Давайте поразмышляем над некоторыми примерами круговых движений. Спутник несется по орбите вокруг Земли, велосипедист делает плавный поворот по дорожке велотрека, вы, привязав резинку к ластику, раскрутили его над головой. Будем исследователями и постараемся ответить на вопрос: что удерживает все эти тела на окружности? И как настоящие ученые, мы должны будем прийти к выводу — чьи-то усилия. А именно: тяготение Земли, трение о дорожку, упругое натяжение резинки.
Эта общая особенность движений по закругленным траекториям позволяет делать расчеты во всех случаях, когда что-то надо повернуть: трамваи и поезда, катящиеся по рельсам; автомобили и мотоциклы, мчащиеся по асфальту; конькобежца на ледяном кольце; самолет на вираже... Везде необходимо найти еще и «участников» движения, которые помогли бы нашим телам совершить поворот. Нетрудно обнаружить, что их усилия будут тем меньше, чем медленнее движется тело или чем поворот плавнее.
Оказывается, что в гигантских «микроскопах» современной физики — ускорителях частиц — ученым приходится сталкиваться с похожей задачей. Мельчайшие частички материи разгоняют до таких огромных скоростей, что для поворота им нужны очень плавные дуги. Из-за этого кольца ускорителей приходится делать очень большими — десятки километров по окружности. Кое-где такие ускорители проходят даже по территориям двух стран.
Поскольку подобный ускоритель — чрезвычайно громоздкое сооружение, его в некоторых случаях решают упрятать под землю. Для этого применяют специальные проходческие машины, сходные с теми, что прокладывают туннель для поездов метро. Точность, с которой работают эти механизмы, необыкновенно высока. Например, проходя туннель с дйух сторон, они способны состыковаться, отклонившись друг от друга буквально на миллиметры.
Вот пример, как на решение одной важной задачи приходится собирать силы самых разных разделов науки и техники.
Как сделать "мертвую петлю"?
Раскрутим ластик, привязанный на резинке так, чтобы он двигался на одной и той же высоте. Иными словами — в горизонтальной плоскости.
Теперь плавно начнем разворачивать эту плоскость, пока она не станет вертикальной. Наша рука почувствует, что в отличие от первого случая, сила натяжения резинки теперь непостоянна. Ну-ка, последим вместе: ластик пошел вверх — резинка ослабевает, устремился вниз — натягивается сильнее.
А что если мы сами все слабее станем натягивать резинку? Увы, — ластик в какой-то момент «не дотянет» до высшей точки и свалится вниз. Как говорится, сойдет с дистанции.
Что же нужно ластику, чтобы не срываться? И ему, и гимнасту на перекладине, и шарику, катящемуся по изогнутому петлей желобу, и самолету, входящему в «мертвую петлю», нужен запас скорости. Иначе говоря, наше тело необходимо разогнать, потому что, как только оно начнет подниматься вверх, скорость его станет убывать.
Эту связь можно установить, раскачивая маятник или качели. Чем сильнее вы их толкаете, тем выше они поднимаются. И при каком-то, достаточно сильном толчке, — р- раз! — «перевернутся через голову». Точно так же для совершения «мертвой петли» летчик разгоняет свой самолет до большой скорости и взмывает вверх. Для того чтобы быть уверенным в успехе, необходим очень точный расчет. Именно знания, помимо смелости и отваги, позволили российскому летчику Петру Нестерову совершить в 1913 году первую «мертвую петлю» на самолете.
Если же летчик продолжит свое кружение в «петле», то, как и ластик на резинке, он будет ощущать то уменьшение (при наборе высоты), то увеличение (при спуске) своего веса, то есть многократные перегрузки.