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

На Земле существует предел воздействия на вас гравитации. Это объясняется тем, что вы ускоряетесь лишь результирующей силой, воздействующей на вас. Ускоряясь, вам приходится толкать на своем пути больше воздуха за один и тот же промежуток времени, причем этот воздух оказывает вам противодействие, толкая вас в обратном направлении. В какой-то момент эти две силы уравновешивают друг друга, и вы продолжаете полет с некоторой конечной скоростью – быстрее двигаться вы не сможете. В случае листьев, воздушных шаров и парашютов сила противодействия воздуха довольно большая по сравнению с силой притяжения Земли, поэтому баланс сил действия и противодействия наступает при относительно низкой скорости. Но для человека конечная скорость вблизи земной поверхности составляет примерно 190 км/ч. Как ни печально это звучит для тех, у кого есть шансы упасть с большой высоты, сопротивление воздуха совсем незначительно, пока они не достигнут очень высоких скоростей. Оно не настолько велико, чтобы гарантировать мне полную безопасность при прыжке с 10-метровой вышки. Даже сейчас я не решилась бы на такой прыжок.

⁂

Мои научные исследования касаются физики поверхности океана. Я – физик-экспериментатор, поэтому часть моей работы – морские экспедиции, в ходе которых я исследую процессы, протекающие на зыбкой и прекрасной границе между воздухом и океаном. По многу недель мне приходится работать на исследовательском судне, которое представляет собой нечто вроде плавучей, функциональной и мобильной научной деревни. Проблема длительного пребывания на корабле – необходимость жить с гравитацией, которая ведет себя не совсем так, как на суше. Понятие «внизу» становится весьма неопределенной концепцией. Предметы могут падать с такой же скоростью и в таком же направлении, как если бы вы уронили их на суше, но не всегда. Обнаружив на столе какой-нибудь незакрепленный объект, вы поневоле начинаете смотреть на него с подозрением, поскольку нет никакой гарантии, что он останется неподвижным. Жизнь на море проходит в окружении всевозможных амортизаторов, запертых на замок выдвижных ящиков, веревок, канатов и ковриков, которые обеспечивают прочное сцепление с подошвой обуви, что помогает вам более-менее сносно существовать в условиях постоянного действия некой капризной силы, которая, подобно научному полтергейсту, тянет окружающие вас предметы в непредсказуемых направлениях. Тема моих научных исследований – пузырьки, порождаемые разбивающимися волнами во время штормов. Поэтому мне приходится месяцами жить в море, причем порой в весьма некомфортных погодных условиях. Вообще говоря, мне нравится эта «морская романтика», к ней быстро привыкаешь. Однако я извлекла из морских экспедиций один важный урок: мы воспринимаем силу притяжения как нечто само собой разумеющееся и, как правило, не задумываемся о ее существовании. Во время одной из научных экспедиций в Антарктику корабельный казначей взял себе за правило по три раза в неделю проводить с нами что-то наподобие физзарядки. Он собирал нас в одном из холодных трюмов корабля, где мы, подчиняясь его командам, становились в круг и в течение часа дружно подпрыгивали, наклонялись, приседали и выполняли другие физические упражнения. Это была, наверное, самая эффективная групповая физзарядка, которую мне когда-либо приходилось делать, поскольку мы никогда не знали, какой силе нам предстоит сопротивляться в каждый очередной момент. Первые три упражнения «присесть-встать» могли казаться нам до смешного легкими, так как соскальзывание корабля с гребня волны вниз существенно снижало силу земного притяжения. Но только вы начинали чувствовать себя по-настоящему хорошо, как вас тотчас же настигало возмездие: корабль достигал подошвы волны. В этот момент притяжение становилось на 50 % сильнее и внезапно возникало ощущение, будто вашим мышцам приходится преодолевать сопротивление резинового эспандера, один конец которого прикреплен к полу, а другой – к вашим плечам. Еще четыре упражнения «присесть-встать» – и гравитация вновь пропадает… Прыжки на месте давались еще тяжелее, потому что вы никогда не могли угадать, на какой высоте окажется пол в следующее мгновение. А после физзарядки, стоя под душем, вам приходилось ловить струю воды, которая направлялась то в одну то в другую сторону душевой кабинки по мере того, как корабль кренился то на один то на другой борт или наоборот, то на нос, то на корму в результате килевой качки.

Разумеется, с гравитацией все было в порядке. Все предметы на корабле притягивались к центру Земли с одной и той же силой. Но когда вы ощущаете силу земного притяжения, вы сопротивляетесь ускорению. Если среда, в которую вас поместили, сама приобретает ускорение (представьте, что вы находитесь в гигантской консервной банке и ее время от времени подбрасывают вверх, после чего она каждый раз падает вниз), то ваше тело не сможет уловить разницы между гравитационным и любым другим ускорением, действующим на вас. В конечном счете вы оказываетесь под действием «результирующего ускорения», не отдавая себе отчета в том, в чем его источник. Именно поэтому необычные ощущения, возникающие у вас в лифте, появляются лишь в начале и конце движения, когда лифт ускоряется, прежде чем достигнет своей «крейсерской скорости», и замедляется («отрицательное ускорение»), прежде чем полностью остановится. Ваше тело не улавливает разницы между ускорением лифта и ускорением, вызванным гравитацией[12], поэтому вы испытываете повышенную или пониженную «результирующую силу тяжести». В течение какой-то доли секунды вы можете почувствовать, каково жить на планете с другим гравитационным полем.

К счастью, большую часть времени мы не испытываем на себе подобных сложностей. Сила тяжести постоянна и действует в направлении центра Земли. «Вниз» – это направление, в котором падают предметы. Это известно даже растениям.

Моя мама – заядлый садовод и огородник, поэтому в детстве у меня было достаточно возможностей сеять семена, пропалывать сорняки, кривиться от вида слизняков и ворошить навозные кучи. Помню, меня всегда восхищали сеянцы, потому что они знали, где «верх», а где «низ». В глубине почвы, куда не проникает свет, после раскрытия оболочки семени новые корешки тянулись вниз, а нарождающийся стебелек – вверх. Вытащив из почвы любой саженец, вы легко могли убедиться в том, что растения никогда не ошибаются в выборе направления своего развития: корень неизменно прорастает в глубь почвы, а стебель устремляется вверх. Как они ориентируются в пространстве? Став постарше, я нашла ответ на этот вопрос – и он был на удивление прост. Оказывается, внутри семени есть специализированные клетки, называемые статоцитами, нечто вроде микроскопических «снежных шариков»[13], встроенных в растение. Внутри каждой такой клетки есть особые крахмальные ядра, более плотные, чем остальной материал клетки, ориентированные в направлении нижней части клетки. Белковые сети наделены способностью к ориентации в пространстве, так что семя, а впоследствии и растение знают, где «верх», а где «низ». Когда в очередной раз будете сеять семена, вспомните о наличии в них некоего подобия «снежного шарика» и бросайте их в почву в каком угодно положении. Можете не сомневаться, растение справится с задачей, которую вы перед ним поставили.