Занимательная физика. Книга 2

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, _{не падает?} 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] 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] 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 рýки, 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]. 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.

Вероятно, для вас не составит затруднения объяснить причину столь странного на первый взгляд явления: центробежная сила, стремящаяся удалить вращающееся тело от центра, настолько велика в данном случае, что превышает силу тяжести – естественно, что вода не выливается.

Рис. 29. Вода не выливается из стакана, если заставить его достаточно быстро кружиться.

Напоминаю об этом общеизвестном опыте потому, что хочу предложить читателю задачу: с какою скоростью достаточно вращать стакан, чтобы развить центробежную силу, необходимую для успешности опыта?

Вычисление произвести совсем нетрудно, зная, что ускорение центробежной силы = ^v²/_R, где v O скорость, а R – радиус круга. Мы хотим, чтобы это ускорение было не меньше ускорения, сообщаемого телу силою тяжести, т. е. не меньше 9,8 метра. Допустим для простоты, что длина веревки, на которой вращается наш стакан, равна 1-му метру. Тогда имеем равенство

^v²/_{1 метр} = 9,8 метра,

из которого ясно, что искомая скорость вращения v = √9,8 = 3,14 метра в секунду. Так как длина окружности, описанной радиусом в 1 метр, равна 6,28 метра, то чтобы вода не вылилась, наш стакан должен делать полный оборот в 2 секунды. Подобная быстрота вращения вполне достижима, и опыт обыкновенно удается без труда.

Заметьте, что при таком вращении вес стакана все время меняется: в верхней части пути вес его совершенно уничтожается центробежной силой; зато внизу он удваивается, так как здесь центробежная сила прибавляется к нормальному весу тела.

Вы выступаете в роли Галилея

Одно время для любителей сильных ощущений устраивалось весьма своеобразное развлечение – так называемая «чертова качель». В сборнике научных забав Федо оно описано так:

«Качель подвешена к прочной горизонтальной перекладине, перекинутой через комнату на известной высоте над полом. Когда все сядут, особо приставленный к этому служитель запирает входную дверь, убирает доску, служившую для входа, и, заявив, что он сейчас даст возможность зрителям сделать небольшое воздушное путешествие – по-видимому, начинает легонько раскачивать качель. Вслед за тем он садится сзади качели, подобно кучеру в кэбах, или даже совсем выходит из залы.

Рис. 30. Что кажется пассажирам «чертовой качели».

Между тем размахи качели становятся все больше и больше; она, по-видимому, поднимается до высоты перекладины, потом переходит за нее все выше и выше – и, наконец, описывает полный круг. Движение ускоряется все больше и больше, и качающиеся, хотя по большей части уже предупрежденные, испытывают несомненные ощущения качания и быстрого движения; им кажется, что они несутся вниз головой в пространстве, так что невольно хватаются за спинки сидений, чтобы не упасть.

Но вот размахи начинают уменьшаться; качель не поднимается уже более на высоту перекладины, и еще через несколько секунд останавливается совершенно.

На самом же деле качель все время висела неподвижно, пока продолжался опыт, и, напротив, сама комната, с помощью очень несложного механизма вращалась вокруг зрителей или, лучше сказать, вокруг горизонтальной оси. Всякого рода мебель прочно прикреплена к полу или к стенам залы; лампа, припаянная к столу так, что она, по-видимому, легко может перевернуться, состоит из электрической лампочки накаливания, скрытой под большим колпаком. Служитель, который, по-видимому, раскачивал качель, давая ей легкие толчки, в сущности, сообразовал их с легкими колебаниями залы и делал только вид, что раскачивает. Вся обстановка способствует полному успеху обмана».

Секрет иллюзии, как видите, прост до смешного. И всетаки я убежден, что если бы теперь, уже зная, в чем обман, вы очутились на «чертовой качели» – вы неизбежно поддались бы той же иллюзии. Вы знали бы, что висите неподвижно, и, несмотря на это, все-таки чувствовали бы, что вас кружит вниз головой. Такова сила иллюзии! Помните стихотворение Пушкина «Движение»?

 
Движенья нет, – сказал мудрец брадатый^[21],
Другой^[22] смолчал – и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить.
Хвалили все ответ замысловатый.
 
 
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день над нами солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей!
 

Среди ваших соседей по «качели», не посвященных в ее секрет, вы были бы своего рода Галилеем – только навыворот: Галилей доказывал, что небо неподвижно, а кружимся, вопреки очевидности, мы сами; вы же будете доказывать, что мы неподвижны, а вся комната вертится вокруг нас. Возможно, что вам пришлось бы при этом испытать и печальную участь Галилея: вам не поверили бы, вас осыпали бы насмешками, как человека, спорящего против самых очевидных вещей…

Мой спор с вами

Вот вам задача: вообразите, что вы в самом деле очутились в «чертовой качели» и хотите доказать своим соседям, что они заблуждаются. Не думайте, что это будет очень просто. Я предлагаю вам вступить со мной в этот спор. Сядем вместе с вами в «чертову качель», дождемся момента, когда, раскачавшись, она начнет, по-видимому, описывать полные круги, и заведем ученый диспут о том, что кружится: качель или вся комната? Прошу только помнить, что во время спора мы не должны покидать качели; все необходимое захватите с собой, пожалуйста, заблаговременно.

