Читать книгу "Новый физический фейерверк - Джирл Уокер"

Почему ложка повисла? Чем помогло то, что сначала на нее подышали? Как долго может ложка висеть на носу? Одно время я всем говорил, что мой рекорд — час и 15 минут — был поставлен во французском ресторане в Торонто. Однако на самом деле это случилось на стоянке для грузового транспорта в Юнгстауне, где один бандитского вида байкер пошутил, что ложка продержится дольше, если он слегка изменит форму моего носа.

ОТВЕТ • Если ни на носу, ни на ложке нет следов жира, трение между ложкой и носом должно быть достаточным, чтобы удержать ложку на месте. Она будет неподвижно висеть при условии, что ее центр масс лежит на вертикали, проходящей через точку, в которой она прилипла к носу. В противном случае, когда вы ложку отпустите, сила тяжести будет стремиться повернуть ее, и она может соскользнуть. Конденсация выдыхаемого вами воздуха на ложке помогает ей приклеиться к носу. Хотя слой воды, если он сравнительно толст, действует как смазка, очень тонкий слой является клеем из-за возникающих между молекулами воды и соседними молекулами поверхностей носа и ложки электростатических сил притяжения; кроме того, ложку прижимает к носу атмосферное давление.

1.58. Следы от камней

На дне высохших озер, которыми изобилуют Калифорния и Невада, иногда попадаются камни, от которых идут длинные следы, прочерченные на твердой корке дна. Эти следы иногда достигают десятков метров в длину, а масса камней — 300 кг. Откуда взялись следы? Камни решили прогуляться? Или их перекатывал какой-то псих? Какова бы ни была причина, передвинуть эти камни очень тяжело, поскольку трение между камнями и твердой поверхностью пустыни огромно.

ОТВЕТ • Многие ученые пытались выяснить происхождение этих следов. Одна из теорий объясняла их появление намерзанием дождевой воды во время редких заморозков. Когда дует ветер и порывы его достаточно сильны, они в состоянии сдвинуть камни, завернутые в ледяные «фантики», и те могут прочертить полосы на твердой поверхности пустыни.

Сторонники другой теории считают, что следы могли появиться во время ливней, случающихся, хотя и редко, в пустыне. Когда дождь смачивает поверхность пустыни, образуется смазка, и шквалистый ветер может сдвинуть или перекатить камни — в результате остаются следы. Трение между камнями и поверхностью оказывается минимальным, когда земля покрывается тонким слоем грязи, а под ним находится все еще твердая основа. В этот момент порыв ветра может резко сдвинуть камень, а для продолжения движения требуется меньшая сила.

1.59. Узлы

В морском узле, показанном на рис. 1.18а, два конца — один свободный, а другой привязан к грузу. Если увеличить нагрузку, может ли узел проскользнуть, то есть может ли свободный конец выскочить из узла, так что узел развяжется? Или же этот узел самозатягивающийся?

Рис. 1.18 / Задача 1.59. а) Морской узел. б) Элементы морского узла.

ОТВЕТ • Можно математически проанализировать силы трения и натяжения веревки в узле и таким образом определить, что будет с узлом при большой произвольной нагрузке: будет ли он удерживать груз или развяжется. Здесь мы проведем простой анализ и начнем со свободного конца, который не натянут (рис. 1.18б). Свободный конец проходит под петлей, образованной другой частью веревки, накинутой сверху на него и прижимающей его к стержню. Чтобы свободный конец не выскользнул из-под петли, трение, создаваемое этим давлением, не должно быть меньше натяжения веревки, стремящегося вытянуть свободный конец из-под петли.

Веревка в этом узле обвивает стержень дважды (двумя витками). Натяжение на конце той петли, которая находится ближе к свободному концу, мало, а на другом конце витка — велико. Чтобы этот виток оставался неподвижным, трение между веревкой и стержнем должно быть достаточно велико, чтобы уравновесить разницу в натяжениях веревки на обоих концах этого витка.

Затем веревка обвивает стержень еще раз и проходит под второй петлей. Натяжение на конце веревки, противоположном свободному, создается грузом. Если верхняя часть веревки в этом витке создает достаточное давление на нижнюю, виток остается неподвижным.

Таким образом, в морском узле есть три требования на трение в разных точках узла. Если во всех этих точках веревка натянута и трение достаточно, чтобы удержать узел от проскальзывания, узел будет держать при любой нагрузке. Но если в какой-то из них веревка ослабла, узел развяжется, как только нагрузка сделается достаточно большой.

Некоторые типы узлов развязываются при большой нагрузке, даже если все части веревки в витках и переходах между витками сильно натянуты. Другие автоматически затягиваются с увеличением нагрузки: тогда узел надежен и только веревка может порваться на отрезке между грузом и узлом.

1.60. Лазанье по скалам

Когда вы карабкаетесь вверх по широкой трещине в горе, вам поможет прием, используемый, например, при подъеме в трубе. Для этого необходимо принять положение «в распор» — прижаться спиной к одной стенке трещины и упереться ногами в другую (рис. 1.19). До тех пор, пока вы можете давить на стенки с достаточной силой, вы не упадете, но подъем потребует от вас много сил. Есть ли какое-то определенное расстояние по вертикали между ногами и плечами, при котором необходимое давление, позволяющее не упасть, будет наименьшим?

Рис. 1.19 / Задача 1.60. Движение вверх методом «подъем в трубе».

А вот еще несколько из множества возможных вопросов:

1. Если на вертикальной скале вы нащупали небольшой выступ на уровне ног, как лучше упереться в него — носком ботинка или ребром его?

2. Допустим, вы находитесь на крутом склоне скалы, на котором вы еще можете стоять вертикально. Почувствуете ли вы себя более устойчиво, если наклонитесь вперед и обопретесь на руки, чтобы увеличить общее трение?

3. Если две плиты пересекаются под острым углом, что безопаснее: карабкаться вверх по одной из них или по линии их пересечения?

4. Почему скалолазы часто окунают пальцы в толченый мел?

5. Какую веревку лучше использовать для организации страховочной цепи при скалолазании и альпинизме — растяжимую или жесткую?

6. Благодаря вбитым в скалу крючьям (промежуточным точкам страховки) альпинист, если сорвется, пролетит только до ближайшего крюка. Однако здесь есть другая опасность — веревка может растянуться и порваться. Многие новички-скалолазы считают, что все зависит от высоты скалолаза относительно последнего крюка в момент падения: чем больше эта высота, тем больше растянется веревка и тем вероятнее, что она порвется. Почему они не правы?