Почему предметы, которые тянут вниз, могут полететь вверх?

Александр Березин — 15 января 2014 года, 16:46

Помнится, во времена Ньютона видеокамер ещё не продавали. И это избавило учёного мужа от одного мучительного вопроса: если яблоки всегда падают вниз, то почему некоторые шарики, перед тем как сделать это, напротив, поднимаются вверх?

Кроме шуток:
Легко видеть, что речь идёт о реальном физическом феномене, и, казалось бы, его легко объяснить. Стив Молд (Steve Mould), представивший это вирусное видео, так и сделал: падающая цепь имеет момент, направленный вниз, поэтому шарики, покидающие ёмкость под действием цепи, сначала идут вверх просто по инерции, делая это до тех пор, пока гравитация не останавливает их.

Типичное логичное, красивое и неправильное объяснение, замечает Джон Биггинс (John Biggins) из Кембриджского университета (Великобритания). Если бы всё было так гладко и логично, то самая верхняя часть цепи оставалась бы в одной и той же точке кривой, подобно тому как мяч, подбрасываемый в воздух, поднимается лишь до определённой высоты. На видео же такого поведения нет: после начала движения верхняя точка траектории шариков явно со временем поднимается.

На самом деле, утверждает учёный, импульс шарики получают от ёмкости, из которой их разматывает цепь, — поскольку ёмкость эту тянут. С его точки зрения, цепь — это не гибкая последовательность изолированных шариков, а, напротив, последовательность сравнительно жёстких на небольших временных отрезках участков. В такой модели каждый участок состоит из трёх шариков и двух соединений между ними. Размер «жёсткого» участка соотносится как один к двум к количеству шариков, которые помещаются в секцию цепи, поворачивающуюся сверху донизу на 180° (шесть шариков).


Когда цепь забирает трёхшариковый отрезок из ёмкости, прикладывая направленную вверх силу к одному концу отрезка, происходят две вещи. Нижняя часть участка подниматься «не собирается» и действует на него в обратном направлении, что в итоге и ведёт к образованию «фонтана» из её звеньев.

Как доказать, что эта точка зрения верна, а первый сценарий ошибочен? Г-н Биггинс вместе со своим коллегой Марком Уорнером (Mark Warner) поставили эксперимент, в котором шарики в цепи были соединены волокнами — а следовательно, почти полностью закрывалась возможность жёсткой связи. В итоге «фонтан» из шариков так и не образовался:
Впрочем, нельзя сказать, что это объяснение полностью снимает проблему. Из исследования вытекает, что цепь, падающая с определённой высоты, должна давать «фонтан» устойчивого размера. Между тем высота последнего на практике подвержена значительным вариациям, которые, в свою очередь, требуют своего объяснения, подчёркивает Джеймс Ханна (James Hanna) из Политехнического университета Виргинии (США).

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the Royal Society A.

А вот и тот самый Стив Молд с его опытом:



Подготовлено по материалам Nature News.