Огородников Кирилл Федорович

На чем земля держится

НА ЧЕМ ЗЕМЛЯ ДЕРЖИТСЯ

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

В книге проф. К. Ф. Огородникова «На чем Земля держится» в доходчивой для массового читателя форме показывается, что научные данные противоположны религиозным взглядам. Наука не признает сверхъестественных сил, что все — от бога и делается по его воле. Она опирается на законы развития природы и проверяет каждый свой шаг практикой. Благодаря этому наука все глубже и полнее раскрывает законы природы и общества, вооружает людей в их борьбе с силами природы, делает их способными изменять мир. Автор убедительными фактами доказывает, что история науки есть история острой, непримиримой борьбы с религией, которая во все времена использовала для своих целей малопонятные, сложные явления природы, побуждая верующих обращаться к богу с просьбой изменить действие сил природы. Наука вытесняет религию отовсюду.

В книге рассказывается, как при помощи науки человек познает окружающий мир, неведомые ему ранее законы природы. Освобождаясь от религиозного дурмана, современный человек не только познает природу, но и переделывает ее, приспосабливая к своим требованиям. И нет границ этому познанию. Нет в мире непознаваемых вещей, а есть только вещи, еще не познанные, которые в дальнейшем будут раскрыты силами науки и практики.

1. ЗЕМЛЯ — ПРОЧНАЯ ОПОРА

Вопрос о том, на чем держится Земля, человек задавал себе с самых древнейших времен. Этот вопрос возникает совершенно естественно, так как в нашей жизни мы всюду привыкли видеть, что каждый предмет должен обязательно иметь какую-нибудь поддержку, иначе он упадет вниз, на землю. Корабль, плывущий в море, поддерживается снизу водой. Птица и самолет также не лишены опоры: их поддерживает снизу воздух, на который они опираются своими крыльями. Сломается у самолета крыло, и он камнем рухнет вниз.

А на чем держится морская вода и окружающий Землю воздух?

Очевидно, что их снизу тоже поддерживает Земля.

То, что воду поддерживает снизу морское дно, ясно каждому. Но что касается воздуха, то это на первый взгляд не столь очевидно. В самом деле, нуждается ли воздух в какой-либо опоре? Да, конечно, потому что воздух имеет вес, так же как и все другие тела, и давит на земную поверхность с очень большой силой. Убедиться в этом можно, например, следующим способом: возьмем длинную стеклянную трубку с поперечным сечением в один квадратный сантиметр, согнутую в виде подковы (рис. 1); поставим ее концами вверх и нальем в нее ртуть (ртуть — самая тяжелая жидкость, она почти в 14 раз тяжелее воды).

Рис. 1. Трубка с ртутью. Слева — оба конца трубки открыты. Справа — в одном конце трубки выкачан воздух, и конец этот заплавлен

Пока оба конца трубки остаются открытыми, ртуть будет стоять в них на одинаковой высоте (левая часть рис. 1). Давление воздуха на поверхность ртути в обоих концах трубки одинаково. Начнем теперь при помощи воздушного насоса откачивать воздух из одного конца трубки; при этом мы сразу же заметим, что ртуть в этом конце начнет подниматься. Если полностью откачать воздух из этого конца и затем запаять его или закрыть краном, то уровень ртути в нем будет выше уровня в открытом конце примерно на 76 сантиметров (правая часть рис. 1). Объяснить это можно только одним: на ртуть в открытом конце трубки давит сверху воздух, а в закрытом — нет, так как весь воздух мы из него удалили. Давление воздуха и будет как раз равно весу того столбика ртути, на который повысился уровень ртути в запаянном конце трубки. Этот вес нетрудно вычислить. Если поперечное сечение трубки равно одному квадратному сантиметру, то вес столбика ртути высотою в 76 сантиметров равняется 1 килограмму и 33 граммам. Отсюда, между прочим, видно, почему для нашего опыта неудобно было бы взять воду. Вода слишком легкая, и для того, чтобы уравновесить давление воздуха, пришлось бы высоту столбика поднять на 10 метров 33 сантиметра, что равняется высоте трехэтажного дома.

Итак, вы видите, что давление воздуха равно весу столба воды высотой в 10 метров 33 сантиметра. Другими словами, можно сказать, что 1 килограмм 33 грамма есть давление воздуха на каждый квадратный сантиметр поверхности Земли.

Между прочим, такие изогнутые трубки с налитой в них ртутью применяются в приборах, служащих для измерения давления воздуха. Эти приборы носят название барометров.

Итак, все окружающее нас, в том числе и воздух, опирается, давит на Землю. Земля является опорой всего, что на ней находится. Ведь и птица, летящая в воздухе, тоже в конце концов опирается на Землю, так как она опирается на воздух, а воздух опирается на Землю. Но на чем же держится сама Земля? Почему она никуда не падает? Вот об этом мы и расскажем в нашей книжке.

Вы увидите, что этот вопрос не такой простой. Много веков люди не могли найти на него правильного научного ответа. Этим пользовались служители религиозных культов. Стараясь держать народ в страхе перед силами богов, они придумывали объяснения интересующего нас вопроса при помощи сверхъестественных сил. В действительности, однако, в природе нет ничего сверхъестественного. Вы увидите, что и на вопрос «на чем Земля держится?» наука дает ответ, не прибегая к разного рода сказкам и выдумкам.

2. «ЗЕМЛЯ НА ТРЕХ КИТАХ»

В наше время знают, что Земля вращается вокруг Солнца и вокруг своей оси, но раньше люди считали, что она неподвижна. Следовательно, думали они, у Земли также должна иметься какая-нибудь опора.

Однако никаких сведений об этой опоре у людей не было, и поэтому они выдумывали различные небылицы. То наши предки воображали, что Земля покоится на спинах трех больших китов, которые плавают на поверхности огромного океана (рис. 2), то (как древние индусы, например) считали, что Земля покоится на четырех слонах (рис. 3), а еще более древний народ — вавилоняне — думал, что Земля сама плавает на поверхности океана.

