Пенсионный советник

Из стакана в космос

Физики объяснили странное поведение прыгающих бус

Павел Котляр 17.01.2014, 13:34
Ученые объяснили загадочный фонтан из бус Скриншот видео размещенного на YouTube
Ученые объяснили загадочный фонтан из бус

Ученые объяснили необычный опыт с бусами, ролик с которым бьет рекорды просмотров в интернете. В странном фонтане не оказалось ничего сверхъестественного.

Обыкновенные бусинки, объединенные в цепочку длиной несколько десятков метров, могут вести себя совершенно неожиданным образом и даже вызывать ступор у физиков, не понаслышке знакомых с классической механикой.

Бусы и всевозможные цепочки — одно из древнейших и простых изобретений человечества, поэтому сложно представить, что столь обыденный предмет может представлять интерес для ученых.

Взглянуть по-новому на бусы в прошлом году удалось научному ведущему канала BBC Стиву Маулду, чей эксперимент с бусинками на YouTube уже собрал несколько миллионов просмотров. Идея опыта проста, и его может проделать дома каждый.

Для этого надо аккуратно сложить длинные бусы на дне какого-либо сосуда. Если взять свободный конец бус и вытянуть его из сосуда, бусинки под действием силы тяжести начинают не просто вываливаться, но и образуют своеобразный горб, поднимаясь на определенную высоту.

Интуитивно кажется, что бусы должны скользить по краю сосуда, вместо этого они поднимаются над ним, как бы противодействуя силе тяжести.

Сам Маулд не нашел объяснения странному феномену, написав у себя в блоге: «Причина, по которой бусы делают петлю над краем сосуда, остается загадкой. Я думаю, это связано с тем, что бусины вынуждены менять направление движения, и они не могут это делать мгновенно, иначе они бы испытывали бесконечное ускорение».

Пока ролик собирал просмотры в интернете, а энтузиасты проверяли феномен на практике, природой этого явления заинтересовались ученые. В итоге объяснить феномен удалось ученым под руководством Джона Биггинса из Кембриджского университета.

«Нам показалось это прикольным, и мы решили подкинуть задачку нашим студентам, — рассказал Джон Биггинс «Газете.Ru». — Однако вскоре стало ясно, что мы не можем объяснить это движение, используя традиционные подходы. И тогда мы поняли, что стоим перед решением интереснейшей проблемы».

По словам Биггинса, объяснения, связанные с тем, что вылетающим бусинам требуется определенное время для изменения импульса, являются «в корне неверными». В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the Royal Society A, Биггинс доказал, что взмывать над краем сосуда бусины заставляет не сила тяжести, действующая на висящую часть цепи, а сам сосуд с бусинами.

Ключом к пониманию механизма является то,

что рассматривать лежащие бусины надо как бруски, связанные между собой нитью.

Тогда на крайний брусок, покоящийся на дне, действует нить, которая тянет его вверх, и нить, связывающая его с соседним бруском. Тянущая вверх нить не только поднимает брусок, но и пытается закрутить его против часовой стрелки. Так как соседний брусок мешает этому закручиванию, на край бруска со стороны дна действует дополнительная сила, подталкивающая его вверх и сообщающая дополнительное ускорение.

Математики рассчитали, что высота подъема горба цепочки над краем сосуда пропорциональна квадрату скорости бус

и растет с увеличением высоты сосуда над землей, на которую падают бусинки.

«Редко случается, когда школьники могут понять результаты настоящего научного исследования, однако это как раз тот случай», — говорит Биггинс. Несмотря на то что ученые заинтересовались феноменом благодаря его необычности, этот эффект можно применить на практике, считает Биггинс. «В промышленности и технике людям приходится разматывать цепи и веревки с катушек довольно часто», — уверен он.

Кроме того, изученный феномен можно использовать на орбите в случаях, когда надо связать два или более спутника.

«Наша работа показала, что при разматывании цепи за ее свободный конец к тянущему усилию добавляется сила реакции катушки. Так что вы можете разматывать цепь с меньшей силой, используя более слабый мотор и затрачивая меньше энергии», — пояснил автор работы «Газете.Ru». Он добавил, что в более далекой перспективе подобный эффект можно использовать при строительстве космических лифтов – спутников, висящих на привязи над определенной точкой поверхности Земли.