Рыбаков А.Б. О вращении Земли и всяком таком, или Удивительная физика в журнале «Физика (ПС)», №2/2015

 
          
Публикация в «Кванте» (№5-6, 2014) моих заметок «Из записной книжки учителя» как бы узаконила этот маргинальный жанр.
Ну, вот еще, в таком же ключе.
 
Здесь представлены заметки, навеянные просмотром последнего номера журнала «Физика (Первое сентября)», точнее, всего двух страниц журнала: 55-56. Посмотрим, как выглядят некоторые утверждения журнала с точки зрения здравого  смысла и возможности их использования на уроке.
Замечу, что пришедшие из редакции письма я рассматриваю как официальные ответы, а не как частные письма, и потому буду их здесь цитировать.
 
На стр.56 начало большой статьи о счёте времени на вращающейся Земле – традиционной теме всех учебников астрономии (и многих популярных книг).
Суть дела довольно проста: счет солнечного времени опирается за закономерности вращения Земли относительно Солнца, счет звездного времени опирается за закономерности вращения Земли относительно звезд (какой-нибудь звезды).
Но в статье – всё намного сложнее.
 
Процитируем главные, «установочные» утверждения автора:
«В топоцентрической системе отсчёта (СО, связанной с точкой на поверхности Земли), угол поворота планеты равен углу поворота небесной сферы, то есть изменению часового угла точки весеннего равноденствия. Единицей звёздного времени является период вращения Земли в инерциальной СО, связанной с далёкими звёздами».
Для выяснения смысла использованных здесь терминов читателя придется изучать учебник астрономии. Напомню еще, что «точка весеннего равноденствия» на небе никак не выделена, поэтому для определения её «часового угла» всё равно придется связываться с измерениями координат каких-то звезд.
Еще хуже, что в этих двух фразах полная неразбериха с важнейшими физическими понятиями – с системами отсчета. Невозможно даже понять, идет ли речь в этих фразах об одной системе отсчета или о разных.
Попробуем разобраться. Итак, автор рассматривает угол поворота планеты «в топоцентрической СО». Обычно все всегда используют эту СО с системой координат, оси которой жестко связаны с Землей. В такой СО Земля неподвижна. Но автор говорит о угле поворота планеты и о связи СО с далёкими звёздами. Т.е. автор берет СО, связанную с поверхностью Земли, но оси координат связывает со звёздами, да? Но, во-первых, СО, связанная с поверхностью Земли, самая неинерциальная из используемых в астрономии! Зачем же говорится об инерциальности во второй фразе? А, во-вторых, попробуйте-ка нарисовать, как выглядит вращение Земли в такой СО. В письме я попросил кого-нибудь из редакции или автора статьи это сделать. Увы, все от этого уклонились. И я их понимаю.
Конечно, использовать такие формулировки на уроке нельзя.

*
В ответ на моё письмо в редакцию главный редактор журнала переслала мне письмо автора статьи, чьи представления она, как я понимаю, разделяет. Процитируем главные формулировки из этого письма.
«Теперь по  поводу очередных возражений  Рыбакова. Да, находясь в закрытом помещении на поверхности Земли, мы не можем определить угол поворота планеты за какой-то интервал времени и период вращения.
…Суточное вращение небесной сферы является одним из основных доказательств вращения Земли».
Грустно читать такое собрание нелепостей.
Мы видим, что автор не понимает принципиальнейшей разницы между определениями угловой скорости вращения тела и линейной скорости его поступательного движения. Определить скорость равномерно прямолинейно движущегося поезда, находясь в закрытом(!) вагоне, невозможно – это и есть принцип относительности Галилея. («Мы едем. Нет, едем не мы… Мы едем!» – путался пассажир поезда в стихотворении моего любимого поэта). С другой стороны, ставя опыты в закрытом помещении, мы легко можем определить угловую скорость вращения карусели, Земли или космической станции (см. ниже).
 
В течение тысячелетий никому в голову не приходило, что вращение небесной сферы говорит о вращении Земли. Для высказывания этой мысли потребовался Галилей! Но и после Галилея ждали непосредственного экспериментального доказательства этого вращения.
Именно опыты «в закрытом помещении» и были долгожданным доказательством вращения Земли.
 
