Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах - Нурбей Гулиа

Ну, а почему же песочные часы (рис. 33), в отличие от водяных, показывают ход времени равномерно? Потому, что песок, в отличие от жидкости, истекает равномерно и формуле Торричелли не подчиняется. В чем же здесь дело?

Рис. 33. Песочные часы (а) и обрушения свода в них (б).

Песок истекает иначе, чем жидкость, потому, что в нем есть внутреннее трение. В песчаном грунте можно сделать небольшой свод, и он будет держаться, но если мы будем все больше и больше расширять этот свод, то он рано или поздно обрушится.

Если хорошо приглядеться к песочным часам, то можно увидеть, что сразу же после их переворачивания сверху высыпается немного песка; затем в верхней колбе у отверстия образуется постоянно обрушивающийся свод (рис. 33, б), величина которого зависит от сорта песка, определяющего внутреннее трение в нем. Свод этот имеет постоянную высоту, и безразлично, какова будет высота слоя песка над сводом, ибо давление песка у отверстия будет постоянным. Поэтому и скорость истечения песка будет тоже постоянной. Конечно, эта скорость будет не точно, а почти постоянной, так как в начале и конце процесса скорость истечения несколько меньше установившейся. Но высокой точности от песочных часов никто и не требует, а соревнование с клейпсидрами они выиграли неспроста – преимущества их безусловны.

5.10. Вопрос. Известно, что внутренними силами нельзя привести тело в движение; а можно ли внутренними силами или моментами привести тело во вращение?

Ответ. Применительно к человеку этот вопрос будет звучать так: может ли человек раскрутить сам себя на платформе или скамье Жуковского? Законы механики здесь дают однозначно отрицательный ответ. Тогда как же понимать следующий опыт?

Встанем на скамью Жуковского и отведем правую руку с какой-нибудь тяжестью, например гантелью, в сторону, допустим, налево. Затем резко отведем руку направо. Туловище наше, согласно закону сохранения кинетического момента, повернется справа налево. После этого поднимем руку с грузом вверх и, проведя ее через верх, опустим в противоположную сторону, то есть в исходное положение слева. Повторим предыдущее движение, и снова развернем туловище налево. Проделывая эти движения, мы будем вращать свое туловище, казалось бы, своими же внутренними моментами, с явными нарушениями законов механики.

Однако анализ опыта показывает, что законы механики здесь не пострадали. Дело в том, что человек целиком в этом опыте не вращается. Одна его часть – туловище, поворачивается справа налево, а рука с гантелью, обладая существенным моментом инерции, в результате поворачивается слева направо. Можно было упростить этот опыт, сделав его, правда, более уязвимым для разоблачения, просто вращая руку с гантелью над головой. Туловище в этом случае стало бы вращаться в противоположную сторону.

Сбивает с толку в этих опытах то, что мы справедливо подмечаем вращение туловища, а то, что рука с гантелью тоже совершает вращательное движение вокруг оси вращения скамьи Жуковского, не учитываем.

Так как кинетический момент системы до начала движения был равен нулю, то таким же он остается и во время движения частей тела человека, потому что внешние моменты (со стороны других тел) на нас при этом не действуют.

Надо заметить, что кошки в падении инстинктивно используют этот закон механики (закон сохранения кинетического момента системы) для приземления на лапы из любого положения. Мгновенно оценивая ситуацию, кошка понимает, куда ей нужно повернуться, и начинает быстро вращать вытянутым хвостом в противоположную сторону. Если кошка почему-либо без хвоста, или он у нее короткий, то животное начинает вращать задней частью туловища, совсем как мы вращали над головой руку с гантелью. И делает это кошка до тех пор, пока не повернется всеми четырьмя (или, по крайней мере, двумя передними) лапами вниз.

Рссмотрим другой парадоксальный опыт.

Поставим скамью Жуковского чуть наклонно, подложив, например, с одной стороны под нее книгу. Затем встанем на этот диск, выпрямившись поровнее. И почувствуем, что... начинаем раскручиваться! Сами, без каких-нибудь телодвижений или посторонней помощи. Обычно удержаться на таком все ускоряющем свое вращение диске более минуты невозможно, и человек в самых нелепых позах слетает на пол.

В чем же здесь дело? Стоя вертикально, человек инстиктивно смещает давление своих подошв на верхнюю половину диска. Диск при этом, конечно же, проворачивается, чтобы груз, то есть человек, занял наиболее низкое положение, согласно известному принципу наименьшего действия (минимума потенциальной энергии). Человек опять же инстиктивно пытается снова стать прямо, и весь описанный цикл повторяется. Так человек раскручивает диск все быстрее, пока тот не сбросит его на пол.

