ЧАЙНЫЕ ЛОЖЕЧКИ, СПИРАЛИ И СПУТНИК

Правила вращения

Пузырьки замечательны тем, что вы всегда знаете, где их искать: на­верху. Они либо поднимаются туда, как в аквариуме или плавательном бассейне, либо толпятся наверху, как в бокале с шампанским или кружке с пивом. Пузырьки неизменно прокладывают себе путь на самый верх жидкости, в которой возникают. Но когда в следующий раз будете помешивать ложечкой чай или кофе в чашке, обратите внимание, что при этом происходит на поверхности жидкости. Прежде всего вы заметите воронку, по краям которой жидкость слегка приподнимается, а в центре образуется «отверстие». Что примечательно, пузырьки вращаются вместе с жидкостью у его нижнего края. Наверху жидкости и по краям воронки пузырьков нет. Они скрываются в нижней точке на поверхности и остаются там. Если вы попытаетесь растолкать их в стороны, они все равно вернутся на прежнее место. Если вы создадите новые пузырьки по краям, они по спирали вернутся к центру. Странно.

При помешивании чая ложечкой я оказываю давление на жидкость. Я толкаю ее вперед, но до внутренней стенки чашки жидкости нужно преодолеть очень небольшое расстояние. Если бы я помешивала ложечкой воду в плавательном бассейне, то вода, находящаяся перед ложечкой, двигалась бы вперед и продолжала бы движение до тех пор, пока не смешалась бы с остальной водой в бассейне. Но при помешивании чая этого произойти не может из-за очень ограниченного пространства. Так как боковая поверхность чашки не может никуда сместиться, она отталкивает в обратную сторону жидкость, которая на нее наталкивается, ведь чай не может пройти сквозь чашку и не может двигаться по прямой линии, поэтому начинает движение по кругу вдоль боковой стенки чашки. Но по мере развития процесса жидкость будет собираться у боковой поверхности чашки, поскольку лишь она способна оказывать противодействие жидкости, движущейся в ее сторону. Чай по-прежнему будет стремиться к движению по прямой, но ему придется двигаться по кругу ввиду кривизны боковой стенки чашки.

Это первый урок, касающийся вращения тех или иных объектов. Если бы вы внезапно убрали препятствие, мешающее первоначальному направлению их движения, они продолжили бы его в том направлении, в котором двигались в момент освобождения. Представьте дискобола, вращающегося вокруг собственной оси с диском в руке. После нескольких стремительных оборотов диск движется очень быстро, но по кругу, потому что дискобол надежно сжимает его в руке. В процессе вращения дискоболу приходится тянуть диск к центру вращения. Сила, с которой он тянет диск, направлена к центру вращения и совпадает с линией вытянутой руки дискобола. В момент, когда дискобол выпустит диск, диск начнет двигаться вперед по прямой линии, сохраняя направление и скорость, которые он имел в момент, непосредственно предшествующий раскрытию руки дискобола.

Когда я помешиваю чай, на его поверхности образуется «дыра», потому что каждая его капелька пытается двигаться по прямой, из-за чего наталкивается на боковую стенку чашки, тогда как в середине чашки остается меньше жидкости. Когда я прекращаю помешивать чай, «дыра» в середине чая остается, поскольку жидкость продолжает вращение. По мере замедления вращения стенки чашки оказывают все меньшее обратное давление на жидкость и в конечном счете его становится недостаточно для поддержания вращения жидкости. Жидкость, накопившаяся у боковой поверхности чашки, возвращается к центру. Весь процесс легко проследить в жидкости, которая может свободно двигаться и, следовательно, легко изменять форму.

А в центре кругов, образующихся в результате помешивания, можно наблюдать вращение пузырьков. Их наличие в центре говорит о том, что это место для них самое подходящее. Когда на столе стоит стакан с пивом, пузырьки поднимаются вверх, поскольку пиво выигрывает конкуренцию за право быть как можно ближе ко дну стакана. То же самое можно сказать о чашке чая. Пузырьки собираются в ее середине потому, что чай выигрывает конкуренцию за право двигаться к боковой стенке чашки. Жидкость обладает большей плотностью, чем газ, поэтому газ собирается в освободившемся месте, то есть у центра.

В современном мире масса вращающихся объектов: центрифуги для сушки одежды, дискоболы, карусели и гироскопы. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца и одновременно вокруг собственной оси. Вращение — важный вид движения, так как позволяет проделывать множество интересных вещей. Иногда при этом задействуются колоссальные силы и огромные энергии, хотя фактически все остается на месте. Худшее, что может случиться, — вы просто вернетесь в то место, с которого стартовали. Пузырьки в чае — это только начало. Тот же принцип объясняет, почему не следует запускать ракету из Антарктики и как врачи определяют, достаточно ли у вас в крови красных кровяных телец (эритроцитов). Вращение также может играть важную роль в энергетической системе будущего. Все эти вещи проистекают из одного ограничения: отсутствия возможности двигаться по прямой.

Если вы движетесь по кругу, то должно быть нечто такое, что либо тянет, либо толкает вас внутрь, заставляя непрерывно менять направление. Это касается всего, что вращается, независимо от конкретной ситуации. Если убрать эту дополнительную силу, вы продолжите движение по прямой линии. Таким образом, если вы хотите двигаться по кругу, то в вашем распоряжении должно быть что-то, что обеспечит дополнительное усилие, направленное внутрь. Чем быстрее вы вращаетесь, тем большим оно должно быть. Гонки по замкнутому кругу относятся к числу наиболее зрелищных видов спорта: у них такое же достоинство, как и у всего, что вращается. Вы можете достигать огромных скоростей на сравнительно небольшом «пятачке», и зрителям не нужно гоняться за вами, чтобы не упустить деталей. Помещения для гонок в основном делают очень длинными, чтобы гарантировать, что на гонщиков будет воздействовать сила, направленная внутрь и достаточная для того, чтобы гонщика не вынесло за пределы трека. Самые очевидные примеры таких зданий — крытые велотреки. Но когда я впервые оказалась на одном из них, меня поразили не столько его размеры, сколько крутизна.

Всю жизнь я обожала кататься на велосипеде, но этот велотрек не имел ничего общего с моими представлениями о велосипедной езде. Оказавшись на Олимпийском велодроме в Лондоне, я была поражена его ярким освещением, необъятностью размеров и необычной тишиной, царящей внутри. Желающим попробовать себя «в деле» (а я не могла упустить такой шанс) предлагают усесться на невзрачный, «тощий» гоночный велосипед с единственной зубчатой передачей, без тормозов и с самым неудобным сиденьем из тех, на какие мне когда-либо приходилось усаживаться. Когда наконец собралась группа из таких же, как я, новичков, нас вывели на трек. Чтобы усесться на велосипед и поставить ноги на педали, нужно было крепко держаться за поручни трека. Гоночный трек состоит из двух длинных сторон, на которых можно двигаться по прямой, и двух коротких, чрезвычайно крутых (местами крутизна достигала 43°) участков (виражей), — настолько крутых, что создается впечатление, будто перед вами просто отвесная стена. Проехать по ней на велосипеде казалось мне совершенно немыслимым. Впрочем, отступать было поздно. Гоночный трек ждал нас.

Сперва нам предложили прокатиться по ровной дорожке, расположенной внутри главного трека. Ее поверхность была идеально гладкой, и мы получили истинное удовольствие. Затем нам посоветовали попробовать свои силы на голубой дорожке, расположенной под относительно небольшим углом к горизонту. С этой задачей наша группа справилась довольно легко. А потом, чувствуя себя птенцами, которых выпихивают из гнезда, чтобы они научились летать, мы поплелись на главный трек.

Впереди меня ждал неприятный сюрприз. Я-то думала, что вираж имеет переменную крутизну: внизу поменьше, вверху — побольше. Ничуть не бывало! Вверху и внизу его крутизна одинакова. Инстинкт мне подсказывал, что при входе в вираж нужно как можно быстрее крутить педали; именно так я и поступала. После первых трех кругов я напрочь забыла о чрезвычайно неудобном сиденье моего велосипеда. Мы преодолевали круг за кругом, подобно полоумным хомячкам, вертящимся в гигантском беличьем колесе, и лишь время от времени останавливались, чтобы инструкторы могли проверить наше состояние. В течение всех двад­цати пяти минут, пока мы наматывали круги, меня всякий раз охватывал ужас при приближении к виражу. Но я ведь только училась!

