Вы наверняка знакомы с таким природным явлением, как приливы и отливы. Помните мультфильм про приключения капитана Врунгеля?..
Между прочим, высота прилива в некоторых местах планеты достигает весьма впечатляющих величин – скажем, в Канаде, в заливе Фанди, разница уровня моря между приливом и отливом составляет от 16 до18 метров! Так что байка о приключении яхты «Беда» вполне могла иметь место и на самом деле.
Отлив и прилив в заливе Фанди
Многие слышали и про то, что приливы связаны с Луной. Как часто объясняют «на пальцах», «Луна своим притяжением притягивает воду – вот уровень моря и поднимается». Объяснение это не сказать чтобы совсем неправильное, но очень неточное. Те, кто посмекалистее и посообразительнее, сразу же возражают: «А почему тогда приливов и отливов не бывает в речках и прудах? Там Луна воду не притягивает, что ли?». В общем, настоящий ответ звучит несколько сложнее.
Дело в том, что в нашем мире существует сила, которая так и называется: приливная сила. Она связывает между собой не только морские приливы и Луну, она «работает» по всей Вселенной – она воздействует и на звёзды, и на планеты, и на спутники, и даже на нас с вами.
Чтобы понять, как возникает приливная сила, проведём простой физический опыт. Возьмём две одинаковые (равной массы) игрушечные машинки и соединим их пружинкой. Подберём расстояние между машинками так, чтобы пружинка находилась в состоянии упругого равновесия, то есть не сжималась и не растягивалась. Что будет с пружинкой, если оба наши автомобильчика вдруг поедут в одном и том же направлении с одинаковой скоростью? Подумайте. Правильно – ничего с пружинкой не произойдёт. Она как была в состоянии равновесия, так в этом состоянии и останется.
Опыт 1. Силы и скорости равны, пружинка находится в состоянии упругого равновесия
Теперь изменим условия опыта. Пускай у той машинки, которая «позади», сила тяги (то есть скорость) будет чуть-чуть выше. Тогда она начнёт медленно «догонять» машинку, расположенную впереди, а пружинка при этом начнёт... Правильно, сжиматься!
Опыт 2. Сила тяги (скорость) у синей машинки выше - и пружинка сжимается
Ещё раз изменим условия опыта. Теперь пусть «прибавит газу» машинка впереди, а машинка сзади, напротив, «притормозит». Тогда – просто представьте себе эту ситуацию мысленно! – расстояние между машинками начнёт медленно увеличиваться, а пружинка при этом... Совершенно верно, растянется!
Опыт 3. Сила тяги (скорость) выше у красной машинки - и пружинка растягивается
Пока всё просто и понятно, правда? А вот теперь возьмём и отправим наши машинки (вместе с пружинкой) в космос! На околоземную орбиту. И вспомним закон всемирного тяготения Ньютона. Закон этот можно грубо сформулировать так: «Все тела притягиваются между собой. Сила притяжения тем больше, чем больше массы тел, и тем меньше, чем больше расстояние между ними». В данном случае для нас самая важная именно вторая половина закона.
Звучит немножко запутанно? Ничего, разберёмся. Посмотрите на рисунок: красная машинка находится ближе к Земле, чем синяя:
Образование приливной силы сила притяжения выше у красной машинки поскольку она ближе к Земл, - и пружинка растягивается
А значит, сила притяжения между Землёй и красной машинкой будет больше, чем между Землёй и синей машинкой. И тогда – в точности, как в нашем предыдущем опыте! – пружинка между машинками начнёт растягиваться. Вот именно эту силу, растягивающую пружинку под действием гравитации, и называют приливной. Приливная сила – это, если хотите, «производная» от гравитации, её «тень», её «дочка». Везде, где есть гравитационное взаимодействие двух тел определённого (точнее математически: «не бесконечно малого») размера, всегда будет присутствовать приливная сила, которая стремится тело «растянуть», «разорвать» вдоль силовых линий (линий напряжённости) гравитационного поля.
В это сперва трудно поверить, однако приливная сила действует даже на вас – просто когда вы стоите у доски и отвечаете урок! Или на остановке троллейбуса. Раз на вас действует земное притяжение (гравитация) – значит, действует и стремящаяся «вытянуть в высоту» приливная сила. «Почему же я её не замечаю?» – спросите вы. Да потому что ваш вес и рост (по меркам космоса) настолько ничтожны, что и величина приливной силы ничтожно мала. Исчезающе мала. Настолько мала, что её можно не учитывать при любых, даже самых-самых точных расчётах. Скажем, если мы возьмём два волейбольных мяча и поднесём их друг к другу – мы не сможем обнаружить их приливную силу даже на самом-самом суперчувствительном научном оборудовании.
