Мик О'Хэйр - Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого

Джон Эштон

Монмут, Гуэнт, Великобритания

Да, читатели из Диведа и Гуэнта, вы действительно кое-что упустили, хотя ваша деятельность и честность достойны похвал. Итак, сначала… – Ред.

Чтобы увидеть этот эффект, свечу следует поместить в какой-нибудь сосуд, иначе пламя оттянется назад. Итак, свечу – в банку, банку – на край вращающегося столика.

Дэвид Мей

Учитель физики,

муниципальный колледж Хинд-Лейз,

Шепшед, Лестершир, Великобритания

Причина, по которой пламя свечи направлено внутрь круга, – слабая центробежная сила, которую создает вращающийся столик.

Дэвид Блейк

Стерлинг, Великобритания

По мере вращения воздуха в банке на центрифуге более плотный воздух выходит с предсказуемыми последствиями. – Ред.

Пламя свечи наклоняется к центру круга по тем же причинам, по которым пламя направлено вверх, а не вниз. Нагретый пламенем воздух не такой плотный, как окружающий, поэтому более плотный воздух выходит из банки, отклоняя пламя свечи внутрь.

Если бы я была придирой, то возразила бы, что движение менее плотного пламени свечи ускоряет та же центростремительная сила. Согласно известному закону Ньютона для одной и той же силы произведение массы и ускорения одинаково. Если же масса уменьшится, ускорение должно возрасти. А школьникам достаточно просто понять, что сила больше действует на плотный воздух.

Сью-Энн Боулинг

Университет Аляски,

Фэрбенкс, Аляска, США

Можно также перейти к системам координат и математике. – Ред.

Понять, почему пламя свечи указывает внутрь круга, гораздо легче, если рассмотреть эту задачу в линейной системе координат. Представим, что вы едете в машине и держите за веревочку шарик с гелием. Вы резко затормозили. Что случилось с шариком? Ремень безопасности врезался вам в тело, а шарик отнесло к заднему сиденью. Все потому, что воздуху в машине присуща инерция, он продолжает двигаться вперед вместе с вами, а шарик стремится в область самого низкого давления и низкой плотности воздуха – в заднюю часть салона.

Подобно этому, пламя свечи обладает «плавучестью», своей формой оно обязано сложному взаимодействию между горячим воском у фитиля и температурой окружающего воздуха. Поэтому пламя тоже уплывает в направлении самого низкого давления – к оси вращения. Закончим аналогию: свеча, как и машина, движется с ускорением по отношению к воздуху, окружающему пламя, поэтому воздух направлен из круга радиально по отношению к свече, а пламя – к центру круга.

Том Тралл

Университет Тасмании, Австралия

В закрытой банке менее плотные газы пламени будут вытесняться к центру вращения под действием центростремительной силы. Можно определить арктангенс угла пламени (a / g) в плоскости с вертикалью (где а – центростремительное ускорение).

Тот же эффект можно продемонстрировать с помощью наполненного гелием шарика в машине. Шарик отклоняется вперед при ускорении, назад – при торможении и вбок – на поворотах. Применима та же формула. Для машины, которая обходит поворот дороги по дуге радиусом 20 метров со скоростью 50 километров в час отклонение должно составить около 44°.

Нил Хенриксон

Ректор высшей школы Джеймса Янга,

Эдинбург, Великобритания

И еще более простая демонстрация того же эффекта. – Ред.

Если поставить спиртовой уровень на вращающийся столик, расположив его как спицу в велосипедном колесе, а затем раскрутить столик, пузырек воздуха быстро придвинется внутрь круга. Более тяжелый спирт отталкивает к центру круга легкий пузырек.

Колин Сиддонс

Брэдфорд, Западный Йоркшир, Великобритания

«Я играю в разные игры с мячом и часто вижу эффект Магнуса, который заставляет мяч, вращающийся по часовой стрелке (если смотреть сверху), отклоняться вправо. Если мяч подкрутить в обратном направлении, его полет будет долгим, по плавной траектории. Такие эффекты можно продемонстрировать с помощью кожаных футбольных мячей, мячей для большого и настольного тенниса. Но если попробовать подкрутить пластмассовый футбольный мяч, какие продают на заправках и пляжах, наблюдается совсем другое явление: вращение по часовой стрелке создает отклонение влево, а подкручивание в обратном направлении завершается досадным падением. Эти мячи такие же, как для настольного тенниса, только побольше, на них нет ни впадинок, ни других отметок, почему же они по-другому реагируют на подкручивание?»

Ричард Бриджуотер

Уолсолл, Западный Мидлендс, Великобритания

Этот феномен подробно описывался в статье «Изнанка игры в мяч» (The seamy side of swing bowling), опубликованной на с. 21 журнала New Scientist от 21 августа 1993 года; его удобнее всего объяснять с точки зрения «отделения пограничного слоя».

Когда мяч летит по воздуху, его поверхность покрыта тонким слоем воздуха, который мяч гонит с собой. Далее располагается непотревоженный воздух. Между воздушной пленкой и спокойным воздухом можно выделить тонкий пограничный слой. Перед мячом этот слой двигается медленно. Но, обтекая мяч, он постепенно набирает скорость и оказывает меньше давления (согласно закону Бернулли, который гласит, что, чем быстрее течет жидкость, тем меньшее давление она оказывает).

В определенный момент пограничный слой отделяется от поверхности мяча. Если мяч круглый и не подкрученный, это происходит в один и тот же момент на всей поверхности мяча. Если мяч подкрученный, отделение пограничного слоя происходит асимметрично, поэтому на одной стороне мяча пограничный слой занимает бо́льшую площадь, чем на другой. В итоге с одной стороны от мяча образуется бо́льшая область низкого давления, которая толкает мяч вбок.

При сильном свинге (созданном эффектом Магнуса–Робинса) вращающийся мяч несет с собой очень тонкий слой воздуха. Он смещает точку отделения пограничного слоя к задней части мяча, где вращение происходит в том же направлении, что и в окружающем потоке воздуха, и к передней части бока мяча, который движется против движения воздушного потока. Итогом становится область низкого давления на боку мяча, где продолжается пограничный слой, заставляющий мяч вращаться в этом направлении. Вот почему вращение по часовой стрелке вызывает отклонение мяча вправо. (Еще один способ описания происходящего: сдвиг точки отделения пограничного слоя смещает линии воздушного тока вокруг мяча и за ним в одну сторону, поэтому мяч отклоняется в другую).

Все это означает, что поток в пограничном слое ламинарный, его гладкие слои движутся один по другому, не перемешиваясь. На практике часть потока может быть турбулентной, с перемешиванием слоев воздуха, именно в этом случае может произойти смена направления вращения. Эксперименты показали, что турбулентные потоки держатся у поверхности мяча дольше, чем ламинарные. Поэтому если пограничный слой является турбулентным с одной стороны и ламинарным с другой, давление будет ниже в зоне турбулентности и мяч повернется в эту сторону.