В трековых велогонках задача гонщика — наклонить велосипед внутрь настолько, чтобы он составлял прямой угол с дорожкой. Единственный способ этого добиться, не свалившись по склону вниз, — ехать как можно быстрее. В этом случае происходящее с гонщиком на треке напоминает ситуацию с размешиванием ложечкой чая в чашке. Велосипед хочет продолжать двигаться по горизонтали, но не может, поскольку на его пути лежит вираж. Обратное отталкивание от трека создает силу, направленную внутрь, благодаря которой вы можете двигаться по кругу. Велосипед настолько сильно надавливает на трек, что если силу этого давления сложить с силой земного притяжения, то создается впечатление, будто сила земного притяжения изменила направление. Теперь все выглядит так, словно вы притягиваетесь к треку, а не вниз, к центру Земли. Чем быстрее вы крутите педали, тем больше изменяете направление «результирующей» силы земного притяжения. Ощущение, что вы движетесь по отвесной стене, не покидает вас, но по крайней мере появляется чувство, что вас удерживает от падения нечто хорошо вам знакомое.

С теоретической точки зрения ничего непонятного для меня нет, но на практике все выглядит несколько иначе. Прежде всего у вас нет возможности немного передохнуть и расслабиться. Вы не можете остановиться и какое-то время двигаться на «свободном ходу» — вам приходится все время крутить педали. Колеса движутся по кругу, ваши ноги движутся по кругу, велосипед движется по кругу — суть езды на велотреке в том и заключается, что все движется по кругу. Пару раз я инстинктивно приостанавливалась, пытаясь сделать передышку хотя бы на две-три секунды, но тотчас же получала гигантскую порцию адреналина из-за угрозы неминуемого и весьма болезненного падения. На велосипедах, предназначенных для гонок на велотреке, вообще невозможно двигаться на «свободном ходу». Вам приходится безостановочно крутить педали, даже если ваши ноги сводит судорога. Если замедлить движение, вы сразу же начинаете «сползать» с трека. Этот опыт позволил мне по-новому взглянуть на велогонщиков, занимающихся этим профессионально. На велотреке во время соревнований, кроме вас, есть и ваши соперники. При попытке обогнать кого-то из них вам приходится проделывать более длинный путь, а для этого необходимо существенно увеличить скорость. Я была счастлива оттого, что мне не нужно прибегать к таким ускорениям — ведь мы не соревновались, а просто осваивали езду на велотреке.

Из опыта езды на велотреке я извлекла следующий урок: если вы все делаете правильно, то более крутые склоны будут оказывать на вас более сильное воздействие, направленное внутрь. А причина, почему оно нужно именно на крутых (то есть на виражах), а не на прямых участках трека, заключается в том, что как раз на полукруглых виражах вы изменяете направление движения. Причем чем быстрее вы это делаете, тем большее воздействие вам необходимо. Если бы вы попытались со столь же высокой скоростью изменить направление движения на плоском (без склона) вираже, то вас неминуемо занесло бы на повороте: одной лишь силы сцепления шин велосипедных колес с покрытием трека оказалось бы недостаточно, чтобы обеспечить нужную силу воздействия, направленного внутрь. Велодром — это следствие решения велогонщиков не ограничивать свое желание наращивать скорость гонок тем, что позволяла им сила сцепления шин велосипедных колес с покрытием дорожки.

Если вас когда-либо интересовало, какие ощущения возникают у однопенсовой монеты, скатывающейся по воронкообразному желобу, в который ее обычно опускают для благотворительных целей, то советую воспользоваться моим опытом езды на велодроме. К концу часа, проведенного на велотреке, я получила изрядную порцию адреналина и была по-настоящему рада завершению эксперимента. Главным, что я узнала о результирующей силе земного притяжения, «втягивающей» меня в трек, стало понимание очень простой вещи: если я внезапно остановлюсь, то на смену результирующей силе придет сила земного притяжения. А мысль о силе земного притяжения, направленной строго к центру Земли, может показаться не очень-то приятной велосипедисту, который внезапно остановился на дорожке, расположенной под углом 43° к горизонту.

Со стороны дорожки на велогонщика воздействует сила, направленная внутрь. По своей природе она такая же, как и та, с которой на нас все время давит земля, когда мы ходим по ней или просто стоим на месте. Если бы земля под нами внезапно разверзлась, то мы начали бы падать вниз под действием силы земного притяжения. Таким образом, сама по себе земля давит на нас снизу, противодействуя тем самым силе земного притяжения. Велогонщики ощущают воздействие со стороны трека, который толкает их в двух направлениях: вверх и внутрь. В целом это будет ощущаться так, словно сила земного притяжения тянет велогонщика вниз и наружу.

В велогонках есть соревнование под названием «быстротечный одиночный заезд на скорость на дистанции 200 метров». Гонщик набирает скорость еще до запуска секундомера. Мировой рекорд в таком заезде, на момент написания этой книги, принадлежал французскому велогонщику Франсуа Первису и равнялся 9,347 секунды. То есть гонщик ежесекундно преодолевает 21 метр, что эквивалентно примерно 76 километрам в час. Чтобы велогонщик прошел на этой скорости вираж велотрека, дорожка должна давить на него внутрь почти с той же силой, с какой толкает его вверх. Франсуа Первис придавливался к дорожке с силой, почти вдвое превышающей обычную силу земного притяжения.

Как было показано в , постоянная фоновая сила наподобие силы земного притяжения применяется во многих областях нашей жизни, причем некоторые из них (например, сепарация сливок) насчитывают не одну сотню лет. Однако неплохой альтернативой таким силам может служить вращение. Вам не нужно отправляться на другую планету, чтобы воспользоваться преимуществами повышенной гравитации. У вело­гонщиков, проносящихся по верхнему краю трека, почти всегда есть возможность удвоить свою результирующую силу гравитации, но даже самые быстрые велогонщики в мире достигают «всего лишь» примерно 80 километров в час. Теоретически вы можете двигаться еще быстрее, испытывая на себе действие все больших сил.

Вспомните, как в  мы говорили, что гравитация помогает каплям сливок отделиться от остального молока и подняться к горлышку бутылки. Если сила, тянущая молоко вниз, будет по крайней мере такой же, как сила земного притяжения, то для отделения сливок от молока понадобится всего два-три часа. Но если молоко поместить в длинную трубку и заставить ее вращаться с высокой скоростью, то сила вытягивания, направленная наружу, окажется настолько большой, что сливки удастся отделить от остального молока буквально за несколько секунд. Именно на этом принципе основано действие современных молочных сепараторов — мы не можем сидеть и ждать, пока сливки отделятся от остального молока сами по себе. У современной пищевой промышленности нет времени на подобную роскошь. Вращение чего-либо создает тянущую силу, которая может быть сколь угодно большой — для ее увеличения нужно лишь повышать скорость вращения. На этом принципе основано действие центрифуги, то есть вращающейся «руки», которая держит контейнер с интересующим нас объектом. В ходе очень быстрого вращения «руки» этот объект, испытывая на себе действие огромной силы, буквально расплющивается о наружную стенку контейнера.

Внутренние силы, возникающие во время вращения, можно сделать настолько мощными, что компоненты, которые ни за что бы не удалось разделить лишь за счет силы тяжести, с их помощью можно отделить друг от друга. Например, если вы когда-либо сдавали кровь на анализ на малокровие, то вам, наверное, будет интересно узнать, что лаборанты поместят ее в центрифугу, которая вращается с такой большой скоростью, что сила, воздействующая на пробу крови в центрифуге и направленная наружу, примерно в двадцать тысяч раз превышает силу земного притяжения. Красные кровяные тельца чересчур малы, чтобы отделять их в обычных условиях только за счет силы тяжести, однако они не в состоянии противостоять силам, создаваемым центрифугой. При обработке в центрифуге достаточно всего пяти минут, чтобы почти все красные кровяные тельца вытянуть из центра центрифуги наружу, в нижнюю часть трубки. Красные кровяные тельца обладают большей плотностью, чем жидкость, в которой они содержатся, поэтому первыми попадают в нижнюю часть трубки. А после того как они там окажутся, трубку можно вынуть из центрифуги, чтобы непосредственно измерить содержание красных кровяных телец в вашей крови: для этого нужно измерить толщину самого нижнего слоя в трубке. Это очень простой тест, который может указывать на наличие определенных проблем со здоровьем; также он используется для взятия проб на допинг у спортсменов. Если бы не силы, создаваемые вращением, выполнить такое измерение было бы гораздо труднее и обошлось бы оно намного дороже. Применить эти силы можно к объектам побольше, чем пробы крови. Одна из крупнейших центрифуг в мире предназначена для вращения человека.

