Почему Земля вращается?⁠⁠

Расскажите, кто раскрутил Землю?
Лука Левченко, из письма в редакцию

Лука, отличный вопрос! И в самом деле – чем тяжелее предмет, тем тяжелее его раскрутить, заставить вращаться вокруг своей оси. Легко раскрутить детскую юлу, ненамного сложнее – велосипедное колесо. Но уже инерционная (то есть «без мотора») карусель на игровой площадке во дворе – штука довольно массивная. Малыши просят – «раскрути, покатай!». Раскрутил весело раз, раскрутил два, три, четыре... А к пятому разу-то уже чувствуешь, что хочется отдохнуть...

А Земля – это вам не карусель. Масса Земного шара – примерно 6 000 000 000 000 000 000 000 000 килограммов. Двадцать четыре нуля после первой цифры!

И ведь что удивительно – эта огромная масса ещё и вертится, да как быстро! Один оборот всего лишь за 24 часа. «24 часа – это разве быстро?» – спросите вы. «Это целые сутки, день и ночь! И выспаться успеешь, и в школу сходить, и уроки сделать, и погулять, и поиграть...». Ну так вы не забывайте, что и размеры у нашего «шарика» колоссальны. Примерно 40 000 километров в окружности! Вспомните школьную арифметику, задачки на «скорость-время-расстояние». Разделите 40 тысяч на 24 – сколько получится? Около 1700 километров в час – вот с какой скоростью наша Земля (и вы вместе с ней) крутится вокруг своей оси! Все гоночные болиды «Формулы-1» даже рядом не стояли... в смысле не ехали.

Какими бывают движения?

Такой вопрос может поставить в тупик. «Ну, движения... они бывают разные... Ходить, бегать, прыгать, кувыркаться, писать в тетрадке ручкой... Мыть посуду, подметать... На занятиях танцами изучают разные движения...» Разве можно описать их все?

Учёные этим вопросом озадачились очень давно, почти 2 с половиной тысячи лет назад, во времена Архимеда. И, поразмыслив, пришли к выводу: да, можно! На Земле и вообще во Вселенной существует только два простых типа движения: поступательное и вращательное! Любые прочие движения можно представить в виде комбинации, «суммы» этих двух простых.

Поступательное движение – это движение по прямой линии. Скажем, игрушечная («инерционная») машинка: толкнул её – и она поехала по прямой.

Характерный признак поступательного движения – предмет движется целиком, «весь». Вращательное движение – более сложное. Чем оно отличается от поступательного? Тем, что при таком движении у предмета всегда есть неподвижная точка – центр вращения. Чувствуете разницу? Вот комната. Даже если сдвинуть к стенам всю мебель, всё равно места для того, чтобы как следует побегать (совершить поступательное движение) не хватит. А для того, чтобы всласть покружиться вокруг себя (вращательное движение), места более чем достаточно!

Это замечательное свойство вращательного движения – двигаться, но при этом оставаться на месте – чрезвычайно интересовало ещё древних философов. Вспомните ту же карусель во дворе. Или колесо обозрения в парке. Или колесо у велосипеда, перевёрнутого для ремонта.

Они движутся, но при этом никуда не «уезжают»! Само собой, учёным было страшно интересно разобраться – а отчего такая разница? Почему поступательное движение – это всегда именно движение (то есть «перемещение из точки А в точку Б»), а вращательное движение – это вроде бы как и движение, а вроде как и нет?

Ещё больше древние учёные «зауважали» вращательное движение, когда разобрались в том, как работает рычаг: с помощью поворачивающегося вокруг оси рычага даже ребёнок может поднять очень тяжёлый груз! Магия, да и только!

Две силы – пара!

Чтобы создать поступательное движение, нужна некая сила. Причём всего лишь одна сила! А вот чтобы создать вращательное движение, одной силы мало – нужно две!

С поступательным движением, думаю, вам всё понятно – вот машинка, вот мы толкаем её рукой, вот она едет по столу. А вот про то, как две силы создают вращение – уже сложнее. Придётся ставить опыты и звать на помощь. Пусть Лучик будет «первая сила». Веснушка – «вторая сила». А в качестве предмета возьмём обыкновенную гимнастическую палку...

Случай первый:

Пусть наши силы направлены в противоположные стороны и находятся на одной прямой линии. То есть Лучик и Веснушка просто тянут палку на себя, каждый за свой конец. Что при этом происходит? Палка «едет» туда, где приложенная сила больше – «кто кого перетянул». Движение при этом, сами понимаете, поступательное. Никакого вращения!

Случай второй:

Пусть теперь наши силы, наоборот, снова будут лежать на одной линии, но направлены «друг на друга». То есть Веснушка и Лучик будут толкать палку, каждый от себя. И снова палка сдвинется поступательно в ту сторону, где приложена большая сила – только на этот раз «кто кого перетолкал».

