Новый физический фейерверк

Почему вращение стабилизирует диаболо? (Без вращения игрушка просто слетит с веревки.) Если игрушка начнет наклоняться, как ее можно стабилизировать? Если дальний конец диаболо начнет заваливаться, как можно вернуть его в прежнее состояние? Как можно повернуть диаболо влево или вправо? (Если поискать в интернете сайты, посвященные диаболо, можно найти множество трюков с этой игрушкой.)

ОТВЕТ • Если поднять диаболо на веревке, но не закрутить его, оно вряд ли будет балансировать — скорее всего, слетит с веревки. Если, наоборот, раскрутить его до больших скоростей, у него появится большой угловой момент, который стабилизирует положение. Угловой момент — вектор, направленный вдоль центральной оси игрушки. Если раскрутить игрушку, как описано в начале задачи, этот вектор будет направлен по горизонтали на вас. Вращающееся диаболо находится в равновесии, потому что только вращающий момент может изменить направление его углового момента, а если диаболо находится на веревке в равновесии, значит, его центр масс находится над веревкой. В этом случае вектор силы тяжести, направленный вниз, проходит через веревку и не может создать момент, поворачивающий диаболо относительно веревки. Соответственно, сила тяжести не может изменить угловой момент.

Если диаболо находится в близком к равновесному состоянии, сила тяжести со стороны перевешивающей части создает небольшой вращающий момент, и это приводит к тому, что у вектора углового момента появится небольшая дополнительная составляющая, направленная влево или вправо. В результате под действием силы тяжести диаболо не опрокинется, а будет прецессировать влево или вправо — его центральная ось будет поворачиваться влево или вправо. (Трение со стороны веревки тоже создает момент сил, но если веревка находится по центру игрушки или близко от него, этот вращающий момент только немного замедлит вращение.)

Если дальний конец диаболо начнет заваливаться, вы можете с помощью веревки создать вращающий момент, который вернет его в прежнее состояние. Потяните за конец веревки, находящийся в правой руке, к себе, притягивая правую часть игрушки. Давление на правую сторону диаболо приведет к появлению вращательного момента, направленного вниз, в результате чего вектор углового момента снова станет горизонтальным.

Чтобы заставить диаболо повернуться направо, разведите руки, а потом потяните веревку на себя. Тогда она либо надавит на нижнюю часть игрушки, либо начнет проскальзывать в вашем направлении, и дальняя от вас часть игрушки перевесит ближнюю. Если проскальзывания не будет, давление на нижнюю часть игрушки создаст вращающий момент, и та повернется. А если возникнет проскальзывание, игрушку повернет момент силы тяжести, действующей на перевешивающую тяжелую часть.

1.108. Кельтские камни, или «кельты»

Кельтские камни (или «кельты») — забавные варианты волчков с нижней поверхностью в форме скошенного эллипсоида. Те камни, которые продаются в магазине игрушек, закручиваются только в одном направлении. Если вы попытаетесь закрутить их в другом направлении, они быстро остановятся, поднимутся, потом опустятся и начнут крутиться в том направлении, в каком им хочется. Некоторые отполированные водой камни ведут себя схожим образом, но попадаются редкие экземпляры, меняющие, пока у них не кончится энергия, направление своего вращения по несколько раз. Почему «кельты» меняют направление своего вращения?

ОТВЕТ • Поведение «кельтов» довольно трудно объяснить в деталях, но в общих чертах можно сказать, что изменение направления вращения происходит из-за того, что их нижняя поверхность представляет собой скошенный эллипсоид. Это значит, что оси эллипсоида не совпадают с главными осями камня, то есть с его длиной и шириной. Когда камень закручивается вокруг вертикальной оси в «неправильном» направлении, эта несоосность дестабилизирует вращение, и камень начинает раскачиваться. Из-за трения камня о стол энергия переходит из вращения в качание. Когда этот переход энергии почти заканчивается, сила трения изменяет направление и камень начинает вращаться в противоположную сторону. У некоторых «кельтов» вращение в «правильном» направлении тоже нестабильно: камень опять начинает раскачиваться, и направление вращения вновь меняется. В итоге, конечно, трение останавливает движение.

1.109. Крутящиеся монетки и бутылки

Установите монетку на ребро, закрутите ее, прислушайтесь и понаблюдайте за ней. Когда она начинает падать, издаваемый ею звук сначала понижается, а потом повышается. Вы думаете, это происходит потому, что она вращается быстрее? Совсем наоборот — медленнее. Если вы проследите за какой-нибудь стороной монетки, то увидите, что вначале она размыта из-за быстрого движения, но позже ее уже можно разглядеть.