Новый физический фейерверк

1.1. Бежать или идти под дождем?

Что лучше – перебежать улицу или спокойно перейти ее шагом, когда на улице дождь, а у вас с собой нет зонтика? Если вы побежите, то, конечно, проведете меньше времени под дождем, но зато на вас упадет больше капель. Изменится ли ответ, если ветер дует в лицо и струи дождя льют прямо на вас? А если дождь хлещет в спину?

Если вы ведете автомобиль под дождем, какую скорость вам выбрать, чтобы на лобовое стекло попадало наименьшее количество воды и сквозь него хоть что-то было видно?

ОТВЕТ • Если дождь падает вертикально или хлещет из-за встречного ветра в лицо, нужно бежать как можно быстрее. Хотя вы и набегаете на капли дождя, но чем меньше времени проведете под дождем, тем меньше намокнете. Чтобы уменьшить количество падающих на вас капель, следует уменьшить площадь своего сечения в перпендикулярной струям плоскости, то есть наклониться вперед. Как заметил кто-то из моих студентов, если под дождем нужно бежать, да еще и наклоняться при этом, проще уж воспользоваться скейтбордом. Но тогда вы привлечете к себе повышенное внимание, а кроме того, таскать с собой скейтборд еще неудобнее, чем зонтик.

Если же ветер дует вам в спину, лучше всего бежать со скоростью, равной горизонтальной составляющей скорости падающих капель. В этом случае намокнут голова и плечи, но ни на переднюю, ни на заднюю часть тела капли попадать не будут. Однако эта стратегия не сработает, если под дождем перемещается объект с гораздо большей, чем у вас, площадью горизонтального поперечного сечения. Такой объект соберет заметное количество воды на своей верхней поверхности, даже если его скорость совпадет с горизонтальной скоростью капель дождя. Чтобы меньше промокнуть, этот объект должен перемещаться как можно быстрее.

Рис. 1.1 / Задача 1.1

Если вы в дождь ведете машину, вы не рискуете промокнуть, но вам важна хорошая видимость. Если капли падают вертикально вниз или если их сдувает в лобовое стекло, нужно ехать медленно. Если же капли сдувает ветром в направлении вашего движения, то в идеале вам нужно ехать со скоростью, равной горизонтальной скорости капель, но тогда, возможно, уж лучше вообще не трогаться в путь.

1.2. Колонны автомобилей и транспортный коллапс

Как согласовать последовательность переключений светофоров на перекрестках улиц, чтобы плотный поток транспорта ехал по улице равномерно и без остановок? Нужно ли менять график переключений в часы пик? Почему иногда, например во время снежной бури, эти схемы переключений перестают работать, собираются пробки и поток машин фактически останавливается?

ОТВЕТ • Автомобили движутся группами, или, иначе, колоннами. Допустим, на перекрестке 1 колонна останавливается на красный свет светофора. Когда светофор переключается на зеленый, передние машины в колонне первыми ускоряются и начинают двигаться с некоторой обычной для этой магистрали скоростью потока. До того как они подъедут к перекрестку 2, сигнал светофора на этом перекрестке должен переключиться на зеленый, чтобы водители не испугались и не начали тормозить. Если знать расстояние между перекрестками, типичное ускорение машин-лидеров и время, которое им понадобится, чтобы доехать до перекрестка на данной скорости, можно рассчитать момент, в который сигнал светофора 2 должен переключиться на зеленый.

Движение задних автомобилей в колонне начинается не в момент переключения сигнала светофора на зеленый, а с задержкой, то есть тогда, когда «волна стартов» дойдет до них (водители начинают движение не одновременно). Возможно, на это понадобится несколько десятков секунд. Если хвост колонны начнет движение слишком поздно, он будет остановлен следующим красным сигналом светофора на перекрестке 2. Предположим, колонна, движущаяся по той же улице следом за первой, такой же длины или даже длиннее предыдущей. Тогда количество машин, остановленных следующим красным сигналом светофора на перекрестке 2, увеличится.

Положение ухудшится, если и следующие за ними колонны тоже длинные. Колонна машин, остановленных на перекрестке 2, может увеличиться и растянуться до перекрестка 1. Тогда задние машины перекроют поперечное движение на этом перекрестке. Так начинается транспортный коллапс. Чтобы разрядить ситуацию, последовательность переключения сигналов светофоров на перекрестках 1 и 2 нужно поменять. Зеленый сигнал на светофоре 2 должен теперь загораться раньше зеленого на светофоре 1, тогда машины, остановленные на светофоре 2, смогут уехать до того, как прибудет следующая колонна. Смену режимов переключения сигналов светофоров можно производить вручную или с помощью компьютера, отслеживающего количество машин, стоящих на перекрестке 2.

Движение колоннами можно наблюдать и в тоннелях (особенно там, где перестроение между полосами запрещено), и на двухполосных загородных шоссе. В каждом случае колонны машин образуются тогда, когда более быстрый автомобиль упирается в более медленный, например в фуру. На сельских дорогах колонна рассасывается, если водителям удается обогнать автомобиль-тихоход.

1.3. «Волны трафика» на автостраде

Почему, когда поток машин, движущихся по шоссе или автостраде, уплотняется, «волны трафика», образуемые ускоряющимися и замедляющимися автомобилями, перемещаются по потоку? Эти волны иногда возникают, когда случается ДТП или когда заглохшая машина блокирует полосу, а иногда поток замедляется из-за разных несущественных причин вроде перестраивания какой-то машины с полосы на полосу. В каком направлении движутся эти «волны» – по ходу потока или в противоположном направлении? Почему «волны» долго не исчезают после того, как попавшие в ДТП или заглохшие машины были эвакуированы?

ОТВЕТ • Когда машин мало, действия отдельного водителя не оказывают большого влияния на других водителей, особенно если есть возможность обгона. Когда плотность потока несколько увеличивается, водители начинают влиять друг на друга – в том смысле, что они начинают медленнее двигаться (частично из соображений безопасности, а частично – из-за того, что уменьшается возможность обгона). Предположим, вы ведете машину в таком потоке. Если водитель перед вами замедляется или ускоряется, через секунду вы среагируете и сделаете то же самое. Водитель, едущий позади вас, еще через секунду последует вашему примеру. И так волна изменений скорости распространится по цепочке автомобилей назад. Вероятно, эта волна со стороны малозаметна, поскольку обычно скорости не меняются резко.

Теперь предположим, что передний водитель резко ударил по тормозам. И вы, и водитель за вами тоже резко затормозите, но каждому из вас потребуется примерно секунда на то, чтобы среагировать. Резкое торможение распространится в виде волны назад по цепочке машин, и такая волна уже будет заметна для наблюдателя, находящегося на обочине дороги. Эта волна – «волна трафика», или «стоп-волна». В зависимости от концентрации машин она может распространяться как в направлении движения машин (по ходу движения), так и в противоположном направлении (против хода движения), иногда она даже может стать стоячей.

Предположим, волна возникла, когда одна из машин заглохла в достаточно плотном потоке, и водителю потребуется 15 минут, чтобы убрать машину с дороги. Поскольку после этого автомобили начинают разгоняться до нормальной своей скорости, через длинную цепочку скопившихся машин пройдет «волна разрежения». Может пройти много времени, прежде чем «волна разрежения» догонит «стоп-волну», или, иначе, «волну трафика», все еще распространяющуюся по цепочке машин назад. И только тогда движение автомобилей вернется в нормальное русло.

1.4. Минимальная дистанция между машинами при буксировке

Каким должно быть минимальное расстояние между буксирующим и буксируемым автомобилями, при котором буксируемый автомобиль успеет остановиться, прежде чем столкнется с буксировщиком, если тому придется резко затормозить? Общие рекомендации состоят в том, что расстояние между двумя этими автомобилями должно зависеть от скорости и при возрастании скорости на каждые 16 км/ч увеличиваться минимум на одну длину машины. Обоснованны ли эти рекомендации?

ОТВЕТ • Рекомендации необоснованны, поскольку держатся на двух сомнительных предположениях. Одно из них состоит в том, что у обоих водителей одинаковая скорость реакции в чрезвычайной ситуации. Если водитель буксируемого автомобиля реагирует медленнее, чем водитель буксировщика, потребуется большая дистанция. Другое, менее явное, предположение состоит в том, что обе машины замедляются одинаково. Это предположение вообще нереально, если только автомобили не тормозят юзом, хотя и в этом случае нет гарантии. Конечно, опасная ситуация возникает, когда именно буксирующая машина тормозит быстрее, чем буксируемая.

Предположим, разница в скорости торможения у машин мала. Есть ли простое правило для расчета минимальной дистанции, позволяющей избежать столкновения при экстренном торможении? Как ни странно, нет, поскольку она зависит от квадрата скорости, так что ее нелегко вычислить в уме применительно к данной ситуации. Поэтому, если вы быстро едете за другой машиной, лучше держаться на гораздо большем расстоянии, чем того требует инструкция.

1.5. Проезд на желтый свет

Допустим, вы подъезжаете к перекрестку и тут светофор переключается на желтый. Что нужно сделать: жать на тормоза и останавливаться, продолжать движение на прежней скорости или ускориться? Вы можете принять решение, основываясь на собственном опыте, оценив свою скорость, расстояние до перекрестка, ширину поперечной улицы и попытавшись угадать, как долго будет гореть желтый сигнал светофора. Есть ли вероятность, что вы нарушите правила дорожного движения при любых действиях, даже если не превысите разрешенную скорость?

ОТВЕТ • Ответ зависит от местного законодательства. В одних местах считается, что вы нарушаете закон, если в тот момент, когда загорелся красный свет, находитесь на перекрестке, в других вы имеете право находиться на перекрестке, если въехали на него до того, как светофор переключился на красный. В первом случае вы вполне можете оказаться в патовой ситуации, когда не имеете возможности ни вовремя остановиться, ни достаточно ускориться (не превысив при этом допустимой скорости), чтобы проскочить перекресток. В таком случае есть диапазон расстояний до перекрестка, в котором любые ваши действия приводят к нарушению закона. Ситуация еще более усугубится, если окажется, что желтый сигнал горит недолго, а разрешенная скорость мала. Возможность возникновения такой ситуации зависит от расстояния до перекрестка, времени горения желтого сигнала, вашего тормозного пути при данной скорости, возможности увеличения скорости и ее разрешенного предельного значения. Опасность столкновений меньше, если зеленый сигнал для потока, движущегося по перпендикулярной улице, загорается с задержкой в одну-две секунды после включения красного сигнала для потока в вашем направлении.

1.6. Закручивание автомобиля при экстренном торможении

Когда машины, в которых нет системы АБС (антиблокировочной системы), экстренно тормозят, они начинают вращаться, а иногда даже ехать задом наперед (рис. 1.2а). Что заставляет их вращаться и почему не все типы автомобилей закручиваются при резком торможении? Какой стратегии лучше придерживаться, чтобы восстановить управляемость, если автомобиль уже начал вращаться? Куда нужно поворачивать колеса – в сторону заноса или в сторону предполагаемого движения?

Рис. 1.2 / Задача 1.6. а) Разворот автомобиля при резком торможении. Показаны силы трения, действующие на шины при размещении двигателя под передним капотом (б) и задним капотом (в).

ОТВЕТ • Разворачивает обычно автомобили, у которых двигатель крепится спереди, поскольку больший вес у них приходится на передние колеса и меньший – на задние. Это означает, что, скорее всего, сначала заблокируются задние колеса и они начнут скользить первыми, а уже потом – передние. И тогда любой случайный поворот, вызванный, например, неровностью дороги, быстро приведет к развороту.

Для того чтобы объяснить, отчего возникает разворот, рассмотрим трение между покрытием дороги и шиной, когда машина, у которой двигатель спереди, начинает поворачивать налево по отношению к первоначальному направлению движения (рис. 1.2б). Силы трения, приложенные к проскальзывающим задним шинам, направлены назад. Силы трения, приложенные ко все еще вращающимся передним шинам, параллельны передней оси и направлены налево и частично назад. Все эти силы создают крутящий момент, стремящийся развернуть машину в горизонтальной плоскости вокруг ее центра масс. Момент сил, приложенных к передним колесам, больше, и он пытается развернуть машину в том же направлении, в котором машина уже начала вращаться. Таким образом, угол поворота все растет, и машина разворачивается.

Если же двигатель расположен у машины сзади, роли сил трения, действующих на передние и задние колеса, меняются и крутящие моменты, приложенные к задним колесам, преобладают – они стремятся уменьшить начальный поворот (рис. 1.2в).

Согласно стандартным рекомендациям, если вашу машину начинает закручивать, вы должны выворачивать передние колеса в сторону первоначального движения. При этом вы создадите крутящий момент, приложенный к передним колесам, который будет препятствовать закручиванию. Но если вы не самый опытный водитель, то можете перестараться – и машину закрутит в противоположном направлении.

1.7. Скользить или не скользить

Предположим, что вы едете по шоссе и тут на дорогу выскакивает огромный лось. Предположим также, что в машине нет АБС (антиблокировочной системы). Должны ли вы тормозить юзом, для чего надо как можно сильнее нажать на тормоз и тем самым блокировать колеса, или же следует нажимать на тормоз лишь до тех пор, пока не почувствуете, что скольжение вот-вот начнется, то есть колеса не блокировать? Если автомобиль входит в режим полного скольжения (режим юза), почему скольжение так резко заканчивается в конце тормозного пути?

ОТВЕТ • В учебниках обычно рекомендуют второй вариант, правильно отмечая, что машина останавливается именно из-за трения между дорогой и шинами. Если колеса крутятся, трение можно увеличивать до определенного уровня, выжав педаль тормоза до некоторой величины. Если вы нажмете на тормоз сильнее, колеса заблокируются, шины начнут проскальзывать, трение уменьшится и тормозной путь увеличится.

Наилучший способ, как пишут в учебниках, – сильно тормозить, но только до тех пор, пока не начнется проскальзывание, и тогда тормозной путь будет минимальным. На самом деле это не совсем верно, поскольку в таком случае тормозной путь может быть на 25 % длиннее, чем если бы вы заблокировали колеса и тормозили юзом.

Совет из учебника в экстренной ситуации может оказаться неправильным по двум причинам. Во-первых, у вас вряд ли будет время для экспериментов с тормозами. Вторая причина связана с крутящими моментами, создаваемыми силами трения между колесами и дорогой. Эти моменты стремятся наклонить машину, повернув вокруг горизонтальной оси, проведенной через центр масс (рис. 1.3), что уменьшает нагрузку на задние колеса и увеличивает на передние. Предположим, вы нажали на тормоз с таким усилием, что колеса еще крутятся, но еще чуть-чуть – и заскользят. Поскольку колеса все еще вращаются, а нагрузка на задние колеса уменьшилась, именно они (а не передние, испытывающие большую нагрузку) уже находятся на грани проскальзывания, и сила трения, приложенная к задним колесам, мала. Следовательно, общее трение у всей машины будет меньше, а тормозной путь – больше.

Рис. 1.3 / Задача 1.7. Машина наклоняется вперед при торможении.

Теперь предположим, что вы нажали на тормоз с такой силой, что заблокировали все колеса, то есть машина пошла юзом. При полном скольжении трение между колесами и покрытием дороги зависит от нагрузки на них. Поскольку нагрузка на передние колеса увеличена, сила трения между ними и дорогой велика. Но даже притом, что нагрузка на задние колеса мала, увеличенное трение между передними колесами и покрытием означает, что общее трение больше, чем в предыдущем случае, а следовательно, тормозной путь машины короче. И все же блокировать колеса без крайней необходимости не стоит, так как при скольжении теряется контроль над машиной, и она вполне может развернуться (см. задачу 1.6) и даже столкнуться с движущимися в том же или в противоположном направлении машинами.

Резкая остановка в режиме полного скольжения объясняется тем, что внезапно возрастает трение между шинами и асфальтом. При скольжении в области их соприкосновения в начале торможения образуется смазка из расплавившегося гудрона и резины (см. ниже задачу 1.8). Но при замедлении автомобиля количество расплавленного вещества – смазки – уменьшается, и трение внезапно возрастает.

1.8. Торможение юзом

При экстренном торможении, если колеса блокируются, шины начинают скользить по асфальту и на нем остаются следы. Предположим, машина начинает скользить на определенной скорости и останавливается. Влияет ли на длину тормозного следа вес машины? А рисунок протектора и ширина шин? Что, если «резина лысая»?

Почему остановить машину труднее, когда дорога лишь слегка мокрая, чем когда по ней ручьями течет вода?

ОТВЕТ • При экстренном торможении трение между шинами и дорогой сначала увеличивается до максимальной величины, а затем падает, когда колеса блокируются и начинают проскальзывать. При скольжении от шин отрываются кусочки, а дорога и сами шины нагреваются. Шина может расплавиться, а если дорога покрыта составом, содержащим битум, может расплавиться и он. В таком случае образуется жидкая смазка, и трение еще уменьшается.

Расплавленное вещество быстро вернется в твердое состояние, но след от проскальзывавших колес останется надолго, возможно, на несколько месяцев. Часто по всей длине следа тянутся бороздки, возникшие либо из-за рельефа покрышек, либо из-за того, что в основании дороги лежит рыхлый гравий.

На бетонированных покрытиях следы скольжения остаются редко, а если и остаются, то они почти невидимы и образованы в основном оторванными или расплавленными фрагментами шин.

Если машина весь путь до остановки проходит юзом и ни с чем не сталкивается, длина тормозного следа позволяет установить ее скорость в момент, когда скольжение началось. Правда, это значение скорости можно определить только ориентировочно, поскольку в этих расчетах используется слишком много параметров. Один из них – масса (или вес) автомобиля. Для тяжелого автомобиля тормозной путь до остановки немного длиннее, чем для более легкого, в первую очередь из-за того, что при большем весе образуется больше смазки. (В судах при разборе ДТП и в книгах по физике этим фактором пренебрегают.)

А еще длина тормозного следа зависит от состояния дороги: он короче, если асфальт содержит вкрапления камня, и длиннее, если он отполирован шинами большого количества машин. Длина тормозного пути не зависит от ширины шин, так как, в принципе, силы трения между шинами и дорогой зависят только от веса, который давит на шины, от рисунка протектора (а следовательно, от сцепления шин с поверхностью дороги), но не от их ширины.

Если дорога сухая, бороздки на шинах не сильно влияют на длину тормозного пути, если же дорога влажная, их влияние может оказаться существенным. Когда воды много, как, например, во время ливня, шины начинают скользить на тонком слое воды (аквапланирование). При этом движении трение почти нулевое, шины не соприкасаются с дорогой: поскольку вода не может найти выхода и вытечь из-под шин, они как бы парят над асфальтом. Чтобы уменьшить аквапланирование, на шинах делаются бороздки, которые направляют и выводят воду с нижней части шин наружу. Аквапланирование влияет еще сильнее, если до дождя дорога была грязной, потому что смешанная с водой грязь образует очень вязкую смазку – что-то вроде жидкой глины, и тогда трение между шиной и дорогой снижается еще сильнее. При экстренной остановке это может застать водителей врасплох – ведь они считали, что раз дождь только начался, то дорога еще не настолько намокла, чтобы началось аквапланирование. Зато после того, как дождь смоет грязь, а дорога высохнет, трение между шиной и дорогой станет больше, чем до дождя, поскольку грязи на ней не останется.

Но даже если воды недостаточно, чтобы началось аквапланирование, она все же может значительно уменьшить трение между шиной и дорогой. За сухую дорогу шина зацепляется, потому что нижняя часть шины прогибается под весом и все время плотно прижимается к поверхности дороги. Из-за этого она может подстраиваться под неровности дороги, заполняя собой небольшие выбоины и вбирая в себя легкие выступы. Такое плотное прилегание шины к неровностям дороги и обуславливает большое трение, требующееся при аварийной остановке. Когда же дорога мокрая, выемки заполнены водой, а когда шина «запечатывает» собой кусок дороги, вода из этих ямок не может никуда уйти, и дорога оказывается как бы выровненной, без бугров. Таким образом, шина уже не может зацепиться за эти неровности.

Если машину начинает вращать во время аварийной остановки, следы на дороге будут искривленными. Это вращение может начаться как из-за того, что задние колеса заблокируются раньше передних, так и из-за уклона дороги (часто средняя часть дороги делается выше, чем ее края, чтобы дождевая вода с нее стекала).

Если колесо все еще крутится во время заноса, оно боком трется о дорогу и оставляет следы, на которых не видны типичные для следов, оставляемых при скольжении, бороздки. Если дорога настолько неровная, что машина на ней будет подпрыгивать, или если торможение неоднородно, любые следы могут быть прерывистыми. Короткие разрывы в следах обычно говорят о том, что автомобиль подпрыгивал, а длинные могут означать, что водитель пытался остановиться, нажимая и отпуская тормоз.

1.9. Короткая история. Рекордные тормозные пути

Рекорд длины тормозного пути на общественных дорогах был установлен в 1960 году на шоссе М1 в Англии водителем «ягуара». Длина следа составляла 290 м. В суде утверждалось, что скорость автомобиля в момент, когда колеса только-только заблокировались, составляла примерно 160 км/ч. Но если принять коэффициент трения шин о покрытие дороги равным 0,7, можно подсчитать, что скорость машины составляла 225 км/ч.

