Сепаратор и космический корабль

Появление силы тяжести при ускоренном движении не должно быть для читателя новостью: он может заме­тить это на каждом шагу.
Когда мотоциклист на большой скорости совершает поворот, то мы не удивляемся тому, что он в это время сильно наклоняется в сторону поворота. Попробуйте-ка удержаться на неподвижном мотоцикле в наклонном положении! Это не удастся, если мотоцикл не движется. Не удастся это и при езде по прямой дороге. Только на кри­вой, где ускоренное движение мотоцикла порождает дополнительную силу (которую мы, согласно принципу эквивалентности, можем назвать силой тяжести), дей­ствующая на мотоциклиста сила тяжести меняет направ­ление. Мотоциклист наклоняет машину так, чтобы дей­ствующая наклонно сила тяжести не могла перевернуть мотоцикл.
«Искусственную» силу тяжести используют во многих механизмах. Пример такого механизма — сепаратор. Каж­дый знает, что на поверхности свежего молока по про­шествии некоторого времени появляются сливки. Удель­ный вес сливок меньше удельного веса молока. Земля притягивает сливки слабее, чем молоко, и через некото­рое время сливки будут собираться вверху. Однако для предприятий, перерабатывающих молоко,  этот  процесс слишком медленен. Чтобы ускорить процесс отделения сливок, достаточно увеличить силу тяжести, действующую на молоко. Это достигается быстрым вращением молока в специальном барабане. На молоко действует тогда боль­шая искусственно создаваемая сила тяжести, которая на правлена к стенкам барабана. Под действием этой силы тяжести сливки быстро «поднимаются» к оси вращения, откуда и отводятся.
Такой «искусственно» созданной силой тяжести можно «обмануть» также растения и животных. Более ста лет назад английский ботаник Найт проделал следующий опыт.

Появление силы тяжести при ускоренном движении не должно быть для читателя новостью: он может заме­тить это на каждом шагу.
Когда мотоциклист на большой скорости совершает поворот, то мы не удивляемся тому, что он в это время сильно наклоняется в сторону поворота. Попробуйте-ка удержаться на неподвижном мотоцикле в наклонном положении! Это не удастся, если мотоцикл не движется. Не удастся это и при езде по прямой дороге. Только на кри­вой, где ускоренное движение мотоцикла порождает дополнительную силу (которую мы, согласно принципу эквивалентности, можем назвать силой тяжести), дей­ствующая на мотоциклиста сила тяжести меняет направ­ление. Мотоциклист наклоняет машину так, чтобы дей­ствующая наклонно сила тяжести не могла перевернуть мотоцикл.
«Искусственную» силу тяжести используют во многих механизмах. Пример такого механизма — сепаратор. Каж­дый знает, что на поверхности свежего молока по про­шествии некоторого времени появляются сливки. Удель­ный вес сливок меньше удельного веса молока. Земля притягивает сливки слабее, чем молоко, и через некото­рое время сливки будут собираться вверху. Однако для предприятий, перерабатывающих молоко,  этот  процесс слишком медленен. Чтобы ускорить процесс отделения сливок, достаточно увеличить силу тяжести, действующую на молоко. Это достигается быстрым вращением молока в специальном барабане. На молоко действует тогда боль­шая искусственно создаваемая сила тяжести, которая на правлена к стенкам барабана. Под действием этой силы тяжести сливки быстро «поднимаются» к оси вращения, откуда и отводятся.
Такой «искусственно» созданной силой тяжести можно «обмануть» также растения и животных. Более ста лет назад английский ботаник Найт проделал следующий опыт.
 
