Налейте в стакан смесь воды со спиртом в такой пропорции, чтобы растительное масло не всплывало и не тонуло в ней. Вы увидите, что оно примет форму шара.
Теперь осторожно введите в масляный шарик лёгкую вертушку на тонком стержне. Если вам удастся сделать этот опыт, вы сможете наблюдать замечательное явление: при вращении вертушки постепенно начинает вращаться и масляный шар, и чем быстрее он вращается, тем больше сплющивается вдоль своей оси.
Чтобы понять, почему сплющивается масляный шарик, сравним вращающуюся вокруг оси частицу масла с тяжёлой гирькой на тонкой резинке, вращаемой вокруг руки.
По инерции гирька стремится двигаться прямолинейно, но резинка заставляет её искривлять свой путь. Гирька оказывает сопротивление, растягивающее резинку. Вследствие этого она отдаляется от оси на расстояние, зависящее от сопротивления резинки центробежной силе (так называют силу, растягивающую резинку).
По этой же причине удаляются от оси вращения частицы масла, и масляный шарик сплющивается.
Так как Земля вращается, то и на ней возникают центробежные силы. Эти силы также удалили частицы земного шара от оси вращения, и он сжался вдоль оси.
Такое объяснение сжатия Земли было дано английским учёным Ньютоном. Но французские учёные, наоборот, утверждали, будто Земля не сжата, а вытянута вдоль оси.
Чтобы решить этот спор, нужно было сравнить кривизну меридиана близ экватора и в полярной зоне.
Если Земля сжата у полюсов, то кривизна меридиана в полярной зоне меньше, чем в экваториальной. Значит, длина градуса меридиана близ полюса больше, чем близ экватора.
Для проверки французская Академия наук снарядила две экспедиции, одну в Лапландию, другую — в экваториальную зону Южной Америки. Только через семь лет удалось получить результаты их измерений. Когда сравнили измерение градуса в полярной и экваториальной зонах, то оказалось, что полярный радиус приблизительно на 21,5 километра короче экваториального.
Таким образом, Земля по своей форме напоминает, скажем, мандарин, хотя сжата она, конечно, гораздо меньше. Наблюдая Землю со стороны, например с Луны, мы не могли бы заметить его. Сжатие Земли определяется так: нужно разницу между радиусами Земли разделить на экваториальный радиус. Получится дробь, выражающая сжатие.
Вычисление радиусов Земли и сжатия её делалось многими русскими и иностранными учёными. В наше время этой задачей занимался советский учёный Ф. И. Красовский. Он сделал самое точное вычисление радиусов и сжатия Земли. Экваториальный радиус определён им в 6378,245 километра, полярный — в 6356,863 километра, а сжатие — в 1/298,3.
Обычно же радиус Земли принято теперь считать равным 6371 километру, потому что объём и поверхность правильного шара с таким радиусом почти точно равны объёму и поверхности Земли.
Изучение формы Земли советскими учёными показало, что Земля сжата не только вдоль оси вращения, но и в плоскости экватора, то-есть, другими словами, диаметры экватора не одинаковой длины. Правда, это сжатие незначительно: разница между наибольшим и наименьшим диаметрами экватора составляет всего около 213 метров. Однако, как ни незначительно это сжатие, оно существует.
Теперь, когда учёные так точно определили форму Земли, нужно сказать, чтó подразумевают они под земной поверхностью. Ведь Земля не гладка, подобно бильярдному шару. На ней есть возвышенности, горные хребты, долины, впадины морей и океанов. Поэтому учёные принимают за земную поверхность уровень океана.
Но что же считать поверхностью Земли на суше? — спросите вы.
Так же уровень океана, мысленно продолженный на пространство материков.
Представьте себе, что мы прорезали все материки такими глубокими каналами, что все океаны и моря соединились между собой. Уровень воды в этих воображаемых каналах и принимается учёными за поверхность Земли.
