Интеллектуальная и загадочная игрушка — кельтский камень

Наука и жизньНаука

Время собирать кельтские камни

Статья-призёр конкурса научно-популярных статей, проведённого журналом «Наука и жизнь» и порталом «Научный корреспондент».

Кандидат педагогических наук Рустам Даминов, Казанский (Приволжский) федеральный университет

Фотография траектории пятна контакта на основании кельта (слева) и на закопчённой опоре.

В ряду научных игрушек, воспроизводящих необычные физические эффекты, кельтский камень занимает особое место ввиду парадоксальности поведения и незавершённости его научного описания.

Мир игрушек сегодня огромен и разнообразен, и в нём всегда найдётся забава на любой вкус, возраст и интеллект. Об одной интеллектуальной и загадочной игрушке и пойдёт речь далее. Игрушку эту обычно называют кельтским камнем или кельтской лодочкой. Необычность игрушки в том, что её поведение противоречит привычным для нас представлениям о характере движения твёрдых тел. И эта необычность уже многие годы продолжает удивлять и привлекать внимание как знакомых с физикой в рамках школьной программы, так и учёных, работающих в области динамики твёрдых тел.

Кельтский камень, часто называемый просто кельтом, представляет собой продолговатое твёрдое тело с гладким выпуклым основанием, очертаниями похожее на лодку. Делают его обычно из пластмассы, металла, твёрдой древесины... Если кельт положить на плоскую горизонтальную опору и придать ему вращательный импульс относительно вертикали, проходящей через точку его касания с опорой, или попросту закрутить его рукой, например, по ходу часовой стрелки, то он будет устойчиво вращаться в этом направлении, пока не остановится из-за трения. Ничего особенного здесь нет. Многие выпуклые продолговатые предметы (стеклянная бутылка, авторучка, телефон и др.), закрученные на гладкой горизонтальной поверхности, ведут себя так же.

Асимметричный кельт и его сечения.

Но если кельт закрутить в другую сторону, в нашем случае против часовой стрелки, то он, сделав несколько оборотов в этом направлении, затем резко останавливается и, недолго покачавшись, самостоятельно раскручивается и далее устойчиво вращается в направлении, противоположном начальному, совершая тем самым реверс вращения. Получается, что кельт самостоятельно, в отсутствие какого-либо внешнего силового воздействия, изменяет заданное ему направление вращения, как бы противясь вертеться в «нежелательном» для него направлении!

Столь забавное поведение этой игрушки диссонирует с привычными представлениями о характере движения твёрдых тел. Мы привыкли считать само собой разумеющимся, что для остановки пассивно вращающегося по инерции твёрдого тела и для последующей его раскрутки в противоположном направлении надо воздействовать на тело с некоторой силой и затратить некоторое количество энергии.

Кельт же изменяет направление вращения без какого-либо видимого воздействия на него! Это необычное свойство кельта способно озадачить даже сведущего в механике пользователя из-за иллюзии нарушения законов сохранения. Для описания странного поведения этой игрушки потребуются понятия момента инерции и осей инерции.

Симметричный кельт с балансирами.

Момент инерции характеризует меру инертности вращающегося тела. Величина момента инерции тела тем больше, чем больше его масса и чем больше расстояние до его оси вращения. Для незакреплённого тела число возможных осей вращения бесконечно, поэтому и возможных значений момента инерции тела множество. Однако среди множества осей есть такая ось, относительно которой осевой момент инерции тела минимален. Эту ось называют минимальной центральной осью инерции, а пролегает она через центр массы тела.

Так вот, существенным свойством кельта, отличающим его от множества других выпуклых продолговатых тел, является несовпадение его продольной геометрической оси с его минимальной центральной осью инерции (эту ось для краткости далее будем называть просто осью инерции). В зависимости от способа реализации расхождения указанных осей все кельты можно разделить на два типа.

У кельтов первого типа расхождение достигается приданием их основанию асимметричной формы, причём асимметрия должна быть как в продольном, так и в поперечном сечении. Направление устойчивого вращения, то есть вращения без реверса, у этих кельтов зависит от того, в какую сторону смещён их центр массы.

Симметричный кельт со стержнем в двух положениях.

У кельтов второго типа основание симметрично, а несовпадения оси инерции с продольной осью, а точнее, с продольной плоскостью симметрии добиваются размещением на теле кельта массивного стержня под небольшим углом к указанной плоскости. Направление устойчивого вращения можно произвольно менять поворотом стержня в ту или иную сторону.

