Страница 3 из 19
Ответ. Приливы в океанах Земли, оказывается, не уменьшают, а увеличивают суммарную (кинетическую плюс потенциальную) энергию Луны в ее вращении вокруг Земли. На смещение воды в океанах на Земле тратится кинетическая энергия системы «Земля – Луна». Но так как Земля в своем суточном вращении имеет большую угловую скорость, чем Луна в своем вращении вокруг Земли, то угловая скорость вращения Земли снижается, а энергия Луны в ее вращении вокруг Земли увеличивается. Таким образом, Земля своими приливными явлениями увеличивает ее суммарную энергию, и соответственно, Луна отдаляется от Земли (см. ответ на вопрос 1.16).
Луна уже миллиарды лет тормозит Землю и разгоняется сама за счет приливов и отливов на Земле. Три миллиарда лет назад земные сутки составляли всего 9 часов, Земля вращалась вокруг своей оси в 2,7 раза быстрее, а ее кинетическая энергия была почти в 7,3 раза больше, чем сейчас!
Постепенно Луна отдаляется от Земли и наступит такое время, когда ее орбитальный период станет равным периоду суточного вращения Земли, что составит около 1 200 часов или 50 современных суток. Стало быть, сутки на Земле станут в 50 раз длиннее, а Луна будет неподвижно висеть над одним и тем же местом на Земле.
Если к тому времени будут созданы достаточно прочные материалы, то Землю и Луну можно будет соединить тросом, по которому будут ходить космические лифты, перевозящие пассажиров и грузы с Земли на Луну и обратно. Но не стоит обольщаться, будет это еще очень и очень нескоро, и нам на этих лифтах путешествовать не придется!
Аналогичные явления ожидают и Землю в ее вращении вокруг Солнца, только все будет происходить гораздо медленнее. В конце концов Земля обратится к Солнцу одной стороной, как это уже почти сделал Меркурий (день на Меркурии практически равен его году).
Последствия для Земли, конечно, ожидаются при этом катастрофические: одна сторона будет «поджариваться» до сотен градусов по Цельсию, а другая – замерзать в космическом холоде. Но и это явление наступит нескоро – через миллиарды лет, за которые Солнце, возможно, успеет «взорваться» и поглотить в этом взрыве всю Солнечную систему.
1.15. Вопрос. Каким образом Луна вызывает приливы и отливы на Земле?
Ответ. Вот наиболее простое и часто приводимое объяснение появления приливов и отливов. Действительно, притяжение Луны должно вызвать появление «горба» на поверхности океанов на Земле, причем «горб» этот будет вытянут в сторону Луны. Земля вращается, а «горб» удерживается Луной на одном и том же месте относительно Луны; поэтому вода в океане будет поочередно повышать свой уровень на различных участках. Водяной «горб» как огромная волна будет катиться по океану в сторону, противоположную вращению Земли, затапливая на своем пути участки суши. Явление это называется приливом. Отступая, эта волна будет спадать, вызывая отлив (рис. 1).
Рис. 1. Наиболее распространенное, но неверное представление о возникновении приливов и отливов.
Такое объяснение приводит к противоречию, суть которого в следующем.
Если бы «горб», вызванный притяжением Луны, был один (как показано на рис. 1), то приливы и отливы повторялись бы лишь раз в сутки. Но они происходят два раза в сутки – через каждые 12 часов!
Дело в том, что в океанах Земли образуются не один, а два водяных «горба». Один – по уже известной причине. Второй же «горб» образуется как раз потому, что не Луна вращается вокруг Земли, а эти небесные тела вращаются вокруг общего центра масс.
Этот центр масс находится на прямой, соединяющей центры масс Земли и Луны, причем он сдвинут в сторону центра масс Земли, так как Земля значительно – в 80 раз – массивнее Луны. Вот и центр масс системы «Земля-Луна» в 80 раз ближе к центру Земли, чем к центру Луны. Считая расстояние между центрами Земли и Луны примерно равным 400 тыс. км, получим, что центр масс системы будет отстоять от центра масс Земли всего на 5 тыс. км. То есть он будет находиться даже внутри Земли, немного «не дотягивая» до ее поверхности, – ведь радиус Земли составляет около 6,25 тыс. км. Этот центр показан на рис. 2.
