Подвешенное на веревке тело обладает потенциальной энергией. Если же веревку отпустить, то энергия стремительно преобразуется в кинетическую, поскольку тело начнет поступательно двигаться вниз. А мы проведем простой и интересный опыт, при котором дополнительный элемент, введенный в систему, неожиданным образом изменит поведение падающего объекта.
Как сделать маятник из кружки, чайной ложки и бечевки

Если положить руку на стол, а затем с полуметровой высоты сбросить на нее фарфоровую кружку, будет больно. «Жертва» подобного эксперимента рефлекторно отдернет руку, чтобы не получить болезненного удара. Сыграть на этом психологическом эффекте можно, применив школьные познания в физике.

Больно не будет

Для опыта понадобится тонкая бечевка длиной примерно 75 см, а также 15 обычных шайб. Или 30. Или 45, если вы хотите сделать по‑настоящему тяжелый маятник. Суть в том, что отношение массы грузов, прикрепленных к концам бечевки, должно составлять 1:14. Иначе говоря, если на одном конце закреплена одна шайба, на другом должно быть четырнадцать. Массу обоих концов можно пропорционально увеличивать.

Теперь перекиньте веревку через указательный палец и удерживайте более легкий конец таким образом, чтобы тяжелый груз находился в верхней точке траектории падения — если вы его отпустите, он полетит вниз. Что ж, отпускайте! Вопреки ожиданию, 14-шайбовая конструкция не окажется на полу, а остановится, пролетев примерно ¾ длины веревки.

Суть в том, что более легкий конец с одной шайбой тоже обладает потенциальной энергией, которая превращается в кинетическую. Траектория движения одиночной шайбы будет спиралевидной — она одновременно будет вращаться по инерции вокруг пальца и приближаться к центру вращения. За то время, пока более тяжелый груз идет вниз, она успеет три-пять раз намотаться на палец и остановит падение.

Интереснее всего этот опыт выглядит, когда вы проводите его не с искусственными системами, а с обычными предметами, которые можно найти на любой кухне. Например, отношение масс обычной кружки и чайной ложки примерно равно как раз 14:1 — это позволяет показать опыт прямо на кухне. Причем под падающую кружку можно подставить какой-либо хрупкий предмет — скажем, руку (или голову) товарища. Только осторожно — сперва потренируйтесь и обязательно рассчитайте расстояние!

Принцип действия

Исходная позиция. Малый груз имеет массу m, большой — M.
Малый груз m на бечевке представляет собой маятник с переменной длиной. Его длина уменьшается по мере падения груза M. Одновременно с наматыванием бечевы на блок возрастает сила трения между бечевой и блоком.
По мере наматывания бечевы на блок, сила трения возрастает настолько, что сумма сил компенсирует вес груза Mg и он перестает опускаться. Малый груз m продолжает движение, наматывая бечеву на блок.

Опытным путем

Фото
Соотношение 1:14 эффективно при длине бечевы 75±5 см. Если вы используете более короткую веревку, соотношение нужно уменьшать, если более длинную — увеличивать. Так или иначе, идеальное падение достигается исключительно опытным путем.

Статья «Маятник из кружки» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2014).