Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

ОТВЕТ •Описать падение карты, отпущенной длинным концом вниз, очень сложно. Физики пытаются сделать это начиная с 1854 года. Полет карты может быть совсем беспорядочным, но может происходить и так: 1) карта, скользя по воздуху, колеблется и меняет направление скольжения — то влево, то вправо; 2) карта переворачивается, вращаясь вокруг некоторой оси, и при этом планирует либо влево, либо вправо. Какой из вариантов осуществится, зависит от размера карты. Стандартная игральная карта обычно устойчиво вращается вокруг горизонтальной оси, скользя под некоторым углом к вертикали. В момент, когда отпускают карту, изначально ориентированную вертикально, ее нижний конец отклоняется вправо или влево. Затем, когда карта скользит под некоторым углом к вертикали, обтекающий ее воздушный поток создает области повышенного давления ниже переднего края карты и выше ее заднего края. Эти области высокого давления поворачивают карту вокруг оси, проходящей вдоль карты через ее центр. Когда карта занимает горизонтальное положение, падение замедляется, но вращение продолжается до тех пор, пока она вновь не встанет вертикально. Поскольку при этом скольжение карты облегчается, ее скорость, направленная вниз, увеличивается. И затем все это повторяется.

Чтобы выполнить трюк с бросанием карты, главное — ее стабилизировать, то есть заставить двигаться устойчиво, без дрожания и вращения. Часто это делают так: вы держите карту горизонтально, большой палец лежит на короткой стороне сверху, указательный палец на длинном крае, а средний палец под короткой стороной снизу. Согните запястье так, чтобы карта коснулась основания ладони. Затем, резко выбросив запястье вперед, отпустите карту. Таким образом вы закрутите ее вокруг вертикальной оси. Силы, действующие на карту со стороны воздуха, поворачивают ее, она занимает почти вертикальное положение и вращается вокруг горизонтальной оси. Если бросок выполнен правильно, карта может лететь с высокой скоростью и практически по прямой. Будьте осторожны, не попадите кому-нибудь в глаз.

Некоторые трюкачи столь искусны, что забрасывают игральные карты поверх голов зрителей на балкон или даже заставляют их летать наподобие бумерангов.

Почему семена ясеня, вяза или клена могут оставаться в воздухе так долго, что даже легкий ветерок относит их далеко от материнского дерева?

ОТВЕТ •Семена этих деревьев снабжены крылышками, а падают они медленно, поскольку вращаются. Так, крылатка [30]клена вращается вокруг своего центра масс, находящегося между выпуклостью (местом, где расположен плод) и плоским участком крылышка. Наклон плоскости крылышка может достигать 45°. Вращающаяся во время падения крылатка заставляет воздух двигаться вниз, и поэтому на нее действует направленная вверх сила. Эта же сила может еще и подталкивать крылатку в сторону, так что к земле она будет двигаться по винтообразной траектории (рис. 2.3).

Рис. 2.3 / Задача 2.11.Траектория крылатки, крутящейся против направления основного вращения при движении вдоль винтообразной траектории.

Если вы боитесь змей, учтите: есть змея, которая всю жизнь будет вам сниться в ночных кошмарах. Райская украшенная змея ( Chrysopelea paradisi ) может взбираться на деревья, прыгать с высоты и, планируя, спускаться на землю. Выбрав новую цель, например другое дерево, она может менять траекторию планирования. Как же этой змее удается держаться в воздухе и планировать?

ОТВЕТ •Свисающая с ветки змея прыгает вверх и вперед. Во время прыжка, когда ее тело распрямляется, туловище от головы и дальше к хвосту уплощается. Кроме того, ближе к хвосту на брюхе змеи образуется нечто вроде плоского желоба с опушенными вниз краями. Средняя часть туловища змеи становится вдвое шире исходного диаметра.

Уплощенная часть туловища змеи служит аэродинамической поверхностью, создающей подъемную силу. Поэтому ее планирование чем-то напоминает полет бумажного самолетика. Однако, набрав скорость, змея начинает выделывать нечто совсем на самолетик не похожее: она принимает S-образную форму, а затем начинает совершать горизонтальные колебания с частотой порядка 1,3 колебания в секунду. Немедленно траектория планирования становится более пологой. Это значит, что колебания приводят к увеличению подъемной силы, действующей на змею. Скорость полета змеи порядка 8 м/с, планирует она под углом около 30° и спускается вниз со скоростью около 5 м/с. Она может изменять направление полета, меняя наклон задней части тела или изменяя положение головы, продолжающей совершать колебания.

Как подъемная сила связана с колебаниями змеи, не слишком понятно. Однако можно предположить, что при движении влево-вправо вогнутой задней части тела змеи меняется ориентация ее брюха. Если она действительно меняется, когда змея раскачивается то влево, то вправо, это может привести к увеличению подъемной силы.

Почему при абсолютно одинаковых ударах теннисный мяч, который уже побывал в игре, обычно достигает принимающего быстрее, чем новый?

ОТВЕТ •Время полета теннисного мяча определяется аэродинамическим сопротивлением. Если взять новый мяч и много раз повторить один и тот же удар (одинаковая начальная скорость и угол подачи), аэродинамическое сопротивление сначала возрастает, а затем постепенно уменьшается до некоторого стабильного значения. По-видимому, это связано с ворсом, пушком на поверхности мяча. В начале игры ворс приподнимается и «улавливает» больше воздуха, увеличивая аэродинамическое сопротивление. Однако постепенно ворс вытирается или сглаживается, и аэродинамическое сопротивление падает. Это значит, что подающий игрок находится в несколько более выгодном положении, играя потрепанным мячом, поскольку мяч испытывает меньшее сопротивление, чем новый, и достигает принимающего за меньшее время, затрудняя ответный удар.

Как при свободном ударе футболист посылает мяч таким образом, что он по искривленной траектории огибает стенку из игроков и попадает в ворота? Такой удар, когда с мячом происходит что-то невероятное, называют крученым из-за траектории полета мяча. Он часто застает вратаря врасплох, особенно если из-за стенки тот не видит начало полета мяча.

ОТВЕТ •На рис. 2.4a показан летящий мяч в неподвижном воздухе (вид сверху). Если мы движемся вместе с мячом, нас обтекает воздух, как на рис. 2.4б. Если мяч не закручен, воздух с обеих сторон обтекает мяч симметрично, а затем где-то сзади два воздушных потока отрываются от мяча, образуя вихри. Однако, если мяч закручен (скажем, по часовой стрелке, как на рис. 2.4в), воздушные потоки несимметричны. Теперь поток, двигающийся в направлении, противоположном направлению вращения поверхности мяча, распадается на вихри раньше, а поток, двигающийся вместе с вращающейся поверхностью, удерживается ею и отрывается от нее позднее. Представить себе отрывающийся от вращающегося мяча воздушный поток можно, вспомнив, как отбрасывают грязь вращающиеся шины. Поскольку закрученный мяч меняет направление воздушного потока, отлетает он в противоположном направлении. Следовательно, отклонение воздушного потока вращающимся мячом обуславливает изменение направления его полета. Этот эффект обычно называют эффектом Магнуса по имени исследовавшего его ученого.