Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Интересно, что в колесе, по сути, тоже используется принцип рычага. Вы легко можете убедиться в этом на примере круглых водяных кранов, которые вы поворачиваете то в одном, то в другом направлении, чтобы либо пустить, либо остановить воду. Во многих кранах есть спицы – по сути не что иное, как маленькие рычаги. Чем спицы длиннее, тем легче открывать или закрывать воду: тем больше сила, которую вы через рычаг сообщаете крану. Если у вас артрит или другое заболевание рук, для вас могут изготовить специальные, более длинные спицы, которые можно сдвигать даже легкими движениями кистей или локтей. У многих современных кранов круглые ручки. При наличии воображения их можно представить себе как бесконечное множество миниатюрных спиц, которые расположены на манер лепестков маргаритки на стебле и создают круг. Если же ваш кран имеет ручку, то она одновременно работает и как рычаг, и как колесо.

В рычагах и колесах замечательно то, что вы можете использовать их по-разному, чтобы самостоятельно увеличивать либо силу, либо скорость движения. Когда вы закрываете кран, то при повороте ручки прилагаете большую силу к его оси. Это всё равно что использовать гаечный ключ, создавая значительное усилие для отворачивания туго поддающейся ржавой гайки в центре воображаемого круга, где расположена головка ключа. Но вы можете вращать рычаг и с другой стороны. Именно это и происходит, когда вы работаете топором. Тогда ваши плечи остаются в центре круга, а рычаг в виде длинного топорища сообщает большую скорость лезвию на его конце, которое быстро врезается в дерево. Мы изучим эти варианты работы рычага подробнее, когда в следующей главе рассмотрим принцип работы велосипеда.

Немного о колесе

Когда мы говорим о великих изобретениях, на ум сразу приходит колесо, которое сопровождает нас уже более 5000 лет. Оно переносит нас из нашего дома во многие другие места. Но и там, где мы живем, оно работает на полную катушку. Стиральные машины, блендеры, электрические дрели, кофемолки, дисководы компьютеров, DVD-проигрыватели используют принцип колеса. Если учесть распространенность разнообразных колес в нашей жизни, а также то, что колесо – одно из величайших изобретений человечества, оно вполне заслуживает того, чтобы мы больше рассказали вам о принципах его работы.

Заключенный в колесе принцип рычага относится к самому простому из двух секретов работы колеса: чем больше оно в диаметре, тем большую силу дает человеку. Поверните окружность колеса на некоторое число градусов, и его центр (по сути, точка опоры рычага) повернется на то же число градусов, но значительно медленнее и со значительно большей силой. Именно поэтому до того, как в автомобилях повсеместно стали использоваться гидравлические усилители, у старых грузовиков и автобусов были гигантские рулевые колеса. Но у колеса есть и еще один секрет, причем гораздо менее известный.

Почему туалетная бумага скручивается со втулки?

Английская компания Andrex продавала по 13 млн км туалетной бумаги ежегодно под лозунгом «мягкая, прочная и очень, очень длинная» благодаря одному забавному и милому рекламному клипу. Он изображал очаровательного игривого щенка, который тянул зубами за свободный конец рулона туалетной бумаги и очень быстро покрывал ею пол во всем доме.

За этим смешным трюком стоит вполне солидное научное объяснение. Ведь рулон туалетной бумаги – всего лишь колесо. А колесо действует как рычаг: чем больше его диаметр, тем большего усиления можно достичь. Гораздо легче раскрутить целый рулон бумаги: стоит приложить небольшое усилие, и в центре рулона величина действующих сил станет больше. Когда рулон начинает вращаться, он приобретает импульс[36] – это научный термин, объясняющий, почему тяжелые грузовики и нефтеналивные танкеры так трудно остановить. Полный рулон весит больше, чем пустой, а его масса распределена относительно центра полой трубки, на которую он намотан (в науке мы говорим, что у него больше момент инерции[37]). Начав вращаться, он продолжает вращение ввиду сохранения импульса так же, как тяжелый маховик на старых моделях автомобилей со сцеплением. Так и выходит, что за несколько секунд туалетная бумага покрывает весь пол в вашем доме.

Как колесо уменьшает трение

Насадите четыре колеса на две оси – и перед вами основа для конструкции, с помощью которой перемещать тяжелые вещи гораздо легче, чем перенося их в руках или волоча по земле. Все это знают, но как это объяснить? Как колёса облегчают передвижение предметов? Всё это имеет отношение к вопросу о силах и к тому, что колёса вращаются вокруг осей. Представьте себя лежащим на земле и привязанным к веревке, за которую вас волочет лошадь. Это наверняка очень больно: все ваше тело будет с большой силой тереться о землю. Лошади тоже будет тяжело, потому что ей придется преодолевать силу трения (из-за взаимного трения между твердой поверхностью земли и поверхностью вашего тела).