Один простой вопрос
Подбрось яблоко — оно упадёт. Подпрыгни — и ты вернёшься на землю. Всё, что мы поднимаем вверх, рано или поздно оказывается внизу. Это происходит так часто, что мы перестали удивляться.
А теперь посмотри на небо. Там висит Луна — огромный каменный шар размером примерно в четверть Земли. Он весит семьдесят три миллиарда миллиардов тонн. И он не падает.
Почему? Учёные ломали голову над этим вопросом несколько тысяч лет. Ответ оказался неожиданным: Луна падает. Прямо сейчас, пока ты читаешь эту строчку. Она падает уже четыре с половиной миллиарда лет и никак не может упасть.
Чтобы понять, как такое возможно, начнём с самого начала.
Что такое гравитация
Гравитация — это притяжение, которое есть у всего на свете. У Земли, у Солнца, у Луны, у твоего письменного стола и даже у тебя самого.
Правило простое, и его можно уместить в две строчки:
- чем тяжелее предмет, тем сильнее он притягивает;
- чем дальше ты от него, тем притяжение слабее.
Ты притягиваешь Землю ровно так же, как она притягивает тебя. Правда, Земля тяжелее тебя в сто миллиардов триллионов раз, поэтому двигаешься ты, а не она. Когда ты прыгаешь, Земля тоже чуть-чуть подпрыгивает тебе навстречу — просто на расстояние, которое никакой прибор не заметит.
Яблоко, которое всё объяснило
Есть знаменитая история про Исаака Ньютона и яблоко. В ней обычно всё перевирают: яблоко не падало ему на голову, и никакого открытия в ту секунду не случилось.
Случилось другое, и это гораздо интереснее. Ньютон смотрел на падающее яблоко и задал себе странный вопрос: а как высоко простирается притяжение Земли?
На метр? На километр? До самых высоких облаков? А если ещё выше? А если до самой Луны?
Это была смелая мысль. До Ньютона люди были уверены, что на Земле одни законы, а на небе — совсем другие, торжественные и загадочные. Ньютон предположил, что законы везде одинаковые. Яблоко и Луна ведут себя одинаково, просто Луна очень далеко.
И он оказался прав.
Секрет: падать можно вбок
Вот главная идея всей статьи. Читай медленно.
Если просто отпустить предмет, он полетит вниз. Но если сначала толкнуть его вбок, он полетит вперёд — и одновременно вниз. Получится дуга.
Брось камень слабо — он упадёт в двух шагах. Брось сильнее — улетит на десять метров. Ещё сильнее — на сто. Дуга становится всё более пологой.
А теперь представь, что ты бросаешь камень чудовищно сильно. Притяжение никуда не делось, камень по-прежнему падает. Но вперёд он улетает так быстро, что начинается странное.
Земля ведь круглая. Пока камень снижается на метр, он проносится вперёд так далеко, что поверхность планеты успевает уйти вниз ровно на тот же метр — просто потому, что шар заворачивает. Камень падает, а земля всё время убегает из-под него.
Получается, камень промахивается мимо Земли. И продолжает промахиваться, снова и снова, по кругу.
Ньютон придумал для этого мысленный опыт — его так и называют «пушка Ньютона». Поставим пушку на очень высокую гору и будем стрелять всё сильнее. Первое ядро упадёт рядом с горой. Второе — за горизонтом. А одно из них однажды обойдёт всю планету и вернётся к пушке сзади.
Такое ядро стало бы спутником Земли.
Так что же делает Луна
Луна делает ровно то же самое, что ядро из пушки. Она летит вбок со скоростью около одного километра в секунду — и падает на Землю.
Посчитаем. За секунду Луна пролетает вперёд примерно километр. Если бы притяжения не было, она за этот километр ушла бы от Земли по прямой — и оказалась бы примерно на полтора миллиметра дальше, чем была. Но притяжение как раз и утягивает её вниз на эти полтора миллиметра. Одно в точности гасит другое, и расстояние до Земли не меняется.
Луна не висит в небе. Луна вечно промахивается. Один полный промах занимает 27 с небольшим дней — это и есть лунный месяц.
Ровно по той же причине не падают космонавты на станции. Их часто называют невесомыми, но это неточное слово: гравитация там почти такая же сильная, как у нас на земле. Просто и станция, и космонавты внутри падают вместе, с одинаковой скоростью — поэтому космонавт ни на что не опирается и плывёт по отсеку.
Проверь сам: гравитация на верёвочке
Тебе понадобится крепкая верёвка длиной около метра и что-нибудь небольшое и мягкое — теннисный мячик, мешочек с крупой, плюшевая игрушка.
Что ещё умеет притяжение Луны
Луна тоже притягивает Землю — слабее, но заметно. Сильнее всего на это притяжение отзывается то, что легче всего сдвинуть: вода в океанах.
Вода на стороне, обращённой к Луне, слегка подтягивается вверх — и на берегу наступает прилив. Через шесть часов Земля поворачивается, и вода уходит — начинается отлив. В некоторых местах, например в заливе Фанди в Канаде, разница между приливом и отливом достигает шестнадцати метров — это высота пятиэтажного дома.
А ещё эта возня с водой понемногу тормозит вращение Земли. Каждое столетие наши сутки становятся длиннее примерно на две тысячные доли секунды, а Луна отодвигается от нас на 3,8 сантиметра в год — примерно с той же скоростью, с какой растут твои ногти.
Главное в трёх строчках
- Гравитация — это притяжение всех предметов друг к другу; чем тяжелее и ближе, тем сильнее.
- Спутник не «висит» в космосе, а всё время падает, промахиваясь мимо планеты, — потому что быстро летит вбок.
- Луна, космическая станция и яблоко в саду подчиняются одному и тому же закону.