Рис. 19. Арбуз, брошенный навстречу быстро мчащемуся автомобилю, превращается в “бомбу”
[вернуться к содержанию сайта]
Во время первой мировой войны, как сообщали газеты, с французским лётчиком произошёл совершенно необыкновенный случай. Летая на высоте двух километров, лётчик заметил, что близ его лица движется какой-то мелкий предмет. Думая, что это насекомое, лётчик проворно схватил его рукой. Представьте изумление лётчика, когда оказалось, что он поймал... немецкую боевую пулю!
Не правда ли, это напоминает россказни легендарного барона Мюнхгаузена, будто бы ловившего пушечные ядра руками?
А между тем в сообщении о лётчике, поймавшем пулю, нет ничего невозможного.
Пуля ведь не всё время движется со своей начальной скоростью 800–900 м в секунду. Из-за сопротивления воздуха она постепенно замедляет свой полёт и к концу пути – на излёте – делает всего несколько десятков метров в секунду. А такую скорость развивает и самолёт. Значит, легко может случиться, что пуля и самолёт будут иметь одинаковую скорость: по отношению к лётчику пуля будет неподвижна или будет двигаться едва заметно. Ничего не будет стоить тогда схватить её рукой,– особенно в перчатке, потому что пуля, движущаяся в воздухе, сильно разогревается.
Если при известных условиях пуля может стать безвредной, то возможен и обратный случай: “мирное тело”, брошенное с незначительной скоростью, произведёт разрушительное действие. Во время автомобильного пробега Ленинград – Тифлис (в 1924 г.) крестьяне кавказских селений приветствовали проносящиеся мимо них автомобили, кидая пассажирам арбузы, дыни, яблоки. Действие этих невинных подарков оказывалось вовсе не приятным: арбузы и дыни вдавливали, сминали и ломали кузов машины, а яблоки, попав в пассажира, причиняли серьёзные увечья. Причина понятна: собственная скорость автомобиля складывалась со скоростью брошенного арбуза или яблока и превращала их в опасные, разрушительные снаряды. Нетрудно рассчитать, что пуля массой 10 г обладает такой же энергией движения, как арбуз в 4 кг, брошенный в автомобиль, который мчится со скоростью 120 км в час *. Пробивное действие арбуза при таких условиях не может, однако, сравниться с действием пуля, так как арбуз не обладает её твёрдостью.
Рис. 19. Арбуз, брошенный навстречу быстро мчащемуся автомобилю, превращается в “бомбу”
Когда разовьётся скоростная авиация в верхних слоях атмосферы (в стратосфере) и самолёты будут иметь скорость около 3000 км в час, т. е. скорость пуль, лётчикам придётся иметь дело с явлениями, напоминающими рассмотренное сейчас. А именно, каждый предмет, попадающийся на пути такого самолёта, превратится для него в разрушительный снаряд **. Наткнуться на горсть пуль, просто уроненных с другого самолета, даже, не летящего навстречу, будет всё равно что подвергнуться обстрелу из пулемёта: падающие пули ударятся о самолёт с такой же силой, с какой вонзились бы в эту машину пули из пулемёта. Так как относительные скорости в обоих случаях одинаковы (самолёт и пуля сближаются со скоростью около 800 м в секунду), то разрушительные последствия столкновений будут одинаковы.
Наоборот, если пуля летит вслед самолету, несущемуся с равной скоростью, то для лётчика она, как мы уже знаем, безвредна.
Тем, что тела, движущиеся с почти одинаковой скоростью в одном направлении, приходят в соприкосновение без удара, искусно воспользовался в 1935 г. машинист Борщёв, приняв движущийся состав из 36 вагонов на свой поезд без удара и тем предотвратив железнодорожную катастрофу. Произошло это на Южной дороге, на перегоне Ельников – Ольшанка, при следующих обстоятельствах. Впереди поезда, который вёл Борщёв, шёл другой. За недостатком паров передний поезд остановился; его машинист с паровозом и несколькими вагонами отправился вперёд, на станцию, оставив остальные 36 вагонов на пути. Вагоны, под которые не было подложено башмаков, покатились под уклон назад со скоростью 15 км в час, грозя налететь на поезд Борщёва. Заметив опасность, находчивый машинист остановил свой поезд и повёл его назад, постепенно развив скорость также 15 км в час. Благодаря такому маневру ему удалось весь 36-вагонный состав принять на свой поезд без малейшего повреждения.
