Невозможные детские качели

В детстве качались на качелях? Помните, как раскачивались чуть не до неба, приседая в самой верхней точке амплитуды и распрямляясь в самой нижней ее точке? 

Казалось, что еще немного и качели вообще стали бы крутиться колесом вокруг оси. На детских качелях такое невозможно из-за особого устройства оси, зато у космонавтов на их тренажерах это ограничение отсутствует. А ведь согласно законам академической науки, так раскачаться только собственными силами принципиально не достижимо, законы это запрещают. Но качели не знают законов классической науки, да и мы в детстве их не знали, поэтому не обращали внимания на строгие академические ограничения и развлекались от души.

Возможно, многим известен такой термин «инерциоид». Это небольшая платформочка с четырьмя колесиками, на которой установлены всякие рычажки, шестеренки, эксцентрики и прочие механические прибамбасы. При этом никакого привода на колесики быть не должно. Идея инерциоида состоит в том, чтобы только за счет внутренних сил всех этих рычажков и эксцентриков добиться устойчивого поступательного движения всей системы. Иногда это удается. Это происходит, когда эксцентрики вращаются таким образом, что платформочка, на которой они установлены, немного подпрыгивает в воздух и одновременно с этим слегка продвигается вперед. Дальнейшее вращение эксцентрика прижимает платформочку к земле и она не может вернуться в исходное положение из-за силы трения. Такими небольшими прыжками платформочка и продвигается вперед. Но если ее установить на небольшой плотик, а сам плотик поместить в ванну с водой, вся система будет совершать колебательные движения взад-вперед, но поступательного движения мы уже не увидим.

Согласно твердо установленным законам механики, для совершения поступательного движения в системе обязательно должна действовать некоторая внешняя сила. Чаще всего в качестве такой внешней силы выступают силы трения. И в случае нашего инерциоида тоже. Но когда мы устанавливаем инерциоид на водяной плотик, сила трения становится настолько незначительной, что обеспечить поступательное движение системы уже не может.

Скептик может возразить на это тем, что реактивное движение ракеты в безвоздушном пространстве происходит без использования внешних сил трения только за счет внутренних сил. И он будет полностью прав. Ракета действительно движется в пространстве поступательно только за счет действия внутренних сил. Зато центр тяжести «ракета + выхлопные газы» остается на месте и никуда не движется. Поэтому запрет на поступательное движение системы только за счет действия внутренних сил работает в том числе и для реактивного движения.

Возвращаемся к детским качелям. Они являются разновидностью инерциоида. Когда мы приседаем в самой верхней точке амплитуды и распрямляемся в самой нижней ее точке, мы используем для движения только внутренние силы. Конечно, трение на самой оси имеется, но оно настолько мало (особенно, если взрослые дяденьки не пожалели смазки), что повлиять на результат никак не может. Вот если нас будет подталкивать папа, стоящий рядом на земле, тогда все в порядке. Папа законам физики не противоречит, так как выступает в качестве внешней силы для нас. Но папа отсутствует (может, за пивом пошел?) и мы должны раскачиваться самостоятельно только собственными усилиями.

Иногда это противоречие между практикой и вроде бы твердо установленными законами классической механики пытаются объяснить влиянием гравитации. На первый взгляд идея здравая, ведь качели опускаются вниз под действием гравитационных сил, которые являются внешними для качелей. Но только на первый взгляд. Гравитационное поле является разновидностью потенциальных полей, а для потенциального поля справедливо так называемое правило нулевой работы, сформулированное немецким физиком и математиком Карлом Гауссом в середине 19го века. Согласно этому правилу, когда перемещаемый по контуру рабочий орган приходит в начальную точку старта и тем самым замыкает контур, его энергия всегда равна начальной энергии независимо от формы траектории. Следовательно, общее изменение энергии рабочего органа равно нулю, то есть энергия из поля не извлекается и полезная работа не совершается.

Надо сказать, что Карл Гаусс не заметил одной важной особенности, характерной для гравитационного поля, и изменяющей сделанный им вывод на противоположный: в гравитационном поле часто возникает выталкивающая сила Архимеда. Это случается, когда присутствует некоторая внешняя материальная среда: жидкость или газ. Даже сейчас, когда кто-то читает этот материал, на него действует выталкивающая сила Архимеда со стороны окружающего воздуха. Она может быть очень мала и мы ее практически не замечаем, но именно наличие этой дополнительной силы позволяет обойти запрет Гаусса на извлечение энергии из гравитационного поля. Для этого нужно сделать силу Архимеда меняющейся, что легко достигается изменением фазового состояния циркулирующего по контуру рабочего органа. То есть нужно сделать так, чтобы на одних участках траектории рабочий орган двигался в форме жидкости, а на других участках в форме пара.

Но когда мы раскачиваемся на качелях, мы своего фазового состояния не меняем и всегда остаемся в форме твердого тела из плоти, крови и костей с небольшим добавлением серого вещества в голове (говорят, что у некоторых индивидуумов серое вещество может отсутствовать, но это не влияет на общие законы физики). Таким образом, гравитационное поле в таком колебательном движении своей энергии не отдает. Поэтому только с помощью гравитационного поля раскачаться на качелях так, как мы делали это в детстве, не удастся.

И тогда остается последняя возможность спасти законы физики: физический вакуум. Те, кто не знаком с основами квантовой механики, часто путают физический вакуум с техническим, что ни в коем случае нельзя делать. Технический вакуум — синоним пустоты. Удаляя все молекулы воздуха из сосуда, мы создаем в нем технический вакуум. Физический вакуум — это термин для обозначения особой невидимой, но реально существующей среды, которая равномерно заполняет все пространство Вселенной и отвечает за большинство процессов на квантовом уровне (или даже за все процессы).