Однако, если поставить на этот диск статую, то она, разумеется, раскручиваться не будет, иначе мы получим самый настоящий вечный двигатель. Так вот, если человек хочет удержать себя от раскручивания, то он должен стоять на этом наклонном диске как статуя – тоже наклонно. Но, как показал опыт, человеку это очень трудно сделать.

И в этом опыте законы механики дают вращению объяснение. Диск вращает внешняя сила – вес тела человека. Линия действия этой силы не проходит через ось вращения, поэтому-то она и вызывает момент, вращающий диск с человеком.

5.11. Вопрос. Какую мощность может развить человек?

Ответ. Тут вопрос в том, в течение какого времени эта мощность развивается и какая при этом энергия выделяется – механическая или тепловая.

В справочниках по физике можно прочесть, что средняя мощность человека– это 150–300 ватт. Давайте остановимся на меньшей цифре и проверим это утверждение.

Что такое 150 Вт применительно к человеку? Это мощность, которую развивает человек, непрерывно каждые 2 секунды поднимая пудовую гирю. Попробуйте проделать это упражнение хотя бы 3 минуты и, если вы не профессиональный гиревик, то поймете, что такое 150 Вт! Замерьте время, в течение которого вы осиливаете это упражнение, а затем поделите на это время 6–8 часов – время рабочего дня. Полученная двух, а то и трехзначная цифра покажет, во сколько раз преувеличены возможности человека.

Меньшие мощности человек переносит легче. Измерять их лучше всего на велотренажере, где мощность прямо высвечивается на табло. На современных велотренажерах вы можете даже получить работу в джоулях, совершенную за тот или иной промежуток времени. Так вот, работая и отдыхая в течение рабочего дня, сложите полученную сумму работ, поделите ее на продолжительность вашего рабочего дня в секундах и получите вашу среднюю мощность в ваттах. Не огорчайтесь, если получится очень малая цифра – к сожалению, это так и есть, если только вы не олимпийский чемпион по велоспорту.

Кстати, о чемпионах. Очень сильные люди, например штангисты, при рывке штанги двумя руками (первое движение двоеборья) могут развить мощность до 1,5–2 кВт и более, но очень кратковременно, не более 2–3 секунд. А средняя мощность обычного человека за 6–8 часов близка к мощности карманного фонарика и равна нескольким ваттам. Спокойно едущий велосипедист развивает мощность до 20 Вт, но попробуйте непрерывно проехать около 7 часов!

А как же справочные данные по средней мощности человека? Видимо, авторы справочника имели в виду не механическую, а тепловую мощность. Если раздетый человек стоит в ледяной проточной воде, то выделяемая им мощность на согревание воды будет поболее 300 Вт! В холодное время года средняя тепловая мощность человека больше, а в теплое – меньше. Поэтому зимой, особенно на холоде, человек ест больше, предпочитая калорийную жирную пищу. И очень небольшая часть энергии, выделяемой пищей в результате ее «сгорания» в организме, менее 6–8 %, выделяется в виде механической энергии.

Даже лошадь в среднем развивает мощность от 0,1 до 0,5 лошадиной силы. Следует помнить, что для определения эталона мощности – лошадиной силы или 736 Вт, была загнана насмерть за несколько часов одна из самых сильных лошадей!

5.12. Вопрос. Иногда говорят, что вращающийся маховик весит меньше неподвижного; может ли это быть?

Ответ. Действительно, в печати иногда появляются сообщения о том, что вращающийся с высокой скоростью маховик «теряет в весе». Это явление объясняют действием некой «антигравитации».

Если попробовать взвесить вращающийся маховик на чаше весов, то действительно можно обнаружить обескураживающее явление – кажущееся убавление веса маховика, причем существенное. Если предположить, что весы невероятно точны, а маховик вращается также с невероятной скоростью, то, согласно положениям релятивистской механики, возможно некоторое увеличение массы маховика за счет накопленной в нем энергии. Но чем же можно объяснить уменьшение веса?

Рассмотрим вращающийся маховик, нижняя плоскость которого находится вблизи плоскости чаши весов (рис. 34). Опыт проводится в воздухе, поэтому в щели между маховиком и чашей весов, а также над маховиком образуется разрежение, так как воздух отгоняется наружу как в центробежном насосе. Воздух, отгоняемый наружу верхней плоскостью вращающегося маховика, создает разрежение, «втягивающее» маховик вверх. Внешняя сила давления воздуха снизу на чашу весов (так как давление воздуха здесь выше, чем у верхнего торца маховика) нарушает равновесие весов, якобы уменьшая массу килограммового маховика на десятки граммов.