гидростаты, способные чутко настраивать собственную плотность. В этом отношении они подобны дирижаблям – тонко контролируемым аэростатам. Как мы уже видели, аэростат находит такую высоту, где подъемная сила, обеспечиваемая менее плотным газом, точно уравновешивается весом судна вместе с пассажирами. Затем аэростат зависает в воздухе в полном равновесии. Рыба проделывает то же самое при помощи идеального контроля над своим плавательным пузырем.
Плавательный пузырь – это надутый газом мешок, спрятанный в теле рыбы. Меняя количество газа в пузыре, рыба регулирует собственную плотность и поэтому поднимается или опускается, чтобы найти в толще воды тот слой, где снова достигается равновесие. Вот почему костистые рыбы плавают с такой легкостью. Отчасти поэтому наблюдение за рыбками в комнатном аквариуме – такой замечательный отдых. Плавательный пузырь позволяет рыбе тратить ровно столько энергии, сколько необходимо для горизонтального движения. В отличие от летающих птиц и от акул, костистым рыбам не требуется тратить энергию на подъемную силу. Птицы делали бы то же самое в воздухе, если бы у них был плавательный пузырь, наполненный метаном. Птицы – не единственные живые существа, у которых в ходе эволюции возникло нечто похожее на плавательный пузырь, средство регулировать собственную плотность.
Каракатицы – не рыбы, а моллюски, родственники кальмаров и осьминогов, – сохраняют гидростатическое равновесие, закачивая и извлекая жидкость из своей пористой “кости” – той самой, которую в молотом виде дают птицам в клетках, чтобы снабдить их кальцием.
Как средство для практических полетов летательный аппарат легче воздуха имеет множество серьезных недостатков, и именно поэтому дирижабль в небе сегодня такое редкое зрелище. Дирижабли и воздушные шары служат чаще для развлечения или для рекламы. Даже водород – самый легкий газ – не настолько легче воздуха, чтобы поднять тяжелый груз, разве что задействовать огромные объемы этого газа. Оболочка для такого количества водорода, естественно, должна быть очень вместительной и при этом легкой, а следовательно, тонкой и непрочной: нередко оболочка дирижабля состоит в основном из мягкой ткани с минимальным жестким или полужестким каркасом. Стабильная форма мешка газа под давлением – это сфера.
Вот почему воздушные шары, начиная с монгольфьера, сферические или почти сферические. Но сферическая форма плохо подходит для быстрого полета, поэтому усовершенствованные дирижабли, снабженные двигателями, вроде знаменитых цеппелинов, тяготели к обтекаемой сигарообразной форме. Однако чем дальше дирижабль отходит от устойчивой сферической формы, тем сильнее его газовый мешок нуждается в жестком каркасе, чтобы сохранять форму. Это дает дополнительный вес, а следовательно, дирижаблю требуется еще больше газа только на то, чтобы удерживать в воздухе само воздушное судно, не говоря уже о грузе и пассажирах. А чем объемнее газовый мешок, тем сильнее сопротивление воздуха при движении вперед. Если вам нужна именно скорость, дирижаблям нечего и тягаться с самолетами, которые набирают подъемную силу за счет горизонтального движения.
С другой стороны, дирижабли дешевы в обслуживании, поскольку не расходуют топливо на набор подъемной силы. Поэтому если скорость не так важна, может возникнуть соблазн воспользоваться дирижаблем. Но поскольку максимальная скорость дирижабля совсем мала – мировой рекорд едва-едва превышает но км/ч, – он не может преодолеть встречный ветер, который нипочем большому реактивному самолету. Вероятно, дирижабли могли бы летать и быстрее, но тогда бы им требовались мощные двигатели вроде реактивного. А эти двигатели были бы слишком тяжелы, чтобы поднять их в воздух за счет принципа аэростата.
Глава 10Невесомость
А теперь обратимся к последнему способу бороться с гравитацией – к невесомости. На первый взгляд кажется, будто к ней прибегают только люди. Причем люди, далеко продвинувшиеся по пути научно-технического прогресса. Если вы астронавт на Международной космической станции (МКС), в вашем распоряжении восхитительная иллюзия полета. Эти редкие счастливцы ближе всех подошли к воплощению мечты Леонардо.
ПАДЕНИЕ ВОКРУГ СВЕТА
Астронавт чувствует, что летит, а на самом деле находится в свободном падении.
На космической станции нет ощущения верха и низа. Никакие поверхности жилого пространства нельзя назвать полом или потолком. Паришь, словно призрак, а когда настает время обедать (скорее всего, из тюбика, поскольку с тарелки пища улетела бы) в обществе коллеги, каждому может показаться, что второй висит в воздухе вверх тормашками. Чтобы переместиться из одного помещения на космической станции в другое, нужно лететь, подтягиваясь при помощи поручней. Если подпрыгнуть с того, что вы временно назначили полом, даже совсем мягко, сразу взлетишь к потолку и стукнешься головой. Если астронавтам нужно выйти наружу для технического осмотра или ремонта, они опять же свободно парят и должны привязывать себя, чтобы не улететь от космического корабля безвозвратно. Они безо всяких усилий плывут, словно воздушный шар или как рыба, прекрасно владеющая своим плавательным пузырем. Однако, в отличие от рыбы, плывут они не потому, что их плотность такая же, как у окружающей среды, а по другой причине. Напротив, окружающая среда внутри космической станции – это воздух, а снаружи – почти что вакуум, и астронавт гораздо плотнее и того, и другого. Тогда почему же они летают?