Рис. 2. Многие наши предки думали, что Земля держится на трех китах, плавающих в океане (древний рисунок)

Для современного человека ясно, что подобные взгляды представляют собой лишь суеверие, веру в сверхъестественные силы. В самом деле, разве могут существовать такие громадные киты или слоны, которые, по сказкам, держат на себе нашу Землю? Известно, что все животные должны питаться и размножаться. Кроме того, ни одно животное не живет больше нескольких сот лет, оно стареет и умирает. Мы не говорим уже о том, что никакие животные не в состоянии выдержать на себе не только тяжести всей Земли, но даже тяжести небольшой горы.

Рис. 3. Так изображали Землю древние индусы. Земля держится на четырех слонах, которые стоят на спине плавающей черепахи

Таким образом, утверждать, что Земля держится на китах, слонах или каких угодно других животных — это все равно, что верить в сверхъестественные силы. А верить в сверхъестественные силы — значит не верить в науку, которая строит все свои выводы на точном расчете, основанном на опыте, практике, и потому не оставляет места никаким суевериям, никаким сверхъестественным силам. Но как можно не верить в науку, когда все развитие техники и человеческой культуры основывается исключительно на данных науки. Не развивай человек науку, не было бы у нас ни железных дорог, ни автомашин, ни самолетов, не было бы никакой техники, и люди продолжали бы жить в полудиком состоянии в лесах и пещерах, как жили наши отдаленные предки.

Мысль вавилонян о том, что Земля плавает на поверхности океана, подобно куску дерева, также, конечно, ошибочна. Ведь Земля слишком тяжела для того, чтобы плавать на воде. А кроме того, если бы даже она и смогла плавать в каком-то океане, то вода этого океана тоже должна была бы на чем-нибудь держаться. То, что вавилонские мудрецы не подумали об этом, показывает, что развитие людей в то время было гораздо ниже, чем теперь. Впрочем, удивительного в этом ничего нет. Недаром же мы живем почти на 30 столетий позже их и пользуемся всеми сделанными с тех пор научными открытиями.

Благодаря развитию науки и культуры, благодаря доступности образования любой наш образованный человек имеет более правильное представление о явлениях природы, чем самый выдающийся из древних ученых.

Как же отвечает современная наука на вопрос: на чем держится Земля и почему она не падает вниз? Прежде чем ответить на этот вопрос, сначала нам придется повнимательнее разобраться в некоторых привычных для нас понятиях, о которых мы совсем отвыкли размышлять.

3. ЧТО ЗНАЧИТ СЛОВО «ВНИЗ»?

Когда мы нечаянно роняем из рук какую-нибудь стеклянную вещь и она, ударившись об пол, разбивается, то мы только браним себя за свою неосторожность. Само падение этой вещи нас, конечно, нисколько не удивляет. Мы с младенческих лет привыкли к тому, что все тела, если они лишены поддержки, падают вниз, на землю. Почему же они падают?

Давайте подумаем над этим вопросом. Все мы знаем из повседневного опыта: для того чтобы вывести какое-нибудь тело из неподвижного состояния, к нему нужно приложить силу. Если неподвижное тело не трогать, то оно будет продолжать оставаться неподвижным до тех пор, пока какая-нибудь сила не выведет его из состояния покоя. Мы знаем также, что если любой предмет на Земле лишить опоры, то он начнет падать, т. е. двигаться. Это может означать только то, что на всякое тело, находящееся на Земле, действует какая-то сила, направленная вниз. Пока тело лежит на какой-нибудь опоре, оно не падает, но сила, тянущая его вниз, все время продолжает существовать. Она в это время лишь заставляет тело давить на опору. Положите на стол какой-нибудь очень тяжелый предмет — и вы заметите, с какой большой силой он давит на стол. Если ножки стола недостаточно крепкие, то они могут под тяжестью груза подломиться, и тогда ваш предмет, получив свободу движения, с грохотом упадет на пол. Эту силу всякий очень хорошо знает. Она называется весом. Каждый может легко испытать этот вес, стоит только взять в руки любой тяжелый предмет.

Таким образом, мы можем сказать, что вес тела — это сила, тянущая тело к Земле. Но что это за сила? Почему она существует?

Правильный ответ на этот вопрос нашел великий ученый Ньютон, открывший закон всемирного тяготения. Он первый понял, что причина веса тел лежит в Земле. Вес тел есть сила, и с этой силой Земля притягивает к себе все находящиеся на ней тела.

Великий английский ученый Исаак Ньютон, открывший закон всемирного тяготения (родился в 1642 году, умер в 1727 году)

Итак, вес тела есть не что иное, как сила земного притяжения.

Все земные тела падают вниз. Но что означает это столь привычное слово — «вниз»? Разберемся в нем. На первый взгляд кажется, что и спрашивать тут не о чем. «Вниз» — это значит прямо под ноги, так же как «вверх» — значит прямо над головой. Это кажется настолько ясным и простым, что как будто не требует никаких дальнейших пояснений. Если же мы захотим поточнее узнать направление вниз, то и это легко сделать, достаточно лишь на веревочке подвесить небольшой груз, он несколько секунд покачается и успокоится. Наша веревочка будет тогда направлена по отвесной линии, и тот ее конец, на котором привязан груз, будет совершенно точно определять нужное нам направление, т. е. направление «вниз».

Но спросим теперь себя: одинаково ли направление вниз для всех людей на Земле или нет? На первый взгляд опять-таки и здесь спрашивать не о чем, так как мы привыкли видеть, что все отвесные линии всюду как будто направлены в точности одинаково. Стоит только вспомнить, например, отвесные стены городских зданий, телеграфные или трамвайные столбы и так далее. Все они направлены не вкривь и вкось, а всегда отвесно и параллельно друг другу.

