Уберем опору из-под наших ног — и мы сейчас же начнем падать к центру Земли. Мы будем падать все быстрее и быстрее; скорость нашего падения будет стремительно расти — каждую секунду она будет увеличиваться почти на 10 метров в секунду, если не учитывать сопротивления воздуха. Это и есть ускорение свободного падения.
Что же произойдет с пружиной, если мы вместе с опорой действительно окажемся в состоянии свободного падения, то есть будем свободно, без каких бы то ни было помех, падать к центру Земли? Очевидно, что пружина не будет более сжата, так как опора уже не препятствует нам падать.
Можно представить себе и другие случаи падения, когда пружина будет все-таки сжата, но слабее, чем вначале, — например, такой случай, когда пружина сжата наполовину слабее и мы, значит, весим вдвое меньше обычного. Очевидно, для этого мы должны падать к центру Земли, но не с ускорением свободного падения, а с вдвое меньшим ускорением — наша скорость должна увеличиваться каждую секунду только на 5 метров в секунду.
А может ли пружина сжаться сильнее, чем вначале, можем ли мы весить больше, чем обычно? Очевидно, да, только для этого мы должны вместе с опорой «падать вверх», должны удаляться от центра Земли со все растущей скоростью. Так будет, например, при взлете межпланетного корабля (вспомните пушку Жюля Верна).
Выходит, что по сжатию пружины мы можем судить о величине и направлении ускорения нашего движения, а это часто бывает необходимо, и не только в астронавтике. На этом принципе устроен очень важный прибор — акселерометр, измеритель ускорений. Без этого прибора не тронется в путь ни один межпланетный корабль. В акселерометре массивное кольцо скользит по гладкому штифту, опираясь на пружину. С кольцом связана стрелка, указывающая степень сжатия пружины и, следовательно, величину ускорения движения акселерометра.
Прибор, позволяющий судить об ускорении межпланетного корабля и о том, сколько весят его пассажиры. Этот прибор называется акселерометром — «измерителем ускорения». Слева — корабль неподвижен или движется с постоянной скоростью. Стрелка акселерометра показывает 1, вес пассажиров обычный. В середине — корабль взлетает, его скорость непрерывно увеличивается. Стрелка акселерометра показывает 4, это значит, что пассажиры весят в 4 раза больше обычного. Справа — корабль летит с остановленным двигателем, следовательно, свободно падает на Землю. Кольцо акселерометра, а значит, и пассажиры корабля ничего не весят. Стрелка показывает 0.Вот наш акселерометр установлен на ракете. Сначала ракета стоит неподвижно на Земле — стрелка показывает на единицу. Это значит, что на пружину акселерометра действует только обычный вес кольца. Теперь ракета взлетает — пружина сжата, и стрелка показывает уже не 1, а, допустим, 4. Это значит, что ускорение взлетающей ракеты в 4 раза больше ускорения свободного падения, вес кольца в 4 раза превышает обычный.[59] Но вот двигатель ракеты остановился, и она сейчас же начала свободно падать на Землю (конечно, при этом вначале она будет продолжать двигаться вверх за счет накопленной скорости, затем на мгновение остановится и потом начнет движение вниз, к Земле) — стрелка акселерометра показывает на нуль; теперь пружина уже вовсе не сжата, кольцо ничего не весит.
Как происходит сгорание капли топлива в условиях невесомости: вверху — фотографии пламени при сгорании капли, внизу — фотографии газов и нагретого воздуха у горящей капли; а — в обычных условиях; б — при невесомости.То же самое происходит и на спутнике, ибо и он со всем содержимым свободно падает на Землю — все, как говорил Циолковский, увлекается на спутнике одним потоком. На таком спутнике все невесомо. Эго делает жизнь на нем не только очень необычной, но, надо признаться, и малоприятной. Вероятно (как об этом будет сказано ниже, в главе 21, специально посвященной этому важнейшему для всей проблемы межпланетных сообщений вопросу), человек не сможет находиться долгое время в условиях невесомости, и потому придется принимать меры для создания искусственной тяжести на спутнике.
Из-за отсутствия веса на спутнике исчезнет представление о том, где верх и где низ, столь привычное для жителей Земли.
Для того чтобы все-таки ходить на ногах, а не на голове, может быть, придется снабжать подошвы ботинок сильными магнитными подковками. Впрочем, понятие «ходить» в этих условиях тоже наполняется необычным смыслом. Мы можем передвигаться по Земле благодаря наличию трения между подошвами и почвой, но это трение возникает только потому, что нас прижимает к почве наш вес. Если нет веса, то нет и трения, и обычное хождение будет невозможным. Вероятно, стены кают и коридоров на спутнике придется снабдить множеством ручек и петель, чтобы люди могли передвигаться с их помощью. Эти стены, а также пол и потолок (впрочем, это разделение становится в данном случае весьма условным) придется покрыть толстым слоем мягкой обивки, иначе неосторожные движения обитателей спутника, которые способны унести их в самом неожиданном направлении, могут закончиться для них ссадинами и ушибами.
У нас на Земле сила тяжести осуществляет непрерывное тепловое перемешивание атмосферы. Если не предусмотреть на спутнике хитроумной вентиляции всех помещений, то люди будут задыхаться в продуктах своего собственного дыхания, мучиться от жары, «закутанные» в неподвижный слой нагретого их телом воздуха, а спичка или папироса погаснут из-за отсутствия кислорода. Это и наблюдалось в опытах, поставленных для изучения сгорания в условиях невесомости. Для этих опытов использовалась специальная стеклянная камера, внутри которой происходило сгорание капли топлива. Когда камера была неподвижной, то пламя горящей капли было обычным, но если капля горела в свободно падающей камере (эту камеру просто сбрасывали с некоторой высоты), то пламя свертывалось в шар и вскоре гасло. Чтобы раскрыть причины этого, с помощью специальных приборов фотографировали обычно невидимый воздух у горящей капли, и все сразу стало ясным. Когда камера была неподвижна, то образующиеся у самой капли продукты сгорания быстро поднимались кверху, так как они легче окружающего более холодного воздуха. Иное дело — в свободно падающей камере. Здесь веса нет, и потому продукты сгорания продолжают оставаться у горящей капли, укутывая ее шаровой газовой подушкой, не позволяющей свежему воздуху подойти к капле. Понятно, что сгорание капли вследствие этого прекращалось.
Попить на «невесомом» спутнике можно, лишь всасывая жидкость через специальные трубки или же пользуясь пластмассовыми тюбиками, вроде употребляемых для зубной пасты, из которых жидкость можно выдавливать прямо в рот. Ведь из опрокинутого графина вода не выльется в подставленный стакан, а если ее все-таки вытряхнуть туда, то она не заполнит его, как мы к этому привыкли на Земле, а расползется слоем по его стенкам или же соберется под действием поверхностного натяжения в шар. Неосторожное движение — и различных размеров шарики воды, супа или какао начнут передвигаться внутри кабины по всевозможным направлениям. Такие летающие шарики воды можно было видеть, когда демонстрировался фильм, снятый на самолете во время исследования невесомости. Впрочем, в другом аналогичном фильме «летал» в кабине уже сам летчик, точнее — пассажир самолета.
Вот почему организация питания Лайки на втором советском искусственном спутнике была совсем не простым делом. Нужно было в строго определенное время, в соответствии с предварительной тренировкой, выдвигать перед собакой специальные сосуды с пищей (впрочем, путем тренировки можно приучить собаку пользоваться постоянными сосудами).
Но, надо думать, на спутнике будет создана искусственная «тяжесть» и его обитателям не придется испытывать «экзотических» переживаний. Во всяком случае, авторы довольно многочисленных уже проектов спутников стремятся преодолеть невесомость на них, создать искусственное ощущение тяжести. Для этого предлагается единственно возможное средство — вращение.
В главе 3 уже шла речь об инерционных перегрузках, возникающих, когда скорость движения резко изменяет свою величину или направление. Эти перегрузки могут во много раз увеличить наш вес, когда происходит взлет космического корабля, но они же могут и восстановить вес, когда он исчезнет на спутнике. Для этого надо заставить спутник вращаться так, чтобы возникающее при вращении ускорение было равно ускорению земного притяжения. Впрочем, это ускорение может быть и меньшим, тогда вес на искусственной планете будет меньше земного и равен, допустим, весу на Марсе или Луне. Идея создания искусственной тяжести в виде силы инерции, возникающей при вращении, принадлежит также Циолковскому.
