Периодически я с ужасом замечаю у людей какие-то невообразимые пробелы в школьных знаниях о физике. Поэтому расскажу здесь про такие явления, как инерция, масса и невесомость, причём на простом бытовом уровне, без формул (почти) и на спичках. А заодно, конечно, попытаемся разобраться, чего там у нас происходит в космосе.
Инерция
Инерция — это удивительное свойство нашего мира, которое на первый взгляд просто и понятно, как пень. Но на самом деле, если тщательно подумать, то инерция — это какая-то подлинная магия. Лично для меня это что-то невообразимое, я открыл для себя инерцию где-то на шестой-седьмой день от рождения, и до сих пор меня это явление удивляет намного больше желтопрессных чудес. Если прям при мне кто-то начнёт исцелять парализованных, ходить по воде и читать мысли других людей, я вообще не удивлюсь. Более того, я знаю ребят, которые делают стартапы в этих тематиках.
А вот инерция — подлинное и необъяснимое пока чудо, и его проявления я вижу каждую секунд и ему поражаюсь. Так что же это такое?
Абсолютно любое тело в нашей Вселенной, ежели на него не действуют никакие внешние импульсы, хочет двигаться прямолинейно и без ускорения. Ну, в крайнем случае — покоиться и не двигаться вообще. А вот чтоб изменить скорость движения этого тела или направление этого движения, необходимо сообщить телу некий импульс.
Импульс же передаёт телу некое волшебное «количество движения», которое пропорционально массе этого тела. Почему «количество движения» в кавычках? Да потому что это действительно некая мера движения, а вернее — энергии тел, а именно — её кинетической составляющей. Ну, «кинезис» это и есть «движение», так что мы тут как всегда лишь заложники русского языка, совершенно негодного под физику (в отличие от немецкого, например), и сказали очередное масло масляное.
Кароч, если мы кинем в космосе посреди ничто камень, он будет лететь прямо и с постоянной скоростью вечно. И если мы хотим изменить направление и/или скорость полёта этого камня, нам надо чем-то его пихнуть. И изменение скорости (а равно и направления) будет прямо пропорционально силе нашего пиха и массе камня, и никак иначе. Если камень тяжелый, а пих слабый, ничего особо в движении камня не изменится. Если же камень лёгкий, а пих наш силён — улетит камень к чертовой матери.
То бишь, инерция тела пропорциональна его массе. Это кажется нам абсолютно естественным и понятным, потому как мы сталкиваемся с этим каждый божий день. Лёгкий мячик легко пнуть через забор, тяжелую тачку трудно остановить, чо тут собственно вообще думать?
Но на самом деле, это и есть основа всей нашей физики, и если прям глубоко погрузиться в тему инерции, то совершенно непонятно, почему тела себя ведут именно так, да и что такое масса вообще? Мы сейчас не будем вдаваться в подробности, но инерция — это некое уникальное базовое свойство пространства-времени, которое существует абсолютно везде во Вселенной и связано с абсолютно любым материальным объектом, обладающим массой.
То есть, инерция не зависит ни от гравитации других объектов* (звёзд, планет, галактик), ни от среды, вообще ни от чего. Она есть везде и всегда по умолчанию. И вот в чем чудо: у разных физических тел масса различных характеристик, но по факту — типов энергий. Эти энергии могут переходить из одного вида в другой, и даже делают это постоянно. Материальные тела обмениваются всем подряд, и мы даже придумали целую кучу разных устройств, основанных на этих разнообразных обменах.
*в некоторых условных матмоделях получается, что тело в условной вселенной, где нет других масс, моментом инерции вообще не обладает. Но это, похоже, какой-то баг.
Но! Тела никогда не обмениваются инерцией (точнее сказать, инертностью, то есть способностью инерцию порождать, но мы тут снова заложники языка). То есть, инерция — это некая своеобразная паутина нашего мира, на которую мы все налипли, как мухи, и продолжаем жужжать, и один зажужжал, а ему ответил второй, а за ним и третий (если мы о кулоновском взаимодействии сейчас, например). А один качнул паутину, почувствовали все, но в итоге вернулись туда же (это в про гравиволны, конечно же).
Но при этом покинуть эту паутину, а научнее сказать — некое поле, мы не просто не умеем, а даже и не предполагаем, как можно научиться. Это подлинное волшебство, не похожее ни на что другое в эти мире. Но так как мы встречаемся с инерцией раньше, чем, например, с электромагнетизмом, срабатывает синдром утёнка, и нам это чудом не кажется.
Когда мы станем мультипланетным видом, по заветам Элона Эрроловича нашего Маска, это чудо инерции станет очевиднее для нас, но об этом позднее. Сидя на дне родного гравитационного колодца, мы пока не готовы осознать это волшебство в объективных ежедневных ощущениях.
