В новом видеоролике научно-популярного канала Veritasium его ведущий Дерек объединяет усилия с физиком Родом Кроссом из Сиднейского университета, чтобы исследовать реальное влияние воздуха на летящие объекты. В то время как школьные учебники физики часто предлагают игнорировать сопротивление среды ради простоты вычислений, ученые наглядно демонстрируют, как вращение заставляет предметы нарушать привычные законы кинематики. Ключом к разгадке этого феномена становится сила Магнуса — удивительное физическое явление, управляющее полетом как бумажных цилиндров, так и спортивных мячей.
🌀 Парадоксальный эксперимент на рампе 0:00
Обычно при обучении студентов кинематике преподаватели намеренно опускают влияние атмосферы, фокусируясь исключительно на силе тяжести. Однако воздух — это реальная, плотная и тяжелая субстанция, которая напрямую воздействует на траекторию абсолютно любого летящего тела. Чтобы доказать это, Род Кросс и Дерек провели простой, но крайне контринтуитивный эксперимент.
Сначала исследователи запустили обычный теннисный мяч по наклонной рампе. Как и ожидалось, покинув конструкцию, мяч полетел по классической параболической траектории, полностью соответствующей стандартным математическим прогнозам. Но когда ученые заменили его на сверхлегкий бумажный цилиндр весом всего около одного грамма, поведение объекта кардинально изменилось.
Вместо того чтобы лететь вперед, закрученный цилиндр после скатывания неожиданно устремился назад, описав петлю в воздухе. На первый взгляд это кажется невозможным, ведь изначально объект катился по рампе вперед. Тем не менее цилиндр демонстрирует этот трюк при каждой попытке.
📜 От пушечных ядер до законов физики 1:06
Этот удивительный феномен движения назад объясняется действием так называемой силы Магнуса, которая возникает при взаимодействии вращающегося тела с потоком газа или жидкости.
Свое название эффект получил в честь немецкого ученого Генриха Густава Магнуса. Именно он в середине XIX века первым детально исследовал это явление, пытаясь выяснить причину, по которой артиллерийские пушечные ядра опасно отклонялись от заданной траектории во время полета.
Род Кросс объясняет, что когда шар или любой другой симметричный объект вращается в воздухе, возникает гидродинамическая сила, направленная строго перпендикулярно оси вращения:
- Если объект имеет верхнее вращение (топ-спин) или закручен по часовой стрелке, возникающая сила направлена вниз.
- Если объект обладает обратным вращением (бэк-спин) или закручен против часовой стрелки, сила Магнуса направлена вверх, создавая мощный подъемный эффект.
🌪️ Как трение и закон Ньютона создают подъемную силу 1:45
Физика процесса кроется в поведении воздушных потоков вокруг движущегося тела. Когда вращающийся мяч летит вперед, встречный воздух обтекает его по направлению от передней части к задней. В этот момент в силу вступает трение между поверхностью объекта и окружающим воздухом.
На одной из сторон мяча (например, сверху) направление его вращения совпадает с направлением набегающего воздушного потока. В результате воздух увлекается шероховатой поверхностью, ускоряется и плавно отклоняется вниз у задней кромки объекта.
На противоположной стороне (снизу) поверхность мяча движется навстречу воздушному потоку. Из-за этого столкновения воздух резко затормаживается и прекращает плавное обтекание.
В итоге вся масса окружающего воздуха отклоняется в одну сторону — в данном примере вниз. Согласно третьему закону Ньютона, любому действию всегда есть равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Отбрасываемый вниз воздушный поток с аналогичной силой толкает сам мяч в противоположном направлении — вверх. Именно эта сила заставила легкий бумажный цилиндр полететь вспять во время эксперимента.
⛳ Сила Магнуса на службе у профессиональных спортсменов 2:24
Люди, профессионально играющие в спорт, активно используют этот эффект на практике, даже если никогда не слышали термин «сила Магнуса». Придавая мячу вращение, они заставляют его изгибать свою траекторию в воздухе гораздо сильнее, чем под действием одной лишь гравитации.
В разных видах спорта это дает уникальные тактические преимущества:
- Гольф: Спортсмены намеренно подсекают клюшкой мяч, придавая ему сильное обратное вращение (бэк-спин). Возникающая вертикальная подъемная сила удерживает мяч в воздухе значительно дольше, позволяя ему улетать на максимальные дистанции.
- Теннис: Игроки наносят удары с верхним вращением (топ-спин). Сила Магнуса начинает давить на теннисный мяч сверху, заставляя его резко «нырять» вниз на корт сразу после того, как он пролетает над сеткой. Это позволяет атаковать на высокой скорости без риска вылета мяча в аут.
- Бейсбол и крикет: Питчеры и боулеры закручивают мяч вокруг вертикальной оси. В таком случае сила начинает действовать в горизонтальной плоскости, уводя мяч влево или вправо прямо в полете. Это сильно дезориентирует бьющего игрока, которому становится гораздо сложнее попасть по снаряду.
🎈 Другие аэродинамические силы в игре 3:13
Сила Магнуса — далеко не единственный воздушный эффект, о котором нужно помнить физикам и спортсменам. Род Кросс напоминает, что на летящие тела воздействует целый комплекс сил:
- Выталкивающая (архимедова) сила: Актуальна для легких объектов, например, наполненных газом воздушных шаров.
- Сила лобового сопротивления (драг): Направлена строго против движения объекта и постепенно замедляет его скорость.
- Боковая сила швов: Специфическое явление, возникающее, если на поверхности мяча есть выступающие швы (как на бейсбольных или крикетных мячах).
Изучение швов и их влияния на турбулентность воздушных потоков — это отдельная сложная тема, которой авторы Veritasium обещают посвятить один из следующих выпусков.
