кандидат физико-математических наук А. Зайцева
«Блинчики» на воде по-научному

Кто из нас не бросал плоские камешки по гладкой поверхности воды в надежде заставить их подпрыгнуть хотя бы разок-другой? Пускать „блинчики“, „печь блины“, запускать „лягушек“ или „жабок“ — вот лишь некоторые названия этой пляжной забавы. Все знают, что добиться даже двух-трёх подпрыгиваний не так-то просто: придётся потренироваться, каждый раз подолгу выискивая в песке подходящую гальку. Правильно подобрать и бросить камешек — целое искусство. А вот французские физики решили подойти к делу с научных позиций. Изучив поведение „прыгающих“ по воде дисков, исследователи не только обосновали факты, уже известные любителям „блинчиков“, но и сделали настоящее открытие.

Я не пренебрегаю никаким опытом, каким бы пустяковым он ни казался на первый взгляд.
Я думаю, что игра маленьких мальчиков достойна быть объектом исследования философов.

Роберт Бойль (1627–1691)

Плоский камень подберу в песке,
Приоткинусь чуть, прицела ради,
Размахнусь — и
Жахну по реке,
По её зеркально-чистой глади.

А. Тимиркаев

Игра всех времён и народов

Искусство пускания „блинчиков“ известно, по крайней мере, с античных времён. Древние греки нередко развлекались, запуская в море найденные на берегу ракушки, камни и глиняные черепки. О состязаниях по бросанию ракушек, называвшихся „эпистокистос“ (от греч. остакиа — ракушка), упоминает греческий лексикограф Юлий Поллукс (II век н. э.). Победителем считался тот, чья ракушка подпрыгнет наибольшее число раз. Римский христианский писатель Марк Минуций Феликс (II–III века н. э.) в своём „Октавии“ оставил подробное описание аналогичных состязаний, где вместо ракушек использовали плоскую гальку округлой формы.

В Средние века традиция бросать камешки, судя по всему, не прерывалась. Так, в Англии с XII века стала популярной игра „ducks and drakes“ (утки и селезни), суть которой заключалась в бросании вдоль поверхности воды камней или устричных раковин. Когда раковина подпрыгивала первый раз, говорили „утка“, второй раз — „селезень“ и так далее. Подобная игра упоминалась в первоначальной версии шекспировской пьесы „Генрих V“ (XVI век). По легенде, сам король Англии запустил однажды в Темзу соверен — с тех пор выражение „to make ducks and drakes with one's money“ (сделать „уток“ и „селезней“ своими деньгами) означает „пускать деньги на ветер“. Позднее англичане вместо „ducks and drakes“ стали пользоваться выражением „stone skimming“ (скольжение камешков).

В Америке игру в „блинчики“, называемую стоунскиппинг (stone skipping — подпрыгивание камешков), популяризировал чуть ли не сам Джордж Вашингтон, согласно легенде бросивший серебряный доллар в речку Потомак. Впрочем, скептики сомневаются, что прижимистый Вашингтон мог так просто распрощаться с долларом — скорее всего, это был обычный камень.

В XVI веке „блинчиками“ заинтересовались военные — на этот раз в чисто практических целях. В 1578 году офицер британского флота Уильям Бурн (Bourne) впервые описал явление рикошета при стрельбе из артиллерийских орудий вдоль поверхности воды. Впоследствии этот способ стрельбы, позволявший увеличить дальность полёта снаряда в два-три раза, широко использовали военные моряки, а во время Второй мировой войны он послужил основой для создания „прыгающей бомбы“ (см. подробности для любознательных).

пускание «блинчиков»Американец Джердон Колеман-МакГи, всемирно признанный авторитет в пускании „блинчиков“, написал книгу „Секреты стоунскиппинга“, в которой обобщил свой многолетний опыт. Джердон считает стоунскиппинг не только увлекательным видом спорта, но и одним из лучших способов отдыха и расслабления. „Бросая камешки в воду, вы забываете обо всём. Все неприятности и заботы отходят на второй план, остаётесь только вы и танцующий по воде камень“. Колеман-МакГи надеется, что когда-нибудь стоунскиппинг войдёт в число олимпийских видов спорта.

