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

Я совершенно уверена, что в детстве воспринимала головокружение как своего рода игрушку, которая всегда со мной и которую никто не может у меня отнять. Если вам было скучно, вы всегда могли вертеться на месте волчком и наблюдать, кто продержится дольше других, а кто свалится на пол. Мы покатывались со смеху, глядя, как кто-нибудь из нашей компании, совершив столько-то оборотов вокруг собственной оси и остановившись, валился на пол от головокружения. Похоже, что само по себе вращение не создавало проблем. Кратковременная и забавная дезориентация в пространстве наступает, когда вы его прекращаете. Жаль, что взрослые не играют в эту игру: мы могли бы лучше понять себя, если бы вели себя, как в детстве. Ощущение дезориентации в пространстве наступает из-за чего-то происходящего в ваших ушах, что вы не можете видеть, но ваш мозг, несомненно, знает.

Давайте вернемся к вращению сырых и вареных яиц, о котором я рассказывала во введении. Каждое яйцо, еще не очищенное от скорлупы, кладется на бок и раскручивается. Предоставив яйцам возможность вращаться в течение двух-трех секунд, вы быстро касаетесь каждого из них, чтобы остановить вращение. Оба яйца останавливаются. Вы убираете пальцы. После этого одно из яиц возобновляет вращение. Яйцо, будучи твердым предметом, должно остановиться полностью, когда вы останавливаете вращение оболочки. И яйцо, и его оболочка должны вращаться вместе. Но, останавливая сырое яйцо, вы останавливаете только его оболочку. Жидкость внутри нее продолжает вращаться; она не скреплена прочно с оболочкой и поэтому у нее нет причин останавливаться. Таким образом, жидкость толкает оболочку до тех пор, пока та не возобновит вращение.

Когда вы вращаетесь вокруг собственной оси, б о льшая часть вашего тела, к счастью, ведет себя подобно яйцу, сваренному вкрутую: вращается как единое целое. Поэтому, когда вы перестаете вращаться, ваш мозг, и нос, и уши также перестают. Однако это не относится к внутреннему уху. Внутри каждого уха есть небольшие каналы в виде полуокружий, наполненные жидкостью, и именно поэтому они ведут себя подобно сырому яйцу. Жидкость не вращается вместе со своей оболочкой, поскольку к ней не прикреплена. Такое устройство уха наряду с другими механизмами, заложенными в ваш организм, позволяет вашему телу ориентироваться в пространстве: крошечные волоски отслеживают перемещения этой жидкости, а ваш мозг согласует эту информацию с тем, что вы видите. Когда вы поворачиваете голову, жидкость в криволинейном канале не успевает повернуться с той же скоростью; она движется по своим каналам, не поспевая за поворотом вашей головы. Но если вы вращаетесь вокруг собственной оси достаточно долго, эта жидкость также начинает вращаться. Требуется всего две-три секунды, чтобы скорость ее вращения сравнялась со скоростью вращения вашего тела, после чего жидкость в ваших ушах продолжает устойчиво вращаться вместе с каналами, синхронно с движением своего «контейнера». Когда вы внезапно прекращаете вращение, жидкость не останавливается. Подобно сырому яйцу, «контейнер» остановился, но жидкость продолжает вращаться. Таким образом, ваше внутренне ухо сообщает мозгу о том, что вы вращаетесь, а ваши глаза говорят ему, что вы остановились. Именно в момент, пока ваш мозг разбирается, что же происходит на самом деле, вы ощущаете головокружение. Со временем жидкость в вашем внутреннем ухе прекращает вращаться (потому что остановился ее «контейнер») и головокружение проходит.