Наконец, на том же принципе основан прибор, с помощью которого удобно писать в движущемся поезде. Писать в вагоне на ходу поезда трудно потому, что толчки на стыках рельсов передаются бумаге и кончику карандаша не одновременно. Если устроить так, чтобы бумага и карандаш получали сотрясение в одно и то же время, они друг относительно друга будут в покое и письмо на ходу поезда не составит никакого затруднения.
Рис. 20. Приспособление, позволяющее удобно писать в движущейся поезде.
Это и достигается благодаря прибору, изображённому на рис. 20. Рука с карандашом пристёгивается к дощечке а, могущей передвигаться в пазах по планке b; последняя в свою очередь может перемещаться в пазах дощечки, лежащей на столике в вагоне. Рука, как видим, достаточно подвижна, чтобы писать букву за буквой, строку за строкой; вместе с тем каждый толчок, получаемый бумагой на дощечке, в тот же самый момент и с такой же силой передаётся руке, держащей карандаш. При таких условиях письмо на ходу поезда становится столь же удобным, как и в неподвижном вагоне; мешает лишь то, что взгляд скользит по бумаге рывками, так как голова и рука получают толчки не одновременно.
Из тонкой папиросной бумаги вырежьте прямоугольничек. Перегните его по средним линиям и снова расправьте: вы будете знать, где центр тяжести такой фигуры. Положите теперь бумажку на острие торчащей иглы так, чтобы игла подпирала её как раз в этой точке.
Бумажка останется в равновесии: она подпёрта в центре тяжести 1. Но от малейшего дуновения она начнёт вращаться на острие.
Pис. 81. Почему бумажка вращается?
Пока приборчик не обнаруживает ничего таинственного. Но приблизьте к нему руку, как показано на рис. 81; приближайте осторожно, чтобы бумажка не была сметена током воздуха. Вы увидите странную вещь: бумажка начнёт вращаться 2, сначала медленно, потом всё быстрее. Отодвиньте руку – вращение прекратится. Приблизьте – опять начнётся.
Это загадочное вращение одно время – в семидесятых годах прошлого века – давало многим повод думать, что тело наше обладает какими-то сверхъестественными свойствами. Любители мистического находили в этом опыте подтверждение своим туманным учениям об исходящей из человеческого тела таинственной силе. Между тем причина вполне естественна и очень проста: воздух, нагретый снизу вашей рукой, поднимается вверх и, напирая на бумажку, заставляет её вращаться, подобно всем известной спиральной “змейке” над лампой, потому что, перегибая бумажку, вы придали её частям лёгкий уклон.
Внимательный наблюдатель может заметить, что описанная вертушка вращается в определённом направлении – от запястья, вдоль ладони, к пальцам. Это можно объяснить разницей температур названных частей руки: концы пальцев всегда холоднее, нежели ладонь; поэтому близ ладони образуется более сильный восходящий поток воздуха, который напирает на бумажку сильнее, чем поток, порождаемый теплотой пальцев 3.
То, что при переходе из одной среды в другую луч света преломляется, многим представляется странным капризом природы. Кажется непонятным, почему свет, не сохраняет в новой среде первоначального своего направления, а избирает ломаный путь. Кто так думает, тот, вероятно, с удовлетворением узнает, что луч света претерпевает, в сущности, то же самое, что происходит и с марширующей колонной бойцов, пересекающей границу между почвой, удобной для ходьбы, и почвой неудобной. Вот что писал об атом физик прошлого века Д. Гершель:
“Представьте себе отряд солдат, идущий по местности, разделённой прямой границей на две полосы, из которых одна гладкая, ровная и удобная для ходьбы, другая – кочковатая, затруднительная, так что ходьба по ней не может совершаться столь быстро. Предположим сверх того, что фронт отряда составляет угол с пограничной линией между двумя полосами, так что солдаты достигают этой границы не все одновременно, а последовательно один за другим. Тогда каждый солдат, переступив границу, очутится на почве, по которой он не может более подвигаться так быстро, как до того времени. Он не сможет уже держаться на одной линии с остальной частью шеренги, ещё находящейся на лучшей почве, и будет от неё отставать с каждой секундой всё больше. Так как каждый солдат, достигая границы, испытывает одинаковое затруднение в ходьбе, то, если солдаты не нарушат строя, не рассеются, а будут продолжать маршировать правильной колонной, вся та часть колонны, которая переступила границу, будет неизбежно отставать от остальной и составит с ней поэтому тупой угол в точке пересечения границы. И так как необходимость ходить в ногу, не перебивая дороги друг другу, заставит каждого солдата шагать прямо перед собой, под прямым углом к новому фронту, то путь, который он пройдёт по переходе границы, будет, во-первых, перпендикулярен к новому фронту, а во-вторых, так относиться к тому пути, какой был бы пройден в случае отсутствия замедления, как новая скорость к прежней”.