Выше был упомянут импульс тела. Ну так вот, это тоже самое базовое понятие физики. Закон сохранения импульса гласит, что если у нас есть не одно тело, а несколько, то их суммарный импульс постоянен, вот как бы они не соударялись и не взаимодействовали другими способами (например, гравитационно). Этот закон проистекает опять же из самих свойств нашего пространства-времени, а именно из его симметрии. И хотя он тоже кажется очевидным, его истинная природа нифига не понятна до конца, и даже, возможно, он иногда нарушается. Но это неточно.
Сохранение импульса на практике мы видели тыщу раз. Классический пример — шары на бильярде. Один шар двигается со определённой скоростью, попадает в другой шар. После удара первый шар останавливается, а второй — начинает двигаться с той же скоростью, что двигался и первый шар. Почему? Потому что масса у них одинакова, и первый шар передал свой импульс второму полностью. Сумма импульсов тут какая? Постоянная, верно.
Если бы второй шар имел массу вдвое больше, то покатился бы дальше со скоростью вдвое меньше. А сумма импульсов? Осталась бы снова постоянной, потому как импульс тела — это его масса умножить на скорость. То на то и выходит.
Какую известную голливудскую хрень вскрывает закон сохранения импульсов, а? Правильно: хороший парень стреляет в плохого, и плохой от попадания пули улетает в окно. Минуточку!
Пороховой заряд с одинаковым импульсом толкает и хорошего парня (а вернее, хорошего парня, плюс ружьё в его руках), и пулю. Но так как пуля легкая, она улетает намноооого быстрее вперёд, чем ружьё толкает хорошего парня в плечо назад. Потом пуля попадает в плохого парня и передаёт ему свой импульс полностью (если не на вылет проходит). Это тот же самый импульс, что получил хороший парень от отдачи ружья, дополнительной энергии тут взяться неоткуда. Даже наоборот, пуля немного утратила свой импульс в полёте, разбазарив его на сопротивление воздуха (ну так и ружьё тоже сожрало немало энергии отдачи). Так почему же плохой парень в окно улетел, а хороший как стоял, так и стоит?
Вооот! Вроде бы такой очевидный ляп, но давно стал киноштампом и никого не смущает. Наверное, просто мы в обычной жизни редко стреляемся в людей, а вот в тот же бильярд играем много чаще. Ну да ладно.
Да, вы правильно заметили. Стреляющий получил тот же импульс, что и его жертва. Просто пуля маленькая, а приклад большой и широкий. Плюс в оружии есть ещё некоторые приблуды, чтоб уменьшить отдачу для стрелка. Но в целом с точки зрения энергии — всем достаётся поровну, поэтому оружие — главный залог демократии, но об этом потом.
Раз уж мы добрались до ружей, можно заметить ещё одно свойство импульсов: чтоб изменить скорость тела, вовсе и не обязательно по нему чем-то попадать и чем-то толкать. Можно как бы инвертировать задачу: взять какой-то кусок этого тела и выкинуть его подальше. Ну, вот ровно как с пулей и ружьем.
Тогда пуля, улетая вдаль, передаст ружью и стрелку, который его держит, импульс, равный скорости пули, умножить на массу пули (и пороховых газов). И стрелок полетит в противоположную сторону со скоростью, равной этому импульсу, делить на массу стрелка. Ведь стрелок обладает инерцией, как и любое другое тело Вселенной.
Ну, стрелок стоит (или лежит) на земле, между ним и опорой есть трение, да и пуля хоть и быстро летит, но так-то легкая, а потому никуда он, конечно же, не улетит. Но вот если стрелка поставить на ролики и дать ему автомат, то его можно в целом неплохо так разогнать даже.
И заметьте: совершенно неважно, где мы стреляем, на Земле, на Марсе, в глубинах космоса, в атмосфере, в вакууме, или даже по водой — закон сохранения импульса работает абсолютно везде и всегда.
Примерно 2000 лет назад грек по имени Герон взял чайник и припаял к нему сразу два носика. Вот такой он был фантазёр, как и все античные греки. Да не просто какие-то два носика и не просто припаял, а изогнул их буквой Г и припаял боком. Так, что чайник при взгляде сверху стал напоминать недорисованную свастику — дырки носиков смотрели в противоположные стороны.
Чтоб было повеселее, Герон налил в этот чайник воды и повесил его на веревке над огнём. Чайник, что характерно, закипел и… начал крутиться!
Не, ну а что, пар — это не тело, что ли? У него нет инерции и он не передаёт импульс чайнику, когда вылетает из носиков? Да точно так же передаёт!
Причём! Совершенно не важно, опять же, где находится этот чайник: в воздухе ли, в пустоте ли, на Земле или в галактике Андромеды. Где работает сохранение импульса? Верно, везде абсолютно.
Так Герон придумал реактивный двигатель, который мы используем ныне для авиации и ракетостроения. Но, правда, своего открытия Герон оценить не смог, решил, что такой чайник — это просто забавная и бесполезная игрушка, от которой никогда не будет никакого практического толка. Корпорация Боинг так не считает, например. С точки зрения Герона, корпорация Боинг взяла бесполезную херню и как-то чудом заработала на ней бабла больше, чем стоит вся геронова Греция. Всегда помните эту историю, когда оцениваете стартапы и инновации.
