Горячкин А.Е. От механической физики к живой природе

Подождите немного. Документ загружается.

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ.

ФИЗИКА В ИГРУШКАХ

Вращательное движение

– движение, при котором траектории

всех точек тела являются окружностями с центрами, расположен-

ными на одной прямой, иными словами, оси вращения, – и лежат

в плоскостях, перпендикулярных этой прямой. В таком случае все

точки тела описывают окружности, расположенные в параллель-

ных плоскостях. Наглядный пример – дискотечный шар. Этот вид

движения для нас самый важный, ведь он лежит в основе нашей

жизни. Так Земля вращается вокруг собственной оси, и это вы-

зывает смену дня и ночи. Земля вращается вокруг Солнца, и это

вызывает смену времен года. Земля вращается вокруг общего с

Луной центра масс, и на основе этого вращения составлены лун-

ные календари и отмечаются некоторые праздники. Впрочем, есть

и более примитивные, но тем не менее незаменимые в повседнев-

ной жизни вещи, сконструированные на вращательном моменте. В

основном религиозные. Так что вращение всегда занимало видное

место в трудах и умах ученых всех поколений.

В конце XIX века Европу захватила атомная мания, не менее жар-

кие споры разворачивались вокруг существования эфира. И чтобы

доказать или опровергнуть существование какого-либо явления, его

надо было спроектировать. Это и сделал британский лорд Кельвин в

небезызвестной нам лаборатории Кавендиша. По его мнению, эфир

– огромная армия постоянно вращающихся «волчков», которые неу-

станно переносят свет и другие волновые материалы из одной точки

в другую. И как бы логично, что для этой работы эфиру необходим

механизм, ну, скажем, самозапуска. Телесным воплощением эфира

стал «волчок Томсона».

Это детская игрушка, в которую по понятным причинам с не-

описуемым удовольствием играет ограниченный круг дипломиро-

ванных мужей.

Если этот волчок сильно раскрутить на ровной поверхности, то

он вопреки всем законам физики, опрокидывается набок и продол-

Частный случай вращательного движения – кручение. Это вид деформации, характе-

ризующийся взаимным поворотом поперечных сечений стержня, встречается чаще всего

в сопротивлении металлов – под влиянием пар сил, действующих в этих сечениях. При

кручении поперечные сечения круглых стержней остаются плоскими.

жает переворачиваться, пока не встанет на ось, на которой будет за-

тем продолжать вращаться. Это означает, что находящийся в ниж-

ней части центр тяжести покоящегося волчка как бы перемещается

при движении в верхнее положение. На первый взгляд такой пово-

рот событий противоречит условию устойчивого равновесия. Но

только если речь идет о неподвижных системах отсчета, включая

инерциальные системы. В динамике все совсем иначе. Весь секрет

в прецессии

Иными словами, если к вращающемуся волчку приложена какая-

то постоянно действующая сила, его ось отклоняется. В нем самом

одновременно возникает противоположная сила, стремящаяся воз-

вратить ось в исходное положение. В случае с волчком Томсона

такими постоянными силами являются сила трения полусферы о

поверхность стола и сила тяжести. Они же помогают волчку сохра-

нять равновесие даже в самых суровых условиях. Например, если

его толкнуть пальцем, он не упадет, а лишь отскочит в сторону.

В какую именно — зависит от направления вращения: против ча-

совой стрелки – влево, по часовой – вправо. В 1891 году Кельвин

запатентовал один из своих волчков. Но проявил чрезмерную кон-

спирацию и, чтобы конкуренты не смогли сконструировать игруш-

ку самостоятельно, указал неправильные параметры пропорций

волчка. Если следовать указанным в том патенте инструкциям, то

волчок не будет переворачиваться. Расстроились ли конкуренты и

получил ли сам лорд Кельвин со своей хитрости какие-либо диви-

денды, осталось за кадром. Но именно эта ошибка ученого позво-

лила датчанину Вернеру Остбергу в 1950 году заново открыть и,

главное, запатентовать волчок. Надо сказать, что за минувшие бо-

Прецессия – явление, при котором ось вращающегося объекта поворачивается, например,

под действием внешних моментов.

