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

Таким образом, мой личный опыт применения требушетов несколько ограничен, но восемьсот лет назад эта простая и элегантная идея революционизировала методы ведения войны. Способность метать тяжелые камни с высокой точностью означала, что вы можете методично долбить одно и то же место крепостной стены, пока она в этом месте не разрушится. Примерно на протяжении двух веков конструкции требушетов непрерывно совершенствовались, а их размеры становились все больше. Они даже получали красноречивые названия вроде «Камнеметатель господень» и «Вервольф». Для создания огромных катапульт требовалось много древесины, но способность запускать каждые несколько минут в сторону врага очередной 150-килограммовый камень того стоила. Вращение пращи с камнем вокруг оси позволяет достичь очень высокой скорости за очень короткий промежуток времени. Это вращение может быть кратковременным – вы используете его лишь как способ достичь высокой скорости. Как только метательный снаряд обретет ее, вы убираете тянущую силу, направленную внутрь, в тот самый момент, когда он окажется в нужной точке описываемой им окружности (то есть, по сути, когда снаряд, будучи освобожден от действия тянущей силы, станет двигаться в нужном вам направлении). До момента, когда надежность пороха стала достаточной для того, чтобы пушка превратилась в важнейший вид оружия, требушет, с точки зрения разрушительной силы, оставался непревзойденным оружием своего времени.

⁂

Вращение – неизменный атрибут нашей жизни. Например, прямо сейчас вы и я вращаемся. Раз в сутки мы совершаем полный оборот вокруг земной оси, хотя мы, конечно, этого не ощущаем, поскольку Земля так велика, что мы очень медленно изменяем направление движения. Если бы мы находились на экваторе, наша скорость движения составляла бы 1670 километров в час. В Лондоне, где я пишу эти строки, моя скорость равна 1050 километров в час, так как я нахожусь ближе к оси вращения. Но если мы обитаем на огромной планете, вращающейся вокруг собственной оси и если любой незакрепленный объект, находящийся на поверхности вращающегося предмета, обязательно слетит с нее и умчится по прямой линии, когда мы перестанем его удерживать, – то почему мы не срываемся с поверхности Земли и не улетаем по прямой в открытый космос? Ответ заключается в том, что сила тяжести, направленная к центру Земли, достаточна для того, чтобы удержать нас на ее поверхности. Вообще говоря, даже когда вы находитесь на околоземной орбите, планета продолжает удерживать вас. А когда поднимаетесь с поверхности Земли на околоземную орбиту, дополнительная скорость, придаваемая вам вращением Земли, может стать чрезвычайно полезным фактором.

Небольшой металлический шарик под названием «Спутник» подал первые сигналы с околоземной орбиты 4 октября 1957 года, что возвестило о начале космической эры. Мир с открытым ртом прислушивался к этим слабым сигналам. Первый искусственный спутник Земли стал огромным технологическим достижением человечества. Спутник совершал один полный оборот вокруг Земли каждые девяносто шесть минут, и если у вас был коротковолновый приемник, то каждый раз, когда спутник пролетал над вами, вы могли слышать его отчетливые сигналы: «бип… бип… бип…» В тот день Америка проснулась, уверенная в своем безоговорочном превосходстве над остальными странами, а к вечеру ее уверенность успела развеяться, как утренний туман. А примерно через год Советский Союз отправил на околоземную орбиту второй, более крупный спутник с собакой по имени Лайка на борту. Запаниковавшие американцы в космос никого не отправили, но учредили НАСА (Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства). Начались нешуточные «космические гонки».

Но в чем заключалось реальное достижение создателей спутника? Дело в том, что его нужно было не только каким-то образом доставить на высоту околоземной орбиты, но и удержать на ней ровно столько, сколько нужно исследователям, запустившим его в космос. На спутник, вращающийся вокруг Земли по околоземной орбите, продолжает воздействовать сила земного притяжения, а это значит, что он все время падает в направлении Земли – но ему никак не удается с ней сблизиться!

Спутник был запущен в космос из казахстанских степей – того места, которое сейчас называется космодромом Байконур. Ракета, доставившая спутник на околоземную орбиту, преодолела плотные слои атмосферы, двигаясь вертикально вверх, а затем изменила направление полета, совершив ускорение по горизонтали – вдоль кривой, огибающей поверхность Земли. К моменту, когда отработала и отвалилась последняя ступень ракеты, спутник начал вращаться вокруг Земли со скоростью около 8,1 километра в секунду. Когда вы движетесь по околоземной орбите, движение происходит не за счет силы, направленной вверх, а за счет силы, направленной вбок.

Маленький металлический шарик отнюдь не избавился от воздействия силы земного притяжения. Более того, он мог оставаться на околоземной орбите лишь за ее счет. В противном случае, преодолев плотные слои атмосферы и выйдя в космос, он продолжал бы все больше и больше отдаляться от Земли. Когда спутник движется с огромной скоростью по орбите, сила притяжения Земли, воздействующая на него, остается почти такой же, как и непосредственно у поверхности Земли[64]. Но поскольку спутник движется с огромной орбитальной скоростью, за то время, в течение которого он слегка снижается над Землей («падает»), он успевает продвинуться вперед настолько, что поверхность Земли вследствие своей кривизны успевает отдалиться от спутника в точности на такое же расстояние, на которое он с ней сблизился. В ходе движения спутника по орбите эта картина все время повторяется: под действием силы земного притяжения спутник все время понемногу снижается, а поверхность Земли вследствие своей кривизны все время понемногу отдаляется от спутника, в результате чего оба процесса взаимно компенсируют друг друга. Этот замечательный баланс постоянно поддерживается, в частности из-за того, что при движении спутника по околоземной орбите практически отсутствует сопротивление воздуха и поэтому спутник может в течение очень длительного времени продолжать движение по орбите.

Чтобы выйти на околоземную орбиту, орбитальная скорость должна быть достаточно высокой: только в этом случае возможно поддержание указанного баланса. А Казахстан изначально обладает весьма значительной боковой скоростью, совершая один полный оборот вокруг земной оси за одни сутки. Чем дальше вы находитесь от оси вращения, тем выше ваша орбитальная скорость. Поэтому, запуская ракеты из какого-либо места вблизи экватора, вы получаете весьма существенное начальное преимущество. Орбитальная скорость порядка 8 километров в секунду необходима для движения по низкой околоземной орбите. Скорость вращения на широте Казахстана приблизительно равна 400 метров в секунду. Поэтому, если запуск осуществляется в восточном направлении, то, учитывая вращение Земли вокруг собственной оси, лишь за счет запуска с территории Казахстана, а не с Северного полюса вы можете сэкономить 5 % энергии, необходимой для достижения требуемой орбитальной скорости.