Занимательная физика. Книга 2

Здесь F – та сила, против которой направлено наше усилие f. Буквой e обозначено основание натуральных логарифмов, которое равно 2,718…; k – коэффициент трения между канатом и тумбой. Буквой ? обозначен «угол навивания», т. е. отношение длины дуги, охваченной веревкой, к радиусу этой дуги.

Попробуем применить эту формулу к тому случаю, который описан у Жюля Верна. Результат получится поразительный. Силой F в данном случае является сила тяги судна, скользящего по доку. Вес судна нам известен: 50 тонн, т. е. 3000 пудов. Пусть наклон дока

/

; тогда на канат действовал не полный вес судна, а

/

его, т. е. 300 пудов. Итак, F=300 пудов.

Далее, величину k – коэффициента трения каната о железную тумбу – будем считать равной

/

. Величину ? легко определим, если примем, что Матифу обвил канат вокруг тумбы всего три раза. Тогда:

? = 3?2?r/r = 6?.

Подставив все эти значения в приведенную выше формулу Эйлера, получим уравнение:

300 = f·2,718

= f·2,718

.

Неизвестное f (т. е. величину необходимого усилия) можно определить из этого уравнения, прибегнув к помощи логарифмов:

lg300 = lg f + 2? lg2,718;

откуда:

f = 0,6 пуда = 24 фунта[16 - Фунт – единица измерения массы; 1 фунт = 0,454 кг. – Прим. изд.].

Итак, великану Матифу, чтобы совершить свой подвиг, достаточно было тянуть канат с силою всего 24 фунтов!

Не думайте, что эта цифра – 24 фунта – только теоретическая и что на самом деле потребуется гораздо большее усилие. Напротив, у нас получился результат даже чересчур значительный: при пеньковой[17 - Пенька – прядильное волокно из стебля конопли. Из пеньки делают канаты и шпагат. – Прим. изд.] веревке и деревянной свае усилие потребуется до смешного ничтожное. Лишь бы веревка была достаточно крепка и могла выдержать натяжение, – тогда даже ребенок, благодаря формуле Эйлера, мог бы, навив веревку 3–4 раза, не только повторить подвиг жюль-верновского исполина, но и превзойти его.

От чего зависит крепость узлов?

В обыденной жизни мы часто пользуемся той выгодой, на которую указывает нам формула Эйлера. Что такое, например, любой узел, как не бечевка, навитая на валик, роль которого в данном случае играет другая часть той же бечевки? Крепость всякого рода узлов – обыкновенных, «беседочных», «морских», – всякого рода завязок, бантов и т. п. зависит исключительно от трения, которое здесь усиливается во много раз вследствие того, что шнурок обвивается вокруг самого себя, как веревка вокруг тумбы. В этом не трудно убедиться, если проследить за изгибами шнурка в узле. Чем больше этих изгибов, чем больше раз бечевка обвивается вокруг самой себя – тем больше «угол навивания» в формуле Эйлера, а следовательно, тем крепче узел.

Бессознательно пользуется формулой Эйлера и портной, когда пришивает пуговицу. Он много раз обматывает нить вокруг захваченного стежком участка сукна и затем обрывает нить. За прочность шитья он может быть спокоен: если только нитка крепка, пуговица не отпорется. Здесь применяется уже знакомое нам правило: с увеличением числа оборотов нитки в арифметической прогрессии крепость шитья возрастает в геометрической прогрессии.

Если бы не было трения, мы не могли бы связать двух бечевок или завязать шнурки ботинок; не могли бы мы пользоваться и пуговицами: нитки размотались бы под их тяжестью, и наш костюм остался бы без единой пуговицы.

Глава третья

Вращательное движение. Центробежная сила

Почему не падает вращающийся волчок?

Без преувеличения можно сказать, что из тысячи людей, забавлявшихся в детстве верчением волчка, едва ли хоть один сможет правильно ответить на этот вопрос. В самом деле: не странно ли, что вращающийся волчок, поставленный вертикально или даже наклонно, не опрокидывается вопреки всяким ожиданиям? Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве тяжесть не действует на этот маленький предмет?

Конечно, никакого исключения из законов природы для волчка не делается. Здесь имеет место лишь чрезвычайно любопытное взаимодействие сил.

Рис. 22. Почему волчок не падает?