лее полувека в мире были проданы миллионы «волчков Томсона».

Так что коварство Кельвина не только принесло обычному инжене-

ру славу в научных кругах, но и озолотило его. Впрочем, и сам лорд

Кельвин позаимствовал идею конструкции своей игрушки. Еще в

1817 году Иоганн Боненбергер опубликовал статью о своем изобре-

тении – гироскопе

. Выражаясь простым языком, это устройство,

способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним

тела относительно инерционной системы отсчета. До изобретения

гироскопа люди ориентировались визуально по удаленным пред-

метам, в частности, по Солнцу. В древности существовали отвес и

уровень, основанные на гравитации. В середине XIX века в Китае

появился компас как первое устройство, успешно использующее

магнетизм Земли. Европейцы параллельно создали ряд приборов

для ориентирования в пространстве, основанных на расположении

звезд.

Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся мас-

сивный шар в кардановом подвесе. Преимуществом гироскопа было

то, что он правильно работает в любых сложных условиях, будь то

плохая видимость, тряска или электромагнитные помехи, однако

гироскоп быстро останавливался из-за трения. Задачу решили во

второй половине века, когда в работе гироскопа стали использовать

электродвигатель. Впервые на практике гироскоп применили немно-

гим позже, в 1880-х годах. Инженер Обри использовал его для стаби-

лизации курса торпеды. В прошлом веке гироскопы стали незамени-

мыми в самолетах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или

совместно с ним.

Немногим позже в России о гироскопах, конечно, не совсем о

них, а о схожих приборах, начинают размышлять на самом высоком

уровне. Государственный чиновник Шиловский Петр Петрович, он

же впоследствии губернатор Костромы, а на тот момент именитый

юрист и граф. По зову души дворянин занялся конструированием

некоего устройства, которое по замыслу должно было бы помогать

кораблям удерживать равновесие, а машине ездить на двух колесах.

В 1909 году Шиловский получил патент на «Устройство для сохра-

нения равновесия повозок или других находящихся в неустойчивом

положении тел» в России, Англии, Германии, Франции и США. И

всего каких-то два года спустя на выставке в Петербурге продемон-

Производное от греческих слов «вращение» и «смотреть».

стрировал действующую модель однорельсовой железной дороги с

гиростабилизированным поездом.

В числе тех, кто остался в восхищении, оказался импера-

тор Николай I со своей семьей, который также посещал выстав-

ку. Впрочем, монаршая семья вряд ли восхитилась новаторством

Петра Петровича, скорее, ее поразили экономические выгоды про-

екта. Как минимум двойная экономия выходила на чугуне для

рельсов. Шиловский же не на шутку возгордился и даже ушел со

своего поста, посвятив остаток жизни изобретательству.

И надо сказать, что уход себя оправдал. В 1911 году на Аляске

начали строить однорельсовую дорогу длиной в 160 киломе-

тров. Закончилось это плачевно. В смысле ничем. Но горевать

Шиловскому не пришлось. В мае 1914 года на улицах Лондона по-

явися «гирокар».

Иными словами – гиростабилизированный двухколесный ав-

томобиль. Под днищем автомобиля располагался 600-килограм-

мовый маховик. Это был диск диаметром в один метр и толщи-

ной 12 сантиметров. Раскручивал его 110-вольтный электромотор

мощностью немногим более одной лошадиной силы, питаемый

динамо-машиной. И два «маятника» весом по пятьдесят кило-

граммов каждый. Незамысловатая конструкция удерживала ма-

шину весом свыше двух с половиной тонн в вертикальном по-

ложении. «Особое восхищение прохожих, – отмечал обозрева-

тель популярного в то время журнала «Аэро и автомобильная

жизнь», – вызывало то обстоятельство, что коляска даже при

совершенно тихом ходе не теряла устойчивости». Почему ма-

шину, без преувеличения суперкар начала 20-го столетия, не от-

правили в серийное производство, непонятно до сих пор. Как бы

то ни было, машина так и осталась звездой-однодневкой, во вре-

мя войн чертежи были почти полностью растеряны и во второй

половине прошлого века об идее двухместного авто помнили раз-

ве что только самые преданные фанаты раритетных автомобилей.