Я могу только посочувствовать моим оппонентам – в их детстве не было походов в Исаакиевский собор, где вращение Земли являлось ребенку весьма убедительно, «весомо, грубо, зримо». Но известный всем школьникам СССР «Элементарный(!) учебник физики» под ред. Г.С.Лансберга они же должны были в детстве прочитать! Специально для них даю ссылку на §136 этого учебника (1973 г.). Он называется «Доказательство вращения Земли»! И рассказывается там об опыте Жана Фуко с маятником в Париже в 1851 г.
Не буду повторять изложенного в этом учебнике, но сделаю несколько дополнений.
Строго говоря, еще за полвека до опыта Фуко появились сообщения об  отклонении от вертикали падающего в шахту тела, но как-то это не прозвучало. При падении с высоты порядка сотни метров в средних широтах тело отклонялось от вертикали примерно на 1 см (сводку данных об этих опытах см. в [1]). Признаемся, не слишком-то эффектный опыт. Другое дело – опыт в Пантеоне! При стечении публики!  С огромным маятником!
Впрочем, в нашем соборе маятник был еще больше, чем в Пантеоне.
Помню, как экскурсовод отводила груз в сторону, отпускала его и ставила рядом с плоскостью его качаний спичечный коробок. Через минуту-другую маятник сбивал коробок.
В упомянутом учебнике приведены траектории груза маятника (рис.215). Но надо иметь в виду, что такие траектории наблюдаются только в том случае, когда в начальном положении маятник был отведен в сторону. Если же маятник толкнуть в положении равновесия, то траектория грузика будет иметь совсем другой вид – медленно поворачивающейся тонкой «восьмерки».
Собор отдали церкви, и маятник Фуко приказал долго жить. Но, говорят, что 8-метровый маятник в нашем планетарии по-прежнему в строю.
Для наглядности вполне можно представить себе опыт Фуко на полюсе. Суть дела в том, что плоскость качаний маятника остается неизменной в инерциальной СО, а Земля прокручивается под ним. В этом случае довольно очевидно, что угловая скорость вращения плоскости колебания маятника относительно  Земли ω_м равна угловой скорости вращения Земли ω_З. В других точках земной поверхности ω_м< ω_З, а на экваторе ω_м= 0.
И только после этого прямого экспериментального доказательства мы понимаем, что видимое вращение небесной сферы – это отражение вращения планеты.
Я хотел было дочитать статью до конца, но наткнулся на такой пассаж:
 «Истинное солнечное время показывают классические солнечные часы, оно определяется по положению тени от гномона на циферблате. Но всегда время показывает тень от гномона на этом циферблате». Увидев такое, я понял, что никто в редакции этот текст не читал – ну, и я не буду.
 
Это тот самый автор, который год-два назад уверял читателей, что у Луны может быть стационарный спутник. Я тогда предложил журналу статью с подробным анализом этой ситуации, с объяснением того, почему такой спутник и одного оборота не сделает. Но журнал статья  не заинтересовала.
Занавес!
Конец первого акта.
 
Второй акт.
Стр. 55 журнала.

На этой странице приведена формула для расчета площади поперечного сечения железного каната, которым (в отсутствие силы притяжения) можно было бы удержать Луну на орбите. Несколько раз я пытался сосчитать число ошибок в этой формуле – но сбивался со счета. На этой же стр. есть и еще  очень «интересный» переводной материал. Неназваный американский автор на словах доказывает, что скорость электромагнитной волны должна быть равна с. Увы, в этих рассуждениях я не смог понять ни одного слова. Попутно автор утверждает, что магнитное поле может быть больше (или меньше) электрического – тоже интересная мысль.
Мне кажется, что это просто неумная околофизическая демагогия.  
Материал структурирован так: «Вопрос» – «Ответ» – «Девушка»!
Какова роль этой «девушки»? Не знаю, не понял. Не то – верховный арбитр, не то – «московская кузина» (см. письма Пушкина).
Вы только послушайте, ЧТО она говорит!
«Электрические и магнитные поля – это склады энергии. При их взаимодействии рождается свет».
 
Когда я думаю о том, что менее опытные коллеги доверятся авторитету столичного журнала и понесут все эти «знания» на урок, мне становится грустно.
             
*     *     *
Когда я писал приведенный выше текст, мне в руки попал один номер Пб-го литературного журнала «Звезда». В конце номера моё внимание привлекло «Письмо в редакцию». Автор письма высказывал очень серьёзные претензии по поводу одной публикации журнала. Редакция привела полностью это большое (1,5 журнальной стр. мелким шрифтом) письмо, а потом еще и извинилась перед читателями за допущенные в той публикации мелкие ошибки (не отмеченные в письме).
Неужели совестливость – отличительная черта только петербургских журналов? А? Не знаете?..
 
    

Литература
 
1. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. т.2. – М.: ГИТТЛ, 1955. стр.419.