Многие из нас завидуют астронавтам, которые за время пребывания на борту космического корабля получают незабываемые впечатления: могут наблюдать нашу прекрасную планету из космоса, проводить потрясающие научные эксперименты и даже выходить в открытый космос, а после возвращения на Землю рассказывать всевозможные забавные истории из жизни обитателей космической станции и выслушивать слова восхищения в адрес обладателей самой необычной и трудной профессии в мире, доступной лишь немногим избранным. Но спросите у людей, в чем основная причина такой зависти, и чаще всего услышите в ответ: невесомость. Возможность свободно плавать в пространстве, где отсутствуют такие понятия, как «верх» и «низ», и где вы не испытываете чувства тяжести своего тела, как правило, приводит людей в восторг. Именно поэтому людям прежде всего кажется странным, что в процессе подготовки астронавтов так много внимания уделяется решению обратной проблемы: умению справляться с воздействием на человеческий организм сил, намного превосходящих силу земного притяжения. Единственный (по крайней мере на данный момент) способ доставить человека в космос — это усадить его в ракету, которая способна преодолеть силу гравитации за счет движения с огромным ускорением. Еще более сложную проблему приходится решать при возвращении космического корабля на Землю: его вхождение в земную атмосферу может создавать силы, в четыре-восемь раз превосходящие силу гравитации. С воздействием примерно аналогичных сил приходится справляться пилоту современного истребителя, совершающего фигуры высшего пилотажа на огромной скорости. Если во время подъема в скоростном лифте вы испытываете легкий приступ тошноты, можно с уверенностью сказать, что профессии военного летчика и астронавта не для вас. В зависимости от направления дополнительных сил ускорения происходит либо резкий прилив крови к мозгу, либо резкий ее отток от мозга, причем порой и тот, и другой настолько сильные, что могут разрушить мельчайшие кровеносные сосуды (капилляры), пронизывающие кожу человека. Последствия подобного разрушения бывают не самыми приятными. Но люди способны не только пережить воздействие таких сил, но и работать при этом. Именно эти испытания выпадают на долю астронавтов при возвращении космического корабля на Землю. И чтобы астронавты с честью их преодолевали, необходимы упорные и продолжительные тренировки на земле.

Все нынешние астронавты и космонавты проводят много времени в Центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина, расположенном в Звездном городке на северо-востоке от Москвы. Среди многочисленных лекционных залов, помещений с медицинским оборудованием и макетов космических кораблей вы обнаружите центрифугу ЦФ-18. Из центра огромного круглого зала тянется 18-метровая стрела центрифуги. Капсулу, закрепленную на конце стрелы, можно заменять в зависимости от того, что испытывается в том или ином случае. Тест, который предстоит пройти кандидату на полет в космос, сводится к следующему: его усаживают в капсулу центрифуги, после чего стрела начинает вращаться со скоростью один оборот за каждые две или четыре секунды. Такая скорость вращения на первый взгляд не слишком впечатляет, но, выполнив несложные подсчеты, можно выяснить, что сама капсула при этом движется по кругу со скоростью либо 190, либо 95 километров в час. Как только станет понятно, что кандидат на полет в космос способен выдержать такие условия, ему предлагают выполнять в них ту или иную работу. При этом непрерывно отслеживается состояние его организма. Тестирование на центрифуге проходят не только будущие космонавты, но и будущие летчики-испытатели, а также летчики современных истребителей. На центрифуге может попробовать свои силы любой желающий — если, конечно, в состоянии выложить за это кругленькую сумму. Следует лишь иметь в виду, что испытание на центрифуге вызывает не самые приятные ощущения. А если точнее, то очень неприятные. Но если вы хотите проверить себя на прочность воздействием очень большой силы, то лучшего способа, чем испытание на центрифуге, не найти.

Центрифуга — один из способов применения сил, создаваемых вращением. Она позволяет сгенерировать очень большую силу, действующую в одном направлении и рассматриваемую как искусственная гравитация. Но существует и второй способ применения сил, возникающих при вращении. И помешиваемый ложечкой чай, и велосипедист на велотреке, и астронавт в центрифуге помещены в довольно жесткие рамки: все они двигались лишь по кругу, поскольку для них был воздвигнут прочный барьер, отталкивающий их в обратную сторону и не позволяющий вырваться за его пределы. Но что, если при вращении вовне нет ничего такого, что могло бы принуждать вас двигаться по строго фиксированному круговому пути? Вот довольно типичный сценарий. Мячи для игры в регби, вращающиеся волчки и «летающие тарелки» вращаются без воздействия какой-либо внешней силы, толкающей их внутрь. Давайте рассмотрим это на примере чего-нибудь хорошо знакомого и съедобного, скажем пиццы.

На мой взгляд, у идеально приготовленной пиццы должно быть тонкое и хрустящее основание — жизненно важный, но зачастую недооцениваемый фундамент, который придает особенно привлекательный и аппетитный вид ее начинке. Заготовка для пиццы имеет вид круглого комка хорошо вымешанного теста. Чтобы сделать из него тонкий лист, не порвав, требуется незаурядное мастерство. Более того, многие превращают его в подлинное искусство, а процесс приготовления основы для пиццы принимает вид некоего театрального действа. Повара, специализирующиеся на приготовлении пиццы, освоили чрезвычайно зрелищный прием, положившись на свойства вращения. Зачем вручную раскатывать комок сырого теста, если можно задействовать один из фундаментальных законов физики — особенно когда летающий диск из теста создает вокруг вас мистический ореол кулинара-кудесника!

Подбрасывание и верчение комка теста превратилось в своего рода спортивное состязание — сейчас даже проводят ежегодные чемпионаты мира по жонглированию тестом для пиццы. Более того, даже появились люди, которые называют себя пицца-акробатами. Они проделывают с заготовкой для пиццы (или даже с двумя) всевозможные трюки: в течение нескольких минут подбрасывают ее высоко в воздух, ловят на лету, вращают на пальце, прокатывают вокруг собственного тела и даже демонстрируют всевозможные приемчики в положении вверх ногами и опираясь лишь на одну руку. Вряд ли кто-то отведает пиццу, претерпевающую столько манипуляций, но само по себе зрелище производит неизгладимое впечатление. Однако рядовые мастера не работают на публику: им достаточно непродолжительного вращения заготовки из теста, чтобы получить очень тонкий лист, который послужит основой для превосходной на вид и аппетитной пиццы. Какова же роль вращения в создании тонкого листа из теста?

Несколько моих друзей, больших любителей пиццы, недавно пригласили меня в один уютный ресторанчик с открытой кухней. Я спросила у кого-то из обслуживающего персонала, можно ли понаблюдать за процессом приготовления заготовок для пиццы. Молодые итальянские повара посмеялись в ответ, но потом выбрали добровольца, который согласился продемонстрировать свое мастерство. Немного смущаясь, но в то же время гордясь возможностью покрасоваться на публике, он слегка размял и расплющил в руках комок теста, придав ему форму небольшого толстого диска. Затем поднял этот диск в руке и легким движением придал ему вращение. Диск набрал обороты.

Дальнейшие события происходили с молниеносной быстротой. Диск взмыл в воздух, внезапно освободившись от воздействия каких-либо сторонних сил. Процессы, происходящие при этом, проще всего объяснить, рассматривая какую-либо отдельно взятую точку на краю диска. Она движется по кругу — но только потому, что является составной частью диска и он втягивает ее внутрь. Эта тянущая сила, направленная внутрь, необходима, чтобы объект вращался. В случае велосипедиста, движущегося по велотреку, дорожка все время отталкивает велосипед от наружной части велотрека, заставляя велосипедиста постоянно сворачивать внутрь и кружить таким образом по треку, вместо того чтобы продолжать двигаться по прямой линии. Когда речь идет о заготовке для пиццы, именно стягивающая сила, действующая из середины заготовки, заставляет ее края принимать форму окружности. В том и другом случае должна действовать сила, направленная к центру вращения. Но заготовка для пиццы мягкая и эластичная. Если вы тянете ее, она растягивается. Середина заготовки стягивает ее края внутрь, но это говорит о наличии силы, действующей в обратном направлении и тянущей края заготовки наружу. Поэтому заготовка должна растягиваться. Когда любой твердый объект вращается, это вращение создает внутри него невидимые силы. Сила, тянущая внутрь и придающая заготовке компактную круглую форму, растягивает заготовку, и ее края расходятся все дальше и дальше от центра. Особая ценность этого обстоятельства для мастера по приготовлению пиццы заключается в том, что сила, тянущая внутрь, действует строго равномерно и симметрично по всей площади заготовки. Вращается вся заготовка целиком, поэтому вся она растягивается равномерно и симметрично в направлении от центра.

Иногда вы можете ощутить действие сил, тянущих внутрь, на самом себе. Если взять в руки сумку с каким-либо достаточно тяжелым предметом внутри и попытаться вращаться «волчком» вокруг собственной оси, то вы почувствуете действие тянущей силы, растягивающей вашу руку. Эта сила, тянущая сумку к оси вращения, обеспечивает возможность ее вращения по кругу. К счастью для вас, ваша рука куда менее эластичная, чем тесто для пиццы, поэтому она остается неизменной. Но чем длиннее ваша рука и чем быстрее вы вращаетесь, тем большую тянущую силу будете ощущать.

