Яков Перельман – Занимательная механика (страница 7)

Что можно возразить против такого довода? То, что он основан на недоразумении. Если бы газы, вытекающие из ракеты, не встречали земной поверхности, было бы ясно, что ракета вовсе не уносит с собой на Луну свой центр тяжести. Летит на Луну только часть ракеты, остальная же часть – продукты горения – движется в противоположном направлении, поэтому центр тяжести всей системы там, где он был до старта ракеты.

Теперь примем во внимание то обстоятельство, что вытекающие газы движутся не беспрепятственно, а ударяются о Землю. Тем самым в систему ракеты включается весь земной шар, и речь должна идти о сохранении центра тяжести огромной системы Земля – ракета. Вследствие удара газовой струи о Землю (или о её атмосферу) наша планета несколько смещается, центр тяжести её отодвигается в сторону, противоположную движению ракеты. Масса земного шара настолько велика по сравнению с массой ракеты, что самого ничтожного, практически неуловимого его перемещения оказывается достаточно для уравновешения того смещения центра тяжести системы Земля – ракета, которое обусловлено перелётом ракеты на расстояние Луны. Передвижение земного шара меньше расстояния до Луны во столько же раз, во сколько раз масса Земли больше массы ракеты (т. е. в сотни триллионов раз!).

Мы видим, что даже и в такой исключительной обстановке закон движения центра тяжести остаётся в полной силе.

Глава 3

Тяжесть

Свидетельства отвеса и маятника

Отвес и маятник – без сомнения, простейшие (по крайней мере в идее) из всех приборов, какими пользуется наука. Тем удивительнее, что столь примитивными орудиями добыты поистине сказочные достижения: человеку удалось благодаря им проникнуть мысленно в недра Земли, узнать, что делается в десятках километров под нашими ногами. Мы вполне оценим этот подвиг науки, если вспомним, что глубочайшая буровая скважина мира (на момент написания книги. – Ред.) не длиннее 3¼ км[18], т. е. далеко не достигает тех глубин, о которых дают нам показания, находящиеся на поверхности земли отвес и маятник.

Механический принцип, лежащий в основе такого применения отвеса, нетрудно понять. Если бы земной шар был совершенно однороден, направление отвеса в любом пункте можно было бы определить расчётом. Неравномерное распределение масс близ поверхности или в глубине Земли изменяет это теоретическое направление. Близость горы, например, заставляет отвес несколько отклоняться в её сторону – тем значительнее, чем ближе находится гора и чем больше её масса. Возле обсерватории в Симеизе отвес испытывает заметное отклоняющее действие соседней стены Крымских гор, угол отклонения достигает полминуты. Ещё сильнее отклоняют к себе отвес Кавказские горы: во Владикавказе на 37 с дуги, в Батуме – на 39 с. Наоборот, пустота в толще Земли оказывает на отвес как бы отталкивающее действие: он оттягивается в противоположную сторону окружающими массами. (При этом величина кажущегося отталкивания равна тому притяжению, которое должна была бы производить на отвес масса вещества, если бы полость была заполнена им.) Отвес отталкивается не только полостями, но – соответственно слабее – также и скоплениями веществ менее плотных, чем основная толща. Вот почему в Москве, вдали от всяких гор, отвес всё же отклоняется к северу на 10 с дуги. Как видим, отвес может служить чувствительным инструментом, помогающим судить о строении земных недр.

Рис. 15. Пустоты (А) и уплотнения (В) в толще земного шара отклоняют отвес (по А. В. Клоссовскому)

Рис. 16. Профиль земной поверхности и направления отвесов (по А.В. Клоссовскому)

Ещё чувствительнее в этом отношении маятник. Этот прибор обладает следующим свойством: если размах его качаний не превосходит нескольких градусов, то продолжительность одного качания не зависит от величины размаха, и большие и малые качания длятся одинаково. Продолжительность качания зависит совсем от других обстоятельств: от длины маятника и от ускорения силы тяжести в этом месте земного шара. Формула, связывающая продолжительность t одного полного (туда и назад) качания с длиной l маятника и с ускорением g силы тяжести, такова:

При этом если длина t маятника берётся в метрах, то и ускорение g силы тяжести следует брать в метрах в секунду за секунду.

Если для исследования строения толщи Земли пользоваться «секундным» маятником, т. е. делающим одно (в одну сторону) колебание в секунду, то должно быть:

Ясно, что всякое изменение силы тяжести должно отразиться на длине такого маятника: его придётся либо удлинить, либо укоротить, чтобы он в точности отбивал секунды. Таким путём удаётся улавливать изменения силы тяжести в 0,0001 её величины.

Не буду описывать технику выполнения подобных исследований с отвесом и маятником (она гораздо сложнее, чем можно думать). Укажу лишь на некоторые, наиболее интересные результаты.