Однако ошибочно думать, что, например, телеграфные столбы по всей Земле направлены одинаково. Так было бы, если бы Земля наша была плоской. Тогда, конечно, все телеграфные столбы стояли бы параллельно друг другу. Но дело в том, что Земля наша не плоская, а круглая, как шар. И потому на ней направление вниз означает на самом деле направление к центру земного шара. А направления к центру шара из разных точек его поверхности совершенно неодинаковы. Например, если взять двух антиподов, т. е. людей, находящихся на противоположных сторонах земного шара: одного, скажем, где-нибудь у нас в СССР, а другого — в Южной Америке, то направление «вниз» для одного будет таким же, как направление «вверх» для другого, и наоборот (рис. 4).

Рис. 4. Древний рисунок, изображающий Землю с антиподами

В прежнее время, лет четыреста тому назад, когда шаровидная форма Земли еще не была так хорошо известна, как теперь, как раз вопрос об антиподах и приводился иногда в качестве доказательства против шаровидности Земли. Тогда многие думали, что на противоположной стороне Земли люди не могли бы жить, так как они должны были бы упасть с Земли.

Сейчас шаровидность Земли не может вызвать ни у кого никаких сомнений. Что земля имеет форму шара, следует хотя бы из того, что мы совершаем вокруг Земли кругосветные путешествия. Ясное дело, что, будь Земля плоская, такие путешествия были бы невозможны. В наше время почти вся земная поверхность тщательно измерена, изготовлены сотни и тысячи всевозможных географических карт, и потому размеры и форма земной поверхности известны теперь с очень большой точностью. Также теперь никто не может сомневаться в том, что антиподы на Земле существуют, и мы, например, обитатели Европейской части СССР, являемся сами антиподами по отношению к жителям Южной Америки. И тем не менее мы, конечно, никуда с Земли не падаем.

Ошибка противников шаровидности Земли теперь для нас ясна. Они просто не учли того факта, что направление «вниз» в различных частях земного шара различное и всегда означает направление к центру Земли (рис. 5). В обычной жизни мы этого не замечаем только потому, что человеческий кругозор слишком мал по сравнению с размерами Земли. Радиус земного шара достигает почти шести с половиной тысяч километров, и для того чтобы заметить разницу в направлениях отвесных линий, необходимо передвинуться по Земле на несколько сот километров. А тогда мы из одного места не будем видеть другого. Впрочем, ученые могут обнаружить эту разницу уже на расстоянии нескольких метров, но только с помощью особых приборов.

Рис. 5. В различных частях земного шара направление «вниз» будет различное

Таким образом, по отношению ко всей Земле в целом никакого направления «вниз» не существует. Тем самым становится ясным бессмысленность предположения, что вся наша Земля может упасть куда-то «вниз». Ведь наше обыденное направление «вниз» есть, как мы видели, направление к земному центру. Так что, если бы Земля падала «вниз», то это означало бы только что она падает по направлению к своему же собственному центру. А это уже полная нелепица.

Однако из того, что Земля наша не может падать куда-то «вниз», совсем еще не следует, что она остается неподвижной. В следующей главе мы как раз узнаем, что Земля не только двигается, но даже падает. Только падает она не «вниз», а по направлению к Солнцу. И падает так, что никогда на него не упадет.

4. МОЖНО ЛИ ПАДАТЬ ТАК, ЧТОБЫ НИКОГДА НЕ УПАСТЬ?

Мы уже видели, что даже такие простые понятия, как вес и направление вниз, если в них вдуматься, позволяют сделать ряд интересных выводов. Теперь мы разберемся в том, что означает слово «падать». Казалось бы, и здесь все ясно и просто. Мы привыкли говорить, что какое-нибудь тело падает, когда оно под влиянием силы собственной тяжести летит вниз, на Землю. И мы, конечно, всегда уверены в том, что раз тело начало свое падение, то оно, рано или поздно, обязательно упадет на поверхность Земли. Вопрос только во времени. Если тело падает с небольшой высоты, то оно упадет быстро, а если с большой, то оно будет падать немного дольше. Вот и все.

Но на самом деле и здесь все происходит совсем не так просто, как кажется сначала, когда мы, не продумав явление до конца, полагаемся только на наш маленький житейский опыт. Житейский опыт, который сплошь и рядом нам помогает в жизни, здесь оказывается несостоятельным. Мы в этом убедимся, как только станем рассматривать явление падения тел так, как это делает наука, т. е. со всей строгостью и не упуская из внимания никаких «мелочей», которые часто приводят ученых к величайшим открытиям.

Изучением падения тел на Землю занимается наука о движении — механика. Основы этой науки заложили великие ученые Галилей и Ньютон, изучившие законы движения тел. Наш повседневный опыт часто отступает назад перед неоспоримыми доводами этой науки. Пример этому и дает как раз явление падения тел.

Великий итальянский ученый Галилей — первый исследователь законов движения тел (родился в 1564 году, умер в 1642 году)

Что говорит нам житейский опыт? Он говорит, что всякое тело, если оно падает, обязательно упадет вниз, на Землю. А вот механика учит, что падающее тело может никогда не упасть на Землю и даже при некоторых условиях вовсе улететь прочь от Земли.

Для того чтобы разобраться как следует в явлении падения тел, нам нужно познакомиться с двумя законами движения тел: с законом инерции и с законом сложения движений.

С проявлением закона инерции нам приходится сталкиваться на каждом шагу. Когда вагоновожатый трамвая быстро тормозит вагон, то все пассажиры испытывают обычно сильный толчок вперед. Кто из нас не знает этого случая? Такой толчок и происходит как раз вследствие закона инерции. Пока вагоновожатый не тормозит, мы, находясь в вагоне, катимся вперед с некоторой скоростью. Когда же вследствие торможения вагон сразу останавливается, то тело каждого пассажира в первое мгновение по закону инерции продолжает свое движение с прежней скоростью. В результате пассажиры наклоняются или падают вперед. И наоборот, если вожатый сразу дает большую скорость, то пассажиры наклоняются или падают назад, так как они имели до включения мотора меньшую скорость и стремятся по закону инерции ее сохранить.

