Занимательная астрономия - Яков Исидорович Перельман
Люди, мало начитанные в астрономии, нередко высказывают изумление по поводу того, что ученые, не посетив Луны и планет, уверенно говорят о силе тяжести на их поверхности. Между тем совсем нетрудно рассчитать, сколько килограммов должна весить гиря, перенесенная на другие миры. Для этого нужно лишь знать радиус и массу небесного тела.
Рис. 90. Сколько весил бы человек на разных планетах. Вес человека на Плутоне — не 18 кг, а всего лишь 3,6 кг (по современным данным)
Определим, например, напряжение силы тяжести на Луне. Масса Луны, как мы знаем, в 81 раз меньше массы Земли. Если бы Земля обладала такой маленькой массой, то напряжение силы тяжести на ее поверхности было бы в 81 раз слабее, чем теперь. Но по закону Ньютона шар притягивает так, словно вся его масса сосредоточена в центре. Центр Земли отстоит от ее поверхности на расстоянии земного радиуса, центр Луны — на расстоянии лунного радиуса. Но лунный радиус составляет 27 / 100 земного, а от уменьшения расстояния в 100 / 27 раза сила притяжения увеличивается в (100 / 27)2 раз. Значит, в конечном итоге напряжение силы тяжести на поверхности Луны составляет
Итак, гиря в 1 кг, перенесенная на поверхность Луны, весила бы там только 1/6 кг, но, конечно, уменьшение веса можно было бы обнаружить только с помощью пружинных весов (рис. 90), а не рычажных.
Любопытно, что, если бы на Луне существовала вода, пловец чувствовал бы себя в лунном водоеме так же, как на Земле. Его вес уменьшился бы в шесть раз, но во столько же раз уменьшился бы и вес вытесняемой им воды; соотношение между ними было бы такое же, как на Земле, и пловец погружался бы в воду Луны ровно на столько же, насколько погружается он у нас.
Впрочем, усилия подняться над водой дали бы на Луне более заметный результат: раз вес тела пловца уменьшился, оно может быть поднято меньшим напряжением мускулов.
Ниже приведена табличка величины силы тяжести на разных планетах по сравнению с земной.
Как видно из таблички, наша Земля по силе тяжести стоит на пятом месте в Cолнечной системе после Юпитера, Нептуна, Сатурна и Урана[51].
Рекордная тяжесть
Самой большой величины достигает сила тяжести на поверхности тех «белых карликов» типа Сириуса В, о котором мы говорили в главе IV. Легко сообразить, что огромная масса этих светил при сравнительно небольшом радиусе должна обусловить весьма значительное напряжение силы тяжести на их поверхности. Сделаем расчет для той звезды созвездия Кассиопеи, масса которой в 2,8 раза больше массы нашего Солнца, а радиус — вдвое меньше радиуса Земли. Вспомнив, что масса Солнца в 330 000 раз больше земной, устанавливаем, что сила тяжести на поверхности упомянутой звезды превышает земную в
2,8 ∙ 330 000 ∙ 22 = 3 700 000 раз.
1 см3 воды, весящий на Земле 1 г, весил бы на поверхности этой звезды почти 3 3/4 т! 1 см3 вещества самой звезды (которое в 36 000 000 раз плотнее воды) должен в этом удивительном мире иметь чудовищный вес
3 700 000 ∙ 36 000 000 = 133 200 000 000 000 г.
Наперсток вещества, весящий сто миллионов тонн, — вот диковинка, о существовании которой во Вселенной не помышляли еще недавно самые смелые фантасты.
Тяжесть в глубине планет
Как изменился бы вес тела, если бы оно было перенесено в глубь планеты, например на дно фантастической глубокой шахты?
Многие ошибочно считают, что на дне такой шахты тело должно сделаться тяжелее: ведь оно ближе к центру планеты, т. е. к той точке, к которой притягиваются все тела. Это соображение, однако, неправильно: сила притяжения к центру планеты не возрастает на глубине, а, напротив, ослабевает. Общепонятное разъяснение этого читатель может найти в моей «Занимательной физике». Чтобы не повторять сказанного там, замечу лишь следующее.
Рис. 91. Тело внутри шаровой оболочки не имеет веса
Рис. 92. От чего зависит вес тела в недрах планеты?
Рис. 93. К вычислению изменения веса тела с приближением к центру планеты
В механике доказывается, что тела, помещенные в полость однородной шаровой оболочки, совсем лишены веса (рис. 91). Отсюда следует, что тело, находящееся внутри сплошного однородного шара, подвержено притяжению только той части вещества, которая заключена в шаре с радиусом, равным удалению тела от центра (рис. 92).
Опираясь на эти положения, нетрудно вывести закон, по которому изменяется вес тела с приближением к центру планеты. Обозначим радиус планеты (рис. 93) через R и расстояние тела от ее центра через r. Сила притяжения тела в этой точке должна возрасти в (R / r)2 раз и одновременно ослабеть в (R / r)3 раз (так как притягивающая часть планеты уменьшилась в указанное число раз). В конечном итоге сила притяжения должна ослабеть в
Значит, в глубине планет вес тела должен уменьшиться во столько же раз, во сколько раз уменьшилось расстояние до центра. Для планеты таких размеров, как наша Земля, имеющей радиус в 6400 км, углубление на 3200 км должно сопровождаться уменьшением веса вдвое, углубление на 5600 км — уменьшением веса в
В самом центре планеты тело должно потерять свой вес полностью, так как
Это, впрочем, можно было предвидеть и без вычислений, так как в центре планеты тело притягивается окружающим веществом со всех сторон с одинаковой силой. Высказанные соображения относятся к воображаемой планете, однородной по плотности. К планетам реальным они приложимы лишь с оговорками. В частности, для земного шара, плотность которого в глубине больше, чем близ поверхности, закон изменения силы тяжести с приближением к центру несколько отступает от сейчас установленного: до некоторой (сравнительно небольшой) глубины притяжение возрастает и лишь при дальнейшем углублении начинает убывать.
Лунные и солнечные приливы
Не следует думать, что приливная волна поднимается просто оттого, что Луна или Солнце непосредственно притягивают к себе воду. Луна притягивает не только то, что находится