Если стержень повёрнут от продольной плоскости симметрии по часовой стрелке, то есть вправо, то кельту свойственна устойчивость вращения вправо. Такой кельт назовём правовращающимся, или, для краткости, правым. Если же стержень повёрнут против часовой стрелки, то есть влево, то устойчивое вращение кельту присуще в том же направлении. В этом случае кельт становится левым. Вместо стержня на тело кельта иногда устанавливают пару балансировочных грузов в виде поворачиваемых фигурок животных.

Поскольку положение оси инерции кельтов первого типа устанавливается при их изготовлении и задаётся формой их основания, то эти кельты могут быть либо только правыми, либо только левыми. А вот конструкции кельтов второго типа позволяют произвольно трансформировать их из левых в правые и обратно. Смену ориентации таких кельтов осуществляют поворотом установленных на них грузов: стержня, балансиров. Заметим, что за расширение функциональных возможностей кельтов второго типа пришлось заплатить усложнением их конструкции.

Большой и малые асимметричные кельты.

Разберёмся с происхождением иллюзии нарушения реверсирующим кельтом законов сохранения, а именно закона сохранения механической энергии и закона сохранения момента импульса. До наступления реверса вращающийся кельт обладает определённым количеством кинетической энергии. В начальной стадии реверса вращение кельта замедляется и постепенно переходит в его продольные колебания. При этом энергия вращения кельта трансформируется в энергию колебаний.

Недолго покачавшись, кельт снова начинает вращаться, но теперь он вращается уже в направлении, противоположном начальному. При этом энергия колебаний кельта переходит в кинетическую энергию вращения. А поскольку энергия не имеет направления, то с энергетических позиций не важно, в каком направлении кельт вращается. Поэтому если пренебречь незначительной потерей энергии на преодоление трения между кельтом и опорой, то можно утверждать, что закон сохранения энергии при реверсе не нарушается.

Чуть сложнее обстоит дело с законом сохранения момента импульса. В отличие от энергии момент импульса является векторной величиной. А это значит, что наряду с модулем момент импульса имеет ещё и направление. Модуль момента импульса кельта до и после реверса можно, с некоторым приближением, считать более или менее неизменным. А вот направление этой физической величины при реверсе меняется на противоположное. Если вектор момента импульса кельта, вращавшегося, например, по ходу часовой стрелки, был направлен вдоль оси вращения вниз, то после реверса этот вектор ориентирован уже вверх. Наблюдаемая при реверсе смена направления вектора момента импульса и обуславливает появление иллюзии нарушения кельтом закона сохранения этой физической величины.

Сборно-разборный регулируемый кельт.

Для понимания феномена реверса надо принять во внимание, что все изменения в характере движений кельта происходят вследствие его взаимодействия (силами тяжести, трения, упругости) с телами, которые обычно выпадают из рассмотрения. Во-первых, это сам наблюдатель, сообщающий кельту вращательный импульс, во-вторых, это опора (столешница), на которой кельт вращается и колеблется и, в-третьих, Земля, на которой располагаются и стол с кельтом, и закрутивший этот кельт наблюдатель. Все перечисленные тела составляют единую механическую систему, поэтому поведение кельта надо рассматривать во взаимодействии с телами этой системы.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы Изображение чёрной дыры: что на самом деле получили астрономы

Но что мы видим на полученном изображении чёрной дыры

Наука и жизнь
С днем рождения, Александр Терехов! С днем рождения, Александр Терехов!

Поздравляем дизайнера и вспоминаем его интервью двухлетней давности

Vogue
Линия поддержки Линия поддержки

В связи с пенсионной реформой в России появилась новая категория граждан

Огонёк
Диалоги о любви Диалоги о любви

Звездные свадьбы приковывают внимание

OK!
«Нет ничего лучше, чем быть академиком и завлабом» «Нет ничего лучше, чем быть академиком и завлабом»

Каким бы оказался сегодня монолог академика Ж. И. Алфёрова?

Наука и жизнь
Жизнь других Жизнь других

Отдых на острове Бали — это море впечатлений

Vogue
Digital-невеста: как цифровые технологии меняют свадебную индустрию Digital-невеста: как цифровые технологии меняют свадебную индустрию

Молодожены теперь делают селфи на полароид и устраивают VR-квесты для гостей

Forbes
Модная реформа. Зачем министр Силуанов взял российских дизайнеров под личный контроль Модная реформа. Зачем министр Силуанов взял российских дизайнеров под личный контроль

Для чего нужен Фонд Моды: рассказывают дизайнеры, ретейлеры и фэшн-критики

Forbes
Год удачных приобретений. Почему вина Бордо 2018 года для длительной выдержки? Год удачных приобретений. Почему вина Бордо 2018 года для длительной выдержки?

