Новый физический фейерверк

Традиционно внешняя часть железнодорожных колес имеет форму конуса, а для того, чтобы они не соскакивали с рельсов, с внутренней стороны у них имеются выступы — реборды. Правое и левое колесо соединены осью и образуют вагонную пару. У рельсов скругленная верхняя часть, и они обычно слегка наклонены внутрь. Почему, когда поезд катится по ровному пути, вагоны качаются из стороны в сторону, или рыскают?

Рыскание не только уменьшает скорость поезда, но и создает усилия, стремящиеся искривить рельсы и шпалы, а также действующие на колеса. Поскольку результирующий износ колес неодинаков с левой и правой стороны, вагоны, которые тащит локомотив, время от времени переворачивают, чтобы сделать износ с обеих сторон более равномерным.

ОТВЕТ • Если вагон случайно сдвинется, скажем, вправо, то из-за скошенного профиля каждого колеса правое колесо поднимается, начиная двигаться по большему радиусу, а левое, соответственно, опускается, двигаясь по меньшему радиусу. Поскольку колеса жестко связаны друг с другом, они поворачиваются с одной угловой скоростью, но разница в радиусах поворота означает, что за то же время колесо справа проезжает больший путь по рельсу, чем колесо слева. Это позволяет колесной паре пройти поворот, когда колеса движутся по дугам разной длины. Но на ровном участке разница в линейной скорости колес перекашивает колесную ось, вагон оказывается в скрученном состоянии, при этом возникают силы, смещающие вагон влево до тех пор, пока он не окажется слева от центра. И тогда ситуация поменяется на зеркальную. Если колебания продолжатся, поезд, как говорят, будет рыскать, то есть пытаться найти устойчивое положение.

Рыскание может вызвать случайное отклонение, но оно может возникнуть и из-за сил трения при искривлении рельсов и колес под действием веса вагона. Если скорость поезда меньше какой-то критической величины, колебания из-за случайного отклонения быстро затухают. Но если скорость выше, они нарастают, и только реборды могут помешать поезду сойти с рельсов.

1.182. Колебания антенны автомобиля

Некоторые типы вертикальных антенн автомобиля на ходу могут начать колебаться. Почему при низких и средних скоростях антенна будет колебаться так, как показано на рис. 1.54а, а при более высоких скоростях так, как на рис. 1.54б?

Рис. 1.54 / Задача 1.182. Колебания антенны автомобиля при маленькой скорости (а) и большой скорости (б).

ОТВЕТ • Если мы установим антенну в тиски и заставим ее колебаться, она начнет колебаться в так называемых резонансных модах (типах колебаний) на резонансных частотах. Когда колебания устанавливаются на одной из резонансных частот, мы говорим об установлении резонанса. Простейший тип резонансных колебаний называется фундаментальной модой (основным тоном), и он соответствует наименьшей резонансной частоте (рис. 1.54а). В этой моде основание антенны не движется (поскольку оно закреплено), вершина отклоняется максимально, а промежуточные точки отклоняются на промежуточные расстояния. Следующая по сложности мода — первый обертон, когда есть еще одна точка (узел), которая не колеблется, она находится на некотором расстоянии от вершины (рис. 1.54б). Когда антенна установлена на движущейся машине, встречные потоки воздуха образуют на задней части антенны вихри, и перепады давления в этих вихрях заставляют антенну колебаться. При низких и средних скоростях автомобиля (когда вихрей нет) в антенне устанавливается фундаментальная мода. При больших скоростях, когда возникают вихри, в антенне возбуждается первый обертон.

1.183. Корабли и успокоительные цистерны

Во время качки на корабле всегда некомфортно, но если волны бьются о борт с частотой, совпадающей с собственной частотой корабля, качка может усилиться и стать опасной. (Такое совпадение частот — пример резонанса. Похожее усиление колебаний происходит, когда вы подталкиваете качели каждый раз, когда они пролетают мимо вас.) В прошлом, чтобы уменьшить опасность раскачки, на некоторых кораблях в корпус по всей ширине встраивались так называемые успокоительные цистерны, которые заполнялись водой. Размеры цистерн выбирались так, чтобы собственная частота воды в них совпадала с резонансной частотой колебаний корабля. Правильно ли это, ведь при совпадении частот колебания воды в цистерне могут только усилить качку?