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

Этот прием, позволяющий снизить остроту проблем гравитации, можно наблюдать повсеместно. Представьте, например, ось, расположенную на высоте 4 метра над поверхностью земли, с двумя 6-метровыми половинами «качели», балансирующими друг друга по обе ее стороны. Это не мост. Это тираннозавр, знаменитое плотоядное животное мелового периода. Две короткие толстые ноги удерживают его в вертикальном положении, а ось находится в области бедер. Причина, почему он раз за разом не падал плашмя на землю, мордой вниз, заключается в том, что крупная тяжелая голова хищника с острыми клыками уравновешивалась длинным мускулистым хвостом. Однако в жизни этой ходячей «качели» была одна проблема. Даже самый решительный и целеустремленный тираннозавр иногда испытывал потребность изменить направление движения. По оценкам ученых, тираннозаврам требовалось от одной до двух секунд, чтобы повернуться на 45°, что делало их чуть более неповоротливыми, чем умный и проворный тираннозавр из «Парка юрского периода». Что же могло в такой степени ограничивать огромного и мощного динозавра? Ответить на этот вопрос нам поможет физика.

Вращение фигуристки вокруг собственной оси вызывает у зрителей массу положительных эмоций: эстетическое удовольствие, изумление и восхищение безграничными возможностями человеческого тела. Но почему фигуристка, разведя руки в стороны, вращается медленнее, а прижав руки к телу, быстрее? Пример вращения фигуристки на льду полезно разобрать, потому что трение коньков о лед ничтожно и когда фигуристка вращается вокруг собственной оси, она обладает неким фиксированным «количеством» вращения. Кажется, нет ничего, что могло бы замедлить ее вращение. Поэтому действительно интересно, что, когда фигуристка изменяет свою форму, она изменяет и скорость вращения. Оказывается, по мере удаления тех или иных частей вращающегося тела от оси вращения при каждом очередном обороте им приходится совершать больший путь, в результате чего они, по сути, принимают на себя большую долю наличного «вращения»[16]. Если вы раскинете руки в стороны, они окажутся дальше от оси вращения и скорость вращения замедлится в качестве компенсации. В сущности, именно с этой проблемой столкнулся тираннозавр. С помощью ног он был способен вырабатывать лишь определенную величину поворачивающей силы (так называемый вращающий момент), а поскольку его огромная голова и хвост выступали далеко в стороны, подобно очень толстым, тяжелым чешуйчатым версиям рук фигуристки, его повороты были замедленными. Любое небольшое, но проворное млекопитающее (например, какой-либо из наших очень далеких предков) оказалось бы в большей безопасности, если бы знало об этой особенности тираннозавров.

Те же соображения объясняют, почему мы раскидываем руки в стороны, когда думаем, что падаем. Если я стою прямо, а затем внезапно начинаю клониться вправо, я поворачиваюсь вокруг своих лодыжек. Если перед тем, как начать падать, я раскину руки в стороны или вверх, та же опрокидывающая сила не успеет сместить меня настолько, насколько сместила бы в противном случае, и у меня останется больше времени, чтобы внести в свою позу поправки и удержать равновесие. Вот почему гимнасты, выполняющие упражнения на бревне, почти всегда держат руки вытянутыми в стороны: это увеличивает их момент инерции и у них остается больше времени, чтобы скорректировать свою позу и не упасть на пол. Разводя руки в стороны, поднимая их вверх и опуская вниз, вы можете совершать вращения вокруг собственной оси; кроме того, это помогает сохранять равновесие.

В 1876 году итальянская цирковая артистка Мария Спелтерина стала первой в мире женщиной, прошедшей над Ниагарским водопадом по натянутому канату. Сохранилась фотография, на которой она запечатлена на полпути через Ниагарский водопад, невозмутимо балансируя на канате (для усиления драматического эффекта ее ноги были «обуты» в корзинки для переноски персиков). Но самым заметным вспомогательным средством на фотографии был длинный горизонтальный шест в руках Марии – лучший инструмент для сохранения равновесия. Размаха рук для этого недостаточно, а длинный горизонтальный шест справляется с задачей гораздо эффективнее, позволяя Марии точно контролировать перемещения по натянутому канату[17]. Если бы она начала терять равновесие, это бы происходило очень медленно, поскольку большое расстояние между концами шеста означает, что тот же самый вращающий момент сказывается гораздо слабее. Конечно, Мария могла упасть с каната в результате сильного наклона в одну сторону, но длинный шест существенно затруднял возможность переворота слева направо. То же самое относится к тираннозавру. Тот же физический принцип, который служил Марии лучшей защитой от падения с 50-метровой высоты и верной смерти в бурных водах Ниагарского водопада, за 70 миллионов лет до того не позволял тираннозавру быстро изменять направление движения.

