Поява сили тяжіння при прискореному русі не повинна бути для читача новиною: він може помітити це на кожному кроці.
Коли мотоцикліст на великій швидкості входить у поворот, ми не дивуємося тому, що він у цей час сильно нахиляється в бік повороту. Спробуйте-но втриматися на нерухомому мотоциклі в похилому положенні! Це не вдасться, якщо мотоцикл не рухається. Не вдасться це й під час їзди прямою дорогою. Лише на кривій, де прискорений рух мотоцикла породжує додаткову силу (яку ми, згідно з принципом еквівалентності, можемо назвати силою тяжіння), сила тяжіння, що діє на мотоцикліста, змінює напрямок. Мотоцикліст нахиляє машину так, щоб сила тяжіння, яка діє навскіс, не могла перекинути мотоцикл.
«Штучну» силу тяжіння використовують у багатьох механізмах. Приклад такого механізму — сепаратор. Кожен знає, що на поверхні свіжого молока через деякий час з'являються вершки. Питома вага вершків менша за питому вагу молока. Земля притягує вершки слабше, ніж молоко, і через деякий час вершки збиратимуться вгорі. Проте для підприємств, що переробляють молоко, цей процес надто повільний. Щоб прискорити відокремлення вершків, досить збільшити силу тяжіння, яка діє на молоко. Цього досягають швидким обертанням молока в спеціальному барабані. На молоко тоді діє велика штучно створена сила тяжіння, спрямована до стінок барабана. Під дією цієї сили тяжіння вершки швидко «піднімаються» до осі обертання, звідки їх і відводять.
Такою «штучно» створеною силою тяжіння можна «обдурити» також рослини й тварин. Понад сто років тому англійський ботанік Найт провів такий дослід.
Він закріпив на колесі квіткові горщики із землею, в яку були посаджені насінини бобів, і за допомогою спеціального механізму швидко обертав колесо. Через деякий час він помітив, що боби пустили паростки й почали швидко рости, але як рости! Стебла бобів були спрямовані до центра колеса, а коріння назовні (рис. 47). Нескладно збагнути, що так і має бути. Стебла завжди тягнуться вгору, тобто в напрямку, протилежному силі тяжіння. Сила ж тяжіння, що виникає при обертанні колеса, спрямована від його осі до обода, тому стебла повинні рости до центра.
Рис. 47. Рослини, що виросли на колесі, яке обертається
Відрізнити «штучно» створену силу тяжіння від природної не можуть навіть бджоли. Спостереження показують, що бджоли будують свої стільники у вулику завжди згори вниз. Якщо бджіл помістити на довгий час на колесо, що обертається, вони змінять напрямок будівництва стільників. Бджоли тепер орієнтуватимуться за «штучною» силою тяжіння, яка набагато більша.
З «виникненням» і «зникненням» сили тяжіння зустрічаються космонавти. Усім добре знайомі розповіді космонавтів про те, як під час запуску багаторазово зростає вага їхнього тіла і всі частини тіла ніби наливаються свинцем. Цю силу тяжіння породжує прискорений зліт космічного корабля під дією потужних реактивних двигунів. Коли після виходу корабля на орбіту сила тяжіння зникає, космонавт не відчуває тяжкості свого тіла, предмети вільно зависають у повітрі, витрушена з пляшки рідина перетворюється на кулю, що ширяє. Ми не лише неодноразово читали про це, а й могли самі бачити це по телевізору безпосередньо з космосу.
Космічний корабель, що рухається по орбіті, по суті є описаним нами вище «ящиком», який вільно падає на Землю. Саме завдяки цьому руху на космічному кораблі зникає сила земного тяжіння. Те, що космічний корабель у своєму падінні не втрачає висоти, зумовлено його великою швидкістю в горизонтальному напрямку: космічний корабель увесь час падає на Землю, але в той самий час відхиляється вбік настільки, що, образно кажучи, падає повз Землю. У такому безперервному «падінні повз Землю» і полягає орбітальний рух космічного корабля.
У польотах навколо Землі космонавти проводили багато діб у невагомості, і це не пошкодило їхньому здоров'ю. Чи може без шкоди для здоров'я стан невагомості тривати протягом кількох років, про це космічна медицина ще свого слова не сказала. Але вже з накопиченого досліду можна зробити висновок, що стан невагомості протягом тривалого часу навряд чи буде нездоланною перешкодою для далеких космічних польотів.
