Читать книгу "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски"

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[62]. 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.