Итак, что делает двигатель космической ракеты? Он берет некий газ и выплевывает из себя. И чем быстрее вылетает из двигателя этот газ, а также чем больше масса этого газа, тем больше импульса передаётся ракете, и тем быстрее она летит. Да, желательно, чтоб этот газ был офигенно горячий, ведь температура — это не что иное, как скорость движения атомов. А что такое импульс? Скорость на массу умножить.
Вот этим и занимаются рокетсайенс-инженеры — сидят и выдумывают, как бы выплюнуть газ из сопла двигателя побыстрее да погорячее. Всё просто, хотя на самом деле — нет.
Вернёмся к шарам на бильярде: попал четко в шар — первый остановился, а второй поехал дальше. Попал криво, полетели оба, но медленней. Каков вывод? Импульсы имеют вектор. Ну, то есть надо считать ещё и углы между нынешним инерционным движением тела и прилетающим в него импульсом. А потом сложить по правилу сложения векторов, но оно такое простое и очевидное, что я даже объяснять не стану. Увидите картинку — поймёте в момент.
О! Многие уже заметили, что я избегаю слова «сила», к которому мы так привыкли с самого седьмого класса и тащим с собой сквозь века, да?
Да, действительно, все механические силы из учебника физики седьмого класса, а равно и прочих учебников вплоть до сопромата, можно на самом деле свести к банальному обмену импульсами между телами. И окажется, что никаких механических сил на свете и нету вообще, а это просто условность. Потому что не бывает силы просто так самой по себе, это всегда какое-то взаимодействие каких-то тел и обмен импульсами, не более того. Именно поэтому умный Николас Оксман (это я) начал этот текст с инерции и импульсов, а не каких-то там сил, ибо он, как и подавляющее большинство современных физиков, полагает механические силы лишь ненужной условностью, которая только усложняет науку, но ничо хорошего в неё не приносит.
Но далее я буду порой использовать термин «сила». Воспринимайте его как интегральную сумму импульсов. Но даже когда я буду его использовать, я потом дальше буду сводить силы к обмену импульсами, либо доказывать, что действует в данном случае никакая не сила (да, я щас про гравитацию, угадали).
В этом посте про инерцию не упомянуто такое явление, как момент инерции, зависящий от формы тела, а не только от массы. Это очень интересная штука, как раз доказывающая связь инерции и геометрии нашей Вселенной (но это доказывает не только момент инерции, а вообще как бы всё наше сущее, кстати). Почему? Потому что я обещал без формул и для гуманитариев. Далее в постах тоже будут опускаться некоторые моменты, чтоб не зарываться в отвратительные для них формулы.
Однако я бахнул картинку в честь МИ! Да святится имя его.
Вакуум
Вообще, этот текст начался с того, что я в очередной раз прочёл дикую сентенцию на ФБ. Мол, невесомость возникает «в космосе», а ещё страшнее — «в вакууме» как бы сама собой. То есть, человек на полном серьезе заявлял, что если взлететь высоко над Землей, то попадёшь «в космос», где нет воздуха, а потому нет и гравитации. И сразу же наступит невесомость.
Я не смог разобраться, каким конкретно образом в его голове связаны гравитация, высота над Землей и вакуум с невесомостью, потому что кровь потекла у меня из глаз так обильно, что я не смог дочитать.
Собственно, зная, что такое инерция и как она связана с массой (напомню, что совершенно напрямую и абсолютно повсеместно), пришло время нам разобраться с весом и гравитацией. Ну, а попутно и с вакуумом, что уж. Хоть вакуум тут вовсе и не при чём. Но сначала с вакуумом, гравитация попозже.
Итак, друзья, никакого особого космоса нет. Прямо сейчас мы с вами находимся в космосе, чисто технически, все мы — космонавты. Наша планета летит в космосе, этот космос абсолютно одинаковый абсолютно везде. А то, что мы находимся не в пустоте, а на дне атмосферного океана, и в сотне километров над нашей головой начинается относительная пустота и вакуум — это вообще ни на что не влияет и не меняет.
И про вакуум. Любой газ состоит из молекул. Молекулы — очень хитрые ребята, она летают туда-сюда и соударяются. За счёт соударений меж собой и со стенками сосуда, в который они засунуты, молекулы обмениваются энергией через импульсы. Средний импульс молекул газа (да и жидкости, и твёрдого тела тоже) мы называем температурой. Так как масса молекул неизменна, а импульс, как мы помним, — это масса умножить на скорость, то температура тела зависит строго от скорости движения его молекул.
Средний импульс, который молекулы передают стенкам сосуда — это давление. Тут импульсы распределяются по площади, а потому струя воды из крана просто течёт по руке, а струя воды из узеньких дырочек душа ощутимо шкрябает кожу. Давление в трубе одинаковое, почему же так? Правильно, площадь тонкой струйки из душа меньше, тем толстой из крана, поэтому и давит на кожу вода пропорционально сильнее (плюс, тут ещё и неразрывность потока по Бернулли, но не забивайте голову).