Закон инерции тел формулируется так:

«Если какое-нибудь тело двигается по прямой линии с постоянной скоростью (т. е. проходит в равные промежутки времени одинаковые расстояния), то оно будет сохранять такое движение до тех пор, пока какая-нибудь сила это движение не изменит».

Второй закон — закон сложения движений — применяется в тех случаях, когда какое-либо тело участвует одновременно в двух разных движениях. Возьмем, например, человека в лодке, гребущего поперек реки с быстрым течением. В этом случае лодка имеет два различных движения. С одной стороны, сила гребца заставляет лодку двигаться поперек реки, а с другой, — течение воды в то же самое время увлекает ее вдоль реки. В результате лодка никогда не придет на другой берег прямо против того места, откуда она отчалила, течением ее снесет вниз, и чем сильнее это течение, тем дальше.

Чтобы лучше понять это, посмотрите на рисунок 6. Здесь буква А обозначает то место, откуда отчалила лодка. Если бы течения реки не было и лодка плыла лишь благодаря силе гребца, то она пристала бы к месту, обозначенному буквой Б, находящемуся на другом берегу прямо против места А. Но вода в реке все время течет в одну сторону и лодку относит вниз по течению. Если бы гребец совсем не греб, а пустил лодку плыть по воле волн, по течению, то лодка приплыла бы к месту, обозначенному буквой Г. На самом деле лодка участвует одновременно в обоих этих движениях и потому не придет ни к месту Б, ни к месту Г, а к месту В, которое находится на конце диагонали ВА прямоугольника АБВГ (рис. 6).

Рис. 6. Пример сложения движений

То, что мы сказали о движении лодки, можно применить и к любому другому телу (предмету). Это и есть закон сложения движений; формулируется он так:

«Если какое-нибудь тело имеет одновременно два движения, направленных перпендикулярно друг другу, то действительное его движение будет направлено по диагонали прямоугольника, образованного этими движениями».

Рассмотрим теперь, помня эти два закона движения, явление падения тел.

Допустим, что мы, стоя на балконе какого-нибудь здания, бросаем вниз камень. Если мы выпустим этот камень из рук, не сообщив ему никакого толчка, то он упадет прямо вниз. Отметим на земле место его падения.

Если мы теперь повторим опыт, но на этот раз не просто выпустим камень из рук, а бросим его вперед, прочь от здания, то он упадет уже не на прежнее место, а дальше от здания. И чем с большей силой мы бросим этот камень, тем дальше от основания здания он упадет.

Мы можем также выстрелить из винтовки; и в этом случае пуля, подобно камню, также упадет на Землю, но упадет на расстоянии нескольких километров от нас.

Причину всего этого нетрудно понять. Если бы Земля не притягивала камень, то, по закону инерции, камень после полученного им толчка должен был бы продолжать лететь по тому же самому направлению и с той же самой скоростью, которые мы ему сообщили с толчком. Но в действительности на камень действует еще сила тяжести, всегда направленная отвесно вниз. И если бы нашего толчка не было, то камень падал бы вертикально, по закону земного тяготения. При толчке же камень получает одновременно два движения: он летит от нашего толчка вперед, параллельно земной поверхности, а от действия силы тяжести летит вниз. В результате происходит сложение этих двух движений и действительное движение камня будет направлено по диагонали. Это сложение показано на рисунке 7. Для простоты на рисунке взято расстояние, пролетаемое телом за одну секунду времени; это расстояние в механике называется скоростью. Тогда у нас вместо сложения движений получается сложение скоростей. Остальное ясно из чертежа и не требует дальнейших пояснений.

Рис. 7. Сложение движений при падении горизонтально брошенного тела

Нетрудно сообразить, что чем больше будет горизонтальная скорость (по направлению вперед), тем более пологим будет действительное движение тела. Наоборот, чем больше будет скорость падения, тем действительное движение тела будет направлено более круто по отношению к поверхности Земли.

Когда мы говорили о законе сложения движений, мы предполагали, что скорости обоих движений, в которых участвует тело, остаются постоянными в течение всего времени движения тела.

В этом случае траектория (так называют линию, по которой движется тело) тела будет прямолинейная, как это и было показано на рисунке 7. Но практически мы знаем, что траектория горизонтально брошенного тела всегда постепенно загибается и становится все круче и круче к поверхности Земли. Объясняется это тем, что когда тело падает, то скорость его падения с течением времени увеличивается. Это делается особенно ощутительным, когда падение тела происходит с большой высоты и проходит значительное время, пока оно упадет на Землю. В течение этого времени скорость горизонтального полета тела изменится очень незначительно (только из-за сопротивления воздуха). Но зато скорость его падения сильно возрастет. Поэтому если вначале траектория тела идет полого, то в дальнейшем она будет становиться все более и более крутой. Рисунок 8 поясняет это. В месте А тело получило толчок и в то же время начало падать. Вначале скорость падения была мала. Поэтому, пролетев в течение одной секунды в горизонтальном направлении расстояние АБ, тело в вертикальном направлении пролетело сравнительно небольшое расстояние АВ. В результате сложения движений тело пришло в место Г.

Рис. 8. Траектория горизонтально брошенного тела при длительном его падении

На рисунке видно, что тело двигалось в первый момент броска полого по отношению к поверхности Земли. Посмотрим теперь движение этого же тела в конце его падения также в течение одной секунды. В этом случае горизонтальная скорость движения тела осталась почти без изменения, но зато скорость его падения сильно возросла. Благодаря этому за одну секунду тело успело пролететь вниз значительно большее расстояние А_1Б_1. В результате сложения движений можно видеть, что тело прилетит в место Г_1. Рисунок 8 ясно показывает, что в конце своего падения тело летит значительно более круто по отношению к поверхности Земли, чем в начале.

