Занимательная физика (книга 1) - Страница 11

Среди ваших соседей по «качели», не посвященных в ее секрет, вы были бы своего рода Галилеем – только навыворот: Галилей доказывал, что небо неподвижно, а кружимся, вопреки очевидности, мы сами; вы же будете доказывать, что мы неподвижны, а вся комната вертится вокруг нас. Возможно, что вам пришлось бы при этом испытать и печальную участь Галилея: вам не поверили бы, вас осыпали бы насмешками, как человека, спорящего против самых очевидных вещей…

Вот вам задача: вообразите, что вы в самом деле очутились в «чертовой качели» и хотите доказать своим соседям, что они заблуждаются. Не думайте, что это будет очень просто. Я предлагаю вам вступить со мной в этот спор. Сядем вместе с вами в «чертову качель», дождемся момента, когда, раскачавшись, она начнет, по-видимому, описывать полные круги, и заведем ученый диспут о том, что кружится: качель или вся комната? Прошу только помнить, что во время спора мы не должны покидать качели; все необходимое захватите с собой, пожалуйста, заблаговременно.

Вы. Как можно сомневаться в том, что мы неподвижны, а вертится комната! Ведь если бы нашу качель опрокинуть вверх дном, то мы с вами не повисли бы вниз головой, а выпали бы из нее. Но мы, слава Богу, не падаем. Значит, вертится комната, а не качель.

Рис. 31. Что происходит на самом деле.

Я. Однако, вспомните, что вода из быстро кружащегося стакана не выливается, хотя при вращении он и опрокидывается вверх дном (рис. 29). Велосипедист в «чертовой петле» (см. далее) также не падает, хотя и едет вниз головой. И воду, и велосипедиста удерживает центробежная сила. Быть может, и мы вращаемся с такой скоростью, что центробежная сила уничтожает нашу тяжесть.

Вы. Но мы легко можем вычислить центробежную силу и убедиться, достаточна ли она, чтобы уничтожить силу тяжести. Зная наше расстояние от оси вращения и число оборотов в секунду, мы легко определим по формуле…

Я. Не трудитесь вычислять. Владелец «чертовой качели», зная о нашем споре, предупредил меня, что число оборотов будет вполне достаточно, чтобы явление объяснялось по-моему. Следовательно, вычисление на этот раз ничего не докажет: каждый из нас в праве будет оставаться при своем мнении.

Вы. Но я еще не потерял надежду вас переубедить. Видите, вода из этого стакана не выливается на пол… Впрочем, вы и тут сошлетесь на центробежную силу. Хорошо же: вот отвес – он все время направлен к нашим ногам, т. е. вниз. Если бы вертелись мы, а комната оставалась неподвижной, отвес был бы все время обращен к полу, – т. е. вытягивался бы то к нашим головам, то в стороны.

Я. Ошибаетесь: если бы мы вертелись с достаточной скоростью, – именно так, чтобы центробежное ускорение превышало ускорение тяжести, – отвес все время был бы натянут вдоль радиуса вращения, т. е. к нашим ногам. Это мы и наблюдаем.

Вы. Ну, вот вам, наконец, решающий опыт: я роняю свой портсигар за борт нашей качели, и он падает – прямо в потолок! Ясно, что потолок очутился на месте пола, потому что предметы, сколько известно, вверх не падают.

Я. Опять вы забыли о центробежной силе! Ведь она может преодолеть силу тяжести. Следовательно, ваш портсигар вовсе не должен был упасть непременно на пол: центробежная сила может отбросить его, вопреки силе тяжести, и на потолок и на стены.

Вы. Если так, то я вас поймал вашей центробежной силой. Вы говорите, что комната не вертится, да? Почему же, в таком случае, мой портсигар продолжает спокойно лежать на потолке, а не падает с него на пол?

Я. Меня тоже удивляет, что портсигар, уроненный вами на потолок, так и остался лежать на нем. Но если бы вы были правы, т. е. если бы комната вертелась вокруг нас, – портсигар должен был перекидываться с потолка на пол и на стены.

Вы. Но позвольте: ведь это и доказывает, что комната вертится: портсигар удерживается на потолке тою же центробежною силою, которая так долго помогала вам оспаривать меня.

Теперь она заговорила в мою пользу!

Я. Да, но уверены ли вы, что и пол и, потолок, и все стены не покрыты слоем липкого клея, удерживающим упавшие на него вещи? Любезный владелец «чертовой качели», зная о нашем споре, конечно, предусмотрел это и позаботился о том, чтобы спор затянулся подольше. Как видите, и этот довод пока ничего еще не доказывает.

Теперь позвольте посоветовать вам, как одержать победу в этом споре. Надо взять с собой на «качель» пружинные весы, положить на их чашку гирю, например в 1 фунт, и следить за положением указателя: он все время будет показывать один и тот же вес, именно – один фунт. Это и есть бесспорное доказательство неподвижности качели.

В самом деле: если бы мы вместе с пружинными весами описывали круги около оси, то на гирю, кроме силы тяжести, действовала бы также центробежная сила, которая в нижних точках нашего пути прибавлялась бы к весу гири, а в верхних – отнималась бы от него; мы должны были бы замечать, что гиря то становится тяжелее (вдвое с лишним), то почти ничего не весит. А раз этого не заметно, значит – вращается комната, а не мы.

Один предприниматель (конечно, американец) устроил для развлечения публики очень забавную и даже поучительную карусель в форме шарообразной вращающейся комнаты. Люди внутри ее испытывают такие необыкновенные ощущения, какие мы считаем возможными разве только во сне или в волшебной сказке.

Чтобы понять устройство этого заколдованного шара, вспомним сначала, что испытывает человек, стоящий на быстро вращающейся круглой платформе. Центробежная сила, развивающаяся при ее вращении, стремится отбросить человека наружу; чем дальше вы стоите от центра, тем сильнее будет клонить и тянуть вас наружу. Если вы закроете глаза, вам будет казаться, что вы стоите не на ровном полу, а на наклонной плоскости, на которой с трудом сохраняете равновесие. Это станет понятно, когда рассмотрим, какие силы действуют здесь на ваше тело (рис. 32). Центробежная сила тянет вас горизонтально; тяжесть – тянет вниз; обе силы, складываясь по правилу параллелограмма, дают равнодействующую силу, которая тянет тело наклонно вниз. Чем быстрее вращается платформа, тем больше становится эта равнодействующая и направляется более отлого.

Рис. 32. Что испытывает человек на краю вращающейся платформы. (Платформа изображена в разрезе.)

Представьте же себе теперь, что край платформы загнут вверх, и вы стоите на этой наклонной, отогнутой части. Если платформа неподвижна, вы в таком положении не удержитесь, а сползете или даже опрокинетесь. Другое дело, если платформа вращается: тогда эта наклонная плоскость станет для вас, при известной скорости, как бы горизонтальной, потому что равнодействующая веса и центробежной силы направится тоже наклонно, под прямым углом к отогнутой части платформы[23].