Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила - [113]

в) Предполагая, что этой силы отдачи как раз достаточно, чтобы поддерживать пулемет висящим в воздухе, вычислите скорость стрельбы.

Задача 27. Второй закон Ньютона в случае переменной массы

По горизонтальному участку пути движется товарный поезд.

Случай I. Поезд движется равномерно с постоянной скоростью.

Случай II. Поезд движется равноускоренно по прямому горизонтальному участку пути.

Случай III. Поезд, который первоначально покоился, внезапно трогается.

Случай IV. Поезд проходит с постоянной скоростью под неподвижным желобом; по желобу в открытые вагоны ссыпают уголь (падающий вертикально), который увеличивает массу поезда, при этом машинист принимает все меры, чтобы при загрузке скорость поезда поддерживалась постоянной.

Для каждого из четырех перечисленных случаев ответьте на следующие вопросы:

а) Изменяется ли количество движения поезда? (Дайте четкое обоснование вашему ответу.)

б) Если да, то какое внешнее тело или источник обусловливает появление силы, необходимой для этого изменения?

в) Какие силы действуют на уголь в случае IV, когда он достигает вагона, попадает в вагон и опускается на дно?

В свете рассмотренной только что задачи соотношение F = Δ(Mv)/Δt представляется более удачным вариантом формулировки второго закона Ньютона, чем соотношение F = M∙a. Почему?

Задача 28.

На плоту, покоящемся на поверхности озера, стоит мальчик. Мальчик начинает шагать по плоту, описывая большой круг, и продолжает двигаться по кругу с постоянной скоростью. (Сопротивлением воды можно пренебречь.)

Как будет вести себя плот? (Попытайтесь сообразить, что произойдет. Ответ будет подсказан в гл. 22[139])

Глава 9 Течение жидкостей и газов

«Причудлив парадокса путь —

С ним здравый смысл ты позабудь.»

У. С. Гильберт

Как может летящий мяч «завернуть» в сторону? Почему поток воздуха в пульверизаторе засасывает жидкость вверх, а не гонит ее вниз? Эти и множество других причуд в поведении ветра и текущей воды при ближайшем рассмотрении оказываются примерами ускоренного движения, подчиняющегося второму закону Ньютона. Когда подталкивают автомобиль и он начинает двигаться быстрее, это никого не удивляет. Можно было бы ожидать, что ускоренное движение жидкости будет приводить к столь же привычным результатам. Однако же на самом деле мы сталкиваемся тут с рядом неожиданных эффектов. Эти эффекты были исследованы математиком Бернулли и потому получили его имя. Некоторые из них используются в различных областях физики, другие помогают понять сущность важных явлений. Мы рассмотрим несколько таких эффектов и покажем, что они возникают как следствие обычных законов механики.

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Опыты 1 и 2 демонстрируют два «парадокса Бернулли».

Опыт 1. Поток воздуха в стеклянной воронке притягивает легкий шарик (фиг. 221).

Поток воздуха, направленный вниз, втягивает, несмотря на силу тяжести, шарик в воронку и удерживает его там. За счет чего происходит этот подъем, как будто противоречащий здравому смыслу? В горловине поток воздуха, сжатый в узком промежутке, должен двигаться быстрее, и, казалось, можно было ожидать, что он вытолкнет шарик, а между тем шарик втягивается в воронку.

Фиг. 221. Струя воздуха поднимает шарик и удерживает его в воронке.

Опыт 2. Струя воздуха может поддерживать легкий шарик (фиг. 222).

Если струю повернуть, шарик удерживается около нее и не падает. Струя воздуха ударяет в шарик, и мы снова ждем, что поток должен оттолкнуть шарик, однако этого не происходит.

Фиг. 222.Струя воздуха поддерживает шарик.

Ламинарное и турбулентное течения

Для объяснения этих парадоксов надо изучить свойства ламинарного спокойного течения. Когда по трубке течет установившийся поток жидкости или газа, отдельные части потока движутся вдоль плавных линий тока, форма которых определяется стенками трубки (фиг. 223 и 224).

При более быстром потоке линии тока около препятствия в трубке могут закручиваться в виде вихрей или водоворотов, а при еще большей скорости даже в прямой трубке линии тока исчезают в беспорядке бурного турбулентного движения.

Фиг. 223.Линии тока около препятствия.

_{а — ветер дует над неподвижным автомобилем; б — река течет мимо неподвижной рыбы.}

Фиг. 224.Линии тока жидкости в трубке.

Опыт 3. Линии тока в медленно текущей воде можно продемонстрировать с помощью чернил (фиг. 225) или с помощью кристаллов красителя (перманганата калия), которые окрашивают проходящий мимо них поток воды (фиг. 226)[140].

Фиг. 223.Демонстрация линий тока.

_{Из узкой щели в бачке вода стекает между двумя стеклянными пластинками. Линии тока обозначаются чернилами, вытекающими из точечных отверстий вдоль щели. На среднем рисунке линии тока искажены препятствием, имеющим форму поперечного сечения крыла самолета.}

Фиг. 226. «Родник и сток» в озере.

_{Вода течет в узком пространстве, ограниченном крышкой стола и стеклянным листом. Небольшой постоянный поток подается через одну трубку и отводится через другую. Кристаллы красителя, рассыпанные на столе, окрашивают линии тока.}

Опыт 4. Если двигать ложку в тарелке с супом или палец в тазу с водой, на поверхность которой посыпан порошок, то за ними остаются «вихри» (водовороты). Струйка красителя, вводимая в текущую по трубе воду, при медленном течении следует вдоль линии тока, но если скорость потока превысит критическую, она начинает колебаться, разбиваться на вихри и растворяться в общем бурном потоке, так что окраска распространяется по всей воде (фиг. 227).