На рис. 22 изображен волчок, вращающийся в направлении черных стрелок. Обратите внимание на часть А впереди волчка и на часть В, диаметрально противоположную ей. Часть А стремится двигаться справа налево,

часть В – слева направо. Теперь проследите, какое движение получают эти части, когда вы толкаете ось волчка от себя. Таким толчком вы заставляете часть А двигаться вверх, часть В – вниз, т. е. обе части получают толчок под прямым углом к их собственному движению. Но так как при быстро вращающемся волчке первоначальная скорость частей диска очень велика, то вполне понятно, что волчок как бы сопротивляется попытке опрокинуть его. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее сопротивляется он опрокидыванию.

Итак, мы уже знаем, какая причина мешает волчку опрокинуться, несмотря на то, что он находится, казалось бы, в неустойчивом положении. Это хорошо знакомая нам инерция – основное свойство материи, состоящее в том, что всякая материальная частица стремится сохранять неизменным направление своего движения. Мы не будем рассматривать здесь всех движений волчка, которые возникают при действии на него посторонней силы. Это потребовало бы очень подробных объяснений, которые, пожалуй, покажутся скучными большинству читателей. Мы хотели лишь разъяснить причину основного стремления всякого вращающегося тела – сохранять неизменным направление оси вращения. Этим свойством объясняется целый ряд явлений, с которыми мы сталкиваемся в обыденной жизни. Самый искусный велосипедист ни минуты не усидел бы на своем стальном коне, если бы быстро вращающиеся колёса не стремились сохранять горизонтальность своих осей: ведь колёса – те же волчки, только оси их не вертикальны, а горизонтальны. И вот почему так трудно ехать на велосипеде медленно: колёса перестают быть волчками. Ребенок, катящий свой обруч, бессознательно пользуется тем же свойством вращающихся тел: пока обруч находится в быстром вращении, он не падает. Игра с диаболо[18 - Диаболо (от итал. diabolo – перекидывать через что-либо) – игра, пришедшая в Средние века в Италию от китайских циркачей, когда раскручивают на веревке и высоко подкидывают предмет, напоминающий две склеенные донышками пиалы. В Китае этот предмет изначально назывался коуэн-ген и изготавливался из бамбука. В наши дни диаболо делают из двух каучуковых полусфер, скрепленных между собой коротким стальным сердечником. Получившийся агрегат раскручивают на веревке, закрепленной между двух палочек. После пары движений диаболо раскручивается и приобретает небывалые аэродинамические свойства, превращаясь в маленькое НЛО, которое можно лихо подбрасывать метров на пять и ловить все на ту же веревку то за спиной, то под ногой. – Прим. изд.] целиком основана на том же принципе: сначала мы с помощью бечевки приводим двойной конус диаболо в быстрое вращательное движете и затем кидаем его высоко вверх; но, летя вверх и падая затем вниз, вращающийся диаболо не перестает сохранять горизонтальность оси вращения – вот почему его так легко поймать на вытянутую бечевку, снова подкинуть, вновь поймать и т. д. Если бы диаболо не вращался, все это было бы неисполнимо даже для самого искусного жонглера.

Рис. 23. Диаболо легко поймать только потому, что он во время взлета и падения не перестает вращаться.

Искусство жонглеров

Кстати о жонглерах: почти все удивительнейшие «номера» их разнообразной программы основаны опять-таки на стремлении вращающихся тел сохранять направление оси вращения. Позволю себе привести здесь выписку из увлекательной книги современного[19 - Книга была издана в 1913 году. – Прим. изд.] английского физика, проф. Джона Перри «Вращающийся волчок»:

