Неподвижная ракета

Теперь мы, пожалуй, готовы к тому, чтобы вплотную подойти к главному вопросу: движется ракета или нет? Для этого нам понадобится провести еще один опыт и снова следует выбрать для него подходящее место. Если в опытах с палкой мешали окна и пешеходные дорожки, сейчас нам помешает весь земной шар, создающий силу земного притяжения. Поэтому давайте заберемся куда-нибудь подальше в открытый космос, прихватив с собой ракету.

Вспомним, что ракета для нас с вами — просто бутылка, наполненная веществом, способным гореть без участия окружающего воздуха (ведь мы находимся в открытом космосе). А вы не забыли захватить с собой спички? Нет? Тогда можно приступать к эксперименту.

Предоставим ракете свободно и неподвижно висеть в пространстве (для этого нам и понадобился открытый космос), то есть сообщим ей состояние покоя. А теперь подожжем порох, на всякий случай стараясь быть при этом подальше от бутылки. Готово! Из горлышка ударила струя ослепительного пламени. А что происходит с ракетой — движется она или нет?

Весь вопрос в том, что понимать под словами «ракета» и «движется». Если под словом «ракета» понимать систему, состоящую из бутылки и наполняющего ее топлива, а под словом «движется» понимать движение центра масс, ответ совершенно очевиден: конечно, нет. До того как мы подожгли порох, центр масс системы находился в состоянии покоя. Он будет сохранять это состояние и после того, как порох подожгли. Ведь не было никакого другого тела или никакой другой силы взаимодействия, которые могли бы вывести центр масс из состояния покоя.

Итак, центр масс ракеты остается неподвижным. Попробуем представить теперь под словом «движение» — движение отдельных частей системы относительно центра масс. Такое движение действительно будет совершаться. Не станем пока говорить о законах, которым подчиняется движение относительно центра масс, а понаблюдаем, что происходит.

Сама бутылка движется в одном направлении, а струя выброшенных из ее горлышка газов — продуктов сгорания пороха — в противоположном. Художник изобразил все это на очередном рисунке, снова показав для наглядности несколько последовательных положений бутылки и газовой струи.

Глядя на рисунки, мы можем легко вывести и закон движения. Нужно лишь представить себе, что бутылка состоит из множества частиц, обладающих массой, — молекул или, если угодно, дробинок, как в прошлом примере, Струю газа также нужно представить себе состоящей из подобных частиц.

Теперь ясно, какому основному закону должно подчиняться движение всей системы. Бутылка может двигаться лишь таким образом, при котором, во-первых, расстояние от любой ее частицы до центра масс будет обратно пропорционально массе этой частицы и, во-вторых, расстояние от любой другой частицы системы, в том числе и частицы выброшенных газов, до центра масс системы также будет обратно пропорциональным массе этой частицы.

Поясним сказанное более простым примером. Для этого заметим, что единственное свойство ракеты, которое мы смогли подметить, разглядывая рисунок, — это свойство изменять свои размеры, как бы растягиваться в пространстве. Если к тому же вспомнить, что все сказанное раньше относительно центра масс справедливо для любого тела, состоящего из частиц, — твердого, жидкого или газообразного, — то мы можем смело уподобить ракету палке, которая под воздействием ВНУТРЕННИХ сил может увеличивать свою длину. Поместив такую палку в открытый космос на место ракеты, мы не увидим ничего нового. Палка начала удлиняться, ее центр масс остается на месте, а концы отодвигаются от центра масс в разные стороны.

Можно сказать и больше. Если один из концов палки по каким-то причинам оказался тяжелее, он отодвинется на меньшее расстояние, а более легкий конец — на большее расстояние. Сама же палка, понимаемая как единое целое, будет оставаться неподвижной. Зафиксируем некоторый момент времени. К этому моменту легкий конец палки отодвинулся от центра масс несколько дальше, чем тяжелый конец. Но с момента начала эксперимента до момента, в который мы произвели только что сделанные наблюдения, прошло определенное количество времени. За этот период легкий конец прошел большее расстояние, а тяжелый меньшее. Значит, при «ракетном», реактивном, движении более легкое тело или более легкие частицы движутся с большей скоростью.

Все только что сказанное представляет собой словесную формулировку знаменитой формулы Циолковского. Но мы твердо решили обойтись в наших рассказах без математических формул. Заметим лучше другое: из всех литературных героев, перечисленных нами в начале рассказа, ближе всех к решению проблемы путешествия на Луну оказался все-таки барон Мюнхгаузен. Разве ствол растущего бобового растения — не то же самое, что растущая палка?

Переходим к третьему, и последнему эксперименту. Выбрасываем из облюбованного нами уголка открытого космоса растущую палку и помещаем туда цветочный горшок с землей, в которую мы только что посадили бобовое зернышко. Вот оно проросло, вот появляются первые листочки. Длина ствола, как это свойственно бобовым, быстро увеличивается, И что же дальше? Да все то же самое. Центр масс остается неподвижным. В данном случае он расположен где-то внутри цветочного горшка. Ствол отодвигается в одну сторону от центра масс, а горшок —в. другую. Но горшок во много раз тяжелее, поэтому он проходит значительно меньшее расстояние и движется с меньшей скоростью. А легкий ствол и движется быстрее, и конец его уходит дальше. В точности так, как нарисовал художник.

Теперь осталось только посадить на кончик ствола самого барона Мюнхгаузена, и смелый путешественник отправится в путь. Все законы реактивного движения при этом сохраняются. Чтобы не портить, как говорят физики, чистоту эксперимента, иными словами, чтобы добавление к системе барона Мюнхгаузена не подействовало на положение центра масс, попросим нашего героя на время полностью лишиться массы: самый правдивый человек на свете умел вытворять штучки и похлеще.