Итак, пока тесто для пиццы вращалось в воздухе, та же тянущая сила, которая поддерживала движение его края по окружности, постепенно растягивала его от центра в стороны. Я полагаю, тесто находилось в воздухе менее секунды, но это был довольно толстый блин, когда оно поднималось, и красивый тонкий гладкий круг, когда опускалось. Мастер продолжил вращать заготовку и еще раз отправил ее в воздух. Однако на сей раз тянущие силы оказались настолько большими, что она разорвалась посередине. Одним словом, мне показалось, что мастер слегка перестарался. Будто отвечая на невысказанную мною мысль, он скромно улыбнулся: «Именно поэтому мы обычно ограничиваемся лишь одним сеансом вращения. Вообще говоря, тесто, из которого получается наилучшая пицца, не очень-то подходит для вращения, потому что слишком мягкое. Поэтому нам не остается ничего другого, как раскатывать его вручную на доске». Кстати, заготовки, используемые во время соревнований пицца-акробатов, изготавливаются на основе особого рецепта — потому они такие прочные и эластичные. Если из такого теста приготовить пиццу, не факт, что она вам понравится. Сила, тянущая внутрь и действующая на краях пиццы, может в пять-десять раз превысить силу земного притяжения. Именно поэтому заготовка растягивается гораздо быстрее, когда вы ее вращаете, чем в случае, когда просто поднимаете в воздух и отпускаете, после чего она падает под действием собственного веса.

За вращением заготовки для пиццы интересно наблюдать, потому что она изменяет свою форму в ответ на силы, скрывающиеся в ней самой. Вращение чего бы то ни было (например, мяча для регби или диска «фрисби» — «летающей тарелки») создает тянущую силу, направленную от центра к краю, но вы можете даже не подозревать о ее существовании в твердых предметах наподобие мяча для регби или «летающей тарелки», поскольку они настолько прочны, что не растягиваются. По крайней мере растягиваются так мало, что это невозможно заметить. Однако растяжение происходит в любом случае. Это утверждение относится даже к Земле.

* * *

Вращаясь вокруг Солнца, наша планета вращается и вокруг собственной оси и, подобно тесту для пиццы, растягивается силами, которые втягивают каждый ее кусочек внутрь, заставляя его вращаться по кругу. К счастью, гравитация достаточно велика, чтобы предотвратить последствия вроде повреждения заготовки для пиццы, и Земля в основном сохраняет свою сферическую форму. Впрочем, у Земли есть нечто под названием «экваториальное утолщение». Этот термин выглядит как эвфемизм для обозначения тех, кто не привык отказывать себе в еде. Находясь на экваторе, вы оказываетесь на 21 километр дальше от центра планеты, чем тот, кто стоит на Северном полюсе. Земля существует как единое целое благодаря силе гравитации, но форму ей придает вращение вокруг собственной оси. Таким образом, несмотря на то что Эверест — самая высокая гора на планете, ее вершина не является точкой наибольшего удаления от центра Земли, такой точкой будет Чимборасо, вулкан в Эквадоре. Его высота — 6268 метров над уровнем моря, тогда как высота Эвереста — 8848 метров над уровнем моря, но Чимборасо расположен на вершине экваториального утолщения. Поэтому, стоя на вершине Чимборасо, мы находимся примерно на 2 километра дальше от центра Земли, чем тот, кому удалось взобраться на вершину Эвереста. Впрочем, покорение вершины Чимборасо вряд ли принесет вам такую же славу, как восхождение на Эверест.

В целом силы, генерируемые вращением, могут быть полезны в двух отношениях. Один из примеров — пицца. Вращение объекта в условиях отсутствия какие-либо внешних ограничителей создает тянущую силу, направленную внутрь этого объекта и обеспечивающую его целостность во время вращения. Другой пример — велосипедист на велотреке: если для некоего вращающегося объекта создать преграду, отталкивающую его в обратную сторону, то на объект будет воздействовать значительная сила, подобная силе земного притяжения. Но общее у этих двух примеров то, что любая тянущая сила, направленная внутрь, должна откуда-то исходить. При ее исчезновении объект не сможет продолжить круговое движение.

Сохранять свою целостность способен лишь твердый объект вроде теста для пиццы. Жидкостям и газам это не присуще. Такая разница чрезвычайно полезна при наличии смеси твердых объектов и жидкостей, которые необходимо отделить друг от друга. Работа центрифуги для отжима белья заключается в том, что мокрое белье загружается в барабан, который в процессе вращения толкает мокрое белье внутрь, заставляя вращаться вместе с собой. Но воду, которой пропитано белье, ничто не удерживает. Поскольку ее движение ничем не ограничивается, она может свободно вытекать сквозь поры в материале. Вода будет двигаться по кругу, только если будет отталкиваться внутрь от чего-либо твердого. В противном случае она будет постепенно продвигаться от центра к стенкам барабана, и когда на ее пути встретится в них одно из отверстий, она покинет пределы барабана.

Когда вы раскручиваете какой-либо объект, а затем предоставляете его самому себе, вы сначала оказываете на него тянущее воздействие, направленное внутрь, заставляя его двигаться по кругу, а затем внезапно прекращаете оказывать тянущее воздействие. В результате у объекта нет причины продолжать движение по кругу. Поэтому он начинает двигаться по прямой линии. Этот физический принцип революционизировал средневековые средства ведения войны в Европе и восточной части Средиземноморья, позволив инженерам создавать гигантские осадные орудия, способные разрушать толстые крепостные стены. И я воспользовалась им, участвуя в соревнованиях по метанию резиновых сапог на дальность, правда, не столь эффективно.

Когда мне сообщили о присвоении ученой степени доктора философии, я, безусловно, была на седьмом небе от счастья. Представитель экзаменационной комиссии, сообщивший мне эту радостную весть, улыбнулся и спросил, как я намерена провести остальную часть столь знаменательного для меня дня. Наверное, он рассчитывал услышать, что я закачу шумный банкет в ресторане или нечто в этом роде. Однако он никак не ожидал, что я скажу, что собираюсь отыскать в кембриджширских окрестностях какого-нибудь фермера, который согласился бы одолжить мне одну или две старые шины от колесного трактора. Я объяснила, что придумала оригинальное устройство для метания резиновых сапог, которое намерена соорудить из подручных материалов и подходящего хлама на свалке. Поскольку ближайшие соревнования по метанию резиновых сапог на дальность должны были состояться уже через неделю, времени на изготовление придуманного мною устройства оставалось в обрез и я не намерена была его тратить на такие пустяки, как банкет. Когда экзаменатор выслушал мои объяснения, на его лице появилось выражение недоумения. В конце концов он сделал вид, что ничего у меня не спрашивал, а я, соответственно, ничего не рассказывала. Он предпочел быстро переключиться на обсуждение моих ближайших научных планов. Но то, что я ему сказала, было чистой правдой. К тому времени я уже согласилась стать членом исключительно женской команды, чтобы участвовать в соревнованиях под названием Scrapheap Challenge, суть которых состояла в создании какого-либо оригинального приспособления для метания резиновых сапог. В нашей команде было три человека, очень мало денег и времени. И насколько мне казалось, единственный осуществимый вариант в этих условиях сводился к использованию древней и весьма эффективной технологии — катапульты. 

Катапульта — чрезвычайно остроумное приспособление, которое разрабатывалось и совершенствовалось на протяжении многих столетий с участием нескольких цивилизаций: Древний Китай, Византия, древние исламские государства и, наконец, Западная Европа. На рубеже XI–XII веков катапульта выглядела громадным неуклюжим хищником, способным уничтожать крепостные сооружения, считавшиеся неприступными. Катапульта могла метать 100-килограммовые камни на расстояния, измеряемые сотнями метров. Появление осадных орудий наподобие катапульты привело в конечном счете к полному исчезновению такого способа защиты городов, как частокол, укрепленный земляным валом. Единственным средством защиты с тех пор стали массивные каменные стены.

Для меня и моей команды преимущества катапульты оставались такими же, как и в древности: простота с инженерной точки зрения и высокая эффективность с точки зрения достигаемого результата. Строительные леса мы позаимствовали на ближайшей стройке; в контейнере для крупногабаритного мусора, установленном во дворе колледжа, раскопали материалы, необходимые для изготовления пращи; уговорили техников из Кавендишской лаборатории одолжить нам пятиметровую стальную балку, свели все это воедино на одной из игровых площадок колледжа и приступили к работе. К тому времени колледж Черчилля в Кембриджском университете стал для меня родным домом — ведь я провела в нем восемь лет. За это время его персонал успел привыкнуть и ко мне, и к моим изобретениям. Оглядываясь назад, я не перестаю изумляться долготерпению его работников и даже их доброжелательному отношению к сумасбродным идеям, время от времени зарождавшимся в головах студентов. На противоположной стороне игровой площадки, где мы сооружали катапульту, на той же неделе кто-то проверял работу воздушного шара, который они намеревались отправить в страто­сферу, подвесив к нему плюшевого медвежонка.