Но и сегодня пускание „блинчиков“ — вполне серьёзный вид спорта, имеющий массу поклонников во всём мире (см. http://www.stoneskipping.com/). Существует даже Североамериканская ассоциация стоунскиппинга (NASSA; не путайте с NASA, National Aeronautics and Space Administration — „Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства“), основанная в 1989 году с целью проведения ежегодных всемирных чемпионатов по бросанию камешков. К участию в состязании приглашаются все желающие независимо от возраста и уровня подготовки. Кстати, первым чемпионом мира стала двадцатидвухлетняя девушка, заставившая свой камешек подпрыгнуть 23 раза, а в 1992 году Колеман-МакГи (основатель и руководитель NASSA) добился 38 подпрыгиваний и попал в Книгу рекордов Гиннесса. Его рекорд оставался непревзойдённым до 2003 года, когда камешек Курта Стайнера подскочил 40 раз (http://www.stoneskipping.com/).

Противодействие сил

Интуитивно понятно, что камень для пускания „блинчиков“ должен быть плоским, не слишком маленьким, но и не очень тяжёлым; бросать его нужно довольно сильно и почти горизонтально вдоль поверхности воды под небольшим углом к ней. Люди более искушённые знают также, что для лучшего результата желательно при броске слегка закрутить камень. Остальное — дело тренировок. И всё же, что заставляет камень прыгать, подобно лягушке, по поверхности воды вместо того, чтобы сразу пойти ко дну?

Французский физик Лидерик Боке из университета г. Лиона, попытался дать точный ответ на этот вопрос, когда его восьмилетний сын Леонард, с которым они вместе пускали „блинчики“, спросил: „Почему?“ В отличие от многих других отцов Боке подошёл к делу со всей серьёзностью, то есть с позиций современной гидродинамики, механики и других разделов физики. В результате в 2002 году он опубликовал в серьёзном журнале „American Journal of Physics“ статью „Физика стоунскиппинга“, описывающую основные закономерности процесса. „Поначалу, — говорит Боке, — это было для меня просто развлечением, дающим прекрасный пример того, как физика помогает лучше понимать явления повседневной жизни“. Заметим, однако, что теория „блинчиков“ вполне актуальна и с научно-технической точки зрения. Её, например, необходимо учитывать при расчёте траектории спуска космических аппаратов, поскольку при входе в плотную атмосферу Земли под слишком малым углом они могут подпрыгивать, подобно камешкам на воде.

Справедливости ради стоит отметить, что первая попытка создать теорию „блинчиков“ была предпринята ещё в XVIII веке итальянским натуралистом Ладзаро Спалланцани, более известным своими работами в области биологии и физиологии. Однако, несмотря на ряд верных догадок, сделанных Спалланцани, уровень развития теории жидкостей в то время не позволил ему правильно описать явление. И только благодаря Лидерику Боке наука о „блинчиках“ впервые стала достоянием широкой общественности.

Согласно Боке, брошенный камень оказывается во власти двух основных сил. Одна из них — сила тяжести — пропорциональна массе камня и направлена вниз; она заставляет камень падать на поверхность воды и погружаться. Другая — назовём её „силой отталкивания“, — напротив, не даёт камню погрузиться в воду, как бы выталкивая его наружу. Сила отталкивания направлена вверх, перпендикулярно площади контакта камня с водой. Если плоскость камня наклонена по отношению к поверхности воды, то силу отталкивания можно разложить на две составляющие — вертикальную и горизонтальную. Если сила тяжести преобладает над вертикальной составляющей, камень тонет, если наоборот — подпрыгивает, затем снова падает, вновь подпрыгивает, и так несколько раз. Величина силы тяжести не зависит от того, как именно брошен камень, она задаётся массой камня и потому не меняется в ходе подпрыгиваний. Значение силы отталкивания, напротив, определяется в первую очередь условиями броска, зависит от многих параметров и меняется от прыжка к прыжку. Вот почему понимание природы этой силы — необходимое условие на пути постижения секретов стоунскиппинга.

