Теперь перейдем к ощущениям от катания на американских горках. Они создаются на основе чувства ускорения. Его часто считают одним из проявлений чувства равновесия (которому дали странное название – «эквилибриоцепция»), но это лишь свидетельствует о том, что биологи путают ощущения и функции. Да, чувство ускорения помогает нам сохранять равновесие, но ощущаем мы именно ускорение.
Такую способность дает внутреннее ухо, заполненное жидкостью, которая реагирует на наши движения. Создаваемые при этом потоки раздражают крошечные волоски, которые подают мозгу сигналы о том, как и в каком направлении совершается движение. Это как бы биологический эквивалент акселерометра в современном мобильном телефоне, который определяет, в каком положении находится прибор и куда он поворачивается или наклоняется. Именно по этой причине вы чувствуете головокружение и пошатываетесь после того, как покидаете американские горки: жидкости необходимо некоторое время, чтобы прийти в стабильное состояние.
Находясь на аттракционе типа американских горок, вы испытываете на себе действие двух основных сил: силы гравитации, притягивающей вас к центру Земли, и силы ускорения, которая толкает, наклоняет и переворачивает вас (это действие оказывается на вас сиденьем).
Действие, которое оказывает на вас сиденье аттракциона, представляет собой в некотором роде искусственный вес. Говоря о весе, следует соблюдать осторожность, чтобы не погрешить против научных принципов. Вес – это количество силы, создаваемой за счет гравитации, однако мы привыкли подменять этим словом понятие массы, которая является мерой количества вещества в том или ином теле.
Здесь легко запутаться, потому что в повседневной жизни мы используем одни и те же единицы для веса и массы, но это совершенно разные вещи. Чтобы пакет кофе весил на Луне 1 килограмм, он должен содержать в шесть раз больше зерен, чем на Земле. Но килограмм массы будет одинаковым и там, и там.
Допустим, на Земле вы весите 70 килограммов, но на Международной космической станции (МКС) ваш вес будет практически равен нулю. Ваша масса на Земле будет также составлять 70 килограммов, но и на МКС ровно столько же. И это не должно никого удивлять. Как уже было сказано, масса – это количество вещества, из которого вы состоите. Вещество никуда не исчезнет, даже если вы окажетесь на околоземной орбите.
Указывая на количество вещества в теле, масса говорит нам о том, сколько силы необходимо приложить, чтобы сдвинуть это тело с места. Это следствие второго закона Ньютона (вообще-то специально для этой цели Ньютон изобрел концепцию массы), который гласит, что количество силы, необходимой для приведения тела в движение, равно массе этого тела, умноженной на ускорение. Поэтому чем сильнее мы ускоряем движение, тем больше силы для этого придется потратить. И этот принцип не меняется в зависимости от того, где вы находитесь: на Земле или в космосе.
Вес – это сила гравитации, приложенная к некой массе. Ускорение, создаваемое силой притяжения Земли, составляет 9,8 м/с². Это значит, что если вы упадете с высоты, то каждую секунду ваша скорость будет увеличиваться на 9,8 метров в секунду. Таким образом, сила, с которой действует на вас гравитация, в 9,8 раза превышает вашу массу. Однако мы немного хитрим и измеряем вес в тех же единицах, что и массу. На самом деле вес должен измеряться в ньютонах (единицах метрической системы). Если мы спросим, с каким весом родился ребенок у молодой пары, то в ответ должны услышать что-то вроде 35 ньютонов, но это привело бы всех в замешательство.
На американских горках (или в иных схожих условиях) вы можете испытать на себе силу ускорения, скажем 2д (это, конечно, не научная единица измерения, но она помогает примерно представить себе, какие ощущения могут вас ожидать), то есть вдвое превышающую силу гравитации. Без специального оборудования человек способен перенести ускорение примерно до 5д и даже остаться в живых после очень кратковременной ударной перегрузки до 100д.
Направление силы, которая воздействует на вас при ускорении (будь то в парке аттракционов или в автомобиле), не всегда очевидно. Если автомобиль поворачивает направо, вы чувствуете, что какая-то сила тянет вас влево. Создается впечатление, что на вас действует центробежная сила. Но это впечатление обманчиво. Такого понятия, как центробежная сила, не существует. Здравый смысл говорит вам: «Ну как же не существует? А какая же сила уложила меня на колени соседа при резком повороте?» Но у физиков на этот счет другое мнение.
Первым, кто догадался, что происходит на самом деле, был Ньютон. Если тело не находится в состоянии покоя, то оно будет продолжать движение по прямой линии, пока какая-то сила не изменит это направление или не затормозит его. Просто в земных условиях предметы постоянно испытывают на себе силу притяжения, меняющую направление движения (например, когда вы бросаете мяч, он летит не по прямой линии, а по дуге) и постепенно замедляют скорость вследствие трения. (Изменить направление движения можно и за счет вращения. Именно так футбольный мяч огибает по дуге стенку защитников.)
Но давайте вернемся к нашей воображаемой центробежной силе. Предположим, вы пересели с американских горок на другой аттракцион в виде вращающейся чаши. Когда она набирает скорость, вы чувствуете, что вас прижимает к стенке. Но, если бы стенки не было, вы бы вылетели и продолжили движение по прямой, не ощущая на себе воздействия никакой силы. Таким образом, получается, что никакая сила тут и не требуется.
Наоборот, это стенка чаши с силой давит на вас, препятствуя вашему вылету, и направлена эта сила к центру, а не наружу. Выходит, что она должна называться не центробежной, а центростремительной (этот термин ввел в оборот Ньютон). То же самое происходит и в автомобиле. Как только ваше тело приходит в движение, оно стремится двигаться по прямой линии, но автомобиль при повороте оказывает на вас воздействие, и вы меняете направление.
Когда вы сидите и читаете эту книгу, на вас действует сила гравитации. Притяжение Земли – одна из четырех природных сил (о трех остальных мы поговорим чуть позже). Она действует на расстоянии, и это не дает покоя ученым уже на протяжении сотен лет. Когда Ньютон в своем фундаментальном (и, честно говоря, трудночитаемом) сочинении «Математические начала натуральной философии» описал, каким образом гравитация удерживает планеты на орбитах, многие современники подняли его на смех, потому что понятие притяжения, существующего на расстоянии между двумя телами, было непонятным. Его идеи назвали «оккультными» и «абсурдными».
Проблема в том, что для того, чтобы воздействовать на что-то на расстоянии, нужно что-то направить от А к Б. Если вы хотите, чтобы ваза упала с подоконника, надо в нее что-нибудь бросить. Одной только силы мысли для этого недостаточно. Если вы хотите, чтобы я вас услышал, то должны послать мне по воздуху звуковые волны. Но гравитация, как мы видим, действует на тела без всяких посредников. Ньютону оставалось только пожать плечами и признаться: «У меня на этот счет нет гипотез». Он не понимал, как действует гравитация, но сумел описать в математических формулах последствия этого действия – от падения яблока до вращения планет по своим орбитам.