От чего же тогда зависит давление? Верно, от количества молекул делить на площадь (в случае воды — получается высота столба воды, объём делить на площадь равно высота), от массы этих молекул и от их скорости, то бишь температуры. Поэтому воздушный шарик на морозе сжимается, а на солнышке расширяется, а у кипящей кастрюли прыгает крышка.
С соударениями молекул между собой, их частотой и импульсами связаны так же упругость и вязкость. Достаточно просто понять, почему.
Так, а вакуум что такое? Технический вакуум возникает тогда, когда средний пробег молекулы в газе равен или превышает размеры сосуда, куда этот газ помещён. Ну то есть, молекулы чаще бьются о стенки сосуда, а не друг о друга. В этом случае в газе исчезают упругость и вязкость. Не то, чтоб совсем исчезают, но просто уже не рассчитываются по формулам газодинамики.
Дело в том, что газодинамика, как и термодинамика, как и прочие отрасли физики со словом «динамика» в названии, на самом деле оперируют усреднёнными величинами, фактически — статистическими. То есть, они не рассматривают отдельные частицы и их энергии, а лишь их усреднённые статистические показатели.
Лучший пример тут — температура. В стакане воды у вас на столе есть молекулы с энергиями, соответствующими миллионам градусов. Ну, вот так они соударились с другими молекулами в стакане, что вот так страшно разогнались. Но средняя скорость движения и энергия молекул воды в вашем стакане соответствует, например, 22 градусам Цельсия. А на отдельных немногочисленных маргиналов — плевать.
Низкий вакуум начинается когда количество молекул кубическом сантиметре становится меньше 10 квадриллионов штук. Это десять миллионов миллиардов — огромная цифра! Но вот молекулы такие маленькие, что даже при таком огромном количестве в маленьком кубике с гранью в 1см они уже соударяются друг с другом реже, чем со стенками кубика. Удивительно, правда?
На высоте в 100 км над Землей в кубическом сантиметре молекул ещё меньше — всего порядка 10 миллиардов штук. В дальнем космосе, вдали от звёзд, молекул в кубическом сантиметре пространства может быть вообще пара десятков штук, или иногда совсем ни одной (пока в наш сантиметр что-то не прилетело из соседнего сантиметра). Вот это уже прям настоящая трушная пустота, называемая абсолютным физическим вакуумом. И что самое интересное, эта абсолютная пустота всё равно не пустая, но об этом в другой раз.
Итак, влияет ли вакуум хоть как-то на массу тела, находящегося в вакууме? Нет! А как, собственно? Да никак не может повлиять! Может быть, тела в вакууме как-то изменяют свою инерцию (инертность)? Да нет, с чего бы вдруг?
Вакуум — это отсутствие внешнего давления молекул среды на тело. Тут есть пара фишек. Например, жидкость не может существовать в вакууме. Абсолютно любая жидкость в вакууме без внешнего давления тут же закипит и превратится в газ, даже если это ртуть, например. Но на твёрдые тела отсутствие давления не влияет в целом никак. Кроме того, что они перестают остывать через конвекцию, но продолжают остывать излучением.
Когда ты дуешь на чай, он остывает. Когда ты едешь на байке — тебе холодно. Почему? Поток молекул воздуха ударяется об тебя (или о чай) и ворует импульс твоих молекул. Но не всех, а тех, что на поверхности. Если двигаться быстрее, так, чтоб соударений молекул воздуха было больше и больше, в какой-то момент они перестанут воровать импульс молекул твоей поверхности, а наоборот — начнут его увеличивать. Тогда ты будешь уже не остывать, а нагреваться, как нагреваются сверхзвуковые самолёты, хотя вроде бы вокруг них воздух -50 С. Конкорд во время полёта, например, грелся до +200 С, что было офигенной проблемой, ведь отводить это тепло было некуда.
Так что же, чашка чая в вакууме не остынет? Ну, плотно закрытая чашка чая, чтоб не выкипела сразу же?
Обязательно остынет, потому что температура передаётся не только конвекцией молекул обручающей среды, но ещё и электромагнитным излучением, а излучают все тела, теплее абсолютного нуля (то бишь -273.15С, и таких холодных тел вообще не бывает, скажу по секрету).
Шкала электромагнитного излучения
Посмотри на небо. Видишь Солнце? Чувствуешь тепло? Воооот. А между вами 150 миллионов километров вакуума. Нормально работает перенос тепла излучением, правда? И хорошо, что так. Но вообще, проблема нагрева и охлаждения для космических аппаратов как раз одна из ключевых. Потому что в вакууме нечем эффективно охлаждаться, кроме излучения.
Поэтому космические аппараты упаковывают в термозащиту, часто она выглядит, как золотистая или серебристая фольга. Но не обязательно, бывает и просто белая. Но никто в здравом уме не делает чёрных долговременных космических аппаратов (ракетопланы у НАСА бывало делали).
