Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей - Дмитриев Александр Сергеевич
Итак, давайте поймем, почему бумеранг возвращается. Для этого начнем с простого опыта. Возьмем полоску бумаги шириной один-два сантиметра (отрежем край от газеты). Поднесем ко рту, пусть свисает как язык.
Если теперь подуть сильно вдоль бумажки поверху, то она вдруг «притянется» к струе и выпрямится, будто язык выпрыгнул вверх и вперед.
Но стоит мне подуть вдоль бумаги, как она поднимается вверх!
Почему так происходит?
В свое время физики (например, великий Бернулли) заметили, что если поток жидкости или газа дует вдоль поверхности предмета, то он как бы присасывает предмет к себе. Причем чем быстрее движется газ, тем больше эта сила.
Но это если предмет обтекает воздух с одной стороны. А давайте рассмотрим, что будет, если предмет обтекается с двух сторон. Предположим, что с одной стороны предмет прямой, а с другой – выгнут углом или по дуге. Воздух разорваться не может, поэтому, набегая на предмет и обтекая его с двух сторон, потоки должны обежать его за одно и то же время. Получается, что сверху воздуху надо бежать быстрее!
А значит, что с этой стороны сила будет больше и предмет начнет «притягиваться» в ту сторону, с которой он больше искривлен.
На этом основана работа всех самолетных, вертолетных и прочих крыльев.
Я условно нарисовал крыло в виде треугольника – это крыло в разрезе. Если вы приглядитесь к любому самолетному крылу, вы увидите, что сверху оно выпуклое, а снизу – ровное. Таким образом, когда самолет разгоняется и крылья начинает обдувать воздух, сверху крыло как бы «присасывается» к воздушному потоку, возникает подъемная сила.
Почти все думают, что, когда самолет разгоняется, набегающий поток воздуха «подталкивает» его снизу крыльев и он «опирается» на воздух. А вот и наоборот! Самолет присасывается крыльями к воздуху сверху! Словно кто-то гигантской присоской держит его за крылья.
Теперь уже мы достаточно знаем, чтобы перейти к бумерангу.
Обычно бумеранг изображают в виде кривой деревяшки, напоминающей букву «Г». Такие делали австралийские и египетские охотники и бойцы в древности. Мы сделаем гораздо более простой, но точно так же возвращающийся крестообразный бумеранг. Представьте себе обычный ровный крест из дерева как вертолетный винт, при этом все «лопасти» представляют собой крылья. То есть сверху они выпуклые, а снизу – плоские. Если такой винт будет вращаться, то возникнет подъемная сила, которая будет притягивать бумеранг и сдвигать его в сторону выпуклой стороны. Давайте рассмотрим схему.
Бумеранг бросают вперед так, чтобы он летел в вертикальном положении, чтобы он словно колесо «катился» в воздухе. Как колеса не ездят «лежа», так и бумеранг должен «катиться» вперед. Он и вращается, и одновременно передвигается по горизонтали по направлению к цели. Я показал двумя большими стрелками, что бумеранг вращается и движется вперед. Мы смотрим на него как бы сбоку (его бросили мимо нас слева направо).
Смотрите, что происходит. Нижнее крыло бумеранга всегда будет за счет вращения как бы «возвращаться» назад, и скорость его относительно воздуха будет небольшой. У колеса тоже та точка, которая прикасается к земле в данный момент, неподвижна (иначе бы шины мгновенно стирались). А вот верхнее крыло, наоборот, движется быстрее, потому что его скорость складывается из скорости движения центра (всего) бумеранга и скорости вращения.
Из всей этой запутанной картины нам ясен очень простой вывод: верхнее крыло обтекается быстрее воздухом, чем нижнее! Все!
Что из этого следует? Что на верхнее крыло начнет действовать сила больше, и бумеранг начнет поворачиваться в воздухе. На него как будто бы надавили невидимым пальцем так, что его верхнее крыло начнет отклоняться в сторону выпуклой стороны.