А если, скажем, Лучик тянет палку, а Веснушка толкает? Движение снова будет поступательным! Вывод: если две силы приложены вдоль одной и той же прямой линии, движение всегда будет поступательным.

Случай третий:

Пусть наши силы не лежат на одной линии, но направлены в одну и ту же сторону, параллельны друг другу, как трамвайные рельсы, и равны между собой. Что в этом случае произойдёт? Ребята понесут палку снова поступательно, без какого-либо вращательного движения.

Но... А что произойдёт во всех остальных случаях?

Скажем, наши силы направлены в одну и ту же сторону, но не равны? Если Веснушка тянет (или толкает) сильнее Лучика? Наша палка тут же начнёт поворачиваться! И если наши силы и направлены в разные стороны, тогда наша палка тем более начнёт поворачиваться, у нас появляется вращательное движение:

Две силы, приложенные к двум разным точкам предмета, направленные в разные стороны и не лежащие на одной прямой, создают вращение. Или, как любят говорить физики – крутящий момент.

«Ха! – скажете вы. – Ерунда какая! Вот я же открываю дверь за ручку, дверь поворачивается вокруг петель! А я тяну за ручку только одной рукой, где же тут вторая сила?»

Отличный вопрос и прекрасное наблюдение! Вторая сила тут есть – просто она как бы «спряталась». В случае двери, рычага или подобного механизма вторая сила – это реакция жёстко закреплённой опоры, сопротивление оси, шарнира, дверной петли. Так что запоминаем: нет второй силы – нет и крутящего момента.

Вот вам другой опыт: на пляже летом вы наверняка хотя бы раз играли в большой надувной мяч, верно? Когда бросаешь мяч, он всегда забавно кувыркается в воздухе, вращается.

Конечно, можно попробовать аккуратно подбросить мяч так, чтобы он «не закрутился» – но для этого нужно будет постараться... Мяч как будто не слушается, так и хочет закувыркаться в ту или другую сторону! Почему? А потому что мы толкаем мяч правой и левой рукой пусть немножко, но с разной силой. А пляжный ветерок обдувает мяч сверху и снизу тоже пускай с немножко, но с разной силой. И все эти «немножко» разнонаправленные силы наш мяч «сами по себе» закручивают!

Летим в космос на машине времени

«Ну опыты с гимнастическими палками и пляжными мячами – это понятно,» – скажете вы – «но при чём тут наша Земля и её вращение?». Не торопитесь. Отправимся на машине времени в космос, в далёкое прошлое, примерно на 5 миллиардов лет назад. Вместо солнечной системы, Солнца, Земли, всех планет и даже соседних звёзд мы обнаружим только огромное (20-30 световых лет в поперечнике!) и холодное газо-пылевое облако. Форма этого облака случайна, неправильна, чем-то оно напоминает колоссальных размеров клуб дыма от костра. На это облако действует сила притяжения центра нашей Галактики – но (в точности как в опытах с гимнастической палкой!) на разные «края» облака эта сила притяжения действует с немножко разной силой, направленной в немножко разные стороны...

Оказывается, этого «немножко» вполне хватает для того, чтобы облако начало – чрезвычайно медленно! – вращаться.

Закон фигурного катания

В физике есть несколько законов, которые учёные называют «законы сохранения». В частности, есть и закон сохранения крутящего момента. Оказывается, то самое вращательное движение, которое мы сообщили телу с помощью «пары сил», никуда и никогда не исчезает! Вращение может быть измерено – и «количество» этого вращения никогда не изменяется само по себе: чтобы остановить раскрученный предмет, нужно потратить ровно столько же энергии, сколько потратили на то, чтобы этот предмет раскрутить.

Нам сперва этот закон кажется «неправильным», «неинтуитивным». Жизненный опыт говорит нам как раз об обратном: инерционная карусель во дворе после нескольких оборотов останавливается «сама по себе». Раскрученное велосипедное колесо тоже останавливается «само по себе». А «закон сохранения» утверждает, что и карусель, и колесо после раскрутки должны вращаться вечно! Но... всё дело в том, что и карусель, и колесо останавливаются из-за работы силы трения. Именно сила трения постепенно «отбирает» заданный во время раскрутки крутящий момент, и вращение в итоге останавливается. Уберите трение – и вращение не остановится никогда!

Российский изобретатель Нурбей Гулиа в своё время для того, чтобы максимально «убрать» потери на трение, предложил использовать особые магнитные подвески и подшипники. Он построил демонстрационный прибор – круглый диск на такой вот магнитной подвеске. Во время демонстрации своих изобретений гостям он просто как бы нечаянно толкал диск рукой, тот начинал вращаться. Гость ждал 5 минут, 10 минут, 15... Диск продолжал вращаться, как будто его крутил невидимый вечный двигатель! Гость (уже из принципа) ждал полчаса, час, наконец профессор Гулиа со смехом объяснял, что диск в итоге остановится, но только часов через 12-15...

