Читать книгу "Новый физический фейерверк - Джирл Уокер"

Если диаболо находится в близком к равновесному состоянии, сила тяжести со стороны перевешивающей части создает небольшой вращающий момент, и это приводит к тому, что у вектора углового момента появится небольшая дополнительная составляющая, направленная влево или вправо. В результате под действием силы тяжести диаболо не опрокинется, а будет прецессировать влево или вправо — его центральная ось будет поворачиваться влево или вправо. (Трение со стороны веревки тоже создает момент сил, но если веревка находится по центру игрушки или близко от него, этот вращающий момент только немного замедлит вращение.)

Если дальний конец диаболо начнет заваливаться, вы можете с помощью веревки создать вращающий момент, который вернет его в прежнее состояние. Потяните за конец веревки, находящийся в правой руке, к себе, притягивая правую часть игрушки. Давление на правую сторону диаболо приведет к появлению вращательного момента, направленного вниз, в результате чего вектор углового момента снова станет горизонтальным.

Чтобы заставить диаболо повернуться направо, разведите руки, а потом потяните веревку на себя. Тогда она либо надавит на нижнюю часть игрушки, либо начнет проскальзывать в вашем направлении, и дальняя от вас часть игрушки перевесит ближнюю. Если проскальзывания не будет, давление на нижнюю часть игрушки создаст вращающий момент, и та повернется. А если возникнет проскальзывание, игрушку повернет момент силы тяжести, действующей на перевешивающую тяжелую часть.

1.108. Кельтские камни, или «кельты»

Кельтские камни (или «кельты») — забавные варианты волчков с нижней поверхностью в форме скошенного эллипсоида. Те камни, которые продаются в магазине игрушек, закручиваются только в одном направлении. Если вы попытаетесь закрутить их в другом направлении, они быстро остановятся, поднимутся, потом опустятся и начнут крутиться в том направлении, в каком им хочется. Некоторые отполированные водой камни ведут себя схожим образом, но попадаются редкие экземпляры, меняющие, пока у них не кончится энергия, направление своего вращения по несколько раз. Почему «кельты» меняют направление своего вращения?

ОТВЕТ • Поведение «кельтов» довольно трудно объяснить в деталях, но в общих чертах можно сказать, что изменение направления вращения происходит из-за того, что их нижняя поверхность представляет собой скошенный эллипсоид. Это значит, что оси эллипсоида не совпадают с главными осями камня, то есть с его длиной и шириной. Когда камень закручивается вокруг вертикальной оси в «неправильном» направлении, эта несоосность дестабилизирует вращение, и камень начинает раскачиваться. Из-за трения камня о стол энергия переходит из вращения в качание. Когда этот переход энергии почти заканчивается, сила трения изменяет направление и камень начинает вращаться в противоположную сторону. У некоторых «кельтов» вращение в «правильном» направлении тоже нестабильно: камень опять начинает раскачиваться, и направление вращения вновь меняется. В итоге, конечно, трение останавливает движение.

1.109. Крутящиеся монетки и бутылки

Установите монетку на ребро, закрутите ее, прислушайтесь и понаблюдайте за ней. Когда она начинает падать, издаваемый ею звук сначала понижается, а потом повышается. Вы думаете, это происходит потому, что она вращается быстрее? Совсем наоборот — медленнее. Если вы проследите за какой-нибудь стороной монетки, то увидите, что вначале она размыта из-за быстрого движения, но позже ее уже можно разглядеть.

Поставьте бутылку на кромку дна и сбалансируйте ее. Затем зажмите ее между ладонями и раскрутите. Когда бутылка раскрутится, она начнет постепенно выпрямляться, а издаваемый ею звук будет повышаться. Можно попытаться закрутить бутылку, находящуюся почти в горизонтальном положении, но запустить ее сложнее. Если вам все-таки удастся это сделать, при приближении к горизонтальной поверхности издаваемый ею звук понижается. Можете ли вы объяснить такое поведение монетки и бутылки?

ОТВЕТ • Монетка крутится вокруг своей центральной оси, но ось тоже вращается вокруг вертикали — это движение называется прецессией. Прецессия происходит из-за вращающего момента, создаваемого весом монетки. По мере того как из-за трения и сопротивления воздуха энергия монетки уменьшается, она начинает крениться и вращаться с меньшей скоростью, поэтому изображение на монетке становится легче рассмотреть. При небольших углах наклона скорость прецессии уменьшается, но затем при дальнейшем опускании центра масс начинается перекачка потенциальной энергии в дополнительную кинетическую энергию прецессии. Звук, который вы слышите, издается в процессе прецессии, когда края монетки стучат по столу. Когда скорость прецессии повышается, повышается и высота звука.

Когда бутылка закручивается в почти вертикальном положении, она тоже прецессирует. По мере того как центральная ось приближается к вертикали, центр масс опускается, потенциальная энергия перекачивается в прецессию и тон звука повышается. Когда бутылка крутится в почти горизонтальном положении, скорость прецессии уменьшается, по мере того как бутылка наклоняется до тех пор, пока не достигнет некоторого малого значения. После этого бутылка ложится набок и продолжает крутиться лежа.

1.110. Дзюдо, айкидо и олимпийская борьба

В дзюдо, айкидо и борьбе, чтобы заставить соперника потерять равновесие и упасть, следует знать и применять технические приемы. Наиболее известный прием в дзюдо — бросок через бедро. Нужно ухитриться перекинуть противника через свое бедро и уложить на мат. Хотите верьте, хотите нет, но без знания физики сделать это практически невозможно, особенно если ваш соперник крупнее и сильнее вас. Как правильно выполнять бросок через бедро?

Рассмотрим пример из айкидо. Соперник обхватил вас сзади руками, сильно сжав ваши запястья. Как вы сможете бросить его на мат?

Иногда в айкидо используется деревянное оружие. Что делать, если соперник толкает вас концом длинной палки, но при этом стоит слишком близко, чтобы вы могли ухватиться за палку и дернуть? К тому же тогда сила столкнулась бы с другой силой. Есть ли более надежный способ уложить соперника на мат?

ОТВЕТ • Чтобы выполнить бросок через бедро, подождите, пока противник сделает шаг вперед правой ногой, и тоже сделайте шаг вперед правой ногой, поставив ее между ног соперника. Потяните его за одежду вниз и вправо, чтобы его корпус согнулся вперед, а центр масс переместился к пупку. При этом нужно развернуться влево и подставить свои бедра под него.

Теперь центр масс противника находится примерно на уровне вашего правого бедра (рис. 1.38а). Потянув соперника за правый рукав кимоно, вы легко сможете перекинуть его через свое правое бедро и уложить на мат. Самое главное в этом броске — в первой фазе согнуть противника. Если этого не сделать, его центр масс будет от вас на большем расстоянии (рис. 1.38б), и когда вы попытаетесь перекинуть его через бедро, вам придется бороться с его весом, который создаст вращающий момент, направленный в противоположную сторону относительно момента, создаваемого вашими усилиями. Все это затруднит вращение, и от вас потребуется больше усилий, поскольку придется фактически поднимать соперника, а если он тяжелый, вам это, скорее всего, не удастся.