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
Человек-кремень Человек-кремень

О русском кино, внутренней свободе и актерских техниках как опыте трансмедитации

OK!
Все решают звезды Все решают звезды

Представление об уюте и комфорте, оказывается, зависит и от нашего знака зодиака

Лиза
Топ-менеджер Google Андрей Дороничев инвестировал в российский образовательный стартап U Skillz Топ-менеджер Google Андрей Дороничев инвестировал в российский образовательный стартап U Skillz

Андрей Дороничев вложил в образовательный стартап U Skillz около $200 000

Forbes
«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
20 фактов о детском здоровье (Летняя версия) 20 фактов о детском здоровье (Летняя версия)

Эксперт-педиатр развеяла множество живучих мифов о детском здоровье

Добрые советы
В России задумались о введении «платы за пробки». Поможет ли она разгрузить дороги? В России задумались о введении «платы за пробки». Поможет ли она разгрузить дороги?

В России задумались над введением платных перекрестков

Forbes
Что носит Марк Джейкобс — дизайнер, который экспериментирует и на подиуме, и со своим стилем Что носит Марк Джейкобс — дизайнер, который экспериментирует и на подиуме, и со своим стилем

Разбираем гардероб Марка Джейкобса в жизни и на красных дорожках

Esquire
Как все-таки надо мыть овощи и фрукты: пошаговое руководство Как все-таки надо мыть овощи и фрукты: пошаговое руководство

Пора уже разобраться в этом вопросе раз и навсегда

Playboy
Аналоговый: тест Porsche Macan S Аналоговый: тест Porsche Macan S

Что чувствует покупатель Porsche Macan S, когда впервые садится за руль

Популярная механика
Елена Борщева, Анджелина Джоли, Дженнифер Лопес и еще 7 звездных ЭКО-мам Елена Борщева, Анджелина Джоли, Дженнифер Лопес и еще 7 звездных ЭКО-мам

Известные артистки, чьи малыши появились на свет благодаря процедуре ЭКО

Cosmopolitan
Изобразить в лицах Изобразить в лицах

Художник по гриму рассказывает, как попала на съемочную площадку

Glamour
Сколько стоит освобождение от рабства, или неожиданная связь между детьми и шоколадом Сколько стоит освобождение от рабства, или неожиданная связь между детьми и шоколадом

Повышение цен на какао-бобы позволит избавиться от детского труда на плантациях

Forbes
Что взять с собой в кемпинг? Список из 12 необходимых вещей на природе Что взять с собой в кемпинг? Список из 12 необходимых вещей на природе

Го на свежий воздух!

Playboy
Как программист с Урала зарабатывает сотни тысяч долларов в год на продаже советского БАДа в Калифорнии Как программист с Урала зарабатывает сотни тысяч долларов в год на продаже советского БАДа в Калифорнии

Как предприниматель подсадил американцев на алтайское мумие?

Forbes
Дважды в одну воду: как новый сезон «Большой маленькой лжи» пытается повторить успех первого Дважды в одну воду: как новый сезон «Большой маленькой лжи» пытается повторить успех первого

На HBO и «Амедиатеке» начался второй сезон «Большой маленькой лжи»

Esquire
Как победить страх провала в жизни и в бизнесе: советы «морского котика» Как победить страх провала в жизни и в бизнесе: советы «морского котика»

Отрывок из книги бывшего спецназовца и основателя медиахолдинга Hurricane Group

Forbes
«Зефир» с парашютом: самый безопасный вертолет в мире «Зефир» с парашютом: самый безопасный вертолет в мире

Curti Aerospace заканчивает сертификацию легкого двухместного вертолета Zefhir

Популярная механика
Звездные победители и гости  юбилейной церемонии Fashion People Awards 2019 Звездные победители и гости  юбилейной церемонии Fashion People Awards 2019

Церемония вручения ежегодной премий Fashion People Awards 2019

Cosmopolitan
Заключенные в селфи-камере Заключенные в селфи-камере

Правда жизни: мы угодили во всемирную паутину и скоро будем съедены

Esquire
Заказуха, рейдерство, наркотики: чем прославилось московское УВД из «дела Голунова» Заказуха, рейдерство, наркотики: чем прославилось московское УВД из «дела Голунова»

Резонансное дело против журналиста Ивана Голунова завели в УВД по ЗАО

Forbes
Дело сестер Хачатурян или дело всей России: можно ли защитить себя и не сесть в тюрьму Дело сестер Хачатурян или дело всей России: можно ли защитить себя и не сесть в тюрьму

Почему российское правосудие носит обвинительный характер

Esquire
Сандра Чой и Эшли Уильямс рассказали Vogue о том, как создавалась коллекция Jimmy Choo x Ashley Williams Сандра Чой и Эшли Уильямс рассказали Vogue о том, как создавалась коллекция Jimmy Choo x Ashley Williams

Зеленые меховые балетки и не только

Vogue
24 часа с Айзой Анохиной 24 часа с Айзой Анохиной

Сутки с Айзой Анохиной, рэп-исполнительницей, ведущей шоу VBATTLE

Cosmopolitan
Как помочь мужчине больше зарабатывать Как помочь мужчине больше зарабатывать

О том, как настроить мужчину на финансовый успех

Psychologies
Родительское фиаско. Обращаем ошибки в опыт Родительское фиаско. Обращаем ошибки в опыт

Как преодолеть стыд и страх показаться плохим родителем

Psychologies
Тэрон Эджертон: «Играть Элтона Джона, во всех смыслах и при всем моем уважении, было сюром» Тэрон Эджертон: «Играть Элтона Джона, во всех смыслах и при всем моем уважении, было сюром»

Тэрон Эджертон рассказал, каково играть ныне живущую легенду музыки

Esquire
Как первый раз поцеловать девушку? 7 советов, чтобы это было незабываемо Как первый раз поцеловать девушку? 7 советов, чтобы это было незабываемо

Ты же хочешь, чтобы все прошло идеально?

Playboy
Ве­ли­кий нехо­чу­ха Ве­ли­кий нехо­чу­ха

GQ раз­би­ра­ет­ся, по­че­му че­ло­ве­ку из­ме­нил его ос­нов­ной ин­стинкт

GQ
Как масс-маркет пытается стать более ответственным Как масс-маркет пытается стать более ответственным

Насколько успешно у бюджетных марок получается заботиться об экологии

РБК
Открыть в приложении