Как работают настоящие инструменты

Рычаги, колеса и наклонные плоскости – научная тайна, окружающая почти все известные нам инструменты. Большинство устройств и приспособлений, которыми мы пользуемся при самостоятельном ремонте, как правило, объединяют в себе две-три умные идеи, что приносит отличный результат.

Тачки

Тачка – отличный образец того, как несколько простых машин соединены в одно очень нужное приспособление. Тачка опирается на ось переднего колеса и работает как рычаг. Если вам нужно переместить тяжелый груз, лучше всего положить его в переднюю часть тачки, ближе к колесу. Опирающийся на колесо длинный металлический контейнер и присоединенные к нему ручки работают по принципу рычага, облегчая поднятие тяжестей. Когда вы поднимаете тачку и толкаете ее вперед, вы используете все физические преимущества колеса, опирающегося на переднюю ось. А если вам нужно высыпать содержимое в грузовик, вам здорово помогут пологие мостки, ведущие к кузову.

Оси

Если вам нужно расколоть деревянные чурбаки, необходим мощный тяжелый колун. Его длинная ручка работает как рычаг, продолжая замах ваших рук, которые опираются на ваши плечи. Те, в свою очередь, используют рычаг верхней части тела, опирающейся на поясницу. А если вы сделаете более энергичный замах, то можете включить в движение и ноги, которые прочно опираются о поверхность земли. Таким образом, в этой работе вы задействуете сразу три рычага. Их задача в том, чтобы придать максимальное ускорение лезвию топора. Само заостренное лезвие и клиновидная форма топора работают по принципу наклонной плоскости. Когда лезвие вонзается в дерево, последнее раздвигается по диагонали под действием большой силы, возникающей благодаря клиновидной форме колуна. Это похоже на перемещение тачки вверх по наклонной плоскости.

Молотки

Принцип работы молотка не отличается от принципа работы топора. Чем длиннее у молотка ручка, тем больше плечо рычага, когда вы размахиваетесь, и с тем большей силой происходит удар. Но с помощью молотка вы делаете другую операцию: пытаетесь загнать гвоздь как можно глубже в стену или доску. Молоток помогает вам достичь этой цели двояко. Поскольку его головка по площади значительно больше шляпки гвоздя, сила удара сосредоточивается на маленькой поверхности. Это сообщает гвоздю высокую силу проникновения, и он легко входит в стену.

Вдобавок молоток значительно тяжелее гвоздя. Представьте себе, что молоток и гвоздь – это бутса футболиста и мяч, которые соприкасаются во время удара. Чем быстрее движется бутса (надетая на стопу мускулистой ноги, увеличивающей плечо рычага, который ускоряет движение ноги спортсмена), тем большей кинетической энергией она обладает. Из закона сохранения энергии мы знаем, что суммарная энергия ноги и бутсы до удара по мячу должна быть равна суммарной энергии ноги, бутсы и мяча после удара. Если нога футболиста в этот момент останавливается, то вся энергия переходит на мяч[40]. Поскольку он меньше и легче ноги спортсмена и бутсы вместе взятых, он летит по своей траектории с большой скоростью. То же происходит с молотком и гвоздем: обычный гвоздь весит в 100 раз меньше, чем обычный молоток. Большая разница в их массе позволяет загнать гвоздь глубоко в стену.

Цилиндры

Многое из того, что в обычной жизни мы не воспринимаем как инструменты, работает по строго научным принципам. Например, цилиндры передают постепенное давление поршня на жидкость, что приводит к ее выбросу в любое узкое отверстие на ее пути. Понять принцип действия цилиндра легко, если помнить, что жидкости почти не сжимаются. Попробуйте сдавить литр воды в хотя бы немного меньший объем – и вы поймете, что это невозможно. Именно поэтому падение на живот на водную поверхность гораздо болезненнее, чем падение на матрас. А прыжок в реку с высокого моста часто заканчивается летальным исходом. Молекулы воды сопротивляются сжатию примерно так же, как твердая почва под домом предотвращает его проваливание в грунт. Падение в воду на большой скорости практически равнозначно по эффекту падению на бетон.