Длина тормозного пути «ягуара», конечно, впечатляет, но она бледнеет при сравнении с рекордом, установленным Крейгом Бридлавом в октябре 1964 года на соляном озере Бонневиль-Солт-Флэтс. Пытаясь побить рекорд скорости для наземного автомобиля – 805 км/ч, Бридлав проехал на своем автомобиле «Спирит оф Америка» («Дух Америки») с установленным на нем ракетным двигателем мерную милю сначала в одном направлении, а потом в обратном, чтобы можно было учесть влияние ветра. Когда он мчался по мерной миле второй раз, его скорость составила 869 км/ч.

Для торможения он использовал парашют, но его стропы оторвались из-за недостаточной прочности, второй парашют тоже не сработал. Тогда он выжал педаль тормоза «в пол», но влияние тормозов сказалось в основном на появлении гигантского тормозного следа длиной почти 10 км, после чего они сгорели. После этого автомобиль продолжал мчаться со скоростью около 800 км/ч, проскочил две линии телефонных столбов, чудом не столкнувшись с ними. В конце концов он остановился, но как! Въехал на набережную, перескочил парапет и на скорости все еще больше 250 км/ч рухнул в соляное озеро глубиной 5 м. Бридлав был крепко пристегнут ремнями к сиденью и едва не утонул в салоне затопленного автомобиля. Но мерную милю Бридлав проехал и установил новый рекорд скорости, превысив предыдущий почти на 40 км/ч. Его средняя скорость составляла 841 км/ч.

1.10. Почему дятлам и толсторогим баранам не грозит сотрясение мозга

Дятел долбит клювом древесину, добывая пищу (насекомых, живущих под корой), строя дупла для выведения птенцов, а также выбивая громкую дробь для привлечения самки. При этих ударах голова дятла тормозит с отрицательным ускорением примерно в 1000 g (то есть в тысячу раз больше ускорения свободного падения). Для человека такая перегрузка смертельна или в лучшем случае может обернуться для него серьезной травмой мозга – сотрясением. Почему же дятел не падает с дерева замертво каждый раз, когда вонзает свой клюв в дерево?

Сражаясь за самку в брачный сезон, самцы толсторогого барана с разбегу врезаются друг в друга и со страшной силой сталкиваются рогами и головами. И при этом они не падают на землю без сознания. Некоторые виды рогатых динозавров (например, трицератопсы) тоже наносили друг другу сокрушительные удары рогами. Почему же после таких столкновений соперники остаются целы и невредимы?

ОТВЕТ • До сих пор не вполне понятно, почему мозг дятла способен выдерживать огромные перегрузки, когда птица долбит дерево, но есть два основных предположения. Во-первых, клюв дятла движется строго по прямой. Некоторые исследователи считают, что сотрясение мозга у людей и животных происходит при боковых смещениях головы относительно шеи (в которой находится ствол головного мозга), а при движении головы вперед-назад вероятность сотрясения меньше. Во-вторых, мозг дятла плотно прилегает к черепу: он отделен от черепной коробки лишь тонким слоем вязкой жидкости, поэтому остаточные смещения или колебания ткани мозга сразу после удара не настолько сильные, чтобы вызвать повреждения.

Сшибающихся головами баранов обычно спасают три обстоятельства. 1. Их рога слегка деформируются во время удара, увеличивая время соударения и тем самым уменьшая силу удара. 2. Чтобы смягчить удар в голову, кости черепа также могут слегка сдвигаться или поворачиваться в соответствующих соединениях (швах черепа) наподобие пружин или шарниров. 3. Большая часть энергии удара гасится сильными шейными мышцами животных. И хотя соударения со стороны выглядят совершенно устрашающе, крепкие мышцы животных надежно защищают мозг от сотрясений, а прочные рога не ломаются при ударе. Трицератопсов, возможно, спасала еще и развитая система пазух, окружавших черепную коробку и служивших амортизаторами ударов.

1.11. Короткая история. Рекордные ускорения

В июле 1977 года на пересохшем озере Эль-Мираж в штате Калифорния Китти О’Нейл установила два рекорда на гоночном автомобиле типа «драгстер» на дистанции 402,3 м. Стартуя с места, она развила самую высокую зарегистрированную финишную скорость (скорость в конце дистанции) и поставила рекорд, преодолев дистанцию за самое короткое в истории время – 3,72 с. Развитая ею скорость была поразительной – 632,1 км/ч. Среднее ускорение на дистанции составило 47,1 м/с². Это почти в 5 раз больше ускорения свободного падения. На других соревнованиях на дистанции 1600 м она показывала среднюю скорость 843 км/ч, но при этом ускорения были меньше.

В декабре 1954 года на базе Холломан ВВС США в Нью-Мексико полковник ВВС доктор Джон Стапп пристегнулся к сиденью на ракетных санях[1], оснащенных девятью ракетными двигателями. После запуска двигателей сани за 5 с разогнались до скорости 1018 км/ч. На стадии включения двигателей ускорение саней составило 56,4 м/с², или 5,76 g. Цифра говорит сама за себя, однако настоящим испытанием для полковника стала остановка с помощью гидротормоза: сани замедлялись с ускорением 20,6 g, сбросив скорость до нуля всего за 1,4 с.

В мае 1958 года на той же базе Холломан Эли Бидинг-младший развил скорость 117 км/ч на похожих санях. В самой скорости нет ничего примечательного, она обычна для автобанов. Впечатляет время разгона – 0,04 с. За это время человек не успевает буквально и глазом моргнуть. Ускорение Бидинга составило 82,6 g, этот рекорд не побит до сих пор (речь идет о контролируемых ситуациях).

В июле 1977 года в Нортгемптоншире (Англия) гоночный автомобиль Дэвида Пэрли был смят при наезде на препятствие – его скорость со 174 км/ч снизилась до нуля всего за 66 см пути. Ускорение, которое он испытал, было почти смертельно – 179,8 g, но Пэрли выжил, хотя получил 29 переломов и 3 вывиха, а его сердце останавливалось 6 раз.

1.12. Лобовые столкновения автомобилей

Вы ведете автомобиль в тоннеле с односторонним движением и вдруг видите, что какой-то автомобиль едет вам навстречу. Что вы должны сделать, чтобы облегчить последствия надвигающейся аварии? Должны ли вы ускориться, замедлиться, остановиться или поехать назад?

Лобовые столкновения – самые страшные из всех автомобильных аварий. Удивительный факт: собранная статистика, касающаяся лобовых столкновений, говорит о том, что риск (вероятность) летального исхода для водителя меньше, если в машине кроме водителя находится и пассажир. Но почему?

ОТВЕТ • Лучший выход – остановиться и, если возможно, поехать назад. Полная кинетическая энергия или импульсы машин перед столкновением определяют тяжесть соударения. Если вы не погасите свою скорость, приближаясь ко второй машине, обе величины будут большими, и удар будет жестким.

В американском футболе, в котором игроки выступают в серьезной защитной амуниции, все не так. Там игрок одной команды может специально ускориться, когда бежит навстречу игроку другой команды. Но вся разница с автомобилями в том, что футболист как раз хочет, чтобы удар был посильнее, а правильно развернув корпус, он к тому же может направить его на уязвимые места соперника или сделать так, чтобы тот потерял равновесие и упал.

Вероятность фатального исхода зависит от изменения скорости в процессе соударения: большое изменение скорости означает, что на вас во время удара действовала большая сила, вызвавшая огромное ускорение. Например, если ваша машина имеет маленькую массу, а другая машина – большую, скорость вашей машины может измениться настолько, что она в результате будет отброшена назад. Дополнительная масса в вашей машине, будь то пассажир или даже мешок с песком в багажнике, может снизить изменение скорости, а следовательно, и риск фатального исхода. Вот численный пример: предположим, массы вашей и встречной машины одинаковы. И ваши с водителем встречной машины массы тоже равны. В этом случае риск фатального исхода для вас уменьшится на 9 %, если рядом с вами будет сидеть пассажир весом 80 кг.

1.13. Короткая история. Представление с участием локомотивов

Это произошло 15 сентября 1896 года в американском городе Уэйко. Уильям Краш – сотрудник компании «Миссури – Канзас – Техас Рэйлроудс» – придумал беспроигрышную идею для шоу. На противоположных концах участка железнодорожных путей длиной 6,4 км он разместил два старых локомотива. Один был выкрашен в красный цвет, другой – в зеленый. Идея состояла в том, чтобы столкнуть локомотивы друг с другом на полной скорости.

Известно, что публика любит смотреть на катастрофы, и 50 000 зрителей заплатили за право насладиться зрелищем крушения. После того как топки были заправлены топливом, а дроссельные заслонки открыты и зафиксированы, локомотивы двинулись навстречу друг другу. В момент встречи их относительная скорость составляла 145 км/ч.

Оказаться рядом со столкнувшимися локомотивами, чья кинетическая энергия трансформировалась в кинетическую энергию разлетевшихся обломков, – все равно что побывать на месте взрыва средней мощности. В результате несколько зрителей было убито разлетевшимися обломками, сотни ранены. Но остальные зеваки, вероятно, посчитали, что не зря потратили деньги.

1.14. Удар сзади и травма шейных позвонков

Когда в задний бампер машины въезжает едущая следом машина, сидящий в передней машине нередко получает травму шеи. Инженеры и медики-исследователи долго пытались объяснить этот феномен. В 1970-е годы они наконец пришли к заключению, что травма возникает из-за того, что голова сидящего в передней машине, находящаяся над спинкой кресла, дергается назад при рывке машины вперед. Это получило название хлыстовой травмы. Шея сильно растягивается при резком разгибании, а затем сильно сжимается при последующем резком сгибании головы. В результате этих исследований у автомобильных кресел появились подголовники, но водители продолжали получать травмы шеи при ударах сзади. Из-за чего все-таки происходят эти травмы?

ОТВЕТ • Причиной хлыстовой травмы является то, что голова пассажира и его тело резко перемещаются относительно друг друга. Такое воздействие на шейный отдел позвоночника повреждает его, причем опасно перемещение в любую сторону.

1.15. Повороты на гоночном автомобиле

Скоростные гонки часто выигрываются благодаря правильным действиям пилота на поворотах, когда скорость уменьшается. Рассмотрим поворот на 90° на плоском треке «Формулы-1». Очевидно, что оптимальный способ прохождения поворота зависит от характеристик систем управления автомобилем, опыта и мастерства гонщика и качества трассы. Но стоит ли гонщику в принципе совершать поворот по круговой траектории? Такой выбор обычно предполагает, что время, затраченное на поворот, будет минимальным, но почему иногда этот выбор не является оптимальным? Почему пилоты, привыкшие к плоским трекам «Формулы-1», испытывают трудности в гонке «Индианаполис-500», где трасса на виражах наклонена? В частности, почему болид там заносит, когда он входит в поворот?

ОТВЕТ • Пилот-новичок совершает поворот по круговой траектории. Опытный гонщик вначале слегка поворачивает руль и при этом тормозит, затем поворачивает более резко, а потом едет по траектории с меньшей кривизной и при этом ускоряется. Поворот тогда занимает больше времени, но позволяет выйти на прямолинейный участок трассы на большей скорости, чем у пилота-новичка. Большая скорость на прямолинейном участке с лихвой компенсирует потерю времени на повороте.

Такая тактика имеет еще одно преимущество. Если поворот проходится слишком быстро, сила, приложенная к шинам, превысит предельную силу трения между шинами и покрытием, колеса начнут проскальзывать и машина потеряет управление. Чтобы не терялось сцепление с поверхностью трека, опытный гонщик сначала тормозит, а потом резко поворачивает. А так как остальная часть поворота – плавная, водитель может ускориться и при этом не потерять сцепление с дорогой.

Чутье опытного пилота «Формулы-1» подсказывает ему, как действовать на плоских поворотах. Но ощущения на наклонных виражах совсем иные, и гонщики «Формулы-1», вероятно, слишком поздно входят в поворот.

1.16. Дорожки для спринта

Почему обычно одну и ту же дистанцию на прямолинейных дорожках бегуны преодолевают быстрее, чем на искривленных? Если треки плоские и овальные, почему бегун на внешней дорожке имеет преимущество перед бегуном на внутренней дорожке, даже если дистанции на обеих дорожках одинаковы? Почему скорость на таких дорожках зависит от формы овала?

ОТВЕТ • Входя в поворот, бегун замедляется, выходя из него – опять разгоняется до своей скорости на прямолинейном участке. Для того чтобы поворот стал возможен, должна возникнуть центростремительная сила, направленная к центру поворота. В данном случае центростремительная сила возникает за счет сил трения между подошвами обуви бегуна и дорожкой. В результате действия этой направленной к центру поворота силы, приложенной к подошвам обуви, тело бегуна стремится отклониться наружу, его как бы откидывает по направлению от центра поворота. И для восстановления равновесия бегун замедляется, чтобы уменьшить действующие силы, и наклоняется внутрь поворота, чтобы противодействовать силам, стремящимся отклонить его наружу. Чем круче поворот, тем больше бегун должен замедлиться и наклониться внутрь. Поэтому тот, кто бежит по внешней дорожке (дорожке с меньшей кривизной), вообще говоря, имеет преимущество перед тем, кто бежит по внутренней дорожке (которая имеет большую кривизну).

Когда трек плоский и овальный, время пробега по всей дорожке во многом определяется временем прохождения поворотов. В принципе, на овальных треках большого радиуса развиваются большие скорости, чем на овальных треках малого радиуса, поскольку кривизна изогнутых участков на треках большого радиуса меньше, чем на треках малого радиуса. Лучший вариант (если это, конечно, не прямолинейный трек) – окружность. У нее кривизна наименьшая.

1.17. Иллюзия задирания носа самолета при взлете

Реактивный самолет, взлетая с палубы авианосца, приводится в движение мощными двигателями, при этом он выталкивается вперед с помощью катапульты, установленной на палубе. Результирующее огромное ускорение позволяет самолету достичь скорости отрыва на коротком расстоянии, равном длине палубы. Однако это же высокое ускорение вызывает у пилота желание резко опустить нос самолета вниз, когда самолет отрывается от палубы. Пилоты натренировались не обращать внимания на это желание, но иногда самолет после взлета врезается прямо в океан. В чем причина этого эффекта?

ОТВЕТ • Ощущение вертикальности у человека зависит от визуальных ориентиров и вестибулярного аппарата, расположенного во внутреннем ухе. Рецепторами этого аппарата являются волосковые клетки с выступающими ресничками, которые погружены в студенистую жидкость. Когда вы держите голову прямо, жидкость находится в покое и волоски клеток располагаются вертикально вдоль направления действующей на вас силы тяжести; система посылает в мозг сигнал о том, что вы держите голову вертикально. Когда вы откидываете голову назад, жидкость смещается, изгибая волоски, и рецепторы посылают в мозг сигнал о том, что голова отклонилась от вертикали. Аналогично, при горизонтальном ускорении положение волосков в жидкости изменяется, и рецепторы сообщают, что вы движетесь вперед. В этом случае сигналы, поступающие в мозг от рецепторов, оказываются теми же, что и при отклонении головы назад, что не соответствует действительности. Однако ошибочные сигналы игнорируются мозгом, если визуальные подсказки говорят, что никакого наклона нет. То же самое происходит, например, когда вы разгоняетесь в автомобиле. У пилота, резко разгоняющего самолет ночью на палубе авианосца, почти нет визуальных ориентиров. Поэтому у него возникает очень убедительная иллюзия, что наклон реален. В результате пилоту кажется, что самолет отрывается от палубы с высоко задранным носом. Без специальной тренировки он будет стараться выровнять самолет, опуская его нос резко вниз, и направит самолет в океан.

1.18. Короткая история. Рейс 143 «ЭйрКанада»

Двадцать третьего июля 1983 года рейс 143 компании «Эйр Канада» готовили к длительному перелету из Монреаля в Эдмонтон, и экипаж запросил у наземных служб информацию о том, сколько топлива заправлено в баки. Пилотам было известно, что для полета на борту должно быть 22 300 кг топлива. Они знали эту цифру в килограммах, поскольку Канада недавно перешла на метрическую систему мер (до этого вес топлива измерялся в фунтах). Но на земле могли измерять количество топлива только в литрах. Техники сообщили: заправлено 7682 л. Чтобы понять, сколько топлива на борту и сколько еще не хватает, пилоты попросили назвать коэффициент, позволяющий пересчитать литры топлива в килограммы. Им было сказано, что этот коэффициент равен 1,77. Его-то они и использовали, посчитав, что 1 л топлива весит 1,77 кг. Получилось, что заправлено 13 597 кг топлива и для дозаправки необходимо еще 4917 л.

К сожалению, заправщики ошиблись: по старой привычке, возникшей еще до перехода на метрическую систему, они сообщили коэффициент, переводящий литры горючего в фунты, а не в килограммы (1 литр весит 1,77 фунта). Фактически на борту топлива было всего 6172 кг, и требовалось добавить еще 20 075 л. Следовательно, когда рейс 143 вылетел из Монреаля, на его борту было всего 45 % топлива, необходимого для перелета.

По пути в Эдмонтон на высоте 7,9 км топливо кончилось, и самолет начал падать. Хотя тяги вообще не было, пилоты ухитрились перевести самолет в режим планирования и начать спуск. Ближайший действующий аэропорт был слишком далеко, и добраться до него планируя было невозможно, поэтому они направили самолет на старый заброшенный военный аэродром.

К несчастью, взлетная полоса этого аэродрома была переделана в трассу для автогонок и поперек трассы был установлен стальной разделительный барьер. К счастью, когда самолет ударился о взлетную полосу, переднее шасси отлетело, а нос самолета свалился на взлетную полосу. Маневр, называемый «скольжение на крыло», затормозил самолет, так что он остановился совсем близко от стального барьера, из-за которого за ним наблюдали ошеломленные гонщики и болельщики. Все находившиеся на борту благополучно покинули самолет. Вывод: если не указаны единицы измерения, любые цифры остаются просто цифрами, которые ничего не значат.

1.19. Страх и ужас в парке аттракционов

Почему, катаясь на американских горках, мы испытываем страх? Конечно, это связано с высотой аттракциона, скоростью и иллюзией падения, но ведь те же ощущения можно испытать и в скоростном наружном лифте со стеклянными стенками. Однако никто не выстраивается в очередь и не платит за возможность прокатиться на таком лифте.

А что сказать об аттракционах, при катании на которых вас швыряет из стороны в сторону? Почему на таких аттракционах хочется во что-нибудь вцепиться, а порой даже закричать?

Американские горки строят для того, чтобы создавать у нас иллюзию опасности (это-то и привлекает к ним публику), но инженеры сделали все возможное, чтобы они были абсолютно безопасны. Несмотря на это, каждый год среди миллионов посетителей находится несколько бедолаг, для которых подобное развлечение заканчивается визитом к врачу. Это недомогание так и называют – мигрень американских горок. Его симптомы – головокружение и головная боль – могут проявиться не сразу, а через несколько дней. Они настолько сильны, что требуется медицинская помощь. В чем же причина появления мигрени американских горок?

ОТВЕТ • Одни аттракционы щекочут нервы благодаря высоте, скорости или большому ускорению (на американских горках оно иногда достигает 4 g), а другие – благодаря быстрому вращению, при котором возникает центробежная (направленная вовне) сила. Но обычно самые пугающие аттракционы – это те, где вы вдруг попадаете под действие быстро и неожиданно меняющихся сил. Если на вас действуют постоянная сила и постоянное ускорение, вам кажется, что все под контролем. Подсознательное ощущение опасности возникает, когда неожиданно меняется величина или направление силы. Элемент неожиданности провоцирует на подсознательном уровне экзистенциальное ощущение игры со смертью.

Обычные американские горки. Дух захватывает и от высоты, и от больших скоростей, когда с грохотом мчишься по старым, ходящим ходуном деревянным американским горкам. Когда быстро проскакиваешь нижнюю изогнутую секцию, кажется, что центробежная сила инерции вдавливает тебя в сиденье; когда попадаешь на верхний сильно изогнутый участок, кажется, что тебя с силой от сиденья отрывает. Когда пролетаешь через вершину первой и самой высокой горки, кажется, что падаешь. Если к тому же сидеть в первом вагончике и почти не видеть перед собой рельсов, возникает полная иллюзия падения. Однако, по-моему, еще страшнее сидеть в самом конце поезда. Когда приближаешься к вершине холма, а большинство вагончиков уже начали спуск вниз, в спину тебя толкает сила, нарастающая сначала медленно, а затем все быстрее (она увеличивается по экспоненте), но как только ты достигаешь вершины холма, сила мгновенно исчезает. Кажется, что чья-то злая воля толкает тебя к краю пропасти, а затем сбрасывает вниз.

Американские горки «Дикая мышь». Вагончики по рельсам движутся поодиночке. Каждая кабинка закреплена на оси над снабженной колесами рамой, скользящей по рельсам; ось расположена у вагончика сзади. На крутом повороте рама послушно поворачивает по рельсам, но сам вагончик продолжает двигаться прямо и только потом поворачивает. В такие моменты возникает иллюзия, что вагончик слетел с рельсов.