Гравитация, то есть притягивание одних твердых тел другими, – хорошо знакомая нам концепция главным образом потому, что мы сами представляем собой «твердые объекты», испытывающие на себе силу притяжения. Однако наш мир населяют не только твердые объекты, но и жидкости. Вода и воздух перемещаются туда-сюда под влиянием действующих на них сил. Мне очень жаль, что перемещение жидкостей мы обычно не можем видеть столь же отчетливо, как опадание листьев или разведение мостов. Жидкости ощущают на себе воздействие тех же сил, но у них нет какой-то определенной формы – именно в этом и состоит прелесть мира динамики жидкостей: устремляющихся вдаль, образующих водовороты, извивающихся, удивляющих нас и вездесущих.

Лично мне пузырьки симпатичны тем, что они повсюду. Я рисую их в своем воображении как невоспетых героев физического мира, образующихся и лопающихся в котлах и тортах, биореакторах и ваннах, выполняющих всевозможные виды полезной работы, но проживающих уж очень короткую жизнь. Они – столь привычная часть нашего быта, что мы почти не обращаем на них внимания. Несколько лет назад я спрашивала у разных групп детей от пяти до восьми лет, где им встречаются пузырьки, и они наперебой рассказывали о газированных напитках, ваннах и аквариумах. Но в последней группе, с которой мне довелось общаться в тот день (это было уже под конец дня, и дети выглядели уставшими), мой вопрос о пузырьках был встречен раздраженным молчанием и отсутствующими взглядами. После долгой паузы и переминаний с ноги на ногу один шестилетний малыш поднял руку. «Итак, – сказала я с воодушевлением, – где ты мог видеть пузырьки?» Мальчик посмотрел на меня с нерешительностью, а затем громко объявил: «Сыр… и сопли». Мне не в чем было его упрекнуть, хотя ничего подобного ранее не приходило мне в голову. Вполне возможно, что с пузырящимися соплями ему приходилось иметь дело чаще, чем мне. Впрочем, я могу назвать по меньшей мере одного представителя животного мира, для которого пузырящиеся сопли – ключ ко всему его образу жизни. Я имею в виду фиолетовую морскую улитку, Janthina janthina.

Эти улитки, обитающие в море, обычно передвигаются по морскому дну или скалам. Если сковырнуть такую улитку со скалы и опустить в воду, то она утонет. Древнегреческий ученый Архимед (вы, конечно, помните его знаменитое «Эврика!») первым открыл принцип, определяющий условия, при которых некий предмет плавает или тонет. Скорее всего, Архимеда интересовал вопрос плавучести морских судов, но тот же принцип применим к улиткам, китам и всему остальному, что погружено или полупогружено в какую-либо жидкость. Архимед выяснил, что между погруженным объектом (улиткой) и водой, которая была бы на месте улитки, если бы она не была погружена в воду, происходит своего рода соревнование. И улитка, и вода вокруг нее притягиваются вниз, к центру Земли. Поскольку вода это жидкость, предметы в ней могут перемещаться легко. Сила притяжения объекта прямо пропорциональна его массе: удвойте массу улитки и вы удвоите ее силу притяжения. Но вода вокруг нее тоже притягивается вниз, к центру Земли, и если вода притягивается сильнее, улитка будет всплывать вверх, освобождая для нее место. Принцип Архимеда, сформулированный для нашего злополучного моллюска, гласит, что на улитку действует направленная вверх сила выталкивания, равная направленному вниз гравитационному притяжению того объема воды, которая могла бы занимать место, занимаемое улиткой. Действие этой так называемой выталкивающей силы (архимедова сила) испытывает на себе каждый погруженный в воду предмет. С практической точки зрения это означает следующее: если улитка обладает большей массой, чем вода, заполняющая пространство в форме улитки, то она выиграет гравитационное сражение и пойдет ко дну. Но если масса улитки меньше (и, следовательно, меньше плотность), чем воды, победу одержит вода и улитка всплывет на поверхность. У большинства морских улиток большая плотность, чем у морской воды в целом, и поэтому они тонут.