Впрочем, отдаленно двухколесную машину напоминают совре-

менные автоматизированные самокаты, на которых передвигаются

нью-йоркские полицейские и которые любят во многих европей-

ских городах за маневренность и возможность легко миновать лю-

бую пробку.

В 1919 году монорельсовая дорога получила статус обще-

государственного значения, и ее строительством руководили

непосредственно из Всероссийского совета народного хозяйства.

«Красная газета» от 15 апреля 1921 года сообщила: «Президиум

ВСНX обсуждал вопрос о сооружении однорельсовой гироско-

пической железной дороги. Постановлено использовать ныне

бездействующую бывшую царскую ветку Петроград – Детское

Село – Александровка. Путиловский завод исполняет уже раму

и корпус двухвагонного поездного состава. Пробный поезд бу-

дет готов через год. Он рассчитан на 150-верстную

скорость в

час. Такая скорость для двухрельсовых дорог была пока недо-

ступна». В условиях дефицита рельсов во время Гражданской

войны новый транспорт выглядел весьма привлекательным. Кроме

того, это была и возможность упростить строительство военных

полевых узкоколеек. Замысел линии даже сегодня выглядит весьма

дерзко. Поезд должен был состоять из двух сочлененных вагонов,

моторного и пассажирского, и перевозить до 400 человек за раз.

Скорость движения должна была доходить до 150 километров в

час. За четыре месяца было построено 12 километров монорельсо-

вого пути – от Детского Села до Средней Рогатки, а предприяти-

ям в Санкт-Петербурге был заказан подвижной состав. Однако в

мае 1922 года проект неожиданно перестали финансировать. Петр

Шиловский эмигрировал в Великобританию, где неустанно толкал

так никого и не зацепившие идеи про гиростаты и возможности их

применения. И умер в 1940 году, так и не узнав, что все-таки в свое

время поставил не на ту лошадку, отказавшись от политики во имя

науки. И сейчас при посадке самолета в условиях плохой видимо-

сти или частичного тумана пилоты ориентируются по гироскопам,

а не по компьютерным картам, которые, увы, часто дают сбой при

плохих погодных условиях.

Главный же гироскоп в жизни любого – это наша планета. Земля

имеет форму немного сплюснутого эллипсоида. Все мы знаем, что

притяжение Солнца действует неодинаково по разные стороны эк-

ваториального пояса. Те части, что ближе, испытывают большее

притяжение, чем те, которые расположены дальше. Отсюда и по-

является сила, которая стремится развернуть голубую планету так,

чтобы ось вращения стала перпендикулярно к Солнцу. Но земная

ось этому давлению не поддается, а, наоборот, вращается в про-

тивоположную сторону и таким образом прецессирует. Кстати,

Верста – единица измерения длины, равная чуть больше километра

схожим образом закручиваются торнадо. Полную каноническую

поверхность

Земля описывает, по подсчетам, примерно за 26 ты-

сяч лет. Проверить точность этих вычислений, скорее всего, так

никому и не придется. Практически это значит, что раз в 26 тысяч

лет меняется направление на полярную звезду. Похожую прецес-

сию на Землю оказывает и Луна. Но естественный спутник Земли

гораздо ближе к нашей планете и в разы уступает Солнцу в массе,

поэтому и воздействие на Землю меньше. И полное вращение Луна

проходит за 19 лет, затем меняется ее угол наклона.

СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ

Нам осталось разобрать последний по счету, но не менее важ-

ный, чем предыдущие два, вид движения – самопоульсацию. Но

перед этим предлагаю сделать небольшое лирическое отступление

и немного поговорить о нашей Вселенной.

Возьмите все элементы, для этого лучше всего сходить в апте-

ку, – вплоть до самой маленькой пылинки, которые имеются в этом

мире. Только смотрите, чтобы у вас оказалось не более столовой

ложки разносортицы. А потом заключите это в столь маленькую

коробочку, настолько маленькую, что у нее вообще не будет разме-

ра. Такие размеры начинаются примерно со стомиллионной доли

протона. Конечно, долго оставаться заключенными в узкие канда-

лы наше вещество не сможет, и упаковка обязательно взорвется.

В случае с нашей Вселенной это называется «Большим взрывом».

Впрочем, теория появилась сравнительно недавно и до сих пор не

получила стопроцентного, как принято говорить, железного под-

тверждения. Ведь за пределами этого взрыва нет ни времени, ни

пространства, ничего. Поэтому мы, скорее всего, никогда так и не

узнаем, в результате чего именно появились Вселенная, галактика,

планетарная система, Земля и непосредственно мы с вами. Зато мы

можем предположить, как все это работает. Да, предположить. Так

как, несмотря на сверхмощные приборы и удивительные точные

расчеты современных астрономов, самым точным определением

Каноническая поверхность – поверхность, которая не ограничивается ни вершиной

фигуры, ни направляющей линией, образующей ее. Она простирается неограниченно в обе

стороны от вершины. Классический пример «канонической поверхности» – пирамида или

конус.

устройства Вселенной по-прежнему остаются слова известного

биолога Дж. Б. С. Холдейна: «Вселенная не только более необыч-

на, чем мы предполагаем; она необычнее, чем мы можем предпо-

ложить». Действительно. Для иллюстрации предполагаемых мас-

штабов исследуемого объекта как нельзя лучше подходит расхо-

жий журналистский штамп, который предлагает сравнить Землю

с горошиной. Тогда Плутон все равно расположится в нескольких

сотнях метров от нее. Вселенная, которую мы знаем, это простран-

ство размером примерно 10

километров в поперечном сечении.

Это то пространство, которое свет успел покрыть за предполага-

емые миллиарды лет существования нашей Вселенной. И многие

ученые не без оснований полагают, что на самом деле космос го-

раздо просторнее, чем представляется нам – не исключено, что это

площадь, выражающаяся 10 с миллионами нулей. Да и уже имею-

щиеся, определенно поразительные данные, давным-давно устаре-

ли. По крайней мере, что касается отдаленных галактик, звезд и

планет. О возрасте и состоянии космоса мы судим по пульсации

звезд, находящихся на расстоянии многих световых лет от Земли, и

самое точное, что мы можем утверждать, что данная звезда светила

тысячу лет назад.

Космос почти во всех языках происходит от английского слова

space. Дословный перевод – «пустое пространство». Автор име-

ни был недалек от истины. Космос удивительно пуст: несколько

планет, спутников, космическая пыль, кометы и звезды. Вот, ка-

залось бы, и все. Однако есть еще одна составляющая, которая

невидима невооруженным глазом, впрочем, и астрономам о ней

приходится только догадываться, – материя, о которой больше

всего (на момент написания книги) знает преподобный Эванс из

Австралии.

Днем он священник объединенной церкви Австралии, а безоб-

лачными ночами превращается в лучшего или просто самого ве-

зучего в мире охотника за сверхновыми звездами. Такие звезды

появляются, когда какое-нибудь громадное светило, гораздо боль-

ше нашего Солнца, приказывает долго жить и напоследок очень

эффектно взрывается, высвобождая при этом энергию сотни мил-

лиардов солнц. Это немногим больше триллиона атомных бомб,

сброшенных на Хиросиму. Некоторое время сверхновая звезда

горит ярче любой другой во Вселенной. Впрочем, обнаружить ее

все равно очень сложно. Во-первых, даже сверхновая, яркая звезда

сродни крупинке соли на огромном обеденном столе. Во-вторых,

появляется она не чаще одного-двух раз в год. И каждый раз не-

ожиданно. Так что наблюдать, и по большей части безуспешно,

приходится постоянно. Итак, рождение сверхновой звезды – со-

бытие галактического масштаба. Но главное предназначение этих

взрывов – отнюдь не поражать наше воображение. Главная их за-

дача – рассказывать ученым о темпах и масштабах расширения

Вселенной. Кроме того, теперь мы точно знаем, что космос помимо

всего прочего еще и громадное хранилище гигантских сгустков

энергии. Осознание этого очень важно для рассмотрения основно-

го для всех существующих предметов и живых существ вида дви-

жения – самопульсации, которое в том числе знаменуется и энерге-

тической подвижностью.