Два волейбольных мяча шарообразны как на расстоянии, так и вблизи друг от друга; их приливные силы ничтожно малы
Однако совершенно другое дело – космос! Планеты, спутники и звёзды обладают уже вполне себе достойными массами, их гравитация в квадриллионы раз сильнее – и вот тут уже приливные силы обнаруживают себя во всей красе! Скажем, если в двойной системе где-нибудь далеко в космосе звёзды располагаются далеко друг от друга, они будут правильными круглыми «мячиками», как мы и привыкли представлять себе звёзды.
В двойной системе две звезды, расположенные далеко друг от друга, имеют шарообразную форму
Однако если звёзды располагаются близко друг от друга, то (в отличие от волейбольных мячей) мощные приливные силы запросто растянут каждую звезду в «яйцо», «дыню» или даже «кабачок»!
В тесной двойной системе две звезды, расположенные вблизи, вытягиваются под действием приливных сил
И астрономы открыли уже тысячи таких тесных двойных систем, в которых звёзды под действием приливных сил сильно деформированы, «измяты». А, скажем, астероид, комета или спутник планеты, которые неосторожно подлетят слишком близко к массивной планете, могут быть приливными силами и вовсе разрушены. Скажем, как комета Шумейкеров-Леви 9 в 1994 году – когда она приблизилась к Юпитеру, за что и «поплатилась».
Комета Шумейкеров Леви 9, разорванная на куски приливными силами Юпитера
Итак, в космосе приливные силы становятся по-настоящему заметными, «могучими». Что произойдёт, скажем, если человек вдруг попадёт в область действия таких громадных приливных сил – скажем, окажется вблизи нейтронной звезды или даже чёрной дыры? Ничего хорошего! Его мгновенно растянет вдоль линий гравитационного поля, как будто он сделан из пластилина, и разорвёт на куски. Впрочем, это не единственный вред, который человеку может нанести очень сильная гравитация – например, наши мышцы не смогут справиться с возросшим многократно весом тела, мы не сможем дышать, как будто нас схватил удав. А ещё наше сердце не сможет гнать кровь по сосудам – слишком она станет тяжёлой. В общем, дорогие дети, помните: гулять и играть вблизи сверхмощных гравитационных полей опасно для здоровья! И если друзья зовут вас побегать в окрестностях нейтронной звезды, лучше благоразумно откажитесь.
Вот теперь можно вернуться из космоса обратно на Землю. На нашу с вами планету действуют приливные силы, вызванные притяжением Луны – как, впрочем, и наоборот, на Луну тоже действуют приливные силы, вызванные Землёй. Однако вытянуть Землю в «дыньку» (как мы это видели в случае с расположенными близко звёздами) у Луны не получится – и гравитация слабовата, и расстояние большое, и – что главное! – Земля твёрдая, прочная. Но... Но у Земли есть ещё и «мягкая» жидкая оболочка – водяная «шуба», гидросфера, мировой океан! И вот эта-то жидкая оболочка под действием приливных сил принимает ту самую слегка вытянутую форму, за счёт чего и формируется огромная (на пол-планеты, 20 000 километров длиной!) приливная волна, которая «следует» за Луной.
Под действием приливных сил Луны земная гидросфера вытягивается в дыньку (масштаб не соблюден)
В результате вода на океанском побережье то прибывает, то отступает – мировой океан как будто бы «дышит». А вот реки, озёра и внутренние моря (типа Чёрного или Балтийского) с мировым океаном связаны через узкие проливы или не связаны вообще, громадной приливной волне туда просто «не влезть». Потому и приливов с отливами там кот наплакал...
«Однако последний вопрос!» – скажет самый-самый дотошный читатель. «Всё это понятно, однако в опыте-то у нас всё-таки были две машинки, соединённые пружинкой! А мировой океан – он один, из воды, цельный, и никаких пружинок в нём не плавает! Как же тогда на него действует приливная сила?». Ну, тут совсем просто, можно было бы и самостоятельно догадаться. Ведь вода в мировом океане на самом деле состоит из крохотных «машинок», простите, то есть молекул («молекула» по-латыни и означает «массочка», «маленькая масса»), связанных между собой силами молекулярного сцепления (как теми самыми пружинками). Теперь понятно?