Как сделать воду «твёрдой»

Основные закономерности силы отталкивания воды можно выяснить в ходе простого опыта. Если медленно опускать ладонь в воду параллельно её поверхности, то практически никакого сопротивления не почувствуется. Вода, как и положено жидкости, плавно расступится, пропуская руку вглубь. А если резко опустить ладонь в воду, почувствуется удар о её поверхность; при этом сама вода „разобьётся“ на брызги. Если ударить по воде ребром ладони — сила толчка заметно уменьшится. Таким образом, сила отталкивания тем больше, чем быстрее взаимодействует предмет с водой (то есть чем больше скорость полёта камня или опускания руки) и чем больше площадь поверхности предмета, контактирующая с ней. А именно, отталкивание прямо пропорционально квадрату скорости, умноженной на площадь контакта. Всё дело в том, что при быстром ударе молекулы жидкости не успевают „расступиться“ и пропустить предмет, и чем он больше, тем труднее им это сделать. В результате жидкость как бы „твердеет“, приобретая свойства твёрдого тела — упругость, хрупкость и способность создавать реакцию опоры, которая здесь выступает в роли силы отталкивания.

Чем выше скорость спортсмена на водных лыжах, тем лучше его держит вода.
Чем выше скорость спортсмена на водных лыжах, тем лучше его держит вода.
Всё это хорошо известно любителям водных лыж и прыжков в воду. Встать на лыжи и опереться о воду не удаётся, пока катер, тянущий лыжника, движется медленно. Но стоит ему набрать скорость, и вода под ногами обретает упругость и твёрдость. Лыжи увеличивают площадь контакта с поверхностью воды, а при очень большой скорости можно обойтись и без них: для скольжения достаточно площади ступни, а то и пятки. Те же закономерности наблюдаются и при прыжках в воду: если плюхнуться всем телом в воду с большой высоты, можно получить не только синяки, но и серьёзные травмы.

Таким образом, чем больше начальная скорость камня, тем лучше он станет отскакивать от поверхности воды. Чтобы „блинчик“ подпрыгнул хотя бы раз, его скорость должна превышать некоторое критическое значение, необходимое для преодоления силы тяжести. Оно определяется из равенства силы тяжести и вертикальной составляющей силы отталкивания.

Кроме того, теория подтверждает известный из опыта факт, что камень должен быть плоским и крупным, но достаточно лёгким. Невольно напрашивается мысль, что лучше всего взять круглый камень. Однако руководитель NASSA Колеман-МакГи с этим не согласен: „Одна из лучших форм — правильный треугольник или пятиугольник размером с ладонь“. Он даже разработал и запатентовал „фирменную“ пятиугольную модель камня, названную им Эко-Камнем (EcoStone). Камень изготовлен из экологически чистых сортов глины — чтобы занятия стоунскиппингом не привели к загрязнению водоёмов. Лидерик Боке никак не комментирует советы экс-рекордсмена, но явно предпочитает иметь дело с камешками круглой формы.

Однако, подобрав подходящий камень и запустив его с достаточно большой скоростью, вы вряд ли добьётесь впечатляющих результатов даже после многочисленных тренировок. Дело в том, что после первого же удара о поверхность воды камешек изменит ориентацию в пространстве и в следующий раз ударится уже не плоской частью, а, скажем, ребром. Это резко изменит баланс сил в пользу силы тяжести, и камень скоропостижно утонет, не оправдав возложенных на него надежд. Увеличив скорость камня, вы лишь усилите вероятность его быстрой дестабилизации. Что же делать?

Эффект волчка

положение камня в руке
положение камня в руке
Любители пускания „блинчиков“ знают: при броске нужно закрутить камень, заставив вращаться вокруг оси, перпендикулярной его плоскости. Вращение придаёт телу большую стабильность, оно стремится сохранить направление оси своего вращения в силу „гироскопического эффекта“. С ним знаком любой ребёнок, хотя бы раз игравший с волчком: волчок не падает, только когда быстро крутится.

Джердон Колеман-МакГи даёт следующий практический совет по закручиванию камешков при броске: „Зажмите плоский камень между большим и средним пальцами руки, обхватив его ребро указательным пальцем. Частая ошибка — класть на ребро также и большой палец. Не делайте этого, пусть он лежит сверху. Приготовьтесь к броску, отведя запястье назад и немного вверх и прицелившись так, чтобы камень полетел практически параллельно поверхности воды. Затем резко выбросьте запястье вперёд и запустите камень, закрутив его как можно сильнее“.

