Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В культуре некоторых народов, например африканских, люди (особенно женщины) могут носить на голове огромные тяжести. Возможно, у них накачаны мышцы шеи, развито чувство равновесия, но смотришь на них и понимаешь, что они это делают почти без усилия. Например, женщина может нести груз весом до 20% своего веса и даже не запыхаться, в то время как в Европе или Америке женщины, обладающие примерно таким же здоровьем и мускулатурой, считали бы этот вес неподъемным. В чем же секрет лучших в мире носильщиков тяжестей из Африки?

ОТВЕТ •При ходьбе центр масс человека движется вверх-вниз. Выше всего центр масс оказывается, когда вес переносится на одну ногу, а вторая нога проносится мимо нее вперед. А ниже всего центр масс оказывается, когда обе ноги находятся на земле и вес переносится с поставленной сзади ноги на поставленную впереди. Это периодическое движение центра масс в вертикальной плоскости и периодическое движение точки опоры, расположенной ниже центра масс, по горизонтали аналогично движению велосипедиста на одноколесном велосипеде, которому для восстановления равновесия нужно перемещаться то вперед, то назад. В том числе часть энергии периодически перекачивается из потенциальной (связанной с высотой центра масс) в кинетическую (связанную со скоростью движения центра масс вперед). Обычно в течение 15 мс после того, как центр масс проходит наивысшую точку подъема, перекачка энергии происходит неэффективно. Это означает, что, когда центр масс начинает опускаться, не вся потенциальная энергия переходит в кинетическую, и чтобы двигаться дальше, человек должен использовать силу мускулов.

Лучшие носильщицы, например в Кении, когда они не несут груз, идут обычной — «неэффективной» — походкой. Однако когда у них на голове груз, периоды «неэффективности», наступающие сразу после прохождения центром масс наивысшей точки, сокращаются. На самом деле, чтобы нести умеренно тяжелый груз (20% от своего веса), от носильщицы требуется не больше усилий, чем когда она вообще ничего не несет. Видимо, это связано с тем, что тяжесть на голове заставляет женщину эффективнее, чем обычно, перекачивать потенциальную энергию в кинетическую. И только если вес груза превышает 20% ее веса, женщине приходится тратить больше энергии, чем когда она идет налегке, но даже в этом случае она тратит меньше энергии, чем европейка, которая ходит совершенно иначе.

В Азии некоторые народы носят не очень тяжелые грузы, привязывая их к противоположным концам гибких шестов, сделанных, например, из бамбука (рис. 1.40). Когда человек с этим грузом идет или бежит, груз вместе с шестом колеблется в вертикальном направлении. Помогает ли это нести груз?

Рис. 1.40 / Задача 1.117.Переноска грузов на колеблющемся шесте.

ОТВЕТ •Вертикальные колебания туловища человека вызывают вертикальные колебания и в грузах, и в шесте. Предположим, грузы висят на жестком коромысле. Тогда при движении туловища вверх плечи должны развивать большие усилия, чтобы поднять грузы и коромысло. А когда туловище опускается, плечи испытывают меньшую нагрузку, так как коромысло с грузами опускается вместе с ними. Таким образом при ходьбе или беге с жестким коромыслом нагрузка на плечи изменяется в широких пределах.

Главная задача пружинящего шеста — сгладить колебания нагрузки на плечи. Фокус в том, что, когда колебания в шесте устанавливаются, привязанные к нему грузы колеблются в противофазе с центром шеста: когда грузы поднимаются, центр шеста опускается, и наоборот. Кроме того, центр шеста колеблется в противофазе с движением плеч: когда плечи поднимаются, центр шеста опускается. Таким образом, плечи и грузы движутся в фазе, и поэтому нагрузка на плечи остается почти постоянной. Когда плечи движутся вверх, пружинящий шест посылает и грузы вверх. Когда плечи движутся вниз, движущийся вверх центр шеста поддерживает опускающиеся грузы.

Сделаем систему из двух маятников, для чего прикрепим концы двух одинаковых отрезков нити к опоре и обернем каждую нить по одному разу вокруг горизонтально расположенного стержня примерно на расстоянии одной трети от точки крепления нитей (рис. 1.41). К нижним концам нитей привяжем по одинаковому грузику. Придержим один грузик, а второй отведем в сторону до тех пор, пока он не станет параллелен стержню, после чего отпустим оба грузика. Вы, верно, думаете, что будет раскачиваться только тот маятник, на конце которого висит смещенный нами груз. Но это не так: колебательные движения постепенно будут переходить ко второму маятнику. Когда передача движения закончится и первый маятник остановится, начнется передача в обратном направлении. Таким образом, движение все время как бы перетекает от одного маятника к другому.

Рис. 1.41 / Задача 1.118.а) — г) Связанные маятники. д) — е) Нормальные моды.

Похожее поведение будут демонстрировать и другие системы, изображенные на рис. 1.41. На рис. 1.41б два маятника соединяются пружиной. В третьей системе (рис. 1.41в) маятники привязаны к узкой трубке, вращающейся вокруг горизонтальной струны, а сами маятники качаются в перпендикулярной по отношению к трубке плоскости. В четвертой системе (рис. 1.41 г) они качаются перпендикулярно соединяющей их короткой струне.

Возможно, вы удивитесь, но обмен колебаниями можно увидеть и у двух одинаковых компасов. Положите один из них на стол, а другой сначала потрясите, чтобы стрелка начала колебаться, и положите рядом с первым. Колебания будут переходить от стрелки одного компаса к стрелке другого.

Как объяснить такое поведение маятников?

ОТВЕТ •Рассмотрим только первую систему связанных маятников. Передача движения возникает из-за перекачки энергии, когда маятники тянут и толкают друг друга посредством стержня. Никакой передачи энергии не будет, только если вы раскачаете маятники одним из двух особых способов, при которых возникнут колебания, называемые нормальными модами . В одной такой моде маятники двигаются в фазе (рис. 1.41д); в движении участвует полная длина обеих нитей, и колебания имеют низкую частоту. Во второй нормальной моде маятники колеблются в точности в противофазе (рис. 1.41е). Движение в противоположных направлениях мешает участвовать в движении верхним — расположенным выше стержня — отрезкам нити, так что фактическая длина маятника меньше, чем в первой нормальной моде, и частота колебаний выше.