Как сезон контрастов отразился на винах Бордо

Forbes
Коко Шанель: женщина в чёрном Коко Шанель: женщина в чёрном

Тёмные страницы в биографии создательницы всемирно знаменитого бренда

Дилетант
Последняя ведьма Британии: удивительная история Хелены Дункан Последняя ведьма Британии: удивительная история Хелены Дункан

Хелена Дункан — женщина-медиум, последняя осужденная по Акту о ведьмовстве

Cosmopolitan
«Каждый шаг мы вынуждены обсуждать с юристами». Глава Wintershall Dea – о ставке на газ, ценах на нефть и санкциях «Каждый шаг мы вынуждены обсуждать с юристами». Глава Wintershall Dea – о ставке на газ, ценах на нефть и санкциях

Интервью с главой Wintershall Dea — европейского нефтегазового гиганта

Forbes
Немецкие ученые опровергли миф о скупости богатых Немецкие ученые опровергли миф о скупости богатых

Новое исследование опровергает представление о скупости богатых людей

Forbes
На какой высоте вешать телевизор на стену? На какой высоте вешать телевизор на стену?

Насколько высоко должен стоять или висеть телевизор?

CHIP
Ветхозаветные стартаперы: как Израиль превратился в страну для молодых Ветхозаветные стартаперы: как Израиль превратился в страну для молодых

Технологические стартапы притягивают современных специалистов

Forbes
Ключ к здоровью Ключ к здоровью

Какие суперфуды обязательно должны быть в рационе

StarHit
Большие самолеты, большие данные Большие самолеты, большие данные

В этом году концерну Airbus исполнилось 50 лет

Популярная механика
Три показателя молодости, о которых важно позаботиться заранее Три показателя молодости, о которых важно позаботиться заранее

Как выглядеть молодой и сильной вне зависимости от возраста

Psychologies
Как найти новых друзей? 12 лучших идей («Айл би зер фооо ю...») Как найти новых друзей? 12 лучших идей («Айл би зер фооо ю...»)

Друзей много не бывает!

Playboy
Работа не в радость: выгорание или апатия? Работа не в радость: выгорание или апатия?

Как распознать апатию и не довести себя до полного выгорания

Psychologies
Учимся стилю у Пола Маккартни Учимся стилю у Пола Маккартни

Мастер-класс от культового британского исполнителя Пола Маккартни

GQ
«Люди Икс: Темный Феникс» — последний фильм до покупки Fox компанией Disney, который задумывался эпичным, а вышел рассеянным «Люди Икс: Темный Феникс» — последний фильм до покупки Fox компанией Disney, который задумывался эпичным, а вышел рассеянным

О фильме «Люди Икс: Темный Феникс»

Esquire
Кто и зачем покупает классические автомобили. Юношеские мечты как объект инвестиций Кто и зачем покупает классические автомобили. Юношеские мечты как объект инвестиций

О состоянии рынка классических автомобилей — с вниманием к советским машинам

Forbes
Энтропия европейской системы Энтропия европейской системы

Выборы в Европарламент высветили запрос на радикализацию политического курса

Эксперт
Как видят мир пилоты и что такое современный театр. Книжные новинки Как видят мир пилоты и что такое современный театр. Книжные новинки

Земля из кабины пилота, болиды «Формулы-1» и немного о театре

Forbes
Наука и жизнь: Иван Бакаидов Наука и жизнь: Иван Бакаидов

Иван доказывает: люди с инвалидностью могут быть самостоятельными

Собака.ru
Джо Диспенза: «Измените свой мозг — изменится и реальность!» Джо Диспенза: «Измените свой мозг — изменится и реальность!»

То, как вы думаете и что чувствуете, определяет вашу жизнь

Psychologies
Alfa Future People объявил лайн-ап и концепцию фестиваля Alfa Future People объявил лайн-ап и концепцию фестиваля

На пресс-конференции команда фестиваля представила список музыкантов

Cosmopolitan
Новая Третьяковка открыла выставку о Тарковском и неофициальном искусстве 1960-1980-х Новая Третьяковка открыла выставку о Тарковском и неофициальном искусстве 1960-1980-х

Выставка «Свободный полет»

Vogue
Как сэкономить на обслуживании авто? 6 неожиданных лайфхаков Как сэкономить на обслуживании авто? 6 неожиданных лайфхаков

Эти советы пригодятся каждому автомобилисту

Playboy
Открыть в приложении