Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно - страница 78
На этом этапе может возникнуть вопрос: за счет чего же увеличивается скорость, если не влияет никакая равнодействующая внутренняя или внешняя сила?
На самом деле все части системы остаются неподвижными не потому, что равнодействующая сила равна нулю. Вспомните пример двух лежащих рядом шаров с положительными зарядами (➙ рис. 6.1): равнодействующая сила была равна нулю, потому что две отталкивающие электростатические силы были противопоставлены друг другу. Однако с течением времени скорость шаров увеличивалась.
Рис. 6.7 – Сохранение момента импульса
В данном опыте мы привязали предмет на нитку и заставили его вращаться вокруг оси. В определенный момент мы обвязываем нитку вокруг оси так, чтобы предмет приблизился к оси: он начинает крутиться быстрее.
Если длина нитки станет вдвое короче, скорость предмета вдвое возрастет. То есть он будет делать в четыре раза больше оборотов в секунду, потому что расстояние, которое ему приходится проходить, вдвое уменьшилось.
Отметим также, что на рис. 6.7 натяжение нити позволило подвинуть массу к оси вращения: именно оно вызвало увеличение скорости, но это увеличение направлено перпендикулярно силе (перпендикулярно нити). Этот малоинтуитивный вывод мы будем встречать на всем протяжении этой главы. Увеличение скорости не всегда происходит в направлении, указанном силой… Другие примеры помогут лучше понять причину этого.
Формирование Солнечной системы
Совершим большой прыжок в прошлое и поразмышляем о происхождении Солнечной системы 4,6 млрд лет назад. В те времена она представляла собой лишь скопление газа и пыли, которых в нашей галактике множество. Это «облако» из пыли и газа медленно перемещалось внутри самого себя. Однажды из-за действия гравитации облако начало рассеиваться (возможно, процесс начался после взрыва соседней сверхновой звезды). В процессе этого массы газа и пыли, находившиеся далеко от оси вращения, сблизились: благодаря сохранению момента импульса их скорость значительно возросла (так же как увеличивается скорость вращения фигуриста, когда он прижимает к себе руки). Другими словами, сгущаясь, облако начало вращаться быстрее и быстрее.
На рис. 6.8 отображено, какие силы действовали на облако: гравитация, направленная к центру облака, и центробежная сила, возникшая из-за вращения, стремящаяся отдалить пылинки от центра вращения. Мы видим, что равнодействующая этих сил направлена к срединной плоскости облака, перпендикулярной оси вращения.