И на орбите Земли потерявшийся космонавт не замёрзнет, как порой показывают в кино, а как раз наоборот — потихонечку сварится. Потому как сферическое тело на расстоянии в 150 миллионов км от Солнца норовит нагреться до +79 С. Космонавт у нас довольно несферический, но и вовсе не плоский. Во время пролета через земную тень излучает он хуево (ведь излучение зависит от 4 степени температуры, а он довольно холоден), так что рано или поздно он точно достигнет +65С внутри скафандра, а при этой температуре 90% человеческих белков денатурируют, то бишь — как раз варятся. Слава богу, ни одного космонавта в космосе мы ещё не потеряли пока.
Кстати, а что будет, если в космосе снять шлем? Ну, или получить пробоину в скафандре от микрометеорита?
Удивительно, но космонавт особо не почувствует холода космоса, если он сильно не вспотел. Потому как пот с поверхности тела действительно выкипит моментально. А кипение уносит с собой тепло поверхности.
На самом деле, космонавт банально задохнётся в течение нескольких минут, а не замерзнет. Плюс, у него начнёт кипеть кровь в коже и альвеолах легких, разрывая их внахуй, что, наверное, очень больно. Причём, если он вначале глубоко вдохнёт и задержит дыхание, то легкие сразу не пострадают. Но вот кожа и слизистые носоглотки будут крайне болезненно лопаться. Потом космонавт потеряет сознание от кислородного голодания мозга и очень быстро умрет.
Виктор Пацаев, Георгий Добровольский, Владислав Волков в кабине «Союза–11»
К сожалению, у нас есть опыт пребывания космонавтов в вакууме. Причём, сразу троих — Волкова, Пацаева и Добровольского — героев ранней космической эпохи. На высоте около 150 км (а это ещё глубокий вакуум снаружи) давление в их корабле Союз-11 упало до 50 мм. рт. ст. Это далеко не вакуум, но это в 10 раз ниже комфортного для человека давления.
И хотя они спускались достаточно быстро, и через две минуты уже достигли высоты в 5км (вполне норм для людей), они погибли, а при попытках сделать инъекцию для реанимации на Земле в шприц из их вен шли кровавые пузыри. То есть, вся кровь в их телах успела закипеть за это время и закупорить все сосуды пузырями газа.
Реанимировать человека, попавшего в вакуум более, чем на пару десятков секунд физически невозможно. Можно уверенно считать, что это гарантированная смерть, но не от холода, а именно от кипения собственной же крови. Постарайтесь избегать вакуума, кароч. Пнятьненько?
Можно ли создать вакуум на Земле? Запросто. Насосами или химическими реакциями, которые связывают газы в какие-нибудь твёрдые соли, например, как это раньше делали с лампочками. Исчезнет ли тяжесть внутри бочки, где мы создали вакуум? Ни в коем случае нет. Давление воздуха исчезнет, внешнее давление атмосферы теперь нашу вакуумную бочку даже может раздавить, но никакая невесомость в ней не наступит! Запомните это на веки вечные и не позорьтесь: вакуум и невесомость не имеют ничего общего.
Кстати, вооруженные знаниями, ответьте мне: где лучше будет работать реактивный ракетный двигатель — в воздухе или в вакууме? И почему?
Ответ:
Иногда может возникнуть обманчивое впечатление, что в воздухе ракетный двигатель работает лучше. Ведь он выплевывает из себя горячий газ под большим давлением и от воздуха толкается, да?
А вот и нет! Реактивный двигатель толкается от самого выплевываемого газа, а не от окружающей среды. Как мы помним из части про инерцию, он толкается от самого пространства-времени за счёт инерции. Помните пример с ружьем? Разве стрельцу важно, попала ли куда-то пуля вообще или просто улетела вникуда? Да нет, он получает импульс все равно.
С реактивными двигателями то же самое, кроме случаев создания экранного эффекта.
Двигатель создаёт внутри себя давление газа при высокой температуре, то есть, нагнетает огромную кучу очень быстро разогнанных молекул. И чем меньше наружное давление среды за пределами сопла двигателя, тем быстрее и эффективнее он эти молекулы выплюнет, а потому быстрее полетит. Поэтому, хорошо бы там, снаружи, был вакуум как раз, как высоко над Землей. Но если и давление в 1 атмосферу — это хуже, но тоже пойдёт. Печальней дело обстоит в плотных атмосферах, типа венерианской. Ну, или под водой, откуда тоже стартуют ракеты (баллистические, с подводных лодок, например).
Вернёмся снова к ружью: на большой глубине пуля вообще не вылетит из ствола из-за огромного давления воды снаружи. Напомню: что каждые 10 метров глубины добавляют примерно 1 атмосферу давления. В стволе ружья при взрыве порохового заряда давление не превышает 700 атмосфер, на дне Марианской впадины 1100 атмосфер. То есть, там ружьё бесполезно. Но даже на куда более мелких глубинах пуля на выходе из ствола будет иметь очень скромную скорость и энергию.