В принципе конструкция катапульты (точнее, ее разновидности, называемой требушет) очень проста. Вы сооружаете раму, которая создает центр вращения, находящийся на расстоянии 2–3 метров от земли. Затем прикрепляете к ней длинную балку наподобие детских качелей (в виде доски, уравновешенной в центре), но, в отличие от них, ось вращения устанавливается таким образом, чтобы длина балки по одну сторону от нее была гораздо больше длины балки по другую ее сторону. Теперь у вас получилась А-образная рама, которая выглядит так, словно поверх нее положили длинную палку. В исходном положении длинный конец балки касается земли. Вы прикрепляете к нему пращу и укладываете ее на землю под рамой. День, когда мы впервые собрали эту конструкцию, был почти безветренным и солнечным. Одним словом, условия для испытаний были близки к идеальным.

С самого начала мы столкнулись с проблемой. Восхитительная особенность требушета (если, конечно, вы не мишень для камня) в том, что для придания вращения балке (и, соответственно, праще) используется сила земного притяжения. Вы прикрепляете тяжелый груз к короткому концу балки, и, когда отпускаете его, он очень быстро тянет вниз ее короткий конец. Вся балка начинает вращаться вокруг оси, описывая в воздухе вертикальный круг; праща также вращается вместе с другим концом балки. В результате создается очень быстрое вращение, а метательный снаряд в праще вращается вокруг оси, поскольку со стороны пращи на него воздействует тянущая сила, направленная внутрь. Поначалу процесс развивался так, как и должен. Наша первая задача состояла в том, чтобы добраться до этого момента, но нам не удавалось найти достаточно большой груз, который привел бы весь механизм в действие. Я предложила себя в качестве такого груза, однако мой вес оказался недостаточным. Мы пришли в замешательство. В тот вечер я выплеснула все накопившееся раздражение на нескольких друзей, которые предложили мне съесть побольше пирожных, чтобы срочно набрать вес. Затем кто-то из них выдвинул идею утяжелить вес, надев снаряжение аквалангиста. Она показалась мне разумной. На следующий день я надела десятикилограммовый утяжеляющий пояс, которым обычно пользуются аквалангисты, и мы повторили попытку. На этот раз эксперимент удался на славу. Я качнулась под ось, а праща качнулась в противоположную сторону, оказавшись над осью. Механизм требушета обеспечивал вращение. Теперь настал момент сделать следующий шаг.

Праща подвешивается на балку небольшой петлей. Нужно, чтобы в момент, когда праща окажется почти в самой высокой точке, петля соскользнула с балки. При этом праща, по сути, разрушается. Это означает, что сила, которая тянула метательный снаряд внутрь и заставляла двигаться по кругу, внезапно исчезла. Прямо перед этим метательный снаряд в праще очень быстро двигался вперед и вверх. Как только на него перестает действовать тянущая сила, направленная внутрь, он начинает двигаться по прямой линии. Поскольку до этого он двигался вперед и вверх, то продолжает движение по прямой, направленной вперед и вверх. Но он не движется непосредственно из центра вращения, а продолжает движение по касательной к окружности вращения. По крайней мере так гласит теория. Мы поместили в пращу туфлю и приготовились к метанию. Я уселась на короткую сторону «качели», лицом к ее длинной стороне, и налегла на нее всем своим весом. Другой конец «качели» качнулся вверх и потянул за собой пращу, подняв над осью. Точно в нужный момент (с первого раза!) праща освободилась и туфля пронеслась над моей головой, упав на другом конце площадки. У меня никогда не возникло бы желания провести такой же эксперимент с камнем — туфли оказалось вполне достаточно. Оставалось проверить, справится ли наш требушет с резиновым сапогом, который нам предстояло метать во время соревнований. Попрактиковавшись немного и убедившись, что с сапогом тоже не должно возникнуть проблем, мы разобрали катапульту. Ведь уже завтра предстояло доставить ее к месту соревнований.

Прибыв на следующий день на соревнования, мы утратили уверенность, переполнявшую нас накануне. Команды, с которыми нам предстояло сразиться, состояли в основном из мужчин среднего возраста. По-видимому, они провели не один месяц в гаражах, конструируя оригинальные метательные приспособления. Даже беглого взгляда на представленные ими механизмы было достаточно, чтобы понять, насколько серьезно они отнеслись к созданию этих устройств, каждое из которых можно было принять за выставочный экспонат. Наша катапульта, наскоро собранная из подручных средств и хлама, найденного на свалках, выглядела весьма непрезентабельно на фоне этих шедевров инженерной мысли. Мы, конечно, постарались напустить на себя важный вид и быстро ее собрали. Организаторы соревнований (также мужчины среднего возраста) подошли к нам поближе, чтобы взглянуть на наше изобретение. «Метать с помощью этого устройства — глупая затея, — заявил один из них. — Вам следовало бы поучиться у оружейных мастеров Средневековья и просто тянуть рычаг вниз с помощью каната. Такой механизм был бы намного эффективнее». Мои возражения, что именно противовес был изобретением, обеспечившим успех этого механизма, были встречены скептическими ухмылками. Причина, из-за которой он не стал мощным осадным орудием вплоть до XI века, в том и заключается, что люди пытались приводить его в действие мускульной силой человека. Но наши оппоненты продолжали настаивать на своем, доказывая, что гораздо разумнее было бы тянуть за канат, намекали, что таким неопытным, хоть и полным энтузиазма женщинам, как мы, было бы неплохо прислушаться к советам мужчин, понимающих толк в технике, и вообще, быть благодарными за помощь. Эти препирательства длились бы не один час, если бы мои подруги не проявили мудрость, согласившись с доводами оппонентов. Времени для споров у нас не было — приближался момент начала соревнований.

В рамках первого задания нужно было в течение двух минут метнуть как можно больше резиновых сапог за отметку примерно в 25 метрах от места метания. Лучшие пять команд допускались ко второму этапу соревнований, в ходе которого предстояло метать сапоги на дальность. Итак, секундомер был включен. Мы втроем тянули за канат, поворачивали «качель» и запускали пращу. Но первый сапог едва не расшиб нам головы. Нам не удавалось тянуть вниз достаточно быстро, чтобы заставить «качель» вращаться должным образом. Мы попытались еще раз. И еще раз. Затратив примерно минуту, мы поняли, что придется отказаться от навязанной нам идеи тянуть канат. Я убедила подруг вернуться к первоначальной идее, надела на себя утяжеляющие приспособления аквалангиста, вскочила на небольшой шкаф для хранения документов, который мы использовали в качестве платформы, и нырнула под поворотную ось катапульты. Р-р-раз! И первый сапог просвистел над моей головой, улетев далеко за 25-метровую отметку. Помещаю в пращу следующий сапог, вскакиваю на платформу, наваливаюсь всем своим весом на короткое плечо «качели» — сапог проносится со свистом над моей головой! Следующий сапог… Но тут раздался свисток: наше время истекло. Двух сапог, перелетевших 25-метровую отметку, было недостаточно. Нас не допускают к следующему этапу. Мужчины среднего возраста сочувствуют нам: в другой раз вам повезет больше. Мне не хотелось встречаться глазами с тем из них, кто посоветовал тянуть за канат. Я опасалась, что если заговорю с ним, то выскажу все, что думаю о нем и его советах. Тем не менее я испытывала чувство большого удовлетворения: предложенная мной конструкция сработала — причем именно так, как я ожидала! Нам удалось сражаться на равных с метательными приспособлениями, создатели которых потратили не один месяц, чтобы довести их до совершенства. Единственное, что нас подвело, это изменение плана буквально в последнюю минуту. Между прочим, насколько я могла понять, большинство других конструкций, использованных нашими конкурентами, основывалось на значительно менее эффективных методах. У них был привлекательный внешний вид, зато на нашей стороне — физическая эффективность и простота.

Таким образом, мой личный опыт применения требушетов несколько ограничен, но восемьсот лет назад эта простая и элегантная идея революционизировала методы ведения войны. Способность метать тяжелые камни с высокой точностью означала, что вы можете методично долбить одно и то же место крепостной стены, пока она в этом месте не разрушится. Примерно на протяжении двух веков конструкции требушетов непрерывно совершенствовались, а их размеры становились все больше. Они даже получали красноречивые названия вроде «Камнеметатель господень» и «Вервольф». Для создания огромных катапульт требовалось много древесины, но способность запускать каждые несколько минут в сторону врага очередной 150-килограммовый камень того стоила. Вращение пращи с камнем вокруг оси позволяет достичь очень высокой скорости за очень короткий промежуток времени. Это вращение может быть кратковременным — вы используете его лишь как способ достичь высокой скорости. Как только метательный снаряд обретет ее, вы убираете тянущую силу, направленную внутрь, в тот самый момент, когда он окажется в нужной точке описываемой им окружности (то есть, по сути, когда снаряд, будучи освобожден от действия тянущей силы, станет двигаться в нужном вам направлении). До момента, когда надежность пороха стала достаточной для того, чтобы пушка превратилась в важнейший вид оружия, требушет, с точки зрения разрушительной силы, оставался непревзойденным оружием своего времени.

