Главная >> В мире больших скоростей >> Общая теория относительности

5. Сепаратор и космический корабль

Появление силы тяжести при ускоренном движении не должно быть для читателя новостью: он может заметить это на каждом шагу.
 
Когда мотоциклист на большой скорости совершает поворот, то мы не удивляемся тому, что он в это время сильно наклоняется в сторону поворота. Попробуйте-ка удержаться на неподвижном мотоцикле в наклонном положении! Это не удастся, если мотоцикл не движется. Не удастся это и при езде по прямой дороге. Только на кривой, где ускоренное движение мотоцикла порождает дополнительную силу (которую мы, согласно принципу эквивалентности, можем назвать силой тяжести), действующая на мотоциклиста сила тяжести меняет направление. Мотоциклист наклоняет машину так, чтобы действующая наклонно сила тяжести не могла перевернуть мотоцикл.

«Искусственную» силу тяжести попользуют во многих механизмах. Пример такого механизма — сепаратор. Каждый знает, что на поверхности свежего молока по прошествии некоторого времени появляются сливки. Удельный вес сливок меньше удельного веса молока. Земля притягивает сливки слабее, чем молоко, и через некоторое время сливки будут собираться вверху. Однако для предприятий, перерабатывающих молоко, этот процесс слишком медленен. Чтобы ускорить процесс отделения сливок, достаточно увеличить силу тяжести, действующую на молоко. Это достигается быстрым вращением молока в специальном барабане. На молоко действует тогда большая искусственно создаваемая сила тяжести, которая направлена к стенкам барабана. Под действием этой силы тяжести сливки быстро «поднимаются» к оси вращения, откуда и отводятся.
 
Такой «искусственно» созданной силой тяжести можно «обмануть» также растения и животных. Более ста лет назад   английский   ботаник    Найт  проделал  следующий опыт.
 
Он укрепил цветочные горшки с землей, в которую были посажены семена бобов, на колесе и при помощи специального механизма быстро вращал колесо. Через некоторое время он заметил, что бобы пустили ростки и начали быстро расти, но как расти! Стебли бобов были направлены к центру колеса, а корни наружу (рис. 47). Нетрудно сообразить, что так и должно быть. Стебли всегда тянутся вверх, т. е. в направлении, противоположном силе тяжести. Сила же тяжести, возникающая при вращении колеса, направлена от его оси к ободу, поэтому стебли должны расти к центру.

Рис. 47. Растения, выросшие на вращающемся колесе

Отличить «искусственно» созданную силу тяжести от естественной не могут даже пчелы. Наблюдения показывают, что пчелы строят свои соты в улье всегда сверху вниз. Если пчел поместить на долгое время на вращающемся колесе, то они изменят направление постройки сот. Пчелы будут ориентироваться теперь по «искусственной» силе тяжести, которая намного больше.
 
С «возникновением» и «исчезновением» силы тяжести встречаются космонавты. Всем хорошо знакомы рассказы космонавтов о том, как во время запуска многократно возрастает вес их тела и все части тела как бы наливаются свинцом. Эту силу тяжести порождает ускоренный взлет космического корабля под действием мощных реактивных двигателей. Когда после выхода корабля на орбиту сила тяжести исчезает, космонавт не чувствует тяжести своего тела, предметы свободно повисают в воздухе, вытряхнутая из бутылки жидкость превращается в парящий шар. Мы не только неоднократно читали об этом, но могли сами видеть это по телевизору непосредственно из космоса.
 
Космический корабль, движущийся по орбите, по существу представляет собой описанный нами выше свободно падающий к Земле «ящик». Именно благодаря этому движению на космическом корабле исчезает сила притяжения Земли. То, что космический корабль в своем падении не теряет  высоты,   обусловлено   его   большой  скоростью в горизонтальном направлении: космический корабль все время падает к Земле, но в то же самое время отклоняется в сторону настолько, что, образно говоря, падает мимо Земли. В таком непрерывном «падении мимо Земли» и состоит орбитальное движение космического корабля.
 
В полетах вокруг Земли космонавты проводили много суток в невесомости, и это не повредило их здоровью. Может ли без ущерба для здоровья состояние невесомости длиться в течение нескольких лет, об этом еще космическая медицина своего слова не сказала. Но уже из накопленного опыта можно сделать заключение, что состояние невесомости в течение длительного времени вряд ли будет непреодолимой помехой для дальних космических полетов.
 
Силу тяжести на космическом корабле можно создать с помощью дополнительных ракет, которые будут вращать корабль вокруг его оси (рис. 48). Подбирая соответствующую скорость вращения, можно будет искусственно создать гравитационное поле такой же силы, как и на Земле. Например, космический корабль поперечником в 10 м должен совершать для этого один оборот за 4,5 сек.

Рис. 48. Одна из возможностей создания на космическом корабле искусственного гравитационного поля. На рисунке изображен поперечный разрез корабля.
R — реактивные двигатели, которые вызывают вращение; стрелка s показывает направление вращения. Маленькие стрелки показывают направления действия «искусственной» силы тяжести

Особенностью созданной таким образом силы тяжести будет то, что она будет направлена к стенкам корабля. «Искусственно» созданную в космическом корабле силу тяжести нельзя спутать с гравитационным притяжением со стороны других тел. Путешественники космического корабля не будут утверждать, что сила тяжести, которая в этом случае будет везде направлена к стенкам корабля, порождается другими телами. Каждый объяснит такое явление вращением корабля. Не противоречит ли это принципу эквивалентности? Нет, не противоречит. Космические путешественники смогут отличать искусственную силу тяжести от естественной только потому, что они могут наблюдать сразу большую часть пространства — в объеме всей ракеты. Если бы один из космонавтов закрылся в маленькой камере, откуда ему не было бы видно своих товарищей, то он не мог бы сказать, естественное или искусственное гравитационное поле в его камере, так как во всем ее объеме сила направлена к полу. Если эта камера будет слишком велика, то гравитационное поле во всех точках камеры не будет однородным. Однако если мысленно уменьшить размеры камеры в тысячи и более раз, то когда она станет достаточно малой, гравитационное поле в ней будет однородным. Помещенный в такую «камеру» воображаемый наблюдатель уже ничего не смог бы сказать о происхождении этого гравитационного поля.
 
Таким образом, мы пришли к выводу, что в изолированной достаточно маленькой области пространства невозможно различить естественную и искусственную силу тяжести — это и утверждает принцип эквивалентности. Против возможности различать естественную и искусственную силу тяжести в больших областях пространства принцип эквивалентности ничего не говорит.

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: