Пока что мы обсуждаем особенности полета Алисы, не усложняя его появлением гномика, который толкнул Алису вперед в центре Земли.
Кинетическая энергия имеет формулу: , где v скорость в данный момент.
Гном добавляет 1 м/с, то есть кинетическая энергия Алисы становится: .
Это должно компенсироваться тем, что Алиса вылетит вверх на некоторую высоту, чтобы прибавка потенциальной энергии компенсировала убавку дополнительной кинетической энергии.
Потенциальная энергия записывается формулой Е = mgh.
При удалении от поверхности Земли g будет немного меняться по сравнению со значением 9,81, но не очень сильно.
Давайте посмотрим на разницу этих двух кинетических энергий. — до прибавки в скорости, — увеличение энергии после прибавки.
Единицу мы, как водится, игнорируем, она очень маленькая, 2v остается. В итоге разница получается равной mv. Этой разнице и должна быть равна потенциальная энергия в точке максимального подъема Алисы на другой стороне Земли:
mv = mgh.
Масса сокращается, то есть масса Алисы здесь никакого отношения к делу не имеет. Совсем, казалось бы, не важно, кого пнул гном. Однако следует отметить, что худенькой Алисе гному будет легче неожиданно придать лишний 1 м/с, чем увесистой Алисе. Впрочем, это проблемы гнома, а не наши с Алисой.
Остается формула: v = gh. То есть h равно v/g (если посчитать, получается 805 метров). Добавление 1 м/с в центре земли дает вылет вверх из дыры примерно на 800 метров.
А что говорит наша интуиция? Не нарушил ли наш гном закон сохранения энергии? Нет, не нарушил. Просто гному будет не так-то легко увеличить скорость Алисы на 1 м/с. Ему придется со страшной силой размахнуться кулаком, чтобы кулак приобрел скорость Алисы (7910 м/с) плюс еще 1 м/с. Мы бы с вами этого не смогли сделать. А гном, как существо волшебное, может!
Проверим задачу про звезды.
Первое, что надо осознать: те звезды, которые вы не видите летним днем из-за солнца, можно будет увидеть через полгода (зимней ночью). См. схему на рис. 94.
Рис. 94. Земля, не меняя наклона своей оси к плоскости эклиптики, вращается вокруг Солнца (справа на Земле — лето, и освещенное Солнцем северное полушарие не позволяет людям различить звезды; слева на Земле — зима, ночь). И справа, и слева ось Земли направлена в одну и ту же точку небесной сферы, поэтому видны одни и те же звезды. Важно, что расстояние между указанными двумя положениями Земли ничтожно мало по сравнению с расстоянием до ближайших (не считая Солнца) видимых на небе звезд.
Поэтому то, что вы видите во время затмения, вы уже видели полгода назад и увидите опять через полгода вперед (если этому не помешают тучи и т. п.).
Врезка 8. Кое-что о небесной сфере
Космос велик и необъятен. Ему, в общем-то, нет дела до ничтожной пылинки, называемой «планета Земля». Но на ней проживает многочисленное племя людей, которые в свободное от работы время не прочь поразмыслить над вопросами «что такое Космос» и «влияет ли Космос на жизнь человека». По поводу первого вопроса до сих пор спорят ученые — даже не смогли до сих пор понять, ограничен ли Космос по размерам, или не ограничен. А простые люди думают так: если и ограничен, то всё же он так велик, что его всё равно облететь нельзя. Так какое нам до этого дело? На второй вопрос многие люди склонны ответить так: наверное. Космос как-то влияет на жизнь людей — но гораздо меньше, чем курс доллара! Космос, конечно, может преподнести нам подарок в виде огромного метеорита, который сотрет жизнь на Земле — да ведь это когда еще будет! Может, в это время и долларов уже не будет.
