Когда спортсмены-олимпийцы демонстрируют ослепительные спортивные подвиги, они используют те же принципы физики, которые породили звезды и планеты.
Ключевые выводы
- Большая часть красоты гимнастики проистекает из физического принципа, называемого сохранением углового момента.
- Сохранение углового момента говорит нам о том, что когда вращающийся объект меняет способ распределения своей материи, он меняет скорость своего вращения.
- Сохранение углового момента связывает образование планет в звездообразующих облаках с красотой соскока гимнаста с брусьев.
Это снова то время, когда мы с трепетом наблюдаем, как олимпийские спортсмены совершают ослепительные подвиги спортивного мастерства. Но когда мы пристально смотрим на скорость, изящество и силу, которые они демонстрируют, самое время обратить внимание на то, как они буквально воплощают фундаментальные принципы, формирующие всю вселенную. Да, я про физику. На наших экранах эти спортсмены преподают нам уроки принципов, которые такие гиганты, как Исаак Ньютон, изо всех сил пытались сформулировать.
Естественно, есть много олимпийских соревнований, из которых мы могли бы узнать некоторые основные принципы физики. Плавание показывает нам гидродинамическое сопротивление. Бокс учит нас силе и импульсу. (Ой!) Но сегодня мы сосредоточимся на гимнастике и космической важности сохранения углового момента.
Сохранение углового момента
Большая часть красоты гимнастики исходит из вращений и сальто, которые спортсмены выполняют, когда они взлетают в воздух из свода или брусьев. Все это примеры вращений, и очень многое в структуре и истории Вселенной, от планет до галактик, сводится к физике вращающихся объектов. И очень многое в физике вращающихся объектов сводится к сохранению углового момента.
Начнем с сохранения обычного или «линейного» импульса. Импульс - это произведение массы и скорости. Еще в эпоху Галилея и Ньютона физики пришли к пониманию того, что при взаимодействии между телами сумма их импульсов должна сохраняться (что на самом деле означает «не меняется»). Это знакомая всем, кто играл в бильярд, идея: когда движущийся бильярдный шар ударяется о неподвижный, первый шар останавливается, а второй уносится прочь. Полный импульс системы (масса, умноженная на скорость обоих шаров, взятых вместе) сохраняется, в результате чего первоначально движущийся шар остается неподвижным, а первоначально неподвижный шар несет весь импульс системы.
Вращающиеся объекты также подчиняются закону сохранения, но теперь важна не только масса объекта. Распределение массы, то есть расположение массы относительно центра вращения, также является фактором. Закон сохранения углового момента говорит нам, что если на вращающийся объект не действуют никакие силы, то любые изменения в распределении его материи должны приводить к изменению скорости его вращения. Сравнивая сохранение углового момента с сохранением линейного количества движения, «распределение массы» аналогично массе, а «скорость вращения» аналогична скорости.
В космической физике есть много мест, где сохранение углового момента является ключевым. Мой любимый пример - образование звезд. Каждая звезда начинает свою жизнь как гигантское облако медленно вращающегося межзвездного газа. Облака обычно противостоят собственному гравитационному весу за счет давления газа, но иногда небольшой толчок, скажем, от проходящей взрывной волны сверхновой заставит облако начать гравитационный коллапс. Когда облако начинает сжиматься, сохранение углового момента заставляет скорость вращения материала в облаке увеличиваться. По мере того как материал падает внутрь, он также вращается вокруг центра облака с еще большей скоростью. В конце концов часть этого газа движется так быстро, что достигается баланс между гравитацией новой формирующейся звезды и тем, что называется центробежной силой. Затем этот материал перестает двигаться внутрь и выходит на орбиту вокруг молодой звезды, образуя диск, часть материала которого в конечном итоге становится планетами. Итак, закон сохранения углового момента буквально объясняет, почему во Вселенной есть планеты!
Гимнастика, космический вид спорта
Как это проявляется в гимнастике? Когда спортсмены подбрасывают себя в воздух, чтобы выполнить сальто, единственная сила, действующая на них, - это гравитация. Но поскольку гравитация влияет только на их «центр масс», она не может прикладывать силы таким образом, чтобы изменить вращение спортсмена. Но гимнасты могут сделать это сами, используя закон сохранения углового момента.
Изменяя расположение своей массы, гимнастки могут изменять скорость вращения. Вы можете увидеть это в фазе соскока на соревнованиях по разновысоким брусьям. Когда гимнаст отрывается от брусьев и выполняет сальто, подобрав ноги внутрь, он может быстро увеличить скорость вращения в воздухе. Внезапное резкое увеличение скорости их сальто заставляет нас задыхаться от изумления. Это одновременно и страшное, и прекрасное свидетельство способности спортсменов интуитивно контролировать физику своего тела. И точно такая же физика управляет рождением планет.
«Что вверху, то и внизу», - гласит старая поговорка. Вы должны помнить об этом, наблюдая за славой Олимпийских игр. Это потому, что не только спортсмены обладают таким интуитивным пониманием физики. У всех нас есть это, и мы используем его каждый день, от спуска по лестнице до размахивания молотком. Таким образом, не будет преувеличением сказать, что в первую очередь мы пришли к пониманию глубочайших принципов физики не в созерцании небес, а в движении по миру в нашей собственной земной плоти.