194
Глава 6.
из-за этого нет ускорения тела, хотя радиус траектории меняется! Точно так же он будет меняться и при качении шара по желобу с переменным радиусом, и при этом скорость перемещения шара будет меняться по направлению, но не по величине. Ибо дополнительная энергия к нему не подводится.
Если же тело движется вокруг постоянного центра вращения, то движение будет происходить по кривой с постоянным радиусом, тогда траектория движения тела представляет собой окружность, потому что только окружность есть кривая с постоянным радиусом, других нет. При этом угол между траекторией тела и нитью составляет 90°, сила, удерживающая нить, никакой проекции на траекторию не дает. И если при этом никаких потерь энергии не существует, а тело уже движется, то оно может вращаться вокруг центра сколь угодно долго, и его скорость при этом будет постоянной (рис. 5 б).
А вот если при движении массы вокруг неподвижного центра за нить потянуть, то тогда радиус начнет уменьшаться, и угол между траекторией и нитью станет не 90°, а меньше. Тогда сила, с которой тянут нить, даст проекцию на траекторию, и масса начнет ускоряться. Таким образом, ускорение массы происходит за счет энергии, которую вкладывает тянущий за нить в перемещение массы к центру. Примером этому является движение конькобежца, который вращается на льду, предварительно выбросив руки в стороны, а затем подтягивающий их к себе.
Расчет показывает, что при таком способе уменьшения радиуса не только в точности выполняется Закон сохранения момента количества движения, но и Законы сохранения количества движения и энергии, поскольку энергия добавляется внешним источником, тем, который тянет за нить.
Таким образом, оказывается возможным преобразовать энергию натяжения нити в энергию вращения тела вокруг центра. Сегодня выяснилось, что именно подобный механизм лежит в основе энергетики газовых вихрей (рис. 5в), и в этом для энергетики большая перспектива.
Энергия вокруг нас
195
3.2. Ящик Вуда. Откуда смерчи и циклоны берут энергию?
Для проверки факта сжимаемости газовых вихрей был изготовлен так называемый ящик Вуда.
Ящик Вуда представляет собой обычный ящик типа того, в который упаковывают посылки, но вместо крышки на него устанавливают упругую мембрану, а в дне просверливают отверстие диаметром 5-6 см. Внутрь закладывают «дымовушку», т.е. что-то такое, что способно создавать дым, например, горящую расческу (рис. 6).
Резкий удар по мембране приводит к выбросу кольцевого вихря из отверстия ящика. Для выяснения особенностей формирования вихря целесообразно пускать вихрь вдоль стенки, на которой начерчены полосы. Вихрь движется вдоль стенки, и видно, что его движение состоит из трех этапов.
Рис. 6. Формирование газового тороидального вихря с помощью ящика Вуда: 1 - стадия сжатия тороида; 2 - стадия расширения тороида (диффузия); 3 - стадия развала тороида.
1 этап — после вылета из отверстия тороидальный вихрь уменьшает свои размеры, этот процесс основной. В процессе сжатия вихря его энергетика повышается.
2 этап — вихрь увеличивает свои размеры и замедляет скорость. Здесь энергия, накопленная тороидальным вихрем тратится.
