Физика в школе

Эту популярную игрушку-сувенир, придуманную английским актёром Саймоном Преббле  в 1967 году, а сегодня часто встречаемую на письменных столах в кабинетах и офисах, можно поместить и в музей физики. Можно бесконечно долго играть с ней, глядя на качающиеся шарики (как смотреть на текущую воду или огонь). Но знание того, что она  иллюстрирует законы сохранения импульса и  сохранения энергии  не только не помешает, но и придаст особый смысл наблюдению.

Посмотрите в анимации, как она действует, отклонив 1, 2 или 3 шарика.

Если отклонить первый шарик и отпустить, то его энергия и импульс передадутся без изменения через три средних шарика последнему, который приобретёт ту же скорость и поднимется на ту же высоту. Он в свою очередь передаст свой импульс и энергию по цепочке снова первому шарику. Крайние маятники будут колебаться, а средние шарики будут покоиться. Если бы не было потерь механической энергии вследствие работы сил трения и упругости, то колебания продолжались бы вечно, но они затухают, т.к. в реальных механических системах всегда действуют диссипативные силы.

Интересным является то, что первый шарик передаёт импульс последнему не непосредственно, а через средние шарики, которые остаются неподвижными. Картина напоминает распространение упругой волны в твёрдом теле, т.е. передачу упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества (например, звук). (Вопрос: будет ли передаватся импульс, если оставить два крайних шарика, а средние заменить подвешенным металлическим стержнем? А если стержень закрепить жёстко?)

Рассмотрим простой случай, когда движущийся шар сталкивается с таким же покоящимся шаром (Колыбель Ньютона всего из двух шариков). Столкновение упругое и центральное (именно такое наблюдается в идеальной Колыбели Ньютона). Чтобы найти скорости шаров после упругого столкновения, надо записать уравнение закона сохранения импульса для такой системы и уравнение закона сохранения энергии и решить полученную систему уравнений. Результат известен: движущийся шар останавливается, а покоящийся приобретает скорость первого.

В колыбели Ньютона первый шарик передаёт импульс второму шарику и останавливается. Мы не видим, как второй шарик получает импульс от первого, не “видим” его корость. Но, если присмотреться: шарик чуть заметно “вздрагивает”, т. е. он движется с полученной скоростью, но на маленьком пути “из-за тесноты”. Но он успевает на этом коротком пути отдать импульс третьему шарику и остановиться. То же с третьим шариком и т. д. Последний шарик не имеет перед собой, кому передать свой импульс, поэтому свободно движется, поднимаясь на высоту h, затем возвращается, и всё повторяется в обратном направлении.

Можно купить готовую “Колыбель Ньютона” или изготовить самим. Шарики надо подвешивать на двух под углом друг к другу нитях, чтобы плоскость колебаний шариков сохранялась постоянной, и удары были центральными. Самая большая Колыбель Ньютона в мире находится в г. Kalamazoo (штат Мичиган, США). В ней 16 боулинг-шаров, массой 6,8 кг каждый, подвешенных на нитях длиной 6,1 м на высоте 1 м от пола.