Современные американские горки. Вертикальные петли и винтовые участки создают ощущение, что центробежная сила быстро меняет величину и направление, а ты сам переворачиваешься вверх ногами. Все это вселяет ужас. Когда, замедляясь, поднимаешься по вертикальной петле, центробежная сила должна уменьшиться. Чтобы этого не случилось, кривизна трека резко увеличивается. Еще страшнее, если сидишь спиной к направлению движения и не можешь знать заранее, что предстоит изменение силы, скорости или ускорения. Или если мчишься в темноте – тогда тоже заранее не известно, что ждет в следующий момент.

Вращающийся барабан. Стоя около внутренней стенки большого вращающегося цилиндра, чувствуешь себя как бы придавленным к ней мощной центробежной силой (рис. 1.4а). Такая сила может изменить представление о том, где низ, и создать иллюзию, что тело отклоняется назад. Если эта сила достаточно велика, пол можно вообще убрать, а удерживать от падения будет сила трения между спиной и стенкой. Хотя ощущение, что сила направлена наружу, весьма правдоподобно, на самом деле удерживает от падения сила, направленная внутрь: стенка толкает тебя по направлению к центру, чтобы ты продолжал движение по кругу. Поскольку ты не соскальзываешь вниз по стенке, сила трения должна быть направлена вверх и равняться твоему весу.

Рис. 1.4 / Задача 1.19. Силы, действующие на человека на аттракционах: а) во вращающемся барабане и б) на карусели.

Чертово колесо, карусель и вращающиеся качели. На таких аттракционах ощущения от воздействия центробежной силы не столь остры. Когда кабинка, вращаясь, проходит через самую высокую точку чертова колеса, кажется, что эта сила поднимает тебя вверх. В самой низкой точке круга она как бы вдавливает тебя в сиденье. На каруселях кажется, что центробежная сила сейчас сбросит тебя (рис. 1.4б). Это ощущение сильнее, если твоя лошадка «скачет» вблизи края карусели: она движется по кругу быстрее лошадки, находящейся ближе к центру. Когда катаешься на цепочных качелях, вращающиеся вокруг центрального столба цепи отклоняются от вертикали, как если бы центробежная сила выталкивала тебя наружу. На самом деле на всех трех аттракционах центробежной силы нет. Наоборот, есть центростремительная сила (она действует со стороны сиденья на чертовом колесе, со стороны лошадки на карусели или цепей на качелях). Она-то и делает вращение возможным.

Аттракционы с вращающимися рычагами. Ты сидишь в кабинке, прикрепленной к наружному концу рычага, который вращается на шарнире вокруг конца другого рычага, расположенного ближе к центру. Если рычаги вращаются на шарнирах в одном направлении, ты ощущаешь наибольшую центробежную силу и движешься с максимальной скоростью, проходя через самую удаленную от центра точку. Когда рычаги вращаются в разные стороны, скорость в самой удаленной точке наименьшая (поскольку вращения встречные), но действующая в этой точке сила меняется максимально быстро, поскольку там твоя кабинка проезжает самый искривленный участок траектории.

Башня свободного падения. Ты сидишь в кабинке на высоте примерно 40 м, в какой-то момент кабинку внезапно отпускают и отправляют практически в свободное падение. Возникает ощущение невесомости, поскольку и ты, и сиденье под тобой падаете с одной и той же скоростью и уже нет ощущения, что сиденье тебя удерживает. Некоторым любителям аттракционов такие ощущения доставляют удовольствие.

Мигрень американских горок может возникнуть на любом аттракционе, где человек испытывает большое и быстро меняющееся по направлению ускорение. Из-за большого ускорения в головном мозге возникает напряжение, а резкая смена направления ускорения приводит к смещению мозга относительно черепа, из-за чего может возникнуть сотрясение мозга и повреждение кровеносных сосудов в мозговых оболочках.

1.20. Короткая история. Цирковые трюки «чертова петля»

Современные парки развлечений изобилуют аттракционами, на которых испытываешь острые ощущения, но те меркнут по сравнению с некоторыми велосипедными цирковыми трюками, которые выполнялись в начале XX века. Поскольку один цирк старался перещеголять другой, разрабатывались и исполнялись рискованные трюки, и если исполнителям удавалось избежать травм, то трюки повторялись по несколько раз. Один из самых ранних трюков был продемонстрирован в 1901 году в цирке Адама Форпо и братьев Селлз. Акробат, известный под именем Старр, съехал по наклоненной под углом 52° дорожке свысоты 18 м. Может, угол и не очень впечатляет, но дорожка состояла из трех секций раздвижных лестниц, так что ехать пришлось по очень неровной поверхности.

В следующем году в Нью-Йорке в спорткомплексе «Мэдисон-сквер-гарден» та же цирковая труппа продемонстрировала еще один трюк на велосипеде – в исполнении акробата, выступавшего под именем Дьяболо. Он съезжал на велосипеде по укрепленной на потолке дорожке, начало которой находилось чуть ниже люстр, потом проезжал по внутренней стороне петли диаметром 11 м и затем останавливался с помощью страховочной сетки. Все это время поблизости стояла машина скорой помощи. В 1904 году тот же цирк представил еще один трюк под названием «Великолепный Портос». Дорожка была той же, но верхняя часть петли отсутствовала, то есть Портосу надо было пролететь по воздуху 15 м вниз головой, а потом приземлиться на вторую часть петли.

Но, пожалуй, самый смелый велосипедный трюк был показан в 1905 году, когда цирк Барнума и Бейли выступал в «Мэдисон-сквер-гарден». Номер начался с того, что перед зрителями предстали Уго Анчилотти, застывший на велосипеде высоко на одной дорожке, и его брат Фердинанд, сидевший на велосипеде еще выше на второй дорожке, расположенной напротив первой (рис. 1.5). По сигналу братья помчались вниз. Когда Уго проскочил резко изогнутый нижний конец своей дорожки, он оторвался от нее и пролетел 14 м, после чего приземлился на другую часть дорожки, а затем повторил трюк, пролетев через разрыв во второй петле 9 м. В это же время Фердинанд, проехав по нижней части петли, взлетел, пролетел вниз головой по криволинейной траектории и опустился на вторую часть своей дорожки. В самый захватывающий момент представления Фердинанд летел головой вниз всего метром ниже Уго, который совершал свой полет в разрыве первой петли. Этот трюк был действительно очень опасен. Когда его попытались повторить в вечернем шоу, во время пролета разрыва в петле Фердинанд неудачно упал, и шоу, естественно, было отменено.

Рис. 1.5 / Задача 1.20. Велосипедный трюк братьев Уго и Фердинанда Анчилотти.

Позже в цирковых трюках стали заменять велосипеды на автомобили – частично из-за того, что автомобили в то время были новинкой. Один или двое акробатов мчались в авто вниз по дорожке, переворачивались в воздухе один или два раза, а потом приземлялись на вторую дорожку. Но и к этим видам цирковых трюков к 1912 году интерес ослаб – вероятно, потому, что зрители привыкли к ним и перестали чувствовать страх. Физика, лежащая в основе трюков, опять окуталась флером театральности только в более поздние времена, когда Эвел Книвел, его сын Робби Книвел и другие каскадеры начали съезжать на мотоциклах с трамплинов и перепрыгивать через автомобили и фуры.

1.21. Как поймать высокий мяч в бейсболе?

[2]

Как игрок догадывается, где он должен находиться, чтобы поймать флай (высокий мяч), выпущенный в аутфилд (внешнюю часть поля)? Аутфилдер[3] может быстро прибежать в нужную точку и дожидаться мяча там. Или он может прикинуть скорость, которая требуется для того, чтобы прибежать в эту точку одновременно с мячом, и бежать туда с этой скоростью. Безусловно, сориентироваться игроку помогает его игровой опыт. Но может ли он усмотреть в полете мяча какие-нибудь подсказки, облегчающие ему принятие решения?

Роберт Вайншток из колледжа Оберлин, говоря о мастерстве аутфилдера, вспоминает, как однажды Бейб Рут поймал высокий мяч от Джимми Фокса из клуба «Филадельфия Атлетикс». Рут ожидал длинного высокого мяча от Фокса в глубине левого поля, но Фокс ударил мяч косо, и мяч получился высокий, но короткий. Как только звук удара достиг уха Рута, он подбежал точно к нужному месту на поле, подождал там и поймал мяч в перчатку.

ОТВЕТ • Хотя аутфилдер пользуется разными подсказками, чтобы поймать флай, главными, по-видимому, являются два угла. Один из них – вертикальный угол (угол возвышения над горизонтом), под которым игрок видит мяч, летящий в сторону внешнего поля (рис. 1.6а). Если игрок уже на правильном месте, где он наверняка поймает мяч, он увидит, что в полете этот угол будет увеличиваться, но с уменьшающейся скоростью (вначале он возрастает быстрее, а потом медленнее). Если игрок находится слишком близко (и должен отбежать назад), этот угол увеличивается все быстрее. Если игрок находится слишком далеко (и должен пробежать вперед), вертикальный угол сначала увеличивается, а потом начинает уменьшаться. Игрок по опыту знает, что нужно перемещаться по полю до тех пор, пока не станет видно, что в конечной фазе полета мяча вертикальный угол возрастает и скорость этого возрастания уменьшается как надо.

Рис. 1.6 / Задача 1.21. а) Траектория высокого мяча, вид сбоку. б) Траектория мяча, вид сверху.

Другой важный угол помогает выбрать правильную позицию для приема мяча, когда мяч летит слева или справа от игрока. В этом случае мяч летит в сторону внешнего поля под углом θ в горизонтальной плоскости между направлением на место удара и направлением на мяч (рис. 1.6б). Игрок должен бежать так, чтобы этот угол возрастал с постоянной скоростью. Тогда игрок сможет бежать к месту, где он поймает мяч, с более-менее постоянной скоростью, и ему в последний момент не придется совершать рывок.

Все эти приемы отрабатываются на тренировках, хотя на самом деле такая тактика естественна – ведь собаки, пытающиеся поймать брошенную хозяином игрушку, поступают так же (что подтверждают многочисленные видео, снятые на камеру, прикрепленную к ошейнику).

1.22. Короткая история. Мячи, сброшенные с высоты

В 1938 году два кетчера[4] из профессионального бейсбольного клуба «Кливленд Индианс» – Фрэнки Питлак и Хэнк Хелф – готовились установить мировой рекорд, поймав бейсбольный мяч, брошенный с самой большой высоты. Они заняли свои позиции на улице возле башни кливлендского вокзала. Третий бейсболист – Кен Келтнер – собирался бросать мячи с крыши этой башни высотой около 213 м. Предыдущий рекорд, установленный в 1908 году двумя кетчерами из другой команды, составлял 169 м. Тогда игроки поймали бейсбольные мячи, брошенные с монумента Вашингтона, находящегося в центре американской столицы.

У Келтнера не было возможности видеть товарищей по команде, ожидавших внизу, так что он бросал мячи вслепую. Питлак и Хелф были одеты в стальные шлемы, чтобы избежать травмы от удара мяча, летящего со скоростью 225 км/ч. Хелф поймал первый мяч и с довольной усмешкой сказал, что все как обычно – ничего особенного. Но Питлак следующие пять мячей пропустил. Один из мячей, упав, подскочил до уровня 13-го этажа и после третьего отскока был пойман сержантом полиции. Шестой мяч Питлак все-таки поймал и тем самым разделил рекорд с Хелфом.

В следующем году Джо Спринц из «Сан-Франциско Бейсбол Клаб» попытался поймать бейсбольный мяч, сброшенный из дирижабля с высоты 244 м (в некоторых сообщениях утверждалось, что дирижабль висел гораздо выше). С пятой попытки мяч попал в перчатку Спринца, но удар отбросил руку в перчатке с мячом к лицу, сломав смельчаку челюсть в 12 местах и выбив 5 зубов. Спортсмен потерял сознание и выпустил мяч.

Еще более курьезной была предпринятая в 1916 году попытка поймать бейсбольный мяч, сброшенный с небольшого аэроплана. Уилберт Робинсон – менеджер и бывший кетчер клуба «Бруклин Доджерс» – организовал полет тренера клуба Фрэнка Келли на аэроплане, чтобы тот бросил ему бейсбольный мяч с высоты 122 м. Но Келли, не предупредив Робинсона, заменил мяч на красный грейпфрут. Кожура плода при ударе лопнула, Робинсона залило брызнувшим соком, и он завопил: «У меня открытый перелом! Я истекаю кровью!»

1.23. Удары в бейсболе

Если бьющий игрок в бейсболе – правша, то почему он держит биту так, что правая рука у него выше левой, и поворачивается к питчеру левым боком? Сколько времени требуется бейсбольному мячу, чтобы долететь до пластины «дома»? Сколько времени нужно игроку, чтобы выполнить замах? Насколько допустимо ошибиться в замахе, чтобы все-таки попасть битой по мячу?

Некоторые успешные хиттеры, выбивающие хоум-раны[5], предпочитают пользоваться тяжелыми битами, утверждая, что лишний вес при ударе приводит к увеличению дальности полета мяча. А другие, наоборот, выбирают легкие или средние по весу биты, причем приводят те же доводы. Иногда при использовании деревянных бит игроки нелегально вставляют в середину прослойку из пробки, чтобы облегчить ее. Кто из них прав относительно веса биты? Должен ли игрок тренироваться со стандартной битой или с битой намного легче или тяжелее той, что будет использоваться в игровом матче?

В какое место биты должен попасть мяч, чтобы отлететь с наибольшей скоростью? Почему при соударении с мячом бита иногда обжигает руку и пытается выскочить из нее?

Питчеры так боялись легендарного Бейба Рута, что иногда бросали ему вместо быстрых медленные мячи, считая, что, если мяч с малой скоростью попал на биту, он и отскочит с малой скоростью, а следовательно, полетит не так далеко. Правильно ли они рассуждали?

ОТВЕТ • Если человек правша, во всех задачах, которые требуют точности, например при письме, он использует правую руку. Замах битой – одна из таких задач, поскольку для того, чтобы точно ударить по мячу, нужно безошибочно замахнуться битой. Когда игрок замахивается, он толкает биту правой рукой и подтягивает ее левой рукой. Левая рука делает большую часть работы, а правая – в основном направляет. Управлять движением биты легче, если правая рука находится выше, а притягивать биту легче, если левая рука ниже. В обычной позиции, когда игрок стоит левым боком к питчеру, при ударе он может повернуться навстречу мячу, при этом правая, контролирующая, рука будет находиться позади биты – так она сможет лучше направлять движение биты.

Даже медленному мячу нужно меньше секунды, чтобы долететь до «дома», а быстрый может долететь и за 0,4 с. (С рекордной скоростью в 161 км/ч отбил мяч Нолан Райан, выступавший за клуб «Калифорния Энджелс». Это случилось 20 августа 1974 года.) В действительности у отбивающего игрока меньше 0,4 с на замах, поскольку ему нужно оценить бросок питчера и мысленно представить себе траекторию мяча, пролетающего через площадку дома. У профессиональных игроков на это уходит примерно 0,28 с, а некоторые особо одаренные бейсболисты умудряются потратить на это всего 0,23 с. Если игрок способен сделать быстрый замах, у него есть больше времени на изучение траектории мяча, до того как этот замах сделать.

Чтобы выбить мяч за пределы поля, нужно управлять битой с точностью до нескольких миллиметров. Если опустить биту чуть ниже, мяч взмоет вверх. Если поднять чуть выше, чем нужно, он далеко не пролетит и упадет на землю. Кроме того, движение биты во время замаха должно быть выверенным по времени с точностью до миллисекунд. Задачу еще усложняет и то, что решение принимается вслепую – мяч при приближении к бите невидим, и проследить его траекторию в последней стадии движения невозможно. Это просто чудо, что некоторые игроки отбивают мячи с неизменным успехом.

Эксперименты показали, что скорость отбитого тяжелой битой мяча больше, если ее вес не превышает 990–1120 г. Средняя по весу бита (около 905 г) лучше более тяжелой по крайней мере по трем причинам. Две из них очевидны для всех игроков: не слишком тяжелой битой легче замахиваться и легче манипулировать. Обе причины связаны с тем, что у таких бит меньший момент инерции, то есть более компактное распределение массы относительно центра (или центров), вокруг которых бита вращается во время замаха. Третья причина связана с передачей энергии при столкновении мяча с битой. В принципе, переход энергии от одного тела к другому при соударении тем эффективнее, чем ближе их массы (веса) друг к другу.

Тогда почему некоторые бьющие игроки все же предпочитают играть тяжелой битой? Их выбор, возможно, связан с тем, что тяжелые биты имеют большую длину. Легкая бита короче, и поэтому игроку нужно стоять близко к пластине «дома». Если мяч пролетает в ближней части страйк-зоны[6], игроку, возможно, придется отбивать его той частью биты, которая находится ближе к рукам. В такой ситуации шансы на хороший удар невелики. Чтобы избежать этого, игроки могут выбрать более тяжелую и, соответственно, более длинную биту. Тогда бьющий может стоять дальше от пластины, и удар придется на лучшую часть биты.

Экспериментально доказано, что бейсболист, до самой игры тренировавшийся не с той битой, которую потом использовал в матче, замахивается с меньшей скоростью. И неважно, тренировался ли он с более тяжелой, с более легкой или просто с утяжеленной битой, на конец которой надето свинцовое кольцо, По-видимому, причина в том, что, когда игрок какое-то время использует одну и ту же биту, в его голове записывается определенная программа (последовательность включения мышц) по замаху биты. Если бита на тренировках сильно отличается от биты на игре, уже сложившаяся программа не вполне соответствует реальным условиям, и замах игровой битой получается слабее.

Силы, действие которых ощущает бьющий игрок во время соударения биты с мячом, зависят от того, в какой части биты произошло это соударение. Обычно при ударе ручку отбрасывает назад и поворачивает, но если мяч попадает в точку, являющуюся лучшим местом удара и называемую центром перкуссии (COP, center of percussion), этого не случается. Если удар приходится на зону между центром масс и центром перкуссии, ручка дергается по направлению полета мяча, а если за центром перкуссии – ручка дергается в противоположную сторону (к питчеру).

Есть еще одно заветное место на бите, и оно связано с колебаниями, которые могут возбудиться в бите от удара и обжечь кожу на руках игрока. В большинстве случаев возбуждаются два вида колебаний. Первые – простейшие (их называют фундаментальными), когда дальний от рук конец биты колеблется с наибольшей амплитудой. Вероятнее всего, игрок и не заметит этих колебаний, поскольку их частота мала.

Колебания второго вида (их называют первым обертоном) вполне ощутимы и могут даже слегка поранить руки. В этом случае свободный конец биты колеблется сильно, но имеется точка, расположенная ближе к рукам и называемая узлом, которая вообще не колеблется. Узел тоже является лучшей точкой удара, поскольку, если мяч ударяется в это место, первый обертон не возбуждается и, соответственно, руки не чувствуют колебаний биты.

Игрок может найти положение узла на бите, зажав один ее конец пальцами так, чтобы она свободно висела, и постукивая по ней сбоку другой рукой. Когда удар приходится на узел, колебания не возникают, а если стукнуть в другие точки, особенно ближе к центру, колебания будут не только ощутимы, но и слышны.

Чтобы придать мячу наибольшую скорость, нужно, чтобы он попал на определенный участок биты, расположенный между лучшими точками удара и центром масс. Но точное расположение этого участка зависит от начальной скорости мяча и соотношения масс биты и мяча. Чем быстрее летит мяч или чем легче бита, тем ближе к рукам должно находиться место соударения.

Представляю, как радовался Бейб Рут, увидев медленно летящий мяч. Чтобы послать мяч за пределы поля, нужно в первую очередь контролировать движение биты во время замаха и точно оценить, в каком месте мяч пролетит через пластину «дома». Медленный мяч предоставлял Руту достаточно времени для того, чтобы рассчитать и положение биты при замахе, и момент, когда надо сделать замах.

1.24. Разрешенные передачи в регби

При игре в регби игрок может передавать мяч любому товарищу по команде, но только не вперед. Если игрок с мячом бежит по направлению к воротам соперника, в каком направлении можно бросать мяч? Может ли он бросить мяч назад, или все равно эта передача будет считаться запрещенным броском вперед?

ОТВЕТ • Вся проблема в скорости самого игрока. Когда он бросает мяч назад, относительно поля мяч может все равно лететь вперед. Например, на рис. 1.7а скорость мяча относительно игрока направлена назад-влево, но, поскольку она складывается со скоростью его движения вперед, результирующая скорость будет иметь составляющую, направленную вперед (рис. 1.7б).

Рис. 1.7 / Задача 1.24. Передача в регби налево может казаться игроку разрешенной (а), а в действительности иметь составляющую, направленную вперед (б).

Если судья, наблюдая за броском, тоже бежит, он видит движение мяча под другим углом из-за своей собственной скорости. Только неподвижные наблюдатели могут правильно определить, был ли мяч разрешенным, то есть его скорость не имела составляющей, направленной вперед.