Сепаратор и космический корабль
 
Он укрепил цветочные горшки с землей, в которую бы­ли посажены семена бобов, на колесе и при помощи спе­циального механизма быстро вращал колесо. Через неко­торое время он заметил, что бобы пустили ростки и начали быстро расти, но как расти! Стебли бобов были направле­ны к центру колеса, а корни наружу (рис. 47). Нетрудно сообразить, что так и должно быть. Стебли всегда тянутся вверх, т. е. в направлении, противоположном силе тяже­сти. Сила же тяжести, возникающая при вращении коле­са, направлена от его оси к ободу, поэтому стебли должны расти к центру.
Отличить «искусственно» созданную силу тяжести от естественной не могут даже пчелы. Наблюдения показы­вают, что пчелы строят свои соты в улье всегда сверху вниз. Если пчел поместить на долгое время на вращаю­щемся колесе, то они изменят направление постройки сот. Пчелы будут ориентироваться теперь по «искусственной» силе тяжести, которая намного больше.
С «возникновением» и «исчезновением» силы тяжести встречаются космонавты. Всем хорошо знакомы рассказы космонавтов о том, как во время запуска многократно воз­растает вес их тела и все части тела как бы наливаются свинцом. Эту силу тяжести порождает ускоренный взлет космического корабля под действием мощных реактивных двигателей. Когда после выхода корабля на орбиту сила тяжести исчезает, космонавт не чувствует тяжести своего тела, предметы свободно повисают в воздухе, вытряхну­тая из бутылки жидкость превращается в парящий шар. Мы не только неоднократно читали об этом, но могли са­ми видеть это по телевизору непосредственно из космоса.
 
искусственного грави­тационного поля
 
Рис. 48. Одна из воз­можностей создания на космическом корабле искусственного грави­тационного поля. На рисунке изображен по­перечный разрез кораб­ля.
R — реактивные двигатели, которые вызывают враще­ние; стрелка s показывает направление вращения. Ма­ленькие стрелки показы­вают направления действия «искусственной» силы тя­жести
 
Космический корабль, движущийся по орбите, по суще­ству представляет собой описанный нами выше свободно падающий к Земле «ящик». Именно благодаря этому дви­жению на космическом корабле исчезает сила притяжения Земли. То, что космический корабль в своем падении не теряет высоты, обусловлено его большой скоростьюв горизонтальном направлении: космический корабль все время падает к Земле, но в то же самое время отклоняется в сторону настолько, что, образно говоря, падает мимо Земли. В таком непрерывном «падении? мимо Земли» и со­стоит орбитальное движение космического корабля.
В полетах вокруг Земли космонавты проводили много суток в невесомости, и это не повредило их здоровью. Мо­жет ли без ущерба для здоровья состояние невесомости длиться в течение нескольких лет, об этом еще космиче­ская медицина своего слова не сказала. Но уже из накоп­ленного опыта можно сделать заключение, что состояние невесомости в течение длительного времени вряд ли будет
непреодолимой помехой для дальних космических полетов.
Силу тяжести на космическом корабле можно создать с помощью дополнительных ракет, -которые будут вращать корабль вокруг его оси (рис. 48). Подбирая соответствую­щую скорость вращения, можно будет искусственно со­здать гравитационное поле такой же силы, как и на Земле. Например, космический корабль поперечником в 10 м должен совершать для этого один оборот за 4,5 сек.
Особенностью созданной таким образом силы тяжести будет то, что она будет направлена к стенкам корабля. «Искусственно» созданную в космическом корабле силу тяжести нельзя спутать с гравитационным притяжением со стороны других тел. Путешественники космического ко­рабля не будут утверждать, что сила тяжести, которая в этом случае будет везде направлена к стенкам корабля, порождается другими телами. Каждый объяснит такое явление вращением корабля. Не противоречит ли это принципу эквивалентности? Нет, не противоречит. Кос­мические путешественники смогут отличать искусствен­ную силу тяжести от естественной только потому, что они могут наблюдать сразу большую часть пространства — в объеме всей ракеты. Если бы один из космонавтов за­крылся в маленькой камере, откуда ему не было бы видно своих товарищей, то он не мог бы сказать, естественное или искусственное гравитационное поле в его камере, так как во всем ее объеме сила направлена к полу. Если эта камера будет слишком велика, то гравитационное поле во всех точках камеры не будет однородным. Однако если мысленно уменьшить размеры камеры в тысячи и более раз, то когда она станет достаточно малой, гравитацион­ное поле в ней будет однородным. Помещенный в такую «камеру» воображаемый   наблюдатель   уже  ничего  не смог бы сказать о происхождении этого гравитационного поля.
Таким образом, мы пришли к выводу, что в изолированной достаточно маленькой области пространства невоз­можно различить естественную и искусственную силу тя­жести — это и утверждает принцип эквивалентности. Про­тив возможности различать естественную и искусственную силу тяжести в больших областях пространства принцип эквивалентности ничего не говорит.