Покажем теперь, что стоит только сообщить камню достаточно большую начальную скорость, как он, хотя и будет все время падать, никогда не упадет на Землю! Нам придется при этом учесть также то обстоятельство, что Земля — шар, а не плоскость.

Рис. 9. Падение камня при разных начальных скоростях

Пусть (рис. 9) буква А обозначает выбранное нами место на земной поверхности, а буква О — земной центр. Мы бросаем камень из места Б, находящегося на некоторой высоте над местом А. Если мы просто отпустим камень без всякого толчка, то он упадет вниз — в место А. Но если мы, бросая камень, толкнем его, то он упадет уже в другое место — А_1, лежащее в стороне от места А. Чем сильнее мы будем толкать камень, тем дальше он будет падать. Буквы А_2, А_3 и А_4 обозначают место падения камня при различных (по силе) толчках камня. При этом мы замечаем, что все траектории падения камня — не прямые линии, а кривые; сначала они идут полого, а затем, по мере приближения к Земле, все круче и круче. Происходит это, как мы уже знаем, потому, что скорость падения камня в полете постепенно возрастает под действием силы тяжести.

Теперь уже нетрудно сообразить, глядя на рисунок 9, что при достаточно большой начальной скорости камня его траектория должна превратиться в окружность, и тогда произойдет то, о чем говорит заголовок этой главы. Камень будет падать и вместе с тем оставаться все время на одном и том же расстоянии от земной поверхности.

Величину начальной скорости, которая превращает траекторию брошенного камня в окружность, можно вычислить, пользуясь законами механики. Она оказывается равной примерно восьми километрам в секунду. Эту скорость обычно называют круговой скоростью.

Если начальная скорость тела меньше круговой, то тело рано или поздно упадет на Землю. Если она равняется круговой скорости, то тело будет двигаться по окружности вокруг Земли. При скорости от восьми до одиннадцати километров в секунду тело будет двигаться по замкнутой кривой, напоминающей вытянутый круг и называемой эллипсом (рис. 10). Но если горизонтальная скорость брошенного тела сделается больше одиннадцати километров в секунду, то это тело улетит совсем прочь от Земли (рис. 11).

Рис. 10. Замкнутая кривая — эллипс

Этот факт не раз был использован в художественной литературе для изображения полетов на Луну и на другие планеты. Так, в фантастическом романе писателя Жюля Верна «Из пушки на Луну» описывается полет нескольких человек на Луну в пушечном ядре. Хотя многое из того, что описано в этой книге, представляет лишь смелую выдумку автора, сама возможность оторваться от Земли и улететь на другие планеты не выдумана, а основана на правильном расчете.

Рис. 11. Воображаемая стрельба из пушки, установленной на горе, снарядами, летящими с огромной скоростью. При скорости восемь километров в секунду снаряд не падает на Землю, двигаясь по круговому пути. При скорости одиннадцать километров в секунду снаряд улетает прочь от Земли

Нужно, однако, заметить, что такую скорость, как восемь — одиннадцать километров в секунду, очень трудно получить при помощи артиллерийских орудий[1]. Самые лучшие дальнобойные орудия дают начальную скорость не больше чем два километра в секунду, т. е. в четыре раза меньше, чем круговая скорость. К тому же при таких больших скоростях необходимо учитывать и сопротивление воздуха, которое в этом случае сильно возрастает. Уже при тех скоростях, которые имеют современные самолеты, приходится принимать все меры, чтобы по возможности уменьшить сопротивление воздуха; частям самолетов придают так называемую «обтекаемую» форму — гладкую, без малейших выступов. А ведь круговая скорость в десятки раз больше скорости боевого самолета.

При такой скорости полета в результате трения о воздух всякое тело должно сильно нагреваться. Уже у обыкновенных артиллерийских снарядов головная часть сильно нагревается. При скоростях же порядка круговой скорости тело должно в течение нескольких секунд нагреться до 3 000 и более градусов, расплавиться и сгореть. Вот почему не удается построить пушку, которая могла бы выстрелить на Луну.

Однако для нашей темы вопрос о сопротивлении воздуха не имеет большого значения, так как нас интересуют движения Луны и Земли, т. е. небесных тел, которые двигаются не в воздухе, а в межпланетном пространстве, где воздуха нет и, следовательно, нет никакого сопротивления движению, но где действуют те же самые законы механики, что и на Земле. Кроме того, вместо выстрела из пушки для межпланетных полетов гораздо целесообразнее применить ракетный снаряд. Такой снаряд может двигаться в безвоздушном пространстве и развивать огромные скорости. При этом ракета набирает скорость постепенно, то есть более или менее плавно, а не сразу, толчком, как артиллерийский снаряд при выстреле.

Основы теории полета ракет были разработаны и применены к расчету межпланетных полетов знаменитым русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским.

Но только 4 октября 1957 года человечеству удалось впервые осуществить эти смелые идеи. В этот день начал свой полет вокруг Земли первый советский искусственный спутник, или, короче, спутник I. Так его стали называть, не переводя новое для них слово на свой язык, народы всего мира. Начиная с этого дня человек начал планомерное освоение космического пространства, то есть пространства, лежащего далеко за пределами атмосферы Земли. Наряду с естественным спутником Земли — Луной — теперь в небе движутся искусственные спутники, сделанные человеческими руками.

Искусственные спутники с замечательной точностью подтвердили правильность всех расчетов ученых о законах движения тел, о которых мы недавно говорили. Советские инженеры и ученые заставили спутники летать на высоте в сотни километров от земной поверхности со скоростью, в точности равной круговой скорости. На тех больших высотах, где летают спутники, атмосферы почти нет. Поэтому ее действие очень незначительно. Тем не менее она немного тормозит движение спутников. Они постепенно теряют высоту. И, в конце концов, попав в более плотные слои атмосферы, они сильно нагреваются и сгорают как «падающие» звезды.

