Обратите внимание: когда вы вращаете на веревке камень, он не может лететь по прямой линии — его удерживает на круговой орбите веревка. Но если веревка оборвется или ее сознательно отпустить, камень, стремясь двигаться по инерции, полетит по прямой линии — касательной к его орбите, окружности, которую он описывал.
Каждая планета, как и камень, вращается «на привязи». И если у камня привязью служит веревка, то у планет привязью служит могучее притяжение Солнца. Скорости, с какими летят планеты, огромны, и, конечно, если бы солнечное притяжение не отклоняло их с прямого пути, заставляя описывать эллиптические орбиты, то около Солнца не осталось бы ни одной планеты.
А Земля, в свою очередь, незримой силой тяготения удерживает Луну на ее круговой орбите, заставляя вращаться вокруг себя.
Но что произойдет, если внезапно перерезать эти незримые «канаты-тяготения» между Землей и Луной, между Солнцем и планетами? Если выключить тяготение, как мы выключаем телевизор, радио или электрическую лампочку?
Ответом на этот вопрос послужат следующие опыты.
Опыт с выключенным тяготением
Прежде чем проделать этот опыт, проделаем два вспомогательных. Первый опыт иллюстрирует случай, когда планета совершенно неподвижна и на нее действует только притяжение Солнца. Второй опыт — когда планета и движется по орбите и на нее действует притяжение нашего светила.
И наконец, главный опыт — притяжение неожиданно выключается и действует только инерция.
Когда вы проделаете эти опыты, то убедитесь, какое большое значение имеет в природе гармоничное сочетание, казалось бы, противоположных явлений.
Первый опыт очень простой. Возьмите деревянный или металлический шарик или круглый камешек. Он никуда не летит, находится в состоянии покоя, в вашей руке. Вы стоите на полу. Выпускаете шарик из руки, он падает на пол. Вот и весь опыт.
А теперь давайте наполним наш опыт содержанием, проследим, у кого какие были роли. Шарик, который вы держали в руке, — это неподвижная планета. Пол, на котором вы стоите, — Солнце. Земное притяжение, которое испытывает шарик, — притяжение Солнца. Вот и произошло, что неподвижная, никуда не летевшая «планета», притянутая «Солнцем», падает на него.
Второй опыт сложнее. Прежде всего нужно сделать прибор, который понадобится нам и для других опытов.
Возьмите тяжелый кружок диаметром 15–20 сантиметров (это может быть основание от старой негодной настольной лампы или несколько кружков конфорок от плиты), проденьте через отверстие в центре две прочные веревки длиной 1–1,5 метра и завяжите узел. Кружок должен висеть горизонтально на этом узле. Если вы располагаете конфорками, то нужно вырезать из фанеры два кружка и между ними зажать сложенные вместе чугунные кружки. Узел, на котором лежит фанерный кружок, закрепите маленькими гвоздиками. Нужно, чтобы при вращении дисков веревки не проворачивались в отверстии.
На фанерном кружке, около отверстия, в которое продеты скрученные веревки, вбейте маленький гвоздик. Привяжите к нему тонкую нитку. Натяните нитку до края кружка и привяжите к ее концу небольшой металлический шарик или камешек. Роли здесь будут такие: шарик — планета, центр диска — Солнце, нить — сила притяжения, которой Солнце удерживает на орбите нашу подопытную планету. Приведите диск в быстрое вращение. Перед вами будет модель движения одной из планет вокруг Солнца.
Перейдем теперь к третьему, главному опыту. Когда диск хорошо раскрутился, быстрым, легким прикосновением лезвия безопасной бритвы перережьте нитку, на которой привязан шарик или камешек. Лучше это сделать вблизи шарика. Этим вы выключаете притяжение планеты к Солнцу. И шарик-планета улетает по инерции по прямой линии в «мировое пространство», куда-нибудь в кусты или траву.
В комнате этот опыт делать нельзя — можно что-нибудь разбить.
Упрощенный вариант этого опыта можно наблюдать, когда точат на точиле ножи. Сноп искр летит по инерции по касательным к вращающемуся кругу. Это раскаленные частицы металла. Они не могут удержаться на своей орбите, на которой они возникают. Ведь их никакая сила к оси круга не притягивает, и искры свободны в своем полете. Они движутся по прямым линиям. Вследствие быстроты их движения мы видим не каждую искру в отдельности, а светящиеся следы, подобные раскаленным следам метеоров, которые иногда пролетают в ночном небе.
Опыт с тремя мячиками
Сила, когда она действует на какое-то тело, все больше и больше увеличивает его скорость, вызывает ускорение этого тела. Как известно, ускорение зависит от массы и от приложенной силы. Чем больше масса, то есть чем больше инертность тела, тем большую силу надо приложить для получения нужного ускорения.
При запуске спутника Земли или космического корабля его ускоряют до нужной космической скорости (если корабль запущен на околоземную орбиту, то, как уже говорилось, ему должна быть сообщена первая космическая скорость — около 7,9 километра в секунду). Когда нужная скорость уже достигнута, работа двигателей прекращается, и спутник или корабль летит по инерции с равномерной скоростью.
