Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Интересно в таком случае, какая сила заставляет тела падать на Землю. Эта сила должна быть направлена к центру Земли и сообщать падающим телам одинаковое ускорение свободного падения практически в любом месте планеты. На самом деле, как сейчас достоверно установлено, ускорение свободного падения сильно меняется в зависимости от широты и массы вещества в данном участке планеты. По этой причине земной шар не является идеальным шаром. Он сильно сжат в Северном полушарии, имеет отчасти грушевидную, а отчасти картофелевидную форму, за что называется среди географов не шаром, а геоидом. Впрочем, из-за сходства с картофелиной некоторые предлагают называть форму нашей планеты потатоидом (буквально «картошковидный»).
Мысли о существовании такой силы зародились у Ньютона, когда ему было 23 года. Если верить дошедшей до нас истории, поводом для столь глубоких мыслей послужило яблоко, которое упало на голову молодому гению во время его отдыха в саду. Четко сформулировать закон всемирного тяготения Ньютон смог, когда занялся астрономией. Сила притяжения наглядно проявляется в космосе, где одни тела обращаются вокруг других.
Во-первых, причиной столь отчетливой выраженности являются колоссальные массы тел, сопоставимые с массой земли. Два человека притягиваются слабо из-за своей ничтожной массы, тогда как тяжелые планеты обладают колоссальной гравитацией (от латинского gravis — «тяжелый»). В зависимости от массы тело способно развивать определенную силу притяжения и таким образом взаимодействовать с другими телами. Верно ли это суждение? Ньютон попытался найти закономерности в движении Луны по околоземной орбите.
Луна обращается вокруг нашей планеты под действием силы тяжести, которая направлена к центру планеты. Сила сообщает спутнику ускорение, которое нетрудно замерить астрономическими методами.
Затем ученый сравнил ускорение Луны с ускорением свободного падения, которое сообщается падающим телам у земной поверхности. Оказалось, что ускорение убывает пропорционально квадрату расстояния, а значит, точно так же ведет себя и сила тяготения. Ньютон задается новым вопросом: как будет двигаться тело под действием силы тяжести, убывающей пропорционально квадрату расстояния?
Над этим вопросом работал и английский астроном Э. Галлей. Он предположил, что яркие кометы, наблюдаемые учеными вот уже 6 столетий подряд с четким интервалом во времени, — это периодические появления одной и той же кометы. Она находится в Солнечной системе и обращается вокруг Солнца, как и планеты. Ныне этот небесный объект называется кометой Галлея.
Астроном вычислил, что комета должна двигаться по эллиптической орбите с периодом около 76 лет, однако ничем более доказать свои суждения не смог. Тогда Галлей решил обратиться за помощью к Ньютону, о работах которого случайно услышал. Ньютон к тому времени уже точно знал, что сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния, заставляет тело двигаться по эллипсу или подобным фигурам, относящимся к т. н. коническим сечениям. Между учеными завязалась дружба, и впоследствии их исследования во многом дополняли друг друга, что, несомненно, их значительно обогащало.
Современные астрономы могут точно сказать, что все тела в пределах Солнечной системы движутся по коническим сечениям. Преимущественно орбиты имеют эллиптическую форму, но есть гиперболические и параболические (у комет вблизи Солнца), а также приближенно круговые (у Луны и галилеевых спутников Юпитера). Подтвердилась и другая догадка Ньютона. Он первым предположил, что Вселенная бесконечна, иначе она бы сжалась под действием гравитации в точку. Мир действительно не имеет границ, он беспределен.
Ньютон утверждал: «Тяготение универсально», т. е. всемирно. Оттого его закон гравитации вошел в физику как закон всемирного тяготения. Если следовать научной строгости, то закон не соблюдается одинаково во всем бесконечном пространстве Вселенной. Но в каждой отдельно взятой точке космоса закон действует безупречно, а сама гравитация распространена повсеместно. Она представляет собой поле, отдаленно напоминающее магнитное. Через это поле массы обмениваются гравитационным взаимодействием и за счет этого взаимно притягиваются.
Притягивают и притягиваются все физические тела. Яблоко, например, тоже притягивает Землю, а наша планета падает на яблоко. К сожалению, мы не можем наблюдать подобный процесс. И этому существует объяснение. Два тела своими гравитационными полями приводятся в движение, протекающее относительно общего центра масс. Для системы тел Земля — Луна центр масс лежит внутри земного шара. Для Солнечной системы он лежит глубоко в горячих недрах Солнца. Для системы тел Земля — яблоко он находится почти в центре планеты. Туда и стремится попасть яблоко.
