В новом выпуске программы StarTalk знаменитый астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий, комик Чак Найс, разбирают физику одного из самых древних изобретений человечества — колеса. Несмотря на кажущуюся простоту темы, Тайсон доказывает, что динамика вращающегося колеса полна парадоксов, включая точки с нулевой скоростью и даже детали поездов, которые в любой момент времени движутся в обратном направлении.
🛑 Парадокс неподвижной точки: почему часть машины всегда стоит 0:00
Разговор начинается с ироничного замечания Тайсона о том, что тема может показаться слишком «приземленной» или даже скучной . Однако он быстро переходит к первому физическому парадоксу: в любой момент времени, пока автомобиль движется по дороге, определенная его часть имеет нулевую скорость относительно земли.
По словам Тайсона, физика катящегося колеса диктует следующие условия:
- Точка контакта: В тот самый миг, когда резина касается дорожного покрытия, её скорость равна 0 миль в час . Если бы эта точка двигалась, это означало бы, что машина находится в состоянии заноса или пробуксовки . Именно отсутствие движения в точке контакта позволяет колесу «отталкиваться» от дороги и толкать автомобиль вперед.
- Центр колеса (ось): Эта точка движется ровно с той скоростью, которую водитель видит на спидометре .
- Верхняя точка: Самая верхняя часть шины в любой момент времени движется ровно в два раза быстрее, чем сам автомобиль . Если машина едет со скоростью 60 миль в час, верхушка её колеса несется вперед со скоростью 120 миль в час .
Чак Найс признается, что поначалу скептически отнесся к теме колес, но это объяснение заставило его изменить мнение . Тайсон подчеркивает, что это не просто интересное наблюдение, а фундаментальная геометрия и физика любого колесного транспорта на оси .
🚂 Поезда, едущие назад: секрет железнодорожных реборд 4:41
Еще более удивительный факт Тайсон приводит на примере железнодорожного транспорта. Колеса поездов имеют специальный выступающий край — реборду (фланец), который удерживает состав на рельсах и не дает ему сойти с пути .
Эта конструктивная особенность порождает уникальный физический эффект:
- Реборда опускается чуть ниже уровня головки рельса, то есть ниже основной точки контакта колеса и металла .
- Как уже было установлено, в точке контакта скорость равна нулю. Все, что находится выше, движется вперед.
- Соответственно, любая часть колеса, которая находится ниже точки контакта с рельсом, в этот момент неизбежно движется назад относительно направления движения поезда .
Тайсон утверждает, что в каждом движущемся поезде всегда есть части, которые физически перемещаются в обратном направлении относительно железнодорожного полотна . Чак Найс в шутку замечает, что это знание пригодилось бы злодеям из немого кино, привязывающим жертв к рельсам .
📡 Теоретический «стелс» для радаров: можно ли обмануть полицию? 6:41
Основываясь на том, что разные части колеса движутся с разной скоростью (от нуля до двойной скорости машины), Тайсон предлагает гипотетический сценарий обмана полицейских радаров .
По мнению ученого, если закрепить на колесе устройство, транслирующее микроволновый сигнал, теоретически можно манипулировать данными о скорости . Полицейский радар фиксирует отраженный сигнал от кузова, но если перебить его более мощным сигналом, идущим от точки на колесе между центром и землей, можно «сообщить» радару любую желаемую скорость — например, 30 миль в час вместо реальных 60 .
Тайсон, впрочем, делает несколько оговорок:
- Инженерная реализация такого устройства была бы крайне сложной, так как оно должно вращаться вместе с шиной .
- Выбирать «нулевую» скорость не стоит — полицейский сразу поймет, что прибор врет .
- Ведущий предупреждает, что объяснение физики процесса вряд ли поможет водителю в суде, если его все-таки остановят .
📐 Колеса без круга: двигатель Ванкеля и фигуры постоянной ширины 9:01
В завершение беседы Тайсон касается темы некруглых колес, вспоминая роторно-поршневой двигатель Ванкеля . В его основе лежит фигура, похожая на равносторонний треугольник с выпуклыми сторонами (треугольник Рело).
Особенность этой геометрии заключается в следующем:
- Постоянная ширина: Расстояние от нижней до верхней точки такой фигуры остается неизменным при вращении, несмотря на то, что она не является кругом .
- Плавность хода: Если положить доску на такие «треугольные» катки и покатить их, доска будет двигаться идеально ровно, без колебаний по вертикали .
Тайсон вспоминает, что в седьмом классе на уроках труда сам изготавливал подобную фигуру из дерева . Он отмечает, что мы привыкли считать центральную ось обязательным атрибутом плавного хода, но геометрия позволяет создавать формы, где «верх» всегда находится на одном расстоянии от «низа», даже если центр при этом совершает сложные движения . Собеседники договорились в будущем посвятить отдельный выпуск истории различных двигателей и их эффективности в преобразовании химической энергии в кинетическую .
