Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Когда космический корабль приблизится на достаточное расстояние к планете, его кинетическая энергия может возрасти благодаря эффекту гравитационного маневра, или гравитационной пращи . Но правильно ли это? Представим себе, что мы следим за кораблем с планеты. Когда корабль приближается к ней, его кинетическая энергия, безусловно, должна увеличиться из-за того, что он притягивается к планете. Но не обнулится ли эта дополнительная энергия, когда он начнет удаляться от планеты?

ОТВЕТ •Все зависит от того, где вы находитесь. Планета, к которой приближается корабль, движется. Наблюдателю, находящемуся на ней, кажется, что в результате всего маневра корабль не получил дополнительной энергии. Но представьте себе наблюдателя, покоящегося относительно Солнца. Этот наблюдатель увидит, что корабль притягивается к планете. Если корабль подлетит к планете, движущейся по орбите, со стороны «кормы», планета протащит его за собой по орбите, то есть корабль получит прибавку к энергии. Сама планета потеряет такое же количество энергии, но не заметит этого, поскольку ее масса велика, а прибавка к энергии корабля вполне ощутима из-за того, что у него маленькая масса.

Когда в Индии только начали проводить геодезическую съемку, измерения оказывались слегка неточными из-за того, что отвесы висели не вполне вертикально, особенно на севере Индии. Почему это звучит правдоподобно?

ОТВЕТ •Грузик, подвешенный к отвесу, притягивался к Гималаям из-за большой их массы и поэтому отклонялся от вертикали на несколько угловых секунд. И в других районах Земли неравномерное распределение масс по поверхности может вызывать похожие погрешности.

Есть ли оптимальная скорость движения бритвы с двойным лезвием при бритье? Или такой бритвой нужно водить по коже как можно быстрее или как можно медленнее?

ОТВЕТ •Когда первое лезвие натыкается на волосок, оно сгибает его, протаскивает по коже за собой, стараясь при этом вытянуть корешок волоска из кожи вверх. В какой-то момент первое лезвие срезает часть волоска, который торчал из кожи с самого начала.

Оставшаяся часть волоска отскакивает назад, принимает прежнее положение, а затем начинает втягиваться обратно в кожу. Если второе лезвие поймает волосок после того, как он уже отскочил, но до того, как втянулся, это лезвие может отрезать еще кусочек от волоска и тем самым отдалить следующее бритье. Чтобы побриться чисто, бритва должна двигаться не слишком быстро, иначе волоски не успеют отскочить назад, но и не слишком медленно, чтобы они не успели втянуться обратно в кожу. Оптимальная скорость 4 см/с, но она может варьироваться в зависимости от свойств (особенно упругости) кожи и волос конкретного человека.

Есть свидетельства того, что в Северном полушарии в среднем правые берега реки подмываются больше, чем левые, а в Южном полушарии — наоборот. Хотя этот эффект мал и замаскирован другими факторами, почему он может иметь место?

ОТВЕТ •Вращение Земли может вызвать небольшие отклонения потоков воды в реках из-за действующей на них кориолисовой силы — вправо в Северном полушарии и влево — в Южном. Однако эти отклонения становятся вполне заметными при движениях больших масс (или движении с высокой скоростью), например при движении воздушных потоков, которые в Северном полушарии закручиваются против часовой стрелки во время ураганов. Потоки воды в больших реках, например в Миссисипи, тоже могут заметно отклоняться под действием кориолисовой силы. При этом образуется циркуляция воды в поперечной к направлению течения реки плоскости, которая и подмывает берег. Эффект наиболее силен при протекании реки по меридиану, ослабляется при отклонении от этого направления и исчезает при протекании по параллели.

Чтобы машина, участвующая в автогонках класса Гран-при, оставалась в вираже при плоском повороте, необходимо трение. Но если машина движется слишком быстро, трение подводит и машина вылетает с трассы. Раньше гонщикам приходилось проходить плоский поворот достаточно медленно. Но современные гоночные машины спроектированы иначе: машина буквально вдавливается в трассу, что обеспечивает хорошее сцепление шин с дорогой. Говорят, что в этом случае действует отрицательная подъемная сила. Она настолько сильна, что некоторые водители утверждают: если потолок длинный, они могут вести машину даже вверх ногами. В чем причина появления отрицательной подъемной силы и может ли реальная гоночная машина ездить вверх ногами, как вымышленный седан из первой серии фильма «Люди в черном»? [25]На отрицательную подъемную силу можно положиться, когда только одна машина совершает поворот, как, скажем, при одиночном заезде на скорость. Но опытный водитель знает, что по ходу гонки отрицательная подъемная сила может исчезнуть. В чем тут причина?

ОТВЕТ •В основном отрицательная подъемная сила, до 70%, связана с крыльями машины, направляющими вверх поток воздуха. Остальные 30% обеспечивает так называемый эффект земной подушки , связанный с потоком воздуха под днищем автомобиля. Чем быстрее движется автомобиль, тем эффективнее эти механизмы. При высоких скоростях, как на гонках «Формулы-1», отрицательная подъемная сила превышает действующую на автомобиль гравитационную силу. Но это значит, что, если бы автомобилю удалось, не сбавляя скорости, перебраться с гоночного трека на потолок, отрицательная подъемная сила, направленная теперь вверх, с запасом компенсировала бы направленную вниз силу гравитации. Так что машина и в самом деле могла бы двигаться вверх ногами, как в фильме «Люди в черном».

Рис. 2.1 / Задача 2.1

Эффект земной подушки связан с прохождением потока воздуха под днищем автомобиля. Когда воздух сжат в небольшом пространстве под машиной, его скорость увеличивается, а давление, согласно уравнению Бернулли, понижается. Значит, давление воздуха под машиной меньше, чем над ней, и эта разность давлений прижимает машину к треку. Во время гонки водитель может уменьшить тормозящее машину сопротивление воздуха, следуя вплотную за другой машиной. Это называется создать тягу . Однако машина-лидер нарушает установившийся поток воздуха и под преследующей ее машиной, ослабляя эффект земной подушки. Если водитель, преследующий лидера, не учтет этого и не снизит скорость, столкновение с ограждением трассы ему гарантировано.