Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек - Сергей Бердышев

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.

Первая и вторая космические скорости были достигнуты человеком 4 октября 1957 г. при запуске первого искусственного спутника Земли и 2 января 1959 г. при запуске первой космической ракеты в направлении Луны. Оба аппарата были запущены за пределы земной атмосферы отечественными учеными. Третья космическая скорость в настоящее время не достигнута. Она необходима, чтобы преодолеть притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Эта скорость равна 16,67 км/с у земной поверхности. Летательные аппараты, ушедшие за пределы Солнечной системы («Пионеры», «Вояджеры»), использовали гравитационные маневры и веньерные двигатели, чтобы выйти из поля солнечной гравитации.

Заботы баллистиков не ограничиваются изучением брошенных кем-то камней. Ракету при всем желании нельзя отправлять в космос со столь большим ускорением. Реактивный снаряд приобретает необходимую скорость постепенно, поскольку большое ускорение опасно перегрузками, которые не выдержит не только человеческий организм, но и сложная техника. Таким образом, стартовая скорость подбирается весьма скрупулезно. Математически высчитывается участок траектории, на котором необходимо перейти на космическую скорость. Ускорение подбирается с учетом не только перегрузок, но и сопротивления воздуха, которое может составлять свыше 40 т.

Выход на орбиту является наиболее ответственным этапом полета. Баллистики различают несколько типов выхода, называемых схемами выведения: активный вывод, баллистический вывод и эллиптический вывод. Активный вывод имеет свои преимущества, но он наименее подходящий.

При такой схеме выведения двигатели должны работать на полную мощность в течение всего полета. Две остальные схемы используют маневры с орбитами (эллиптический) и экономят топливо (баллистический), подключая все мощности двигателей лишь на определенных участках трассы.

Все относительно

Чтобы объяснить содержание теории относительности А. Эйнштейна, необходимо дать характеристику инерциальной системы отсчета. Для этого сначала стоит напомнить скандальную историю, случившуюся столетие назад и связанную с высказыванием видного французского математика и физика А. Пуанкаре. Он, известный многими шокирующими заявлениями, однажды высказал в прессе мысль, что планета Земля не вращается… Разумеется, журналисты ничего не поняли и задались вопросом, что же имел в виду Пуанкаре. Земля обращается вокруг Солнца, Солнце — вокруг центра Галактики, Галактика удаляется от остальных звездных систем, но относительно мирового пространства все эти объекты неподвижны. Получается, что Земля, если не принимать в расчет ее космическое окружение, стоит на одном месте. Вот такой оригинальный парадокс. А причиной его служит относительность явлений и процессов.

Открытие законов относительности

Все в природе движется относительно чего-то. Одно из тел является точкой отсчета, с которой связана выбранная система координат. Например, спрыгнувшие с самолета одновременно и держащиеся при этом за руки парашютисты движутся относительно самолета и земной поверхности, тогда как относительно друг друга они неподвижны! Система отсчета, принятая для решения большинства задач в механике, связана с Землей. Она кажется нам неподвижной, а сами мы движемся относительно нее.

Приведенный здесь принцип относительности был сформулирован Галилеем, который утверждал, что в инерциальной системе отсчета нельзя обнаружить какими-либо физическими опытами ее движения.

Конечно, Земля не является идеальной системой отсчета. Уже древние египтяне, проводя астрономические наблюдения, смутно догадывались, что планета обращается вокруг Солнца. Циклоны, пассатные ветра, искривление течения рек под влиянием кориолисовой силы и ход маятника Фуко свидетельствуют о действительном вращении планеты.

Тем не менее подавляющее большинство механических опытов, проводимых в системе отсчета, связанной с Землей, не выдают ее космического движения. Вот почему такую систему можно с полным правом считать инерциальной. Из принципа относительности Галилея следует, что любые природные явления — химические, биологические, ядерные, электрические и пр. — протекают во всех инерциальных системах отсчета абсолютно одинаково и подчиняются общим законам. В таком случае результат наблюдений никак не зависит от наблюдателя.

Отталкиваясь от этих положений, великий немецкий физик А. Эйнштейн разработал в 1905–1915 гг. свою теорию относительности. Учение Эйнштейна в целом образовано двумя взаимодополняющими теориями — специальной и общей (СТО и ОТО). Эйнштейн выдвинул положение, согласно которому инертные и гравитационные свойства тел эквивалентны. Гравитация и инерция настолько тесно связаны, что образуют неразрывные части единого целого. Другой постулат теории относительности гласит, что скорость света постоянна во всех системах отсчета. Она неизменна и равна 300 000 км/с. Это максимальная скорость передачи взаимодействия в природе.

Из физики Эйнштейна следуют интересные выводы. Оказывается, физика Ньютона во многих положениях неверна и не может применяться для исследования Вселенной. Классическая механика представляет собой частный случай теории относительности, который допустимо применять лишь с оговорками. Одним из главных отличий ньютоновой и релятивистской (англ. relative — относительный) физик является учение о строении мирового пространства и сущности времени.

По Ньютону, пространство и время абсолютны и не зависят от материи, которая существует и реализуется в них. Для Эйнштейна пространство-время — единая форма материи, на которую влияет распределение энергии и вещества. Пространство, как сейчас установлено, расширяется, закручиваясь в виде винтовой лестницы вокруг однонаправленной стрелы времени. Это определяет видимое разбегание галактик и необратимость хода физических процессов, в т. ч. и неуклонного роста энтропии.

Гравитационные поля массивных тел и вещества в целом искривляют пространство. Оно, будучи материальным и зависимым от остальных форм материи, не может существовать без гравитации, его сила действует даже при свободном движении тел, когда прочие силы удается устранить. Вот почему искривленность является естественным и единственно возможным свойством пространства.

Таким образом, если Ньютон ошибался, то почему его все еще превозносят как великого ученого и не отказываются от его устарелой механики? Причиной тому служит один-единственный факт. Теория относительности дает точность, которая не может быть соблюдена в промышленности, да и не требуется никому. Например, если мы посредством классической формулы для измерения скорости (скорость = путь/время) получим значение, то оно будет отличаться от истинного — полученного посредством релятивистской механики — на ничтожную долю от поперечника атомного ядра.

Следовательно, погрешность ньютоновой физики настолько мала, что ошибкой можно смело пренебречь при инженерном конструировании. Всякое современное устройство представляет собой совокупность простых машин, объединенных в более сложные системы. А действие всех простых машин подробно описывается законами классической механики. Одним из наиболее любопытных доказательств правоты теории относительности является искривление световых лучей под действием гравитации. Еще Ньютон предупреждал, что световой луч отклоняется в поле тяжести и изменяет свой путь. Релятивистские эффекты вносят существенные поправки в формулы классической теории гравитации, поэтому если ученые смогли бы измерить величину такого отклонения, то сразу стало бы ясным, какая формула справедлива — Ньютона или Эйнштейна.