1.25. Жонглирование

На сегодняшний день мировой рекорд по количеству колец при жонглировании равен 11, при жонглировании другими предметами – меньше. Конечно, для жонглирования нужны хорошее взаимодействие между руками и глазами, а также длительная тренировка в подбрасывании и ловле предметов. Вопрос: есть ли какой-либо объективный фактор, ограничивающий число предметов при жонглировании?

ОТВЕТ • Ограничения накладывает, конечно, гравитация. Если вы хотите жонглировать большим количеством предметов, нужно подбрасывать их выше, чтобы успевать все их бросать и ловить. Но много времени на этом не выиграть. Даже если вы подбросите предмет на вдвое большую высоту, выигрыш во времени составит всего 40 %. Да к тому же предмету нужно будет придать на 40 % большую скорость, а это означает, что, скорее всего, бросок получится неточным.

1.26. Прыжки с шестом

Фибергласовые шесты совершили революцию в прыжках с шестом. Сначала шесты были бамбуковыми. В 1950-е годы их стали делать из стали и алюминия. Но с появлением в 1960-х годах фибергласовых шестов высота рекордных прыжков подскочила с 4,8 до 5,8 м. Некоторые специалисты считают, что со временем рекорды должны значительно превысить шестиметровую отметку. Почему фибергласовые шесты сыграли такую важную роль в увеличении высоты прыжка?

ОТВЕТ • Фибергласовые шесты более гибкие, чем применявшиеся ранее бамбуковые, стальные и алюминиевые. Гибкость шеста дает прыгуну два преимущества. Во-первых, кинетическая энергия, развитая атлетом при беге к перекладине, эффективнее преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации шеста, запасаемую им при изгибе. (Эта энергия накапливается именно в процессе бега и не является мускульной энергией бегуна, затрачиваемой на сгибание шеста.)

Возможно, этот фактор покажется вам очевидным. Менее очевидно то, что из-за гибкости шеста происходит задержка в превращении энергии упругой деформации шеста обратно в кинетическую энергию прыгающего спортсмена. Эта задержка позволяет атлету изменить положение тела таким образом, чтобы энергия от выпрямляющегося шеста пошла на движение вверх, а не вперед.

Для выполнения хорошего прыжка прыгун должен не только как следует разбежаться на пути к перекладине, чтобы накопить побольше кинетической энергии, но также соразмерять шаги с тем, чтобы точно попасть концом шеста в ящик для упора. Когда шест встает в упор, атлет прыгает вперед, чтобы сохранить движение вперед и правильно согнуть шест. Когда шест сгибается, в нем накапливается часть начальной кинетической энергии атлета. Во время сгибания шеста и последующего его разгибания атлет подбирает ноги и отклоняется назад, чтобы перевести тело в вертикальное положение. Чтобы шест при разгибании отдал обратно как можно больше энергии и чтобы легче было переориентировать тело, атлет толкает его вперед рукой, находящейся выше, и тянет назад рукой, находящейся ниже. Если все делается вовремя, разгибающийся шест отдает обратно запасенную в нем энергию и посылает атлета вверх.

1.27. Атлатль и жабий язык

Некоторые древние народы, например ацтеки, использовали приспособление для метания копья или дротика, которое представляло собой деревянную палку с упором на одном конце и рукояткой на другом (рис. 1.8). Скорость выпущенного с его помощью копья была столь высокой, что копье пролетало около 100 м и даже после этого пробивало латы испанских конкистадоров, пришедших завоевывать землю ацтеков. Почему это устройство под названием атлатль придает копью большую скорость, чем если бросать его просто рукой? Почему часто к этому устройству привязывали камень?

Рис. 1.8 / Задача 1.27. Запуск копья с помощью атлатля.

Как удается жабе выстреливать языком с молниеносной скоростью, чтобы поймать пролетающую мимо муху?

ОТВЕТ • Если бросать копье рукой, кинетическая энергия копья обеспечивается тем, что рука при замахе производит работу по толканию копья вперед на некоторое расстояние. Атлатль увеличивает расстояние, на котором разгоняется копье, и тем самым увеличивает передаваемую ему кинетическую энергию. В чем смысл подвешивать камень к атлатлю – не очень понятно. На самом деле экспериментально установлено, что добавочная масса приводит даже к небольшому уменьшению скорости копья при запуске.

Что касается жабы, то она охотится, используя тот же принцип атлатля. Заметив жертву, жаба быстро выбрасывает язык в ее сторону, но при этом мягкий кончик языка остается загнутым назад и лежит на основной части языка (в этот момент твердеющей). Когда язык приближается к цели, кончик резко развертывается вперед и прихлопывает добычу. С помощью этого приема – развертывания кончика в том же направлении, в котором движется весь язык, – жаба добавляет кинетическую энергию разворачивающегося кончика языка к кинетической энергии поступательного движения языка как целого. Эта дополнительная энергия увеличивает шансы на то, что жертва прилипнет к кончику языка, даже если она сидит на листке, который прогибается под ударом. Как только жертва прилипла к языку, жаба быстро втягивает язык обратно в рот.

1.28. Праща

Искусные метатели пращи могут запустить камень весом 25 г со скоростью 100 км/ч и поразить цель на расстоянии 200 м и даже больше. Как можно разогнать камень до такой большой скорости или, точнее, как можно придать ему такой большой импульс? В битвах прошлых столетий это оружие оказывалось более эффективным, чем стрелы. Действительно, даже если вражеский воин облачен в кожаный доспех, удар камня может привести к смертельному повреждению внутренних органов, а стрела просто отскочит, не причинив вреда. Если на воине вообще нет доспехов, камень легко может войти внутрь тела. Кроме того, праща – более точное оружие, чем лук, и запускает камень дальше. По этой причине пращники часто стояли позади лучников, которым нужно было находиться ближе к цели, чтобы поразить ее.

Самая известная битва с применением пращи – это библейский поединок Давида с Голиафом. Сорок дней великан-филистимлянин призывал израильтян сразиться с ним, но никто не решался принять бой, пока не появился Давид. Он набрал пять гладких камней из ручья и приблизился к Голиафу на безопасное расстояние – так, чтобы меч Голиафа не мог достать его. Давид вынул из сумки первый камень, вложил его в пращу и запустил в великана. Импульс камня был так велик, что камень, попав в лоб Голиафа, пробил тому череп.

ОТВЕТ • Камень (это может быть обычный камень, комок глины или кусок металла) помещается в ложе из гибкого материала, например кожи, к которому прикреплены два ремешка. Один ремешок наматывают на безымянный палец, на другом завязывается узел, который захватывают ладонью.

Оттянув ложе с камнем левой рукой и держа пращу в правой, обе руки поднимают над головой. Затем левую руку отпускают, а правой резко начинают раскручивать пращу в вертикальной плоскости назад-вниз-вперед-вверх. Это движение выполняется в основном кистью, а не всей рукой. Камень прокручивается по окружности три или четыре раза, запасая кинетическую энергию. Как раз когда камень проходит нижнюю точку последнего круга, ремешок с узелком отпускают, камень освобождается и летит в цель. Можно раскручивать пращу также и в горизонтальной плоскости, но в этом случае дальность полета будет меньше.

Преимущество этого вида оружия в том, что работа, которая затем превращается в кинетическую энергию камня, проводится над камнем в течение большего времени и на большем расстоянии, чем если его просто бросить рукой, как в бейсболе. Радиус окружности тоже играет роль, поскольку чем он больше, тем выше скорость и, соответственно, дальность полета выпущенного из пращи камня. В прежние времена воины имели при себе несколько пращей с ремешками разной длины, чтобы бросать камни на разные расстояния.

1.29. Томагавки

Некоторые искусные метатели томагавка с неизменным успехом вонзают острие томагавка в цель. Возможно, они добились этого путем длительных тренировок. Но все ли зависит исключительно от мастерства или есть в технике метания какая-либо научная методика? И можно ли, руководствуясь этой методикой, поразить цель с первого раза?

ОТВЕТ • Чтобы запустить томагавк, нужно зажать его в руке так, чтобы его ручка была направлена перпендикулярно руке, занести согнутую в локте руку с томагавком за голову, сделать взмах вперед, разогнув руку в локте, и отпустить оружие. Скорость брошенного томагавка должна быть направлена вперед и лежать в горизонтальной плоскости. В полете томагавк будет вращаться вокруг центра масс (расположенного в тяжелой головке).

До тех пор пока вы не отработаете технику метания, при каждом броске вы будете получать разную начальную скорость полета и скорость вращения. Это значит, что только удача поможет вам поразить цель, находящуюся на определенном расстоянии. Но забавная особенность томагавка состоит в том, что отношение начальной скорости к скорости вращения не зависит от того, насколько быстро вы выбрасываете вперед руку с томагавком. Это означает, что независимо от того, как вы бросите его, он в любом случае повернется и окажется в нужном положении, чтобы поразить цель на определенном расстоянии от вас. Так что все, что вы должны сделать, чтобы поразить эту цель, – встать на нужном расстоянии от цели (его можно определить методом проб и ошибок или рассчитать) и бросить томагавк. Возможно, вы и сумеете попасть в цель с первой попытки.

Конечно, в те времена, когда томагавки использовались в качестве боевого оружия, а у индейцев не было возможности изменить расстояние до цели, они меняли положение головки томагавка относительно своей руки. Расстояние от головки томагавка до руки определяет, на каком расстоянии томагавк окажется в боевом положении и сможет поразить врага. Чтобы в условиях боя суметь «настроить» томагавк на любое расстояние до цели, нужно, чтобы ручка томагавка была длинной. И действительно, первые томагавки имели длинные ручки.

1.30. Болас

Болас (он же боло) состоит из трех тяжелых шаров, к которым привязаны прочные веревки одинаковой длины, соединенные в одной общей точке (рис. 1.9а). Это орудие родом из Южной Америки, и пользуются им так: берут один из шаров в руку, поднимают его над головой и крутят кистью руки, раскручивая тем самым остальные два шара в горизонтальной плоскости. Как только шары достаточно раскрутятся, болас отпускают в цель. В полете скорость вращения боласа возрастает, и когда он достигает цели, веревка наматывается на жертву, а следом в нее с силой врезаются и шары. Почему в полете скорость вращения шаров увеличивается?

Рис. 1.9 / Задача 1.30. Положение шаров боласа a) при запуске и б) в свободном полете.

ОТВЕТ • Пусть длина веревок от точки крепления каждого из шаров до точки соединения всех веревок будет равна L. Поскольку один из шаров (первый) находится в руке, два других шара (вместе) начинают вращение вокруг первого шара, и расстояние между ними и первым шаром равно 2L. Но когда болас бросают, шары отправляются в свободный полет, конфигурация двух вращающихся шаров вокруг одного становится неустойчивой и вскоре заменяется на равновесную. Это значит, что три шара расположатся симметрично относительно точки соединения веревок на расстоянии L от нее и начнут вращаться вокруг этой точки (рис. 1.9б). При этом изменении конфигурации меняется распределение масс шаров относительно их общего центра масс. А поскольку болас летит свободно, его угловой момент не может измениться, и, следовательно, при уменьшении расстояния шаров до центра масс должна увеличиться скорость вращения. Это похоже на вращение фигуриста на льду, прижимающего руки к телу, чтобы изменить распределение масс и тем самым увеличить скорость вращения.

1.31. Осадные орудия

Представьте, что на дворе Средневековье и вам необходимо взять неприступную крепость. Слишком близко к крепости подходить опасно, поскольку на стенах засели лучники. Как можно атаковать крепость издалека?

ОТВЕТ • Для атаки на укрепленные стены существовало два вида осадных орудий: катапульта и фрондибола. Катапульта – это по сути мощный лук, который выстреливал стрелой или камнем (до 25 кг). В отличие от лука, в основе ее конструкции лежит рычаг, вставленный в канат из пучков воловьих жил или конского волоса. Такие машины называются торсионными, в них используется упругая энергия, запасающаяся при скручивании канатов за счет растяжения жил. Катапульта гораздо больше обычного лука, ее стрела могла быть длиной до 2 м, а тетива оттягивалась назад при помощи лебедки. И все же разрушения, вызванные стрелой, были намного меньше, чем ущерб от 25-килограммового камня, поскольку и энергия, и импульс стрелы невелики.

Фрондибола (требушет) обладала гораздо большей разрушительной силой, чем катапульта: некоторые машины могли метать камни весом около 1300 кг. Иногда с ее помощью запускали дохлых лошадей и даже человеческие трупы – это делалось, например, когда у одной из враждующих сторон начиналась эпидемия и заразу хотели распространить в лагере противника. Во времена не столь давние фрондиболы использовались для забавы – например, чтобы забросить куда-то пианино или даже небольшой автомобиль.

На рис. 1.10 схематически изображена фрондибола. Метательный снаряд положен в веревочное гнездо, прикрепленное к длинному концу А деревянного бруса. К противоположному короткому концу бруса Б прикладывают большую силу, в результате чего рычаг поворачивается вокруг оси, метательное гнездо резко взмывает вверх и перебрасывается через орудие. В тот момент, когда гнездо с зарядом пролетает над орудием, веревки, которыми оно привязано к брусу, слетают с крючка и снаряд отправляется в свободный полет. Таким образом, энергию снаряд получает в результате работы, совершенной силой, приложенной к концу бруса Б. Эффективность работы устройства зависела от длин плеч рычага и длины веревок, на которых крепилось метательное гнездо.

Рис. 1.10 / Задача 1.31. Фрондибола

Эта сила могла быть мускульной силой – когда несколько человек одновременно тянули за конец бруса Б. Но чтобы запускать тяжелые снаряды на большие расстояния, на конец бруса Б подвешивали тяжелый противовес, и тогда для запуска использовалась гравитационная сила, которая на него действовала. Когда противовес падал, то часть запасенной в нем энергии превращалась в кинетическую энергию снаряда. И кинетическая энергия, и импульс снаряда были очень велики, так что каменный снаряд мог пробить брешь в крепостной стене. После того как фрондиболы стали применять повсеместно, крепостные стены начали строить по-новому. Например, некоторые стены делали не вертикальными, а наклонными, и снаряд не столько ударялся в стены, сколько скользил по ним.

1.32. Люди – пушечные ядра

Цирковой трюк, в котором из пушки или чего-то подобного вылетает человек, появился в начале 1870-х годов. Тогда человек-ядро пролетал небольшое расстояние, и его ловил ассистент, висящий на трапеции. В 1922 году семейство Заккини возродило трюк, решив, что каскадер сможет совершить более рискованный полет – с приземлением на сетке. Их первые пушки работали на пружинах, выталкивающих акробата, а в 1927 году для этой цели стали применять сжатый воздух.

Стремясь усилить зрелищность трюка, циркачи придумали отправлять акробата в полет через колесо обозрения. Началось все с одного колеса, но к 1939–1940-м годам был достигнут предел в три колеса, после которого начинался уже неоправданный риск. Тогда Эмануэль Заккини пролетел по горизонтали 70 м.

Выстрелы из пушки людьми, вероятно, один из наиболее рискованных трюков, поскольку, безусловно, существует шанс, что акробат промахнется и не попадет в сетку. Есть ли в этом трюке какие-то другие, менее очевидные опасности?

ОТВЕТ • Готовясь к выстрелу, акробат (или акробатка) вставляет ноги в «металлические штаны», приделанные к штоку внутри пушечного ствола. Штаны изготавливаются в точности по размеру ног и должны обеспечивать поддержку при резком начале движения штока вперед. Неявная опасность заключается в том, что для полета на большое расстояние в этот момент создается такое огромное ускорение, что акробат может на мгновение потерять сознание. Одна из целей тренировки акробата как раз состоит в том, чтобы сохранять сознание во время полета, поскольку приземление на сетке должно быть контролируемым. Если приземление окажется неконтролируемым, акробат при ударе о сетку и подбрасывании на ней легко может сломать руку, ногу или шею. По словам Заккини, начальная скорость акробата достигала 600 км/ч, но все-таки более правдоподобная цифра – 160 км/ч.

Другую, менее очевидную опасность для акробата представляет сопротивление воздуха во время полета. Сила сопротивления зависит от ориентации тела во время полета: она меньше, если тело ориентировано вдоль траектории полета, и больше, если тело ориентировано перпендикулярно траектории (что может произойти во время снижения). Маленькое сопротивление увеличивает дальность полета, большое – уменьшает. Поскольку положение акробата менялось от выстрела к выстрелу, нужно было примерно подсчитать (или предположить), как далеко полетит акробат, и натянуть достаточно широкую сеть, чтобы при всех возможных вариантах (и сопротивлении воздуха) акробат приземлился на нее.

1.33. Броски мяча в баскетбольную корзину

Для игры в баскетбол требуются и мастерство, и удача. А есть ли какой-нибудь способ увеличить вероятность попадания мяча в корзину при броске? Например, что лучше – послать мяч по высокой дуге или отправить его по плоской траектории? Когда мяч лучше подкрутить, а когда это нежелательно?

При штрафном броске (когда игрок бросает мяч без помех с расстояния чуть более 4 м от корзины) можно выполнить бросок сверху – примерно с высоты плеча. Или, наоборот, можно использовать бросок снизу («бросок из-под юбки») – примерно от пояса. Среди профессионалов в основном используется первый вариант, но легендарный Рик Бэрри установил рекорд по закидыванию штрафных мячей, используя технику броска снизу. Действительно ли существует техника, дающая лучшие шансы для попадания мяча в корзину?

ОТВЕТ • В любой позиции на поле существует широкий диапазон углов, под которыми можно бросить мяч, и он попадет в корзину, если, конечно, ему придать правильную скорость. Однако тот факт, что диаметр мяча меньше диаметра корзины, разрешает немного ошибиться в скорости бросания мяча. Если угол мал, разброс допустимых скоростей тоже мал, и нужно быть более точным. Кроме того, при таком ударе скорость бросания мяча должна быть весьма высока, то есть игрок должен бросать мяч с большой силой, а это трудно совместить с точностью удара. Наоборот, если бросать мяч под несколько большим углом, разброс в допустимых скоростях станет больше, а требуемые скорость и сила броска – меньше. Следовательно, у игрока выше шанс попасть в корзину. Однако для еще больших углов требуемые скорость и сила броска станут увеличиваться, что делает броски под большими углами менее желательными.

Новички обычно посылают мяч по слишком плоской траектории, а вот с опытом приходит умение бросать мяч в корзину по дуге. Чем выше выпущен мяч, тем меньше должна быть его скорость, и поэтому у высоких игроков есть преимущество. Преимущество, даваемое высотой, с которой брошен мяч, так велико, что некоторые игроки бросают мяч в прыжке, даже когда им не мешает игрок команды-соперника. Если применен удар с обратной подкруткой и мяч сначала попадает в баскетбольный щит за сеткой, вращение мяча может создать необходимое трение, которое позволит ему отскочить в корзину. Если мяч брошен не из центральной части поля, может помочь боковое подкручивание мяча.

Штрафной удар снизу имеет больше шансов на успех, чем сверху, но причины этого до сих пор неясны. Возможно, такой удар легче выполнить правильно, и поэтому шансы для мяча попасть в корзину возрастают. Но самое большое преимущество, видимо, в том, что при таком броске игрок может сильнее подкрутить мяч в обратном направлении, что позволяет скорректировать удар, если мяч попадает в баскетбольный щит.

1.34. Короткая история. Рекордные штрафные броски

В 1977 году Тед Мартин установил мировой рекорд в серии бросков от штрафной линии – он забросил мяч в корзину 2036 раз подряд. В следующем году Фред Ньюмен установил необычный рекорд. Он забросил мяч в корзину 88 раз подряд с завязанными глазами. Несколькими годами позже Ньюмен в течение 24 часов сделал 13 116 бросков, уже с открытыми глазами, и из них 12 874 мячей попало в корзину.

1.35. Зависание в баскетболе и балете

Иногда кажется, что некоторые искусные баскетболисты как бы повисают в воздухе во время прыжка и это дает им время перекинуть мяч с руки на руку, а затем послать его в корзину. И в балете профессиональные исполнители как будто парят над сценой во время прыжка, называемого гранд жете (шпагат в воздухе). Понятно, что гравитационное поле никому еще не удавалось отключить, но тогда как объяснить иллюзию зависания в воздухе в этих двух случаях?

ОТВЕТ • И в баскетболе, и в балете зависание в воздухе игроков и балерин – иллюзия. В баскетболе она возникает прежде всего из-за быстроты действий игрока, способного выполнить множество манипуляций во время прыжка. В балете – из-за движения рук и ног балерины во время гранд жете: после того как ноги оторвались от пола, балерина поднимает руки вверх и вытягивает ноги в горизонтальном шпагате, в результате центр масс перемещается выше по телу (рис. 1.11). И хотя он, как ему и положено по законам гравитации, движется над сценой по параболе, из-за его перемещения внутри тела уменьшается высота, на которой окажутся голова и тело балерины в высшей точке прыжка, по сравнению с той, которая бы была, не двигай она руками и ногами. В результате этих движений голова и туловище балерины во время средней фазы прыжка перемещаются почти по горизонтальной траектории. Она и кажется зрителям необычной, поскольку из повседневного опыта они знают, что полет должен происходить по параболе, даже если само это слово им незнакомо.