Если бы яблоко и планета имели примерно равные массы и размеры, то оба обращались бы вокруг общего центра масс.
Они не служили бы фокусом орбиты. Так происходит с двойными звездами. Находясь на поверхности Земли, люди могут видеть лишь действие земного тяготения, собственного притяжения мы не ощущаем. А оно существует.
Подсчитаем, с какой силой притягиваются два человека. Пусть это будут Дон Жуан и Красавица. Если они стоят в 100 м друг от друга, то величина силы составит 3 на 10-11 Н (ньютонов). Для сравнения отметим, что ручная сила, т. е. сила сжатия кисти, 18-летнего юноши равна 485 Н. Будучи в космосе, Дон Жуан приблизился бы к Красавице примерно за 8 с, не прилагая при этом усилий мышц благодаря гравитации. Но на Земле осуществить такой полет никак нельзя, поскольку тяготению между столь малыми массами здесь препятствует сила трения, равная 200 Н. Для преодоления трения Дон Жуану придется совершить мышечную работу.
Возвращаясь к разговору о Ньютоне, хочется отметить, что, в отличие от многих других ученых, он заслужил признание еще при жизни. На закате дней имя Ньютона было озарено лучами славы, он пользовался заслуженным почетом и уважением со стороны знати, коллег-ученых, простолюдинов. Однако гениальный ученый не испытывал головокружения от неожиданного признания, но скромно объяснял: «Я и видел далеко лишь потому, что, как карлик, стоял на плечах гигантов». Эти слова физика — своего рода дань уважения предшественникам, благодаря научному опыту которых стали возможными и его открытия.
Важнейшие изобретения баллистики
Законы, сформулированные Ньютоном, позволяют человеку не только изучать Вселенную на расстоянии, но и разрабатывать технику космических полетов. Чтобы создать аппарат, способный покинуть поле земного тяготения и уйти к другим планетам, требуется сначала рассчитать особенности его движения. Ведь без математики инженеры не смогут узнать о скоростях, ускорениях, нагрузках и энергетических затратах, с которыми предстоит столкнуться проектируемому реактивному снаряду во время намеченного полета.
Нужно установить, при какой оптимальной массе возможны наилучшие условия старта, наиболее экономичная и целесообразная траектория на том или ином участке полета и т. д. Прикладная физическая дисциплина, занимающаяся вычислениями такого рода и описанием полета реактивных снарядов, носит название космической баллистики. Баллистика вообще представляет собой науку о движении снарядов под действием на них всевозможных сил.
Баллистика занимается, кроме прочего, изучением полета боевых снарядов. Само название орудия восходит к латинскому слову «баллиста». Так древние римляне окрестили метательное осадное орудие, применявшееся при штурме укрепленных городов. Наиболее простейший вариант, с которым имеют дело современные баллистики, занимающиеся динамикой космических полетов, — это поведение реактивного снаряда в гравитационном поле.
Задачей ракетной техники является выведение в космическое пространство (на орбиту или межпланетную трассу) летательного аппарата и любого другого тела, которые носят название полезного груза. Полезным грузом может быть все: модуль орбитальной станции, шаттл, искусственный спутник, межпланетный зонд, сами космонавты. Полезный груз, в отличие от самого снаряда, будет выполнять работу вне Земли.
Масса полезного груза очень велика, поэтому, чтобы вынести его в космос, требуется затратить большое количество энергии. Беспредельно уменьшать массу невозможно, поскольку в этом случае многие технические узлы не станут функционировать. Если же на орбиту отправляется космонавт, то его массу и массу необходимых ему пищи и кислорода невозможно сократить ни при каких условиях. Поэтому перед баллистиками встает проблема стартовой скорости ракеты.
В течение всего полета двигаться на одной и той же скорости снаряд не может, поскольку нести большую массу, достигающую порядка 10 т минимум, можно лишь при больших запасах энергии. Однако столь внушительное количество топлива само обладает солидной массой. В итоге придется добавлять топливо для перевозки топлива и далее до бесконечности. Возможен ли полет без непрерывных энергетических затрат?
