Вот три умных приема, основанных на понимании сил трения, которые помогут избежать скользкой дорожки. 
Фотография: Getty Images Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Не знаю, кто придумал это безумное испытание, но идея в том, чтобы поместить человека в выдолбленную ледяную чашу и посмотреть, сможет ли он выбраться. Посмотрите! Чаша имеет форму внутренней части сферы, поэтому чем выше вы поднимаетесь по её стенкам, тем круче становится склон. Если вам кажется, что ледяной тротуар скользкий, попробуйте подняться по нему в гору.
Что вы делаете, столкнувшись с подобной проблемой? Конечно же, создаёте физическую модель. Начнём с моделирования ходьбы людей по ровной поверхности, а затем применим её к скользкому склону. На самом деле существует три возможных плана эвакуации, и я использовал эту модель для создания анимаций, чтобы вы могли увидеть, как они работают. Итак, начнём с главного:
Как люди ходят?
Когда вы идёте от входной двери к почтовому ящику, вы, вероятно, не задумываетесь о механике процесса. Вы ведь решили эту задачу ещё в раннем детстве, верно? Но именно этим и занимаются учёные: мы задаём вопросы, над которыми никто никогда не задумывался.
Кстати, вы когда-нибудь задумывались, почему лед скользкий? Верите или нет, мы не знаем. Прямая причина в том, что на его поверхности есть тонкий, водянистый слой. Но почему? Эта жидкая пленка существует даже при температуре ниже точки замерзания. Физики и химики спорят об этом уже столетия.
В любом случае, чтобы начать ходить, должна действовать сила, направленная в сторону движения. Это потому, что изменение движения — это разновидность ускорения, а второй закон Ньютона гласит, что результирующая сила, действующая на объект, равна произведению его массы и его ускорения ( F = ma ). Если есть ускорение, значит, должна существовать и результирующая сила.
Так что же это за сила, которая толкает вас вперед? Когда вы делаете шаг и отталкиваетесь задней ногой, ваши мышцы оказывают на Землю силу, направленную назад. А третий закон Ньютона гласит, что каждое действие вызывает равное и противоположно направленное противодействие. Это означает, что Земля оказывает на вас силу, направленную вперед, которую мы называем силой трения.
Величина этой силы трения зависит от двух факторов: (1) конкретных контактирующих материалов, что выражается коэффициентом ( μ ) — числом, обычно находящимся в диапазоне от 0 до 1, причем меньшие значения означают большую скользкость и меньшее сцепление. И (2) силы, с которой эти поверхности сжимаются, которую мы называем нормальной силой ( Н ).
Нормальная сила — довольно странное понятие для новичков в физике, поэтому позвольте мне объяснить. Нормальная сила — это сила, перпендикулярная поверхности контакта. Это сила, направленная вверх, которая предотвращает ваше падение сквозь пол под действием силы тяжести. Если вы стоите на ровной поверхности, эти две силы будут равны и противоположны по направлению, взаимно компенсируя друг друга, поэтому вертикального ускорения не будет.
И последнее замечание: существует два разных типа коэффициентов трения. Первый — это когда у вас есть два неподвижных объекта, например, пивная кружка на барной стойке, и вы хотите знать, с какой силой вы можете толкнуть, прежде чем она начнет двигаться. Этот предел определяется коэффициентом статического трения ( μs ).
Затем, когда бармен сдвигает вашу кружку по барной стойке, сопротивление трения, определяющее, как далеко она продвинется, определяется коэффициентом кинетического трения ( μk ). Обычно он ниже, потому что поддерживать движение чего-либо проще, чем начать его.
Теперь мы можем количественно оценить статические ( Ffs ) и кинетические ( Ffk ) силы трения:
Теперь рассмотрим статическое трение, которое имеет значение для ходьбы. Когда вы отталкиваетесь от земли задней ногой, вам необходимо надежное сцепление, чтобы продвигать тело вперед. Обратите внимание, что соотношение для силы Ffs выше представляет собой неравенство. Это означает, что существует максимальная сила, которую вы можете приложить, прежде чем потеряете сцепление. Именно поэтому в автомобиле, если вы слишком резко разгоняетесь с места, ваши шины просто будут вращаться на месте.
На этом этапе мы могли бы подставить числа. Существуют таблицы коэффициентов для самых разных материалов. Для резиновых подошв обуви на асфальте μs равно 0,9. А на ровной поверхности N равно силе гравитации, действующей на вас, — то есть вашей массе ( m ) умноженной на гравитационное поле Земли ( g ). mg — это то, что вы обычно называете своим «весом», поэтому, возможно, N равно 150 фунтам.