«Однажды я показывал некоторые из моих опытов перед публикой, пившей кофе и курившей табак в великолепном помещении концертной залы «Виктория» в Лондоне. Я старался заинтересовать моих слушателей, насколько мог, и рассказывал о том, что плоскому кольцу надо сообщить вращение, если его желают бросить так, чтобы можно было наперед указать, куда оно упадет; точно так же поступают, если хотят кому-нибудь бросить шляпу так, чтобы он мог поймать этот предмет палкой. Всегда можно рассчитывать на сопротивление, которое оказывает вращающееся тело, когда изменяют направление его оси. Далее я объяснял моим слушателям, что, отполировав гладко дуло пушки, никогда нельзя рассчитывать на точность прицела; что вращение, в которое приходит обыкновенное ядро, зависит прежде всего от того, каким образом ядро коснется отверстия пушки в момент, когда оно из нее вылетает; вследствие этого теперь делают нарезные дула, т. е. вырезывают на внутренней стороне дула пушек спиралеобразные желоба, в которые приходятся выступы ядра или снаряда, так что последний должен получить вращательное движение, когда сила взрыва пороха заставляет его двигаться по дулу пушки. Благодаря этому снаряд покидает пушку с точно определенным вращательным движением, относительно которого не может возникнуть никакого сомнения». Рис. 26 указывает на вид движения, которое затем совершает снаряд: совершенно так же, как у шляпы или кольца, его ось вращения остается почти параллельной сама себе.

Рис. 24. Вращающиеся волчок и монета при подбрасывании сохраняют в пространстве свое первоначальное положение; монета же, подброшенная без вращения, не сохраняет первоначального положения.

«Это было все, что я мог сделать во время этой лекции, так как я не обладаю ловкостью в метании шляп или дисков. Но после того, как я закончил свою лекцию и затем молодая дама пропела комическую песню, на подмостки выступили два жонглера, господин и дама, и я не мог пожелать лучшей иллюстрации упомянутых выше законов, нежели та, которую давал каждый отдельный фокус, показанный этими двумя артистами. Они бросали друг другу вращающиеся шляпы, обручи, тарелки, зонтики… Один из жонглеров бросал в воздух целый ряд ножей, ловил их опять и снова подбрасывал с большой точностью вверх; моя аудитория, только что, прослушав объяснение этих явлений, ликовала от удовольствия и обнаруживала самым явным образом, что она замечала вращение, которое жонглер сообщал каждому ножу, выпуская его из руки, так что он мог наверное знать, в каком положении нож снова вернется к нему. Я был тогда поражен, что почти все без исключения жонглерские фокусы, показанные в тот вечер, представляли иллюстрацию изложенного выше принципа».

Рис. 25. Если вы хотите подбросить шляпу так, чтобы удобно было ее поймать – сообщите ей вращение (вокруг вертикальной оси).

Рис. 26. Ядро, вылетевшее из нарезного канала пушки, вращается вокруг своей продольной оси (АА) и поэтому во все время полета остается параллельным самому себе.

Новое решение Колумбовой задачи

Колумб решил свою задачу о том, чтобы поставить яйцо, чересчур уж просто: надломил скорлупу.

Такое решение, в сущности, неверно: надломив скорлупу яйца, Колумб изменил его форму и, следовательно, поставил не яйцо, а другое тело; ведь вся суть здесь в форме яйца – изменяя форму, мы тем самым как бы заменяем его другим телом. Колумб дал решение задачи не для того тела, для которого оно искалось.

А вы можете решить задачу великого мореплавателя, нисколько не изменяя формы яйца, если воспользуетесь свойством волчка; для этого достаточно только привести яйцо во вращательное движение вокруг его длинной оси, и оно будет, не опрокидываясь, стоять некоторое время на тупом или даже на остром конце. Как это сделать – показывают рисунки 27 и 28: яйцу придают вращательное движение, быстро перекатывая его между пальцами. Отняв р?ки, вы увидите, что яйцо продолжает еще некоторое время вращаться стоймя: задача Колумба решена!

Рис. 27. Как поставить яйцо, не надламывая его.

Рис. 28. Решение задачи Колумба: яйцо вращается стоймя.

Для опыта необходимо брать непременно вареные яйца[20 - Это ограничение не противоречит условию Колумбовой задачи: предложив свою задачу, Колумб взял яйцо тут же со стола, – а к столу, надо полагать, поданы были не сырые яйца.]. Сколько бы вы ни старались, вам едва ли удастся заставить вращаться сырое яйцо, потому что внутренняя жидкая масса является в данном случае как бы тормозом. В этом, между прочим, состоит простой способ отличать сырые яйца от сваренных вкрутую – секрет, не известный многим хозяйкам.

Уничтоженная тяжесть

На рис. 29 изображен опыт, который, наверное, знаком вам: вращая достаточно быстро стакан с водой, как показано на рисунке, вы достигаете того, что вода не выливается из стакана даже в той части пути, где стакан опрокинут вверх дном.