Веселые научные опыты и эксперименты
Шрифт:
Падающая кошка
Все знают, что, как кошку ни бросить, она все равно приземлится на лапы. На первый взгляд, это кажется удивительным. Если кошку бросили, с самого начала не придав ей вращения, а значит, и момента импульса, то каким же образом она поворачивается лапами вниз? Ведь для этого ей нужно, падая, какое-то время вращаться, то есть приобрести угловую скорость, хотя ее суммарный момент импульса должен быть все время равен нулю. Как же кошка ухитряется получить угловую скорость, не имея стартового момента импульса?
Все объясняется необычной гибкостью кошки. Предположим, что сначала кошка, оттопырив задние лапы, поджав передние и вытянув шею вперед, станет, скручивая тело, поворачивать переднюю часть туловища. Момент импульса у кошки, конечно, не появиться, как его не было изначально. Но поскольку масса ее задних ног отодвинута далеко от оси вращения, то очень маленькая угловая скорость задней половины тела кошки сообщит такой же момент импульса, что и большая угловая скорость его передней половины, так как масса передних лап придвинута близко к оси вращения. Направления этих вращений противоположны, и оба момента импульса взаимно уничтожаются, давая нулевой суммарный момент. Однако при этом передняя половина туловища кошки поворачивается в одном направлении гораздо сильнее, чем задняя половина – в противоположном.
Затем кошка оттопыривает передние лапы, поджимает задние и перекручивается в обратную сторону. Теперь, с большей угловой скоростью движутся задние лапы, а передние с меньшей, так как задние лапы приближены к оси вращения, а передние наоборот, удалены. На этом втором этапе передняя часть тела кошки повернется, конечно, но намного меньше, чем ее задняя часть. Когда в конце этого этапа кошка снова оттопырит задние лапы и подожмет передние, ее положение будет тем же, что и в самом начале, только вся она окажется повернутой на заметный угол. Раз за разом, быстро повторяя такие движения, кошка правильно ориентирует свое тело в пространстве и приземляется на все четыре лапы.
Почему Земля не является шаром
Земля напоминает эллипсоид вращения – шар, приплюснутый сверху и снизу.
Такая форма Земли вполне объяснима – из-за ее вращения на экваторе возникают центробежные силы, в то время как на полюсах их нет. В результате вращения и центробежных сил по экватору Земля «располнела». Экваториальный диаметр планеты примерно на 42 км больше, чем полярный.
На форму Земли влияет также неоднородная плотность планеты: где-то сосредоточены тяжелые горные породы, а где-то есть пустоты, по всей поверхности разбросаны горы и впадины, моря и равнины.
Еще в XVII веке знаменитый физик и математик И. Ньютон сделал смелое предположение, что Земля – никакой не шар, вернее, не совсем шар. Предположил – и математически доказал.
Ньютон «пробурил» (разумеется, мысленно) до центра планеты два сообщающихся канала: один от Северного полюса, другой – от экватора. И «заполнил» их водой. Расчеты показали, что вода установилась на разных уровнях. Ведь в полярном колодце на воду действует только сила тяготения, а в экваториальном ей еще противостоит центробежная сила. Ученый утверждал: для того чтобы оба столба воды оказывали на центр Земли одинаковое давление, то есть чтобы они имели равный вес, уровень воды в экваториальном колодце должен быть выше, по подсчетам Ньютона, на 1/230 от среднего радиуса планеты. Иными словами, расстояние от центра до экватора больше, чем до полюса.
Чтобы проверить расчеты Ньютона, Парижская академия наук отправила в 1735–1737 гг. две экспедиции – в Перу и в Лапландию. Участники экспедиций должны были измерить дуги меридиана – по 1° каждая: одну в экваториальных широтах, в Перу, другую – в полярных, в Лапландии. После обработки полученных данных руководитель северной экспедиции, геодезист Пьер-Луи Мапертюи, объявил, что Ньютон прав – Земля сжата у полюсов.
Вопрос о форме нашей планеты вовсе не праздный – ее точное определение дает в руки ученым мощный инструмент для вычисления координат земных и небесных тел. Это важно для морской и космической навигаций, для проведения геодезических, строительных работ и для многих других областей деятельности человека.
Особенности движения тел в воде и на воде
При движении тел в воде возникают силы, направленные противоположно движению тела. Если тело движется под водой (например, рыба, подводные лодки), то гидравлическое сопротивление вызывается теми же причинами, что и сопротивление воздуха: трением воды о поверхность тела и изменением потока, создающим дополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы (акула, меч-рыба) и китообразные (дельфины, косатки) имеют обтекаемую форму, уменьшающую сопротивление воды при их движении. Обтекаемые формы придают и подводным лодкам. Вследствие большей плотности воды по сравнению с плотностью воздуха сопротивление движению данного тела в воде много больше сопротивления в воздухе при той же скорости движения.
Для обычных судов, идущих на поверхности воды, есть еще дополнительное волновое сопротивление: от идущего судна на поверхности воды расходятся волны, на создание которых непроизвольно затрачивается часть работы судовой машины (двигателя).
Корабль создает волны на поверхности воды при любой скорости хода, приводя в движение границу раздела между жидкостью и воздухом. Для уменьшения волнового сопротивления, которое для быстроходных судов может составлять свыше 3/4 полного сопротивления, корпусу судна придают специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают «бульбообразной» формы, при этом образование волн на поверхности воды уменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.
От игрушки к вертолету
О способности вращающегося винта подниматься в воздух было известно еще древним китайцам. Примерно в I в. до н. э. в Китае появилась игрушка, дошедшая до наших дней практически в первозданном виде, – палочка с винтом на конце. Когда палочку раскручивали в ладонях, она взлетала. К ХII в. это устройство в Европе сильно модернизировали – механизм снабдили «двигателем», то есть это была трубка с пучком упругих жил внутри и двумя винтами по краям. Скрученные жилы, распрямляясь, вращали винты в разные стороны на обоих концах трубки. Этот вроде бы нехитрый механизм предвосхитил конструкцию современного вертолета одноосной схемы.
В 320 г. китайский ученый Го Хун предложил экипаж с вертикальным винтом для путешествий по воздуху. Это была одна из первых попыток использования машин с вертикальным винтом.
Считается, что первый проект вертолета разработал Леонардо да Винчи в 1489 г.
В 1754 г. М. В. Ломоносов продемонстрировал в Академии наук модель «аэродинамической машины», предназначенной для подъема в верхние слои атмосферы различной метеорологической аппаратуры.
Судя по сохранившимся документам, это был аппарат вертикального взлета с винтами, приводимыми в действие посредством пружины. Но дальше модельных испытаний «машинки маленькой» дело не пошло.