Это одна из причин, почему балерины, которые крутят фуэте (то есть быстро-быстро вращаются на одном месте), стараются как можно дольше смотреть в одном направлении, а затем, когда тело повернется на достаточно большой угол, очень быстро поворачивают голову вслед за телом (опережая скорость его вращения), чтобы вернуть ее в исходное положение. При столь быстром движении по принципу «старт-стоп» жидкость во внутреннем ухе не успевает синхронизировать свое движение с ритмичным вращением тела, в результате чего балерина, остановившись, не испытывает головокружения.

В сохранении вращательного момента существуют два аспекта. Во-первых, невращающемуся объекту требуется некий начальный толчок, приводящий его во вращение. Объект не может начать вращаться сам по себе. Во-вторых, вращающийся объект будет продолжать вращаться до тех пор, пока на него не подействует внешняя сила, которая остановит вращение. В повседневной жизни роль такой внешней силы играет трение. В результате его действия волчок в конце концов перестает вращаться, а вращающаяся монетка настолько замедляет вращение, что в конце концов переворачивается и падает плашмя. Но в ситуациях, когда сила трения отсутствует, вращение длится бесконечно долго. Именно этим обусловлена смена времен года на Земле.

В северной части Англии регулярная смена времен года задает ритм, вызывающий у меня самые приятные воспоминания. Долгие прогулки в жаркие летние дни вдоль Бриджуотерского канала, хоккейные матчи в сырые и промозглые осенние дни, возвращение домой на рождественские каникулы в морозные зимние дни, улучшение настроения оттого, что весной дольше светит солнце, – разнообразие и смена впечатлений всегда были для меня источником радости. Когда я жила в Калифорнии, мне труднее всего было смириться с отсутствием ритма в природе: создавалось впечатление, что время здесь застыло навсегда. Это сбивало меня с толку и приводило в замешательство. Сейчас я по-прежнему остро чувствую смену времен года. Мне нравится отождествлять свое место в каждом очередном цикле смены времен года по каким-то особым приметам, как ни странно, сохранившимся даже в современном мире: животные, свежий воздух, растения и чистое небо. А основа этого разнообразия и регулярной смены времен года – фундаментальные физические законы, один из которых гласит, что объекты продолжают вращение до тех пор, пока какая-либо внешняя сила не остановит их.

У вращения есть направление, задаваемое осью, вокруг которой оно происходит. Воображаемая ось вращения Земли представляет собой прямую линию, проходящую от Южного к Северному полюсу, немного выступающую с той и другой стороны и указывающую куда-то в космическое пространство. Но поскольку наша Земля давным-давно была ушиблена громадным космическим обломком, бороздившим просторы Солнечной системы (кстати, в результате этого столкновения образовалась Луна), то ось космического волчка, которым, по сути, и есть наша планета, изменила свое направление. Представьте, что вы смотрите на Солнечную систему сверху вниз, причем Солнце находится посередине, а все планеты Солнечной системы вращаются вокруг него в одной плоскости. Ось Земли слегка наклонена влево. И теперь, поскольку Земля вращается вокруг этой слегка наклоненной оси, она в процессе движения вокруг Солнца должна продолжать вращаться вокруг той же оси, а ось – сохранять свое направление. Таким образом, когда Земля расположена, скажем, слева от Солнца, конец этой оси, выступающий из Северного полюса, указывает в сторону от Солнца, куда-то в космос. Но через шесть месяцев, когда Земля окажется по правую сторону от Солнца, конец оси, выступающий из Северного полюса, будет по-прежнему указывать влево – на сей раз в направлении Солнца. Ось вращения Земли вокруг собственной оси не изменяет направления по мере вращения Земли вокруг Солнца: на нее не воздействуют никакие внешние силы, поэтому она не меняет ориентации в пространстве. Но это означает, что Северный полюс получает больше или меньше солнечного света в зависимости от того, в каком месте своей орбиты находится Земля. Эта особенность вращения Земли вокруг Солнца и является причиной смены времен года [69]. Суточный цикл (регулярная смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг собственной оси, а сезонный цикл (регулярная смена времен года) – наклоном земной оси [70].