Если бы еще лет десять назад кто-нибудь сказал, что я возьмусь за написание данной книги, я как минимум удивленно бы плечами, поскольку никогда серьезно не увлекался ни геологией, ни геофизикой, ни биологией, ни палеонтологией, да и вообще никакими из наук, которые в той или иной мере касаются во формирования и развития Земли именно как планеты. Если и проявлялся у меня к ним какой-то интерес, то он был скорее созерцательно-любопытствующим и поддерживался лишь стремлением быть хотя бы поверхностно знакомым с тем, как современная наука представляет себе мир, в котором мы живем.
Посему нельзя сказать, что эта книга явилась плодом каких-либо многолетних размышлений на тему истории именно планеты Земля, хотя отдельные части, вошедшие в излагаемый далее материал, прописывались и публиковались в качестве интернетных статей еще с тот самый десяток лет назад, а то и более. Истоки же уходят еще дальше в в самое начало 80-х годов ХХ века. Именно тогда мне, еще студенту Московского физико-технического института, в популярном журнале «Знание – сила» попалась статья, в которой рассматривались разные модели развития Земли. В том числе и такая теория, согласно которой наша планета серьезно изменяла размер в ходе своей истории.
Вчерашнему школьнику, воспитанному в духе советской системы образования, согласно которому все открытое в науке является «неопровержимой истиной» (увы, эта идеология доминирует в нашем обществе и до сих пор), вдобавок уже неплохо знакомому с гипотезой дрейфа материков и теорией тектоники плит, а также теорией возникновения и развития планет Солнечной системы в том виде, как она тогда излагалась (да и сейчас излагается) в учебниках, подобная идея – идея «растущей» Земли – естественно, сначала показалась полным бредом.
Кроме того явно сказался и субъективный фактор: ведь мы живем на «твердой» Земле и никакого изменения ее размеров не ощущаем. Попробуйте-ка человеку, абсолютно незнакомому с гелиоцентрической системой и каждый день наблюдающему движение Солнца по небу, донести мысль, что это Земля вращается вокруг Солнца, а не Солнце вокруг Земли. Это будет не так-то поскольку весь его повседневный опыт показывает прямо противоположное.
Однако…
Во-первых, журнал «Знание – сила», несмотря на всю популярность своего формата, в ту пору славился тем, что публиковал в доступном виде материалы то что называется «на острие науки».
Во-вторых, представленная хоть и в кратком виде теория «растущей» Земли обладала своей внутренней логикой и не содержала каких-то явных противоречий. А это – достаточно отчетливый показатель того, что теория может оказаться верной, какой бы «странной» она не выглядела.
И в-третьих, все-таки я был уже не школьником, а студентом. Студентом такого института, суть системы подготовки в котором один из наших преподавателей математики неплохо сформулировал в
Рассмотрим случай вращения твердого тела вокруг некоторой произвольной оси 00, (рис. 5.5). Вектор полного момента импульса L тела относительно неподвижной точки на оси вращения в общем случае не параллелен вектору угловой скорости о) и вычисляется согласно определению (4.36):
где ?j и V/ — радиус-вектор и скорость /-й частицы тела относительно полюса — некоторой точки О на рис. 5.5. Используем тот факт, что в системе координат, связанной с телом, составляющие вектора постоянны и скорость vi определяется как й,=1со,/*] согласно (2.20).
Тогда выражение (5.16) можно записать в виде
Отсюда проекция момента импульса на ось Xнеподвижной декартовой системы координат с началом в точке О определяется как линейная функция составляющих вектора угловой скорости со:
Аналогично вычисляются две другие проекции вектора L :
Введенные здесь девять коэффициентов 1тп (т, п — х, у, z) образуют квадратную матрицу, которая преобразуется как тензор второго порядка и называется тензором инерции (тензором момента инерции):
Диагональные компоненты тензора инерции — коэффициенты 7^, 7 , /_. — это моменты инерции тела относительно осей X, У и Z. Недиагональные компоненты тензора (5.17) называются центробежными моментами инерции тела. Поскольку / = 7 , Ixz = /,х и / = I , то тензор инерции является симметричным. В случае, когда масса т твердого тела непрерывно распределена по его объему, , 7 , Iопределяются по формулам (5.6а)—(5.6в). При этом центробежные моменты инерции будут определяться так:
Как известно, любой симметричный тензор или матрицу можно диаго- нализировать, т.е. для любого тела можно выбрать три такие взаимно перпендикулярные оси X, У, Z, для которых все недиагональные компоненты равны нулю и тензор инерции принимает вид
Такие оси являются главными осями инерции тела, а сохранившиеся диагональные компоненты тензора инерции — это главные моменты инерции. Тогда проекции момента импульса на главные оси инерции имеют вид
Как следует из полученных формул, даже в этом случае вектор Z не совпадает с вектором со по направлению.
Таким образом, тензор инерции любого тела зависит от точки, относительно которой он рассчитан. Когда ось вращения твердого тела закреплена и совпадает с одной из осей координат, например с осью Z, то вектор угловой скорости направлен по оси Z (соЛ. =cov, =0 и со. — со) и Т. = /„со=/со. Однако если ось вращения твердого тела не закреплена, то ее нельзя считать все время направленной вдоль фиксированной оси Z и необходимо вычислять все компоненты тензора инерции.
