И какую роль играет гравитация?
Хотя у большинства из нас никогда не было возможности отправиться в космос, у всех нас есть шанс мечтать об этом и гадать, на что это будет похоже. В самых разных научно-фантастических шоу вы можете найти множество различных представлений о том, как ускорение влияет на всех и все, что путешествует по Вселенной. Но если бы вы действительно оказались на борту такого космического корабля и ограничились бы законами физики, какими мы их знаем в настоящее время, что бы вы на самом деле испытали? Вот что хочет знать пользователь Твиттера Love The Cat, спрашивая:
Чувствуете ли вы ускорение в космосе, если не находитесь рядом с объектом с достаточной гравитацией? Это способ, которым телешоу [иллюстрирует] движение, но я чувствую, что это не будет точным без гравитации. Если бы мы имитировали гравитацию, разве она не ускорилась бы?
Как ни странно, то, что вы чувствуете, и то, что на самом деле происходит с вами, не совсем совпадают.
Сила гравитации присутствует всегда, где бы вы ни находились во Вселенной. Здесь, на поверхности Земли, нам нравится думать, что гравитационное поле нашей планеты и возникающая из него сила доминируют, как подсказывает нам наш общий опыт. Действительно, каждый объект на поверхности Земли испытывает ускорение 9,8 м/с² в любом направлении, которое вы обычно определяете как «вниз»: к центру Земли.
Но когда вы сейчас сидите в кресле и читаете эти слова, вы понимаете, что это не то ускорение, которое вы испытываете. Вероятно, вам кажется, что вы вообще не ускоряетесь, хотя сила гравитации - это вполне реальная сила, действующая на ваше тело прямо сейчас. Причина одновременно проста и глубока. Существует равная и противоположная сила, уравновешивающая силу гравитации и не позволяющая вам двигаться с ускорением к центру Земли: сила стула, давит на ваше тело.
Если бы вашего стула не было, пол вместо этого давил бы на вас, противодействуя силе тяжести. Если бы здания, в котором вы находитесь, не было, вместо этого поверхность Земли отталкивала бы вас. Только если вы уберете все возможные барьеры - все объекты, которые будут отталкивать вас, если гравитация Земли втянет вас в нее - , вы действительно почувствуете свое ускорение.
Вместо этого то, что вы чувствуете, является комбинацией этих двух сил: гравитационной силы и того, что мы обычно называем «нормальной силой», потому что она толкает вас нормально (перпендикулярно) к своей поверхности. Если вы находитесь на склоне, вы также испытываете силу трения, которая удерживает вас на месте, поэтому, если ваша поверхность слишком скользкая для вашей обуви, вместо этого вы начнете скользить по этому склону. Сила гравитации всегда будет ускорять вас по направлению к центру Земли, но другие силы могут частично или полностью противодействовать этой гравитационной силе.
Все эти противодействующие силы уходят, однако, если вы выполняете одно условие: если вы находитесь в свободном падении. Свободно падающий объект по-прежнему испытывает гравитационную силу, как и все остальное во Вселенной. Но без объекта, который отталкивает вас и сопротивляется силе гравитации, у вас больше нет нормальной силы.
Это ощущение свободного падения широко известно как ощущение «невесомости». Вы чувствуете это, когда:
- вы едете слишком быстро в гору перед тем, как снова начать спускаться,
- момент, когда происходит «падение», когда вы находитесь на американских горках,
- в первую секунду, когда вы прыгаете в воздух или выпрыгиваете из самолета, прежде чем сопротивление воздуха становится важным,
- или - для немногих счастливчиков из нас - момент, когда самолет выключает двигатели, когда вы совершаете полет в невесомости.
Ощущение невесомости, хотите верьте, хотите нет, это то, что вы чувствуете, когда гравитация является единственной силой, ускоряющей вас. В это трудно поверить, потому что это так нелогично, но то, что вы сейчас испытываете, - это состояние равновесия. Есть гравитационная сила, ускоряющая вас, но есть равная и противоположная сила, отталкивающая вас назад. Это так же верно на поверхности Земли, как и когда вы летите (ровно) в самолете на высоте 35 000 футов: объект под вами толкает вас вверх с силой, равной и противоположной силе гравитации. ты вниз.
Астронавты на Международной космической станции, например, находятся на высоте чуть более 400 километров (250 миль) над поверхностью Земли. На их высоте ускорение силы тяжести Земли меньше, чем у поверхности Земли: 8,7 м/с² вместо 9,8 м/с², сокращение всего лишь примерно на 12%.
