Идёт бычок, качается

Идёт бычок, качается,
Вздыхает на ходу:
– Ох, доска кончается,
Сейчас я упаду!
(Агния Барто, 1936 год)

Не скупитесь, уважаемые родители, бабушки и дедушки, – покупайте своим детям и внукам развивающие игрушки! В крайнем случае, их легко изготовить вручную, используя картон, ножницы, клей и  нитки, скрепляющие изнутри ноги бычка.

Наклонную доску можно подобрать и отшлифовать наждачной шкуркой, скрепив предварительно с бруском гвоздиками. Помню, в детстве у меня были простейшие из занимательных игрушек: шагающий по инерции качающийся бычок; курочки, клюющие зёрнышки; жираф и бычок на ниточках, которые кланялись и падали при нажатии на основание, где был устроен пружинный механизм. Была в точности и такая птица с распростёртыми крыльями, опирающаяся клювом на подставку, представляющую собой стеклянную призму. Птица свободно покачивалась и могла вращаться по инерции вокруг опоры, что вызывало несказанное удивление.

Я считаю, что познавать Природу нужно с раннего детства, чтобы к старости не испытывать стыда за потраченные годы в поисках истины, заложенной в Природе, и не сетовать на то, что детские и школьные годы промчались, но не отложилось в памяти ясности, – сложно ли или, наоборот, не сложно устроен мир вокруг?

На фото 1 и 2 я показал хрустального гуся и перочинный ножичек, воткнутый в спичку; наглядно видно, как ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЯЕТСЯ ДАВЛЕНИЕ в зависимости от расположения ЦЕНТРА РАВНОВЕСИЯ, опорой которого является мой палец. Характерно то, что распределение давления и противодавления не подчиняется известным “законам физики”. Но и объяснений данному явлению в учебниках не найти, кроме такого: «центр тяжести системы лежит ниже точки опоры», хотя всем малышам известно, что бывает и другое положение (например, ванька-встанька), когда точка опоры лежит выше «центра тяжести», то есть вовсе не это влияет на устойчивость «физической системы» в равновесном положении.

Да, именно так: в Природе нет никаких «масс» и «сил тяжести» (нет и «тяготения» или «гравитации»), но есть ИНЕРЦИЯ и РАВНОВЕСНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ, а также ТРЕНИЕ, – вот эти три фактора играют основную роль при определении того, что в науках принято называть ВЕСОМОСТЬЮ, либо ЛЁГКОСТЬЮ.

Рассмотрим примеры с легкостью–весомостью, проделаем вместе эксперименты, которые были известны как минимум четыре тысячелетия тому. Начнём с бычка, который перекачиваясь движется вниз по наклонной дощечке. Если увлажним слегка дощечку, бычок побежит быстрее, он вообще даже может скатиться, не особо утруждая себя преставлением ног, – он может просто «поскользнуться» на ходу. Каждый человек учится ходить благодаря трению ног, инерции движения и равновесию, которое он испытывает во время ходьбы.

Самыми точными измерительными инструментами являются пальцы рук. Именно благодаря пальцам мы моментально определяем расположение геометрического центра, обеспечивающего равновесие любого предмета на весу. В нижнем ряду я продемонстрировал опыты с очень лёгкой картонной линейкой, повторить может каждый при желании. Уложив на палец линейку плоскостью горизонтально, мы безошибочно определим равновесное положение – примерно по геометрическому центру. Благо, на линейке есть деления с миллиметровыми и сантиметровыми интервалами – общие размеры составляют: длина ~ 21 см; ширина ~ 3 см; толщина ~ 0,33 мм (или ~ 1/3 мм).

Однако, попробуем установить ту же линейку на палец ребром: оказывается, зная где расположен геометрический центр, невозможно удерживать линейку на ребре, причём если вертикально нам ещё может удастся балансировать долю секунды, то горизонтальное расположение на ребре исключает такую возможность. Можем попытаться удерживать линейку в равновесии, установив вертикально на угол, но и в этом случае нас преследует неудача. Итак, что же мешает удерживать тонкий лёгкий предмет на ребре или вертикально на углу? Конечно же это инерционный крутящий момент и трение, которое зависит в основном от площади контакта с пальцем. (Можно, конечно, схитрить, установив вертикально линейку на углы между двух пальцев, незаметно слегка зажав её, чтобы не падала, но этот фокус подойдёт только для детишек, так как взрослые сразу поймут, в чём тут дело).