Тем не менее было решено, что на всякий случай за Космосом надо следить с помощью специального воображаемого «телевизора» со сферическим экраном. Это и есть НЕБЕСНАЯ СФЕРА. Где же находится центр этой воображаемой сферы и чему равен ее радиус? Для ответа на этот вопрос надо понять, что же является самым важным для жизни человеческой цивилизации. Конечно же, «земная сфера», то есть поверхность Земли. Поэтому и центр небесной сферы был выбран в центре Земли, с учетом «земного эгоизма» людей. (Наверное, если бы земляне и марсиане жили бы в виде единой цивилизации, центр небесной сферы был бы выбран не в центре Земли, а в центре Солнца.) Что же касается радиуса небесной сферы, то его надо выбрать побольше (чтобы эта сфера находилась далеко от Земли), но не слишком большим (чтобы внутри этой сферы не оказались ближайшие (не считая Солнца) звезды). Конкретное же значение радиуса никого особенно не интересует — лишь бы мы на этой сфере сумели разглядеть все подробности из жизни Космоса. Итак, земная и небесная сфера являются концентрическими. На земной — имеются две важные для землян точки: северный и южный полюс. Через них проходит важная для землян прямая — земная ось. Земля вращается вокруг этой оси с периодом 24 часа[22]. А вот и каверзный вопрос: почему 24? Ответ (неубедительный): потому, что так решили древние астрономы. Но ведь это было пару тысяч лет назад. За это время старушка-Земля могла притормозить свое вращение. А ну как вдруг период ее вращения теперь равен 24,37 часа? Ответ (нелогичный): часов-то по-прежнему 24, но сам час стал немного длиннее. Нелогичность его в том, что нам всё равно надо знать, происходит ли замедление (или, скажем, ускорение) — неважно, как мы это назовем — удлинение периода или удлинение часа. К счастью, сейчас физики могут определять длительность промежутка времени независимо от вращения Земли, причем с высокой точностью. И никаких признаков изменения периода вращения земного шара не обнаружено. Пока не обнаружено. А завтра прилетит какой-нибудь укрупненный метеорит и врежется в Землю…
Следующие два важных термина — зенит и надир. Зенит — это точка, лежащая на небесной сфере прямо над головой наблюдателя, надир — точка, лежащая на противоположной стороне небесной сферы (то есть под ногами наблюдателя, так что он и наблюдать-то ее не сможет). Вы чувствуете, какой подвох есть в этом определении? Земля у нас одна, а наблюдателей на ней может быть очень много — и на суше, и на море. Значит, и точек зенита будет очень много. И даже какие-то два наблюдателя могут сильно поспорить по поводу одной и той же точки на небесной сфере: один скажет, что это «зенит», другой — что это «надир». Надо как-то ограничить «персональный эгоизм» наблюдателя. Поэтому было объявлено, что все эти наблюдатели «воспомогательные», кроме двух «основных». Один из двух наблюдает на северном полюсе, другой — на южном. Кстати, а какой из полюсов назвать северным, а какой — южным? Ведь и здесь, и там очень холодно… Этот вопрос не очень важен, но всё же решено было, что над северным полюсом находится зенит, а над южным — надир. И остался только один «основной» наблюдатель — тот, у которого над головой зенит. Через северный и южный полюс провели прямую и продолжили ее до пересечения с небесной сферой. И далее стали именовать эту прямую не «земная ось», а «ось мира». Вот тебе и раз! Да какое же право имеет маленькая, совсем незаметная в масштабах Космоса планета Земля указывать, как должна быть направлена ОСЬ МИРА? Это — типичнейший пример «земного эгоизма». Погодите, дальше еще и не такое будет!
Итак, стоит на Северном полюсе наблюдатель, смотрит в небо, и совершает (вместе со всем земным шаром) один оборот за 24 часа. А ему кажется, что и он, и Земля стоят на месте, а весь огромный Космос, со всеми его звездами и кометами (да и с нашим Солнцем тоже), медленно вращается в другую сторону. И чтобы убедиться в этом, достаточно поглядеть довольно долго на экран того «телевизора», через который земляне наблюдают Космос (то есть на небесную сферу). Осталось совсем немного, чтобы силами землян достроить для всего Космоса космическую систему координат (в которой, смеха ради, считается, что Земля абсолютно неподвижна, а всё остальное (в том числе и Солнце) вращается вокруг нее). Рассмотрим плоскость, проведенную через земной экватор. Продолжим ее до пересечения с небесной сферой. Получится «мировая экваториальная плоскость» для всего космического пространства. Вы, наверное, думаете, что именно в ней находится Солнце и вращаются все другие планеты? Ничего подобного! Солнце и планеты находятся в другой плоскости (она называется «эклиптикой»). Обе эти плоскости пересекаются в центре Земли (так что эту точку называют «начало координат мира»). Конечно, у этих двух плоскостей есть и другие точки пересечения (они пересекаются по прямой). Плоскость эклиптики пересекает экваториальную плоскость под углом 23,5 градуса. Земная ось направлена в зенит (zenit), поэтому ее и назовем «ось Z». Осталось указать в экваториальной плоскости, как провести через центр Земли ось X и ось Y. Главное — это задать направление оси иксов. Для этого надо найти на экваторе (естественно, на земном, а не на небесном) нулевой меридиан. На этот счет имеется как минимум два мнения. Англия считает, что надо таковым считать Гринвичский меридиан, а Россия — что Пулковский меридиан. (А какая-нибудь цивилизация из созвездия Тау Кита, считает, что центр мира вообще не должен находиться в центре Земли.) В целях унификации общеземной системы космических координат можно провести ось иксов в направлении, например, Гринвича[23]. Теперь уже можно определить для каждой точки на поверхности Земли (а также и для любой точки Космоса) две координаты: долготу и широту. Нужна еще третья координата — расстояние от центра Земли до интересующей нас точки. Для точки на поверхности Земли (считаемой «идеальным шаром») эта координата равна усредненному радиусу Земли R (примерно 6371 км). Для звезды в Космосе (как бы далеко она ни находилась от небесной сферы) в качестве третьей координаты надо брать радиус небесной сферы, потому что все эти звезды надо спроектировать из бездны Космоса на экран «телевизора» для разглядывания Космоса, то есть на небесную сферу. Так как радиус этой сферы не уточняется, то в Космосе используются только две (угловые) координаты: долгота и широта луча, идущего из центра Земли в данную звезду (или комету, или метеорит…)