До самого последнего времени полагали, будто энергия физвакуума настолько мала, что извлечь ее из вакуума невозможно. Но с открытием в астрономии темной энергии ситуация стала меняться. Сегодня наиболее признанной гипотезой о природе темной энергии считается гипотеза космологической постоянной (по крайней мере, все астрономические наблюдения свидетельствуют именно в ее пользу). А эта гипотеза требует, чтобы физический вакуум имел не нулевые значения плотности, энергии и давления. Насколько не нулевые — пока идут споры. Астрономы на основе своих измерений говорят об очень малой плотности энергии порядка 10(-9) дж/куб.метр. Зато все расчеты по теориям квантового поля дают порядок энергии 10(112) дж/куб.метр. Разница между расчетами и измерениями в 120 порядков — это максимальное расхождение между теорией и экспериментом за всю историю земной науки. И никто пока не может сказать, чем обусловлена столь огромная разность.

Я обошелся без квантовых заморочек, все мои расчеты опирались на законы классической механики. И получил следующий порядок цифр: плотность энергии вакуума составляет 2.45х10(72) дж/куб.метр как минимум и 1.2х10(112) дж/куб.метр как максимум. Последняя величина очень хорошо соответствует тому, что дают другие физики, использующие законы квантовой механики. Для наглядности можно привести такие цифры: когда взрывается сверхновая звезда, выделяется энергия всего 10(53) — 10(54) дж. Таким образом даже в минимальном случае вакуумная энергия, заключенная в одном кубическом метре пустого пространства, превышает энергию взрыва сверхновой звезды в миллиард миллиардов раз. А для максимального варианта превышение оказывается настолько огромным, что для его обозначения названия пока не придумали.

Если мои расчеты и расчеты других физиков дают правильные результаты, тогда физический вакуум перестает быть пустотой, как его часто представляют, и все больше приобретает черты того самого светоносного эфира, который в свое время не смогли найти американские физики Майкельсон и Морли и от которого отказался Альберт Эйнштейн при создании специальной теории относительности. Но мало кто знает, что при создании общей теории относительности Эйнштейн снова заговорил о необходимости введения в физику понятия светоносного эфира. Однако, его не услышали. А зря.

Эйнштейн был полностью прав и когда отбрасывал эфир при создании СТО, и когда возвращал его при создании ОТО. Все дело в том, что СТО оперирует с равномерными скоростями, хоть и очень большими. Зато ОТО имеет дело со скоростями неравномерными. А эфир (или физический вакуум) взаимодействует с материальными телами только при неравномерных скоростях в полном соответствии с законами классической механики. Поэтому в СТО он себя никак не проявляет и его можно считать как бы не существующим (мы при изучении законов классической механики тоже не учитываем атомарную природу движущихся тел, однако это не влияет на результаты). Но в ОТО эфир уже необходимо учитывать, так как он начинает взаимодействовать с телами. В математическом плане это делают с помощью искривления пространственно-временного континуума. А физический смысл такого искривления состоит в деформации структуры окружающего нас эфира.

Оказалось, что сила инерции является реакцией эфира (или физического вакуума) на вносимую в него деформацию. Когда мы сидим в автомобиле и давим на педаль газа, мы ускоренным движением гравитационного поля своего организма деформируем структуру окружающего эфира (или физвакуума), а он реагирует на это созданием сил инерции, которые тянут нас назад, чтобы оставить в состоянии покоя и тем самым исключить вносимую в него деформацию. И точно такую же силу инерции эфир-физвакуум создает при нашем торможении, чтобы оставить нас в состоянии равномерно-прямолинейного движения, когда деформация также отсутствует. А возникающие при вращении центростремительная и центробежная силы являются разновидностью инерционных сил и возникают они по той же причине, почему возникает сила инерции.

Вращение является разновидностью неравномерного движения даже при постоянной линейной скорости, так как при вращении постоянно меняется положение вектора скорости в пространстве. Поэтому вращательное движение материального предмета также деформирует структуру окружающего нас эфира-физвакуума, а он реагирует на это созданием центробежных сил, которые всегда направлены так, чтобы распрямить траекторию вращения и сделать движение равномерно-прямолинейным, когда деформация отсутствует.

И теперь мы вплотную подобрались к разгадке наших качелей. Движение качелей вверх-вниз и вперед-назад является разновидностью вращательного движения, при котором возникают центробежная и центростремительная силы. Теперь вспомним, как записывается формула центробежной силы: F = mw2r, где m — масса, w — угловая скорость, r — радиус вращения. Когда мы в самой верхней точке амплитуды присаживаемся, мы смещаем центр тяжести вниз и увеличиваем радиус r. Поэтому центробежная сила растет. А так как эта сила порождается физическим вакуумом, то получается, что физвакуум совершает повышенную работу, чтобы исключить деформацию, вносимую в него нами с помощью раскачивающихся качелей. И вследствие увеличения работы растет амплитуда раскачиваний.

Если я прав в своих размышлениях, тогда на этом принципе можно построить самый настоящий вечный двигатель, который будет преобразовывать энергию вакуума в полезную работу. И что самое интригующее, похожий двигатель был построен еще в 18 веке. Он называется колесо Орфиреуса. Или колесо Бесслера. Но на эту тему нужно писать отдельную большую статью.