Страница 26 из 33
Однако, установив штангу на острие бруска, мы ввели в действие дополнительную силу: ту, с которой острие бруска действует на стержень. Мы хотим, чтобы штанга оставалась в равновесии: то есть мы не хотим, чтобы эта новая сила заставила штангу вращаться. Иными словами, момент этой силы по отношению к G должен равняться нулю. Произведение F ⋅ l должно равняться нулю: это значит, что острие бруска должно быть расположено в центре инерции G (чтобы было l = 0).
Увеличитель силы
Мы можем заменить штангу обычной доской, которая будет держаться на острие в равновесии (➙ рис. 6.5). Предположим, что с одного конца доска будет втрое длиннее, чем с другого. Мы увидели, что для сохранения равновесия нам пришлось увеличить массу втрое с длинной стороны, а не с короткой (в точности как со штангой на рис. 6.4). Иначе говоря, нужно применить втрое большую силу с короткой стороны, чем с длинной.
В конечном итоге силы, которые следует приложить перпендикулярно доске, чтобы установить равновесие, должны соответствовать: FA lA = FB lB, где lA и lB – расстояние до оси вращения. Другими словами, моменты силы по отношению к оси вращения должны компенсировать друг друга.
Из данного утверждения можно сделать много выводов: наша доска, насаженная на острие, выступает увеличителем силы. В нашем примере силы в 3 ньютона, приложенной к длинной стороне, достаточно, чтобы компенсировать силу в 9 ньютонов, приложенную к короткой (соотношение длин один к трем).
Предположим, что нам нужно поднять массу в 1000 кг: если мы хотим сделать это обычным способом, необходимо применить силу в 1000 ньютонов (F = mg), а это очень тяжело. Но мы также можем поместить эту массу на конец рычага, одно плечо которого в десять раз длиннее другого: сила, приложенная с длинной стороны, будет в 10 раз меньше и составит 100 ньютонов. Такая сила нужна, чтобы поднять 10 кг, а это гораздо легче… В данном случае мы воспользовались большим плечом рычага.
Архимеду приписывают фразу: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». С достаточно длинным рычагом можно применить силу такой величины, которая нам требуется.
Рис. 6.5 – Эффект рычага
2. Особенности вращающегося объекта
Определение
Момент силы по отношению к оси выражает ее способность заставить этот предмет вращаться вокруг данной оси: он выражается как Fl sin α.
Между тем F→; = ma→;: сила меняет mν→; (где ν→; – вектор скорости, а m – масса). Таким образом, момент силы меняет mνl sin α (l – расстояние до оси вращения, а α представляет собой угол скорости по отношению к прямой, соединяющей ось и объект (➙ рис. 6.6).
Величина mνl sin α называется моментом импульса объекта. Он связан со скоростью, с которой объект вращается вокруг заданной оси. Если α = 0, скорость направлена к оси или в противоположную сторону: то есть объект будет приближаться к оси или удаляться от нее, не вращаясь вокруг нее. Момент импульса в этом случае равен нулю.
И напротив, если α = 90°, скорость перпендикулярна направлению оси, что означает, что объект «изгибается»: момент импульса в данном случае максимальный и выражается просто mνl. В частности, это происходит, когда объект описывает круг вокруг оси.
Рис. 6.6 – Момент импульса
Если α = 0, объект удаляется от оси, не вращаясь вокруг нее: момент импульса равен нулю. Если α = 90°, движение, напротив, представляет вращение вокруг оси: момент импульса максимальный.
Последствия
Как и момент силы, понятие момента импульса позволяет понять некоторые очень важные явления.
Представим фигуриста на льду: он «псевдоизолирован», то есть внешние силы компенсируют друг друга (с одной стороны вес, с другой – реакция опоры). Существуют также внутренние электростатические силы, которые обеспечивают сцепление атомов фигуриста. Но принцип взаимодействия говорит нам о том, что эти силы противопоставлены друг другу как две против двух и приложены к одной оси: то есть внутренние силы никогда не создают момента.
В итоге общий момент сил, действующих на фигуриста, равен нулю. Между тем этот момент заставляет измениться момент импульса, а это значит, что момент импульса фигуриста остается неизменным.
Предположим, что фигурист вращается на месте, раскинув руки в стороны: поскольку его момент импульса не меняется, скорость его вращения останется постоянной, если он будет держать руки раскинутыми. Ничего удивительного: не следует забывать, что мы не учитываем трение.
Но предположим, что в какой-то момент фигурист опустит руки: расстояние l между его ладонями на оси вращения уменьшилось. Чтобы момент импульса mνl сохранился, нужно, чтобы увеличилась скорость.
В конечном счете простой факт того, что фигурист опустил руки, заставил его вращаться быстрее. Чтобы упростить пример, предположим, что некая масса (как кисть руки фигуриста) наполовину приблизилась к оси вращения: расстояние до оси сократилось вдвое. В этом случае сохранение mνl требует, чтобы скорость массы была помножена на два (➙ рис. 6.7).
Но это еще не все: поскольку масса приблизилась к оси, ее путь вокруг оси будет вдвое короче (она пройдет круг меньшего диаметра). Таким образом, не только удвоилась скорость, но и дистанция кругового движения вдвое уменьшилась. В итоге массе понадобится в четыре раза меньше времени, чтобы сделать один оборот!
Если масса совершала один оборот в секунду, теперь за секунду она совершает четыре оборота. Случай с фигуристом сложнее, потому что не вся его масса сосредоточена в руках: то есть он не будет вращаться вчетверо быстрее. Тем не менее скорость его вращения вокруг своей оси сильно возрастет: именно это мы видим, когда наблюдаем за вращением фигуристов.
На этом этапе может возникнуть вопрос: за счет чего же увеличивается скорость, если не влияет никакая равнодействующая внутренняя или внешняя сила?
На самом деле все части системы остаются неподвижными не потому, что равнодействующая сила равна нулю. Вспомните пример двух лежащих рядом шаров с положительными зарядами (➙ рис. 6.1): равнодействующая сила была равна нулю, потому что две отталкивающие электростатические силы были противопоставлены друг другу. Однако с течением времени скорость шаров увеличивалась.
Рис. 6.7 – Сохранение момента импульса
В данном опыте мы привязали предмет на нитку и заставили его вращаться вокруг оси. В определенный момент мы обвязываем нитку вокруг оси так, чтобы предмет приблизился к оси: он начинает крутиться быстрее.
Если длина нитки станет вдвое короче, скорость предмета вдвое возрастет. То есть он будет делать в четыре раза больше оборотов в секунду, потому что расстояние, которое ему приходится проходить, вдвое уменьшилось.
Отметим также, что на рис. 6.7 натяжение нити позволило подвинуть массу к оси вращения: именно оно вызвало увеличение скорости, но это увеличение направлено перпендикулярно силе (перпендикулярно нити). Этот малоинтуитивный вывод мы будем встречать на всем протяжении этой главы. Увеличение скорости не всегда происходит в направлении, указанном силой… Другие примеры помогут лучше понять причину этого.