Но мы продолжим опыты с линейкой, – будем измерять вес в сантиметрах!

У меня есть кухонная мебель, столешница которой имеет скруглённые края. Все мои попытки передвижения линейки таким образом, чтобы свешивалась ровно половина её поверхности, не увенчались успехом: как только свободный конец линейки подходил к геометрическому центру, за полсантиметра до этого линейка накренялась и переваливала, скатываясь со скользкой столешнице. Тогда нашёл мебель с углами в 90° (без скруглений), повторил передвижение свешивающегося свободного конца линейки, покуда не достиг геометрического центра. Линейка при этом накренилась, но всё же удержалась благодаря всё тому же трению (фото 3).

Далее я решил уравновесить полный спичек коробок, результаты опыта показаны на фото 4 и 5. Два разных положения: в первом геометрический центр коробка со спичками расположен чуть далее конца линейки, на котором он лежит, – в данном случае свешивающаяся линейка удерживается накренившимся коробком, хотя её геометрический центр равновесия сместился к отметке 17,5 см. Каково же было удивление, когда я чуть передвинул геометрический центр коробка со спичками и расположил его более устойчиво на краю линейки: картина поменялась обратно ожидаемому результату! Мне не удалось зафиксировать равновесное положение коробка вообще, поскольку при приближении к отметке 16,5 см коробок теряет равновесие и начинает скользить по линейке, устремляясь вниз на пол, увлекая за собой и линейку. Завершил свой опыт установлением линейки на длинное ребро, слегка прогнув, – картонная линейка гибка и податлива (фото 6).      

Для сравнения я установил вертикально на стол карандаш не заточенным концом вниз (опора имеет малую площадь соприкосновения, но этого достаточно, чтобы карандаш стоял устойчиво). Затем я нашёл более весомые предметы – палку и металлический прут – и с лёгкостью балансировал их весомостью, удерживая на пальце, как циркач, в вертикальном положении. Эти опыты учат следующему:

БОЛЕЕ ПЛОТНЫЕ ВЕЩЕСТВА И ТЕЛА ОБЛАДАЮТ БОЛЬШИМ ДАВЛЕНИЕМ И РАВНОВЕСНОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ. ЭТО ЕСТЬ ВСЕЛЕНСКИЙ ЗАКОН!

Принцип ВЗВЕШИВАНИЯ по сути есть принцип УРАВНОВЕШИВАНИЯ.

Уравновешивать предметы и тела мы можем и без измерительных приборов. На картинке в центральном ряду показаны предметы, с помощью которых устроены так называемые «весы»: стеклянная бутылка (её можно наполнить водой), пробка с двумя воткнутыми гвоздями, столовые предметы – вилка, поварёшка, шумовка. Уравновешивание груза, уложенного в поварёшку, до горизонтального уровня производится перемещением шумовки вдоль поверхности скреплённых между собою вилки с поварёшкой. Это наглядный пример принципа взвешивания. Если нам понадобятся цифры, то можем по линейке уравновесить груз в 1 кг.

Для развлечения, в канун «старого Нового года», когда принято гадать девицам перед зеркальцами со свечами на женихов, мы проведём эксперимент, который показывает, за счёт чего один предмет скользит по другому, практически не соприкасаясь и не испытывая трения. Для этого вспомним, что при нагревании воздух расширяется. Ну, а причём здесь ползучий стакан? Сейчас увидишь.
Возьми кусок плоского стекла длиной около 40 см. Чисто вымой это стекло и под один его край подложи два спичечных коробка. Поставь на стекло стакан вверх дном. Только обязательно тонкий стакан. Толстый, гранённый, стакан здесь не годится: он может лопнуть, да и слишком весомый для нашего опыта. Стакан, конечно, будет стоять на месте: ведь наклон стекла очень мал.
Хорошенько смочи края стакана водой. Нет, и водяная «смазка» не помогает. Стакан всё равно стоит на месте. Ничего, сейчас мы заставил лентяя двинуться в путь! А ну-ка, поднеси к нему горящую свечу или лучину. Ближе, ближе, пусть почувствует жар. Стакан всё ещё стоит…
Смотри-ка: двинулся! Быстрее, быстрее ползёт вниз, словно спасаясь от огня.
Что же произошло? Воздух в стакане нагрелся и немного расширился. Он чуть-чуть приподнял стакан и вышел бы наружу, да мешает вода, которой смочены края. Стакан словно «повис» на водяной прослойке. Трение резко уменьшилось, и он пополз, вернее, поплыл вниз по наклонной плоскости.