Теория Лидерика Боке не даёт конкретных советов, как держать камень, зато однозначно свидетельствует: чем с большей скоростью вы запускаете „блинчик“, тем сильнее надо его закручивать. Кроме того, теория позволяет вычислить оптимальную скорость вращения камешка заданных размеров и скорости его поступательного движения, а также число „испечённых блинчиков“ при различных значениях этих параметров. К примеру, расчёты Боке показали, что для получения 38 подпрыгиваний диска радиусом 5 см и массой 100 г Колеман-МакГи должен был бросить его со скоростью 12 м/с, закрутив до 14 оборотов в секунду (см. подробности).

«Блинчик» тонет

И всё же, с какой бы скоростью вы ни бросали и ни закручивали камень и сколь идеальной ни была бы его форма, он не будет „танцевать“ бесконечно, а в конце концов утонет. Причин этому по крайней мере две. Во-первых, в ходе подпрыгиваний камень постепенно теряет энергию вследствие трения о воду и сопротивления воздуха, что приводит к уменьшению его скорости и, следовательно, к уменьшению силы отталкивания воды. Во-вторых, несмотря на гироскопический эффект, многочисленные удары о воду понемногу смещают ось вращения камня, что в конечном итоге приводит к полной потере его стабильности. Вопрос в том, что произойдёт раньше: уменьшение скорости ниже критического значения или дестабилизация блинчика?

Оказывается, истинную причину потопления можно определить визуально, если внимательно наблюдать за процессом сбоку. Если плоскость камня сохраняет пространственную ориентацию, то с каждым ударом о воду камень теряет примерно одинаковую энергию. В результате расстояние между прыжками постепенно сокращается (оно пропорционально скорости камня). Перед тем как утонуть, камень как бы топчется на месте (англоязычные любители стоунскиппинга называют это характерное явление „pitty-pat“). В данном случае главная причина затопления — недостаток скорости. Если же перед затоплением pitty-pat не наблюдался — причина в преждевременной дестабилизации камня, то есть при выбранной скорости броска он был закручен недостаточно.

Магический угол

Итак, форма камня, скорость его полёта и скорость вращения — вот три слагаемых успеха. Однако это ещё не всё. Как уже говорилось, бросать камень нужно почти горизонтально, вдоль поверхности воды. Но как лучше сориентировать саму плоскость камня, каков оптимальный угол её наклона по отношению к поверхности воды? На первый взгляд может показаться, что чем он меньше, тем лучше. Так ли это?

Поначалу Боке пренебрёг точными значениями угла наклона плоскости камня, а также угла между траекторией его полёта и поверхностью воды (назовём их углом наклона и углом падения соответственно), положив их в первом приближении просто малыми. Однако затем он вновь задумался о роли углов, поскольку их значения могут существенно влиять на величину силы отталкивания воды (они входят в коэффициент пропорциональности между силой отталкивания и квадратом скорости, умноженной на площадь контакта). Поскольку описать это влияние теоретически оказалось довольно сложно, Боке решил обратиться к эксперименту, соорудив катапульту, которая метала бы „камешки“ в бассейн с водой с определённой скоростью движения и вращения, а также с разными углами наклона и полёта. Для проведения точных измерений достаточно было снабдить катапульту камерой скоростной съёмки. Такая установка позволила бы проверить на практике предсказания теории, а также устранить некоторые её неясности.

Идея Боке пришлась по душе его коллеге Кристоферу Клане из марсельского Института по исследованию неравновесных явлений. Совместными усилиями с участием студентов из знаменитой парижской Ecole Polytechnique (Политехнический институт) была создана катапульта для запуска „блинчиков“ в двухметровый бассейн. В качестве моделей камешков использовались алюминиевые диски диаметром несколько сантиметров и толщиной около трёх миллиметров. Камера с частотой съёмки 2250 кадров в секунду регистрировала только первый отскок диска от воды. Но при этом можно было измерить время отскока диска от воды и изучить траекторию его полёта, плавно меняя по очереди все ключевые параметры (поступательную и вращательную скорости, углы наклона самого диска и его траектории к поверхности воды).