Казалось бы, близ берегов океана отвес должен отклоняться всегда в сторону материка, как отклоняется он по направлению к горным массивам. Опыт не оправдывает этого ожидания. Маятник же свидетельствует, что на океане и на его островах напряжение силы тяжести сильнее, чем близ берегов, а возле берегов – больше, чем вдали от них, на материке. О чём это говорит? О том, очевидно, что толща Земли под материками составлена из более лёгких веществ, чем под дном океанов. Из таких физических фактов геологи черпают ценные указания для суждения о породах, слагающих кору нашей планеты.

Незаменимые услуги оказал подобный способ исследования при выявлении причин так называемой Курской магнитной аномалии (отклонение от нормы). Приведу несколько строк отчёта одного из её исследователей[19]: «…Можно с полной определённостью утверждать о наличии под земной поверхностью значительных притягивающих масс, причём граница этих масс с западной стороны… устанавливается с совершенной отчётливостью. Вместе с тем представляется вероятным, что эти массы простираются преимущественно в восточном направлении, имея восточный скат более пологим, чем западный».

Рис. 17. Вверху справа – вариометр. Вверху слева – схема устройства прибора

Известно, какое важное промышленное значение придаётся тем огромным источникам железа, которые обнаружены в районе Курской аномалии. Запасы железной руды исчисляются здесь десятками миллиардов тонн, составляя половину мирового запаса. Приведу также некоторые результаты исследования аномалий силы тяжести на восточных склонах Урала (выполнено в 1930 г. ленинградскими астрономами):

«Около Златоуста мы имеем наибольший максимум в силе тяжести, соответствующий подъёму кристаллического массива Уральского хребта.

Второй максимум к востоку от Козырево характеризует приближение к поверхности земли погруженного хребта.

Третий максимум к востоку от Мишкино вновь даст указание о приближении древних пород к земной поверхности. оболочкой с тройными металлическими стенками. В приборе имеются две пары крутильных весов, повёрнутых на 180° относительно друг друга». У – плоское зеркало.

Рис. 18. Причина Курской аномалии: шток железной руды мощностью около 1000 м на глубине 100 м

И наконец, четвёртый максимум к западу от Петропавловска вновь указывает на приближение тяжелых пород» (Б.В. Нумеров).

Перед нами два из многочисленных примеров того, как физика создаёт основу для научных построений и практических применений в других, казалось бы, далёких от неё областях.

Маятник в воде

Вообразите, что маятник стенных часов качается в воде. Чечевица его имеет обтекаемую форму, которая сводит почти к нулю сопротивление воды её движению. Какова окажется продолжительность качания такого маятника: больше, чем вне воды или меньше? Проще говоря: будет ли маятник качаться в воде быстрее, чем в воздухе, или медленнее?

Так как маятник качается в несопротивляющейся среде, то, казалось бы, нет причины, которая могла бы изменить скорость его качания. Между тем опыт показывает, что маятник в таких условиях качается медленнее.

Это загадочное на первый взгляд явление объясняется выталкивающим действием воды на погружённые в неё тела. Оно как бы уменьшает вес маятника, не изменяя его массы. Значит, маятник в воде находится совершенно в таких же условиях, как если бы он был перенесён на другую планету, где ускорение силы тяжести слабее. Из формулы, приведённой в предыдущей статье, , следует, что с уменьшением ускорения силы тяжести (g) время колебания (t) должно возрасти: маятник будет колебаться медленнее.

На наклонной плоскости

Сосуд с водой стоит на наклонной плоскости (рис. 19). Пока он неподвижен, уровень АВ воды в нём, конечно, горизонтален. Но вот сосуд начинает скользить по хорошо смазанной плоскости СВ. Останется ли уровень воды в сосуде горизонтальным, пока сосуд скользит по плоскости?

Рис. 19. Сосуд с водой скользит под уклон. Как расположится уровень воды?

Опыт показывает, что в сосуде, движущемся без трения по наклонной плоскости, уровень воды устанавливается параллельно этой плоскости. Объясним почему.

Вес Р каждой частицы (рис. 20) можно представить себе разложенным на две составляющие силы: Q и R. Сила Р увлекает частицы воды и сосуда в движение вдоль наклонной плоскости СD; при этом частицы воды будут оказывать на стенки сосуда такое же давление, как и в случае покоя (вследствие одинаковости скорости движения). Сила же Q придавливает частицы воды ко дну сосуда. Действие всех отдельных сил Q на воду будет такое же, как и действие силы тяжести на частицы всякой покоящейся жидкости: уровень воды установится перпендикулярно к направлению силы Q, т. е. параллельно длине наклонной плоскости.