Рис. 1.11 / Задача 1.35. Траектория движения центра масс балерины во время гранд жете.

Аналогично, и баскетболист может сделать так, чтобы во время прыжка голова двигалась почти по горизонтали, если подтянет ноги и вытянет руки с мячом. Но такая техника не особенно распространена. Игроки действительно поднимают руки с мячом вверх, когда выпрыгивают к корзине, но при этом они редко подтягивают ноги. И небольшое сглаживание траектории, описываемой головой, вряд ли обманет защитника команды-соперника, выпрыгивающего рядом с игроком, забивающим мяч.

1.36. Секреты игры в гольф

Как нужно замахнуться клюшкой для гольфа (выполнить свинг), чтобы удар по мячу при драйве[7] получился наилучшим? Например, не стоит ли махнуть клюшкой вниз как можно сильнее, как будто вы хотите ударить противника в драке? Если же во время замаха вы в какой-то момент пожелаете увеличить или уменьшить усилие, с какой клюшкой это сделать легче – с упругой или с неупругой?

Почему патт[8] с расстояния одного метра значительно труднее выполнить, чем патт с расстояния полуметра? Труднее ли выполнить 3,5-метровый патт, чем трехметровый? Почему мяч может катиться прямо к лунке, но так и не вкатиться в нее?

ОТВЕТ • Когда вы при свинге делаете мах вниз клюшкой, выполняя драйв, в начале замаха запястья согнуты под углом 90° по отношению к предплечьям. Если вы замахнетесь клюшкой как для удара по противнику, то автоматически разогнете запястья во время замаха. В действительности головка клюшки приобретет большую скорость в момент удара, если разгибать запястья не сразу, тем самым уменьшая вращательный момент, а на какой-то стадии замаха. Когда именно нужно разгибать запястья, подсказывает опыт. В тот момент, когда запястья разгибаются, кисть с зажатой в ней клюшкой вращается, в результате чего клюшка приобретает дополнительную скорость.

Многие игроки считают, что гибкость древка клюшки влияет на траекторию мяча, поскольку этим определяется угол, под которым головка клюшки бьет по мячу. В качестве доказательства приводится довод, что более гибкое древко во время свинга сначала отгибается назад, а потом выпрямляется, и клюшка ударяет по мячу с большей силой, чем клюшка с более жестким древком. В результате мяч получает большую энергию. Однако исследования показывают, что гибкость древка клюшки мало влияет на полет мяча: большая гибкость древка может уменьшить энергию, передаваемую мячу, поскольку соударение возбуждает колебания в клюшке. Поэтому предпочтительнее пользоваться более жесткой клюшкой, которая ударяет по мячу под прямым углом, – она позволяет лучше контролировать удар.

Трудность попадания мячом в лунку при ударе патт зависит от углового размера лунки, под которым мяч ее «видит». Если отодвигать мяч дальше от лунки, сначала этот угол уменьшается быстро, а это значит, что забросить мяч в лунку становится все труднее. Но после того, как вы отойдете на расстояние примерно в метр, угол начинает убывать все медленнее, а это означает, что сложность попадания мячом в лунку с расстоянием возрастает тоже медленнее. Конечно, при таком упрощенном анализе из рассмотрения выпадают другие факторы, влияющие на длинный патт, – такие, например, как изменение свойств травы на пути к лунке.

Если мяч катится прямо к лунке, но скорость, с которой он подкатывается к ближней кромке лунки, выше некоторой критической, он не упадет туда. Он пересечет лунку, слегка провалившись в нее, но недостаточно, чтобы там остаться, и, ударившись о дальнюю стенку лунки, выкатится наружу.

1.37. Короткая история. «Занавес смерти»

Если метеорит не сгорает в атмосфере, а достигает земли, он образует кратер. При этом происходит выброс отраженной волной раздробленных и расплавленных пород. Эти обломки летят не по случайным траекториям. Самые быстролетящие камни вылетают под большими углами к земле. Если бы вы могли наблюдать это явление и стояли бы так, что выброшенные метеоритом камни летели на вас, то увидели бы, что они образуют тонкий выгнутый занавес (рис. 1.12). Обломки в верхней части занавеса вылетают с большей скоростью и под большими углами, чем камни, находящиеся в его нижней части. Медленные камешки падают на землю раньше, чем быстрые, так что по мере приближения к вам «занавеса» вы будете постоянно видеть и слышать, как они стукаются о землю.

Рис. 1.12 / Задача 1.37. Камни, выброшенные из кратера, образованного метеоритом.

1.38. Прыжки в длину и высоту

Школьники, прыгая в высоту, обычно перелетают через перекладину «ножницами»: наклонив верхнюю часть туловища вперед, перекидывают через перекладину сначала одну ногу, а затем другую. Но более эффективный способ взять планку – прыгнуть «перекатом»: повернувшись боком и вытянув тело вдоль перекладины, нырнуть за нее головой и плечами.

Когда на Олимпийских играх 1968 года в Мехико Дик Фосбери выиграл соревнования по прыжкам в высоту, его прыжок показался диковинным. Такая техника в его честь стала называться фосбери-флоп, и сегодня она используется легкоатлетами во всем мире. Спортсмен бежит к перекладине ровными шагами, в последний момент поворачивается к ней спиной и как бы ложится на нее, прогибаясь в пояснице. 1. Какое преимущество дает этот способ? Почему нужно подбегать к перекладине ровными шагами? Ведь если бежать с ускорением, прыгуну сообщится больше энергии, и он прыгнет выше.

Одно из ошеломляющих событий в мире легкой атлетики произошло на тех же Олимпийских играх в Мехико. Днем 18 октября Боб Бимон готовился к первой из трех разрешенных попыток в прыжках в длину, меряя шагами дорожку от ямы к линии старта. Потом он развернулся, быстро разбежался, оттолкнулся от бруска для отталкивания и взлетел в воздух. Прыжок оказался таким гигантским, что специальное оптическое устройство не смогло зарегистрировать его длину. Пришлось использовать обычную рулетку. Один из судей крикнул Бимону, застывшему сбоку: «Фантастика, фантастика!» Длина прыжка была действительно фантастической – 8,90 м, она намного превысила предыдущий рекорд – 8,10 м (разница составила целых 80 см!). Бимону, безусловно, помог ветер в спину, который дул как раз с предельно допустимой регламентом скоростью – 2,0 м/с. 2. Помогло ли ему также то, что Мехико находится на большой высоте над уровнем моря и на маленькой долготе? Иными словами, сыграли свою роль в установлении этого удивительного рекорда плотность воздуха и сила земного притяжения?

Длина прыжка в длину засчитывается по следам от пяток прыгуна в момент приземления, при условии, что он не сел на песок. Если спортсмен коснулся песка ягодицами, длиной прыжка считается расстояние до ближайшего края следа от них. Таким образом, в прыжках в длину очень важно правильно приземлиться.

Когда атлет на последнем шаге отталкивается от бруска для отталкивания, его туловище располагается почти вертикально, при этом толчковая нога отставлена назад, а маховая вынесена вперед. При приземлении обе ноги должны оказаться вытянутыми вперед под таким углом, чтобы пятки оказались в песке максимально далеко, но при этом спортсмен не приземлился на ягодицы. 3. Каким образом прыгун во время полета может изменить положение тела, приобретенное при разбеге, на положение, необходимое для правильного приземления?

4. Почему на древнегреческих Олимпиадах во время прыжков в длину с места некоторые легкоатлеты прыгали, держа в руках хальтерес – гантели весом в несколько килограммов?

ОТВЕТ • 1. Высота, засчитываемая в соревнованиях по прыжкам в высоту, – это, естественно, высота планки, а не высота, на которой находится голова или иная часть тела прыгуна. Предположим, во время прыжка легкоатлет в состоянии забросить свой центр масс (ЦМ) на высоту L. Если атлет прыгает «ножницами», перебрасывая ноги через планку, то она должна находиться на высоте много меньшей L, поскольку спортсмен не должен коснуться ее никакой частью тела. Поэтому ее высота не очень велика (рис. 1.13а). При прыжке техникой «переката» тело располагается горизонтально, и когда атлет пролетает над планкой, та оказывается гораздо ближе к центру масс прыгуна. В этом случае может быть преодолена планка, установленная на большей высоте (рис. 1.13б). При прыжке «фосбери» (рис. 1.13в) тело атлета как бы обвивает планку, и в результате центр масс прыгуна оказывается вне туловища, и он может прыгнуть на большую высоту, чем при прыжке «перекатом». Изгиб тела при перелете через планку и поворот в последний момент, при котором прыжок совершается головой вперед, помогают выполнить этот высокий прыжок.

Рис. 1.13 / Задача 1.38. Разные стили прыжков в высоту: а) ножницы, б) перекат, в) фосбери.

Легкоатлет подбегает к планке медленнее, чем, скажем, спринтер на дистанции, поскольку ключ к победе в его случае лежит в безошибочном исполнении прыжка, а значит, точный расклад движений по времени очень важен. В конце разбега прыгун выставляет толчковую ногу довольно далеко вперед по отношению к центру масс и сгибает ее, а туловище в этот момент поворачивается вокруг этой ноги. При этом некоторая часть кинетической энергии, развитой в беге, запасается в согнутой ноге. В следующий момент эта нога отталкивается от земли, прыгун взлетает вверх, при этом часть запасенной энергии и дополнительная мускульная энергия атлета позволяют ему совершить высокий прыжок.

2. Ветер и расположение стадиона лишь немного помогли Бимону прыгнуть далеко. Мехико расположен на высоте 2300 м над уровнем моря, и это намного выше, чем места проведения всех остальных Олимпиад. На большой высоте плотность воздуха меньше, а следовательно, сопротивление воздуха, замедляющее полет в прыжке, меньше, чем на уровне моря. Кроме того, на высоте ускорение свободного падения меньше, а следовательно, и притяжение к земле, мешающее прыгать, меньше. Это ускорение и притяжение еще уменьшаются из-за действующих на прыгуна центробежных сил, возникающих из-за вращения Земли. На малых широтах эти силы больше, поскольку там больше и линейная скорость на поверхности, возникающая из-за вращения Земли.

Однако все эти факторы лишь в очень малой степени влияют на длину прыжка. Тогда почему Бимон прыгнул так далеко? Во-первых, он быстро разбежался и сильно оттолкнулся от бруска для отталкивания. Большинство прыгунов в длину разбегаются довольно медленно из-за боязни заступить за брусок, поскольку в этом случае прыжок не засчитывается. Но они не хотят оттолкнуться и слишком далеко: тогда они во-первых, теряют возможность оттолкнуться от твердой опоры, а во-вторых, фиксируемая дальность их прыжка уменьшается (она всегда отсчитывается от бруска). Ширина бруска всего 20 см, и поэтому последний шаг нужно тщательно отмерить.

Бимон, который был известен множеством незасчитанных прыжков, решил, видимо, рискнуть в первой попытке и разбежался со спринтерской скоростью. Ему повезло, и на последнем шаге он не заступил за брусок – в противном случае в следующих двух попытках он, вероятно, больше бы думал о том, как не заступить за брусок, и разбегался бы с меньшей скоростью.

Никто больше не прыгал так далеко, как Бимон, в течение следующих 23 лет. Но потом, на чемпионате мира по легкой атлетике 1991 года, Майк Пауэлл прыгнул на 8,95 м – на 5 см дальше Бимона. Сделал он это в Токио, расположенном на уровне моря, да и ветра особого не было – в спину ему дул легкий ветерок со скоростью 0,3 м/с. Пауэлл великолепно продемонстрировал, что высота над уровнем моря и ветер играют второстепенную роль в достижениях спортсменов.

3. Рассмотрим, как меняется положение тела прыгуна в длину в полете, и для этого будем считать, что он прыгает вправо от нас. В момент отталкивания от бруска сила, действующая на толчковую ногу со стороны бруска, приводит к закручиванию корпуса так, что туловище стремится двинуться вперед, а маховая нога – назад. Это закручивание еще усиливается, если маховую ногу вынести вперед, подготавливаясь к приземлению. Причина в том, что в полете на прыгуна не действуют никакие заметные внешние силы и угловой момент его тела должен оставаться постоянным. Поэтому, выдвигая вперед маховую ногу, спортсмен заставляет остальное тело повернуться назад.

Чтобы уменьшить это вращение и принять правильную позу для приземления, нужно, вытянув руки в стороны, покрутить ими по часовой стрелке. Кроме того, нужно продолжить перебирать ногами, как при беге: нога вытягивается или сгибается, а туловище при этих движениях либо отклоняется назад, либо вперед. (Ни одно из этих движений не сказывается на дальности прыжка, они только меняют расположение тела в пространстве.) Прыгуны-новички часто недостаточно вращают руками, или даже хуже – вращают одной или обеими руками в неправильном направлении. Туловище и ноги в этом случае оказываются не в лучшей позиции, и зафиксированный прыжок получится короче, поскольку следы от пяток окажутся ближе к бруску или перекроются следами от ягодиц.

4. Хальтерес, или гантели, которыми пользовались прыгуны античных Олимпиад, могут увеличить дальность прыжка. Легкоатлет в разбеге размахивает зажатыми в руке гантелями вперед-назад, затем в первой фазе прыжка взмахивает руками вперед, а готовясь к приземлению – назад. Если правильно пользоваться этими приспособлениями, можно увеличить длину прыжка на 10–20 см. Этому есть две причины. Во-первых, в полете центр масс системы «прыгун – хальтерес» движется вперед, а при последнем взмахе рук назад хальтерес тоже сдвигается относительно общего центра масс назад, а следовательно, прыгун выдвинется относительно него вперед. А во-вторых, при толчке замах гантелями вперед увеличивает силу, направленную вниз на брусок со стороны ног атлета и, следовательно, силу, выталкивающую прыгуна в полет. (При отталкивании у атлета работают не только мышцы ног, но и мышцы плеч и рук.) Прыжок может стать еще длиннее, если атлет отшвырнет хальтерес назад во время последней фазы прыжка, фактически совершая рывок вперед. Общий центр масс системы «прыгун – хальтерес» остается в прежней точке, но прыгун теперь слегка улетит вперед по отношению к этой точке.

1.39. Мексиканские прыгающие бобы

Если человек, сидя на одеяле, соберет в кулак все четыре угла одеяла и потянет их вверх, сможет ли он поднять себя? Ну конечно нет, хотя я знавал одну девочку, которая изо всех сил пыталась так себя поднять. Как тогда умудряются подскакивать в воздух бобы?

ОТВЕТ • В бобах сидят маленькие червячки – личинки бабочек, которые подпрыгивают, ударяются о верхнюю часть боба, и боб от этого удара взлетает в воздух. Когда червячок начинает свой прыжок, отталкиваясь от внутренней поверхности боба, силой, которая создает его ускорение и скорость, является разность реакции опоры и притяжения Земли. Гравитация вообще постоянна, а в момент отталкивания реакция превосходит ее. Когда червячок внутри боба долетает до его верхней стенки и соударяется с ней, он тормозится. Тормозит его сила, действующая на него со стороны стенки, и с такой же силой он действует на стенку (третий закон Ньютона). Эта последняя сила может вызвать подпрыгивание боба, если она окажется больше его притяжения к Земле.

1.40. Кувырки жуков-щелкунов и атаки раков-богомолов

Если потрогать лежащего на спине жука-щелкуна, он подпрыгнет аж на 25 см, издав при этом довольно громкий щелчок. Во время полета он может перевернуться и приземлиться правильно – брюшком вниз. Для такого прыжка ему придется создать ускорение до 400 g (то есть в 400 раз превышающее ускорение свободного падения) и развить мощность в 100 раз больше той, на которую способна любая из мышц жука. Как же удается жуку развить такую огромную мощность (раз он лежит на спине, это не может произойти за счет мышц его ножек)? Одну подсказку дает щелчок, а другую – то, что жук не может сразу повторить такой фокус (для этого должно пройти время).

Морской рак-богомол (Odontodactylus scyllarus) атакует свою жертву, быстро выбрасывая вперед одну из своих конечностей – вторую пару ногочелюстей. Но не сама конечность бьет наповал жертву, а возникающие при этом молниеносном движении пузырьки воздуха, которые при схлопывании создают разрушительную звуковую волну. Ускорение, развиваемое концом боевого органа рака-богомола, может достигать 10 000 g. Как у рака это получается?

ОТВЕТ • Прыжок жука напоминает действие мышеловки: и в том, и в другом случае срабатывает механизм, выстреливающий вверх. В нижней части переднегруди у жука имеется пальцевидный отросток, а на среднегруди – соответствующего размера ямка, куда он обычно вложен. Упав на спину, жук медленно сокращает мышцы на передней поверхности тела, выгибая переднегрудь назад. При этом отросток выходит из ямки и упирается концом в выступ среднегруди на краю ямки (рис. 1.14а). Затем, когда напряжение в мышцах нарастает, отросток срывается с упора, как сторожок мышеловки, и с громким щелчком падает в ямку. От этого резкого сдвига отростка переднюю часть тела насекомого подкидывает вверх, а задняя ударяется о поверхность, на которой жук лежит (рис. 1.14б). Толчок подбрасывает жука вверх, а возникшее в момент соскакивания отростка вращение приводит к тому, что в полете жук поворачивается вокруг своего центра масс. Он может перевернуться на 180° и приземлиться на брюшко.

Рис. 1.14 / Задача 1.40. а) Жук-щелкун лежит на спине, отросток уперся в край среднегруди, мышцы напряжены. б) Отросток соскочил с упора и попал в ямку. Жука подбрасывает вверх.

Первоначальное медленное сокращение мышц позволяет жуку накопить энергию. Мгновенное высвобождение этой энергии обеспечивает такой мощный прыжок. Чтобы совершить следующий прыжок, энергию снова нужно накопить, а это требует времени. Подобный метод – накопление энергии и мгновенное ее высвобождение – используют многие виды животных, чтобы совершить быстрое движение, когда нужно либо добыть себе пищу, либо увернуться и самому не стать чьей-то добычей.

Похожий метод применяют и раки-богомолы. Их атакующая вторая пара ногочелюстей согнута и прижата к телу в седловидной выемке. В спокойном состоянии в мышцах выемки происходит медленное накопление энергии, подобно энергии сжатой пружины. Конечность удерживается на месте защелкой, которая отпускается, как только напряжение в мышцах выемки достигает максимума. В это мгновение от нее ногочелюстям передается огромная энергия, и они «выстреливают» в жертву. Пузырьки, о которых шла речь выше и схлопывание которых порождает относительно мощную звуковую волну, возникают из-за уменьшения давления за быстро движущимся в жидкости телом.

1.41. Короткая история. Рекордный вес взят

В тяжелой атлетике разного рода рекорды обновляются довольно часто. Однако самый большой вес, когда-либо поднятый человеком без помощи приспособлений, был взят в 1957 году американским тяжелоатлетом Полом Андерсоном. И этот рекорд не побит до сих пор. Атлет поднял груз методом бэклифта (спиной). Он встал, наклонившись вперед и согнув ноги в коленях. Перед ним стояла низкая скамейка, о которую он опирался руками и от которой мог оттолкнуться. Над ним стояла укрепленная и положенная на прочные стойки деревянная платформа – на ней лежали части автомобиля и сейф, наполненный свинцом. Андерсон плечами смог оторвать от опор груз весом 2845 кг!

Пожалуй, не менее впечатляет рекорд миссис Максвелл Роджерс из города Тампа, установленный в апреле 1960 года. Она увидела, что автомобиль, который ремонтировал ее сын, соскочил с домкрата, стоявшего под бампером, и придавил парня. Она бросилась к автомобилю, приподняла его и держала, пока сосед вытаскивал из-под машины ее сына. Автомобиль весил 1620 кг, из которых она подняла минимум четверть веса, правда, при этом повредила позвоночник. (Свидетельства такого рода периодически появляются в газетах. В момент стресса абсолютно нетренированный человек может поднять вес, который в обычном состоянии, скорее всего, поднять не смог бы.)

1.42. Соударения в цепочке шаров и игрушка «маятник Ньютона»

Если мяч ударяется о неподвижный мяч, при каких условиях второй мяч получит наибольшее количество энергии от первого? А получит ли он наибольшую скорость при тех же условиях? Как изменится ответ, если мяч ударяется в цепочку неподвижных мячей?

Предположим вначале, что движется больший мяч, а покоящийся мяч имеет меньшие размеры. Можно ли увеличить энергию, переданную меньшему мячу, если между этими двумя мячами будут находиться другие мячи? Если да, то какими должны быть массы этих мячей?

Допустим, мяч летит прямо в вашу голову. Если вы хотите смягчить удар, то есть уменьшить энергию, переданную мячом голове, нужно ли вам выставить для защиты руку, чтобы получить удар по голове рукой, а не мячом?