Как ожидалось, эксперименты подтвердили правильность основных выводов теории. Но исследователей ждал и сюрприз: оказалось, что существует значение угла наклона плоскости диска к поверхности воды, при котором он отскакивает лучше всего (то есть время отскока минимально). Эффект наблюдался при любых значениях остальных параметров. Измерения показали, что „магический“ угол равен 20 градусам.

Невольно напрашивался вывод: для достижения максимального числа подскоков необходимо запустить „блинчик“ под этим „магическим“ углом. В предвкушении нового мирового рекорда французские физики приступили к экспериментам в большом бассейне. Однако обнаружилось, что катапульта, как ни старается, не может заставить диск подпрыгнуть более двадцати раз. По мнению Клане, установка оказалась недостаточно устойчивой и при больших скоростях запуска диска начинала сильно вибрировать. Кроме того, выяснилось, что зависимость числа подскоков от угла наклона диска достигает максимума не при „магическом“ угле 20 градусов, как ожидалось, а в интервале от 10 до 20 градусов (причём явно ближе к 10)

Таким образом, праздновать победу ещё рано: учёным предстоят новые исследования. „Наука о блинчиках“ — это вам далеко не детская забава.

Помогут ли изыскания французских исследователей рядовым гражданам достичь успехов в пускании „блинчиков“? В отличие от катапульты человек всё равно не сможет с ходу запустить камень под строго определённым углом с точно заданной скоростью полёта и вращения. Да и как измерить их в момент броска? Так что, даже пройдя „курс теоретической подготовки“, всё равно придётся долго тренироваться, отрабатывая технику броска, как это и делали испокон века миллионы любителей „блинчиков“, не обременённые знанием физики. Зато теперь, отправляясь к берегу водоёма с плоским камешком в руке, вы будете чувствовать себя гораздо увереннее — как человек, вооружённый последними научными достижениями. И, может быть, удача вам улыбнется.


«Прыгающая» бомба
По материалам www.airwar.ru

Идея бомбы, прыгающей по воде, подобно камешку, пришла в голову английскому инженеру и авиаконструктору сэру Барнсу Уоллису в годы Второй мировой войны, в 1942–1943 годах. Чтобы сокрушить военную мощь Германии, союзникам требовалось разрушить её тяжелую промышленность, работавшую в основном на армию. Главной оружейной мастерской нацистов был Рурский индустриальный район. Военные заводы снабжались водой и электроэнергией из нескольких водохранилищ. И если разрушить их плотины, заводы встанут, поскольку, например, для выплавки тонны стали необходимо затратить семь тонн воды. Кроме того, наводнения, вызванные прорывом плотин, затопят населённые пункты вниз по течению, размоют дороги и мосты, повредят линии связи и нанесут заметный ущерб сельскому хозяйству.

Плотины представляли собой укреплённые бетоном земляные насыпи толщиной более 10 метров. Чтобы разрушить такое сооружение, необходимо затратить 30 тонн взрывчатки. Ни один бомбардировщик того времени не мог поднять бомбу такого веса. Однако расчёты показали: если поместить заряд с напорной стороны дамбы на определённой глубине, его величину можно уменьшить до 5 тонн (ударная волна в воде усилит эффект от взрыва в несколько раз). Но как доставить заряд в нужное место? Обычные бомбы не годились из-за малой точности бомбометания, а от торпед дамбы надежно защищены противоторпедными сетями.

Атака на плотину с использованием бомбы Dаm Buster
Атака на плотину с использованием бомбы Dаm Buster. Прыгая по поверхности воды верхнего бьефа плотины, бомба преодолевала противоторпедные сети, ударялась о стенку плотины и катилась по ней вниз. На глубине 9 метров бомба взрывалась, разрушая плотину.
Вот тут-то Уоллиса и осенило: надо заставить бомбу добираться до нужной точки дамбы по поверхности воды своим ходом, то есть за счёт рикошета. Возможно, эта идея пришла ему в голову во время пускания „блинчиков“ — говорят, он не раз забавлялся этим вместе со своими внуками. Исследовал ли он феномен „блинчиков“ с научной точки зрения, мы не знаем — его работы до сих пор засекречены британским военным ведомством. Проект Уоллиса состоял в следующем: подвесить бомбу цилиндрической формы под самолётом поперёк фюзеляжа, раскрутить цилиндр вокруг его оси до определённой скорости, а затем сбросить бомбу с малой высоты на некотором расстоянии от цели — так, чтобы бомба самостоятельно до неё „до-прыгала“. Ударившись о плотину, бомба должна была скатиться вдоль её стенки под воду до требуемой глубины, где сработает гидростатический взрыватель. Вращение бомбы обеспечивало ей стабильность после сброса за счёт гироскопического эффекта. Направление вращения выбиралось так, чтобы, во-первых, уменьшить трение бомбы о воду, а во-вторых, чтобы в случае вылета бомбы на парапет дамбы она скатилась назад, на её напорную сторону.

