В чем проявляется на Земле наш вес? В том, что опора, на которой мы находимся — пол, стул, почва и т. д., — мешает нам падать к центру Земли, в котором мы обязательно очутились бы под действием силы тяготения, если бы у нас не было опоры. Сила давления, которое мы оказываем на опору, и есть наш вес. Если угодно, эту силу можно измерить: для этого достаточно подложить под опору мощную пружину. Под действием нашего веса пружина сожмется, и если мы знаем, какая сила нужна для такого сжатия, то тем самым узнаем и наш вес.
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.
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.
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.
Конечно, аналогия искусственной тяжести, возникающей при вращении спутника, с настоящей тяжестью будет неполной. Пока пассажиры будут находиться в покое, никакого различия между искусственной и настоящей тяжестью они установить не смогут, но стоит им начать двигаться или вступить во взаимодействие с движущимися предметами, как сразу же возникнут необъяснимые на первый взгляд явления.
Представьте себе, что вы лежите на койке в каюте спутника, на котором создана искусственная тяжесть вращением спутника вокруг оси. Примерно в метре от вас на стене висит барометр. Вдруг он срывается со стены — обломился крючок. Вы сохраняете спокойствие — барометр упадет на почтительном расстоянии, вам ничто не грозит. Но увы, так было бы на Земле, где предметы имеют обыкновение падать по вертикали, отвесно. За незнание особенностей жизни на спутнике с искусственно созданной тяжестью вы сейчас же наказываетесь — падающий барометр описывает какую-то чудодейственную кривую и… обрушивается на вашу голову. Потирая ушиб, вы изучаете таинственный барометр, пытаясь выяснить причину столь необъяснимого поведения. Конечно, опыт должен быть повторен, иначе разгадку не найти.
Результаты первого невольного опыта еще так впечатляюще живы в вашей памяти, что на этот раз вы избираете более невинный объект для исследований — мячик для настольного тенниса. Вы решаете бросить его вверх — интересно, что случится с мячиком, полетит ли он действительно к потолку или тоже начнет куролесить по каюте. Ну так и есть, опять загадка! Мячик долетает до потолка, но стукается об него совсем не там, где это случилось бы в обычных условиях на Земле, а в стороне на метр с лишним, описывая в воздухе кривую. Но что это? Отскочив от потолка, мячик летит совсем не по прежней кривой, он вычерчивает в воздухе какую-то замкнутую фигуру и… шлепается прямо вам в руки. Что за чудеса?
Подумав, вы начинаете понимать, в чем дело. Вы вспоминаете, как гигантский маятник, подвешенный под куполом Исаакиевского собора в Ленинграде, на ваших глазах начинал отклоняться от вертикали, уходя от нанесенной на полу черты все дальше на восток. Ведь этот маятник Фуко, как его называют, служит одним из доказательств вращения Земли — не то же ли самое происходит и на спутнике, вращающемся вокруг оси? Все эти непонятные явления на спутнике связаны с действием силы инерции, всегда появляющейся при движении во вращающейся системе и носящей название силы Кориолиса, по имени открывшего ее итальянского ученого. Эта же сила вызывает такие грозные и важные для всей жизни на Земле явления, как циклоны и антициклоны, она отклоняет течение рек и т. д.
Вам все стало бы сразу ясно, если бы вы наблюдали за всеми событиями на спутнике, находясь не внутри, а вне его. При таком взгляде со стороны вы увидели бы, как барометр, сорвавшийся со стены, стал двигаться вовсе не вертикально вниз, как это было бы в условиях нормального тяготения, а полетел бы в сторону. Понятно, почему это так: падающий барометр движется со скоростью, которую имел поддерживавший его крючок. С интересом глядя на дальнейшие события, развертывающиеся в каюте спутника, вы видели бы, как каюта вращается вместе со всем спутником, и так как пол каюты находится на большем расстоянии от оси вращения, чем крючок, на котором висел барометр, то он движется с большей скоростью, чем этот крючок. Именно поэтому барометр упал не по вертикали, а отклонился в сторону, противоположную направлению вращения спутника (как пол Исаакиевского собора отстал от маятника). Ну, то, что он угодил как раз в вашу голову, не более чем невезение! Конечно, со временем обитатели спутника могли бы привыкнуть к особенностям искусственной «тяжести». Правда, для этого требуется одно необходимое условие — угловая скорость вращения должна быть достаточно мала, чтобы не вызывать раздражения вестибулярного аппарата пассажиров спутника.
Нужно сказать, что вращение спутника связано со многими неудобствами — его конструктивным усложнением, затруднениями в отношении ведения научных наблюдений, в особенности астрономических, и другими. Только доказанная на опыте необходимость в создании искусственной «тяжести» для того, чтобы человеческий организм мог нормально функционировать в течение длительного времени (об этой проблеме см. главу 21), заставит пойти на введение такого вращения.
Как же будут выглядеть искусственные спутники Земли, населенные людьми, — «эфирные жилища», как называл их Циолковский? В настоящее время уже разработано много проектов таких спутников и все время появляются новые проекты. Одни из них более обоснованны, другие — менее, одни рассчитаны на ближайшее будущее, другие — на более отдаленное.
По-разному представляют себе различные ученые, инженеры и изобретатели внешний вид и устройство межпланетной станции. Циолковский предлагал станцию в виде цилиндра с полусферами на концах — этот конструктивный элемент повторяется в различных вариациях во многих предложениях. По Кондратюку, станция должна представлять собой конструкцию из четырех частей, соединенных фермами. Предлагались станции в виде шара, колеса, сигары, различных сложных геометрических тел.
Одной из наиболее напрашивающихся форм спутника является шар: он потребует наименьшего расхода конструкционных материалов и представит ряд других удобств. Шар диаметром 20 метров должен делать 5-10 оборотов в минуту вокруг своей оси, чтобы вес на нем (у «экватора») равнялся земному или был вдвое меньше его.
Популярна идея создания спутника в виде огромного колеса, «бублика», или тора, как называют тело такой формы в геометрии. Это колесо может иметь сравнительно большой диаметр, 60–70 метров, и поэтому вращаться относительно своей оси с небольшой скоростью, например всего в 2–3 раза быстрее секундной стрелки. Для обитателей такого колеса его внешний обод был бы полом, а внутренний — потолком.
Имеются предложения построить спутник в виде гигантских гантелей. Две большие пассажирские кабины (или только одна из них пассажирская) соединены в этом случае трубой и вращаются вокруг общего центра массы. Иногда соединительная труба между пассажирскими кабинами заменяется просто тросами, как это предложил еще Циолковский.