Популярная игрушка – «маятник Ньютона» – состоит из нескольких касающихся друг друга подвешенных на нитках шариков, которые могут раскачиваться как маятники (рис. 1.15а). Шарики сделаны из упругого материала, что означает, что лишь небольшая часть энергии шарика теряется при соударении с другими. Отведем крайний левый шарик назад и отпустим его. Он ударит следующий шарик. Почему после серии соударений отклонится только крайний шарик справа?

Рис. 1.15 / Задача 1.42. а) Крайний слева шар отпущен, крайний справа отскакивает в сторону. б) До и в) после столкновения очень большого и очень маленького шаров. г) До и д) после столкновения с точки зрения большого шара.

Перевесим шарики так, чтобы между ними было небольшое расстояние, и пошлем первый шарик ко второму под небольшим углом. Хотя первый удар получится косым, по мере того как соударения распространятся по цепочке, нарушение строя шариков постепенно исчезнет. Но если увеличить расстояние между шариками и повторить опыт, нарушение строя будет с каждым ударом возрастать. Удары даже могут вообще прекратиться, если какой-нибудь шар получит совсем косой удар и при раскачке не попадет в следующий шар. Почему при косом ударе крайнего шара со временем, в зависимости от расстояния между шарами, либо произойдет восстановление порядка в строю шаров, либо строй будет разрушаться?

ОТВЕТ • Второй шар получает от первого максимальную энергию, когда его масса равна массе первого шара. Если оба шара идеально упругие, почти вся энергия при столкновении переходит ко второму шару, а значит, его скорость будет такой же, какой была до соударения у первого шара, а тот, следовательно, остановится.

Второй шар приобретет максимальную скорость в том случае, когда его масса много меньше массы первого шара. Пусть V – скорость первого шара (рис. 1.15б). Если отношение масс очень велико и соударение абсолютно упругое, второй шар может приобрести скорость 2V (рис. 1.15в). Это может показаться неправильным, но на секунду попробуем посмотреть на происходящее с точки зрения первого шара. Нам кажется, что второй шар движется на нас со скоростью V (рис. 1.15 г), упруго отскакивает и улетает со скоростью V (рис. 1.15д). Теперь вернемся в нашу обычную систему отсчета. Второй шар улетает от первого с относительной скоростью V. А что делает первый шар? Поскольку второй шар имеет такую маленькую массу, соударение не сильно влияет на скорость первого шара. И она по-прежнему останется равной V. Таким образом, скорость второго шара должна быть равна V + V = 2V. Если происходит цепная реакция таких соударений, то скорость, сообщенная каждым столкновением, примерно удваивается по сравнению с предыдущим столкновением.

Если массы крайних шаров заданы и мы хотим передать максимальную энергию меньшему шару, нужно так выбрать массу каждого промежуточного шара, чтобы она была равна среднему геометрическому масс шаров, находящихся по разные стороны от него. (Среднее геометрическое двух масс – это корень квадратный из произведения этих масс.) При другом выборе масс промежуточных шаров тоже можно получить выигрыш в передаваемой энергии, но не такой большой.

Этот вывод применим и к удару мячом по голове. Если подставить руку на пути летящего мяча, это только увеличит передаваемую энергию, поскольку рука как раз имеет массу, среднюю между массами головы и мяча. И все же подставить руку стоит, поскольку она шире мяча и сила удара по голове распределится на большую площадь.

Теперь рассмотрим ситуацию с игрушкой из нескольких шариков. Фокусы с игрушкой с подвешенными рядышком шариками-маятниками обычно описывают, рассматривая импульс и кинетическую энергию шариков. Единственная возможность для этих величин остаться постоянными при серии соударений – чтобы последний шарик закончил процесс, получив всю первоначальную кинетическую энергию и импульс. Таким образом, в конце он двигается один. Объяснение настолько просто, что сбивает с толку, ведь реальное движение промежуточных шариков может быть очень сложным.

В опыте, в котором первый шар ударяет второй шар под углом, важно отношение расстояния между шариками D к радиусу шарика R. Если D/R меньше 4, нарушение строя после серии соударений исчезает, поскольку точки соударения постепенно сдвигаются к плоскости, в которой расположены шары, и удары становятся все менее косыми. Если же D/R больше 4, нарушение строя будет нарастать, поскольку точки соударений будут сдвигаться по искривленной поверхности шара дальше от плоскости, в которой расположены шары.

1.43. Падение нескольких мячей

Допустим, мы роняем два мяча примерно с высоты метра, причем вверху располагается бейсбольный, а внизу – баскетбольный мяч (рис. 1.16а). Хотя при падении по отдельности с такой высоты ни один из мячей не отскочит от пола на заметную высоту, при падении пары мячей получается неожиданный результат. Баскетбольный мяч остается лежать неподвижно на полу, а бейсбольный подпрыгивает сильно, иногда даже к потолку (рис. 1.16б). При этом высота, на которую подпрыгнет бейсбольный мяч, всегда больше, чем сумма высот, на которые отскочили бы по отдельности бейсбольный и баскетбольный мячи. (Будьте осторожны. Если удар придется не по центру баскетбольного мяча, бейсбольный мяч может отлететь в сторону, а при такой скорости он может сильно ударить.) Если повторить опыт, но на бейсбольный мяч сверху положить еще один – маленький упругий мяч, тот взлетит как ракета и может подпрыгнуть даже выше, чем бейсбольный мяч, хотя и получит меньше энергии.

Рис. 1.16 / Задача 1.43. а) До и б) после того, как баскетбольный и бейсбольный мячи вместе брошены на твердый пол. в) До и г) после столкновения очень большого и очень маленького мячей. д) До и е) после столкновения с точки зрения большого мяча.

В теории, если мячи правильно подобраны, верхний мяч из пары брошенных может подпрыгнуть на высоту, в 9 раз большую, чем высота, с которой они были сброшены. С тремя мячами, опять же правильно подобранными и, конечно, при идеальных условиях, верхний мяч может подпрыгнуть на высоту, в 49 раз превышающую высоту, с которой они сброшены. Можно экспериментировать со множеством различных мячей, например с мячиками для пинг-понга, мячами-попрыгунчиками (суперупругие мячики) или теннисными мячами. Как нужно подбирать мячи в группе, чтобы верхний мяч подпрыгнул на большую высоту, и почему он прыгает так высоко?

ОТВЕТ • Когда падает группа из двух мячей, нижний отскакивает от пола, но сталкивается с верхним, который все еще продолжает падать. При соударении энергия передается от нижнего мяча к верхнему, и он приобретает скорость, направленную вверх. Если задаться целью передать максимальную энергию верхнему мячу, нужно, чтобы нижний мяч остановился. Если мячи упругие, наибольшее количество энергии передается, когда масса нижнего мяча в три-четыре раза больше массы верхнего. Примерно такое соотношение у баскетбольного и бейсбольного мячей.

Если же стремиться к тому, чтобы верхний мяч подпрыгнул как можно выше, его нужно выбирать как можно более легким по сравнению с нижним. Высота, на которую подпрыгнет верхний мяч, пропорциональна квадрату скорости, полученной им при столкновении. Если масса верхнего мяча много меньше массы нижнего, верхний мяч получит большую скорость, и сможет подскочить на высоту, в 9 раз большую, чем высота, с которой он падал.

Чтобы понять результат, рассмотрим скорости мячей перед самым столкновением. Верхний мяч падает со скоростью V, а нижний летит вверх с такой же скоростью V (рис. 1.16в). Если соударение абсолютно упругое, верхний мяч приобретет скорость 3V (рис. 1.16 г). Это может показаться неверным, но представьте на мгновение, что вы – первый мяч, и посмотрите на ситуацию с его точки зрения: вы увидите, что верхний мяч приближается к вам со скоростью 2V (рис. 1.16д), упруго отражается от вас и летит прочь со скоростью 2V (рис. 1.16е). А теперь вернитесь к своей собственной точке зрения. Верхний мяч летит прочь от нижнего с относительной скоростью 2V. А что делает нижний мяч? Поскольку масса верхнего мяча мала, соударение сколько-нибудь существенно не изменит скорость тяжелого нижнего мяча, и она по-прежнему будет примерно равна V, так что скорость верхнего мяча будет равна V+2V=3V.

Если рассматривать падение группы мячей, нужно их расположить так, чтобы их массы убывали снизу вверх. Когда нижний мяч отскакивает от пола, он передает часть энергии второму мячу. Как только второй мяч полетит вверх, он ударит летящий вниз третий мяч и передаст часть своей энергии ему. Теперь третий мяч полетит вверх, ударит четвертый мяч и так далее. Если сделать цепочку мячей достаточно большой, теоретически можно верхний мяч запустить на космическую орбиту.

1.44. Короткая история. Разорительный фокус

Когда Джон Макбрайд был студентом в Хьюстоне, он вместе с еще двумя студентами экспериментировал с мячами, отправляя пару мячей – софтбольный и баскетбольный – в свободное падение с высоты третьего этажа (из перехода между двумя общежитиями). Каждый раз при падении баскетбольный мяч застывал на земле, а софтбольный – взмывал высоко над их головами, не меньше чем на 10 м над землей. Фокус имел большой успех, но однажды при очередной попытке соударение мячей произошло не по центру, а под углом, и софтбольный мяч влетел в окно кабинета завхоза, разбив все стекла в комнате. Ремонт обошелся в 250 долларов, но последствия могли бы быть гораздо печальнее, а наказание – более суровым, если бы в комнате в этот момент оказался сам завхоз.

1.45. Карате

Представим себе удар кулаком, при котором сжатый кулак (ладонью вверх) от пояса выносится вперед и потом поворачивается ладонью вниз. Почему при нанесении этого удара учат соблюдать следующие меры предосторожности: подойти к противнику нужно на длину разогнутой руки, но не ближе (каратист не должен при этом наклоняться вперед), а контакт с противником должен происходить в момент, когда кулак прошел 90 % пути (чтобы оставшиеся 10 % пути кулак прошел в теле противника)? Почему каратист поворачивается в момент начала удара? Почему удар кулаком, рубящий удар, удар ногой и другие удары обычно стараются нанести так, чтобы площадь контакта была минимальной? С какой скоростью и с какой силой профессионалы могут бить кулаком или ногой и какая энергия при этом передается? Почему, когда профессионал ломает противнику кость, его собственная кость при этом не ломается? Зачем, когда каратист раскалывает стопку предметов (например, досок), предметы прокладываются разделителями (например, карандашами)?

Когда я занимался в секции карате, я никогда не раскалывал доски рукой, но когда начал преподавать, то подумал, что раскалывание досок может служить прекрасной иллюстрацией работы сил при ударах. И однажды, спеша на лекцию, я прихватил пару сосновых досок, которые валялись в лаборатории. В аудитории я выбрал крепкого студента, которого попросил подержать доски вертикально, чтобы я смог ударить по ним костяшками двух пальцев правой руки. К сожалению, студент отшатнулся при ударе, и доски не раскололись. Я ударил еще и еще раз, но все так же безуспешно. После того как пальцы на руках распухли, а передняя доска окрасилась кровью, я сдался и ретировался из аудитории. Теперь я использую стопку садовых плиток, краями опирающихся на твердые подставки, а ударяю по стопке нижней поверхностью сжатого кулака. Почему этот метод оказался успешнее предыдущего?

ОТВЕТ • Наклоняться вперед нельзя по двум причинам. Нужно сохранять устойчивость, чтобы быть готовым мгновенно нанести следующий удар, а кроме того, поза каратиста должна быть такой, чтобы при нанесении удара не сломалась какая-нибудь кость. Каратисты-профессионалы могут выполнить серию ударов так быстро, что их невозможно разглядеть в подробностях. Рон Макнейр – один из астронавтов, погибших при взрыве «Челленджера», – был таким профессионалом. Он буквально осыпал своего соперника градом ударов руками, ногами, коленями и локтями, совершая их с невероятной скоростью.

Когда проводится контактный поединок каратистов, рекомендуется, чтобы кулак спортсмена входил в контакт с противником в момент, когда скорость кулака максимальна, поскольку тогда у него наибольший импульс и можно ударить противника сильнее, передав при ударе максимальную энергию. Оптимальная точка контакта находится примерно на расстоянии 90 % всей траектории кулака, и мысленно эта траектория строится так, как будто кулак должен пройти расстояние, равное длине вытянутой руки, из которого 10 % проходится в теле противника. Если контакт возникает позже или раньше, то сила удара и переданная энергия будут меньше. Поворот туловища при ударе увеличивает скорость движения руки и, следовательно, воздействие на противника.

Удар наносится небольшой частью тела, поэтому сила, приходящаяся на единицу площади тела противника, очень велика, и энергия передается лишь на небольшой участок его тела. Поэтому при ударе у него может треснуть или сломаться кость. Существуют также правила, обеспечивающие вашу безопасность. Если вы правильно выполняете удар, например двумя костяшками пальцев руки, ребром разжатой и напряженной ладони или боковой частью стопы, а также если вы примете правильную позицию, при этих ударах ни одна из ваших костей не сломается.

То, что прогиб предмета важен при ударах по нему, иллюстрируется опытом, в котором каратист-профессионал ударяет по стопке досок или кирпичей, положенных на две опоры. Каждая из опор поддерживает один из краев объекта, так что когда каратист бьет по центру стопки, приложенная сила создает большой крутящий момент. Этот момент пытается повернуть правую и левую половины объекта вокруг точек опоры, и он прогибается вниз. Если прогиб достаточно велик, нижняя поверхность объекта трескается, трещина распространяется вверх, и он разламывается полностью.

Но когда каратист-профессионал разламывает стопку предметов, проложенных какими-то разделителями, он сначала раскалывает верхний предмет, куски его раскалывают следующий предмет, и так далее. Цепочка разломов распространяется по стопке быстрее, чем движется рука каратиста. Стопки сухих белых сосновых досок и бетонных тротуарных плиток – излюбленный реквизит для таких демонстраций. Доски выпиливаются так, чтобы волокна шли поперек (такие доски легче расколоть, чем доски с волокнами вдоль). Плитки обычно перед демонстрацией высушиваются в печи (таким образом из них выгоняется вся влага, поскольку вода уменьшает хрупкость бетона и увеличивает силу, которую нужно приложить к плитке, чтобы ее расколоть).

Удар по доске или плитке длится обычно 0,005 с. Скорость кулака в прямом ударе может достигать 10 м/с. Толчки и удары сверху вниз могут быть даже еще более быстрыми. Сила, которую каратист развивает при разрубании досок кулаком, обычно достигает 4000 Н (408 кг). Если доска при ударе не раскалывается, приложенная сила оказывается еще большей, поскольку рука тогда не входит внутрь доски, где гасится часть импульса, – рука останавливается и может даже отрикошетить.

Когда мой студент отшатнулся, доска сдвинулась в его сторону. Это привело к увеличению времени соударения, а поскольку сила удара обратно пропорциональна времени соударения, она уменьшилась и оказалась недостаточной для того, чтобы доски раскололись. Трюк с разбиванием кирпичей более эффектен и более надежен, поскольку кирпичи легче уложить на опоры жестко и сократить тем самым время удара. К тому же он еще и более безопасен, поскольку каратист ударяет нижней частью кулака, а не гораздо более чувствительными костяшками пальцев.

1.46. Бокс

Раньше, когда люди боксировали без перчаток, травмы и смертельные исходы случались чаще. Почему именно боксерские перчатки сделали бокс менее опасным? Почему, тем не менее, он лидирует по числу случайных смертей и серьезных повреждений мозга?

ОТВЕТ • Перчатки помогают распределить приложенную силу на большую площадь, уменьшая, таким образом, вероятность травмы для обоих боксеров. Из-за того, что материал, из которого изготовлены перчатки, пружинит во время удара, удар смягчается: длительность его увеличивается, а прикладываемая сила уменьшается. И все же сила, с которой боксер, особенно тяжеловес, наносит удар, огромна и вполне может привести к летальному исходу.

Опытный боксер знает, как смягчить удар, направленный ему в голову, – нужно отвести голову назад. Если не отклоняться или того хуже – податься вперед, сила удара будет еще больше. Наиболее опасные моменты боя – последние раунды, когда оба боксера устали и не могут предвидеть удар противника и вовремя отклонить назад голову.

Наиболее опасны удары, наносимые в нижнюю челюсть или лицо, особенно если они направлены под углом. При этом голова отбрасывается назад, мозг смещается и ствол его может быть передавлен, а между разными отделами мозга возникают напряжения, которые могут его повредить. Даже если боксер и не нокаутирован, его мозг неизбежно терпит ущерб, поскольку он ударяется о череп, а затем смещается в обратную сторону. Из-за удара о череп нарушается ток крови в мозговых оболочках и повреждается поверхность мозга, а из-за внутренних напряжений, вызванных вращением, могут возникать внутренние повреждения. Кроме того, мозг повреждается и на противоположной по отношению к месту удара поверхности, поскольку, когда череп начинает движение назад, смещаясь относительно мозга, давление жидкости в пространстве между мозгом и черепом резко снижается, вызывая разрыв капилляров.

Если травмы повторяются, у боксера наступает так называемая деменция боксеров: он теряет способность думать, запоминать и говорить.

1.47. Падение галерей

17 июля 1981 года только что открытый в Канзас-Сити отель «Хайят Редженси» был заполнен людьми. Публика слушала любимые мелодии 1940-х годов в исполнении оркестра и танцевала. Много народа скопилось на трех галереях, которые висели над огромным атриумом, подобно мостам. Внезапно две галереи обрушились на головы веселящихся внизу, убив 114 человек и ранив почти двести.

Что привело к падению галерей? Безусловно, вес людей на галереях стал одной из причин, но не было ли ошибки в самой конструкции? Через несколько дней после катастрофы в городской газете появилось сообщение о том, что во время строительства в проекте была изменена одна деталь. Галереи лежали на балках, а концы балок первоначально должны были быть подвешены на одном стержне, крепившемся к потолку. Гайки, навернутые на стержень, и шайбы, расположенные непосредственно под каждой галереей, держали бы вес своей галереи (рис. 1.17а).

Рис. 1.17 / Задача 1.47. Первоначальный проект (а) и измененная при строительстве конструкция крепления галерей (б).

Но, очевидно, кто-то из руководителей строительства решил, что такую систему подвешивания на одном стержне с несколькими участками резьбы сделать практически невозможно, и вместо одного стержня, который должен был пронизывать галерею насквозь, решил использовать два стержня (рис. 17б). Как такое простое и, казалось, оправданное изменение привело к гибели и тяжелым травмам такого количества людей, собравшихся отдохнуть и повеселиться в пятницу вечером?

ОТВЕТ • Рассмотрим крепление края самой верхней галереи. В первоначальном проекте вес этой галереи и людей, стоящих на ней, должен был удерживаться гайкой под ней, накрученной на стержень. А как обстояло дело в измененной конструкции, где использовались две гайки? На верхней галерее гайка, накрученная на стержень, который шел вниз, должна была выдерживать вес обеих нижних галерей со стоящими на них людьми. Что еще хуже, гайка, навернутая на стержень, идущий вверх, должна была выдержать вес всех трех галерей со стоящими на них людьми. Очевидно, когда на галереях оказалось слишком много народа, их вес сорвал или сломал одну из этих гаек, и вся конструкция рухнула. Маленькое изменение – трагические последствия.

1.48. Обрушение башен-близнецов

Какова физическая причина обрушения башен-близнецов Всемирного торгового центра в результате атаки самолетами 11 сентября 2001 года?

ОТВЕТ • Существует два основных объяснения, почему рухнули башни-близнецы.

1. Удар самолета и загорание самолетного топлива вызвали пожар, и температура в этом месте превысила 800°C. Нагрев привел к уменьшению прочности вертикальных стальных колонн. В результате многие из этих колонн сложились, и верхние этажи рухнули на нижние. Даже если опоры нижних этажей и не нагрелись настолько, они все равно погнулись от сильного и резкого удара. И все этажи упали один на другой.

2. Удар самолета и возгорание самолетного топлива вызвали пожар, но несильный, и температура там была ниже той, при которой прочность вертикальных опор уменьшилась бы. (Некоторые исследователи заметили, что на этажах, куда врезался самолет, была не настолько хорошая вентиляция, чтобы раздуть большой пожар, да и количество дыма, вырывавшегося из пробоины, проделанной самолетом, указывало на то, что пожар был небольшой.) Но он привел к тому, что несколько перекрытий и расположенных под ними горизонтальных балок расширились, а поскольку они были закреплены, то могли расширяться только выгибаясь, вертикальные же опоры при этом вогнулись внутрь. Прогиб мог быть еще сильнее, если и горизонтальные балки, и вертикальные колонны размягчились из-за высокой температуры. Когда вертикальные опоры прогнулись внутрь, они уже не могли поддерживать верхнюю часть здания, и оно рухнуло.

1.49. Падения с высоты со счастливым концом

Февраль 1955 года: парашютист прыгает с парашютом из самолета С-119 с высоты 370 м. Парашют не раскрывается, и десантник падает с этой высоты спиной в снег, оставляя за собой воронку глубиной 1 м. Его эвакуируют вертолетом в больницу, где у него обнаруживают лишь несколько переломов и синяков.

