Kitobni o'qish: «Сказочная физика»

Shrift:

Посвящаю моим любимым внукам Алексу, Мише и Лизе

От автора

Помню, лет в шесть я узнала, что Земля – это шар, и меня страшно волновал вопрос: как же «они», живущие снизу, не падают? Современные дети очень рано получают разнообразнейшую информацию обо всём на свете и к идее о шарообразности Земли привыкают чуть ли не с пелёнок. Но вопрос «Как же они не падают?» всё равно остаётся, и ответ на него не так уж прост для понимания.

Более 30 лет я учу физике студентов физического факультета Московского педагогического государственного университета. А ещё я рассказывала о физике своим маленьким дочерям, а теперь беседую с внуками, и мы обсуждаем с ними самые разные вопросы. И вот мне захотелось дополнить и записать наши беседы о физике для всех любознательных детей, у которых ещё нет предубеждения, что физика – это что-то сложное и нудное. Главные герои книжки – гномик Алекс и его младший брат Мишун. Иногда они проделывают простые опыты, используя подручные средства. Я выбрала в качестве героев сказочных существ, чтобы у них могли происходить недоступные нам чудеса – например, в доме может исчезнуть трение или может появиться невесомость…

В книжке 41 беседа. На первый взгляд может показаться, что их темы не связаны друг с другом. Тем не менее порядок повествования не случаен: я опираюсь на информацию из предыдущих бесед, иногда возвращаюсь к теме, добавляя к ней новые штрихи. Поэтому рекомендую читать книгу последовательно, с самого начала.

Моим гномикам удалось поговорить об очень многом: о фундаментальных силах Вселенной, о космосе и о строении вещества, о звуке и о свете, об энергии и теплоте… – в общем, о том, как устроен физический мир. А попутно мы узнаём нечто новое об окружающем мире: о том, как видят и слышат разные животные, как водомерке удаётся бегать по воде, как рождаются и умирают звёзды и как развивалась жизнь на Земле.

Работая над книгой, я читала её главы моим младшим внукам-первоклассникам и с радостью убеждалась, что они проявляют к ней живой интерес. 10-летний Алекс, любитель энциклопедий, тоже одобрил работу. Уверена, что и родителям книга поможет глубже понять физический мир.

Хочу выразить благодарность моему мужу и моим внукам – первым читателям книги и её вдохновителям.

Об авторе:

Казанцева Алла Борисовна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и экспериментальной физики МПГУ, лауреат конкурса РАН 2021 года за лучшие работы по популяризации науки.

Знакомство

В одном лесу недалеко от красивого озера стоит маленький уютный домик. Там живёт семейство гномов. Папа-гном, как и другие гномы, работает под землёй; мама-гном, как большинство мам, целыми днями чем-то занята, а гномики Мишун и Алекс в основном проводят время друг с другом. Это летом, в каникулы. Зимой они, как все дети, ходят в школу для гномов. Младший гномик Мишун очень любопытный, ему хочется узнать про всё на свете. Его старшего брата Алекса прозвали Знайкой, потому что он любит читать энциклопедии и умные книги. Мишун постоянно пристаёт к Алексу с вопросами, но тот от этого не устаёт, ему даже нравится всё объяснять. Такого умного и терпеливого гномика не часто встретишь.

Может быть, тебе удастся увидеть их домик на лесной опушке, а может, и нет – ведь гномы умеют оставаться невидимыми для людей.

А про некоторые беседы Мишуна и Алекса ты можешь прочитать в этой книжке, если тоже хочешь узнать побольше про мир, в котором живёшь.

Гравитация

В первый день каникул Алекс принёс домой большую коробку:

– Мишун, иди сюда! Будем рассматривать мой подарок.

– Ой, я знаю: это же глобус!

– А что такое глобус?

– Ну, это как бы наш земной шар, только маленький. Но мне всё равно непонятно, как же они ходят вниз головой и не падают – те, кто внизу?

– А мы, что ли, наверху?

– Ну конечно! Вот же Евразия, наверху. А внизу – Австралия.

– Молодец, Мишун, в географии разбираешься. Но это просто традиция такая – поворачивать глобус так, что Северный полюс и наше полушарие оказываются сверху, а Южный полюс – снизу. Но можно было бы и наоборот сделать.