Если бы еще лет десять назад кто-нибудь сказал, что я возьмусь за написание данной книги, я как минимум удивленно бы плечами, поскольку никогда серьезно не увлекался ни геологией, ни геофизикой, ни биологией, ни палеонтологией, да и вообще никакими из наук, которые в той или иной мере касаются во формирования и развития Земли именно как планеты. Если и проявлялся у меня к ним какой-то интерес, то он был скорее созерцательно-любопытствующим и поддерживался лишь стремлением быть хотя бы поверхностно знакомым с тем, как современная наука представляет себе мир, в котором мы живем.
Посему нельзя сказать, что эта книга явилась плодом каких-либо многолетних размышлений на тему истории именно планеты Земля, хотя отдельные части, вошедшие в излагаемый далее материал, прописывались и публиковались в качестве интернетных статей еще с тот самый десяток лет назад, а то и более. Истоки же уходят еще дальше в в самое начало 80-х годов ХХ века. Именно тогда мне, еще студенту Московского физико-технического института, в популярном журнале «Знание – сила» попалась статья, в которой рассматривались разные модели развития Земли. В том числе и такая теория, согласно которой наша планета серьезно изменяла размер в ходе своей истории.
Вчерашнему школьнику, воспитанному в духе советской системы образования, согласно которому все открытое в науке является «неопровержимой истиной» (увы, эта идеология доминирует в нашем обществе и до сих пор), вдобавок уже неплохо знакомому с гипотезой дрейфа материков и теорией тектоники плит, а также теорией возникновения и развития планет Солнечной системы в том виде, как она тогда излагалась (да и сейчас излагается) в учебниках, подобная идея – идея «растущей» Земли – естественно, сначала показалась полным бредом.
Кроме того явно сказался и субъективный фактор: ведь мы живем на «твердой» Земле и никакого изменения ее размеров не ощущаем. Попробуйте-ка человеку, абсолютно незнакомому с гелиоцентрической системой и каждый день наблюдающему движение Солнца по небу, донести мысль, что это Земля вращается вокруг Солнца, а не Солнце вокруг Земли. Это будет не так-то поскольку весь его повседневный опыт показывает прямо противоположное.
Однако…
Во-первых, журнал «Знание – сила», несмотря на всю популярность своего формата, в ту пору славился тем, что публиковал в доступном виде материалы то что называется «на острие науки».
Во-вторых, представленная хоть и в кратком виде теория «растущей» Земли обладала своей внутренней логикой и не содержала каких-то явных противоречий. А это – достаточно отчетливый показатель того, что теория может оказаться верной, какой бы «странной» она не выглядела.
И в-третьих, все-таки я был уже не школьником, а студентом. Студентом такого института, суть системы подготовки в котором один из наших преподавателей математики неплохо сформулировал в
Рассмотрим случай вращения твердого тела вокруг некоторой произвольной оси 00, (рис. 5.5). Вектор полного момента импульса L тела относительно неподвижной точки на оси вращения в общем случае не параллелен вектору угловой скорости о) и вычисляется согласно определению (4.36):
где ?j и V/ — радиус-вектор и скорость /-й частицы тела относительно полюса — некоторой точки О на рис. 5.5. Используем тот факт, что в системе координат, связанной с телом, составляющие вектора постоянны и скорость vi определяется как й,=1со,/*] согласно (2.20).
Тогда выражение (5.16) можно записать в виде
Отсюда проекция момента импульса на ось Xнеподвижной декартовой системы координат с началом в точке О определяется как линейная функция составляющих вектора угловой скорости со:
Аналогично вычисляются две другие проекции вектора L :
Введенные здесь девять коэффициентов 1тп (т, п — х, у, z) образуют квадратную матрицу, которая преобразуется как тензор второго порядка и называется тензором инерции (тензором момента инерции):
Диагональные компоненты тензора инерции — коэффициенты 7^, 7 , /_. — это моменты инерции тела относительно осей X, У и Z. Недиагональные компоненты тензора (5.17) называются центробежными моментами инерции тела. Поскольку / = 7 , Ixz = /,х и / = I , то тензор инерции является симметричным. В случае, когда масса т твердого тела непрерывно распределена по его объему, , 7 , Iопределяются по формулам (5.6а)—(5.6в). При этом центробежные моменты инерции будут определяться так:
Как известно, любой симметричный тензор или матрицу можно диаго- нализировать, т.е. для любого тела можно выбрать три такие взаимно перпендикулярные оси X, У, Z, для которых все недиагональные компоненты равны нулю и тензор инерции принимает вид
Такие оси являются главными осями инерции тела, а сохранившиеся диагональные компоненты тензора инерции — это главные моменты инерции. Тогда проекции момента импульса на главные оси инерции имеют вид
Как следует из полученных формул, даже в этом случае вектор Z не совпадает с вектором со по направлению.
Таким образом, тензор инерции любого тела зависит от точки, относительно которой он рассчитан. Когда ось вращения твердого тела закреплена и совпадает с одной из осей координат, например с осью Z, то вектор угловой скорости направлен по оси Z (соЛ. =cov, =0 и со. — со) и Т. = /„со=/со. Однако если ось вращения твердого тела не закреплена, то ее нельзя считать все время направленной вдоль фиксированной оси Z и необходимо вычислять все компоненты тензора инерции.