Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

При правильной стойке лыжника, прыгающего с трамплина, он может пролететь около 200 м [28], а если он ошибся, расстояние оказывается гораздо меньше. С чем это связано? Почему некоторые прыжки заканчиваются опасными акробатическими переворотами и как лыжник может их избежать?

ОТВЕТ •Длина полета лыжника определяется подъемной силой, действующей на его тело и лыжи. Во время прыжка лыжник с лыжами напоминает букву V, открытую в направлении встречного воздуха. Если прыжок выполняется правильно, лыжник движется по воздуху плавно, как бумажный самолетик. Однако проносящийся мимо воздух представляет серьезную опасность, поскольку благодаря этому потоку подъемная сила, действующая на лыжи спереди, может неожиданно стать больше подъемной силы, действующей сзади. Возникает вращающий момент, переворачивающий лыжника, он теряет контроль над своим положением и начинает кувыркаться. Приземление в этом случае может оказаться фатальным.

Опытные прыгуны с трамплина знают, как быстро и правильно сориентировать тело и лыжи, чтобы добиться максимальной подъемной силы и сразу начать планировать. Секрет в том, что в конце стола отрыва следует подпрыгнуть вверх. Такой прыжок должен вызвать вращение вперед, обеспечивая верную ориентацию прыгуна и его лыж при спуске, когда лыжник и его лыжи составляют правильный угол относительно движущегося воздуха. Кроме того, лыжник должен выбрать момент толчка так, чтобы вращающий момент стал равен нулю ровно тогда, когда ориентация будет правильной. Все эти маневры абсолютно необходимы: они позволяют выполнить хороший и безопасный прыжок. Однако все не так просто, поскольку необходимо принимать в расчет плотность воздуха, от которой зависит подъемная сила. Если лыжник, приспособившийся к прыжкам на небольшой высоте, попытается совершить прыжок в высокогорных условиях, где плотность воздуха меньше, прыжок может оказаться неудачным.

Максимальная скорость — мечта всех участников соревнований по скоростному спуску, особенно если цель — побить мировой рекорд скорости, то есть развить скорость выше 240 км/ч [29]. В этом случае главным препятствием на пути к достижению цели оказывается аэродинамическое сопротивление. Оно, несомненно, более существенно, чем трение лыж о снег. Как горнолыжник может его минимизировать?

ОТВЕТ •Вот несколько правил, следуя которым можно уменьшить аэродинамическое сопротивление. Костюм должен плотно облегать тело, а не развеваться на ветру. Шлем должен быть не только обтекаемой формы, но и прикрывать плечи. Тогда разрывов воздушного потока на плечах или на спине лыжника нет и сзади под шлемом не образуются завихрения. Сталкиваясь с ногами, воздушный поток должен попадать на специальный обтекатель, предназначенный для того, чтобы избежать образования вихрей позади ног. Такие вихри являются областями низкого давления. А значит, если перед ногами давление высокое, а за ними низкое, сопротивление за счет разности давлений может оказаться существенным. Лыжные палки надо держать за телом, а не выставлять их навстречу набегающему воздуху. Лыжник слегка приседает, принимает стойку «яйцо» , чтобы минимизировать площадь, встречающую набегающий поток.

Одна из сложностей при скоростном спуске — необходимость удерживать правильное положение ног. Скорость воздуха между бедрами больше скорости с внешней стороны ног. Давление воздушного потока обеспечивает энергию, необходимую для увеличения скорости движения. Поэтому давление между бедрами лыжника меньше, чем снаружи, и они норовят сомкнуться. Лыжнику все время приходится с этим бороться.

Почему бумеранг всегда возвращается к бросающему? Некоторые бумеранги могут пролететь по замкнутой траектории до 200 м, а некоторые возвращаются назад несколько раз, прежде чем опустятся на землю. При запуске плоскость бумеранга ориентирована почти вертикально. Тогда почему во время полета плоскость бумеранга обычно переходит в горизонтальное положение? Классический бумеранг изогнут и по форме напоминает банан, но бывают и другие формы. Можно ли заставить прямую палку летать как бумеранг?

ОТВЕТ •Каждое плечо бумеранга напоминает классическую аэродинамическую поверхность, близкую к форме крыла первых самолетов. Передняя, разрезающая воздух кромка плеча бумеранга скруглена, задняя кромка тоньше передней; его верхняя поверхность изогнута, а нижняя — плоская. Во время полета бумеранга такая аэродинамическая поверхность меняет направление воздушного потока, в результате чего на бумеранг действует подъемная сила в противоположном направлении.

Если вы запускаете бумеранг правой рукой, сначала его надо поднять к голове, держа к себе изогнутой стороной, при этом плоскость бумеранга должна быть слегка отклонена от вертикали вправо. Затем нужно быстро выбросить вперед правую руку, одновременно обхватив ее запястье кистью левой руки. Тогда подъемная сила, действующая на бумеранг, будет направлена вверх и влево от вас. Вертикальная составляющая этой силы обеспечит полет бумеранга.

Величина подъемной силы, действующей на крыло бумеранга, зависит от скорости движения воздуха вблизи плеча бумеранга. Поскольку в каждый данный момент времени его верхнее плечо поворачивается в направлении движения (туда, куда летит бумеранг), а нижнее плечо в противоположном направлении, подъемная сила, действующая на верхнее плечо, больше.

Так как подъемная сила на верхнем плече направлена вверх, а точка ее приложения находится на некотором расстоянии от центра масс бумеранга, возникает вращающий момент, стремящийся повернуть плоскость бумеранга. Бумеранг крутится, как волчок, а значит, этот момент поворачивает ось, вокруг которой он вращается, по направлению к вам и вы видите б о льшую часть его верхней поверхности. При повороте бумеранга траектория его полета искривляется. Таким образом, бумеранг летит по замкнутой траектории и возвращается назад к вам.

Прямую палку можно заставить играть роль бумеранга, если запустить ее так же, как бумеранг. Начальное вращение вокруг проходящей через центр короткой оси неустойчиво, и ось вращения смещается к длинной оси, направленной вдоль палки. Изменение направления переориентирует палку, но направление, вокруг которого она вращается, не меняется. Во время полета в обратном направлении вращающаяся палка отклоняет воздушный поток вниз, что приводит к появлению подъемной силы.

Выпустите из рук кредитку (или любую другую жесткую карту) так, чтобы ее длинный край был расположен горизонтально и направлен вниз, а лицевая и оборотная стороны смотрели влево и вправо. Почему карта не скользит в воздухе и не падает на пол ровно под тем местом, где ее выпустили? Обычно, показывая этот фокус, игральные карты мечут в открытую коробку. Я использую пластиковую кредитку. Если я бросаю ее случайным образом, она практически сразу начинает колебаться или крутиться в разные стороны, на мгновение зависает, а потом падает на пол. Есть ли возможность стабилизировать полет карты в воздухе так, чтобы было больше шансов попасть в коробку?