* * *

Вращение — неизменный атрибут нашей жизни. Например, прямо сейчас вы и я вращаемся. Раз в сутки мы совершаем полный оборот вокруг земной оси, хотя мы, конечно, этого не ощущаем, поскольку Земля так велика, что мы очень медленно изменяем направление движения. Если бы мы находились на экваторе, наша скорость движения составляла бы 1670 километров в час. В Лондоне, где я пишу эти строки, моя скорость равна 1050 километров в час, так как я нахожусь ближе к оси вращения. Но если мы обитаем на огромной планете, вращающейся вокруг собственной оси и если любой незакрепленный объект, находящийся на поверхности вращающегося предмета, обязательно слетит с нее и умчится по прямой линии, когда мы перестанем его удерживать, — то почему мы не срываемся с поверхности Земли и не улетаем по прямой в открытый космос? Ответ заключается в том, что сила тяжести, направленная к центру Земли, достаточна для того, чтобы удержать нас на ее поверхности. Вообще говоря, даже когда вы находитесь на околоземной орбите, планета продолжает удерживать вас. А когда поднимаетесь с поверхности Земли на околоземную орбиту, дополнительная скорость, придаваемая вам вращением Земли, может стать чрезвычайно полезным фактором.

Небольшой металлический шарик под названием «Спутник» подал первые сигналы с околоземной орбиты 4 октября 1957 года, что возвестило о начале космической эры. Мир с открытым ртом прислушивался к этим слабым сигналам. Первый искусственный спутник Земли стал огромным технологическим достижением человечества. Спутник совершал один полный оборот вокруг Земли каждые девяносто шесть минут, и если у вас был коротковолновый приемник, то каждый раз, когда спутник пролетал над вами, вы могли слышать его отчетливые сигналы: «бип… бип… бип…» В тот день Америка проснулась, уверенная в своем безоговорочном превосходстве над остальными странами, а к вечеру ее уверенность успела развеяться, как утренний туман. А примерно через год Советский Союз отправил на околоземную орбиту второй, более крупный спутник с собакой по имени Лайка на борту. Запаниковавшие американцы в космос никого не отправили, но учредили НАСА (Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства). Начались нешуточные «космические гонки».

Но в чем заключалось реальное достижение создателей спутника? Дело в том, что его нужно было не только каким-то образом доставить на высоту околоземной орбиты, но и удержать на ней ровно столько, сколько нужно исследователям, запустившим его в космос. На спутник, вращающийся вокруг Земли по околоземной орбите, продолжает воздействовать сила земного притяжения, а это значит, что он все время падает в направлении Земли — но ему никак не удается с ней сблизиться!

Спутник был запущен в космос из казахстанских степей — того места, которое сейчас называется космодромом Байконур. Ракета, доставившая спутник на околоземную орбиту, преодолела плотные слои атмосферы, двигаясь вертикально вверх, а затем изменила направление полета, совершив ускорение по горизонтали — вдоль кривой, огибающей поверхность Земли. К моменту, когда отработала и отвалилась последняя ступень ракеты, спутник начал вращаться вокруг Земли со скоростью около 8,1 километра в секунду. Когда вы движетесь по околоземной орбите, движение происходит не за счет силы, направленной вверх, а за счет силы, направленной вбок.

Маленький металлический шарик отнюдь не избавился от воздействия силы земного притяжения. Более того, он мог оставаться на около­земной орбите лишь за ее счет. В противном случае, преодолев плотные слои атмосферы и выйдя в космос, он продолжал бы все больше и больше отдаляться от Земли. Когда спутник движется с огромной скоростью по орбите, сила притяжения Земли, воздействующая на него, остается почти такой же, как и непосредственно у поверхности Земли. Но поскольку спутник движется с огромной орбитальной скоростью, за то время, в течение которого он слегка снижается над Землей («падает»), он успевает продвинуться вперед настолько, что поверхность Земли вследствие своей кривизны успевает отдалиться от спутника в точности на такое же расстояние, на которое он с ней сблизился. В ходе движения спутника по орбите эта картина все время повторяется: под действием силы земного притяжения спутник все время понемногу снижается, а поверхность Земли вследствие своей кривизны все время понемногу отдаляется от спутника, в результате чего оба процесса взаимно компенсируют друг друга. Этот замечательный баланс постоянно поддерживается, в частности из-за того, что при движении спутника по околоземной орбите практически отсутствует сопротивление воздуха и поэтому спутник может в течение очень длительного времени продолжать движение по орбите.

Чтобы выйти на околоземную орбиту, орбитальная скорость должна быть достаточно высокой: только в этом случае возможно поддержание указанного баланса. А Казахстан изначально обладает весьма значительной боковой скоростью, совершая один полный оборот вокруг земной оси за одни сутки. Чем дальше вы находитесь от оси вращения, тем выше ваша орбитальная скорость. Поэтому, запуская ракеты из какого-либо места вблизи экватора, вы получаете весьма существенное начальное преимущество. Орбитальная скорость порядка 8 километров в секунду необходима для движения по низкой околоземной орбите. Скорость вращения на широте Казахстана приблизительно равна 400 метров в секунду. Поэтому, если запуск осуществляется в восточном направлении, то, учитывая вращение Земли вокруг собственной оси, лишь за счет запуска с территории Казахстана, а не с Северного полюса вы можете сэкономить 5% энергии, необходимой для достижения требуемой орбитальной скорости.

В центрифуге стиральной машины корпус барабана толкает белье внутрь, не позволяя ему разлететься в стороны. На велодроме тянущая сила, направленная внутрь и не дающая велогонщику вылететь за пределы велотрека, обеспечивается за счет высокой крутизны велотрека. А в случае спутника, возвестившего своими скромными сигналами «бип… бип… бип…» о прорыве человечества в космос, аналогичную функцию выполняла гравитация. Для всего, что вращается, требуется сила, которая все время тянула или толкала бы вращающийся объект в направлении центра вращения. Если бы такая сила внезапно исчезла, то белье в центрифуге стиральной машины и спутник на околоземной орбите начали бы двигаться по прямой линии.

Таким образом, гравитация продолжает играть важную роль даже на высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли. Но, безусловно, самым волнующим событием для человека, оказавшегося в космосе, стала невесомость. Вспомним астронавтов, которые, пребывая в условиях практически нулевой гравитации, отчаянно пытаются не пролить ни капли жидкости, иначе она будет сутками плавать в воздухе. Сейчас на околоземной орбите постоянно находится Международная космическая станция (МКС). Астронавты, пребывающие на ее борту, с гордостью говорят, что выполняют важные задания, но я отнюдь им не завидую. Подумать только: человеку, отправляющемуся на полгода работать на МКС, предстоит в течение шести месяцев падать на Землю! Да-да, они не летят — а все время падают. Подобно спутнику, все время падающему на Землю, астронавты, работающие на борту МКС, пребывают в состоянии непрерывного падения.

Находясь в состоянии свободного падения, вы не можете чувствовать силу тяжести ввиду отсутствия силы, которая толкала бы вас в обратную сторону. Поскольку астронавты не могут испытывать на себе действие какой-либо силы, которая толкала бы их в обратную сторону, они не могут утверждать, что на них действует сила тяжести. Это подобно моменту начала движения лифта, опускающегося вниз: вы ощущаете кратковременное снижение своего веса. Все дело в том, что пол не толкает вас в противоположную сторону с такой же силой, как до этого. Если бы лифт перешел в состояние свободного падения (допустим, у лифта очень глубокая шахта), то вы ощутили бы невесомость. На орбите невозможно избежать гравитации — она просто не ощущается. Но при этом все равно присутствует: ее тянущая сила, направленная к Земле, позволяет вам вращаться вокруг нашей планеты.

Вращение полезно во многих отношениях, но иногда становится досадной помехой. Например, почему бутерброд падает маслом вниз? Вы только что вынули из тостера поджаренный кусочек хлеба и намазали на него слой масла, которое сразу же начало плавиться. В предвкушении удовольствия у вас уже потекли слюнки, но, протянув руку за чашкой чая, вы совершаете неосторожное движение, толкаете локтем тост, и он оказывается на самом краю стола. Остановившись там на какую-то долю секунды и покачнувшись, словно в нерешительности, он в конце концов падает на пол — конечно же, маслом вниз. Подтаявший слой масла, который должен был вызвать у вас массу положительных эмоций, превратился в жирное пятно на полу. И вместо наслаждения поглощением аппетитного тоста вам приходится его убирать, проклиная злой рок, который, как всегда, перевернул ваш бутерброд маслом вниз. Ну почему он переворачивается именно так, а не наоборот?