Сопоставив это с нашим предыдущим уравнением F = ma , вы увидите, что максимально возможное ускорение вперед будет тем больше, чем выше коэффициент трения и нормальная сила:
А теперь давайте перенесёмся на лёд! Вместо хорошего коэффициента сцепления 0,9, резиновые подошвы обуви на льду имеют коэффициент статического трения всего 0,1 — практически ноль. Вот почему по льду нужно ходить очень-очень медленно. Попробуйте перепрыгнуть через лужу, и можете быть уверены, что приземлитесь в неё.
Ходьба по склону
А что, если вы хотите идти в гору? Давайте на мгновение вернемся к асфальту. Что здесь меняется? Нормальная сила по-прежнему действует в направлении, перпендикулярном поверхности контакта, но это направление больше не перпендикулярно силе тяжести. Вот диаграмма сил, чтобы показать вам, что происходит:
На самом деле, на наклонной поверхности нормальная сила ( N ) уменьшается с увеличением угла наклона ( θ ). Именно поэтому вы не можете подняться по вертикальной стене — если вы когда-нибудь задавались этим вопросом — нормальная сила падает до нуля, а это значит, что силы трения нет вообще.
Прогулка по ледяной чаше
Итак, переходим к сути: что, если этот склон — внутренняя поверхность ледяной чаши? Из того, что вы теперь знаете, видно, что здесь две проблемы: во-первых, коэффициент трения чрезвычайно низок. А во-вторых, поскольку это сферическая чаша, склон становится круче по мере подъема, что быстро уменьшает нормальную силу. Даже просто стоя на месте, максимальный угол, под которым вы могли бы оставаться неподвижными, не соскальзывая вниз, составил бы 5,7 градуса. Поверьте, это не очень круто.
Итак, вы не можете выйти из чаши пешком. Тем более вы не можете взбежать по стене, потому что это немедленно превысит вашу максимальную силу трения. А если чаша маленькая, как насчет прыжка? Ну, знаете, что нужно, чтобы прыгнуть под углом? Правильно, сила трения.
Но не всё безнадёжно. Мы можем использовать наши знания о силах трения себе на пользу. На самом деле, есть три способа, которые помогут выбраться из этой затруднительной ситуации.
Метод 1: Не застревайте
Начиная это ледяное испытание, большинство людей просто наступают на край чаши и скатываются вниз. Затем они застревают. Да, вы получаете кинетическую энергию, скатываясь вниз, но также присутствует кинетическое трение (даже небольшое), которое постепенно уменьшает вашу энергию. Вот как это выглядит:
Видео: Ретт АлленНо не будьте наивными и не застревайте; сделайте вот что: приближаясь к ледяной чаше, не сбавляйте скорость — ускоряйтесь! Вы снова будете скользить вниз к центру, но поскольку вы начали движение с некоторой скоростью, вы все еще будете двигаться внизу. Это значит, что вы (надеюсь) сможете скользнуть вверх по другой стороне чаши и достичь края, прежде чем остановитесь и снова скатитесь вниз. Посмотрите:
Видео: Ретт АлленВы свободны, потому что никогда не попадали в ловушку.
Метод 2: Взаимный обмен
По льду можно ходить — нужно лишь очень небольшое ускорение. На дне чаши лед плоский, поэтому можно сделать несколько маленьких шагов. Вскоре вы начнете скользить назад, но вместо того, чтобы сдаться в этот момент, развернитесь и идите обратно к центру. С помощью небольшого трения вы сможете быстро добраться до дна. Продолжайте подниматься по противоположной стороне и идите, пока не потеряете сцепление с поверхностью. Поскольку вы начали с ненулевой скоростью, на этот раз вы сможете подняться немного выше. Повторяйте этот процесс туда и обратно, пока не окажетесь в конце:
Видео: Ретт АлленМетод 3: Ходьба по кругу
Когда вы едете по шоссе и проходите большой поворот, сцепление с дорогой кажется более надежным, если она имеет наклон, верно? Почему так? Вспомните, второй закон Ньютона гласит, что результирующая сила равна произведению массы и ускорения. Но ускорение означает не только увеличение скорости; изменение направления движения также является ускорением, направленным к центру кругового движения.
Как мы уже говорили, нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности, поэтому на вираже дорога буквально давит на ваши шины. Чем быстрее вы едете, тем больше ускорение и тем больше нормальная сила. И, как мы видели выше, сила трения пропорциональна этой нормальной силе. Таким образом, ускоряясь на вираже, вы фактически увеличиваете силу трения.
Вот как можно использовать эти знания: начните с центра и двигайтесь по крошечному кругу. Он должен быть крошечным, потому что лед плоский. Но теперь вы можете двигаться по кругу большего радиуса с более крутым углом наклона. Это означает, что вы получите большую нормальную силу и, следовательно, большую силу трения. Вы будете двигаться по расширяющейся спирали, пока не доберетесь до края.
О, вы же знаете, я тоже сделала для этого анимацию. Вот она:
Видео: Ретт АлленТы снова сбежал. Физика побеждает!
Источник: www.wired.com