Март 1944 года: во время бомбового рейда над Германией сержант британских Королевских ВВС Николас Алкемэйд, стрелок бомбардировщика «Ланкастер», обнаруживает, что самолет горит, а до парашюта невозможно дотянуться. И он спрыгивает без парашюта с высоты 5,5 км, падает на кроны деревьев, а затем в снег, получив лишь царапины и синяки.

Вторая мировая война: лейтенант советских ВВС Иван Чисов принимает решение выпрыгнуть с парашютом из самолета, атакованного дюжиной «мессершмитов». Не желая стать мишенью для немецких стрелков, он намеревается раскрыть парашют не сразу, а после того, как минует вражеские самолеты. Падая с высоты 7 км, летчик теряет сознание. К счастью, он приземляется в снежное ущелье. Несмотря на довольно сильный удар, через 4 месяца он уже снова в строю.

Возможно, еще более невероятным был трюк, исполнявшийся Генри Ламоте в течение многих лет. Он прыгал с высоты 12 м плашмя в бассейн глубиной всего 30 см, ударяясь животом о воду с силой, в 70 раз превышающей вес его тела. (Трюк очень опасный, его нельзя повторять. Я слышал об одном молодом дурачке, который попробовал повторить трюк, и его парализовало от шеи до ног.)

В прессе часто пишут о других выживших при падении с большой высоты (и о многих других не выживших). Почему кому-то все же удается выжить?

ОТВЕТ • Смертельную опасность, естественно, представляет удар о землю (или о другую твердую поверхность), во время которого на человека действует огромная сила. Эта сила прямо пропорциональна импульсу, который падающий приобрел непосредственно перед ударом, и обратно пропорциональна длительности соударения. Импульс зависит от массы и скорости падающего. Если падение происходит с большой (порядка нескольких сотен метров) высоты, в какой-то момент он перестает ускоряться и летит дальше с так называемой терминальной (предельной) скоростью. Хотя притяжение Земли продолжает на него действовать, но оно уравновешивается сопротивлением воздуха, и ускорение становится равным нулю. Величина этой терминальной скорости зависит от позиции падающего: если он расставил ноги и руки, то сопротивление воздуха будет больше, чем если бы он падал ногами или головой вниз. Соответственно, в первом случае будет ниже и терминальная скорость. Однако в сам момент приземления после падения с большой высоты распластанная поза едва ли дает преимущества.

Длительность удара – более важный фактор. Если удар «жесткий», он может длиться от 0,001 до 0,01 с, и сила, останавливающая падение, наверняка приведет к летальному исходу. Но если соударение «мягче» (требуется больше времени, чтобы остановиться), останавливающая падение сила будет меньше. Падение в глубокий снег удлиняет процесс соударения настолько, что сила удара может уменьшиться до уровня, позволяющего выжить. Очевидно, 30 см воды оказывались для Ламоте достаточными, чтобы выжить при прыжках.

Люди, падающие головой вниз, гораздо реже выживают, чем при ином расположении, поскольку позвоночник, ствол головного мозга и сам мозг очень чувствительны к повреждениям.

1.50. Cпасительный прыжок с парашютом

Это случилось в апреле 1987 года во время очередного прыжка с парашютом. Парашютист Грегори Робертсон заметил, что член того же клуба Дебби Вильямс столкнулась с третьим парашютистом из группы, потеряла сознание и потому не может открыть свой парашют. Робертсон в этот момент был значительно выше Вильямс и сам еще не успел открыть свой парашют, прыгая с высоты 4 км. Он как-то умудрился подлететь к Дебби Вильямс, подстроившись под ее скорость, поймал ее и открыл сначала ее парашют, а потом и свой – максимум за 10 с до удара о землю. Вильямс получила значительные внутренние повреждения, поскольку в момент приземления не контролировала себя, но выжила. Как Робертсон смог догнать Вильямс?

ОТВЕТ • Робертсон смог поймать Вильямс, управляя силой сопротивления воздуха, которое он испытывал при падении. Когда парашютист начинает падать и скорость его падения возрастает, растет и сила сопротивления воздуха, направленная в противоположном направлении по отношению к силе гравитации, притягивающей парашютиста к земле. В какой-то момент эти силы сравняются, и с этого момента парашютист полетит вниз с постоянной – терминальной – скоростью. Величина терминальной скорости зависит от площади поперечного сечения парашютиста в потоке обтекающего его воздуха. Чем меньше эта площадь, то есть если он летит вверх или вниз головой, тем выше терминальная скорость (по сравнению с его скоростью при падении в распластанном положении).

Когда Робертсон заметил, что Вильямс угрожает опасность, он сразу переориентировал тело и полетел дальше головой вниз, уменьшив сопротивление воздуха и увеличив скорость падения. Вильямс падала, не контролируя себя, и испытывала большее сопротивление воздуха, а ее терминальная скорость составила 190 км/ч. Робертсон, летевший головой вниз, достиг скорости 300 км/ч, поравнялся с Вильямс и лишь тогда принял горизонтальное положение и расставил руки и ноги, увеличивая сопротивление воздуха и замедляясь до скорости, с которой летела Вильямс.

1.51. Падение кошек с высоты

Люди редко выживают при падении с большой высоты, но кошкам везет больше. В 1987 году были опубликованы данные о 132 кошках, случайно выпавших с разных этажей – от второго до тридцать второго (6–98 м), причем большая их часть приземлялась на бетонную поверхность.

Выжили 90 % кошек, причем 60 % из них вообще не получили повреждений. Странным образом тяжесть повреждений (то есть количество сломанных костей или смерть) с высотой уменьшалась при падении с этажей выше седьмого или восьмого. (Кошка, выпавшая с 32-го этажа, получила лишь легкие повреждения груди и одного зуба и после 48-часового обследования была выписана домой.) Почему у кошек больше шансов на выживание при падении с большой высоты? (Конечно, благополучный исход не гарантирован, поэтому, если вы живете на высоком этаже, держите кошку подальше от открытых окон. Впрочем, на низких этажах это тоже не помешает, хотя и по другой причине.)

ОТВЕТ • Когда кошка выпадает из окна и летит вниз, она инстинктивно старается переориентировать тело так, чтобы лапы оказались под туловищем. Она использует упругость своих лап, чтобы самортизировать удар при приземлении: такое приземление увеличивает время столкновения и тем самым уменьшает силу, действующую на кошку.

Когда кошка летит, сила сопротивления воздуха, направленная вверх, возрастает. Если кошка падает всего лишь с подоконника на пол, эта сила будет не очень большой. Но когда животное падает с большой высоты, сила сопротивления воздуха может стать достаточной, чтобы уменьшить ускорение. Действительно, если кошка падает с этажа выше шестого, сила сопротивления воздуха может стать достаточно большой и уравновесить силу земного притяжения. И дальше кошка будет падать без ускорения, с постоянной – терминальной – скоростью.

До тех пор, пока терминальная скорость не достигнута, кошка напугана тем, что ускоряется, и держит лапы поджатыми. (Человек тоже воспринимает больше ускорение, чем скорость.) Но при достижении терминальной скорости ускорение исчезает, кошка слегка расслабляется и инстинктивно расставляет лапы (чтобы увеличить сопротивление воздуха).

Как только кошка расставила лапы, сопротивление воздуха автоматически увеличивается, а скорость уменьшается. Чем с большей высоты животное падает, тем значительнее уменьшается скорость – до тех пор, пока вновь не будет достигнута терминальная скорость, равная теперь примерно 100 км/ч. Таким образом, при падении с десятого этажа кошка может приземлиться со скоростью меньшей, чем при падении с пятого, и, соответственно, у нее будет больше шансов выжить.

1.52. Прыжки с тарзанкой и «банджи-джампинг»

На острове Пентекост архипелага Новые Гебриды существует древний обычай: юноша становится мужчиной, только совершив прыжок на лиане. Юноша обвязывает лодыжки концом лианы, второй конец которой прикреплен к площадке. Лиана должна остановить падение, прежде чем он достигнет земли. В мае 1982 года некий молодой абориген совершил прыжок с высоты около 25 м. Сообщалось, что его скорость перед тем, как его остановила лиана, была 55 км/ч. Ускорение, которое он испытал при остановке, составило 110 g (в 110 раз больше ускорения свободного падения). Но смог ли он потом ходить, не сообщалось.

Современный вариант прыжков с тарзанкой – банджи-джампинг, когда человек спрыгивает с высокой платформы, обвязав ноги эластичной лентой, второй конец которой привязывается к платформе. И несмотря на меры предосторожности, иногда случаются травмы и даже смертельные случаи. Этот аттракцион родился 1 апреля (когда же еще!) 1979 года, когда члены Клуба опасных видов спорта спрыгнули с моста в Бристоле (Англия). Представьте, что вы прыгаете этим способом с моста. Где вы испытаете наибольшую силу и ускорение? Если вы побоитесь лететь со всей высоты и обвяжетесь укороченной вдвое эластичной лентой, уменьшатся ли вдвое наибольшая сила и ускорение?

ОТВЕТ • Наибольшую силу и ускорение прыгун испытывает в самой нижней точке, где лента меняет направление его движения и прыгун на мгновение останавливается. Если бы ленту можно было рассматривать как идеальную пружину, тогда наибольшая сила и ускорение не зависели бы от ее длины и, соответственно, от высоты, с которой совершается прыжок. Хотя при прыжке с меньшей высоты ленте придется гасить меньшую скорость, более короткая лента, используемая при этом, будет жестче (короткая пружина жестче, чем длинная) и ускорение при сбрасывании до нуля этой меньшей скорости будет тем же самым, что и при сбрасывании до нуля большей скорости менее жесткой лентой.

Направленное вверх ускорение, останавливающее прыгуна, иногда настолько велико, что может травмировать его. Особенно уязвимы глаза, поскольку в момент остановки голова прыгуна находится внизу и скачок кровяного давления может вызвать кровоизлияние.

1.53. Постараться выжить в падающем лифте

Вдруг случилось ужасное – вы оказались в старом лифте, не обеспеченном системой аварийного торможения, трос рвется, кабина падает. Что нужно делать, чтобы увеличить по максимуму шансы на выживание, какими бы ничтожными они ни были? Например, не стоит ли подпрыгнуть перед самым падением кабины на дно шахты?

ОТВЕТ • Пожалуй, лучше всего лечь на пол. Можно подумать, что это невозможно, поскольку и вы, и пол кабины находитесь в свободном падении. Но на самом деле падение кабины тормозится трением при скольжении ее по направляющим и сопротивлением воздуха. Так что упасть на пол можно, а там нужно распластаться. Идея в том, что тогда сила, действие которой вы вот-вот испытаете, распределится на максимально большую площадь.

Остаться стоять – плохое решение, поскольку сила распределится на маленькую площадь, примерно равную поперечному сечению ваших коленей. Если удар сильный, они не выдержат, и все тело рухнет на пол.

Подпрыгнуть в последний момент (этот момент вообще невозможно предугадать в закрытой кабине) – это вообще самое худшее, что можно сделать. Если подпрыгнуть во время падения, это только уменьшит скорость движения вниз. Но предположим, вы подпрыгнули в последний момент, а кабина отрикошетила при соударении со дном шахты. В этот момент вы движетесь вниз, а пол кабины – вверх, а дальше… лучше опустим ужасные подробности.

1.54. Короткая история. Как бомбардировщик протаранил Эмпайр-стейт-билдинг

В субботу 28 июля 1945 года в 9:45 бомбардировщик В-25 ВВС США, двигаясь в густом тумане, врезался в нью-йоркский небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг на уровне 78–79-го этажей. Трое пилотов и десять рабочих, находившихся в здании, погибли, еще 26 человек получили ранения. Если бы это была не суббота, а обычный рабочий день, жертв оказалось бы намного больше.

Ударом самолету оторвало крылья, а фюзеляж и два двигателя застряли внутри здания, при этом топливо вспыхнуло, причем пламя было такое сильное, что зеваки наблюдали его, несмотря на туман. Один двигатель пробил здание насквозь и упал на крышу другого здания, где тоже начался пожар.

Когда самолет врезался в небоскреб, он ударил одну из балок лифтовой шахты, повредив ее и несколько кабелей. Женщину-лифтера, которая в этот момент открывала дверь 75-го этажа, выбросило из лифта взрывом и бросило в огонь – горело топливо. Загоревшуюся на ней одежду потушили двое оказавшихся рядом клерков. Оказав ей первую помощь, они посадили ее в другой лифт, и ее коллега согласилась отвезти ее на первый этаж, чтобы там ей оказали помощь. Как только дверь закрылась, послышался характерный треск: тросы порвались, и кабина полетела в подвал небоскреба.

Спасатели, бросившиеся в подвал сразу после обрыва тросов, ожидали обнаружить в кабине два трупа. Но когда они проделали в стене дыру, чтобы добраться до кабины, они нашли обеих женщин живыми, но сильно пораненными. Они пролетели больше 75 этажей, но системы безопасности лифта, очевидно, сильно замедлили падение кабины и смягчили ее удар о дно шахты. Что делали женщины во время падения, не сообщалось, но маловероятно, что в таком состоянии, да еще испытывая постоянные толчки, они остались стоять.

1.55. Падения в борьбе, приземление при парашютировании

Когда в дзюдо- или айкидо-поединке участника бросают на пол, как он должен приземлиться, чтобы минимизировать вероятность травмы? Как профессиональные борцы умудряются ничего себе не повредить, когда падают сами или их бросают на татами? Ведь при неправильном падении очень велика вероятность сломать кость или повредить внутренние органы.

Как правильно приземляться с парашютом, чтобы уменьшить риск получения травмы? Хотя парашют сильно уменьшает скорость падения, скорость все еще велика – примерно как при прыжке из окна второго этажа.

ОТВЕТ • Нужно приземляться так, чтобы при ударе о пол площадь контакта была максимальной. Овладев техникой падения, можно уменьшить давление, приходящееся на ту часть тела, которая ударяется о пол, и уменьшить риск того, что к кости или внутреннему органу в точке удара будет приложена сила, способная согнуть, повернуть кость или повредить орган. Если спортсмен брошен на пол, в момент касания поясом татами он должен хлопнуть ладонью вытянутой руки о татами. Подставленная рука увеличивает площадь контакта, уменьшает силу удара, приходящегося на грудную клетку, и помогает быстро подняться. Профессиональные борцы в совершенстве владеют приемами самостраховки и могут прыгать с высоты (например, с каната на противника, лежащего на мате). Бои проходят на площадках с очень упругим покрытием (татами): при приземлении на татами длительность соударения увеличивается за счет его пружинистости, а сила удара уменьшается.

Парашютистов учат при приземлении группироваться и поворачиваться так, чтобы удар сначала пришелся на подушечки стопы. Затем нужно согнуть колени и повернуться так, чтобы упасть на боковую поверхность бедра, а под конец перекатиться на спину. В этой методике есть два преимущества: удлиняется время соударения и, соответственно, уменьшается сила, действующая на парашютиста, и эта сила распределяется на большую площадь. Если парашютист приземлится стоя, компрессия коленных суставов может привести к переломам.

1.56. Ложе факира

После того как я увидел на показательных выступлениях каратистов ложе факира (доску, утыканную гвоздями), я стал его использовать на своих лекциях по физике. Мой показ состоял из двух частей. В первой я снимал майку и ложился между двумя досками с гвоздями, причем на верхнюю доску становились один или два человека. Хотя гвозди причиняли изрядную боль, они редко прокалывали кожу. Какие факторы уменьшают риск быть проколотым?

Во второй части я опять ложился между двумя досками с гвоздями, но на этот раз на верхнюю доску мой ассистент ставил бетонный блок, который потом разбивал тяжелой кувалдой. Эта часть опасна по многим причинам, одна из которых – осколки, которые могут отлететь и поранить кого-нибудь. (Однажды, когда я давал представление «Физический фейерверк», номер с ложем факира был последним. Мой постоянный ассистент не смог со мной поехать, так что пришлось попросить помочь пригласившего меня профессора. Он как следует замахнулся кувалдой, но под таким углом, что большинство бетонных осколков полетело прямо мне в лицо. Один из кусков сильно ударил меня в подбородок, и когда я, пошатываясь, встал и хотел дать заключительные пояснения, все было залито кровью – тело, брюки, туфли. Никогда больше этот опыт не заканчивался так драматически и никогда аудитория не реагировала так остро.) Почему безопаснее разбивать большой блок, чем маленький?

ОТВЕТ • Когда на доске надо мной стоят люди, их вес распределяется на большое количество гвоздей, вбитых в верхнюю доску, так что давление каждого гвоздя на мою кожу оказывается недостаточным, чтобы проколоть ее. Давление на спину больше, поскольку эти гвозди поддерживают еще и мой вес (и, соответственно, давят на мою спину с дополнительной силой). Экспериментально я определил, какой вес стоящих на мне людей еще не приводит к прокалыванию кожи спины. (Да, было больно, но наука требует жертв.)

Большой блок, поставленный сверху, не только добавлял опыту зрелищности, но и делал его более безопасным, на что есть две не очень очевидные причины. 1. Для того чтобы с силой нажать на меня, верхняя доска и блок, лежащий на ней, должны с ускорением двинуться вниз, но из-за большой массы блока это ускорение меньше. 2. Большая часть энергии кувалды идет на то, чтобы разбить блок, а не на то, чтобы привести в движение доску. В первый раз, когда я провел опыт с ложем факира в аудитории, я вместо большого блока использовал маленький кирпич. И после удара кувалдой оглушенный пролежал на полу несколько минут.

1.57. Висящие ложки

Вымойте как следует свой нос и небольшую легкую ложку, подышите на внутреннюю поверхность углубления ложки, а потом прижмите эту поверхность к носу. Проверьте, прилипла ли она, слегка переместив ее и немного ослабив нажатие. Если почувствуете, что она держится, уберите руки. И получите то, чего хотели: ложка свисает у вас с носа. Все будут в восторге.

Почему ложка повисла? Чем помогло то, что сначала на нее подышали? Как долго может ложка висеть на носу? Одно время я всем говорил, что мой рекорд – час и 15 минут – был поставлен во французском ресторане в Торонто. Однако на самом деле это случилось на стоянке для грузового транспорта в Юнгстауне, где один бандитского вида байкер пошутил, что ложка продержится дольше, если он слегка изменит форму моего носа.

ОТВЕТ • Если ни на носу, ни на ложке нет следов жира, трение между ложкой и носом должно быть достаточным, чтобы удержать ложку на месте. Она будет неподвижно висеть при условии, что ее центр масс лежит на вертикали, проходящей через точку, в которой она прилипла к носу. В противном случае, когда вы ложку отпустите, сила тяжести будет стремиться повернуть ее, и она может соскользнуть. Конденсация выдыхаемого вами воздуха на ложке помогает ей приклеиться к носу. Хотя слой воды, если он сравнительно толст, действует как смазка, очень тонкий слой является клеем из-за возникающих между молекулами воды и соседними молекулами поверхностей носа и ложки электростатических сил притяжения; кроме того, ложку прижимает к носу атмосферное давление.

1.58. Следы от камней

На дне высохших озер, которыми изобилуют Калифорния и Невада, иногда попадаются камни, от которых идут длинные следы, прочерченные на твердой корке дна. Эти следы иногда достигают десятков метров в длину, а масса камней – 300 кг. Откуда взялись следы? Камни решили прогуляться? Или их перекатывал какой-то псих? Какова бы ни была причина, передвинуть эти камни очень тяжело, поскольку трение между камнями и твердой поверхностью пустыни огромно.

ОТВЕТ • Многие ученые пытались выяснить происхождение этих следов. Одна из теорий объясняла их появление намерзанием дождевой воды во время редких заморозков. Когда дует ветер и порывы его достаточно сильны, они в состоянии сдвинуть камни, завернутые в ледяные «фантики», и те могут прочертить полосы на твердой поверхности пустыни.

Сторонники другой теории считают, что следы могли появиться во время ливней, случающихся, хотя и редко, в пустыне. Когда дождь смачивает поверхность пустыни, образуется смазка, и шквалистый ветер может сдвинуть или перекатить камни – в результате остаются следы. Трение между камнями и поверхностью оказывается минимальным, когда земля покрывается тонким слоем грязи, а под ним находится все еще твердая основа. В этот момент порыв ветра может резко сдвинуть камень, а для продолжения движения требуется меньшая сила.

1.59. Узлы

В морском узле, показанном на рис. 1.18а, два конца – один свободный, а другой привязан к грузу. Если увеличить нагрузку, может ли узел проскользнуть, то есть может ли свободный конец выскочить из узла, так что узел развяжется? Или же этот узел самозатягивающийся?

Рис. 1.18 / Задача 1.59. а) Морской узел. б) Элементы морского узла.

ОТВЕТ • Можно математически проанализировать силы трения и натяжения веревки в узле и таким образом определить, что будет с узлом при большой произвольной нагрузке: будет ли он удерживать груз или развяжется. Здесь мы проведем простой анализ и начнем со свободного конца, который не натянут (рис. 1.18б). Свободный конец проходит под петлей, образованной другой частью веревки, накинутой сверху на него и прижимающей его к стержню. Чтобы свободный конец не выскользнул из-под петли, трение, создаваемое этим давлением, не должно быть меньше натяжения веревки, стремящегося вытянуть свободный конец из-под петли.

