Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей

Дмитриев Александр Сергеевич

Из всей этой запутанной картины нам ясен очень простой вывод: верхнее крыло обтекается быстрее воздухом, чем нижнее! Все!

Что из этого следует? Что на верхнее крыло начнет действовать сила больше, и бумеранг начнет поворачиваться в воздухе. На него как будто бы надавили невидимым пальцем так, что его верхнее крыло начнет отклоняться в сторону выпуклой стороны.

И тут начинается самое интересное! Это все мы описывали так называемые аэродинамические силы. Это силы, которые возникают в потоках газов. А есть еще другие силы, которые тоже вступают в игру. И здесь мы опять должны для понимания познакомиться с таким занятным прибором, как гироскоп.

Все

в детстве играли с волчком. Крутишь его – и он стоит на кончике! И какие-то загадочные силы удерживают его от падения. А остановится – и падает.

У наших предков, кстати, была занятная игра – «кубарик». Из дерева вырезали волчок, раскручивали его. Для этого на него наматывали веревочку и дергали ее, придерживая кубарик пальцем. Кубарик раскручивался и стоял на кончике. Чтобы он не падал, его подстегивали маленьким кнутиком. Задача была заставить кубарик крутиться как можно дольше.

А ученые придумали прибор, состоящий из волчка (металлического обычно), который закреплен в специальных рамках и может вращаться свободно в любом из направлений. Посмотрите, на фотографии лабораторный гироскоп, доставшийся мне в наследство от моего папы, – этот гироскоп участвовал в создании систем наведения для первых советских ракет!

Настоящий лабораторный гироскоп. Стрелками показаны рамки.

Видно, что в центре – волчок, он может вращаться. Он закреплен в круглой рамке, которая в свою очередь закреплена еще в одной рамке – а та, в свою очередь в третьей. Я показал их стрелками.

Если быстро-быстро раскрутить волчок (в настоящих гироскопах это бешеные скорости, например двадцать тысяч оборотов в минуту!), то он будет сохранять свое положение в пространстве. Как ни крути гироскоп за внешнюю рамку, а ось волчка будет всегда показывать в одном и том же направлении.

Но если при этом надавить (пальцем) на одну из рамок, волчок начнет поворачиваться. Его движение описываются очень сложными уравнениями Эйлера (очень умный был физик). Но для нас важно, что, если на вращающееся тело начать прикладывать со стороны силу, это тело начнет поворачиваться.

Движения рамок и гироскопа описываются уравнениями Эйлера третей степени. Но бумеранг мы обязательно сделаем!

Например, если волчок вращается, как на картинке по стрелке, слева направо и мы надавим на вторую рамку справа налево, то неожиданно первая рамка гироскопа начнет поворачиваться вниз! Совсем не в том направлении, в котором мы давим на другую рамку.

Правило простое, несмотря на все сложные уравнения Эйлера: поворачивается гироскоп всегда так, чтобы все рамки совместились и приложенная сила оказалась совпадающей с направлением вращения, как бы помогала крутиться волчку. Но это так, для тех, кому интересно.

Представим же теперь, что этот гироскоп – летающий. А ведь наш бумеранг и есть вращающийся волчок! Только рамок у него нет, да они ему и не нужны – ведь он во время полета свободно висит в воздухе, так что ведет он себя словно настоящий волчок гироскопа, подвешенный в рамках.

Ну вот, мы добрались почти до конца теории.

Мы помним, что на верхнее крыло

нашего бумеранга действует опрокидывающая сила. От этого вращающийся бумеранг начнет не заваливаться набок, как можно было бы ожидать, а как настоящий гироскоп начнет прямо в воздухе заворачивать налево! То есть поворачиваться так, чтобы действующая на него сила действовала в том же направлении, что и вращение бумеранга. Но при этом на него все так же будет действовать опрокидывающая сила, ведь, поворачивая, бумеранг начинает двигаться немножко в другом направлении, – и все повторяется, он опять чуть-чуть повернет налево и так далее.

И бумеранг начнет описывать красивый круг, постоянно поворачивая налево!

При этом постепенно скорость вращения самого бумеранга будет падать, разница между скоростью верхнего и нижнего крыла будет все меньше, и бумеранг перестанет вести себя как гироскоп. Что при этом произойдет? Он начнет помимо поворота налево еще и заваливаться набок – и вернется к нам в руки, уже просто вращаясь в воздухе, как лопасти вертолета, «лежа» в горизонтальном положении! Все!

Уф, а теперь – кто дочитал – за дело! Сделаем быстренько хороший, возвращающийся бумеранг.

Как я и говорил, надо взять две обычные деревянные линейки сантиметров по пятьдесят длиной. Их обычно делают из сосны, точно так же, как детали первых самолетов. На фотографии видно, как надо расчертить эти линейки для обработки. Обе линейки обрабатываются совершенно одинаково. В центре оставить квадратик. В этом месте они будут склеиваться друг с другом. Квадратик, естественно, должен быть шириной с эту же линейку.

Затем вдоль крыла проводится линия, отступающая на одну треть сверху с правой стороны и на одну треть снизу – с левой стороны. Как на фото.

На фотографии: линейки расчерчиваются для обработки вот так.

На следующей фотографии центральная часть дана более подробно.

Так надо расчертить оба крыла бумеранга. На фото – средняя часть.

Видно, как отходят от квадрата в центре две линии. Мы будем обрабатывать напильником поверхности так, чтобы они «опускались» от нарисованной линии к краям линейки. Таким образом, у правого крыла бумеранга передняя часть будет более «тупая», а сзади будет пологий «спуск». На схеме это видно. Нижняя сторона не обрабатывается вообще. Она должна быть плоской.

Я так подробно описываю все это, чтобы опыт точно получился.

А вот я сфотографировал, как это уже получилось после обработки напильником. Повторяю, высокая точность здесь не нужна, главное, чтобы более-менее гладко было обработано. Видите, я просто закруглил края. Один более круто, другой более полого.

На фото виден профиль крыла бумеранга. На самом деле поверхность должна просто быть более-менее выпуклой, а нижняя сторона – плоской.