Читать книгу "Астрономия на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов"

Ах, какой больной вопрос!

Вот если магниты, например, сблизить одноименными полюсами, они будут отталкиваться, а если разноименными – притянутся и честно стукнутся друг об друга с приятным звуком. Почему то же самое не происходит с электрическими зарядами – отчего электрон, который притягивается к протону, не падает на него, а начинает вокруг него кружиться?

Если вы зададите этот губительный вопрос родителям, скорее всего они не ответят. Но есть также вероятность, что папа начнет фантазировать и попробует привлечь для ответа аналогию. Он может сказать, например, такое:

– Дорогой мой любимый ребенок! Как ты знаешь, планеты тоже притягиваются к Солнцу, но на него не падают. И Луна к Земле притягивается, но нам на голову не падает. Потому что она кружится вокруг Земли. Вот и электрон тоже кружится и не падает…

В том, что касается планет, папа, конечно, прав. Да, планеты друг к другу притягиваются. И не только планеты. Вообще любые предметы, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Земля к Солнцу притягивается, человек к Земле – и именно поэтому мы по нашей планете спокойно ходим, а не улетаем в мировое пространство. А споткнувшись, больно падаем, расшибая коленки. Потому что притягиваемся!

Это называется гравитация. Слышали такое слово?.. И это уже третий тип физического взаимодействия, который мы теперь знаем! Первый – сильное (ядерное) взаимодействие. Второй – электромагнитное. Третий – гравитационное.

Гравитационное взаимодействие самое слабое из перечисленных. Мальчик, играющий на полу, притягивается к маме, стоящей в дверном проеме и пытающейся заставить его собрать игрушки и идти в кровать. Но сила их взаимного притяжения так слаба, что легко компенсируется силой трения между их телами и полом. Вы, надеюсь, знаете, что такое сила трения? Если нет, спросите у любого из родителей, это должна знать даже мама. В конце концов, не все же мне вам объяснять, пусть что-нибудь расскажут и родители, а то переложили на меня все заботы о воспитании собственного чада!..

Короче, очень слаба гравитация, поэтому ребенка и не волочет по полу в направлении более массивной мамы. Но почему тогда мы так больно притягиваемся к Земле и потом ходим с зелеными коленками? Почему мы вообще ходим по ней, а не улетаем в космос, если слаба сила гравитации?

Сила гравитации зависит от массы тяготеющих друг к другу тел. Земля очень тяжелая. Она по сравнению с вашей мамой имеет просто гигантскую массу. Оттого и притягивает нас всех к себе. Солнце имеет массу еще большую. Поэтому сила притяжения Земли и Солнца достаточна для того, чтобы удерживать их вместе в одной системе.

А вот в микромире из-за микроскопических масс частичек сила гравитации совсем уж ничтожна. Электрон, как частица, имеющая массу, притягивается к протону. И даже к другому электрону! Но поскольку силы гравитации в сравнении с электромагнитными силами ничтожны, ими в микромире можно совершенно спокойно пренебречь.

Однако в макромире, мире планет и звезд, из-за большой массивности небесных тел тяготение между ними проявляется очень сильно. И планеты кружатся вокруг светил, а Луна вокруг Земли только потому, что они притягиваются, тяготеют друг к другу гравитационно. Но папа был совершенно неправ, когда проводил аналогию между электроном, который кружится вокруг протона, и Землей, которая кружится вокруг Солнца. Потому что электрон не падает на протон совсем по другой причине, нежели это происходит в планетарных и звездных системах. Луна не падает на Землю, а Земля на Солнце по иным обстоятельствам. Сейчас мы их разберем.

Итак, почему одно тяготеющее тело не падает на другое? А кто вам сказал, что не падает? Очень даже падает! Яблоко, упавшее с яблони, прекрасно падает на землю. Мальчик, упавший с яблони, прекрасно падает рядом с яблоком возле яблони и начинает грызть яблоко. Метеориты и астероиды, прилетевшие из космоса, отлично падают на Землю. Тяготеющие друг к другу массы прекрасно могут соприкасаться друг с другом или, что то же самое, падать друг на друга. Можно сказать, что яблоко упало на Землю, а можно сказать, что Земля упала на яблоко, а можно сказать, что они упали друг на друга, поскольку взаимно притянулись друг к другу, просто яблоко пролетело больший путь навстречу Земле, чем Земля сдвинулась навстречу яблоку, так как Земля в миллиарды раз массивнее яблока.

Но почему тогда Луна не падает на Землю, как яблоко? Почему искусственный спутник Земли – например, спутник связи – будучи запущенным на орбиту, не падает с этой орбиты вращения обратно на Землю?

Падает! В том-то и дело! Постоянно, каждое мгновение падает!

Но никак не может упасть.

Потому что имеет «боковую» скорость. На картинках ниже видно, как и почему это происходит.

Если мы выстрелим снарядом из пушки параллельно поверхности земли, он пролетит какое-то время и упадет. Потому что его притягивает. Расстояние пролета зависит от скорости. Скорость V2 больше скорости V1. А скорость V0 вообще равна нулю, и тело спокойно падает вниз.

Если огромная пушка стоит на высокой горе, снаряд пролетит еще дольше, потому что земля как бы убегает от него «вниз» из-за кривизны поверхности.

Если этот «загиб» поверхности планеты продолжить, и землю «закруглить» и превратить в Землю, то снаряд так и будет вращаться вокруг нее. И никогда не упадет. Тут все дело в скорости! При маленькой скорости (V1 и V2) снаряд, конечно, свалится на поверхность. Но скорость можно поднять до столь высокой (V3), при которой снаряд не сможет упасть: притягивающая поверхность планеты все время будет убегать от него из-за кривизны. Такую скорость, при которой спутник вращается вокруг нашей планеты, называют первой космической скоростью. Она равна примерно 8 км/сек.

А если скорость снаряда еще больше увеличить (V4), так снаряд и вовсе улетит от Земли, хотя та его по-прежнему притягивает.

В общем, из объяснений к картинкам ясно, почему одно тело хоть и притягивается к другому, но не обязательно падает на него. Может и просто мимо пролететь, если скорость достаточно велика, только траектория чуть искривится в сторону притягивающего тела. А может так случиться, что более массивное тело вовлечет в свою орбиту менее массивное, и тогда маленькое станет вращаться вокруг большого.