Если спутник запустить на еще бóльшую высоту, то он вовсе не будет испытывать никакого торможения со стороны атмосферы и тогда он станет вечным спутником Земли, подобно Луне. Это ясно из того, что законы движения одинаковы для всех тел окружающего нас мира независимо от их размеров.

Успешным запуском в СССР искусственных спутников Земли ученые впервые получили средство для непосредственного исследования верхних слоев атмосферы и космического пространства. Последующие запуски спутников в течение Международного геофизического года позволили расширить число важнейших научных опытов, проводимых в космическом пространстве, и еще глубже понять многие процессы, происходящие в верхней атмосфере и космосе.

Впервые в истории человечества летательные аппараты, созданные и запущенные человеком, совершили столь длительные полеты. Пройденный первыми искусственными спутниками путь вокруг земного шара по своей протяженности в сотни раз превышает расстояние от Земли до ее естественного спутника — Луны. Конечно, это еще только начало открытого советской наукой великого пути исследований, ведущего в необъятные глубины Вселенной. Но первый шаг в космос уже сделан запуском советских спутников и недалеко то время когда сделанные человеческими руками маленькие небесные тела полетят на Луну, на Марс и другие планеты.

Советскими учеными, инженерами и рабочими были созданы межконтинентальные баллистические ракеты, при помощи которых были запущены искусственные спутники. Успешное разрешение этой задачи было обеспечено высоким уровнем развития науки и техники в СССР, четкой и организованной работой научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и промышленных предприятий.

Располагая столь мощным средством, как межконтинентальная баллистическая ракета, Советский Союз, неуклонно следующий политике мира, использовал это замечательное достижение для целей науки, произведя в соответствии с программой Международного геофизического года запуск искусственных спутников Земли.

Советские люди под руководством Коммунистической партии своим вдохновенным трудом превратили казавшуюся далекой мечту в реальное достижение наших дней.

В первые же дни появления советских спутников в советской печати были широко опубликованы их подробные технические описания, помещены фотоснимки спутников и научной аппаратуры, систематически сообщались подробные данные об их движении для наблюдения в различных частях земного шара. Советские искусственные спутники Земли стали доступны для наблюдения всем ученым, всем научным организациям, миллионам людей на земном шаре.

Запуск в СССР искусственных спутников Земли неизмеримо расширил границы мировой науки, расширил возможности познания человеком окружающей его Вселенной. Трудно переоценить этот крупнейший вклад Советского Союза в сокровищницу мировой науки и культуры.

5. ЛУНА — ЕСТЕСТВЕННЫЙ СПУТНИК ЗЕМЛИ

Когда мы заговорили об открытии закона всемирного тяготения, мы рассказали только часть дела. Мы указали лишь на то, что Ньютон понял, в чем причина падения тел: она заключается в Земле, которая своим притяжением заставляет тела падать вниз. Мы установили также, что падение тела еще совсем не означает, что тело непременно должно упасть; при известных условиях тело может быть брошено так, что будет удаляться от Земли.

Но Ньютон на этом не остановился. Изучая падение тел, он вывел, что с удалением от Земли величина круговой скорости должна уменьшаться. Именно, если расстояние увеличивается в четыре раза, то круговая скорость уменьшается в два раза, если расстояние в девять раз больше, то круговая скорость будет в три раза меньше и так далее (рис. 12). Таким образом, для того чтобы узнать, во сколько раз уменьшится круговая скорость на данном расстоянии, нужно найти то число, которое, будучи умножено само на себя, дает это расстояние. Кроме того, исследуя движение планет вокруг Солнца, Ньютон пришел к ряду новых выводов. Один из этих выводов состоит в том, что планеты движутся под влиянием притяжения Солнца и что сила притяжения Солнца уменьшается пропорционально квадрату расстояния от него. Иными словами, если какая-нибудь планета находится в два раза дальше от Солнца, чем другая, то солнечное притяжение, действующее на нее, будет в четыре раза (2×2=4) слабее, чем на первую. Если она в три раза дальше, то притяжение, действующее на нее, будет в девять раз (3×3=9) слабее и так далее.

Рис. 12. С удалением от Земли круговая скорость уменьшается

Придя к этому выводу и зная уже, что падение тел на Землю происходит также под влиянием ее притяжения, Ньютон задал себе такой вопрос: а не действует ли и на Луну та же самая сила тяжести, которая заставляет падать на Землю тела, т. е. не является ли сила тяжести тем же самым, что и сила притяжения между небесными телами?

Луна является спутником Земли. Она движется вокруг Земли подобно тому, как движутся искусственные спутники, и подобно тому, как сама Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца. Так как путь, или, как говорят, орбита, описываемая Луной вокруг Земли, лишь очень мало отличается от окружности, то вопрос, не действует ли та же сила тяжести, которая заставляет падать на Землю тела, равносилен вопросу: а не движется ли Луна вокруг Земли совершенно так же, как стал бы двигаться вокруг нее пушечный снаряд (или искусственный спутник) запущенные с круговой скоростью?

Небольшой расчет, который Ньютон проделал, убедительно показал, что это именно так и есть. Вот как он примерно рассуждал: Луна находится от Земли на расстоянии шестидесяти земных радиусов. Значит, если около самой Земли круговая скорость, как мы знаем, равняется восьми километрам в секунду, то на расстоянии, в шестьдесят раз большем, она будет примерно в восемь раз меньше (точнее в 7,8 раза). Таким образом, на расстоянии Луны круговая скорость должна равняться приблизительно одному километру в секунду.

