Невесомость, что это и с чем ее едят
Кароч, современная физика не описывает невесомость, потому что состояние невесомости прямо следует из всего изложенного.
Для тела, двигающегося по эллипсу в искривлённом массой пространстве НЕ НУЖНО объяснять невесомость, потому что веса и не должно быть. Наоборот, нужно объяснять откуда БЕРЁТСЯ вес на поверхностях массивных тел.
Да, поэтому в данном посте будет устаревшее понятие «силы», которое в современной физике методично изживается. Однако, на бытовом уровне несколько упрощает объяснения. Сила — это интегральная сумма квантов импульсов, а потому абстракция. Но действительно в привычной нам бытовой парадигме эта абстракция вполне годная, хотя в ОТО нет никаких сил.
Но не будем ломать гуманитарию мозг. Давайте упрощать.
Просто хочу сделать дисклеймер: тот раздел физики — а именно, механика — к которому мы сейчас обратимся УМЕР. Это Упрощенная абстракция, годная для обучения и воспроизводства инженеров, но уже давно негодная под обучения и воспроизводство физиков. В некоторых дисциплинах, типа рокет сайенс или газодинамики высоких скоростей (гиперзвука) механика не годна уже и для инженеров тоже.
Итак, вес — это сила, с которой тело в гравитационном поле давит на некую опору. Опора в ответ, кстати, давит на тело. Ну, или ломается, если тело шибко тяжёлое.
Прибор для измерения веса называется, что характерно, «весы», и он есть у каждого дома. Очень важно! Весы не показывают массу тела, более того — вес хоть и пропорционален массе, но измеряется в ньютонах, а не в граммах. То, что у вас на домашних весах ньютоны уже поделены на g (ускорение свободного падения для Земли) — это чисто для удобства, эдакая фича UI, но не более.
Ещё немного о гравитации. Гравитация убывает с квадратом расстояния от центра масс гравитирующих тел. В случае системы «человек-Земля» или «космический корабль-Земля» можно считать, что этот центр совпадает с центром Земли, потому как масса Земли охуенно велика по сравнению с массой человека или корабля, и в пропорции для вычисления центра масс возникает исчезающие малый член (муахахахаха! Он сказал «член»!)
Почему так? Очень легко понять. Представим себе некую сферу и назовём её сферой эквипотенциальной гравитации. Чего это бляць значит? Это значит, что в любой точке на поверхности этой сферы действие гравитации одинаково, и по величине, и по вектору. Движение по этой сфере не увеличивает потенциальную энергию тела. Экви — значит, равный, потенция — значит, возможность.
Теперь вспомним, чему равна площадь сферы? А равно она 4Пи*R в квадрате. Увеличим радиус сферы вдвое. Очевидно, что площадь сферы увеличилась в четыре раза (ведь радиус в квадрате). А потому действие гравитации должно упасть тоже в четыре раза, а то мы получим нарушение закона сохранения энергии. Если оно будет меньше не в четыре, а в три раза, например, у нас невесть откуда будет браться лишняя потенциальная энергия, а так не бывает.
Соответственно, увеличив радиус сферы в три раза, получаем увеличение площади в квадрате, то бишь в 9 раз, и уменьшение гравитации тоже в 9 раз. Это очень уебищное объяснение, никак не раскрывающее саму природу гравитации, но из него понятно, что гравитация падает с квадратом расстояния и поэтому заметно работает она только для реально огромных и тяжёлый тел, типа планет, звезд и галактик. Даже астероиды, которые имеют тоже вполне себе нихуевые массы, создают совсем микроскопическое искривление пространства и гравитацию. И нет, по астероиду нельзя ездить на тачке, как в фильме «Армагеддон» с Брюсом Уиллисом. Даже высадить на астероид что-то тяжёлое — это очень и очень грандиозная проблема.
Гравитация зависит от высоты над Землей. Раз уж мы стали использовать понятие ускорения свободного падения (которое на самом деле нынче больше никакой не ускорение), и обозначать его буковкой g, то эта g меняется с высотой от Земли (ну, и вообще любого тела). Чем дальше от центра, тем меньше. Так, на поверхности Земли g равно примерно 9.8м/с^2, но вот на высоте МКС оно равно уже 8.5м/с^2, а это всего +400км. То есть, убывает сила притяжения (сука, ладно бляць) довольно быстро.
Более того, вес — это масса умножить на g, а так как Земля неровная и сдавлена с полюсов, то можно взять тонну груза на полюсе, поставить на весы и доплыть до экватора, и о чудо бляць! Вес груза уменьшится примерно на 0.5%. То бишь, по весам (который показывают «килограммы», то бишь ньютоны, делённые на 9.8 ), мы где-то по пути проебем целых 5кг и довезем лишь 995кг груза!
То есть, масса нашего груза совершенно не изменится, но вот вес станет меньше, потому что масса груза стала слабее притягиваться Землей из-за того, что радиус Земли на экваторе больше, чем на полюсе, и мы теперь дальше от центра Земли, а ещё - она вращается и норовит нас выкинуть вон.
