65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников

Ньютона, должна существовать соответствующая сила, отклоняющая его от прямолинейного движения. Это комбинация двух сил: гравитации и силы реакции опоры. Именно она постоянно меняет направление движения велосипедиста, удерживая его на круговой траектории. Величина этой силы зависит от скорости тела – чем больше скорость вращения, тем больше будет эта сила; а также от радиуса кривизны его траектории – чем меньше радиус, тем больше сила. Поэтому если велосипедист разогнался недостаточно, то его инерции не хватит, чтобы удержать его на потолке: гравитация окажется сильнее, и он рухнет на землю (так что не пытайтесь повторить этот опыт без присмотра квалифицированных физиков или родителей).

С подобным эффектом вы также можете встретиться в более безопасном эксперименте. Если привязать на веревку какой-то небольшой тяжелый предмет, например камень, и начать его вращать, то вы почувствуете что камень будет пытаться «улететь» от вас, все время растягивая веревку. Причем чем быстрее вы будете его вращать, тем большая сила потребуется, чтобы удержать его, тем больше будет сила натяжения веревки.

Рис. 1. Если выстрелить из пушки вертикально вверх, то снаряд по мере подъема будет постоянно замедляться под действием гравитации, так что в итоге остановится и начнет падать обратно.

Рис. 2. Если выстрелить из пушки параллельно поверхности Земли с недостаточно большой скоростью, то снаряд, пролетев некоторое расстояние, все равно упадет на Землю (возможно, даже на противоположной ее стороне).

Так вот, именно этот принцип и «использует» Луна, чтобы не упасть на Землю. Она просто движется с достаточно большой скоростью, чтобы гравитация Земли не смогла ее вернуть обратно.

Поэтому, если мы хотим, чтобы брошенный камень не упал на Землю, если мы хотим запустить камень в космос (точнее – вывести его на орбиту), то нам придется бросить его не вертикально вверх, а параллельно(!) поверхности Земли, чтобы его траектория была круговой. В этом случае он хоть и будет всё время пытаться упасть на Землю, но из-за слишком большой своей скорости будет постоянно промахиваться мимо поверхности и пролетать чуть дальше, совершая равномерное вращательное движение. Минимальная скорость, которую нужно придать телу вблизи земной поверхности, чтобы оно постоянно вращалось вокруг Земли и никогда не упало, называется первой космической скоростью и равняется примерно 7,9 км/с или 28 400 км/ч. Именно до такой скорости разгоняют ракеты, которые выводят на орбиту Земли искусственные спутники и другие космические аппараты.

Рис. 3. Но если сообщить снаряду (или любому другому телу) скорость 7,9 км/с или больше, то он выйдет на орбиту Земли и будет вращаться по эллиптической орбите, степень «сплюснутости» которой будет зависеть только от скорости снаряда.

Тут пытливый читать может задать вопрос: если есть первая космическая скорость, то, может быть, есть и вторая? А третья? А четвертая? Да, есть! Вторая космическая скорость – это минимальная скорость, до которой нужно разогнать тело, чтобы оно преодолело притяжение Земли и могло улететь, например, к другим планетам нашей Солнечной системы. Значение этой скорости составляет примерно 11,2 км/с или 40 000 км/ч. При скорости чуть больше первой космической, но чуть меньше второй, тело будет всё еще находиться на орбите Земли, только траектория его уже будет не окружностью, а эллипсом. Это такая чуть «сплющенная» окружность[7]. Причем чем больше будет скорость тела, тем более «сплющенной» будет его траектория. Третья космическая скорость – это минимальная скорость, до которой нужно разогнать тело, чтобы оно могло улететь за пределы уже Солнечной системы. А четвертая – чтобы улететь за пределы нашей Галактики. Но это уже совсем другая история, о которой мы поговорим в Части 7 (стр. 319). Но задумывались ли вы, какая максимально возможная скорость во Вселенной? Оказывается, это скорость света.

Вопрос 9. Чему равна скорость света и как ее измерили?

С древних времен ученые спорили о природе света: является ли он волной или потоком частиц[8]. Однако вопрос, по которому почти все они сходились, был вопрос о скорости света – считалось, что скорость света бесконечна. Действительно, как только мы зажигаем огонь или включаем дома лампу, то свет практически мгновенно распространяется во все стороны. Или во время грозы мы всегда сначала видим молнию, свет которой практически мгновенно доходит до нас, и лишь через несколько секунд слышим раскаты грома (хотя и гром, и молния в месте разряда возникают одновременно). Тем не менее попытки измерить скорость света постоянно предпринимались. К примеру, Галилей попытался сделать это следующим образом: он поставил на вершину одного холма своего ассистента, а на вершине другого холма встал сам. После чего Галилей открывал затвор фонаря, подавая тем самым сигнал ассистенту, чтобы тот открыл затвор своего, как только увидит свет фонаря Галилея. Измеряя время между подачей сигнала и получением ответа от ассистента, он надеялся измерить скорость света. Но единственное, что можно было измерить таким образом, это скорость реакции человека. Так что Галилей сделал вывод, что скорость света должна быть беспредельно велика. Тем не менее одно из открытий, которое сделал Галилей, помогло другому ученому впервые измерить эту величину.

В 1609 году Галилей узнал, что в Голландии изобрели «зрительную трубу». Она использовалась для наблюдения удаленных объектов в мореплавании и не только. Но Галилей решил направить эту зрительную трубу в небо. Так был создан первый в истории телескоп. С его помощью Галилей сделал множество открытий: от гор на поверхности Луны до более детального изучения звезд нашей галактики, Млечного Пути. Но наиболее поразившим всех открытием было обнаружение четырех лун Юпитера[9]. Оказалось, что вокруг Юпитера вращаются целых четыре естественных спутника, сегодня их называют галилеевыми[10]. Они представляют собой яркие небесные тела, которые отлично видны даже с Земли в отраженном свете Солнца. Поэтому Галилей назвал их «Звездами Медичи», в честь своего покровителя Великого герцога Тосканского Козимо II де Медичи.

Это открытие имело также очень важное практическое значение. Для задач морской навигации очень важно знать географическую долготу, а для ее определения необходимо знать точное время на корабле. Но достаточно точных часов в те времена еще не сконструировали, поэтому для определения времени нужно было выбрать какое-то небесное явление, которое происходило каждый день в одно и то же время. И в качестве такого явления решили выбрать затмение одной из четырех галилеевых лун, спутника под названием Ио.

Все спутники Юпитера, как и наша Луна, обращаются вокруг своей планеты равномерно, т. е.