Нетрудно проверить другим расчетом, такова ли действительная скорость движения Луны вокруг Земли. Вот этот расчет: окружность земного шара составляет сорок тысяч километров. Но радиус окружности, по которой движется Луна, в шестьдесят раз больше земного радиуса. Следовательно, и длина этой окружности будет в шестьдесят раз больше окружности земного шара, т. е. будет составлять два миллиона четыреста тысяч километров.

С другой стороны, из астрономических наблюдений известно, что полный оборот вокруг Земли Луна делает за 27⅓ суток. Разделив одно число на другое, мы получим, что в сутки Луна пролетает 87 820 километров, а так как в сутках содержится 86 400 секунд, то и выходит, что в одну секунду Луна пролетает приблизительно один километр, что как раз равняется высчитанной Ньютоном круговой скорости.

Таким образом, Луна летит как раз с той самой скоростью, с которой следовало бы пустить пушечный снаряд, чтобы он, находясь на таком же расстоянии от Земли, как и Луна, никогда не упал на Землю.

Это было очень важное открытие, так как оно доказало, что сила земного притяжения есть проявление более всеобщего закона всемирного притяжения, которому подчиняются все небесные тела.

Выходит, что мы были правы, сравнив Луну с пушечным снарядом. Она летит совсем так, как летел бы такой снаряд, если бы мы сумели им выстрелить, поднявшись над Землей на высоту 60 земных радиусов.

6. НА ЧЕМ ЖЕ ДЕРЖИТСЯ ЗЕМЛЯ?

Теперь мы подошли к концу наших рассуждений и можем ответить вполне ясно и точно на поставленный нами с самого начала вопрос: на чем же все-таки держится наша Земля?

Пример с движением Луны нам показал, что Луна ни на чем не держится. Если вы спросите: «Падает ли Луна на Землю?», то мы должны ответить: «Да, падает, как падало бы любое другое тело — камень, пушечный снаряд, искусственный спутник или что-нибудь другое, и падает потому, что ее тянет к Земле сила земного притяжения». Но тогда почему же Луна не упала до сих пор на Землю? А потому, что, падая, Луна вместе с тем все время остается на одном и том же расстоянии от Земли. Происходит это оттого, что Луна не падает прямо вниз, а огибает Землю по окружности.

То же самое можно сказать и про нашу Землю. По закону всемирного тяготения Солнце притягивает Землю. И поэтому мы вправе сказать, что Земля падает на Солнце. Но почему же Земля до настоящего времени не только не упала на Солнце, но и (как показывают самые точные измерения) совсем не приближается к нему? Да потому, что она движется с той самой круговой скоростью, которая как бы обезвреживает солнечное притяжение и заставляет Землю обращаться вокруг Солнца по окружности так же, как двигается Луна вокруг Земли.

Несложный расчет, очень похожий на тот, который мы проделали для Луны, показывает, что дело и здесь обстоит именно так.

Солнце гораздо больше Земли. Поэтому и притяжение его больше. Если на земной поверхности круговая скорость составляет около восьми километров в секунду, то на поверхности Солнца она почти в 55 раз больше и составляет 435 километров в секунду! С такой скоростью нужно было бы выпустить на Солнце пушечный снаряд, чтобы он обогнул его по окружности.

Земля находится от Солнца на расстоянии двухсот пятнадцати солнечных радиусов. Но ведь 215 равняется 14,7×14,7. Поэтому круговая скорость для Земли должна быть в 14,7 раза меньше, чем на поверхности Солнца, т. е. равняться 29,8 километра в секунду. Именно с такой скоростью Земля и летит вокруг Солнца, благодаря чему она не может ни приблизиться к Солнцу, ни, тем более, упасть на него.

Но и улететь совсем прочь от Солнца Земля тоже не может, так как для этого скорость ее движения должна быть почти в полтора раза больше, т. е. равняться по крайней мере 42 километрам в секунду.

Итак, мы видим, что на вопрос: «На чем Земля держится?» мы должны ответить: «Ни на чем!» и можем лишь добавить, что наша Земля все время удерживается на одном и том же расстоянии от Солнца благодаря своему быстрому движению вокруг него. Это и будет вполне грамотное, научное объяснение вопроса «на чем держится наша Земля».

А то, что для поддержания кругового движения нужно применять силу, очень легко доказать с помощью простого, всем известного опыта. Для этого достаточно привязать веревку к небольшому камню и, держа один конец ее в руке, начать крутить камень в воздухе; мы тотчас же почувствуем, что камень тянет за веревку и притом тем сильнее, чем с большей скоростью мы его крутим. Для того чтобы камень не улетел прочь, мы должны удерживать его с заметной силой Значит, то усилие, которое мы чувствуем при вращении камня, нужно для того, чтобы свернуть камень с прямолинейного пути. Выходит, что сила нашей руки в данном случае заменяет силу притяжения. Стоит только уничтожить эту силу (порвется веревка), как камень улетит по прямой в сторону.

Если бы исчезла сила притяжения у Земли и Луны, то и они, подобно оторвавшемуся камню, полетели бы прямолинейно и улетели бы прочь: Луна от Земли, а Земля от Солнца. Но сила притяжения не позволяет им этого сделать. Она сворачивает их с прямолинейного пути и заставляет двигаться по окружности. Но только на это и хватает силы притяжения. Она не может заставить упасть Луну на Землю, а Землю на Солнце, так как оба эти небесные тела обладают слишком большой скоростью.

В заключение скажем, что и все другие планеты, которые обращаются вокруг Солнца, находятся в таком же положении, как и Земля. Они также двигаются по орбитам вокруг Солнца, также стремятся упасть на Солнце и также никогда не упадут на него (рис. 13).

Рис. 13. Земля и другие планеты двигаются вокруг Солнца по окружностям. Большинство планет сопровождают их спутники. Луна является спутником Земли

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Читатели не посетуют на нас за то, что мы начали нашу беседу с опровержений старых и давным-давно забытых басен о китах и слонах, будто бы поддерживающих Землю.