То есть, вес — это так-то штука нестабильная совсем, в отличие от массы. И потом в конце мы ещё рассмотрим пару забавных следствий из этого казуса.
Кстати, любой человек может изменить свой вес мгновенно без диет, регистрации и смс. Просто встать на весы и резко присесть. Хопача! Стрелка заколебалась туда и сюда, сначала вес стал меньше, потом больше, потом снова обычный, какой и был. Это что же, масса человека изменилась? Нееееет, нихуя. Это изменилась сила, с которой он давит на опору, то есть на сами весы. Пока он сгибал колени и фактически падал вниз — она уменьшилась. Когда он остановился с размаху — увеличилась. Потом вернулась в норму. Но массе на это похуй. Запомните этот момент, но далее всплывет ещё.
Итак, как испытать невесомость? Да очень просто, например, упасть. Пока ты падаешь, ты ни на что не давишь. Вес тут равен нулю по определению, вот это и есть невесомость. Падать лучше всего в вакууме, чтоб ещё и сопротивления воздуха не было, но можно падать и в салоне самолёта, где внутренняя атмосфера изолирована от внешней. Такой аттракцион существует и стоит даже не очень и дорого, невесомость возникает на пару минут, самолёт там, правда, не падает, а летит по параболе, то есть, по отрезку эллипса. А двигаясь по эллипсу в поле гравитации тело лишается веса, как я уже сразу сказал в начале поста. Состояние невесомости ЕСТЕСТВЕННО для тел, движущихся равномерно и без ускорения в поле Хиггса. Вес возникает как раз у тел, которые так не движутся.
Итак, щас будем кидать камни. Когда мы кидаем камень, он летит по параболе, что является частным случаем эллипса. В момент полёта на камне царит невесомость, кстати. Если мы кинем вместо камня человека, он тоже испытает невесомость. Когда человек или камень падают вертикально вниз, они тоже летят по эллипсу, только у этого эллипса соотношение полуосей равно бесконечности. То есть, прямой отрезок — это тоже частный случай эллипса, как и круг. Просто этот эллипс называется вырожденным.
Как мы помним, любой камень в гравитационном поле летит по прямой, относительно искривлённого пространства. И тут Землю (и любую планету) можно представить себе, как Сарракш Страугацих, то бишь, вывернутый наизнанку пузырь, а не шар. И бросив камень по гравитационной прямой… мы просто попадаем в закруглившуюся кверху дыбом Землю! Бляць, я хотел без сложных абстракций, но мне так нравится эта абстракция)))
В общем, камень попадает в Землю потому, что Земля не точка, а имеет очень даже охуевшие размеры порядка 6400км в радиусе. Камень просто не набирает нужной скорости, чтоб его энергетически бесплатная в поле тяготения эллиптическая орбита имела полуоси ширше земного радиуса (а мы помним из прошлого поста, что полуоси орбиты зависят только от скорости и гравитации центрального тела, и более ни от чего. Там я эту скорость называл неуклюжим термином «угол к горизонтали гравитационного поля в пятом измерении», да простит меня Аллах).
Нужная скорость для формирования эллиптической орбиты и «промахивания» мимо поверхности Земли называется Первой космической и считается очень просто как квадратный корень из g умножить на радиус того тела, вокруг которого собираемся летать по орбите. Для Земли на уровне, близко к поверхности, эта скорость составляет 7.9км/с. Довольно быстро для броска камня, но вполне вывозимо для космической ракеты-носителя на толковых движках.
А теперь вопрос для самых умных: а если бы Земля была бы той же самой массы (6 сикстиллионов ебучих тонн), но размером с горошинку в 1мм. Какова была бы Первая космическая скорость, если мы по прежнему в 6400км от центра Земли?
Правильно, почти ноль. Представив Землю точкой, мы практически не имеем шансов в неё попасть, а потому любая скорость даст нам эллиптическую орбиту с достаточной шириной малой полуоси, чтоб в точечную Землю не попасть вообще никогда и вращаться вокруг неё вечно.
Теперь вы, надеюсь, поняли, почему так трудно сесть на астероиды с малым g и малыми же размерами (а они ещё и вращаются). В них банально трудно попасть, да ещё и так, чтоб движение твоего аппарата по орбите вокруг астероида совпало с вращением его поверхности под тобой. Зато взлететь с астероида очень просто: пихнулся ногой, вот ты уже и на стабильной орбите. Поэтому Брюс Уиллис на своей тачиле на астероиде в «Армагеддоне» улетел бы внахуй как только нажал на газ.
Так бляць, что с невесомостью, Зодд? Окей, плюнем на то, что невесомость — это естественное состояние тел, а вес — это банальный недостаток скорости для эллиптической орбиты, и ебанем модельку из классической устаревшей доэйнштейновой механики.
Для этого нам нужна маленькая противная собачка на длинном поводке. Возьмём поводок покрепче и раскрутим собачку над головой. Собачка имеет массу и двигается по кругу, порождая центробежную силу и вызывая натяжение поводка. Ведь эта зараза не хочет двигаться по кругу вокруг нас, а хочет лететь по прямой куда-то вдаль башкой об Землю.