Да, это может быть интересно. А можно ли заставить предмет подниматься вверх по наклонной плоскости?
В действительной жизни мы давно уже привыкли угадывать центр равновесия каждого предмета. Мы сразу соображаем, как положить или поставить этот предмет, чтобы он не упал. Фокус ваньки-встаньки в том, что он обманывает наш глазомер. Его центр равновесия находится не там, где мы предполагаем. Поэтому ванька-встанька так упорно принимает положения, которые зачастую нам кажутся неестественными.

Давай сделаем ещё один опыт, который на первый взгляд тоже противоречит законам равновесия. Из плотной бумаги или тонкого картона склей кольцо. На внутреннюю его сторону приклей в одном месте груз: деревянную чурочку, кусочек сургуча или другой небольшой предмет, весомее самого кольца. Чтобы груз не был виден, заклей кольцо с обеих сторон бумагой. На ней можно нарисовать что-нибудь, например изобразить лицо. Если подбородок лица будет там, где груз, то его не удастся поставить «вверх ногами» (хотя, конечно, никаких ног у лица нет). «Лицо» будет катиться, пока не станет «подбородком» вниз. Оно может даже подниматься вверх по скату, как показано на рисунке. Линейка положена одним концом на книги. Всякое колесо скатилось бы по ней вниз. Но «лицо» поступает наоборот.
Поставь его на линейку у правого, нижнего, конца, но так, чтобы «подбородок» был почти на самом верху слева. Отпусти «лицо» – и оно покатится вверх по скату! Конечно же, оно остановится, как только «подбородок» коснётся линейки. Ведь при этом центр равновесия займёт самое нижнее положение.

К тому же, как ни странно, «лицо» обратно вниз по наклону не покатится. И в данном эксперименте можно так рассчитать проделываемый путь «лица» вверх, когда за мгновение до равновесного положения закончится линейка, и тогда оно перевалит за край и приобретёт новый инерционный крутящий момент, с мощью более весомой, поскольку к крутящему моменту груза добавится инерция самого скатывающего вниз по книгам «лица». Остаётся немного пофантазировать, чтобы на основе данного явления получить вечно скатывающееся колесо-«лицо».

Можно рассчитать путь движения «лица» – т.е. поднимающегося вверх по скату, переваливающегося за край линейки и кубарем скатывающееся вниз по отвесу, когда «лицо» запасает инерционную энергию крутящего момента для нового витка – вверх по скату и снова вниз. Казалось бы, такой простейший механизм вечного качения «лица» неосуществим, но в ПРИРОДЕ ИМЕННО ТАК И ПРОИСХОДИТ!

Представьте, вместо «лица» вращается вокруг своей оси Земля, которая по своей геометрии являет собой геоид – неравновесную асимметричную форму. Земля на самом деле связана воедино энергетическим каналом с Луной и рассматривается как «система» под названием: двойная планета Земля-Луна. Осуществляется совместное движение вокруг их общего барицентра, как и нутационные колебания вверх-вниз относительно эклиптики, что в точности напоминает покачивание Земли как на волнах. Путь, по которому двойная планета движется относительно Полярной звезды и Солнца за один календарный год, по форме являет собой аналемму – кривую, схожую с цифрой «8» или петлёй Мёбиуса. Дважды в году меняется равнопеременное движение: Земля то убыстряется, то замедляется на своём вечном пути.   

Цикл одного полного прецессионного оборота двойной планеты относительного небесного купола составляет ~ 26000 лет. Чтобы сопоставить с катящимся у нас «лицом», достаточно представить замкнутый вкруговую путь, который «лицо» не останавливаясь могло бы преодолеть за 26000 лет, возвратившись в ту же самую исходную точку, из которой оно начало вечное движение, и далее продолжило бы путь по замкнутому кругу на следующие 26000 лет.

Мы же в последующих опытах остановимся на более детальном рассмотрении ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ – на соотношении плеч равновесия – для приобретения устойчивости в стационарных и динамических системах.