Пальцы и яйцы

Есть старый вопрос: почему раскрученные одним и тем же движением руки сырое яйцо, и яйцо, сваренное вкрутую, вращаются по-разному, а именно, ‒ крутое яйцо крутится на столе много дольше, чем яйцо сырое. Этот факт подаётся как загадочный. Обычно предлагается такая версия: хотя масса и форма, представленных в эксперименте яиц одинаковы, одинакова и сила трения яйца о поверхность стола, и пальцы, закручивающие яйцо, вроде действуют примерно одинаково, ‒ вязкость содержимого сырого яйца тормозит вращение, а в варёном яйце проблемы вязкости нет, и оно крутится долго. Но такой подход к решению данной задачи похож на объяснение непонятного через неведомое. Как это (каков механизм) внутренние взаимодействия в яйце влияют на внешние характеристики движения яйца? Ведь известно, никакими внутренними взаимодействиями нельзя изменить момент импульса изолированной системы! Значит, остаётся одно, сырое и варёное яйцо получают при раскручивании разные значения момента импульса, несмотря на внешне одинаковый момент силы, прикладываемый пальцами к яйцам, в результате чего этот момент импульса (накопленное вращение) создаётся.

Поскольку инженер должен руководствоваться, прежде всего, головой, нормативной и справочной документацией, результатами тщательных испытаний, проведёнными по продуманной методике. Для начала разобьём несколько сырых яиц в плошку, и покрутим палочкой содержимое. Видим, содержимое яйца представляет собой похожую на клей субстанцию с ярко выраженной упругостью, а не жидкость типа воды или спирта.

Ясно, поворотом пальцев рук (по сути, щелчком) сырому яйцу мы не сможем придать такой угловой скорости, при которой его содержимое станет крутиться как помешиваемый ложкой чай в стакане. Так что же на самом деле происходит?

Нужно быть очень внимательным во время эксперимента, на что большинство любителей физики неспособно. Когда мы придаём вращение яйцу коротким щелчком, то при этом в коротком интервале времени щелчка в сыром яйце успеют придти во вращение (в движение) только скорлупа и близлежащие к ней слои белка, то есть только часть вещества яйца, а у сваренного яйца – всё вещество. Это можно было бы заметить, измерив прилагаемый пальцами момент силы, сырое яйцо раскручивается легче, но и получает много меньший момент импульса, чем яйцо варёное, поэтому и тормозится трением о поверхность стола сырое быстрее, чем варёное. Известно, что реальное воздействие на объект стремится к нулю, если скорость объекта приближается к скорости разгоняющего импульса.

Можно вместо собственно яиц, для демонстрации эффекта сырого яйца, использовать установки, изображённые на рисунке. Здесь в шарообразную оболочку помешается тяжёлый шарик.

В варианте 1 на дне оболочки присутствует простая жидкость, в которую погружён тяжёлый шарик, она же играет роль смазки. Трение в жидкости не зависит от давления, а трение о твёрдую поверхность пропорционально давлению. Здесь во вращение приведена только оболочка, Жидкость и шар во вращение не успели придти. В этом варианте конструкция легко раскручивается, да быстро останавливается. Накопленного вращения маловато.

В варианте 2 та же жидкость заморожена, шарик приморожен к оболочке, раскрутить эту конструкцию намного труднее, чем предыдущую, но и крутиться она (благодаря большому значению набранного момента импульса, аккумулированного вращения) она будет много дольше.

Вариант 3 ближе всего к сырому яйцу. В оболочке тут совсем нет жидкости, а тяжёлый шар подвешен внутри её на упругих растяжках. Крутанув такую конструкцию по часовой стрелке, можем через мгновение наблюдать даже её «откат» ‒ переход во вращение против часовой стрелки. В технике «эффект сырого яйца» давно освоен. Наверно многие встречались с амортизаторами на таких хитрых растяжках-подвесках.

Возможно, этот опус попытаются прочитать не только инженеры и просто умные люди, но и естественники, гуманитарии, физики-теоретики и математики.