Но каждый астронавт постоянно испытывает одно и то же ощущение: ощущение полной невесомости. Опять же, здесь работает то же самое последствие свободного падения. Астронавты на борту Международной космической станции ускоряются по направлению к центру Земли со скоростью 8,7 м/с², но сама космическая станция также ускоряется с той же скоростью 8,7 м/с², поэтому нет ни относительного ускорения, ни силы, которую вы опыт.
Этот же принцип работает и в экстремальных масштабах. Астронавты, отправившиеся на Луну, никогда не чувствовали ничего особенного, путешествуя от Земли к Луне. Они никогда не чувствовали ничего, кроме невесомости, пока вращались вокруг Луны. Только в течение двух эпизодов во время своего путешествия - когда их космический корабль использовал свои двигатели для ускорения и когда они действительно находились на самой поверхности Луны - они испытали физическое ощущение, которое мы связываем с ускорением.
Это потому, что ощущение ускорения не имеет ничего общего с гравитацией. Это имеет отношение только к величине нормальной силы: объекта, оказывающего на вас физическую силу. Здесь, на Земле, один из лучших тестов, который вы можете сделать, - это взять с собой весы в лифт. Если вы встанете на весы, а затем подниметесь, то заметите, что:
- ваш вес на весах сначала начинает увеличиваться, как только вы ускоряетесь вверх, так как нормальная сила (от земли) увеличивается,
- тогда ваш вес вернется к норме, так как ваше чистое ускорение вернется к нулю, и вы будете двигаться с постоянной скоростью,
- а затем ваш вес быстро уменьшается по мере замедления лифта, уменьшая при этом вашу обычную силу (от земли).
То же самое ощущение ускорения возникает, когда вы находитесь в машине, которая ускоряется или замедляется, когда кто-то внезапно толкает вас, или если вы находитесь в ракетном корабле в процессе запуск.
Приступая к миру научной фантастики, вот почему так много космических кораблей используют своего рода «искусственную гравитацию» в качестве сюжетного приема. Без него вы бы вообще не испытали этого ощущения ускорения; только под действием гравитации, даже если вы падаете на луну, планету, звезду или галактику, вы испытаете только это ощущение невесомости, потому что ваше тело не будет испытывать никакого ускорения относительно корабля.
Либо у вас должен быть какой-то способ, чтобы ваш корабль постоянно ускорялся с тем же ускорением, которое вы чувствуете из-за земного притяжения, 9,8 м/с², а затем направление, в котором ускорялся корабль, будет чувствовать, что ваше направление «вверх», подобно тому, как «вниз» направлено к центру Земли, или вам нужно было бы иметь большой вращающийся корабль, чтобы вы воспринимали «наружу» как направление вниз, идея, используемая с большим эффектом в фильме 2001: Космическая одиссея.
Именно раздумывая над загадками и явлениями, подобными этим, Эйнштейн наткнулся на ключевую идею общей теории относительности: принцип эквивалентности. Проще говоря, принцип эквивалентности гласит, что если вы находитесь в закрытой комнате без окон - например, в лифте - вы не можете отличить гравитационную силу (или ускорение), тянущую вас вниз, и ускорение из-за изменения ваше движение, которое тянет вас «вниз».
Единственным признаком, который у вас есть, является то, что объекты внутри вашей комнаты движутся с ускорением в одном и том же направлении. Единственный реальный тест, который вы могли бы выполнить, - это бросить разные объекты в разных местах и измерить с достаточной точностью, ускоряются ли они в направлении точки (что было бы гравитационным), от точки (которая была бы центростремительной или например, вращение) или параллельными линиями (что было бы линейным ускорением).
Реальность такова, что единственные ощущения, которые вы ощущаете в собственном теле, - это силы, создаваемые объектами, которые касаются вас. Если бы вы были в запечатанной комнате и что-то за пределами комнаты заставило бы вас и комнату двигаться вместе - была бы эта сила гравитационной, электромагнитной или любой другой природы - вы не смогли бы почувствовать ее до тех пор, пока стороны часть комнаты не давила на вас каким-либо образом.
Для гравитации она заставляет вас, корабль и все остальное ускоряться с одинаковой скоростью; если ничто не давит ни на что другое, ничто не будет ощущать силу или ускорение. Несмотря на то, что гравитация все равно будет ускорять вас, в свободном падении вы получите такое же ускорение, как и в невесомости. Это один из способов, которым гравитация, даже ньютоновская версия, которой более 330 лет, продолжает нас удивлять.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!