Алекс перевернул глобус вверх ногами:

– Тогда бы ты удивлялся, как мы ходим вниз головой и не падаем.

Мишун насупился:

– Глобус-то можно перевернуть, но земной шар – нет! Кто-то всё равно должен падать вниз головой: или мы, или те, кто в Австралии.

Алекс улыбнулся:

– Кстати, тех, кто на противоположной стороне Земли, называют антиподами. Но давай разберёмся, что такое «низ» и «верх».

Мишун задумался.

– Низ – это где мои ноги и земля, а верх – где небо, облака и птицы. Но у антиподов ноги тоже на земле, а небо и птицы над головой. Получается, у нас с ними низ и верх противоположны? А ещё низ – это то, куда падают яблоки с ветки и куда падаю я, когда спотыкаюсь. А у антиподов куда яблоки падают?

– Тоже на землю! Ты хорошо рассуждаешь, молодец. Нам осталось понять, почему яблоки падают именно на землю, а не улетают в небо – ни у нас, ни у антиподов. Дело в том, что Земля их притягивает, как магнит. Ты же видел, как магнит притягивает железные булавки? Но магнит не всё притягивает – вот на яблоки, к примеру, он не действует. А Земля притягивает всех и всё. Поэтому любой предмет на неё и падает. Это не магнитное притяжение (про магниты мы как-нибудь в другой раз поговорим), а совсем особое. По-научному его называют гравитацией, что в переводе с латинского языка значит тяготение.

– А почему именно у Земли есть это тяготение? Вот ко мне почему-то никто не притягивается.

Мишун вдруг рассмеялся:

– Вообще-то это хорошо, что ко мне никто не притягивается, а то как представлю, что на меня все яблоки сыплются!

– На самом деле к тебе тоже все притягиваются, и ко мне, и ко всем-всем-всем. Гравитация – это всеобщее взаимное тяготение (учёные называют его всемирным). Но мы с тобой маленькие, а Земля вон какая огромная! Чем больше тело, тем оно сильнее к себе притягивает. Наше с тобой притяжение совсем слабенькое и незаметное. А к земному шару притяжение очень заметное, мы буквально привязаны к нему. Вот попробуй, подпрыгни! Не получается в небо улететь? И у антиподов тоже не получается. Выходит, низ (куда мы падаем) – и для нас на поверхности Земли, и для них. Понятия «низ» и «верх» возникли из-за земного тяготения. Если бы оно вдруг исчезло, не было бы низа и верха, и на Земле вообще никого бы не осталось – все улетели бы в космос: и мы, и антиподы.

Мишун засмеялся:

– А я бы за дерево зацепился и не улетел!

– Зато воздух весь улетел бы, и чем бы ты дышал? Так что пусть уж лучше будет это всемирное тяготение.

– А что ещё случилось бы без тяготения?

– Да без него вообще ничего не было бы: ни Земли, ни Солнца, ни нас. Ведь именно всемирное тяготение собирало крохотные частички вещества (атомы), разбросанные по космосу, в огромные облака, из которых потом оно же «лепило» будущие звёзды и планеты. Оно же заставляло будущие звёзды сжиматься всё сильнее, пока внутри них не вспыхнул самый жаркий огонь… Но об этом как-нибудь в другой раз. А сейчас запомни: всемирное тяготение – главная сила, на которой держится весь космос, вся Вселенная.

Кто куда падает

Вечером Алекс и Мишун сидели на веранде своего домика, смотрели на звёзды и на луну. И вдруг Мишун спросил:

– А Луна почему не падает на Землю? Она, что ли, не притягивается к Земле этой гравитацией?

– И притягивается, и падает. Да только вот никак не упадёт, – улыбнулся Алекс.

Брови у Мишуна поползли наверх:

– А когда упадёт? Что тогда будет?

– Не бойся, никогда не упадёт. Она, наоборот, понемножку убегает всё дальше и дальше: совсем по чуть-чуть, по четыре сантиметра в год – на длину твоего пальца.

– Я не понял: так она падает или убегает?

– И то и другое: падает и понемножку убегает.

Мишун надулся:

– Ты надо мной смеёшься, так не бывает!

– Не обижайся, я постараюсь всё объяснить.