Рис. 2. Два водяных «горба» в океанах Земли.
Вот и вращаются центры масс Земли и Луны вокруг этого общего центра масс, причем вода в океанах, стремясь двигаться по прямой вследствие инерции, «отодвигается» на максимально возможное расстояние от центра вращения. Так образуется второй водяной «горб» на противоположной стороне Земли. Чтобы отличить их друг от друга, назовем «горб», вытянутый к Луне, – гравитационным, а вытянутый в обратную сторону – инерционным.
Повторяются приливы и отливы через каждые 12 часов – один раз из-за «горба» гравитационного, а другой раз – из-за инерционного.
1.16. Вопрос. Как Луна «тормозит» вращение Земли?
Ответ. Если бы водяные «горбы» лежали на одной линии, соединяющей центры масс Земли и Луны, то никакого торможения Земли не было бы. Так могло случиться (и так еще будет – см. ответ на вопрос 1.14), если бы Земля и Луна были обращены друг к другу одними и теми же сторонами и периоды суточного вращения Земли и орбитального вращения Луны совпадали бы.
Но Земля вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем вся система вокруг общего центра масс, и «горбы» в океанах, «привязанные» к орбитальному движению Земли, отстают от вращения суши. Трение в самой воде и воды о дно океанов создает момент, тормозящий Землю. Так как этот момент образован притяжением Луны, то реактивный момент (обратный по направлению и такой же по величине, действующий на Луну) разгоняет Луну в ее движении по орбите (рис. 3), увеличивая ее суммарную энергию.
Рис. 3. Схема торможения Земли и разгона Луны на орбите из-за движения водяных «горбов» по океанам Земли.
Из-за этого длительность суток на Земле постоянно увеличивается. Впервые объяснил физическую суть этого явления английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин, 1824–1907). А доказали это увеличение продолжительности суток так. У окаменевших кораллов, оказывается, имеются как «годичные», так и «суточные» кольца, наподобие «годичных» колец на срезах стволов деревьев. Так вот у этих кораллов, живших в океанах 400 миллионов лет назад, «суточных» колец оказалось в «годичных» 395! Продолжительность года, связанная с периодом обращения Земли вокруг Солнца, с большой степенью вероятности с тех пор не изменилась. Стало быть, тогда в сутках было всего 22 часа. А три миллиарда лет тому назад, как подсчитали ученые, сутки составляли всего девять часов (см. ответ на вопрос 1.14).
2. Инерция и инерциальные системы
2.1. Вопрос. По океану движется корабль, сила тяги винта которого уравновешена сопротивлением воды, вследствие чего корабль движется равномерно – с постоянной по величине скоростью. Можно ли сказать, что это – движение по инерции?
Ответ. Нет, этого сказать нельзя, потому что корабль движется не по прямой, а по кривой, близкой к окружности – поверхности океана. На него действует центростремительная сила – сила тяжести, поэтому он не сохраняет своего состояния по отношению к инерциальной системе отсчета. Если бы этот корабль двигался так же равномерно, но по прямой, тогда это движение было бы эквивалентно покою или движению по инерции. Заметим, что в этом вопросе серьезную ошибку допускал Галилей, считая, что покою эквивалентно движение именно по окружности.
2.2. Вопрос. Кто первым сформулировал сущность закона инерции?
Ответ. Достаточно точную формулировку закона инерции до Ньютона дал философ и математик Рене Декарт (1596–1650), современник Галилея. Декарт так же, как и Галилей, не знал о законе всемирного тяготения и описал этот закон интуитивно, по наитию. В 1644 году в своей книге «Начала философии», он так выразил законы инерции: 1) всякая вещь продолжает по возможности пребывать в одном и том же состоянии и изменяет его не иначе, как от встречи с другой; 2) каждая материальная частица в отдельности стремится продолжать дальнейшее движение не по кривой, а исключительно по прямой.