Вы можете воспроизвести наглядное подобие преломления света у себя на столе. Накройте половину стола скатертью (рис. 108) и, слегка наклонив стол, заставьте скатываться по нему пару колёсиков, наглухо посаженных на общую ось (например, от сломанного детского паровоза или другой игрушки). Если направление движения колёс и край скатерти составляют прямой угол, преломления пути не происходит. Вы имеете в этом случае иллюстрацию оптического правила: луч, перпендикулярный к плоскости раздела сред, не преломляется. При направлении, наклонном к краю скатерти, путь колёс изламывается на этом краю, т. е. на границе между средами с различной скоростью движения в них. Легко заметить, что при переходе из части стола, где скорость движения больше (непокрытая часть), в ту часть, где скорость меньше (скатерть), направление пути (“луч”) приближается к “перпендикуляру падения”. В обратном случае наблюдается удаление от этого перпендикуляра.
Рис. 108. Опыт, поясняющий преломление света.
Из этого можно, между прочим, почерпнуть важное указание, вскрывающее сущность рассматриваемого явления, а именно, что преломление обусловлено различием скорости света в обеих средах. Чем больше различие в скорости, тем значительнее преломление; так называемый “показатель преломления”, характеризующий величину излома лучей, есть не что иное, как отношение этих скоростей. Когда вы читаете, что показатель преломления при переходе из воздуха в воду есть 4/3, то вы вместе с тем узнаёте, что свет движется в воздухе примерно в 1,3 раза быстрее, чем в воде.
А в связи с этим находится и другая поучительная особенность распространения света. Если в случае отражения световой луч следует кратчайшим путём, то в случае преломления он избирает скорейший путь: никакое другое направление не приводит луч так скоро к “месту назначения”, как этот изломанный путь.
* А импульс арбуза (в системе координат, связанной с автомобилем) на порядок больше импульса пули:
pарбуза≈102 кг·м/с, рпули≈10 кг·м/с.
** Столкновения самолётов с птицами, приводящие иногда к катастрофам,– одна из проблем современной авиации. О пернатых “бомбах” подробно написано в рассказе “Пилот, берегись птиц!” (см.: Акимушкин И. Причуды природы.– М.: Мысль, 1981).
Из-за того, что у вертушки есть складки (т.е. она не плоская), геометрический центр (центр симметрии) не совпадает с центром тяжести, который находится вне бумажки. Поэтому, строго говоря, следует писать так:"Перегните листок по средним линиям и снова расправьте, оставив небольшие изломы на складках: вы будете знать, где находится геометрический центр вашей фигуры (центр симметрии).
… Бумажка останется в равновесии: её центр тяжести и точка опоры находятся на одной вертикали, причём, как бывает всегда при устойчивом равновесии, центр тяжести бумажки ниже точки опоры. Но от малейшего дуновения бумажка начнёт вращаться на острие".
Если вращение почему-либо не наблюдается, то, вероятнее всего, вы взяли слишком толстую и тяжёлую бумажку для этого эксперимента. Попробуйте приготовить другую вертушку. Можно заметить также, что при повышенной температуре вертушка движется быстрее. Этому поучительному приборчику, когда-то многих смущавшему, было в своё время посвящено даже небольшое физико-физиологическое исследование, доложенное в Московском медицинском обществе в 1876 г. (Нечаев Н.П. Вращение лёгких тел действием тепла руки).Дата установки: 12.08.2010
Последнее обновление: 19.08.2010
[вернуться к содержанию сайта]