Силу тяжіння на космічному кораблі можна створити за допомогою додаткових ракет, які обертатимуть корабель навколо його осі (рис. 48). Добираючи відповідну швидкість обертання, можна буде штучно створити гравітаційне поле такої самої сили, як і на Землі. Наприклад, космічний корабель діаметром 10 м повинен для цього робити один оберт за 4,5 с.
Рис. 48. Одна з можливостей створення на космічному кораблі штучного гравітаційного поля. На рисунку зображено поперечний розріз корабля.
R — реактивні двигуни, які викликають обертання; стрілка s показує напрямок обертання. Маленькі стрілки показують напрямки дії «штучної» сили тяжіння
Особливістю створеної таким чином сили тяжіння буде те, що вона буде спрямована до стінок корабля. «Штучно» створену в космічному кораблі силу тяжіння не можна сплутати з гравітаційним тяжінням з боку інших тіл. Мандрівники космічного корабля не стверджуватимуть, що сила тяжіння, яка в цьому випадку буде скрізь спрямована до стінок корабля, породжується іншими тілами. Кожен пояснить таке явище обертанням корабля. Чи не суперечить це принципу еквівалентності? Ні, не суперечить. Космічні мандрівники зможуть відрізняти штучну силу тяжіння від природної лише тому, що вони можуть спостерігати відразу більшу частину простору — в об'ємі всієї ракети. Якби один із космонавтів зачинився в маленькій камері, звідки йому не було б видно своїх товаришів, то він не міг би сказати, природне чи штучне гравітаційне поле в його камері, оскільки в усьому її об'ємі сила спрямована до підлоги. Якщо ця камера буде надто велика, то гравітаційне поле в усіх точках камери не буде однорідним. Проте якщо подумки зменшити розміри камери в тисячі й більше разів, то коли вона стане досить малою, гравітаційне поле в ній буде однорідним. Уявний спостерігач, поміщений у таку «камеру», уже нічого не зміг би сказати про походження цього гравітаційного поля.
Таким чином, ми дійшли висновку, що в ізольованій досить маленькій області простору неможливо розрізнити природну й штучну силу тяжіння — це й стверджує принцип еквівалентності. Проти можливості розрізняти природну й штучну силу тяжіння у великих областях простору принцип еквівалентності нічого не говорить.
Коли мотоцикліст на великій швидкості входить у поворот, ми не дивуємося тому, що він у цей час сильно нахиляється в бік повороту. Спробуйте-но втриматися на нерухомому мотоциклі в похилому положенні! Це не вдасться, якщо мотоцикл не рухається. Не вдасться це й під час їзди прямою дорогою. Лише на кривій, де прискорений рух мотоцикла породжує додаткову силу (яку ми, згідно з принципом еквівалентності, можемо назвати силою тяжіння), сила тяжіння, що діє на мотоцикліста, змінює напрямок. Мотоцикліст нахиляє машину так, щоб сила тяжіння, яка діє навскіс, не могла перекинути мотоцикл.
«Штучну» силу тяжіння використовують у багатьох механізмах. Приклад такого механізму — сепаратор. Кожен знає, що на поверхні свіжого молока через деякий час з'являються вершки. Питома вага вершків менша за питому вагу молока. Земля притягує вершки слабше, ніж молоко, і через деякий час вершки збиратимуться вгорі. Проте для підприємств, що переробляють молоко, цей процес надто повільний. Щоб прискорити відокремлення вершків, досить збільшити силу тяжіння, яка діє на молоко. Цього досягають швидким обертанням молока в спеціальному барабані. На молоко тоді діє велика штучно створена сила тяжіння, спрямована до стінок барабана. Під дією цієї сили тяжіння вершки швидко «піднімаються» до осі обертання, звідки їх і відводять.
Такою «штучно» створеною силою тяжіння можна «обдурити» також рослини й тварин. Понад сто років тому англійський ботанік Найт провів такий дослід.
Він закріпив на колесі квіткові горщики із землею, в яку були посаджені насінини бобів, і за допомогою спеціального механізму швидко обертав колесо. Через деякий час він помітив, що боби пустили паростки й почали швидко рости, але як рости! Стебла бобів були спрямовані до центра колеса, а коріння назовні (рис. 47). Нескладно збагнути, що так і має бути. Стебла завжди тягнуться вгору, тобто в напрямку, протилежному силі тяжіння. Сила ж тяжіння, що виникає при обертанні колеса, спрямована від його осі до обода, тому стебла повинні рости до центра.
