Физика в технике - Страница 17

Каким же образом возникают приливы и отливы?

Представим себе космический корабль, движущийся по орбите вокруг Земли, и посмотрим, какие силы на него действуют. Если не принимать во внимание влияние Луны и других небесных тел на корабль-спутник, то в этом случае на предметы и тела, находящиеся внутри спутника, будут действовать сила тяготения Земли, центробежная сила инерции и сила, возникающая вследствие вращения корабля-спутника вокруг собственной оси. Если такого вращения нет, остаются только две силы: сила тяготения, которая направлена от центра спутника к центру Земли, и центробежная сила инерции, направленная в противоположную сторону.

Полная невесомость будет только у тел, центры тяжести которых лежат на орбите центра тяжести всего космического корабля. Если же тело, находящееся на космическом корабле, расположено ближе к Земле, чем центр тяжести корабля, то оно должно иметь более значительную скорость, чтобы не падать на Землю. Между тем это тело движется вместе с кораблем, т. е. медленнее, чем нужно для достижения полной невесомости. Поэтому тела, расположенные на космическом корабле ближе к Земле, чем центр тяжести корабля, будут стремиться упасть вниз, и наоборот, тела, расположенные выше центра тяжести корабля, будут стремиться подняться вверх. Таким образом, вся конструкция космического корабля будет растягиваться небольшими аилами, действующими вдоль линии, идущей к центру Земли (рис. 29). Эти силы рано или поздно повернут неуправляемый космический корабль так, чтобы его наибольшая длина была направлена к центру земного шара или иного небесного тела, спутником которого корабль является. Необходимо иметь в виду, что рассматриваемые силы невелики. Если, например, космический корабль состоит из двух масс, каждая весом в одну тонну, соединенных тросом длиной в 20 метров, то сила, натягивающая трос на высоте в несколько сотен километров над поверхностью Земли, составит приблизительно 1,6 грамма.

Несколько миллиардов лет тому назад такие силы остановили вращение Луны и повернули ее так, что теперь ее длинная ось направлена в сторону Земли. Это хорошо видно на фотоснимках обратной стороны Луны, сделанных в октябре 1959 года с советской космической ракеты. Сфотографировать Луну удалось не только сзади, но и несколько сбоку, поэтому на фотоснимках хорошо видны асимметрия Луны, ее форма, вытянутая по линии Земля — Луна.

Необходимо заметить, что ориентирующее действие приливных сил на какое-либо небесное тело проявляется лишь в том случае, если имеет место затрата энергии этих сил на преодоление каких-либо других сил, например силы трения.

Приливные силы, действующие на поверхность океанов, вызывают подъем и опускание уровня воды более чем на 10 метров. Такие явления называют приливами и отливами. В них наиболее ярко выражается действие не полностью уравновешенных сил инерции и сил тяготения.

Поскольку приливные силы, действующие на поверхность океанов со стороны Луны, заставляют двигаться частички воды и приводят к образованию волн, то вследствие трения воды о дно океанов возникает так называемое приливное трение, в результате которого уменьшается скорость вращения Земли. Луна в свою очередь также подвергается воздействию приливных сил со стороны Земли, и ее вращение вокруг собственной оси (а точнее, колебания, возникающие за счет приливных сил вследствие несферичности Луны) замедляется.

В результате действия приливных сил вращение небесного тела не только замедляется, но и становится (возможной ориентация его длинной оси в направлении притягивающего тела.

Те же самые силы проявляются и на Земле как спутнике Солнца. Однако Земля по сравнению с Луной имеет более значительную массу и инерцию, поэтому приливные силы не могут заметно затормозить ее быстрое вращение вокруг собственной оси, а только немного деформируют земной шар, стремясь его растянуть в направлении линии, идущей от Солнца к центру Земли. Для примера отметим, что район Москвы дважды в сутки поднимается и опускается по отношению к некоторому среднему уровню приблизительно на пол метр а.

Чем значительнее преграды, задерживающие приливную волну, тем сильнее тормозится вращение земного шара.

Например, если в различных бухтах и устьях рек построить плотины, задерживающие массы воды, приносимые приливом, и направить эту воду через гидротурбины, вращающие генераторы тока, то окажется возможным усилить торможение вращения Земли и перевести часть энергии этого вращения в энергию электрического тока, даваемого приливной гидроэлектростанцией (рис. 30). Если создать большую систему приливных гидроэлектростанций и объединить их в общую энергетическую систему, можно будет получать почти непрерывный поток электроэнергии постоянной мощности.

Таким образом, можно предполагать, что приливным гидроэлектростанциям принадлежит большое будущее, и решать эту проблему лучше всего при сотрудничестве всех государств, чьи территории выходят к берегам океанов. Запасы энергии вращающейся Земли так велики, что даже при самой интенсивной эксплуатации их хватит на миллиарды лет.

Развитие квантовой механики, радиофизики и электроники привело к открытию совершенно новых устройств, с помощью которых стало возможным получение электрических колебаний чрезвычайно высокой частоты, лежащей в области инфракрасного и видимого диапазонов спектра. Такие устройства называют квантовомеханическими генераторами и усилителями. Они основаны на использовании электромагнитного излучения атомов или молекул вещества.

Появление квантовомеханических генераторов и усилителей тесно связано с запросами современной радиотехники, поскольку радиодиапазон (длина волны от миллиметров до десятков километров) оказался узким для решения целого ряда таких задач, как повышение количества радиоканалов для передачи информации, повышения направленности излучения радиоволн, обеспечения сверхвысокой разрешающей способности (радиолокация) и помехоустойчивости различных радиотехнических средств.

Освоение космического пространства, а также запросы военной техники потребовали освоения инфракрасного и оптического диапазонов электромагнитного излучения для целей связи и управления быстро движущимися объектами.

Начиная с 1958 года в печати стали появляться сообщения о создании и разработке квантавомеханических усилителей и генераторов, работающих в области видимого и инфракрасного диапазонов спектра.

В чем же принцип работы таких систем?

В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть атомов кристаллических веществ (квантовых микросистем) пребывает на самых низких (или невозбужденных) энергетических уровнях, т. е. обладает минимальным запасом внутренней энергии. Если на такие системы подействовать каким-либо внешним полем, например осветить их светом, то атомы данного вещества, поглощая вполне определенную энергию, перейдут в возбужденное состояние, т. е. будут накапливать энергию. Если система может длительное время находиться в таком возбужденном состоянии, то говорят, что она имеет метастабильные уровни энергии (рис. 31). Если «заставить» возбужденный атом перейти в нормальное (невозбужденное) состояние, она излучит порцию (квант) энергии вполне определенной частоты, величина которой будет пропорциональна разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней.