Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В обычном мыльном пузырьке жидкость стекает с верхушки вниз, верхушка истончается до тех пор, пока не разорвется. В антипузырьке воздух внутри оболочки движется вверх, нижняя часть оболочки истончается до тех пор, пока ее не прорвет вода. Все это происходит очень быстро, поэтому антипузырьки живут так недолго.

Воткнем палочку в банку с сырым рисом или какими-нибудь другими зернами. Почему, когда мы пытаемся ввести палочку поглубже, требующееся для этого усилие быстро возрастает? И почему, когда палочка приближается к дну банки, приходится просто вколачивать ее, чтобы продвинуть чуть дальше?

Когда палочка достигнет дна, несколько минут слегка постучите по стенкам банки или потрясите ее. Почему, если вы затем потянете за выступающий из банки конец палочки, то поднимете банку вместе с рисом?

ОТВЕТ •Этот эффект заметили давно, когда купцы и покупатели заталкивали жердь в мешки с зерном, проверяя их содержимое. Если втыкать палку, например, в рис, трение возрастает по двум причинам. Во-первых, чем глубже продвигается палка, тем больше зерен к ней прижимается. Во-вторых, чем глубже зерна, тем больше вес давящих на них зерен и тем сильнее они сами давят на жердь. Поэтому полное трение, препятствующее движению жерди, возрастает с глубиной.

Трение возрастает еще быстрее, когда палочка доходит почти до самого дна банки. Этот эффект еще не до конца понятен, но можно предположить, что большое сопротивление перемещению зерен, которое необходимо для продвижения палочки, обусловлено формированием арок из зерен: зерна, блокированные в арках, не пускают палочку дальше. (Арки из зерен могут быть столь же прочными, как и арки, возведенные архитекторами.)

Если после того, как палочка достигнет дна, постучать по банке или потрясти ее, зерна риса плотно упаковываются. В частности, они плотно прилегают к палочке. Когда вы тянете за нее вверх, трение между зернами и палочкой крепко держит ее. Зерна, окружающие палочку, плотно подогнаны друг к другу, а зерна вблизи стенок банки крепко связаны со стенками. Таким образом, всё — палочка, рис и банка — соединено в одно целое. Однако если либо палочка, либо банка очень скользкая или если вы своими постукиваниями и потряхиваниями не добились плотной упаковки риса, вам придется немало повозиться, собирая рис с пола.

Если достаточно сильно тянуть за палочку, медленно вытаскивая ее, можно заметить, что необходимое для этого усилие меняется периодически. Хотя не вполне ясно, с чем это связано, вероятно, вблизи палочки происходит выстраивание и разрушение арок из зерен.

Когда при умеренном ветре бросают диск, он полетит дальше, если бросить его по ветру или против ветра? Под каким углом надо запускать диск и как его наклонять? Почему диск следует закручивать?

ОТВЕТ •Обычно угол стартовой траектории диска составляет 35°. Одни спортсмены утверждают, что и угол наклона диска должен быть таким же. Другие считают, что полет продлится дольше, если угол наклона диска примерно на 10° меньше. Они основываются на том, что при меньшем угле наклона подъемная сила, действующая на диск при спуске, больше, а следовательно, в воздухе он будет находиться дольше. Если диск запускают, не закручивая, он начинает вибрировать и легко теряет необходимую ориентацию. Закрученный диск более стабилен, он напоминает гироскоп: на протяжении всего полета ось, относительно которой он вращается, остается ориентированной примерно в одном и том же направлении.

Однако поскольку сила сопротивления движению диска со стороны воздуха распределена неравномерно вдоль его поверхности, во время полета ориентация диска все-таки слегка меняется. Если считать, что метатель диска правша и использует стандартную технику броска, вращательный момент неоднородной силы сопротивления слегка задирает диск спереди, а его левую сторону слегка опускает.

Если бросок выполняется против ветра, причем при умеренном ветре, давление воздуха на нижнюю сторону диска больше, чем на верхнюю, и возрастает подъемная сила, которая увеличивает дальность полета в сравнении с броском в безветренный день. Это преимущество сохраняется до тех пор, пока скорость ветра не превышает примерно 15 м/с. Более сильный ветер нарушает ориентацию диска, который теперь быстрее падает. Если диск бросать в направлении ветра, эффект становится противоположным и дальность полета уменьшается.

При метании копья важную роль играют два угла, отсчитанные от горизонтальной поверхности земли. Это угол наклона стартовой траектории и угол наклона древка копья. Каким должно быть значение этих углов, чтобы дальность полета была максимальна? В частности, должны ли эти углы быть одинаковыми?

ОТВЕТ •Обычно считается, что оба эти угла должны равняться 35°. Это значение — итог многочисленных попыток. Хотя на их результаты может влиять большое число разных переменных, традиционная манера броска представляется вполне оправданной. Когда изначально древко копья направлено вдоль стартовой траектории, копье хорошо обтекается воздухом. Если древко наклонено выше или ниже, сопротивление воздуха больше, а полет короче. Однако, согласно некоторым теоретическим расчетам, копье полетит еще дальше, если угол наклона стартовой траектории увеличить до 42°, а угол наклона древка оставить равным 35°. При этом отдельные исследователи указывают, что на практике достичь оптимальных результатов не удастся: при увеличении угла наклона стартовой траектории запуск копья усложняется, и, скорее всего, спортсмен не сумеет придать копью достаточно большую скорость. Согласно другим расчетам, угол наклона стартовой траектории должен составлять 32°, а угол наклона древка — порядка 17°. Конечно, если наконечник копья направлен вниз, сила сопротивления воздуха увеличивается, но одновременно может увеличиться и подъемная сила (благодаря давлению воздуха на копье снизу) во время завершающей части полета. При большей подъемной силе копье может оставаться в воздухе дольше.

Обычно во время полета наконечник копья поворачивается вниз и утыкается в землю. Этот поворот происходит благодаря действующим на древко силам. Вес древка — это сила, сосредоточенная в центре масс (в центре распределения масс). Подъемная сила сосредоточена в центре давления (в центре распределения давления), расположенном обычно позади центра масс. Во время полета подъемная сила поворачивает копье вокруг центра масс, так что оно втыкается в землю. После поворота копье становится более обтекаемым, и действующая на него подъемная сила становится меньше. Время полета, когда действует достаточно большая подъемная сила, можно увеличить, изменив форму древка так, чтобы приблизить центр давления к центру масс. Такое смещение уменьшит угол поворота древка, и подъемная сила будет действовать и во время снижения копья.