«Мерлин»
Ровно то же самое ждёт и реактивные двигатели в плотной атмосфере. От внешнего давления у них снижается тяга, и в какой-то момент они не уже не могут поднять сами себя, а далее и вообще работать. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin, который ставится на Falcon-9, «всего» 98 атмосфер. Это много, но есть двигатели с рабочим давлением и в 2.5 раза больше (известный всем, наверное, РД-180, например). Однако, на поверхности той же Венеры у нас 90 атмосфер. Очевидно, что Merlin там даже вряд ли заведётся вообще, тем более уж не поднимет даже сам себя.
Поэтому где лучше всего летать на ракетах? Верно, в вакууме.
И вот, разоблачивши связь вакуума и невесомости (а вы уже поняли же, что её нет?) мы переходим к невесомости и гравитации.
Невесомость
Хочу сделать дисклеймер: тот раздел физики — а именно, механика — к которому мы сейчас обратимся УМЕР. Это Упрощенная абстракция, годная для обучения и воспроизводства инженеров, но уже давно не годная под обучение и воспроизводство физиков. В некоторых дисциплинах, типа рокет сайенс или газодинамики высоких скоростей (гиперзвука) механика не годна уже и для инженеров тоже.
Однако же, продолжим.
Итак, вес — это сила, с которой тело в гравитационном поле давит на некую опору. Опора в ответ, кстати, давит на тело. Ну, или ломается, если тело шибко тяжёлое.
Прибор для измерения веса называется, что характерно, «весы», и он есть у каждого дома. Очень важно! Весы не показывают массу тела, более того — вес хоть и пропорционален массе, но измеряется в ньютонах, а не в граммах. То, что у вас на домашних весах ньютоны уже поделены на g (ускорение свободного падения для Земли) — это чисто для удобства, эдакая фича UI, но не более.
Ещё немного о гравитации. Гравитация убывает с квадратом расстояния от центра масс гравитирующих тел. В случае системы «человек-Земля» или «космический корабль-Земля» можно считать, что этот центр совпадает с центром Земли, потому как масса Земли охуенно велика по сравнению с массой человека или корабля, и в пропорции для вычисления центра масс возникает исчезающие малый член (муахахахаха! Он сказал «член»!)
Почему так? Очень легко понять. Представим себе некую сферу и назовём её сферой эквипотенциальной гравитации. Чего это бляць значит? Это значит, что в любой точке на поверхности этой сферы действие гравитации одинаково, и по величине, и по вектору. Движение по этой сфере не увеличивает потенциальную энергию тела. Экви — значит, равный, потенция — значит, возможность.
Теперь вспомним, чему равна площадь сферы? А равна она 4Пи*R в квадрате. Увеличим радиус сферы вдвое. Очевидно, что площадь сферы увеличилась в четыре раза (ведь радиус в квадрате). А потому действие гравитации должно упасть тоже в четыре раза, а то мы получим нарушение закона сохранения энергии. Если оно будет меньше не в четыре, а в три раза, например, у нас невесть откуда будет браться лишняя потенциальная энергия, а так не бывает.
Соответственно, увеличив радиус сферы в три раза, получаем увеличение площади в квадрате, то бишь в 9 раз, и уменьшение гравитации тоже в 9 раз. Это очень уебищное объяснение, никак не раскрывающее саму природу гравитации, но из него понятно, что гравитация падает с квадратом расстояния и поэтому заметно работает она только для реально огромных и тяжёлый тел, типа планет, звезд и галактик. Даже астероиды, которые имеют тоже вполне себе нихуевые массы, создают совсем микроскопическое искривление пространства и гравитацию. И нет, по астероиду нельзя ездить на тачке, как в фильме «Армагеддон» с Брюсом Уиллисом. Даже высадить на астероид что-то тяжёлое — это очень и очень грандиозная проблема.
Че, правда нельзя?
Какие отсюда выводы?
Гравитация зависит от высоты над Землей. Раз уж мы стали использовать понятие ускорения свободного падения (которое на самом деле нынче больше никакое не ускорение), и обозначать его буковкой g, то эта g меняется с высотой от Земли (ну, и вообще любого тела). Чем дальше от центра, тем меньше. Так, на поверхности Земли g равно примерно 9.8м/с^2, но вот на высоте МКС оно равно уже 8.5м/с^2, а это всего +400км. То есть, убывает сила притяжения (сука, ладно бляць) довольно быстро.
Более того, вес — это масса умножить на g, а так как Земля неровная и сдавлена с полюсов, то можно взять тонну груза на полюсе, поставить на весы и доплыть до экватора, и о чудо бляць! Вес груза уменьшится примерно на 0.5%. То бишь, по весам (который показывают «килограммы», то бишь ньютоны, делённые на 9.8 ), мы где-то по пути проебем целых 5кг и довезем лишь 995 кг груза!
То есть, масса нашего груза совершенно не изменится, но вот вес станет меньше, потому что масса груза стала слабее притягиваться Землей из-за того, что радиус Земли на экваторе больше, чем на полюсе, и мы теперь дальше от центра Земли, а ещё - она вращается и норовит нас выкинуть вон.