Вы. Как можно сомневаться в том, что мы неподвижны, а вертится комната! Ведь если бы нашу качель опрокинуть вверх дном, то мы с вами не повисли бы вниз головой, а выпали бы из нее. Но мы, слава Богу, не падаем. Значит, вертится комната, а не качель.

Рис. 31. Что происходит на самом деле.

Я. Однако, вспомните, что вода из быстро кружащегося стакана не выливается, хотя при вращении он и опрокидывается вверх дном (рис. 29). Велосипедист в «чертовой петле» (см. далее) также не падает, хотя и едет вниз головой. И воду, и велосипедиста удерживает центробежная сила. Быть может, и мы вращаемся с такой скоростью, что центробежная сила уничтожает нашу тяжесть.

Вы. Но мы легко можем вычислить центробежную силу и убедиться, достаточна ли она, чтобы уничтожить силу тяжести. Зная наше расстояние от оси вращения и число оборотов в секунду, мы легко определим по формуле…

Я. Не трудитесь вычислять. Владелец «чертовой качели», зная о нашем споре, предупредил меня, что число оборотов будет вполне достаточно, чтобы явление объяснялось по-моему. Следовательно, вычисление на этот раз ничего не докажет: каждый из нас в праве будет оставаться при своем мнении.

Вы. Но я еще не потерял надежду вас переубедить. Видите, вода из этого стакана не выливается на пол… Впрочем, вы и тут сошлетесь на центробежную силу. Хорошо же: вот отвес – он все время направлен к нашим ногам, т. е. вниз. Если бы вертелись мы, а комната оставалась неподвижной, отвес был бы все время обращен к полу, – т. е. вытягивался бы то к нашим головам, то в стороны.

Я. Ошибаетесь: если бы мы вертелись с достаточной скоростью, – именно так, чтобы центробежное ускорение превышало ускорение тяжести, – отвес все время был бы натянут вдоль радиуса вращения, т. е. к нашим ногам. Это мы и наблюдаем.

Вы. Ну, вот вам, наконец, решающий опыт: я роняю свой портсигар за борт нашей качели, и он падает – прямо в потолок! Ясно, что потолок очутился на месте пола, потому что предметы, сколько известно, вверх не падают.

Я. Опять вы забыли о центробежной силе! Ведь она может преодолеть силу тяжести. Следовательно, ваш портсигар вовсе не должен был упасть непременно на пол: центробежная сила может отбросить его, вопреки силе тяжести, и на потолок и на стены.

Вы. Если так, то я вас поймал вашей центробежной силой. Вы говорите, что комната не вертится, да? Почему же, в таком случае, мой портсигар продолжает спокойно лежать на потолке, а не падает с него на пол?

Я. Меня тоже удивляет, что портсигар, уроненный вами на потолок, так и остался лежать на нем. Но если бы вы были правы, т. е. если бы комната вертелась вокруг нас, – портсигар должен был перекидываться с потолка на пол и на стены.

Вы. Но позвольте: ведь это и доказывает, что комната вертится: портсигар удерживается на потолке тою же центробежною силою, которая так долго помогала вам оспаривать меня.

Теперь она заговорила в мою пользу!

Я. Да, но уверены ли вы, что и пол и, потолок, и все стены не покрыты слоем липкого клея, удерживающим упавшие на него вещи? Любезный владелец «чертовой качели», зная о нашем споре, конечно, предусмотрел это и позаботился о том, чтобы спор затянулся подольше. Как видите, и этот довод пока ничего еще не доказывает.

Финал нашего спора

Теперь позвольте посоветовать вам, как одержать победу в этом споре. Надо взять с собой на «качель» пружинные весы, положить на их чашку гирю, например в 1 фунт, и следить за положением указателя: он все время будет показывать один и тот же вес, именно – один фунт. Это и есть бесспорное доказательство неподвижности качели.

В самом деле: если бы мы вместе с пружинными весами описывали круги около оси, то на гирю, кроме силы тяжести, действовала бы также центробежная сила, которая в нижних точках нашего пути прибавлялась бы к весу гири, а в верхних – отнималась бы от него; мы должны были бы замечать, что гиря то становится тяжелее (вдвое с лишним), то почти ничего не весит. А раз этого не заметно, значит – вращается комната, а не мы.