▲ Вода в движении. 1. В водяном пистолете вы нажимаете на широкий поршень с относительно большой силой. В результате вода поступает в более узкий цилиндр и выталкивается из пистолета с большой скоростью, но значительно меньшей силой. Гидравлические подъемники в гаражах работают по обратному принципу. В них вы оказываете давление на жидкость, находящуюся в узком цилиндре, которая давит на поршень, передающий давление в более широкий цилиндр, двигая стрелу башенного крана (или ковш экскаватора) вверх и вниз [41].

Наука и спортивные снаряды

Если вы не любитель самостоятельного ремонта, вы, скорее всего, с трудом различаете типы отверток и вовсе не интересуетесь техническими характеристиками дрели и вопросом, почему она работает. Но прожить без простых машин все же трудно. Вся кухонная утварь (от ножей, которые используют принципы рычага и клина, до миксеров, которые использует различные колесики и передачи) в большинстве своем основана на одних и тех же научных принципах. Они применяются и в вашем автомобиле: всевозможные рычаги, колеса, передачи и даже гидравлические тормоза (которые, по сути, являются теми же цилиндрами). Даже если вы расслабляетесь по выходным, вокруг вас опять же действуют принципы физики – когда вы занимаетесь бегом или плаванием, играете в футбол или гольф (во всех этих видах спорта руки и ноги человека используются как рычаги).

Если оставить в стороне все сложные вопросы стратегии и тактики игр с мячом, все они, по сути, сводятся к одному: как наиболее эффективно передать энергию от тела мячу (иногда используя бейсбольную биту или другое приспособление) так, чтобы он полетел как можно дальше по заранее заданной контролируемой траектории. В футболе вы используете свои ноги для того, чтобы применить в отношении мяча принцип рычага и сообщить ему импульс. Соотношение масс ноги и мяча определяет, насколько эффективно энергия передается мячу. Чем дольше соприкосновение вашей ноги с мячом, тем больше импульс , определяющий продолжительность приложения силы к объекту, и тем больше количество движения снаряда. Именно поэтому спортсмены так много внимания уделяют «сопровождению удара» (продолжению движения конечностей для продления контакта с мячом). Спортивный физик из Австралии Род Кросс подсчитал, что теннисисты, игроки в софтбол и бейсбол наиболее эффективно передают энергию тела мячу тогда, когда их руки примерно в шесть раз тяжелее биты, а бита примерно в шесть раз тяжелее мяча[42]. Вот почему мяч с такой скоростью отлетает после удара битой или теннисной ракеткой: вся энергия спортивных снарядов должна куда-то уходить.

Гольф освоить сложно, поскольку основной его прием – свинг, то есть замах с ударом, – основан одновременно на многих законах физики. Всё ваше тело вращается вокруг бедер, создавая эффект рычага, в тот же момент, когда вращается и ваша клюшка, также используя принцип рычага, но в другой плоскости. Клюшка передает свою энергию мячу в зависимости от того, насколько правильно и насколько долго она находится в контакте с ним. Как и в теннисе, здесь важно соотношение масс ракетки, клюшки и мяча. Плюс ко всему при ударе мы обязаны учитывать законы баллистики и аэродинамики (угол возвышения и полета мяча, при котором он пролетит наибольшее расстояние; то воздействие, которое оказывают на мяч специальные ямочки на его поверхности, которые в принципе должны делать его более устойчивым; эффект обратного вращения, или подкрутки и т. д.). Сложите все эти факторы, и вы получите сложную задачу, которую ваш мозг должен приучиться решать путем применения принципа «совершенство достигается только практикой».

Наука на службе спорта

Чемпионы не могут не думать о научных достижениях в своих видах спорта – ведь для них малейшее улучшение результата может иметь решающее значение. Но наукой не следует пренебрегать и любителям. Она развивается по так называемому научному методу , который состоит в выдвижении гипотез на основе наблюдений и постепенного сбора всё большего числа надежных доказательств с использованием экспериментов. Например, я научился плавать, рассматривая передвижение человеческого тела в воде в качестве научной проблемы. Согласно третьему закону Ньютона, вы должны отталкивать воду назад, чтобы двигаться вперед, и вертикально ударять по ней ногами, чтобы оставаться на плаву. Вот и вся теория. Несколько простых бултыханий около берега показали, что она вполне работоспособна. Во всех ваших занятиях: высококлассном теннисе или скоростном нарезании моркови на кухне – применим тот же принцип. Потратьте немного времени на осмысление научной основы любого дела – а затем используйте ее, чтобы добиваться победы.