Издательство «Манн, Иванов и Фербер» представляет книгу британского физика Элен Черски «Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса» (перевод Ивана Веригина).
Физик объясняет, какие научные идеи скрываются за повседневными явлениями и как связаны простые вещи вроде взрыва попкорна и магнитов на холодильнике с такими большими идеями, как изменения климата и инновационная медицинская диагностика.
Если налить немного молока в чашку с чаем и быстро размешать ложечкой, то сначала вы увидите что-то наподобие маленького водоворота, спираль из двух жидкостей, увлекающих друг друга в кружение и лишь едва соприкасающихся между собой. Такую же картину можно заметить и в других местах и в другом масштабе — и причина ее будет такой же. Если взглянуть на Землю из космоса, то нередко можно наблюдать очень похожие «водовороты» в облаках — в тех местах, где массы теплого и холодного воздуха кружатся друг вокруг друга, вместо того чтобы просто перемешаться между собой. В Британии такие воздушные «водовороты» регулярно перемещаются через Атлантический океан, с запада на восток, и служат причиной изменчивости британской погоды, пользующейся дурной славой. Эти воздушные «водовороты» образуются на границе между холодным полярным воздухом, который движется с севера, и теплым тропическим воздухом с юга.
Однако сходство картин, которые мы наблюдаем в том и другом случае, не является простой случайностью. Оно указывает на некую общую, более фундаментальную основу. Под их внешним сходством скрывается некая систематическая основа для всех подобных явлений — основа, открытая, исследованная и проверенная в ходе строгих научных экспериментов, проводившихся не одним поколением ученых. Этот процесс открытия и есть наука: непрерывное уточнение и проверка нашего нового понимания тех или иных явлений окружающего мира, наряду с новыми изысканиями, которые выявляют новые факты, требующие осмысления. Прелесть физических законов заключается именно в их универсальности: они действуют и на кухне, и в самых отдаленных уголках Вселенной.
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
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 бóльшим 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 всё 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 всё 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 всё 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 всё 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 всё 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[1]. 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 всё 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 главе 2, 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 всё бóльших сил.
[1] Следует подчеркнуть, что езда на велотреке в целом доставила мне удовольствие, и я рекомендовала бы всем моим читателям тоже на нем прокатиться. Если вы уверенно держитесь на велосипеде, то езда на велотреке станет для вас превосходной возможностью оценить физику вращательного движения на собственном опыте.
