Занимательная физика (книга 1)

Перельман Яков Исидорович

«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'yки, 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.

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.

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 = ^{v^2}/_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

^{v^2}/_{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.