Нурбей Гулиа - Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах

Впервые мысль об этом законе возникла еще у Ньютона – студента, но вычисления его не дали нужной точности (погрешность была около 15 %), и Ньютон с горечью отложил эту работу. Дело в том, что Ньютон для расчетов использовал неточное значение радиуса Земли. Потом, уже через 18 лет, когда радиус Земли был достаточно точно определен Пикаром, Ньютон снова взялся за вычисления и доказал правильность своего предположения. Он тщательно проверил свой закон на известных ему данных о движениях планет и комет и опубликовал результаты своих исследований только в 1687 году.

1.12. Вопрос. Почему Луна постоянно повернута к Земле одной стороной?

Ответ. Большинство ученых полагает, что Земля и Луна возникли из одного и того же первичного материала, причем из-за высокой температуры этот материал был жидкой или пастообразной консистенции. При этом Земля и Луна находились гораздо ближе друг к другу, чем сейчас, и Луна быстрее вращалась вокруг своей оси. Огромное притяжение Земли вызывало на Луне «приливы» самого материала Луны. Из-за больших потерь кинетической энергии на эти «приливы» Луна быстро теряла скорость своего вращения, пока период собственного вращения Луны не стал равен периоду ее обращения вокруг Земли. Когда Луна обратилась к Земле только одной своей стороной, потери на приливные явления на Луне прекратились. В таком положении Луна остыла и затвердела.

1.13. Вопрос. Откуда известно, что Луна раньше находилась гораздо ближе к Земле, чем сейчас?

Ответ. Наблюдения показывают, что Луна имеет более вытянутую по направлению к Земле форму, чем следовало ожидать, если бы Луна затвердела на ее нынешнем расстоянии от Земли. Поэтому был сделан вывод, что в те далекие времена, когда Луна была жидкой или пастообразной, она находилась значительно ближе к Земле, чем сейчас, и приливный «горб» на ней от притяжения Земли был весьма велик.

1.14. Вопрос. Чем объяснить тот факт, что Луна постоянно удаляется от Земли? Ведь если бы ее кинетическая энергия «терялась», то Луна, напротив, приближалась бы к Земле вплоть до падения на нее?

Ответ. Приливы в океанах Земли, оказывается, не уменьшают, а увеличивают суммарную (кинетическую плюс потенциальную) энергию Луны в ее вращении вокруг Земли. На смещение воды в океанах на Земле тратится кинетическая энергия системы «Земля – Луна». Но так как Земля в своем суточном вращении имеет большую угловую скорость, чем Луна в своем вращении вокруг Земли, то угловая скорость вращения Земли снижается, а энергия Луны в ее вращении вокруг Земли увеличивается. Таким образом, Земля своими приливными явлениями увеличивает ее суммарную энергию, и соответственно, Луна отдаляется от Земли (см. ответ на вопрос 1.16).

Луна уже миллиарды лет тормозит Землю и разгоняется сама за счет приливов и отливов на Земле. Три миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раза быстрее, а ее кинетическая энергия была почти в 7,3 раза больше, чем сейчас!

Постепенно Луна отдаляется от Земли и наступит такое время, когда ее орбитальный период станет равным периоду суточного вращения Земли, что составит около 1 200 часов или 50 современных суток. Стало быть, сутки на Земле станут в 50 раз длиннее, а Луна будет неподвижно висеть над одним и тем же местом на Земле.

Если к тому времени будут созданы достаточно прочные материалы, то Землю и Луну можно будет соединить тросом, по которому будут ходить космические лифты, перевозящие пассажиров и грузы с Земли на Луну и обратно. Но не стоит обольщаться, будет это еще очень и очень нескоро, и нам на этих лифтах путешествовать не придется!

Аналогичные явления ожидают и Землю в ее вращении вокруг Солнца, только все будет происходить гораздо медленнее. В конце концов Земля обратится к Солнцу одной стороной, как это уже почти сделал Меркурий (день на Меркурии практически равен его году).

Последствия для Земли, конечно, ожидаются при этом катастрофические: одна сторона будет «поджариваться» до сотен градусов по Цельсию, а другая – замерзать в космическом холоде. Но и это явление наступит нескоро – через миллиарды лет, за которые Солнце, возможно, успеет «взорваться» и поглотить в этом взрыве всю Солнечную систему.

1.15. Вопрос. Каким образом Луна вызывает приливы и отливы на Земле?

Ответ. Вот наиболее простое и часто приводимое объяснение появления приливов и отливов. Действительно, притяжение Луны должно вызвать появление «горба» на поверхности океанов на Земле, причем «горб» этот будет вытянут в сторону Луны. Земля вращается, а «горб» удерживается Луной на одном и том же месте относительно Луны; поэтому вода в океане будет поочередно повышать свой уровень на различных участках. Водяной «горб» как огромная волна будет катиться по океану в сторону, противоположную вращению Земли, затапливая на своем пути участки суши. Явление это называется приливом. Отступая, эта волна будет спадать, вызывая отлив (рис. 1).

Рис. 1. Наиболее распространенное, но неверное представление о возникновении приливов и отливов.

Такое объяснение приводит к противоречию, суть которого в следующем.

Если бы «горб», вызванный притяжением Луны, был один (как показано на рис. 1), то приливы и отливы повторялись бы лишь раз в сутки. Но они происходят два раза в сутки – через каждые 12 часов!

Дело в том, что в океанах Земли образуются не один, а два водяных «горба». Один – по уже известной причине. Второй же «горб» образуется как раз потому, что не Луна вращается вокруг Земли, а эти небесные тела вращаются вокруг общего центра масс.

Этот центр масс находится на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны, причем он сдвинут в сторону центра масс Земли, так как Земля значительно – в 80 раз – массивнее Луны. Вот и центр масс системы «Земля-Луна» в 80 раз ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Считая расстояние между центрами Земли и Луны примерно равным 400 тыс. км, получим, что центр масс системы будет отстоять от центра масс Земли всего на 5 тыс. км. То есть он будет находиться даже внутри Земли, немного «не дотягивая» до ее поверхности, – ведь радиус Земли составляет около 6,25 тыс. км. Этот центр показан на рис. 2.

Рис. 2. Два водяных «горба» в океанах Земли.

Вот и вращаются центры масс Земли и Луны вокруг этого общего центра масс, причем вода в океанах, стремясь двигаться по прямой вследствие инерции, «отодвигается» на максимально возможное расстояние от центра вращения. Так образуется второй водяной «горб» на противоположной стороне Земли. Чтобы отличить их друг от друга, назовем «горб», вытянутый к Луне, – гравитационным, а вытянутый в обратную сторону – инерционным.