Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

3. Рассмотрим, как меняется положение тела прыгуна в длину в полете, и для этого будем считать, что он прыгает вправо от нас. В момент отталкивания от бруска сила, действующая на толчковую ногу со стороны бруска, приводит к закручиванию корпуса так, что туловище стремится двинуться вперед, а маховая нога — назад. Это закручивание еще усиливается, если маховую ногу вынести вперед, подготавливаясь к приземлению. Причина в том, что в полете на прыгуна не действуют никакие заметные внешние силы и угловой момент его тела должен оставаться постоянным. Поэтому, выдвигая вперед маховую ногу, спортсмен заставляет остальное тело повернуться назад.

Чтобы уменьшить это вращение и принять правильную позу для приземления, нужно, вытянув руки в стороны, покрутить ими по часовой стрелке. Кроме того, нужно продолжить перебирать ногами, как при беге: нога вытягивается или сгибается, а туловище при этих движениях либо отклоняется назад, либо вперед. (Ни одно из этих движений не сказывается на дальности прыжка, они только меняют расположение тела в пространстве.) Прыгуны-новички часто недостаточно вращают руками, или даже хуже — вращают одной или обеими руками в неправильном направлении. Туловище и ноги в этом случае оказываются не в лучшей позиции, и зафиксированный прыжок получится короче, поскольку следы от пяток окажутся ближе к бруску или перекроются следами от ягодиц.

4. Хальтерес, или гантели, которыми пользовались прыгуны античных Олимпиад, могут увеличить дальность прыжка. Легкоатлет в разбеге размахивает зажатыми в руке гантелями вперед-назад, затем в первой фазе прыжка взмахивает руками вперед, а готовясь к приземлению — назад. Если правильно пользоваться этими приспособлениями, можно увеличить длину прыжка на 10–20 см. Этому есть две причины. Во-первых, в полете центр масс системы «прыгун — хальтерес» движется вперед, а при последнем взмахе рук назад хальтерес тоже сдвигается относительно общего центра масс назад, а следовательно, прыгун выдвинется относительно него вперед. А во-вторых, при толчке замах гантелями вперед увеличивает силу, направленную вниз на брусок со стороны ног атлета и, следовательно, силу, выталкивающую прыгуна в полет. (При отталкивании у атлета работают не только мышцы ног, но и мышцы плеч и рук.) Прыжок может стать еще длиннее, если атлет отшвырнет хальтерес назад во время последней фазы прыжка, фактически совершая рывок вперед. Общий центр масс системы «прыгун — хальтерес» остается в прежней точке, но прыгун теперь слегка улетит вперед по отношению к этой точке.

Если человек, сидя на одеяле, соберет в кулак все четыре угла одеяла и потянет их вверх, сможет ли он поднять себя? Ну конечно нет, хотя я знавал одну девочку, которая изо всех сил пыталась так себя поднять. Как тогда умудряются подскакивать в воздух бобы?

ОТВЕТ •В бобах сидят маленькие червячки — личинки бабочек, которые подпрыгивают, ударяются о верхнюю часть боба, и боб от этого удара взлетает в воздух. Когда червячок начинает свой прыжок, отталкиваясь от внутренней поверхности боба, силой, которая создает его ускорение и скорость, является разность реакции опоры и притяжения Земли. Гравитация вообще постоянна, а в момент отталкивания реакция превосходит ее. Когда червячок внутри боба долетает до его верхней стенки и соударяется с ней, он тормозится. Тормозит его сила, действующая на него со стороны стенки, и с такой же силой он действует на стенку (третий закон Ньютона). Эта последняя сила может вызвать подпрыгивание боба, если она окажется больше его притяжения к Земле.

Если потрогать лежащего на спине жука-щелкуна, он подпрыгнет аж на 25 см, издав при этом довольно громкий щелчок. Во время полета он может перевернуться и приземлиться правильно — брюшком вниз. Для такого прыжка ему придется создать ускорение до 400 g (то есть в 400 раз превышающее ускорение свободного падения) и развить мощность в 100 раз больше той, на которую способна любая из мышц жука. Как же удается жуку развить такую огромную мощность (раз он лежит на спине, это не может произойти за счет мышц его ножек)? Одну подсказку дает щелчок, а другую — то, что жук не может сразу повторить такой фокус (для этого должно пройти время).

Морской рак-богомол ( Odontodactylus scyllarus ) атакует свою жертву, быстро выбрасывая вперед одну из своих конечностей — вторую пару ногочелюстей. Но не сама конечность бьет наповал жертву, а возникающие при этом молниеносном движении пузырьки воздуха, которые при схлопывании создают разрушительную звуковую волну. Ускорение, развиваемое концом боевого органа рака-богомола, может достигать 10 000 g . Как у рака это получается?

ОТВЕТ •Прыжок жука напоминает действие мышеловки: и в том, и в другом случае срабатывает механизм, выстреливающий вверх. В нижней части переднегруди у жука имеется пальцевидный отросток, а на среднегруди — соответствующего размера ямка, куда он обычно вложен. Упав на спину, жук медленно сокращает мышцы на передней поверхности тела, выгибая переднегрудь назад. При этом отросток выходит из ямки и упирается концом в выступ среднегруди на краю ямки (рис. 1.14а). Затем, когда напряжение в мышцах нарастает, отросток срывается с упора, как сторожок мышеловки, и с громким щелчком падает в ямку. От этого резкого сдвига отростка переднюю часть тела насекомого подкидывает вверх, а задняя ударяется о поверхность, на которой жук лежит (рис. 1.14б). Толчок подбрасывает жука вверх, а возникшее в момент соскакивания отростка вращение приводит к тому, что в полете жук поворачивается вокруг своего центра масс. Он может перевернуться на 180° и приземлиться на брюшко.

Рис. 1.14 / Задача 1.40.а) Жук-щелкун лежит на спине, отросток уперся в край среднегруди, мышцы напряжены. б) Отросток соскочил с упора и попал в ямку. Жука подбрасывает вверх.

Первоначальное медленное сокращение мышц позволяет жуку накопить энергию. Мгновенное высвобождение этой энергии обеспечивает такой мощный прыжок. Чтобы совершить следующий прыжок, энергию снова нужно накопить, а это требует времени. Подобный метод — накопление энергии и мгновенное ее высвобождение — используют многие виды животных, чтобы совершить быстрое движение, когда нужно либо добыть себе пищу, либо увернуться и самому не стать чьей-то добычей.

Похожий метод применяют и раки-богомолы. Их атакующая вторая пара ногочелюстей согнута и прижата к телу в седловидной выемке. В спокойном состоянии в мышцах выемки происходит медленное накопление энергии, подобно энергии сжатой пружины. Конечность удерживается на месте защелкой, которая отпускается, как только напряжение в мышцах выемки достигает максимума. В это мгновение от нее ногочелюстям передается огромная энергия, и они «выстреливают» в жертву. Пузырьки, о которых шла речь выше и схлопывание которых порождает относительно мощную звуковую волну, возникают из-за уменьшения давления за быстро движущимся в жидкости телом.