Алекс поднял с пола веранды шишку и подбросил её вверх. Когда шишка упала, он спросил:

– Шишка сейчас что делала?

– Сначала вверх летела, потом падала.

– Да, она от Земли пыталась убежать, но Земля её обратно притянула. Но физики весь полёт шишки назвали бы свободным падением. Свободным – потому что ей никто не помогал и не мешал: никакого мотора ведь у неё нет. А падением – потому что как бы шишка ни летела, она всё равно упадёт. Вот так ещё могу бросить.

Теперь Алекс кинул шишку вперёд и вверх, так что она полетела по широкой дуге и упала на лужайку перед домом.

– Это тоже было свободное падение, хотя и по кривой траектории – физики её называют параболой. Если бы я мог бросить шишку ещё сильнее, она получила бы от моего толчка ещё большую начальную скорость и полетела бы ещё выше и дальше. Шишка летела бы дольше, но всё равно упала. Земное тяготение, как резинка, привязывает её к Земле и не даёт улететь.

– А можно бросить её так, чтобы она не упала?

– В принципе можно, но я так не смогу. И никакой силач не сможет, потому что для этого ей нужно придать невероятно большую скорость. Если бы удалось разогнать нашу шишку до скорости 11 километров в секунду, то, куда бы ты её ни направил – вверх или в сторону, – она смогла бы «разорвать» резинку-тяготение и улететь в космос. Но это ужасно большая скорость! Только представь: пока ты скажешь «раз», она уже должна долететь до самолёта, который летит выше облаков и кажется нам отсюда точкой. Такую скорость физики называют «скоростью убегания», или второй космической скоростью. Есть и другой вариант: бросить шишку горизонтально, вдоль земной поверхности, со скоростью 8 километров в секунду (такую скорость называют первой космической). Ты не успеешь сказать «раз», как она уже скроется за горизонтом.

Мишун глубокомысленно заметил:

– Тогда сначала надо поднять её выше деревьев, чтобы она по дороге не зацепилась за них.

– Точно. Но поднять её надо даже выше гор и облаков – туда, где кончается воздух. Иначе он будет её тормозить, шишка потеряет скорость и упадёт. И вот если наша шишка разгонится до первой космической скорости, она станет искусственным спутником Земли. Она будет лететь по круговой орбите вокруг Земли. Её путь будет искривляться, но ведь и земная поверхность под ней искривляется, так что шишка будет оставаться на одной высоте над Землёй. Так она будет всё время падать, но никогда не упадёт.

– Смотри, – сказал Мишун. – В небе маленькая звёздочка летит. Может, самолёт?

– Нет, это как раз искусственный спутник. У самолёта огни мигают, а спутник выглядит в небе как двигающаяся звезда. Примерно за час он успевает облететь вокруг всей Земли. Сначала ракета-носитель подняла его над атмосферой и разогнала до первой космической скорости, а потом он уже летит сам – находится в свободном падении – и в ракете не нуждается.

– А почему он светится? У него тоже бортовые огни, как у самолёта?

– Нет, это солнечный свет отражается от его поверхностей, словно от зеркал. Луна тоже солнечный свет отражает, поэтому и светится.

– Ладно, я понял: Луна летит по кругу вокруг Земли и всё время падает, но никогда не упадёт.

Алекс добавил:

– А размер этого круга – лунной орбиты – постепенно увеличивается, на длину пальца за год.

– А Земля никуда не падает? – спросил Мишун.

– Конечно же, падает! Земля вместе с Луной очень быстро летят по круговой орбите вокруг Солнца и всё время падают на него – Солнце же гораздо больше Земли и других планет. Оно удерживает их всех своим тяготением, словно верёвочками, и не даёт улететь. Вокруг Солнца вращаются планеты, а вокруг большинства планет вращаются их спутники. Вот такая получается у нас космическая семья – Солнечная система.

– А Солнце никуда не падает?

– Солнце тоже летит и падает на ядро Галактики. Как и все другие звёзды Галактики. Все они – наша галактическая семья.

– Почему ты всё знаешь, Алекс?

– Потому что я всегда был любопытный, как и ты, задавал много вопросов и искал на них ответы.

– Значит, когда-нибудь я тоже буду таким умным?

– Обязательно!

Bepul matn qismi tugad.