Предвижу некоторые сложности с пониманием и вопросы, которые могут возникнуть у этих моих читателей. Ньютон в таких случаях включал в текст «поучения». Итак, для особо творческой интеллигенции и креативных менеджеров объясняю ещё раз.

Вопрос 1. Почему же всё-таки сырое яйцо получает и аккумулирует меньший момент импульса, чем яйцо, сваренное вкрутую или яйцо замороженное? Разве не одной и той же рукой их раскручивают!

Во-первых, ускоряемое (раскручиваемое) тело наращивает скорость (угловую скорость) движения и, следовательно, источнику силы для сохранения прикладываемого усилия (вращательного момента) приходится самому также ускоряться, то есть развивать всё большую мощность. Но пальцы действуют одинаково во всех случаях, и в случае с сырым яйцом, в какой-то момент уже «не догоняют» поверхность яйца для приложения усилия (а то и тормозят). Вот сырое яйцо, ускоряясь быстрее, и получает меньшее количество   вращения. Мысль эта проста, но многими воспринимается с трудом, следует напрячь мозги. Весьма ясно эту мысль сформулировал А. Гришаев: «Реальное воздействие на объект стремится к нулю, если скорость объекта приближается к скорости разгоняющего импульса».

Во-вторых, как в варианте 1, при приведении оболочки во вращение щелчком пальцев по ней (коротким рывком), находящийся внутри её в «луже» смазки (жидкости) тяжёлый шар, фактически проскальзывает, и не набирает таких оборотов, как оболочка. То есть во вращательное движение будет приводиться только лёгкая оболочка, и полученный момент импульса аккумулируется в основном только в лёгкой оболочке. У жидкостного трения (в нашем случае, трение шара о смазанную внутреннюю поверхность оболочки) нет трения покоя, и сила жидкостного трения слабо зависит от давления, для того смазка и существует. Потому-то и человек, упираясь шестом в стоящую у причала баржу, через некоторое время сдвигает её с места, а дружная толпа цыган сдвинуть паровоз с места так и не смогла – не смогла преодолеть даже трение качения.

Но вес оболочки, с шаром внутри, от вращения никак не изменялся, а величина силы сухого трения при вращении оболочки с шаром о твёрдую поверхность пропорциональна весу оболочки с шаром (зависит от давления), она будет одинаковой в вариантах 1 и 2. Но в варианте 1, аккумулированного только в оболочке вращательного движения, маловато будет для длительного сопротивления трению. А вот в варианте 2 (варёное яйцо) всё по-другому, тут вращение аккумулировано и в оболочке, и в шаре (его просто тупо больше). Поэтому конструкция в варианте 2, имея большие запасы вращательного движения, при прочих равных условиях, расходовать его на преодоление сухого трения до полной остановки будет дольше.

В варианте 1 на дне оболочки присутствует простая жидкость, в которую погружён тяжёлый шарик, она же играет роль смазки. Трение в жидкости не зависит от давления, а трение о твёрдую поверхность пропорционально давлению. Оболочка в этом варианте легко раскручивается, да быстро останавливается.

В варианте 2 та же жидкость заморожена, шарик приморожен к оболочке, раскрутить эту конструкцию намного труднее, чем предыдущую, но и крутиться она (благодаря большому значению набранного момента импульса) она будет много дольше.

Вариант 3 ближе всего к сырому яйцу. В оболочке тут совсем нет жидкости, а тяжёлый шар подвешен внутри её на упругих растяжках. Крутанув такую конструкцию по часовой стрелке, можем через мгновение наблюдать даже её «откат» - переход во вращение против часовой стрелки. В технике «эффект сырого яйца» давно освоен. Наверно многие встречались с амортизаторами на таких хитрых подвесках.

Конечно, если вместо пальцев использовать электродрель, то по теперь уже понятным причинам, поведение сырого и варёного яйца отличаться не будет. Пока не разобьются.