Рис. 5. В различных частях земного шара направление «вниз» будет различное.

Таким образом, по отношению ко всей Земле в целом, никакого направления «вниз» не существует. Тем самым становится ясным бессмысленность предположения, что вся наша Земля может упасть куда-то «вниз». Ведь наше обыденное направление «вниз» есть, как мы видели, направление к земному центру. Так что, если бы Земля падала «вниз», то это означало бы только, что она падает по направлению к своему же собственному центру. А это уже полная нелепость.

Однако из того, что Земля наша не может падать куда-то «вниз», совсем ещё не следует, что она остаётся неподвижной. В следующей главе мы как раз узнаем, что Земля не только двигается, но даже падает. Только падает она не «вниз», а по направлению к Солнцу. И падает так, что никогда на него не упадёт.

4. Можно ли падать так, чтобы никогда не упасть?

Мы уже видели, что даже такие простые понятия, как вес и направление вниз, если в них вдуматься, позволяют сделать ряд интересных выводов. Теперь мы разберёмся в том, что означает слово «падать». Казалось бы и здесь всё ясно и просто. Мы привыкли говорить, что какое-нибудь тело падает, когда оно под влиянием силы собственной тяжести летит вниз, на Землю. И мы, конечно, всегда уверены в том, что раз тело начало своё падение, то оно, рано или поздно, обязательно упадёт на поверхность Земли. Вопрос только во времени. Если тело падает с небольшой высоты, то оно упадёт быстро, а если с большой, то оно будет падать немного дольше. Вот и всё.

Но на самом деле и здесь всё происходит совсем не так просто, как кажется сначала, когда мы, не продумав явление до конца, полагаемся только на наш маленький житейский опыт. Житейский опыт, который сплошь и рядом нам помогает в жизни, здесь оказывается несостоятельным. Мы в этом убедимся, как только станем рассматривать явление падения тел так, как это делает наука, т. е. со всей строгостью и не упуская из внимания никаких «мелочей», которые часто приводят учёных к величайшим открытиям.

Изучением падения тел на Землю занимается наука о движении — механика. Наш повседневный опыт часто отступает назад перед неоспоримыми доводами этой науки. Пример этому и даёт явление падения тел.

Что говорит нам житейский опыт? Он говорит, что всякое тело, если оно падает, обязательно упадёт вниз, на Землю. А вот механика учит, что падающее тело может никогда не упасть на Землю и даже при некоторых условиях вовсе улететь прочь от Земли.

Для того чтобы разобраться как следует в явлении падения тел, нам нужно познакомиться с двумя законами движения тел: с законом инерции и с законом сложения движений.

С проявлением закона инерции нам приходится сталкиваться на каждом шагу. Когда вагоновожатый трамвая резко тормозит вагон, все пассажиры испытывают обычно сильный толчок вперёд. Кто из нас не знает этого?

Такой толчок и происходит как раз вследствие закона инерции. Пока вагоновожатый не тормозит, мы, находясь в вагоне, катимся вперёд с некоторой скоростью. Когда же благодаря торможению вагон сразу останавливается, то тело каждого пассажира в первое мгновение по закону инерции продолжает своё движение с прежней скоростью. В результате пассажиры наклоняются или падают вперёд. И наоборот, если вожатый сразу даёт большую скорость, то пассажиры наклоняются или падают назад, так как они имели до включения мотора меньшую скорость и стремятся по закону инерции её сохранить.

Закон инерции тел формулируется так:

«Если какое-нибудь тело движется по прямой линии с постоянной скоростью (т. е. проходит в равные промежутки времени одинаковые расстояния), то оно будет сохранять такое движение до тех пор, пока какая-нибудь сила это движение не изменит».

Второй закон — закон сложения движений — применяется в тех случаях, когда какое-либо тело участвует одновременно в двух разных движениях. Возьмём, например, человека в лодке, гребущего поперёк реки с быстрым течением. В этом случае лодка имеет два различных движения. С одной стороны, сила гребца заставляет лодку двигаться поперёк реки, а с другой, — течение воды в то же самое время увлекает её вдоль реки. В результате лодка никогда не придёт на другой берег прямо против того места, откуда она отчалила, течением её снесёт вниз, и чем сильнее это течение, тем дальше снесёт лодку.

Чтобы лучше понять это, посмотрите на рисунок 6. Здесь буква А обозначает то место, откуда отчалила лодка. Если бы течения реки не было, и лодка плыла лишь благодаря силе гребца, то она пристала бы к месту, обозначенному буквой Б, находящемуся на другом берегу прямо против места А. Но вода в реке всё время течёт в одну сторону и лодку относит вниз по течению. Если бы гребец совсем не грёб, а пустил лодку плыть по течению, то лодка приплыла бы к месту, обозначенному буквой Г. На самом деле лодка участвует одновременно в обоих этих движениях и потому придёт не к месту Б и не к месту Г, а к месту В, которое находится на конце диагонали ВА прямоугольника АБВГ (рис. 6).

Рис. 6. Прибор сложения движений.

То что мы сказали о движении лодки, можно применить и к любому другому телу (предмету). Это и есть закон сложения движений; формулируется он так:

«Если какое-нибудь тело имеет одновременно два движения, направленных перпендикулярно друг другу, то действительное его движение будет направлено по диагонали прямоугольника, образованного этими движениями».

Рассмотрим теперь, помня эти два закона движения, явление падения тел.

Допустим, что мы, стоя на балконе какого-нибудь здания, бросаем вниз камень. Если мы выпустим этот камень из рук, не сообщив ему никакого толчка, то он упадёт прямо вниз. Отметим на земле место его падения.

Если мы теперь повторим опыт, но на этот раз не просто выпустим камень из рук, а бросим его вперёд, прочь от здания, то он упадёт уже не на прежнее место, а дальше от здания. И чем с большей силой мы бросим этот камень, тем дальше от основания здания он упадёт.

Мы можем также выстрелить из винтовки; и в этом случае пуля, подобно камню, также упадёт на Землю, но упадёт на расстоянии нескольких километров от нас.

Причину всего этого нетрудно понять. Если бы Земля не притягивала камень, то по закону инерции камень после полученного им толчка должен был бы продолжать лететь по тому же самому направлению и с той же самой скоростью, которые мы ему сообщили с толчком. Но в действительности на камень действует ещё сила тяжести, всегда направленная отвесно вниз. И если бы нашего толчка не было, то камень падал бы вертикально, по закону земного тяготения. При толчке же камень получает одновременно два движения: он летит от нашего толчка вперёд, — параллельно земной поверхности, а от действия силы тяжести летит вниз. В результате происходит сложение этих двух движений, и действительное движение камня будет направлено по диагонали. Это сложение показано на рисунке 7. Для простоты на рисунке взято расстояние, пролетаемое телом за одну секунду времени; это расстояние в механике называется скоростью. Тогда у нас вместо сложения движений получается сложение скоростей. Остальное ясно из чертежа и не требует дальнейших пояснений.

Рис. 7. Сложение движений при падении горизонтально брошенного тела.

Нетрудно сообразить, что чем больше будет горизонтальная скорость (по направлению вперёд), тем более пологим будет действительное движение тела. Наоборот, чем больше будет скорость падения, тем действительное движение тела будет направлено более круто по отношению к поверхности Земли.