Научете как фигуристите ускоряват по време на завъртане с тази шеметна дейност

наука

"data-newsletterpromo_article-image =" https://static.sciachingamerican.com/sciam/cache/file/CF54EB21-65FD-4978-9EEF80245C772996_source.jpg "data-newsletterpromo_article-button-text =" Регистрация "data-newsletterpromo_art button-link = "https://www.sciachingamerican.com/page/newsletter-sign-up/?origincode=2018_sciam_ArticlePromo_NewsletterSignUp" name = "articleBody" itemprop = "articleBody">

Основни понятия
Импулс
Инерция
Ускорение

Въведение
Замисляли ли сте се защо фигуристите могат толкова бързо да се въртят като топ? В много случаи те могат да увеличат скоростта си, без да изтласкват нещо, просто като приберат ръцете си, за да добавят допълнителна сила към завъртането. Какво става? За да разберем, ще имитираме същата основна техника, която използват фигуристите и ще научим за някои прости принципи от класическата механика, за да стигнем до дъното на това как работи. Не се притеснявайте - не са необходими специална координация или умения! Всичко, от което се нуждаете, е здрав, въртящ се стол и чифт леки гири или тежки книги.

Заден план
Всеки физически обект се противопоставя на промяна в своето движение, включително промяна в посоката. Исак Нютон описва това поведение в първия си закон на движение: Тенденцията на обекта е или да седи неподвижно, или да се движи по права линия с постоянна скорост, освен ако върху него не действа външна сила. Тази тенденция да се противопоставя на промяна в движението се нарича инерция и по-тежките (по-масивни) обекти са по-устойчиви на промени в движението, тъй като колкото повече маса има обектът, толкова по-голяма инерция има той.

Помислете за това по следния начин: Какво по-трудно е да спрете в коловоза - влак, пътуващ с 20 мили в час, или мрамор, пътуващ с 20 мили в час? Мраморът може да бъде сравнително лесно да се грабне, но поради начина, по който работи инерцията, ако се опитате да вземете движещ се влак, този влак просто ще ви дръпне вдясно с него. Този влак е по-трудно да се спре, защото има колосално по-голям импулс отколкото мраморът, въпреки че се движат със същата скорост. Това е така, защото инерцията зависи както от скоростта и маса (инерция). Имайте това предвид, докато провеждате следния експеримент, а също така имайте предвид факта, че инерцията не просто изчезва - тя трябва да отиде някъде!

Материали
Въртящ се стол (Офис, бюро или друг въртящ се стол, който се върти свободно.)
Двойка леки гири или тежки книги

Подготовка
Поставете въртящия се стол в центъра на стаята. (Уверете се, че ще имате достатъчно място за въртене с протегнати ръце, без да удряте никакви предмети или да се наранявате!)
Този експеримент се провежда най-добре върху мокет. Опитайте се да избягвате да го правите на под от твърда дървесина, тъй като нашата цел е да гарантираме, че колелата на стола остават неподвижни - единствената част на стола, който искаме да завъртим, е централната колона.

Процедура
Вземете си гири или тежки книги.
Седнете на стола както обикновено.
Дръжте по една гира или книга във всяка ръка, с протегнати ръце.
Започнете да въртите в посоката, в която ви е по-удобно, като ритате от земята. Може да се наложи да започнете няколко пъти. Опитайте се да накарате да се въртите бързо (но безопасно), като държите ръцете си протегнати.
След като се въртите свободно, издърпайте книгите или дъмбелите към гърдите си. Какво се случва със скоростта на вашето въртене? Защо мислите, че това е така?
Изпънете ръцете си навън. Какво се случва със скоростта на вашето въртене този път? Защо?

Наблюдения и резултати
Когато сте сложили тежестите си, трябва да се въртите по-бързо. Но общият импулс на всички движещи се части остава постоянен. Объркани ли сте вече? За да разберем как това има смисъл, трябва бързо да прегледаме инерцията и да погледнем какво сме променили по време на завъртането.

Когато започнахте да въртите, вие накарахте цялата система - вашия стол, тялото и теглото ви - да постигне определен импулс. Нека започнем, като разгледаме тежестите. Както всички движещи се неща във Вселената с маса, тежестите имат инерция, което ги кара да искат да продължат да се движат по права линия. Те биха направили точно това, ако не беше напрежението, оказано от ръцете ви, което ги дърпа по кръгова пътека. Следователно можем да мислим за тежестите, че искат да продължат да пътуват по същия кръгов път с постоянна скорост. Хипотетично те биха могли да пътуват така безкрайно, ако не беше въздушното съпротивление и триенето, създадено от въртящата се колона на стола.

След това изтеглихте тежестите си към торса. Би ли имало смисъл тежестите да се забавят, за да съответстват на скоростта на въртене на тялото ви? Не! Не забравяйте - относително тежките тежести получиха инерция в началото на вашето завъртане, когато ги настройвате да се хвърлят около офисния стол в тази голяма, кръгла пътека. Издърпвайки ръцете си към торса, вие преместихте тежестите на място, където те бяха принудени да пътуват със същия импулс по много по-кратък кръгов път. Безпрепятствено тук щяха да завършат пълно завъртане около стола. (Всъщност, тъй като инерцията на въртене на тежестта е пропорционална на квадрата на дължината на ръката ви, намаляването на ефективната дължина на ръката ви наполовина трябва да увеличи скоростта на въртене на тежестта с четири пъти!) всъщност са прикрепени към торса ви с ръцете си, всъщност накрая "издърпват" торса ви заедно с тях, което ви кара да се въртите по-бързо в стола .

Разбира се, тялото ви не се ускорява, за да съответства изцяло на новата скорост на тежестите - инерцията на тялото ви ще се противопостави до известна степен, но въпросът е, че инерцията на тези тежести трябва да отиде някъде. Тялото ви набира скорост, докато гирите губят част, но общата скорост на цялата система (на върха на стола) остава същата. Ето защо ние често наричаме това явление като запазване на ъгловия момент. Той работи и в обратна посока - когато повторно протегнете ръцете си, забавяте. Това е, което позволява на фигуристите да излизат гладко от завъртането!