Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

Представьте себе, что есть некий наблюдатель, сидящий в неподвижном относительно Земли космическом корабле. И у него есть суперсовременное устройство, позволяющее следить за воздушными потоками. Поток воздуха, который с точки зрения космического наблюдателя движется по прямой линии, с точки зрения земного – должен двигаться по изогнутой траектории. Вращение Земли и трение между воздухом и Землей сдвигают воздух в одну сторону и заставляют воздушный поток изгибаться. В Северном полушарии, которое вращается против часовой стрелки, воздух, движущийся по поверхности Земли, немного смещается вправо. Это означает, что по мере того, как воздух проникает внутрь области низкого давления, он начинает вращаться по спирали вокруг и вправо, в результате чего приобретает направление против часовой стрелки. Если же наблюдатель перенесется к Южному полушарию, то при взгляде на него со своего спутника увидит, что оно вращается по часовой стрелке. Так что в области низкого давления к югу от экватора воздух закручивается спиралью тоже по часовой стрелке.

Эти спиральные циклоны создают крупномасштабные движения воздуха, которые управляют большей частью погоды на Земле. Наиболее очевидными из этих крупных циркуляций являются ураганы, вращающиеся против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном. Эффект Кориолиса представляет собой значительную силу, когда движение воздуха наблюдается на больших расстояниях, соизмеримых с диаметром Земли, и во временном масштабе больше, чем суточный период вращения Земли.

В небольших масштабах – например, в раковине – наблюдать эффект Кориолиса немного затруднительно, но все-таки возможно. В 1962 году профессор инженерного факультета Массачусетского технологического института в США построил огромную идеально круглую раковину, имеющую диаметр почти 2 метра и достигающую 15 см в глубину. Ее наполнили водой и оставили на 24 часа, закрыв при этом сверху, чтобы сквозняки не мешали воде; в помещении, в котором она находилась, тщательно поддерживалась постоянная температура. Когда пробку вынули, потребовалось 20 минут, чтобы осушить раковину. Опыт повторили несколько раз, и вода неизменно сливалась против часовой стрелки – точно так, как предсказывал эффект Кориолиса.

Хорошо, но почему же тогда в моей раковине вода всегда сливается по часовой стрелке, хотя я нахожусь в северном полушарии? Дело тут в форме раковины и в том, что почти во всех странах холодный кран принято устанавливать с правой стороны, причем давление холодной воды, как правило, выше, чем горячей. Когда вы заполняете раковину из обоих кранов, холодная вода закручивает воду справа по часовой стрелке. Когда вы вынимаете пробку, остается вращательный момент и образуется вихрь, также закручивающий воду по часовой стрелке. Конечно, эффект Кориолиса, противостоящий этому вихрю, будет иметь место, но он получится совсем слабым.

Оказывается, если у вас нет огромной раковины с абсолютно симметричными потоками, вы ничего и не увидите. Эффект Кориолиса невозможно обнаружить в обычной раковине или ванне. Расстояние, которое вода преодолевает, двигаясь от края раковины к центру, ничтожно мало по сравнению с размерами Земли. Кроме того, движение происходит в течение минуты или около того, что также является крошечной долей того времени, которое требуется Земле, чтобы совершить оборот вокруг своей оси.

В таком случае что же увидели на экваторе Майкл Пэйлин и многие другие туристы? Обычный фокус. Воде просто подсказали, куда нужно закручиваться. Да вы и сами можете попробовать это провернуть в своей собственной раковине. Секрет в том, чтобы осторожно наполнить ее, наливая воду немного не по центру. Это гарантирует, что она сохранит ничтожное, почти незаметное вращение. Меняя направление при наливании воды, можно изменить ее направление и при сливе. Вытащите пробку, и вуаля! Вы можете опустошить раковину и по часовой стрелке, и против – как вам угодно. Таким образом, хотя эффект Кориолиса – это реальность, лежащая в основе всей нашей погоды, единственный способ воссоздать ее в быту – это всегда немного ловкость рук.

Эйнштейн, теория относительности и ваш смартфон

Эйнштейн по праву знаменит рядом экстраординарных открытий. Были, конечно, и великолепные волосы, которыми он щеголял особенно в конце жизни, но, вероятно, более важной является все же его работа над теорией относительности. Вместе взятые, специальная и общая теории относительности стали единой теорией, которая объясняет, как взаимодействуют время, гравитация и скорость. В обычной жизни мы редко сталкиваемся с теорией относительности, ведь ее эффекты можно наблюдать только на огромных расстояниях или при движении со скоростью, близкой к скорости света. Однако в кармане, или где бы то ни было еще, у вас наверняка лежит смартфон – и это устройство уже четко демонстрирует все грани гениальности Эйнштейна и его теории относительности.

Внутри почти любого смартфона есть крошечный чип, прикрепленный к встроенной антенне. Он вычисляет, где на поверхности Земли находится телефон с точностью до 3–4 метров. Глобальная система позиционирования, или GPS, которая позволяет смартфону это делать, опирается не только на сеть спутников, вращающихся вокруг Земли, но и на глубокое понимание теории относительности.

Работа спутника GPS на первый взгляд довольно проста. Каждые 30 секунд он передает радиосигнал, содержащий не только время отправки сообщения, но и информацию о точном положении спутника над Землей. Первое – время передачи – указывается по атомным часам на борту спутника, которые невероятно точны. Их точность – до 1 секунды на каждые 138 миллионов лет. Узнать, где находится сам спутник, тоже не особенно сложно. Поскольку он вращается вокруг Земли над атмосферой, его перемещения легко предсказываются с помощью базовых законов движения. Тем не менее координаты всех спутников GPS постоянно контролируются посредством наземного радара, что позволяет вносить любые, пусть даже самые крошечные поправки в их положение. Вся эта информация сжимается в пакеты и передается вниз на Землю каждые полторы минуты.

Когда ваш телефон получает один сигнал, сам по себе он бесполезен. Смартфону нужно собрать сигналы с трех разных спутников в течение примерно 30 секунд, прежде чем он сможет приступить к сложной математике, называемой трилатерацией. Обратите внимание, что этот процесс отличается от родственной триангуляции, поскольку ваш телефон не знает, под каким углом приходят спутниковые сигналы. Однако он в курсе, за какое время, ведь у телефона есть свои часы. Посмотрев на разницу между временем отправки и временем получения, он может определить, как долго сообщение добиралась до адресата.

Поскольку мы знаем, что радиосигнал распространяется со скоростью света, наши смартфоны способны определить, как далеко находятся спутники, посылающие сигнал.