Рис. 47. Рослини, що виросли на колесі, яке обертаєтьсяВідрізнити «штучно» створену силу тяжіння від природної не можуть навіть бджоли. Спостереження показують, що бджоли будують свої стільники у вулику завжди згори вниз. Якщо бджіл помістити на довгий час на колесо, що обертається, вони змінять напрямок будівництва стільників. Бджоли тепер орієнтуватимуться за «штучною» силою тяжіння, яка набагато більша.
З «виникненням» і «зникненням» сили тяжіння зустрічаються космонавти. Усім добре знайомі розповіді космонавтів про те, як під час запуску багаторазово зростає вага їхнього тіла і всі частини тіла ніби наливаються свинцем. Цю силу тяжіння породжує прискорений зліт космічного корабля під дією потужних реактивних двигунів. Коли після виходу корабля на орбіту сила тяжіння зникає, космонавт не відчуває тяжкості свого тіла, предмети вільно зависають у повітрі, витрушена з пляшки рідина перетворюється на кулю, що ширяє. Ми не лише неодноразово читали про це, а й могли самі бачити це по телевізору безпосередньо з космосу.
Космічний корабель, що рухається по орбіті, по суті є описаним нами вище «ящиком», який вільно падає на Землю. Саме завдяки цьому руху на космічному кораблі зникає сила земного тяжіння. Те, що космічний корабель у своєму падінні не втрачає висоти, зумовлено його великою швидкістю в горизонтальному напрямку: космічний корабель увесь час падає на Землю, але в той самий час відхиляється вбік настільки, що, образно кажучи, падає повз Землю. У такому безперервному «падінні повз Землю» і полягає орбітальний рух космічного корабля.
У польотах навколо Землі космонавти проводили багато діб у невагомості, і це не пошкодило їхньому здоров'ю. Чи може без шкоди для здоров'я стан невагомості тривати протягом кількох років, про це космічна медицина ще свого слова не сказала. Але вже з накопиченого досліду можна зробити висновок, що стан невагомості протягом тривалого часу навряд чи буде нездоланною перешкодою для далеких космічних польотів.
Силу тяжіння на космічному кораблі можна створити за допомогою додаткових ракет, які обертатимуть корабель навколо його осі (рис. 48). Добираючи відповідну швидкість обертання, можна буде штучно створити гравітаційне поле такої самої сили, як і на Землі. Наприклад, космічний корабель діаметром 10 м повинен для цього робити один оберт за 4,5 с.
Рис. 48. Одна з можливостей створення на космічному кораблі штучного гравітаційного поля. На рисунку зображено поперечний розріз корабля.R — реактивні двигуни, які викликають обертання; стрілка s показує напрямок обертання. Маленькі стрілки показують напрямки дії «штучної» сили тяжіння
Особливістю створеної таким чином сили тяжіння буде те, що вона буде спрямована до стінок корабля. «Штучно» створену в космічному кораблі силу тяжіння не можна сплутати з гравітаційним тяжінням з боку інших тіл. Мандрівники космічного корабля не стверджуватимуть, що сила тяжіння, яка в цьому випадку буде скрізь спрямована до стінок корабля, породжується іншими тілами. Кожен пояснить таке явище обертанням корабля. Чи не суперечить це принципу еквівалентності? Ні, не суперечить. Космічні мандрівники зможуть відрізняти штучну силу тяжіння від природної лише тому, що вони можуть спостерігати відразу більшу частину простору — в об'ємі всієї ракети. Якби один із космонавтів зачинився в маленькій камері, звідки йому не було б видно своїх товаришів, то він не міг би сказати, природне чи штучне гравітаційне поле в його камері, оскільки в усьому її об'ємі сила спрямована до підлоги. Якщо ця камера буде надто велика, то гравітаційне поле в усіх точках камери не буде однорідним. Проте якщо подумки зменшити розміри камери в тисячі й більше разів, то коли вона стане досить малою, гравітаційне поле в ній буде однорідним. Уявний спостерігач, поміщений у таку «камеру», уже нічого не зміг би сказати про походження цього гравітаційного поля.
Таким чином, ми дійшли висновку, що в ізольованій досить маленькій області простору неможливо розрізнити природну й штучну силу тяжіння — це й стверджує принцип еквівалентності. Проти можливості розрізняти природну й штучну силу тяжіння у великих областях простору принцип еквівалентності нічого не говорить.