадной помехой. Например, почему бутерброд падает маслом вниз? Вы только что вынули из тостера поджаренный кусочек хлеба и намазали на него слой масла, которое сразу же начало плавиться. В предвкушении удовольствия у вас уже потекли слюнки, но, протянув руку за чашкой чая, вы совершаете неосторожное движение, толкаете локтем тост, и он оказывается на самом краю стола. Остановившись там на какую-то долю секунды и покачнувшись, словно в нерешительности, он в конце концов падает на пол – конечно же, маслом вниз. Подтаявший слой масла, который должен был вызвать у вас массу положительных эмоций, превратился в жирное пятно на полу. И вместо наслаждения поглощением аппетитного тоста вам приходится его убирать, проклиная злой рок, который, как всегда, перевернул ваш бутерброд маслом вниз. Ну почему он переворачивается именно так, а не наоборот?

Все объясняется действием неумолимых законов природы. Разные люди проводили многочисленные эксперименты, в ходе которых безжалостно и целенаправленно сталкивали бутерброды со стола, и в подавляющем большинстве случаев бутерброд падал на пол именно маслом вниз. Конечно, кое-что в этом процессе зависит от начальной фазы его падения, то есть как именно вы сталкиваете его со стола. Но в целом здесь действует неумолимый закон природы, который мы не в силах отменить. Сразу же нужно отметить, что это никак не связано с дополнительным весом масла. Б о льшая его часть уже расплавилась и проникла до середины тоста, но даже если бы масло не расплавилось, в совокупной массе бутерброда его вес составляет лишь незначительную долю.

Прежде всего возникает вопрос: почему бутерброд вообще переворачивается? Это происходит настолько быстро, что заметить момент переворота практически невозможно (с другой стороны, если бы вы внимательно следили за бутербродом, то, наверное, не сбросили бы его со стола, не так ли?). Впрочем, вы можете понаблюдать за этим процессом, если готовы пожертвовать тостом [65](или хотя бы подставкой под горячее или книжкой подходящих размеров). Итак, положите плашмя тост, который решили принести в жертву, у края стола и столкните его на пол. Обратите внимание: в момент, когда половина тоста пересечет край стола, произойдут две вещи. Во-первых, тост начнет поворачиваться вокруг края стола, который в данном случае играет роль оси вращения. Во-вторых, тост начнет самостоятельно, без внешнего воздействия, соскальзывать за край стола. Соскальзывание, переворот, шлепок на пол.

Итак, вращение начинается, как только б о льшая часть тоста пересечет край стола, поскольку именно в этот момент стол начинает поддерживать меньшую часть тоста. Сила тяжести тянет вниз весь тост. Стол толкает его вверх, но воздух не оказывает практически никакого сопротивления. В момент, когда на краю стола оказывается ровно половина тоста, силы тяжести, которая действует на его свисающую половину, едва хватает на то, чтобы приподнимать ту половину тоста, которая все еще находится на столе. У физиков эту точку, соответствующую половине тоста, принято называть «центром массы». В случае детских качелей она соответствует положению идеального равновесия, когда доска качелей пребывает в строго горизонтальном положении без какого-либо внешнего воздействия.

В момент, когда вы осознали, что тост падает, уже поздно что-либо предпринимать. Как только тост соскользнул с края стола, его падение займет фиксированное количество времени. Если высота стола примерно 75 сантиметров, то на падение уйдет меньше, чем полсекунды. Но как только началось вращение, нет никаких причин для его остановки и в процессе падения тост продолжает вращаться [66]. Поскольку сила земного притяжения всегда одна и та же, а высота всех столов примерно одинакова, тост всегда имеет одинаковую скорость вращения. За 0,4 секунды он повернется на 180 градусов. Так как падение тоста началось с момента, когда масло было вверху, закончится оно в момент, когда масло окажется внизу. Каждый раз физика падения тоста остается в основном одной и той же: тост всегда падает маслом на пол.

Интересно отметить, что в ситуации с падением тоста вы в действительности можете сделать только одно для изменения конечного результата падения [67], но здесь достаточно высок риск неожиданных последствий. Поняв, что нечаянно толкнули тост и он покачнулся на краю стола, вы, согласно законам физики, должны для исправления ситуации придать ему значительную боковую скорость, то есть толкнуть его еще сильнее. После этого, если ваше движение окажется достаточно резким, тост может перелететь через всю комнату, но поскольку в его распоряжении окажется меньше времени на совершение переворота через край стола, скорость его вращения будет гораздо меньше и в процессе падения ему может не хватить времени на переворот на 180 градусов. В результате у вас появляется шанс, что тост не упадет маслом на пол. Правда, без гарантии, что он не упадет на диван или не угодит в вашу собаку.

Тост начинает вращаться, потому что соблюдаются два условия, необходимые для возникновения вращения: во-первых, наличие оси, вокруг которой оно будет совершаться, и, во-вторых, наличие силы, которая заставит тост совершить поворот вокруг оси вращения. Неважно, что эта сила направлена строго вниз и не заставляет тост продолжать движение по окружности. Важно лишь то, что ее вполне достаточно, чтобы придать тосту движение (а становится достаточно после того, как центр массы тоста сместится с края стола и повиснет в воздухе), и что она вынуждает тост совершить поворот вокруг оси вращения хотя бы на небольшой угол. Как только будет инициирован процесс вращения, он продолжится до тех пор, пока что-нибудь его не остановит.

Этот принцип лежит в основе вращения яиц, о котором рассказывалось во введении. Если вы поразмышляете о тех или иных свободно вращающихся объектах – «летающих тарелках», подброшенных вверх монетках, мячах для игры в регби, волчках, – то обратите внимание, что они продолжают вращение как бы сами по себе. Было бы очень странно, если бы подброшенная вверх монетка, находясь в воздухе, внезапно прекратила вращаться еще до того, как опустится вам в ладонь [68]. Все, что вращается, обладает моментом импульса, который является показателем количества вращения соответствующего объекта. Если действие какого-либо фактора (например, трения или сопротивления воздуха) не замедляет вращения, то объект будет вращаться бесконечно долго. Это свойство называется законом сохранения момента импульса. Вращающийся объект будет продолжать вращение, если какое-либо внешнее воздействие его не остановит.