И тут начинается самое интересное! Это все мы описывали так называемые аэродинамические силы. Это силы, которые возникают в потоках газов. А есть еще другие силы, которые тоже вступают в игру. И здесь мы опять должны для понимания познакомиться с таким занятным прибором, как гироскоп.
Все в детстве играли с волчком. Крутишь его – и он стоит на кончике! И какие-то загадочные силы удерживают его от падения. А остановится – и падает.
У наших предков, кстати, была занятная игра – «кубарик». Из дерева вырезали волчок, раскручивали его. Для этого на него наматывали веревочку и дергали ее, придерживая кубарик пальцем. Кубарик раскручивался и стоял на кончике. Чтобы он не падал, его подстегивали маленьким кнутиком. Задача была заставить кубарик крутиться как можно дольше.
А ученые придумали прибор, состоящий из волчка (металлического обычно), который закреплен в специальных рамках и может вращаться свободно в любом из направлений. Посмотрите, на фотографии лабораторный гироскоп, доставшийся мне в наследство от моего папы, – этот гироскоп участвовал в создании систем наведения для первых советских ракет!
Настоящий лабораторный гироскоп. Стрелками показаны рамки.
Видно, что в центре – волчок, он может вращаться. Он закреплен в круглой рамке, которая в свою очередь закреплена еще в одной рамке – а та, в свою очередь в третьей. Я показал их стрелками.
Если быстро-быстро раскрутить волчок (в настоящих гироскопах это бешеные скорости, например двадцать тысяч оборотов в минуту!), то он будет сохранять свое положение в пространстве. Как ни крути гироскоп за внешнюю рамку, а ось волчка будет всегда показывать в одном и том же направлении.
Но если при этом надавить (пальцем) на одну из рамок, волчок начнет поворачиваться. Его движение описываются очень сложными уравнениями Эйлера (очень умный был физик). Но для нас важно, что, если на вращающееся тело начать прикладывать со стороны силу, это тело начнет поворачиваться.
Движения рамок и гироскопа описываются уравнениями Эйлера третей степени. Но бумеранг мы обязательно сделаем!
Например, если волчок вращается, как на картинке по стрелке, слева направо и мы надавим на вторую рамку справа налево, то неожиданно первая рамка гироскопа начнет поворачиваться вниз! Совсем не в том направлении, в котором мы давим на другую рамку.
Правило простое, несмотря на все сложные уравнения Эйлера: поворачивается гироскоп всегда так, чтобы все рамки совместились и приложенная сила оказалась совпадающей с направлением вращения, как бы помогала крутиться волчку. Но это так, для тех, кому интересно.
Представим же теперь, что этот гироскоп – летающий. А ведь наш бумеранг и есть вращающийся волчок! Только рамок у него нет, да они ему и не нужны – ведь он во время полета свободно висит в воздухе, так что ведет он себя словно настоящий волчок гироскопа, подвешенный в рамках.
Ну вот, мы добрались почти до конца теории.
Мы помним, что на верхнее крыло нашего бумеранга действует опрокидывающая сила. От этого вращающийся бумеранг начнет не заваливаться набок, как можно было бы ожидать, а как настоящий гироскоп начнет прямо в воздухе заворачивать налево! То есть поворачиваться так, чтобы действующая на него сила действовала в том же направлении, что и вращение бумеранга. Но при этом на него все так же будет действовать опрокидывающая сила, ведь, поворачивая, бумеранг начинает двигаться немножко в другом направлении, – и все повторяется, он опять чуть-чуть повернет налево и так далее.
И бумеранг начнет описывать красивый круг, постоянно поворачивая налево!
При этом постепенно скорость вращения самого бумеранга будет падать, разница между скоростью верхнего и нижнего крыла будет все меньше, и бумеранг перестанет вести себя как гироскоп. Что при этом произойдет? Он начнет помимо поворота налево еще и заваливаться набок – и вернется к нам в руки, уже просто вращаясь в воздухе, как лопасти вертолета, «лежа» в горизонтальном положении! Все!