Веревка в этом узле обвивает стержень дважды (двумя витками). Натяжение на конце той петли, которая находится ближе к свободному концу, мало, а на другом конце витка – велико. Чтобы этот виток оставался неподвижным, трение между веревкой и стержнем должно быть достаточно велико, чтобы уравновесить разницу в натяжениях веревки на обоих концах этого витка.

Затем веревка обвивает стержень еще раз и проходит под второй петлей. Натяжение на конце веревки, противоположном свободному, создается грузом. Если верхняя часть веревки в этом витке создает достаточное давление на нижнюю, виток остается неподвижным.

Таким образом, в морском узле есть три требования на трение в разных точках узла. Если во всех этих точках веревка натянута и трение достаточно, чтобы удержать узел от проскальзывания, узел будет держать при любой нагрузке. Но если в какой-то из них веревка ослабла, узел развяжется, как только нагрузка сделается достаточно большой.

Некоторые типы узлов развязываются при большой нагрузке, даже если все части веревки в витках и переходах между витками сильно натянуты. Другие автоматически затягиваются с увеличением нагрузки: тогда узел надежен и только веревка может порваться на отрезке между грузом и узлом.

1.60. Лазанье по скалам

Когда вы карабкаетесь вверх по широкой трещине в горе, вам поможет прием, используемый, например, при подъеме в трубе. Для этого необходимо принять положение «в распор» – прижаться спиной к одной стенке трещины и упереться ногами в другую (рис. 1.19). До тех пор, пока вы можете давить на стенки с достаточной силой, вы не упадете, но подъем потребует от вас много сил. Есть ли какое-то определенное расстояние по вертикали между ногами и плечами, при котором необходимое давление, позволяющее не упасть, будет наименьшим?

Рис. 1.19 / Задача 1.60. Движение вверх методом «подъем в трубе».

А вот еще несколько из множества возможных вопросов:

1. Если на вертикальной скале вы нащупали небольшой выступ на уровне ног, как лучше упереться в него – носком ботинка или ребром его?

2. Допустим, вы находитесь на крутом склоне скалы, на котором вы еще можете стоять вертикально. Почувствуете ли вы себя более устойчиво, если наклонитесь вперед и обопретесь на руки, чтобы увеличить общее трение?

3. Если две плиты пересекаются под острым углом, что безопаснее: карабкаться вверх по одной из них или по линии их пересечения?

4. Почему скалолазы часто окунают пальцы в толченый мел?

5. Какую веревку лучше использовать для организации страховочной цепи при скалолазании и альпинизме – растяжимую или жесткую?

6. Благодаря вбитым в скалу крючьям (промежуточным точкам страховки) альпинист, если сорвется, пролетит только до ближайшего крюка. Однако здесь есть другая опасность – веревка может растянуться и порваться. Многие новички-скалолазы считают, что все зависит от высоты скалолаза относительно последнего крюка в момент падения: чем больше эта высота, тем больше растянется веревка и тем вероятнее, что она порвется. Почему они не правы?

ОТВЕТ • Во-первых, ни одно из упражнений, которые мы тут рассматриваем, нельзя повторять без участия профессионалов, поскольку все допущения, принятые для объяснений, здесь очень приблизительны, а в реальности в каждом случае есть множество факторов, влияющих на ситуацию.

В методе «подъем в трубе» существует позиция, когда минимизируется давление, с которым ноги и плечи будут давить на стенку. В принципе, можно найти эту позицию, поставив сначала ноги низко и уменьшая их давление на стенку до тех пор, пока не начнется проскальзывание. Если затем переставить ноги повыше и опять давить ими на стенку на пределе проскальзывания, это давление будет меньше, чем в первой позиции. Однако при этом увеличится сила, с которой необходимо давить на стенку плечами, поскольку уменьшилась сила, с которой на противоположную стенку давят ноги, а для того, чтобы скалолаз не упал, сумма сил трения должна быть равна его весу. Переставляя ноги все выше и выше до тех пор, пока уже плечи едва не начнут проскальзывать, вы как раз и найдете положение, в котором давление на стенки будет минимальным.

Теперь ответы на другие вопросы по порядку.

1. Наименьшее усилие требуется, если используется ребро ботинка. Чтобы стабилизировать ногу, мускулы ноги должны уравновесить крутящий момент, образованный силой давления со стороны уступа. Этот крутящий момент больше, если упираться носком ботинка, поскольку расстояние между носком и костью ноги больше, чем расстояние между боковой частью ноги и костью.

2. Как правило, человек более устойчив, когда стоит вертикально. Если он наклонится, сила трения между ботинками и поверхностью склона уменьшится и ботинки могут начать проскальзывать. Можно создать дополнительное трение, оперевшись руками о скалу, но если вынести руки слишком далеко вперед, сила трения между ними и поверхностью окажется направленной вниз по склону и будет только уменьшать устойчивость.

3. Нужно подниматься по линии пересечения плит, поскольку ее наклон меньше, чем наклон каждой из плит.

4. Скалолазы используют мел, чтобы убрать лишнюю влагу с кончиков пальцев и увеличить сцепление пальцев с выступами. Бытует мнение, что влага уменьшает статическое трение между пальцами и каменной поверхностью и мел поэтому должен увеличить трение до значения, характерного для сухой кожи. Однако одно исследование показало, что мел на самом деле уменьшает трение по двум причинам: 1) высушивая кожу, мел уменьшает эластичность кончиков пальцев; 2) частички мела образуют скользкий слой между пальцами и скалой. Тем не менее до сих пор альпинисты любят использовать мел, и, видимо, нужны новые исследования в этой области.

5. Альпинисты, в отличие от спелеологов, используют веревку, которая под действием нагрузки деформируется. При падении на такой веревке альпинист останавливается не мгновенно, и сила, действующая на него в момент остановки, не такая большая. Когда веревка начинает растягиваться, волокна веревки трутся друг о друга и нагреваются, большая часть потенциальной и кинетической энергии, теряемой альпинистом при падении, превращается в конце падения в тепловую энергию, выделяемую внутри веревки.

6. Опытные альпинисты знают, что риск обрыва веревки определяется величиной коэффициента опасности 2H/L, где H – высота альпиниста по отношению к самой высокой промежуточной точке страховки, а L – длина веревки от альпиниста до страховочной станции, где веревка надежно закреплена (или до страхующего – человека, удерживающего веревку). В зависимости от величины H и L этот коэффициент опасности может быть очень высок, даже если H мало, но при этом мало и L. По мере того как альпинист ползет вверх и L растет, при той же величине H риск становится меньше.

1.61. Как бегают по скалам снежные бараны

Скалолазы взбираются на скалы в ботинках со специальными подошвами, которые увеличивают трение между ботинками и поверхностью склона. Если поверхность влажная, лазанье может стать опасным. Вспомним, как трудно пройти по мокрому полу и не поскользнуться. У снежных баранов нет ботинок со специальными подошвами, но, тем не менее, они способны беззаботно скакать по скалистым склонам, даже если те влажные или покрыты мхом. Как бараны цепляются за скалы?

ОТВЕТ • При ходьбе у человека первой с полом соприкасается пятка ноги, на которую он наступает. Если пол влажный, сила трения, возникающая между полом и пяткой, мала, и нога может поехать вперед, а человек – упасть. У снежного барана первой в контакт со скальной поверхностью входит задняя часть раздвоенного копыта как раз в том месте, где обе половинки копыта соединяются. Площадь этой области мала, так что она легко вдавливается в мох или во что-то другое, чем покрыты камни. Когда нагрузка на копыто увеличивается, уже большая часть его двух пальцев соприкасается с поверхностью камня. При этом пальцы слегка разъезжаются, и копыто становится V-образным. Кромки копыта сдирают с поверхности камня мох и зацепляются за любую неровность, не давая копыту проскальзывать вперед, когда вес животного перенесен на него полностью.

1.62. Перемещение истуканов по острову пасхи

Доисторические люди, обитавшие на острове Пасхи, изваяли сотни каменных истуканов, которых потом перетаскивали по всему острову и устанавливали в разных местах. Как они делали это, имея в своем распоряжении только примитивные средства?

ОТВЕТ • Скорее всего, гигантские каменные статуи острова Пасхи передвигались доисторическими обитателями острова на деревянных салазках по почти одинаковым бревнам, служившим роликами. И хотя передвижение этих салазок требовало от островитян огромных усилий и затрат энергии, это было намного легче, чем тащить их по земле, когда пришлось бы преодолевать несравнимо большую силу трения полозьев о землю. В новейшие времена была проделана реконструкция этого процесса: 25 человек протащили копию истукана весом 9000 кг на 45 м за 2 минуты.

1.63. Древние сооружения стоунхенджа

Как каменные блоки мегалитических сооружений Стоунхенджа, находящиеся на равнине Солсбери, были доставлены на место и установлены в нужной позиции? Блоки, из которых состоят конструкции Стоунхенджа, делятся на два типа: опоры – стоящие вертикально огромные каменные блоки из песчаника (сарсены) и перемычки – чуть меньшие каменные плиты, лежащие сверху на сарсенах.

ОТВЕТ • Маловероятно, что каменные блоки перевозились на расстояния больше 5–10 км, несмотря на красивые мифы об их происхождении. Возможно, материал для строительства был принесен на равнины Солсбери движущимися ледниками в ранний ледниковый период, задолго до того, как Стоунхендж был построен.

Ученые полагают, что древние строители укладывали каменный блок на волокуши, изготовленные из связанных вместе бревен. Их тянули за веревки люди или домашние животные. Работу облегчала смазка, наносимая на землю перед волокушами.

Для установки опорных блоков на место также могли использовать волокуши. Блок на бревнах втягивали вверх по насыпи, которая заканчивалась крутым обрывом (рис. 1.20а). Возможно, когда блок тащили по пологой верхушке насыпи и его передняя часть зависала над обрывом, на заднюю часть блока ставили дополнительный блок. Он служил для перемещения центра масс: когда опорный блок балансировал над ямой, этот дополнительный блок перемещался вперед до тех пор, пока сарсен не опрокидывался в яму. После этого натягивали веревки, которыми обвязывалась вершина стоящего наклонно блока, и выпрямляли его.

Рис. 1.20 / Задача 1.63. a) Подъем опорного блока в Стоунхендже. б) Подъем плиты-перемычки.

Один из возможных способов подъема плит-перемычек и установки их на пару опорных блоков был опробован в наше время в маленьком чешском городе. Цементную плиту весом 5124 кг протянули по двум дубовым балкам, поверхность которых была ошкурена и смазана жиром (рис. 1.20б). Каждая из этих 10-метровых балок шла от земли до вершины одного из двух опорных блоков, на которые должна была быть установлена перемычка. Плита затаскивалась наверх с помощью веревок, которые одним концом были обмотаны вокруг плиты, а другим привязаны к концам двух еловых бревен. На другом конце каждого бревна располагалась платформа, на которой стояли или лежали рабочие. Когда их собиралось достаточное количество, бревно поворачивалось вокруг вершины вертикальной опоры и протягивало плиту немного вверх по балке. После этого под нижний конец плиты подставлялись колодки, чтобы она не соскользнула вниз, пока платформу перемещали для следующего подтягивания плиты. Так, «по-утиному», подтягивая сначала одну сторону, потом другую, плиту подняли по балкам вверх, при этом на платформе находилось всего восемь-девять рабочих.

1.64. Как поднимали каменные блоки при строительстве египетских пирамид

Строителям египетских пирамид приходилось поднимать вырубленные в каменоломнях каменные блоки, грузить их на салазки и везти на площадку. Средний вес камней составлял 2300 кг, но попадались и особо крупные экземпляры, весившие 14 000 кг. Как древние строители умудрялись поднимать их, если тогда еще не было ни машин, ни полиспастов (талей), да и вообще устройств с колесами?

Возможно, использовался следующий метод. Под блок вбивался клин, приподнимавший край, под него подсовывалось несколько гибких шестов так, чтоб их концы выступали за противоположный край блока. Затем выступающие концы одного или двух шестов слегка приподнимались (скажем, на полсантиметра) и удерживались на месте с помощью подложенных под них клиньев из прочного материала. Такая же процедура проделывалась и с другими шестами, пока все они не оказывались поднятыми на одинаковую высоту – в результате весь блок немного поднимался. Как такой метод позволял поднять огромный вес всего лишь нескольким людям? Почему так важно, чтобы шесты были гибкими?

Как строители могли затаскивать эти блоки наверх и складывать из них стены пирамид? В частности, использовались ли при этом глиняные пандусы?

ОТВЕТ • Поднимать большой вес с помощью гибких шестов значительно легче, чем с помощью жестких. Предположим, вы протащили жесткие шесты под плитой. Чтобы поднять свободный конец такого жесткого шеста, вы должны приложить к нему силу, направленную вверх и почти равную по величине половине веса плиты. Действительно, когда каменную плиту поднимают на одном шесте, она перестает касаться всех остальных шестов и, соответственно, опираться на них. Таким образом, рабочим пришлось бы принимать на себя весь этот колоссальный вес.

А когда под блоком проложены гибкие шесты, можно в одиночку поднять конец любого шеста, применив силу, значительно меньшую веса блока. Действительно, когда поднят конец гибкого шеста, блок не теряет контакта с остальными шестами и они продолжают его поддерживать.

Чтобы поднять блоки на пирамиду, строители, возможно, использовали глиняные пандусы – либо прямые, с нужной стороны пирамиды, либо спиральные, вокруг всей пирамиды. Бригада строителей могла тащить блок на веревках по такому пандусу, поливая его водой, чтобы уменьшить трение между его поверхностью и блоком. Чем меньше уклон пандуса, тем меньшую силу необходимо прикладывать, чтобы втащить камень, а следовательно, требуется и меньше строителей. Однако каким бы заманчивым ни казалось это объяснение, мы понимаем, что те пандусы должны были быть страшно длинными (до 1,5 км в длину), а перетаскивание огромной плиты по спиральному пандусу, опоясывающему пирамиду, – процесс и долгий, и опасный.

Более правдоподобно другое объяснение: скорее всего, блоки втягивали непосредственно на нужную грань пирамиды на салазках (рис. 1.21а). Когда очередной уровень пирамиды был выложен, строители шлифовали внешнюю поверхность уложенных блоков, то есть делали ее гладкой, и салазки хорошо скользили по ней. Кроме того, их полозья смачивались водой, и трение становилось совсем маленьким. Расчеты показывают, что бригада из 50 человек могла поднять не очень тяжелый блок за несколько минут. Такими темпами пирамиду могли возвести в те сроки, о которых говорят историки. Можно было бы справиться еще меньшими силами, если бы египтяне догадались перекинуть веревку на противоположную сторону пирамиды через строительную площадку наверху, привязали бы к концу веревки другие салазки и посадили бы в них людей (рис. 1.21б). Эти салазки служили бы противовесом. Как только строители сдвигали салазки с плитой с места, салазки на противоположной грани пирамиды помогали бы тащить их к вершине. В этом методе есть еще одно преимущество: когда блок поднят, салазки-противовес оказываются на земле, и их можно опять нагружать.

Рис. 1.21 / Задача 1.64. Два варианта подъема каменной плиты на пирамиду.

1.65. Игрушка-пружинка слинки

Слинки – известная игрушка-пружинка, которую можно заставить спускаться по лестнице (точнее сказать, кувыркаться вниз по лестнице). Вы ставите игрушку на верхнюю ступеньку, оттягиваете верхнюю часть пружинки вверх, опускаете ее на следующую ступеньку и отпускаете игрушку. Если высота ступенек правильно подобрана, слинки сама спустится по ступеням до конца пролета. Время, которое понадобится игрушке для спуска на один пролет, зависит от количества шагов, которое она сделает (можно настроить ее так, чтобы она спускалась через две ступени за раз), но не зависит от высоты каждой ступени. (И с высокой, и с низкой ступеньки слинки спускается за одно и то же время.) Как слинки спускается с лестницы?

ОТВЕТ • Когда вы вытягиваете пружину сначала вверх, а потом опускаете на следующую ступеньку, вы пускаете по длине пружинки волну. Когда волна начинает распространяться по пружинке, витки сначала поднимаются вверх, а потом по дуге пружинки спускаются вниз – на нижнюю ступеньку, и постепенно туда переходит все больше витков. Когда волна дойдет до последних витков, оставшихся на верхней ступеньке, их с достаточно большой скоростью протащит по дуге, они перелетят над второй ступенькой и (если размеры ступеньки подобраны правильно) остановятся на третьей. После этого процесс повторится.

Кувыркаться вниз по ступенькам (причем достаточно медленно, так что вы видите этот неторопливый спуск) слинки может за счет прямоугольного сечения провода, из которого сделана пружинка. Для этой конструкции, запатентованной в 1947 году Ричардом Джеймсом, характерно меньшее отношение жесткости пружины к ее массе по сравнению с такой же пружинкой, сделанной из провода с круглым сечением. Меньшее значение этого отношения приводит к тому, что волна, которую вы пускаете вдоль длины пружины, распространяется с меньшей скоростью. Пластмассовые слинки, у которых другое значение этого отношения и, соответственно, другая скорость распространения волны, кувыркаются с вдвое меньшей скоростью, чем первые слинки, сделанные из металла.

Но в любом случае время для спуска слинки на одну ступеньку определяется отношением жесткости пружинки к ее массе, а не высотой ступеньки. На невысоких ступеньках волна распространяется медленно, на высоких – быстрее, но время, требуемое для пробегания волны по всей длине растянутой пружинки, одинаково для обеих ступенек.

1.66. Наклонная башня

Поставим друг на друга на край стола книги, костяшки домино, карты, монетки или другие одинаковые плоские предметы так, чтобы стопка свисала с края стола. Как нужно расположить эти предметы, чтобы при заданном их количестве длина навеса (расстояния по горизонтали от края стола до края самой выступающей части стопки) была максимальной? Предположим, что вы укладываете костяшки домино длиной L. Сколько нужно костяшек, чтобы навес был равен L? А 3L?

У вас есть комплект из 28 костяшек домино. Постройте арку между двумя столами одинаковой высоты. Что нужно сделать, чтобы арка была максимально длинной?

Кубики «лего» – это игрушечные пластмассовые параллелепипеды. На одной из широких сторон детали сделано четыре углубления, а на противоположной стороне находятся четыре небольших штырька. Одну деталь можно соединить с другой так, чтобы четыре штырька первой вошли в соответствующие отверстия второй, а можно и так, чтобы верхняя деталь была сдвинута на половину длины, то есть только два ее штырька вошли в два отверстия нижнего. Пусть x – половина длины грани детали, а n – количество деталей. Сколько различных типов устойчивых (не падающих без поддержки) башен можно собрать из этого количества деталей?

Рассмотрим башню, в которой каждая деталь, за исключением самой нижней, установлена либо прямо над предыдущей, либо сдвинута вправо относительно предыдущей. Какое минимальное количество деталей нужно взять, чтобы навес всей стопки был равен, скажем, 4x? Есть ли более рациональный способ укладывания в стопку при том же самом навесе?

ОТВЕТ • Стопка находится в равновесии, если вертикальная линия, проведенная через ее центр масс, не выходит за границы стола. Таким образом, чтобы добиться наибольшего навеса, нужно, чтобы эта вертикаль проходила через самый край стола. Один из способов получить большой навес основан на гармонических рядах (рис. 1.22а). Допустим, мы строим башню из костяшек домино. Чтобы уравновесить костяшку, нужно положить ее так, чтобы ее центр приходился на край стола, и тогда получим навес, равный L/2. Потом положим на нее следующую костяшку и сделаем так, чтобы общий центр масс двух костяшек приходился на край стола. Навес теперь будет равен (L/2)(1 + 1/2). Потом положим на них третью костяшку и уложим стопку так, чтобы центр масс трех костяшек приходился на край стола. Новый навес будет равен (L/2)(1 + 1/2 + 1/3). Когда башня будут построена из n костяшек домино, навес башни будет равен (L/2)(1 + 1/2 + 1/3 + … +1/n), где выражение в скобках – гармонический ряд. Приведу несколько результатов.

Рис. 1.22 / Задача 1.66. Башни из костяшек домино (а) – (б) и деталей «лего» (в) – (г).

Теоретически в этой последовательности нет предела (навес пропорционален логарифму количества костяшек в башне – его можно сделать любым), есть только предел, задаваемый здравым смыслом.

Более рациональный метод состоит в том, чтобы на выступающие за кромку стола костяшки сверху ставить другие костяшки так, чтобы они служили противовесом. Укладывая в стопку четыре костяшки домино первым способом, можно обеспечить навес чуть больше L (рис. 1.22б), а вторым – с помощью всего 63 костяшек можно получить навес, равный 3L.

Использование метода противовесов помогает и в сооружении арки из 28 костяшек. Если левая и правая части арки уравновешены, пролет может составить 3,97L. Существует по крайней мере один метод строительства арки, при котором обе стороны ее не уравновешены, а пролет равен примерно 4,35L