Класс!ная физика



Почему не падает вращающийся волчок?

Хороший волчок должен легко вертеться. Для этого необходимо правильно разместить центр тяжести.При большой скорости вращающийся волчок стремится сохранить неизменным положение своей оси и не падает. Постепенно из-за трения скорость вращения уменьшается. И когда скорость становится недостаточной, ось волчка по спирали отклоняется от вертикали, далее следует падение.

Из тысяч людей, забавлявшихся в детстве с волчком, не многие смогут правильно ответить на этот вопрос. Как, в самом деле, объяснить то, что вращающийся волчок, поставленный отвесно или даже наклонно, не опрокидывается, вопреки всем ожиданиям?

Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве тяжесть на него не действует? Здесь имеет место весьма любопытное взаимодействие сил. Теория волчка непроста, и углубляться в нее мы не станем. Наметим лишь основную причину, вследствие которой вращающийся волчок не падает.





На рисунке изображен волчок, вращающийся в направлении стрелок. Обратите внимание на часть А его ободка и на часть В, противоположную ей. Часть А стремится двигаться от вас, часть В – к вам. Проследите теперь, какое движение получают эти части, когда вы наклоняете ось волчка к себе.

Этим толчком вы заставляете часть А двигаться вверх, часть В – вниз; обе части получают толчок под прямым углом к их собственному движению. Но так как при быстром вращении волчка окружная скорость частей диска очень велика, то сообщаемая вами незначительная скорость, складываясь с большой круговой скоростью точки, дает равнодействующую, весьма близкую к этой круговой, – и движение волчка почти не меняется.

Отсюда понятно, почему волчок как бы сопротивляется попытке его опрокинуть. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.





Вращающийся волчок, будучи подброшен, сохраняет первоначальное направление своей оси.
Сущность этого объяснения непосредственно связана с законом инерции. Каждая частица волчка движется по окружности в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. По закону инерции частица в каждый момент стремится сойти с окружности на прямую линию, касательную к окружности.

Но всякая касательная расположена в той же плоскости, что и сама окружность; поэтому каждая частица стремится двигаться так, чтобы все время оставаться в плоскости, перпендикулярной к оси вращения.

Отсюда следует, что все плоскости в волчке, перпендикулярные к оси вращения, стремятся сохранить свое положение в пространстве, а поэтому и общий перпендикуляр к ним, т. е. сама ось вращения, также стремится сохранить свое направление.
Не будем рассматривать всех движений волчка, которые возникают при действии на него посторонней силы.

Это потребовало бы чересчур подробных объяснений, которые, пожалуй, покажутся скучными.
Я хотел лишь разъяснить причину стремления всякого вращающегося тела сохранять неизменным направление оси вращения. Этим свойством широко пользуется современная техника. Различные гироскопические (основанные на свойство волчка) приборы – компасы, стабилизаторы и др. – устанавливаются на кораблях и самолетах. Таково полезное использование простой, казалось бы, игрушки.

Вращение обеспечивает устойчивость снарядов и пуль в полете, а также может быть использовано для обеспечения устойчивости космических снарядов – спутников и ракет – при их движении.

Источник: "Занимательная физика" Я.И.Перельман






Любознательным

Крученые, отвесные и скачущие мячи

Может ли при игре в бейсбол подающий посылать крученые, отвесные или скачущие мячи?
Если да, то как он это делает? Отклоняется ли крученый мяч от направления «нормального» полета постепенно или внезапно? Действительно ли отвесный мяч резко падает в конце полета? И правда ли, что резаный мяч (его подают тыльной стороной руки), как утверждают игроки, «приплясывает» в полете?
Насколько крученый мяч, посланный хорошим бейсболистом, отклонится от прямолинейной траектории к тому моменту, когда он долетит до игрока на линии?

Оказывается...
При «закручивании» бейсбольному мячу придают вращение вокруг вертикальной оси. Во время полета в воздухе на такой крученый мяч действует горизонтальная сила (эффект Магнуса), которая отклоняет его в сторону.

Эта сила обусловлена разницей давлений с двух сторон мяча: с той стороны, которая при вращении движется навстречу потоку, давление оказывается больше, чем с противоположной. В данном случае, как и при объяснении возникновения подъемной силы крыла, уравнение Бернулли нельзя применять прямо, поскольку при вращении мяча в воздушном потоке существенную роль играют эффекты адгезии и вязкости воздуха.

Эти эффекты учитываются наложением на линейный поток кольцевого замкнутого потока, циркулирующего в направлении вращения мяча. Тогда можно применять уравнение Бернулли, так как теперь не нужно учитывать внешние силы, совершающие работу в огибающем мяч воздушном потоке. Мы найдем, что давление с одной стороны мяча меньше, чем с другой. Под действием этой разности давлений мяч отклоняется. Горизонтальная «подъемная сила» может быть рассчитана в соответствии с теорией Жуковского и Кутты, подобно тому, как определяется вертикальная подъемная сила крыла.

Источник: «Физический фейерверк» Дж. Уокер




Устали? - Отдыхаем!

Вверх