То есть, вес — это так-то штука нестабильная совсем, в отличие от массы. И потом в конце мы ещё рассмотрим пару забавных следствий из этого казуса.
Кстати, любой человек может изменить свой вес мгновенно без диет, регистрации и смс. Просто встать на весы и резко присесть. Хопача! Стрелка заколебалась туда и сюда, сначала вес стал меньше, потом больше, потом снова обычный, какой и был. Это что же, масса человека изменилась? Нееееет, нихуя. Это изменилась сила, с которой он давит на опору, то есть на сами весы. Пока он сгибал колени и фактически падал вниз — она уменьшилась. Когда он остановился с размаху — увеличилась. Потом вернулась в норму. Но массе на это похуй. Запомните этот момент, но далее всплывет ещё.
Итак, как испытать невесомость? Да очень просто, например, упасть. Пока ты падаешь, ты ни на что не давишь. Вес тут равен нулю по определению, вот это и есть невесомость. Падать лучше всего в вакууме, чтоб ещё и сопротивления воздуха не было, но можно падать и в салоне самолёта, где внутренняя атмосфера изолирована от внешней. Такой аттракцион существует и стоит даже не очень дорого, невесомость возникает на пару минут, самолёт там, правда, не падает, а летит по параболе, то есть, по отрезку эллипса. А двигаясь по эллипсу в поле гравитации тело лишается веса, как я уже сразу сказал в начале поста. Состояние невесомости ЕСТЕСТВЕННО для тел, движущихся равномерно и без ускорения в поле Хиггса. Вес возникает как раз у тел, которые так не движутся.
Итак, щас будем кидать камни. Когда мы кидаем камень, он летит по параболе, что является частным случаем эллипса. В момент полёта на камне царит невесомость, кстати. Если мы кинем вместо камня человека, он тоже испытает невесомость. Когда человек или камень падают вертикально вниз, они тоже летят по эллипсу, только у этого эллипса соотношение полуосей равно бесконечности. То есть, прямой отрезок — это тоже частный случай эллипса, как и круг. Просто этот эллипс называется вырожденным.
Любой камень в гравитационном поле летит по прямой, относительно искривлённого пространства. И тут Землю (и любую планету) можно представить себе, как Сарракш Стругацих, то бишь, вывернутый наизнанку пузырь, а не шар. И бросив камень по гравитационной прямой… мы просто попадаем в закруглившуюся кверху дыбом Землю! Бляць, я хотел без сложных абстракций, но мне так нравится эта абстракция)))
В общем, камень попадает в Землю потому, что Земля не точка, а имеет очень даже охуевшие размеры порядка 6400км в радиусе. Камень просто не набирает нужной скорости, чтоб его энергетически бесплатная в поле тяготения эллиптическая орбита имела полуоси шире земного радиуса (а мы знаем, что полуоси орбиты зависят только от скорости и гравитации центрального тела, и более ни от чего).
Нужная скорость для формирования эллиптической орбиты и «промахивания» мимо поверхности Земли называется Первой космической и считается очень просто как квадратный корень из g умножить на радиус того тела, вокруг которого собираемся летать по орбите. Для Земли на уровне, близко к поверхности, эта скорость составляет 7.9км/с. Довольно быстро для броска камня, но вполне вывозимо для космической ракеты-носителя на толковых движках.
А теперь вопрос для самых умных: а если бы Земля была бы той же самой массы (6 сикстиллионов ебучих тонн), но размером с горошинку в 1мм. Какова была бы Первая космическая скорость, если мы по прежнему в 6400 км от центра Земли?
Правильно, почти ноль. Представив Землю точкой, мы практически не имеем шансов в неё попасть, а потому любая скорость даст нам эллиптическую орбиту с достаточной шириной малой полуоси, чтоб в точечную Землю не попасть вообще никогда и вращаться вокруг неё вечно.
Теперь вы, надеюсь, поняли, почему так трудно сесть на астероиды с малым g и малыми же размерами (а они ещё и вращаются). В них банально трудно попасть, да ещё и так, чтоб движение твоего аппарата по орбите вокруг астероида совпало с вращением его поверхности под тобой. Зато взлететь с астероида очень просто: пихнулся ногой, вот ты уже и на стабильной орбите. Поэтому Брюс Уиллис на своей тачиле на астероиде в «Армагеддоне» улетел бы внахуй как только нажал на газ.
Так бляць, что с невесомостью? Окей, плюнем на то, что невесомость — это естественное состояние тел, а вес — это банальный недостаток скорости для эллиптической орбиты, и ебанем модельку из классической устаревшей доэйнштейновой механики.
Для этого нам нужна маленькая противная собачка на длинном поводке. Возьмём поводок покрепче и раскрутим собачку над головой. Собачка имеет массу и двигается по кругу, порождая центробежную силу и вызывая натяжение поводка. Ведь эта зараза не хочет двигаться по кругу вокруг нас, а хочет лететь по прямой куда-то вдаль башкой об Землю.
