Новый физический фейерверк

Чтобы понять, как работает метод поворота на плоских лыжах, предположим, что вы едете левее от линии спада в обычной стойке, когда вес приходится на центр лыж. Предположим также, что трение равномерно распределено по всей длине лыжи. Трение в передней части лыжи имеет составляющую (компоненту), направленную вверх по склону, и создает вращающий момент, стремящийся повернуть лыжи влево вокруг центра масс (рис. 1.35а). Трение в задней части лыжи создает вращающий момент, стремящийся развернуть лыжника вправо. В обоих случаях величина вращающего момента зависит от того, какова величина трения и как оно распределено по отношению к центру масс. Трение в точках, расположенных вдали от центра масс (у них большее плечо) создает больший вращающий момент, чем трение в близких точках. Если и величина, и распределение трения одинаковы в передней и задней частях лыжи, вращения не происходит.

Если же вы сдвинете свой центр масс вперед, вы измените баланс между вращательными моментами (рис. 1.35б). Теперь не половина, а больше половины лыжи находится позади центра масс и меньше — впереди, следовательно, сила трения у задней части больше, чем у передней. К тому же трение во многих точках задней части лыжи приложено дальше, а в большинстве точек передней части — ближе к центру масс. Поэтому вращающий момент, приложенный к задней части лыжи, преобладает, и вы поворачиваете направо.

Если вы кантуете лыжи, наклоняя корпус вперед, они врезаются в снег, и трение в передней части лыжи увеличивается, а в задней — уменьшается (рис. 1.35в). В этом случае вращающий момент, действующий на переднюю часть лыжи, преобладает, и вы поворачиваете налево.

Край (кант) лыж для слалома слегка искривлен, чтобы было легче поворачивать. Когда вы вдавливаете этот кант в снег и скользите по траектории, являющейся продолжением искривленного края лыжи, трение будет минимальным.

На коротких лыжах так сильно подбрасывает на неровной поверхности, что можно легко потерять равновесие. Хотя длинными лыжами труднее управлять, на них подбрасывает меньше.

Чтобы понять, почему нужно наклоняться вперед при спуске по линии спада, представьте себе, что вес лыжника — это вектор, проведенный через центр его масс. Вектор можно разложить на две составляющие (компоненты). Одна компонента направлена вниз по склону (она ответственна за движение лыжника), а вторая перпендикулярна ему. Чтобы лыжник не потерял равновесия, этот перпендикуляр должен проходить через ступни спортсмена. А если лыжник решит на спуске не наклоняться, возникнет вращающий момент относительно ступней, который может опрокинуть лыжника назад.

Рассмотрим описанную демонстрацию Свинсона с крутящимся колесом и предположим, что трением в этом случае можно пренебречь, то есть будем считать, что участники (колесо — это тоже участник) изолированы от внешних сил, которые могли бы создать вращающий момент. Посмотрим на Свинсона сверху. Поскольку колесо вначале вращалось вокруг горизонтальной оси, вокруг линии, по которой вы смотрите, не может быть вращения, то есть ни колесо, ни Свинсон не имеют углового момента относительно вертикальной оси. Это следствие отсутствия внешних крутящих сил, и такое положение не может измениться. Если Свинсон опускает правую ручку и поднимает левую, сверху можно увидеть, что колесо вращается против часовой стрелки — это значит, что оно приобрело некоторый угловой момент относительно вертикальной оси. Чтобы общий угловой момент остался нулевым, каким он и был вначале, Свинсон должен будет повернуть по часовой стрелке (если смотреть сверху), то есть вправо.

1.101. Как проползти по скользкому льду

Вы просыпаетесь и обнаруживаете, что оказались посреди большого замерзшего пруда и лед такой скользкий, что по нему невозможно не только идти, но и ползти. Как же оттуда выбраться?

Предположим, вы лежите на льду лицом вниз и думаете, как выбраться. Чтобы не замерзнуть окончательно, вам для начала нужно перевернуться на спину. Как же это сделать?

ОТВЕТ • Бросьте ботинок или какой-то другой предмет в любом направлении, и вы сдвинетесь (к сожалению, ненамного) в противоположном. Поскольку трения между вами и льдом нет, общее количество движения — вашего и брошенного ботинка — останется равным нулю. Когда вы сообщаете импульс брошенному предмету, вы приобретаете точно такой же импульс в противоположном направлении.

Те же физические процессы происходят, когда кто-то пытается катнуть шар для боулинга, стоя на роликовых коньках, у которых трение качения мало. Я как-то раз попытался. Коньки подо мной поехали назад, корпус остался на месте, и от падения лицом вниз меня спасло лишь то, что я схватился за человека рядом.

Чтобы перевернуться на очень скользком льду, нужно вытянуть одну руку и аккуратно ударить ею по льду. Хотя между льдом и рукой нет трения, при ударе со стороны льда на руку подействует сила, направленная вверх. Эта сила позволит вам перевернуться на спину.