Бомба Dаm Buster висела под корпусом тяжёлого бомбардировщика на V-образных стойках и раскручивалась до необходимой скорости электромотором.
Бомба Dаm Buster висела под корпусом тяжёлого бомбардировщика на V-образных стойках и раскручивалась до необходимой скорости электромотором.
Поначалу проект Уоллиса не вызвал энтузиазма у британского руководства, но после серии опытов отношение к нему резко изменилось, и к весне 1943 года ротационная бомба поступила на вооружение 617-й специальной эскадрильи. Она представляла собой цилиндр диаметром 124 сантиметра, длиной около полутора метров и общим весом 4200 килограммов (взрывчатка весила около 3 тонн). Цилиндр раскручивался примерно до 500 оборотов в минуту. Попадания двух таких бомб должно было хватить для прорыва дамбы.

Предварительные расчёты показали, что бомбу необходимо сбросить при скорости 345 км/ч с высоты 18,5 метра на расстоянии 390 метров до цели. Соблюсти такие жёсткие условия казалось почти невозможно. Обычные средства — барометрические или радиовысотомеры, а также бомбовые прицелы — не годились: слишком мала высота полёта. Однако решение всё же нашлось, причём простое и остроумное. Для контроля высоты на самолёте установили два прожектора. Первый прожектор, укреплённый на носу самолёта, светил вертикально вниз, второй, на его хвосте, — под углом к вертикали. Лучи прожекторов пересекались на расстоянии 18,5 метра. Пилот должен был вести самолет так, чтобы пятна от прожекторов на поверхности воды сливались. Расстояние до дамбы определяли с помощью простейшего дальномера, а в качестве ориентира использовали две башенки, расположенные на гребне дамбы как раз посередине (расстояние между ними измерили по аэрофотоснимкам). Дальномер представлял собой фанерный треугольник, в одной из вершин которого установлен глазок, а в двух других вбиты гвоздики с таким расчётом, чтобы при взгляде через глазок башенки и гвоздики совпадали как раз в месте, где надо сбросить бомбу.

Атаку провели ночью 16 мая 1943 года. В результате бомбардировки удалось прорвать две крупные плотины, ещё две получили серьёзные повреждения. В результате опустошения водохранилищ и разрушительных наводнений промышленное производство в Руре на несколько месяцев упало на треть, было введено нормированное потребление воды. Экономика Германии понесла серьёзный урон, что отразилось на результатах боевых действий вермахта. Правда, и потери британцев в ходе бомбардировки оказались огромными: из 19 самолетов не вернулись 9, а из 133 членов экипажей погибли 56 летчиков. Но в целом операцию признали успешной.

Прыгающую бомбу создали для решения конкретной задачи — разрушения плотин, ни для чего другого она просто не годилась. Вот почему в литературе её чаще всего называют Dam Buster (разрушитель плотин). Кроме того, Уоллис фактически создал „одноразовое“ оружие, повторное применение которого было весьма проблематичным: зная об угрозе, противник мог простейшими мерами свести его эффективность к нулю (например, поставить аэростаты заграждения или добавить зенитных пулемётов). Тем не менее разрушение дамб с помощью прыгающих бомб вошло в историю как одна из наиболее оригинальных и остроумных операций, проведённых британской армией в ходе Второй мировой войны.

Наука и жизнь

Статьи близкой тематики:
Вода знакомая и загадочная.  Леонид Кульский, Воля Даль, Людмила Ленчина.
Самое необычное вещество в мире.  Академик И. В. Петрянов-Соколов.
Чарующие тайны жидкости.  А. Мадера.

2007 Copyright © AstroSearch.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования