На чём Земля держится

Но Ньютон на этом не остановился. Изучая падение тел, он сделал вывод, что с удалением от Земли величина круговой скорости должна уменьшаться. 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, даёт это расстояние. Кроме того, исследуя движение планет вокруг Солнца, Ньютон пришёл к ряду новых выводов. Один из них 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 неё, будет в четыре раза (2 х 2 = 4) слабее, чем на первую. Если она в три раза дальше, то притяжение, действующее на неё, будет в девять раз (3 х 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 её 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 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 неё пушечный снаряд, выпущенный из орудия с круговой скоростью?

Небольшой расчёт, 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 круговая скорость Луны должна равняться приблизительно одному километру в секунду.

Нетрудно проверить другим расчётом, такова ли действительная скорость движения Луны вокруг Земли. Вот этот расчёт: 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 27 ¹/ ₃суток. 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 важнее 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 Землёй на высоту 60 земных радиусов.

6. На чём 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 чём же, всё-таки, держится наша Земля?

Пример с движением Луны нам показал, что Луна ни на чём 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 или что-нибудь другое, и падает потому, что её 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 всё время остаётся 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 движется Луна вокруг Земли.

Несложный расчёт, 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 с Солнца пушечный снаряд, чтобы он обогнул его по окружности.

Земля находится от Солнца на расстоянии двухсот пятнадцати солнечных радиусов. Но ведь 215 равняется 14,7 х 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 её 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 чём Земля держится?» мы должны ответить: « Ни на чём!» и можем лишь добавить, что наша Земля всё 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 чём 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 верёвку к небольшому камню и, держа один конец её в руке, начать крутить камень в воздухе; мы тотчас же почувствуем, что камень тянет за верёвку 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 (порвётся верёвка), как камень улетит по прямой в сторону.