Теперь представим, что космический корабль двигается вокруг Земли по кругу (хуй с ним с эллипсом, это и есть круг). Сила тяжести — это поводок, который не даёт кораблю улететь с орбиты Земли, но внутри корабля… возникает центробежная сила, которая как раз и равна g для той высоты орбиты, на которой находится корабль! То есть, эти силы друг друга уравновешивают, и потому вес космонавта внутри равен… нулю! Более того, представим, что Земля и её гравитация исчезла, но корабль включил двигатели, чтоб сохранить ту же точно самую орбиту, по которой двигался, когда Земля еще была на месте. Что мы получим?
Мы получим вектор ускорения, созданный двигателями корабля и направленный в центр, а внутри для космонавта?.. возникнет сила, прижимающая его к внешней стенке, абсолютно точно равная весу космонавта для такой высоты над несуществующей более Землей!
Итак, вышеприведенное объяснение невесомости — хуета в терминах неправильной ньютоновской механики. Однако то, что вычисления по разным методам дают одинаковый ответ лишь подтверждает изотропность нашей Вселенной и обратную совместимость ньютоновской механики с современной ОТО на малых скоростях и массах.
То есть, невесомость возникает в корабле, потому что он двигается по эллипсу и постоянно падает на Землю. И вообще, состояние постоянного падения и невесомости — это естественное и нормальное состояние материи в этой Вселенной, а вот как раз вес — это необычно, это следствие недостатка скорости относительно линейных размеров гравитирующей массы. То есть, человек, бродя по Земле, стремится и хочет быть невесомым, но недостаток скорости, относительно гравитационной воронки не даёт ему это сделать, и он везде натыкается на ебаную Землю и давит на неё. Он как будто постоянно лезет в гору и пихает эту планету от себя, ведь в гравитационном поле, она загнута вверх, как тот самый Сарракш у Стругацких (но не геометрически, конечно).
Надеюсь, я не сильно передрочил вам мозги)))
А теперь обещанные следствия из разницы между весом и массой.
В невесомости, двигаясь со скоростью в 2 м/с (скорость быстрой ходьбы) ты, не обладая никаким весом и чувствуя себя суперменом, въебешься в стену ровно с тем же импульсом и последствиями, что и на Земле. Веса нет, но масса никуда не делась.
Импульс — скорость умножить на массу, попробуй быстрым шагом уебаться головой в низковисящуюю вывеску «Аптека», и тебе сразу понадобится туда зайти (это случай из моей жизни, знаю, что говорю). Поэтому космонавты тренируются в бассейнах, чтоб развить мышечную память плавных движений. Иначе в невесомости можно расхуярить себе руки, ноги, голову о всякие твёрдые предметы с непривычки, ведь мускульная сила та же самая, но веса нет, а масса тела та же самая и те же самые импульсы. Поэтому движения космонавтов на МКС выглядят подчёркнуто вялыми и аккуратными. Мозг приучается к весу тела всю жизнь, годами. Очень трудно перестроиться под его отсутствие, чтоб не получить травм.
И второе, динамика движения транспортных средств на других планетах радикально отличается от земной. Динамика автомобиля зависит от массы, а вот его управляемость — от веса и прижимной силы к поверхности. Гонять по Луне на спорткаре (электрическом, например) невозможно, потому что быстро умрешь. Да, последствия аварии на скорости в 200км/ч на Луне и на Земле одинаковые, потому что одинаковая масса и импульс на такой скорости. Но а притяжение, а значит, сцепление с дорогой меньше в шесть раз. Резкий поворот, и ты улетаешь внахуй кувырком, разъебываясь в мясо, как и на Земле.
Поэтому когда мы станем мультипланетарным видом, нам придётся ооооочень тонко приспосабливаться к гравитации каждой новой колонизированной планеты. Поэтому астронавты на Луне выглядят так неуклюже. Поэтому на МКС ребята так аккуратно двигаются. Это тупо опасно, ведь масса и импульс с нами навсегда.
Сила тяжести на экваторе Земли ниже, чем на полюсах не только из-за большего расстояния от центра планеты и меньшей гравитации, но и из-за центробежной силы вращения планеты, которая направлена в противоположную от веса сторону (вверх). Собственно, именно центробежная сила сплющивает Землю.
Если мы раскрутим Землю до одного оборота в 84 минуты, центробежная сила на экваторе полностью преодолеет порождённый гравитацией вес, и на экваторе наступит невесомость. Само собой, невесомость не только для людей, но и для пород, складывающих нашу планету. А поэтому Земля начнёт сплющиваться ещё сильнее и в итоге превратится в блин.
Итак, хотите Плоскую Землю? Говно-вопрос: раскрутите нашу планету всего-то в 16 раз быстрее, и всё получится!
Не благодарите.
Автор — Николас Оксман
Паб автора — Vsratonavtika
Больше интересного о мире вокруг — в нашем сообществе Ученые коты