«На лабораторной работе по физике наш учитель поставил зажженную свечу на вращающийся столик. Мы думали, что при вращении столика увидим, как кончик свечи отклонится наружу, а он вместо этого указывал внутрь круга. Это явление не смог объяснить даже директор школы. Может быть, вы сможете?»
Рут Хейвленд Бетус-и-Коэд, Гуинет, Великобритания Да, читатели смогли, но несмотря на то что ответов пришло много, понадобилось объединить их, чтобы составить ясное представление. Скажем сразу, что задача действительно серьезная. — Ред.
Моей первой реакцией было недоверие. Я поставил опыт сам — и действительно, пламя повело себя по-другому. Оно тянулось за свечой, которая вращалась по орбите вокруг центра столика. Точно так же пламя ведет себя, когда мы несем в руках зажженную свечу.
Гарет Келли Учитель физики, школа Пенглес, Аберистуит, Дивед, Великобритания
Прочитав вопрос, я нашел у себя на кухне свечу и поставил ее на вращающуюся доску для сыра. При скорости примерно 60 оборотов в минуту пламя просто тянулось за свечой и не отклонялось ни внутрь круга, ни наружу. Позднее в тот же день я повторил эксперимент с проигрывателем для пластинок, включенным на 78 оборотов в минуту, и результат оказался тем же. Или я что-то упустил?
Джон Эштон Монмут, Гуэнт, Великобритания
Да, читатели из Диведа и Гуэнта, вы действительно кое-что упустили, хотя ваша деятельность и честность достойны похвал. Итак, сначала… — Ред.
Чтобы увидеть этот эффект, свечу следует поместить в какой-нибудь сосуд, иначе пламя оттянется назад. Итак, свечу — в банку, банку — на край вращающегося столика.
Дэвид Мей Учитель физики, муниципальный колледж Хинд-Лейз, Шепшед, Лестершир, Великобритания
Причина, по которой пламя свечи направлено внутрь круга, — слабая центробежная сила, которую создает вращающийся столик.
Дэвид Блейк Стерлинг, Великобритания
По мере вращения воздуха в банке на центрифуге более плотный воздух выходит с предсказуемыми последствиями. — Ред.
Пламя свечи наклоняется к центру круга по тем же причинам, по которым пламя направлено вверх, а не вниз. Нагретый пламенем воздух не такой плотный, как окружающий, поэтому более плотный воздух выходит из банки, отклоняя пламя свечи внутрь.
Если бы я была придирой, то возразила бы, что движение менее плотного пламени свечи ускоряет та же центростремительная сила. Согласно известному закону Ньютона для одной и той же силы произведение массы и ускорения одинаково. Если же масса уменьшится, ускорение должно возрасти. А школьникам достаточно просто понять, что сила больше действует на плотный воздух.
Сью-Энн Боулинг Университет Аляски, Фэрбенкс, Аляска, США
Можно также перейти к системам координат и математике. — Ред.
Понять, почему пламя свечи указывает внутрь круга, гораздо легче, если рассмотреть эту задачу в линейной системе координат. Представим, что вы едете в машине и держите за веревочку шарик с гелием. Вы резко затормозили. Что случилось с шариком? Ремень безопасности врезался вам в тело, а шарик отнесло к заднему сиденью. Все потому, что воздуху в машине присуща инерция, он продолжает двигаться вперед вместе с вами, а шарик стремится в область самого низкого давления и низкой плотности воздуха — в заднюю часть салона.
Подобно этому, пламя свечи обладает «плавучестью», своей формой оно обязано сложному взаимодействию между горячим воском у фитиля и температурой окружающего воздуха. Поэтому пламя тоже уплывает в направлении самого низкого давления — к оси вращения. Закончим аналогию: свеча, как и машина, движется с ускорением по отношению к воздуху, окружающему пламя, поэтому воздух направлен из крута радиально по отношению к свече, а пламя — к центру круга.
Том Тралл Университет Тасмании, Австралия
В закрытой банке менее плотные газы пламени будут вытесняться к центру вращения под действием центростремительной силы. Можно определить арктангенс угла пламени (a/g) в плоскости с вертикалью (где а — центростремительное ускорение).
Тот же эффект можно продемонстрировать с помощью наполненного гелием шарика в машине. Шарик отклоняется вперед при ускорении, назад — при торможении применима та же формула. Для машины, которая обходит поворот дороги по дуге радиусом 20 метров со скоростью 50 километров в час отклонение должно составить около 44°.
Нил Хенриксон Ректор высшей школы Джеймса Янга, Эдинбург, Великобритания
И еще более простая демонстрация того же эффекта. — Ред.
Если поставить спиртовой уровень на вращающийся столик, расположив его как спицу в велосипедном колесе, а затем раскрутить столик, пузырек воздуха быстро придвинется внутрь круга. Более тяжелый спирт отталкивает к центру круга легкий пузырек.
Колин Сиддонс Брэдфорд, Западный Йоркшир, Великобритания
Мячи с отклонениями
«Я играю в разные игры с мячом и часто вижу эффект Магнуса, который заставляет мяч, вращающийся по часовой стрелке (если смотреть сверху), отклоняться вправо. Если мяч подкрутить в обратном направлении, его полет будет долгим, по плавной траектории. Такие эффекты можно продемонстрировать с помощью кожаных футбольных мячей, мячей для большого и настольного тенниса. Но если попробовать подкрутить пластмассовый футбольный мяч, какие продают на заправках и пляжах, наблюдается совсем другое явление: вращение по часовой стрелке создает отклонение влево, а подкручивание в обратном направлении завершается досадным падением. Эти мячи такие же, как для настольного тенниса, только побольше, на них нет ни впадинок, ни других отметок, почему же они по-другому реагируют на подкручивание?»
