Нурбей Гулиа - Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах

Что такое 150 Вт применительно к человеку? Это мощность, которую развивает человек, непрерывно каждые 2 секунды поднимая пудовую гирю. Попробуйте проделать это упражнение хотя бы 3 минуты и, если вы не профессиональный гиревик, то поймете, что такое 150 Вт! Замерьте время, в течение которого вы осиливаете это упражнение, а затем поделите на это время 6–8 часов – время рабочего дня. Полученная двух, а то и трехзначная цифра покажет, во сколько раз преувеличены возможности человека.

Меньшие мощности человек переносит легче. Измерять их лучше всего на велотренажере, где мощность прямо высвечивается на табло. На современных велотренажерах вы можете даже получить работу в джоулях, совершенную за тот или иной промежуток времени. Так вот, работая и отдыхая в течение рабочего дня, сложите полученную сумму работ, поделите ее на продолжительность вашего рабочего дня в секундах и получите вашу среднюю мощность в ваттах. Не огорчайтесь, если получится очень малая цифра – к сожалению, это так и есть, если только вы не олимпийский чемпион по велоспорту.

Кстати, о чемпионах. Очень сильные люди, например штангисты, при рывке штанги двумя руками (первое движение двоеборья) могут развить мощность до 1,5–2 кВт и более, но очень кратковременно, не более 2–3 секунд. А средняя мощность обычного человека за 6–8 часов близка к мощности карманного фонарика и равна нескольким ваттам. Спокойно едущий велосипедист развивает мощность до 20 Вт, но попробуйте непрерывно проехать около 7 часов!

А как же справочные данные по средней мощности человека? Видимо, авторы справочника имели в виду не механическую, а тепловую мощность. Если раздетый человек стоит в ледяной проточной воде, то выделяемая им мощность на согревание воды будет поболее 300 Вт! В холодное время года средняя тепловая мощность человека больше, а в теплое – меньше. Поэтому зимой, особенно на холоде, человек ест больше, предпочитая калорийную жирную пищу. И очень небольшая часть энергии, выделяемой пищей в результате ее «сгорания» в организме, менее 6–8 %, выделяется в виде механической энергии.

Даже лошадь в среднем развивает мощность от 0,1 до 0,5 лошадиной силы. Следует помнить, что для определения эталона мощности – лошадиной силы или 736 Вт, была загнана насмерть за несколько часов одна из самых сильных лошадей!

5.12. Вопрос. Иногда говорят, что вращающийся маховик весит меньше неподвижного; может ли это быть?

Ответ. Действительно, в печати иногда появляются сообщения о том, что вращающийся с высокой скоростью маховик «теряет в весе». Это явление объясняют действием некой «антигравитации».

Если попробовать взвесить вращающийся маховик на чаше весов, то действительно можно обнаружить обескураживающее явление – кажущееся убавление веса маховика, причем существенное. Если предположить, что весы невероятно точны, а маховик вращается также с невероятной скоростью, то, согласно положениям релятивистской механики, возможно некоторое увеличение массы маховика за счет накопленной в нем энергии. Но чем же можно объяснить уменьшение веса?

Рассмотрим вращающийся маховик, нижняя плоскость которого находится вблизи плоскости чаши весов (рис. 34). Опыт проводится в воздухе, поэтому в щели между маховиком и чашей весов, а также над маховиком образуется разрежение, так как воздух отгоняется наружу как в центробежном насосе. Воздух, отгоняемый наружу верхней плоскостью вращающегося маховика, создает разрежение, «втягивающее» маховик вверх. Внешняя сила давления воздуха снизу на чашу весов (так как давление воздуха здесь выше, чем у верхнего торца маховика) нарушает равновесие весов, якобы уменьшая массу килограммового маховика на десятки граммов.

Рис. 34. Почему вращающийся в воздухе маховик весит меньше неподвижного: 1 – маховик; 2 – чаша весов.

Весьма точные опыты по взвешиванию вращающегося маховика гироскопа проводились и в вакууме, где было также обнаружено уменьшение веса маховика, но уже всего на миллиграммы [11, с.144].

Тщательная проверка этого парадокса в Институте Механики РАН показала, что объясняется он вполне «земными» причинами. Прежде всего, вибрация, которой неизбежно сопровождается вращение маховика, оказывает влияние на чувствительные элементы весов – их призмы. При этом сопротивление в призмах то уменьшается, то растет в зависимости от направления ускорений при вибрации. В результате при ходе коромысла весов в сторону маховика призмы из-за дополнительной нагрузки более затрублены в показаниях, чем при обратном ходе, когда они разгружены. Поэтому чаша весов с неподвижными гирями при вибрациях перевешивает «активную» вибрирующую чашу.

Такими образом, нет оснований полагать, что вращающийся маховик будет иметь массу меньше неподвижного.

5.13. Вопрос. Можно ли сдвинуть ось вращения Земли, ускорить или замедлить ее вращение, находясь на ней самой?

Ответ. Вопрос этот несколько похож на вопрос 5.10 потому, что его можно сформулировать и так: «Можно ли внутренними моментами изменить значение кинетического момента Земли?»

Согласно законам механики этого, конечно, сделать нельзя. Но если дополнительные устройства, необходимые для этого, не считать принадлежащими самой Земле, то принципиально можно и замедлить и убыстрить вращение Земли, как и сместить на определенный угол ось ее вращения.

В действительности каждый наш шаг, движение каждой молекулы уже изменяют упомянутые параметры вращения Земли на ничтожно малые значения, если, конечно, считать нас самих или эту молекулу, не входящими в «состав» Земли. Речь идет о том, как не будучи ограниченными в технических и финансовых возможностях, изменить упомянутые параметры в ощутимых пределах.

Для увеличения или уменьшения частоты вращения Земли, иначе говоря, для изменения продолжительности суток можно в районе полюса, удобнее в районе Южного географического полюса, так как там суша, установить соосно самой Земле громадный маховик с приводом его вращения в ту или другую сторону. Сам привод, например огромный электродвигатель, естественно, закреплен на Земле, а маховик посажен на его вал (рис. 35). Раскручивая маховик в сторону вращения Земли, мы реактивным моментом, передающимся Земле корпусом двигателя, замедляем угловую скорость планеты. Разгоняя маховик в противоположную сторону, мы увеличиваем угловую скорость вращения Земли. Однако в любом случае кинетический момент системы «Земля – маховик» останется постоянным. Заметим, что существует похожий способ ориентирования космических аппаратов, и маховичные устройства для этого называются гиродинами.