Здесь мы подходим к ошибке настолько распространенной, что с ней необходимо разобраться раз и навсегда. Многие полагают, что астронавты ничего не весят, потому что находятся далеко от Земли и до них не доходит ее гравитация. Нет-нет-нет! Космическая станция находится совсем недалеко от Земли, ближе, чем Дублин от Лондона, и гравитация Земли действует на нее почти так же сильно, как и на уровне моря. Нет, астронавты ничего не весят в том смысле, что если они встанут на весы, те покажут, что их вес равен нулю. И астронавт, и весы свободно парят внутри станции, поэтому тело астронавта не оказывает на весы никакого давления. Поэтому вес астронавта равен нулю.
Астронавт и весы, космическая станция и все, что в ней находится, парят в невесомости, потому что находятся в состоянии свободного падения. Они постоянно падают. Падают вокруг света. Сила гравитации действует на них по-прежнему, притягивает к центру Земли. Но одновременно они мчатся вокруг планеты на огромной скорости, так быстро, что каждый раз, когда падают на Землю, промахиваются. Это и означает, что они на орбите. Космическая станция на орбите парит совсем по другой причине, чем воздушный шар в состоянии аэродинамического равновесия. Воздушный шар поддерживается давлением окружающего воздуха. Поэтому воздушные шары не падают. А астронавты на орбите, наоборот, падают. Непрерывно. Луна все время падает – причем уже более четырех миллиардов лет. Падает вокруг света, падает на вечной орбите.
Невесомы ли аэронавты на воздушном шаре? Конечно, нет. Они прочно стоят ногами на полу корзины и не проявляют склонности плавно вылететь из нее, как будто астронавты на орбите. Если бы их взвесили на весах в корзине, весы показали бы их полный вес. Таким образом, настоящая невесомость для нас – последний способ преодолеть гравитацию. Невесомости можно достичь только благодаря последним достижениям научно-технического прогресса. Но постойте! Разве это правда, строго говоря? Давайте подумаем об этом с другой стороны.
Первым астронавтом на орбите был Юрий Гагарин. Он полетел в космос в 1961 году. США, стремясь поспеть за Советским Союзом, запустили в космос Алана Шепарда в том же году. Он не вышел на орбиту, а совершил, в сущности, очень высокий прыжок в высоту – больше 180 километров – ив конце концов плюхнулся обратно в Атлантический океан. Во время фазы ускорения Шепард был далеко не в невесомости. Если бы он тогда встал на весы, те показали бы в 6,3 раза больше его нормального веса.
Он на самом деле был в 6,3 раза тяжелее. Однако после того, как ракетные двигатели отключились, то есть основную часть подъема и почти весь спуск, пока не раскрылись парашюты, астронавт и его капсула были в состоянии свободного падения. И если бы он взял с собой весы, они бы на протяжении большей части этого поразительного прыжка показывали бы, что его вес равен нулю.
Теперь вернемся к вопросу, достигали ли невесомости другие животные, кроме людей. Предварительный ответ – нет, поскольку в ходе эволюции ни у кого не возник ракетный двигатель, позволяющий развить первую космическую скорость. Мы только что видели, что Алан Шепард, в отличие от Юрия Гагарина, не достиг первой космической скорости. Тем не менее оба испытали невесомость. А теперь вспомним о лучшей прыгунье на свете – блохе – и зададимся вопросом, чем она отличается от Алана Шепарда. В отсутствие ракетного двигателя блохе приходится задействовать мышцы.
Кстати, интересный вопрос, имеющий лишь косвенное отношение к нашей теме: мышцы не могут двигаться достаточно быстро, чтобы обеспечить такое внезапное взрывное ускорение, которое нужно, чтобы прыгнуть высоко, как блоха. Энергия блошиных мышц (неизбежно медленных) запасается в упругой пружине. Принцип здесь тот же, что и у рогатки, лука или арбалета. Рогатка способна запустить камень со скоростью намного большей, чем давали бы одни лишь мышцы руки, которые натягивают резинку. Натянутая резинка запасает энергию мышц. Блохи, как и другие прыгающие насекомые, например кузнечики, снабжены восхитительным эластичным материалом под названием резилин. Это эквивалент резинки в рогатке, но лучше, поскольку он суперэластичен. Мышцы блохи “заряжают” резилин, и на это нужно время. Затем запасенная упругая энергия резко высвобождается сразу в обеих ножках, и блоха прыгает высоко в воздух.
Согласно математической теории, абсолютная высота, на которую способно прыгнуть насекомое, никак не связана с его размером. На практике, разумеется, наблюдается колоссальное разнообразие, поскольку одни животные, скажем, блохи и кенгуру (и олимпийские прыгуны в высоту), специализируются на прыжках, а другие, к примеру, слоны и бегемоты (и я) этого не делают. Блоха прыгает на 20 сантиметров в высоту, что не слишком отличается от прыжка обычного человека на месте из положения стоя. Однако пропорционально размерам тела блохи этот прыжок – примерно то же самое, что для человека перепрыгнуть Эйфелеву башню. Другой пример чемпионов-прыгунов – пауки-скакунчики, очаровательные крошки, которые, чтобы подпрыгнуть, резко закачивают жидкость в свои полые лапы. Паук-скакунчик крупнее блохи, а прыгает примерно на такую же высоту, следуя правилу, что абсолютная высота прыжка не зависит от размеров.