Итак, запоминаем: крутящий момент никуда не исчезает, на него действуют законы сохранения. Впрочем, у закона сохранения крутящего момента есть и другое название: закон фигуриста. Вы любите фигурное катание? Даже если не любите, посмотрите как-нибудь по телевизору или в интернете. Вот фигурист (или фигуристка) разводит руки широко в стороны, прыгает и начинает вращаться вокруг себя. Затем вдруг резко прижимает руки к груди – и начинает вращаться в два, в три, в четыре раза быстрее! Почему? Потому что момент остаётся «тот же самый» (сохраняется), а вот линейные размеры фигуриста как бы становятся меньше. И в силу закона сохранения скорость вращения возрастает.

Возможно, у вас дома есть гимнастический (он же «балансировочный») диск для занятий физкультурой. С этим диском можно провести занимательный опыт. Встаньте на диск, возьмите в руки гантели (нетяжёлые), разведите руки в стороны и попросите друга (маму, папу) раскрутить вас как можно быстрее. Сперва удержать равновесие на вращающемся круге будет трудно, но рано или поздно у вас получится.

А теперь во время вращения резко притяните гантели к груди! Вы почувствуете, как гантели «сопротивляются», и как диск – сам по себе! – вдруг начинает крутиться всё быстрее и быстрее (можно даже от неожиданности вылететь с диска и набить себе шишку, так что аккуратнее).

Почему такое происходит? Потому, что по закону сохранения крутящего момента частота (т. е. скорость) вращения зависит от «плеча рычага», от «радиус-вектора», то есть от размеров вращающегося объекта, от того, как далеко груз расположен от центра вращения. Чем меньше размеры, чем груз ближе – тем вращение становится быстрее; чем больше размеры, чем груз дальше – тем вращение становится медленнее. Запомнили?

И снова на машине времени в космос

Наигравшись с физкультурными снарядами, повторно вернёмся на 5 миллиардов лет назад, к нашему газо-пылевому облаку. Как вы помните, оно получило крутящий момент и начало медленно вращаться. Но дело в том, что на частицы внутри этого облака тоже действуют гравитационные силы. Или, скажем, статическое электричество – и эти частицы начинают потихоньку притягиваться друг к другу, облако сгущается, начинает становиться меньше и меньше – постепенно, очень постепенно, проходят миллионы и даже десятки миллионов лет. Но в конце концов облако уменьшается во много раз, приобретает более-менее шарообразную форму и начинает вращаться уже очень даже быстро – в точности, как в нашем опыте с диском или как на чемпионате по фигурному катанию.

Внутри быстро вращающегося газового шара образовались многочисленные мелкие «вихри», в которых концентрировались пыль и газ. Если вы пьёте чай «с заваркой», а не «из пакетика», размешивая сахар, обязательно понаблюдайте, какие сложные «кренделя» выписывают быстро движущиеся чаинки. Постепенно эти «вихри» уплотнялись, превращаясь в зародыши будущих планет – планетеземали. Центральное сгущение превратилось в молодую звезду – наше Солнце. А планетеземали летали вокруг этого Солнца по орбитам, сталкивались друг с другом, раскалывались, снова сталкивались и сливались в единое целое – и продолжали вращаться, сохраняя заложенный в них ещё первоначальным облаком крутящий момент. Одна из таких планетеземалей в итоге стала той планетой, на которой мы с вами живём сейчас.

Итак, как можно ответить на вопрос Луки кратко? Землю раскрутил закон сохранения крутящего момента, он же закон сохранения момента вращения. А возник крутящий момент ещё во времена существования протопланетного газо-пылевого облака – просто благодаря той самой «случайной» паре сил. Помните?

Две разнонаправленные силы, не лежащие на одной прямой и приложенные к разным точкам предмета, обязательно порождают вращение, то есть крутящий момент. Всегда. Без вариантов.

Кстати...

Учёные утверждают, что 4 с половиной миллиарда лет назад «новорождённая» Земля вращалась со скоростью 1 оборот за 6 часов. В 4 раза быстрее, чем сейчас! Только вообразите – 3 часа длится день и столько же ночь. Встали на рассвете в 7 утра, в школу к 8:30 – уже самый полдень. А к середине второго урока Солнце уже садится, наступает самая настоящая ночь...

Но здесь главное неудобство – вовсе не в длине светового дня. А в том, что при таком быстром движении земля не будет успевать прогреваться, растениям не будет хватать тепла, они начнут погибать. Плюс к тому же из-за очень быстрого вращения в атмосфере будут рождаться сильнейшие ветры и ураганы, а в океанах – штормы чудовищной силы. В общем, лучше всего оставить «так, как есть»...

Бесплатно скачать и полистать номера журнала "Лучик" можно здесь: https://www.lychik-school.ru/archive/

Канал "Лучика" в "Телеграм": https://t.me/luchik_magazine

Страница "Лучика" "ВКонтакте": https://vk.com/lychik_magazine

Журналы "Лучик" можно купить на Wildberries и Ozon