Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек - [37]

Если бы яблоко и планета имели примерно равные массы и размеры, то оба обращались бы вокруг общего центра масс.

Они не служили бы фокусом орбиты. Так происходит с двойными звездами. Находясь на поверхности Земли, люди могут видеть лишь действие земного тяготения, собственного притяжения мы не ощущаем. А оно существует.

Подсчитаем, с какой силой притягиваются два человека. Пусть это будут Дон Жуан и Красавица. Если они стоят в 100 м друг от друга, то величина силы составит 3 на 10^-11 Н (ньютонов). Для сравнения отметим, что ручная сила, т. е. сила сжатия кисти, 18-летнего юноши равна 485 Н. Будучи в космосе, Дон Жуан приблизился бы к Красавице примерно за 8 с, не прилагая при этом усилий мышц благодаря гравитации. Но на Земле осуществить такой полет никак нельзя, поскольку тяготению между столь малыми массами здесь препятствует сила трения, равная 200 Н. Для преодоления трения Дон Жуану придется совершить мышечную работу.

Возвращаясь к разговору о Ньютоне, хочется отметить, что, в отличие от многих других ученых, он заслужил признание еще при жизни. На закате дней имя Ньютона было озарено лучами славы, он пользовался заслуженным почетом и уважением со стороны знати, коллег-ученых, простолюдинов. Однако гениальный ученый не испытывал головокружения от неожиданного признания, но скромно объяснял: «Я и видел далеко лишь потому, что, как карлик, стоял на плечах гигантов». Эти слова физика — своего рода дань уважения предшественникам, благодаря научному опыту которых стали возможными и его открытия.

Важнейшие изобретения баллистики

Законы, сформулированные Ньютоном, позволяют человеку не только изучать Вселенную на расстоянии, но и разрабатывать технику космических полетов. Чтобы создать аппарат, способный покинуть поле земного тяготения и уйти к другим планетам, требуется сначала рассчитать особенности его движения. Ведь без математики инженеры не смогут узнать о скоростях, ускорениях, нагрузках и энергетических затратах, с которыми предстоит столкнуться проектируемому реактивному снаряду во время намеченного полета.

Нужно установить, при какой оптимальной массе возможны наилучшие условия старта, наиболее экономичная и целесообразная траектория на том или ином участке полета и т. д. Прикладная физическая дисциплина, занимающаяся вычислениями такого рода и описанием полета реактивных снарядов, носит название космической баллистики. Баллистика вообще представляет собой науку о движении снарядов под действием на них всевозможных сил.

Баллистика занимается, кроме прочего, изучением полета боевых снарядов. Само название орудия восходит к латинскому слову «баллиста». Так древние римляне окрестили метательное осадное орудие, применявшееся при штурме укрепленных городов. Наиболее простейший вариант, с которым имеют дело современные баллистики, занимающиеся динамикой космических полетов, — это поведение реактивного снаряда в гравитационном поле.

Задачей ракетной техники является выведение в космическое пространство (на орбиту или межпланетную трассу) летательного аппарата и любого другого тела, которые носят название полезного груза. Полезным грузом может быть все: модуль орбитальной станции, шаттл, искусственный спутник, межпланетный зонд, сами космонавты. Полезный груз, в отличие от самого снаряда, будет выполнять работу вне Земли.

Масса полезного груза очень велика, поэтому, чтобы вынести его в космос, требуется затратить большое количество энергии. Беспредельно уменьшать массу невозможно, поскольку в этом случае многие технические узлы не станут функционировать. Если же на орбиту отправляется космонавт, то его массу и массу необходимых ему пищи и кислорода невозможно сократить ни при каких условиях. Поэтому перед баллистиками встает проблема стартовой скорости ракеты.

В течение всего полета двигаться на одной и той же скорости снаряд не может, поскольку нести большую массу, достигающую порядка 10 т минимум, можно лишь при больших запасах энергии. Однако столь внушительное количество топлива само обладает солидной массой. В итоге придется добавлять топливо для перевозки топлива и далее до бесконечности. Возможен ли полет без непрерывных энергетических затрат?

Вполне! Именно так летит с силой брошенный камень. Человек сообщает ему энергию лишь в момент броска — «старта». В дальнейшем камень летит самостоятельно. Чем большей начальной скоростью он обладает, тем больше у него шансов улететь как можно дальше. Соответственно, ракета также должна стартовать на большой скорости. Чем больше скорость, тем меньше расход топлива и меньше масса снаряда. Следовательно, ракета свободно выйдет на орбиту или даже покинет поле земного тяготения.

В первом случае, как показывают подсчеты, стартовая скорость снаряда должна равняться второй космической, т. е. 7,91 км/с. По мере возрастания начальной скорости ракета сможет приобретать все более сложную (вытянутую, эллиптическую) околоземную орбиту. Стартовав на скорости 11,19 км/с, снаряд способен беспрепятственно уйти в мировое пространство. Конечно, улететь к Марсу можно и на скорости, равной 7,9 км/с и даже 80 км/ч! Однако запасы топлива потребуются столь значительные, что колосс не пролетит и ничтожной доли пути.