Упомянутая высвобожденная энергия принимает разнообраз-

ные формы, самые распространенные из которых – тепло, свет и

нейтрально заряженные элементарные частицы. Последние пред-

ставляют собой определенный вид излучения и неподдельный ин-

терес для исследователей уже много лет подряд. Дело в том, что

этих самых частиц – удивительное множество, несколько сотен

разных видов, а поймать их практически невозможно. Но надо.

Ведь именно в этих увертливых, по мнению ученых, кроется ответ

на извечные вопросы: «Есть ли жизнь за пределами Земли?» и «Как

устроена наша Вселенная и что поддерживает ее в рабочем состоя-

нии уже не первый миллиард лет?».

Каждую секунду через Землю, людей, растения, животных

и предметы проходят по меньшей мере сотни тысяч триллионов

нейтрино, названных так вследствие отсутствия какого либо заря-

да. Львиная доля подобных частиц появляется во время рождения

сверхновой звезды, однако в руки ученым по понятным географи-

ческим причинам попадают только плоды деятельности Солнца.

Этим малюткам удается проходить незамеченными сквозь все, что

существует на нашей планете, как будто ничего вообще не суще-

ствует. Это означает только одно – нейтрино настолько малы, что

умудряются проходить между орбитами вращения электронов.

Они проходят сквозь Землю и летят по другую сторону галакти-

ки, и редко когда эти волны задерживаются более чем на секунду

в нашей атмосфере. Кстати, эти излучения, как мы с вами позже

точнее рассмотрим, являются разновидностью орбитальной пуль-

сации Земли.

Одним из первых о существовании таких внеземных пришель-

цев заговорил уже известный нам лорд Кельвин. Об элементар-

ных частицах он вряд ли догадывался, но в 1871 году, выступая на

официальном симпозиуме, высказал предположение, что жизнь на

планету могла буквально залететь из космоса. Тогда слова британ-

ца не тронули никого, и идея ученого оставалась смелым личным

предположением почти сто лет, а точнее – до 1969 года. Тогда под

Мельбурном рухнул огромный, горящий и страшно смердящий

спиртом и жженным метеорит и раскололся на сотни кусочков, ве-

сом до пяти килограммов каждый. Никто удивительным образом

не пострадал, а жители окрестных поселений помогли собрать поч-

ти центнер кусков неземного происхождения. Находки тут же разо-

шлись по лабораториям в разных странах мира. Конечно, интерес

австралийский метеорит вызвал не сам по себе. За пару месяцев до

этого космический аппарат «Аполлон-11» доставил на Землю об-

разцы почвенных пород Луны, и востребованность галактического

грунта выросла в разы. Ученые определили, что метеориту четыре

с половиной миллиарда лет, и он, в частности, состоит из целого

ряда аминокислот, восемь из которых незаменимы для образова-

ния земных белков. А в 2001 году американские исследователи вы-

яснили, что обломки и вовсе усеяны сложными группами сахаров,

которые до того момента встречались исключительно на голубой

планете. Вообще на нашу планету, как теперь знают ученые, регу-

лярно падают метеориты, богатые органическими соединениями,

необходимыми для зарождения и поддержания жизни как мини-

мум в ее химическом значении. Упади таких обломков в нужном

количестве в одном заданном месте – и там, поди, начали бы раз-

множаться бактерии, которые, шутка ли, со временем мутировали

бы в более сложные организмы.

Схоже обстоят и дела с неземной жизнью. То есть химически

она вполне возможна за пределами нашей атмосферы. Но вряд

ли стоит всерьез заговаривать о высокоразвитых цивилизаци-

ях, равно как и придавать слишком большое значение амбициоз-

ным планам ученых готовить для землян поля для отступления

на других планетах. Впрочем, появление таких частиц косвенно

подтверждает утверждение лорда Кельвина, что жизнь на Земле