Все объясняется действием неумолимых законов природы. Разные люди проводили многочисленные эксперименты, в ходе которых безжалостно и целенаправленно сталкивали бутерброды со стола, и в подавляющем большинстве случаев бутерброд падал на пол именно маслом вниз. Конечно, кое-что в этом процессе зависит от начальной фазы его падения, то есть как именно вы сталкиваете его со стола. Но в целом здесь действует неумолимый закон природы, который мы не в силах отменить. Сразу же нужно отметить, что это никак не связано с дополнительным весом масла. Большая его часть уже расплавилась и проникла до середины тоста, но даже если бы масло не расплавилось, в совокупной массе бутерброда его вес составляет лишь незначительную долю.

Прежде всего возникает вопрос: почему бутерброд вообще переворачивается? Это происходит настолько быстро, что заметить момент переворота практически невозможно (с другой стороны, если бы вы внимательно следили за бутербродом, то, наверное, не сбросили бы его со стола, не так ли?). Впрочем, вы можете понаблюдать за этим процессом, если готовы пожертвовать тостом (или хотя бы подставкой под горячее или книжкой подходящих размеров). Итак, положите плашмя тост, который решили принести в жертву, у края стола и столкните его на пол. Обратите внимание: в момент, когда половина тоста пересечет край стола, произойдут две вещи. Во-первых, тост начнет поворачиваться вокруг края стола, который в данном случае играет роль оси вращения. Во-вторых, тост начнет самостоятельно, без внешнего воздействия, соскальзывать за край стола. Соскальзывание, переворот, шлепок на пол.

Итак, вращение начинается, как только большая часть тоста пересечет край стола, поскольку именно в этот момент стол начинает поддерживать меньшую часть тоста. Сила тяжести тянет вниз весь тост. Стол толкает его вверх, но воздух не оказывает практически никакого сопротивления. В момент, когда на краю стола оказывается ровно половина тоста, силы тяжести, которая действует на его свисающую половину, едва хватает на то, чтобы приподнимать ту половину тоста, которая все еще находится на столе. У физиков эту точку, соответствующую половине тоста, принято называть «центром массы». В случае детских качелей она соответствует положению идеального равновесия, когда доска качелей пребывает в строго горизонтальном положении без какого-либо внешнего воздействия.

В момент, когда вы осознали, что тост падает, уже поздно что-либо предпринимать. Как только тост соскользнул с края стола, его падение займет фиксированное количество времени. Если высота стола примерно 75 сантиметров, то на падение уйдет меньше, чем полсекунды. Но как только началось вращение, нет никаких причин для его остановки и в процессе падения тост продолжает вращаться. Поскольку сила земного притяжения всегда одна и та же, а высота всех столов примерно одинакова, тост всегда имеет одинаковую скорость вращения. За 0,4 секунды он повернется на 180 градусов. Так как падение тоста началось с момента, когда масло было вверху, закончится оно в момент, когда масло окажется внизу. Каждый раз физика падения тоста остается в основном одной и той же: тост всегда падает маслом на пол.

Интересно отметить, что в ситуации с падением тоста вы в действительности можете сделать только одно для изменения конечного результата падения, но здесь достаточно высок риск неожиданных последствий. Поняв, что нечаянно толкнули тост и он покачнулся на краю стола, вы, согласно законам физики, должны для исправления ситуации придать ему значительную боковую скорость, то есть толкнуть его еще сильнее. После этого, если ваше движение окажется достаточно резким, тост может перелететь через всю комнату, но поскольку в его распоряжении окажется меньше времени на совершение переворота через край стола, скорость его вращения будет гораздо меньше и в процессе падения ему может не хватить времени на переворот на 180 градусов. В результате у вас появляется шанс, что тост не упадет маслом на пол. Правда, без гарантии, что он не упадет на диван или не угодит в вашу собаку.

Тост начинает вращаться, потому что соблюдаются два условия, необходимые для возникновения вращения: во-первых, наличие оси, вокруг которой оно будет совершаться, и, во-вторых, наличие силы, которая заставит тост совершить поворот вокруг оси вращения. Неважно, что эта сила направлена строго вниз и не заставляет тост продолжать движение по окружности. Важно лишь то, что ее вполне достаточно, чтобы придать тосту движение (а становится достаточно после того, как центр массы тоста сместится с края стола и повиснет в воздухе), и что она вынуждает тост совершить поворот вокруг оси вращения хотя бы на небольшой угол. Как только будет инициирован процесс вращения, он продолжится до тех пор, пока что-нибудь его не остановит.

Этот принцип лежит в основе вращения яиц, о котором рассказывалось во введении. Если вы поразмышляете о тех или иных свободно вращающихся объектах — «летающих тарелках», подброшенных вверх монетках, мячах для игры в регби, волчках, — то обратите внимание, что они продолжают вращение как бы сами по себе. Было бы очень странно, если бы подброшенная вверх монетка, находясь в воздухе, внезапно прекратила вращаться еще до того, как опустится вам в ладонь. Все, что вращается, обладает моментом импульса, который является показателем количества вращения соответствующего объекта. Если действие какого-либо фактора (например, трения или сопротивления воздуха) не замедляет вращения, то объект будет вращаться бесконечно долго. Это свойство называется законом сохранения момента импульса. Вращающийся объект будет продолжать вращение, если какое-либо внешнее воздействие его не остановит.

Я совершенно уверена, что в детстве воспринимала головокружение как своего рода игрушку, которая всегда со мной и которую никто не может у меня отнять. Если вам было скучно, вы всегда могли вертеться на месте волчком и наблюдать, кто продержится дольше других, а кто свалится на пол. Мы покатывались со смеху, глядя, как кто-нибудь из нашей компании, совершив столько-то оборотов вокруг собственной оси и остановившись, валился на пол от головокружения. Похоже, что само по себе вращение не создавало проблем. Кратковременная и забавная дезориентация в пространстве наступает, когда вы его прекращаете. Жаль, что взрослые не играют в эту игру: мы могли бы лучше понять себя, если бы вели себя, как в детстве. Ощущение дезориентации в пространстве наступает из-за чего-то происходящего в ваших ушах, что вы не можете видеть, но ваш мозг, несомненно, знает.

Давайте вернемся к вращению сырых и вареных яиц, о котором я рассказывала во введении. Каждое яйцо, еще не очищенное от скорлупы, кладется на бок и раскручивается. Предоставив яйцам возможность вращаться в течение двух-трех секунд, вы быстро касаетесь каждого из них, чтобы остановить вращение. Оба яйца останавливаются. Вы убираете пальцы. После этого одно из яиц возобновляет вращение. Яйцо, будучи твердым предметом, должно остановиться полностью, когда вы останавливаете вращение оболочки. И яйцо, и его оболочка должны вращаться вместе. Но, останавливая сырое яйцо, вы останавливаете только его оболочку. Жидкость внутри нее продолжает вращаться; она не скреплена прочно с оболочкой и поэтому у нее нет причин останавливаться. Таким образом, жидкость толкает оболочку до тех пор, пока та не возобновит вращение.

Когда вы вращаетесь вокруг собственной оси, большая часть вашего тела, к счастью, ведет себя подобно яйцу, сваренному вкрутую: вращается как единое целое. Поэтому, когда вы перестаете вращаться, ваш мозг, и нос, и уши также перестают. Однако это не относится к внутреннему уху. Внутри каждого уха есть небольшие каналы в виде полуокружий, наполненные жидкостью, и именно поэтому они ведут себя подобно сырому яйцу. Жидкость не вращается вместе со своей оболочкой, поскольку к ней не прикреплена. Такое устройство уха наряду с другими механизмами, заложенными в ваш организм, позволяет вашему телу ориентироваться в пространстве: крошечные волоски отслеживают перемещения этой жидкости, а ваш мозг согласует эту информацию с тем, что вы видите. Когда вы поворачиваете голову, жидкость в криволинейном канале не успевает повернуться с той же скоростью; она движется по своим каналам, не поспевая за поворотом вашей головы. Но если вы вращаетесь вокруг собственной оси достаточно долго, эта жидкость также начинает вращаться. Требуется всего две-три секунды, чтобы скорость ее вращения сравнялась со скоростью вращения вашего тела, после чего жидкость в ваших ушах продолжает устойчиво вращаться вместе с каналами, синхронно с движением своего «контейнера». Когда вы внезапно прекращаете вращение, жидкость не останавливается. Подобно сырому яйцу, «контейнер» остановился, но жидкость продолжает вращаться. Таким образом, ваше внутренне ухо сообщает мозгу о том, что вы вращаетесь, а ваши глаза говорят ему, что вы остановились. Именно в момент, пока ваш мозг разбирается, что же происходит на самом деле, вы ощущаете головокружение. Со временем жидкость в вашем внут­реннем ухе прекращает вращаться (потому что остановился ее «контейнер») и головокружение проходит.

