Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Если вас когда-либо интересовало, какие ощущения возникают у однопенсовой монеты, скатывающейся по воронкообразному желобу, в который ее обычно опускают для благотворительных целей, то советую воспользоваться моим опытом езды на велодроме. К концу часа, проведенного на велотреке, я получила изрядную порцию адреналина и была по-настоящему рада завершению эксперимента [60]. Главным, что я узнала о результирующей силе земного притяжения, «втягивающей» меня в трек, стало понимание очень простой вещи: если я внезапно остановлюсь, то на смену результирующей силе придет сила земного притяжения. А мысль о силе земного притяжения, направленной строго к центру Земли, может показаться не очень-то приятной велосипедисту, который внезапно остановился на дорожке, расположенной под углом 43° к горизонту.

Со стороны дорожки на велогонщика воздействует сила, направленная внутрь. По своей природе она такая же, как и та, с которой на нас все время давит земля, когда мы ходим по ней или просто стоим на месте. Если бы земля под нами внезапно разверзлась, то мы начали бы падать вниз под действием силы земного притяжения. Таким образом, сама по себе земля давит на нас снизу, противодействуя тем самым силе земного притяжения. Велогонщики ощущают воздействие со стороны трека, который толкает их в двух направлениях: вверх и внутрь. В целом это будет ощущаться так, словно сила земного притяжения тянет велогонщика вниз и наружу.

В велогонках есть соревнование под названием «быстротечный одиночный заезд на скорость на дистанции 200 метров». Гонщик набирает скорость еще до запуска секундомера. Мировой рекорд в таком заезде, на момент написания этой книги, принадлежал французскому велогонщику Франсуа Первису и равнялся 9,347 секунды. То есть гонщик ежесекундно преодолевает 21 метр, что эквивалентно примерно 76 километрам в час. Чтобы велогонщик прошел на этой скорости вираж велотрека, дорожка должна давить на него внутрь почти с той же силой, с какой толкает его вверх. Франсуа Первис придавливался к дорожке с силой, почти вдвое превышающей обычную силу земного притяжения.

Как было показано в главе 2, постоянная фоновая сила наподобие силы земного притяжения применяется во многих областях нашей жизни, причем некоторые из них (например, сепарация сливок) насчитывают не одну сотню лет. Однако неплохой альтернативой таким силам может служить вращение. Вам не нужно отправляться на другую планету, чтобы воспользоваться преимуществами повышенной гравитации. У велогонщиков, проносящихся по верхнему краю трека, почти всегда есть возможность удвоить свою результирующую силу гравитации, но даже самые быстрые велогонщики в мире достигают «всего лишь» примерно 80 километров в час. Теоретически вы можете двигаться еще быстрее, испытывая на себе действие все больших сил.

Вспомните, как в главе 2мы говорили, что гравитация помогает каплям сливок отделиться от остального молока и подняться к горлышку бутылки. Если сила, тянущая молоко вниз, будет по крайней мере такой же, как сила земного притяжения, то для отделения сливок от молока понадобится всего два-три часа. Но если молоко поместить в длинную трубку и заставить ее вращаться с высокой скоростью, то сила вытягивания, направленная наружу, окажется настолько большой, что сливки удастся отделить от остального молока буквально за несколько секунд. Именно на этом принципе основано действие современных молочных сепараторов – мы не можем сидеть и ждать, пока сливки отделятся от остального молока сами по себе. У современной пищевой промышленности нет времени на подобную роскошь. Вращение чего-либо создает тянущую силу, которая может быть сколь угодно большой – для ее увеличения нужно лишь повышать скорость вращения. На этом принципе основано действие центрифуги, то есть вращающейся «руки», которая держит контейнер с интересующим нас объектом. В ходе очень быстрого вращения «руки» этот объект, испытывая на себе действие огромной силы, буквально расплющивается о наружную стенку контейнера.

Внутренние силы, возникающие во время вращения, можно сделать настолько мощными, что компоненты, которые ни за что бы не удалось разделить лишь за счет силы тяжести, с их помощью можно отделить друг от друга. Например, если вы когда-либо сдавали кровь на анализ на малокровие, то вам, наверное, будет интересно узнать, что лаборанты поместят ее в центрифугу, которая вращается с такой большой скоростью, что сила, воздействующая на пробу крови в центрифуге и направленная наружу, примерно в двадцать тысяч раз превышает силу земного притяжения. Красные кровяные тельца чересчур малы, чтобы отделять их в обычных условиях только за счет силы тяжести, однако они не в состоянии противостоять силам, создаваемым центрифугой. При обработке в центрифуге достаточно всего пяти минут, чтобы почти все красные кровяные тельца вытянуть из центра центрифуги наружу, в нижнюю часть трубки. Красные кровяные тельца обладают большей плотностью, чем жидкость, в которой они содержатся, поэтому первыми попадают в нижнюю часть трубки. А после того как они там окажутся, трубку можно вынуть из центрифуги, чтобы непосредственно измерить содержание красных кровяных телец в вашей крови: для этого нужно измерить толщину самого нижнего слоя в трубке. Это очень простой тест, который может указывать на наличие определенных проблем со здоровьем; также он используется для взятия проб на допинг у спортсменов. Если бы не силы, создаваемые вращением, выполнить такое измерение было бы гораздо труднее и обошлось бы оно намного дороже. Применить эти силы можно к объектам побольше, чем пробы крови. Одна из крупнейших центрифуг в мире предназначена для вращения человека.