Конечно, мы уверены, что вы не нуждаетесь в такого рода пояснениях. Ведь живем мы с вами не в средние века, когда люди верили в различные чудеса, а в XX веке, когда человечество обогатило науку величайшими открытиями и изобретениями, и к этим знаниям приобщились, особенно в нашем советском Отечестве, многомиллионные массы народа. Киты и слоны сослужили нам другую службу. Начав с них, мы смогли постепенно проникнуть в сущность многих, казалось бы, совсем простых и привычных понятий. И вот оказалось, что в целом ряде случаев нам еще немало есть над чем подумать. Мы узнали, что иногда совсем старые понятия приобретают совершенно новый смысл, наполняются новым содержанием, если их подвергнуть тщательному исследованию.

И если вам не наскучило наше с вами небольшое мысленное путешествие в глубь привычных понятий, если вам хочется теперь узнать побольше о Земле, о Солнце и о законах их движений, то цель наша — заинтересовать читателя, пробудить в нем любовь к знанию — достигнута. А для человека, желающего приобрести знания, в нашей стране, как нигде в мире, предоставлены все возможности учиться.

Коммунистическая партия всегда вела и ведет последовательную идеологическую борьбу против пережитков идеалистических, религиозных взглядов. Центральный Комитет КПСС в постановлении от 10 ноября 1954 года подчеркнул, что Коммунистическая партия в соответствии со своей программой проводит научно-просветительную пропаганду материалистического мировоззрения, направленную на постепенное повышение сознательности трудящихся масс и на постепенное освобождение их от религиозных пережитков. ЦК КПСС еще раз обратил внимание партийных и общественных организаций на необходимость усиления научно-атеистической пропаганды, в основу которой должно быть положено популярное разъяснение наиболее важных явлений природы и общества.

В свете указаний Центрального Комитета политорганы и партийные организации путем широкой пропаганды современных научных знаний систематически воспитывают у военнослужащих и членов их семей глубокую идейность, твердые материалистические убеждения и на этой основе повышают морально-политические качества воинов.

В советском обществе наука впервые в истории человечества поставлена на службу народу, строящему коммунизм. Наша наука не отгораживается от народа, не держит себя вдали от народа, а готова служить народу, готова передать народу все завоевания науки. Наша передовая наука обслуживает народ не по принуждению, а добровольно, с охотой.

Совершенно иное положение занимают наука и техника в условиях капитализма. Империализм стремится подчинить все завоевания науки и техники делу подготовки кровавых захватнических войн. «Война показала, — говорил Ленин в августе 1918 года, — как чудеса современной техники служат средством для истребления миллионов рабочих и несметного обогащения наживающихся на войне капиталистов». Эти слова В. И. Ленина с особой силой подтверждаются в наши дни на примере США, Англии и других капиталистических стран, правящие круги которых прилагают все усилия к тому, чтобы еще сильнее поставить науку, просвещение, культуру на службу своим агрессивным планам. Известно, что научные достижения и технические усовершенствования в капиталистических странах используются в целях еще большего обогащения кучки эксплуататоров, еще большего закабаления трудящихся. Там, в странах капитала, достижения науки и техники влекут за собой дальнейшее обнищание народных масс, рост армии безработных.

В СССР все достижения науки являются общенародным достоянием. Широкое внедрение этих достижений в народное хозяйство Советского Союза обеспечивает неуклонный технико-экономический прогресс, дает возможность Советскому государству успешно разрешать крупнейшие научные, технические и народнохозяйственные проблемы, ускорять наше движение вперед, по пути коммунизма.

СОДЕРЖАНИЕ

От издательства

1. Земля — прочная опора

2. «Земля на трех китах»

3. Что значит слово «вниз»?

4. Можно ли падать так, чтобы никогда не упасть?

5. Луна — естественный спутник Земли

6. На чем же держится Земля?

Заключение

Информация об издании

Профессор Огородников Кирилл Федорович

«НА ЧЕМ ЗЕМЛЯ ДЕРЖИТСЯ»

Редактор Я. М. Кадер

Художественный редактор Гречихо Г. В.

Обложка художника Митрофанова С. А.

Технический редактор Губина З. А.

Корректор Догадина В. А.

-----

Сдано в набор 25.6.58 г.

Подписано к печати 5.8.58 г.

Формат бумаги 84×108^1/32 — 1¼ печ.л. = 2,15 усл.п.л. 1,644 уч. — изд.л.

Военное издательство Министерства обороны Союза ССР

Москва, К-9, Тверской бульвар, 18.

Изд. № 1/1163.

Г-42061.

Зак. 1124.

-----

1-я типография

Военного издательства Министерства обороны Союза ССР

Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3

Цена 50 коп.

Примечания

1

Скорость в восемь километров в секунду уже можно получить при современных технических средствах. Об этом говорит успешный запуск в СССР искусственных спутников Земли с помощью межконтинентальных баллистических ракет. См. книгу В. Петрова «Искусственный спутник Земли» (Научно-популярная библиотека), Военное издательство, Москва, 1958.

Content

Огородников Кирилл Федорович На чем земля держится

НА ЧЕМ ЗЕМЛЯ ДЕРЖИТСЯ

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

1. ЗЕМЛЯ — ПРОЧНАЯ ОПОРА

2. «ЗЕМЛЯ НА ТРЕХ КИТАХ»

3. ЧТО ЗНАЧИТ СЛОВО «ВНИЗ»?

4. МОЖНО ЛИ ПАДАТЬ ТАК, ЧТОБЫ НИКОГДА НЕ УПАСТЬ?

5. ЛУНА — ЕСТЕСТВЕННЫЙ СПУТНИК ЗЕМЛИ

6. НА ЧЕМ ЖЕ ДЕРЖИТСЯ ЗЕМЛЯ?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

Информация об издании

Примечания