4. Тяготение тел к Земле
Почему отвалившийся от скалы камень, подстреленная на лету птица или оторвавшееся от ветки яблоко падают? Над этим вопросом задумывались многие мыслители древности, тщетно ища на него ответа.
Один из виднейших учёных древности — Аристотель — так ответил на этот вопрос: тела падают, потому что они тяжелы. Но в таком случае, в чём же причина тяжести, заставляющей их падать?
Это удалось узнать, изучая движение небесных тел в пространстве.
Все тела в мировом пространстве — звёзды, планеты, метеориты — движутся. При этом все они тяготеют друг к другу. Это всеобщий закон природы.
Если бы этого не было, они двигались бы всегда по прямолинейным путям, потому что все тела стремятся сохранить прямолинейное движение. Так, при резком неожиданном повороте скачущей лошади седок вылетает из седла вперёд, так как его тело стремится сохранить первоначальное направление движения.
Стремление каждого тела сохранить прямолинейное направление и скорость своего движения называется инерцией.
Мы уже говорили, кáк натягивает вращаемая гирька шнурок вследствие центробежной силы. Эта центробежная сила — не что иное, как сопротивление тела изменению направления его прямолинейного движения, то-есть сопротивление инерции. Если бы шнурок оборвался, то гирька вследствие инерции полетела бы по прямой линии, касательной к описываемой ею окружности в той точке, в которой она находилась в момент обрыва шнурка.
Подобным же образом удерживаются на своих путях и планеты. Только вместо шнурка их «привязывает» к Солнцу сила тяготения.
Солнце также притягивается планетами, но сила притяжения его каждой отдельной планетой во столько раз меньше силы притяжения Солнцем, во сколько масса этой планеты меньше массы Солнца.
Каждая планета солнечной системы стремится двигаться в пространстве по инерции прямолинейно, но притяжение Солнца непрерывно отклоняет её от этого пути. Поэтому направление её движения постоянно искривляется, и планета перемещается по более или менее правильному кругу.
Эта идея была высказана в XVII веке английским учёным Гуком. Но он не развил эту мысль, не вывел законов движения планет. Создать теорию движения космических тел удалось только Ньютону.
Ньютон предположил, что сила тяготения между Солнцем и планетами изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, то-есть при уменьшении расстояния в 2 раза, сила тяготения увеличивается в 4 раза и, наоборот, при увеличении расстояния, например, в 3 раза, — уменьшается в 9 раз.
Сделав такое предположение, учёный сумел объяснить движение Луны вокруг Земли и всех планет вокруг Солнца, вычислить, по каким путям, с какой скоростью и в какие периоды времени они должны обращаться вокруг своего центрального тела. Расчёты были подтверждены данными, полученными путём наблюдений.
После этого уже нельзя было сомневаться в том, что всемирное тяготение действительно существует и управляет движением небесных тел.
А не действует ли сила тяготения и на земной поверхности? — задался вопросом Ньютон. Может быть всемирное тяготение и сила тяжести — одно и то же?
Но если это так, то сила тяжести должна подчиняться тому же закону, что и всемирное тяготение, то-есть изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния.
Это можно было проверить по движению Луны: если Луна движется под действием тяжести, то она должна «падать» к Земле, как, например, пушечное ядро после выстрела из орудия.
Учёные доказали, что выброшенное из пушки в горизонтальном направлении ядро в первую же секунду вследствие падения отклонится от него на 4,9 метра, или 4900 миллиметров. В следующую секунду оно отклонится от нового направления опять на 4,9 метра и так далее.
Луна находится в 60 раз дальше от центра Земли, чем ядро на земной поверхности. Поэтому сила тяжести на расстоянии Луны в 602, или 3600 раз, меньше, чем на Земле.
Если бы из пушки, удалённой от Земли на расстояние Луны, выстрелить в том направлении, в каком движется Луна, то ядро отклонялось бы в 3600 раз меньше, то-есть на 4900/3600 = 1,36 миллиметра.