Но сила может быть приложена к телу и в очень короткий промежуток времени, например, при толчке, при ударе. После такого короткого действия силы тело будет двигаться только по инерции.
Вот такие опыты мы сейчас и проделаем.
Приобретите в магазине три одинаковых небольших (диаметром около 6 сантиметров) резиновых мячика. В одном из них прорежьте острым перочинным ножом маленькую щель длиной не больше одного сантиметра. Вставьте в прорезь небольшую воронку и насыпьте в мячик дополна сухой, чистый песок. Прорезь заклейте без латки резиновым клеем. Клей легко пройдет в разрез, если мячик слегка сдавить пальцами.
Возьмите кусок не очень толстого, но достаточно упругого картона, вырежьте из него полоску длиной 40 сантиметров и шириной 4–5 сантиметров. Проколите иголкой с ниткой середину одного конца картонной полоски, завяжите нитку узлом и, согнув в дугу картонную полоску (осторожно, чтобы она не дала трещину), проколите второй конец полоски и, натянув нитку, закрепите ее.
У вас получилось нечто похожее на лук для стрельбы стрелами, только согнут наш «лук» гораздо больше, концы картонной полоски, стянутые ниткой, идут параллельно, а затем переходят в дугу.
Теперь приступим к опытам. Положите на гладкий пол комнаты нашу картонную пружину, а по обе стороны от нее, у ее концов, по одному одинаковому мячику. Мячики должны плотно прижиматься к концам картонной пружины. Зажгите спичку и поднесите ее к середине нитки. Нитка моментально перегорит, полоска распрямится, толкнет мячики с одинаковой силой, которая действует очень короткий промежуток времени. Мячики откатятся в противоположные стороны на одинаковые расстояния.
После этого опыта снова зарядите нашу картонную пружину, связав ее концы ниткой, как и прошлый раз.
Снова положите ее на пол, на то же место, но мячики около нее положите разные: с одной стороны — обыкновенный мячик, с другой — мячик, наполненный песком. Следите, чтобы мячики, как и в прошлый раз, касались концов согнутой полоски.
Поднесите к нитке горящую спичку. Картонная пружина мгновенно распрямится, толкнет мячики в противоположные стороны. Мячики откатятся, но откатятся теперь не на одинаковые расстояния, как прошлый раз. У мячика с песком масса значительно большая, а поэтому и откатился он совсем недалеко.
Во время этих опытов очень осторожно обращайтесь с огнем. Конечно, можно нитку перерезать и ножницами, но при этом может быть добавочный толчок, который передастся через картонную полоску шарикам, а это нежелательно.
От мячиков к ракете
Сейчас вы проделали опыты, которые иллюстрировали очень важный закон, на нем основан запуск искусственных спутников, космических кораблей и полеты ракет. Это закон сохранения количества движения.
В физике в разделе «Механика» есть понятие «количество движения» — математическое и очень образное выражение вывода из второго закона движения Ньютона.
Выглядит это выражение так: mv — произведение массы тела m на скорость v.
Когда вы делали опыт с одинаковыми мячиками, массы которых равны, они под действием одной и той же силы откатились на одинаковые расстояния. Если помножить скорости мячиков на их массы, то получатся одинаковые произведения. Только направления у мячиков были разные.
В другом опыте, когда у мячиков массы разные, при умножении масс на скорости тоже получаются одинаковые произведения. У одного мячика масса большая, но скорость маленькая, у другого масса маленькая — скорость большая.
Когда действуют силы в замкнутой системе — а такой системой можно считать наши мячики и картонную пружину, если не принимать во внимание силы трения о пол и воздух, — то здесь имеет место закон сохранения количества движения.
Ракета на старте — тоже замкнутая система. Она будет двигаться за счет внутренних сил. Снаружи никто ее толкать не будет.
Когда она стоит на старте, ее количество движения равно нулю. Когда же заработали реактивные двигатели и из сопел с огромной скоростью вырываются раскаленные газы, ракета устремляется вверх.
Если умножить всю массу этих газов на их скорость, то произведение будет точно равно произведению массы корпуса ракеты на ее скорость. Только направления разные: раскаленные газы летят к Земле, а ракета летит от Земли.
ОПЫТЫ С РЕАКТИВНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
Реактивный плот
Начнем сразу с опыта, который даст возможность наблюдать реактивное движение, как говорится, в натуре. Опыт довольно простой, но чтобы он прошел удачно, его нужно хорошо подготовить.
Выпилите из доски прямоугольный кусочек толщиной 1,5 сантиметра, шириной 5 и длиной 10 сантиметров. Это будет маленький плот — основа нашего прибора. К его узкой стороне посередине приклейте нерастворимым в воде клеем и прибейте маленьким гвоздиком половинку разрезанной вдоль бутылочной пробки (из пробкового дерева). Один конец этой половинки должен быть вровень с дощечкой, а другой — возвышаться на два сантиметра. Затем вырежьте из картона две узкие полоски размером 0,5x10 сантиметр