Это одна из причин, почему балерины, которые крутят фуэте (то есть быстро-быстро вращаются на одном месте), стараются как можно дольше смотреть в одном направлении, а затем, когда тело повернется на достаточно большой угол, очень быстро поворачивают голову вслед за телом (опережая скорость его вращения), чтобы вернуть ее в исходное положение. При столь быстром движении по принципу «старт-стоп» жидкость во внутреннем ухе не успевает синхронизировать свое движение с ритмичным вращением тела, в результате чего балерина, остановившись, не испытывает головокружения.

В сохранении вращательного момента существуют два аспекта. Во-первых, невращающемуся объекту требуется некий начальный толчок, приводящий его во вращение. Объект не может начать вращаться сам по себе. Во-вторых, вращающийся объект будет продолжать вращаться до тех пор, пока на него не подействует внешняя сила, которая остановит вращение. В повседневной жизни роль такой внешней силы играет трение. В результате его действия волчок в конце концов перестает вращаться, а вращающаяся монетка настолько замедляет вращение, что в конце концов переворачивается и падает плашмя. Но в ситуациях, когда сила трения отсутствует, вращение длится бесконечно долго. Именно этим обусловлена смена времен года на Земле.

В северной части Англии регулярная смена времен года задает ритм, вызывающий у меня самые приятные воспоминания. Долгие прогулки в жаркие летние дни вдоль Бриджуотерского канала, хоккейные матчи в сырые и промозглые осенние дни, возвращение домой на рождественские каникулы в морозные зимние дни, улучшение настроения оттого, что весной дольше светит солнце, — разнообразие и смена впечатлений всегда были для меня источником радости. Когда я жила в Калифорнии, мне труднее всего было смириться с отсутствием ритма в природе: создавалось впечатление, что время здесь застыло навсегда. Это сбивало меня с толку и приводило в замешательство. Сейчас я по-прежнему остро чувствую смену времен года. Мне нравится отождествлять свое место в каждом очередном цикле смены времен года по каким-то особым приметам, как ни странно, сохранившимся даже в современном мире: животные, свежий воздух, растения и чистое небо. А основа этого разнообразия и регулярной смены времен года — фундаментальные физические законы, один из которых гласит, что объекты продолжают вращение до тех пор, пока какая-либо внешняя сила не остановит их.

У вращения есть направление, задаваемое осью, вокруг которой оно происходит. Воображаемая ось вращения Земли представляет собой прямую линию, проходящую от Южного к Северному полюсу, немного выступающую с той и другой стороны и указывающую куда-то в космическое пространство. Но поскольку наша Земля давным-давно была ушиблена громадным космическим обломком, бороздившим просторы Солнечной системы (кстати, в результате этого столкновения образовалась Луна), то ось космического волчка, которым, по сути, и есть наша планета, изменила свое направление. Представьте, что вы смотрите на Солнечную систему сверху вниз, причем Солнце находится посередине, а все планеты Солнечной системы вращаются вокруг него в одной плоскости. Ось Земли слегка наклонена влево. И теперь, поскольку Земля вращается вокруг этой слегка наклоненной оси, она в процессе движения вокруг Солнца должна продолжать вращаться вокруг той же оси, а ось — сохранять свое направление. Таким образом, когда Земля расположена, скажем, слева от Солнца, конец этой оси, выступающий из Северного полюса, указывает в сторону от Солнца, куда-то в космос. Но через шесть месяцев, когда Земля окажется по правую сторону от Солнца, конец оси, выступающий из Северного полюса, будет по-прежнему указывать влево — на сей раз в направлении Солнца. Ось вращения Земли вокруг собственной оси не изменяет направления по мере вращения Земли вокруг Солнца: на нее не воздействуют никакие внешние силы, поэтому она не меняет ориентации в пространстве. Но это означает, что Северный полюс получает больше или меньше солнечного света в зависимости от того, в каком месте своей орбиты находится Земля. Эта особенность вращения Земли вокруг Солнца и является причиной смены времен года. Суточный цикл (регулярная смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг собственной оси, а сезонный цикл (регулярная смена времен года) — наклоном земной оси.

Вращение — неотъемлемая часть нашей жизни, и тому есть множество подтверждений. Но у одного устройства, принцип действия которого основан на вращении, большое будущее. Я имею в виду маховое колесо, или просто маховик. Все, что вращается, обладает дополнительной энергией, и ее наличие обусловлено именно вращением. Таким образом, если вращающийся объект продолжает вращаться бесконечно долго, это означает, что он может исполнять роль хранилища энергии. Если вы можете ее изъять для той или иной цели, замедлив вращение, то вы, по сути, получаете некое подобие «механической батареи». В этом заключается принцип действия махового колеса. Оно используется на протяжении многих сотен лет, и ничего нового в этом нет. Но в нашу жизнь вскоре может ворваться новая волна маховиков, которые будут представлять собой эффективные современные устройства, способные помочь нам решить одну непростую проблему.

Один из серьезнейших вызовов для любой сети электроснабжения — согласование предложения и спроса на очень коротких отрезках времени. Если все население страны внезапно решит заняться приготовлением еды и одновременно включит электроплиты, то энергопотребление по стране резко возрастет и будет оставаться на этом уровне около часа, а затем столь же резко упадет. В идеале некто, отслеживающий функционирование сети электроснабжения, должен увеличить приток электроэнергии в сеть, когда в этом возникнет необходимость, и согласовать таким образом энергетический спрос и предложение. Но если электроэнергия поступает с угольной теплоэлектростанции, для запуска и остановки которой требуется не один час, возникает серьезная проблема. Более того, величина вырабатываемой электроэнергии и моменты, когда должен обеспечиваться ее дополнительный приток, могут вообще быть нам неподконтрольны. Одна из трудностей со многими возобновляемыми источниками энергии заключается в том, что вы не можете им указывать, когда именно генерировать энергию: легко заготавливать сено (или запасать энергию), когда светит солнце, но как быть, если оно светит не тогда, когда вам это особенно нужно?

Разумеется, вы можете ответить на это так: все, что нам требуется, это батарея, которая будет хранить дополнительную энергию до тех пор, пока она нам не понадобится. Но электрические аккумуляторные батареи не решают данную проблему. Они дороги в изготовлении, для их производства нужны довольно редкие металлы, количество циклов заряда/разряда у них весьма ограниченно, как и скорость запасания и извлечения энергии. Впрочем, в последние годы появились шансы решить эту задачу в связи с разработкой прототипов махового колеса, позволяющих запасать энергию путем преобразования одного ее вида в другой. Маховое колесо представляет собой тяжелый диск или цилиндр, который вращается на подшипниках, обеспечивающих предельно малую силу трения. Будучи приведен во вращение, такое маховое колесо может вращаться очень долго. А поскольку с вращением связана дополнительная энергия, оно может ее запасать. Любую избыточную энергию, появляющуюся в электро­сети, можно использовать для приведения махового колеса во вращение, и оно будет продолжать вращаться, используя эту избыточную энергию. Затем, когда она вам понадобится, вы будете замедлять вращение махового колеса, отбирая накопленную в нем энергию и преобразуя в электричество. Количество таких циклов «заряда/разряда» у махового колеса не ограничено, а высвобождение накопленной в нем энергии происходит очень быстро. Вы теряете всего около 10% энергии, которая нужна для приведения махового колеса во вращение. К тому же для его поддержания в рабочем состоянии требуется лишь минимальное тех­обслуживание. Более того, вы можете приспособить маховое колесо для собственных нужд: небольшое колесо, которое работало бы в сочетании с солнечными панелями у вас на крыше, или группа больших маховиков для сглаживания резких перепадов напряжения в сети электроснабжения в целом. Проводятся испытания небольших мобильных маховиков для использования в транспортных средствах гибридного типа, например в автобусах. Запасание энергии в таких маховиках происходит при каждом очередном торможении автобуса, а возвращение — при развитии скорости. Привлекательность маховых колес заключается в том, что принцип их действия основан на гениально простой идее — преобразовании вращательного момента. Куриные яйца, волчки и чай, помешиваемый в чашке ложечкой, — все подчиняется одному и тому же принципу. Но чтобы этот простой физический принцип позволял решить сложные практические задачи, требуются эффективные современные технологии. Их новое воплощение сейчас пребывает лишь на начальном этапе развития, но вполне возможно, читатели этой книги станут свидетелями гораздо более широкого применения вращающихся маховиков в повседневной жизни.

Отправить