Теперь представим, что космический корабль двигается вокруг Земли по кругу (хуй с ним с эллипсом, это и есть круг). Сила тяжести — это поводок, который не даёт кораблю улететь с орбиты Земли, но внутри корабля… возникает центробежная сила, которая как раз и равна g для той высоты орбиты, на которой находится корабль! То есть, эти силы друг друга уравновешивают, и потому вес космонавта внутри равен… нулю! Более того, представим, что Земля и её гравитация исчезла, но корабль включил двигатели, чтоб сохранить ту же точно самую орбиту, по которой двигался, когда Земля еще была на месте. Что мы получим?
Мы получим вектор ускорения, созданный двигателями корабля и направленный в центр, а внутри для космонавта?.. возникнет сила, прижимающая его к внешней стенке, абсолютно точно равная весу космонавта для такой высоты над несуществующей более Землей!
Итак, вышепреведенное объяснение невесомости — хуета в терминах неправильной ньютоновской механики. Однако то, что вычисления по разным методам дают одинаковый ответ лишь подтверждает изотропность нашей Вселенной и обратную совместимость ньютоновской механики с современной ОТО на малых скоростях и массах.
То есть, невесомость возникает в корабле, потому что он двигается по эллипсу и постоянно падает на Землю. И вообще, состояние постоянного падения и невесомости — это естественное и нормальное состояние материи в этой Вселенной, а вот как раз вес — это необычно, это следствие недостатка скорости относительно линейных размеров гравитирующей массы. То есть, человек, бродя по Земле, стремится и хочет быть невесомым, но недостаток скорости, относительно гравитационной воронки не даёт ему это сделать, и он везде натыкается на ебаную Землю и давит на неё. Он как будто постоянно лезет в гору и пихает эту планету от себя, ведь в гравитационном поле, она загнута вверх, как тот самый Сарракш у Стругацких (но не геометрически, конечно).
Надеюсь, я не сильно передрочил вам мозги)))
А теперь обещанные следствия из разницы между весом и массой.
В невесомости, двигаясь со скоростью в 2м/с (скорость быстрой ходьбы) ты, не обладая никаким весом и чувствуя себя суперменом, въебешься в стену ровно с тем же импульсом и последствиями, что и на Земле. Веса нет, но масса никуда не делась.
Импульс — скорость умножить на массу, попробуй быстрым шагом уебаться головой в низковисящуюю вывеску «Аптека», и тебе сразу понадобится туда зайти (это случай из моей жизни, знаю, что говорю). Поэтому космонавты тренируются в бассейнах, чтоб развить мышечную память плавных движений. Иначе в невесомости можно расхуярить себе руки, ноги, голову о всякие твёрдые предметы с непривычки, ведь мускульная сила та же самая, но веса нет, а масса тела та же самая и те же самые импульсы. Поэтому движения космонавтов на МКС выглядят подчёркнуто вялыми и аккуратными. Мозг приучается к весу тела всю жизнь, годами. Очень трудно перестроиться под его отсутствие, чтоб не получить травм.
И второе, динамика движения транспортных средств на других планетах радикально отличается от земной. Динамика автомобиля зависит от массы, а вот его управляемость — от веса и прижимной силы к поверхности. Гонять по Луне на спорткаре (электрическом, например) невозможно, потому что быстро умрешь. Да, последствия аварии на скорости в 200км/ч на Луне и на Земле одинаковые, потому что одинаковая масса и импульс на такой скорости. Но а притяжение, а значит, сцепление с дорогой меньше в шесть раз. Резкий поворот, и ты улетаешь внахуй кувырком, разъебываясь в мясо, как и на Земле.
Поэтому когда мы станем мультипланетарным видом, нам придётся ооооочень тонко приспосабливаться к гравитации каждой новой колонизированной планеты. Поэтому астронавты на Луне выглядят так неуклюже. Поэтому на МКС ребята так аккуратно двигаются.
Это тупо опасно, ведь масса и импульс с нами навсегда (см. первый пост).
ПС и маленький бонус после титров для моих родных плоскоземельщиков.
Сила тяжести на экваторе Земли ниже, чем на полюсах не только из-за большего расстояния от центра планеты и меньшей гравитации, но и из-за центробежной силы вращения планеты, которая направлена в противоположную от веса сторону (вверх). Собственно, именно центробежная сила сплющивает Землю.
Если мы раскрутим Землю до одного оборота в 84 минуты, центробежная сила на экваторе полностью преодолеет порождённый гравитацией вес, и на экваторе наступит невесомость.
Само собой, невесомость не только для людей, но и для пород, складывающих нашу планету. А поэтому Земля начнёт сплющиваться ещё сильнее и в итоге превратится в блин.
Итак, хотите Плоскую Землю? Говно-вопрос: раскрутите нашу планету всего-то в 16 раз быстрее, и всё получится!
