§ 3. Невесомость

Представим себе космический корабль, свободно движущийся в мировом пространстве, после того, как в некоторый момент (после завершения разгона) ему было придано поступательное (т. е. не вращательное) движение. При поступательном движении все точки тела имеют одинаковые скорости. Представим себе, что корабль состоит из разрозненных деталей. Можно утверждать, что если на корабль действуют одни лишь силы притяжения небесных тел, то скорости различных деталей и в дальнейшем будут одинаковыми, так как хотя они и изменяются, но изменяются в одинаковой степени. Это произойдет потому, что гравитационные ускорения, как говорилось выше, не зависят от масс деталей, расстояния же деталей от центра небесного тела можно считать практически одинаковыми в силу того, что размеры корабля ничтожно малы по сравнению с этими расстояниями.

Отсюда следует, что и траектории отдельных деталей будут одинаковыми, т. е. детали не разойдутся в пространстве. Ясно поэтому, что давление между отдельными деталями будет отсутствовать (это можно доказать и строго математически, исходя из уравнений механики), т. е. будет отсутствовать характерный признак состояния весомости. Космонавт не будет давить на кресло, в котором он сидит, висячая лампа не будет натягивать шнур и т. п. (безопорное состояние)

Мало того, предмет, помещенный внутри кабины (например, карандаш, выпущенный из пальцев космонавта), никуда не упадет, так как его скорость и ускорение будут теми же, что и скорость и ускорение всех других деталей корабля. Он не сможет ни догнать какую-нибудь стенку кабины, ни отстать от нее. Понятия пола

и потолка исчезнут. Падения тел внутри корабля не будет происходить. Притяжение Земли (или другого небесного тела) не будет вмешиваться в перемещения предметов относительно корабля.

Но это значит, что будет отсутствовать столь привычное в нашей повседневной жизни проявление сил притяжения. Оно будет отсутствовать только потому, что космонавт движется, падает вместе с кораблем и карандашом, мы же на поверхности Земли этой возможности лишены.

Таким образом, невесомость на космическом корабле возникает, как это ни парадоксальным может показаться, именно потому, что в свободном полете гравитационные силы имеют полную свободу проявления, так как отсутствуют какие-либо внешние поверхностные силы, действующие на корабль. Наличие же внешних поверхностных сил (силы сопротивления среды, силы реакции опоры или подвеса) — обязательное условие существования состояния весомости.

Итак, тело, свободно и поступательно движущееся под влиянием одних лишь сил тяготения, всегда находится в состоянии невесомости. Примеры: корабль в мировом пространстве; падающий лифт (при обрыве троса); человек, совершающий прыжок, между моментом отрыва от Земли и моментом приземления (сопротивлением воздуха при этом можно пренебречь).

Теперь, когда мы выяснили природу невесомости, уместно будет внести некоторые поправки. Мы все время имели в виду, что гравитационные ускорения отдельных деталей почти (но не в точности) одинаковы, так как расстояния отдельных деталей от притягивающего тела (например, Земли) примерно одинаковы. Фактически все эти неточности ничтожны. Перепад гравитационных ускорений (градиент гравитации) в области пространства, занятой космическим кораблем, ничтожен. Например, на высоте над поверхностью Земли земное гравитационное ускорение уменьшается на на каждый метр высоты. Когда космический корабль длиной располагается вдоль линии, направленной на центр Земли, его нижний конец получает ускорение на 0,00015% больше, чем верхний. И все же эта ничтожная величина, если бы корабль и в самом деле представлял собой «груду разрозненных деталей», привела бы в конце концов к расползанию в пространстве. Но так как корабль фактически представляет собой единое целое, то градиент гравитации лишь стремится развернуть и удержать его вдоль линии, направленной на центр Земли.

Градиент гравитации сильнее сказывается на телах, имеющих значительные размеры. В частности, градиент лунного и меньший по величине градиент солнечного притяжений вызывают приливы в земных океанах.

Таким образом, нарушения невесомости, вызванные наличием градиента гравитации (т. е., по существу, неоднородностью поля тяготения), приводят не к «частичной невесомости», а к совершенно особому состоянию. В состоянии свободного полета в поле тяготения тела несколько (весьма и весьма слабо) растянуты в радиальном направлении.

Из сказанного вытекает, что никакая измерительная аппаратура на борту космического аппарата не способна измерить интенсивность гравитации (т. е. гравитационное ускорение), на каком бы расстоянии от небесного тела аппарат ни находился. Но измерить разность гравитационных ускорений в точках космического аппарата, разделенных некоторым расстоянием (при достаточно больших размерах аппарата), в принципе возможно, хотя для этого и требуются чрезвычайно чувствительные приборы — акселерометры, о которых еще речь впереди (см. § 3 гл. 3). Поскольку эта разность различна в разных точках гравитационного поля, то, измерив ее, можно при заданном поле вычислить для навигационных целей расстояние до небесного тела.