Проста скріпка може здивувати

Пам’яті Кирила Ковальджі — поета, письменника і журналіста

Справа була 1975 року, мій батько тоді захоплювався маленькими дослідженнями в домашніх умовах. Зрозуміло, що і таємнича магнітна сила була предметом його уваги. На столі лежала магнітна скрепочниця — кільцевий магніт, покритий пластиком. Якщо насипати на неї багато скріпок, то з них можна буквально ліпити красиві фігури.

Одного разу батько виявив дивовижний ефект: якщо на скреппочниці лежать дві скріпки, торкаючись один одного, то, піднімаючи одну з них, ми відірвемо від магніту другу. А як тільки ми відведемо скріпки подалі від магніту, вони розпадаються — перестають магнітитися. Інакше кажучи, скріпки самі по собі не магніти, але в магнітному полі вони набувають магнітної сили, яка більше, ніж у самого магніту. Виявилося, що велика скріпка навіть відриває від магніту залізну кульку діаметром 1 см. Пояснити цей ефект непросто — потрібно знати властивості м’яких і твердих магнітних матеріалів; це гарна тема для окремої статті. Тут грає роль і те, що кулька не стосується магніту, а лежить на пластику.

Наступний досвід був ще дивнішим. Батько поклав на скрепочницю кульку діаметром 2 см — тоді велика скріпка вже не могла відірвати її від магніту, — а потім підвісив скріпку на нитку і дивився, як вона гойдається, описуючи навколо кульки різні траєкторії: то еліпси, то параболи — як планета навколо Сонця. І тут сталося несподіване: скріпка торкнулася кульки, а коли батько потягнув за нитку, скріпка почала швидко обертатися, як вентилятор.

У цей час я навчався на третьому курсі мехмату МДУ і взявся за пояснення ефекту. Спочатку виникло відчуття, що винайдено вічний двигун (перпетуум мобіле). Адже ниточку можна тримати не в руках, а прикріпити до підшипника на стелі і за допомогою пружини створити необхідне натягнення нитки — тоді при обертанні скріпки нитка не буде закручуватися, і обертання ніколи не зупиниться!

У якийсь момент я експериментував з невеликою кулькою, яку скріпка відірвала від магніту, і тут виявилося, що скріпка разом з кулькою обертається в повітрі. Тоді у мене і проблиснула ідея, що справа в підвішеному вантажі, а не в магнітній силі. Я прив’язав грузик до нитки, піднесв, і він почав обертатися так само, як в магнітному полі! Це була половина рішення, тепер потрібно було пояснити, чому не вийде перпетуум мобіле, якщо нитку підвісити до стелі через підшипник.

Наступні експерименти показали, що чим довше нитка і чим вона тонша, тим сильніше і довше триває обертання скріпки, а на ліску або дроті скріпка взагалі не обертається. Стало ясно, що справа в нитці, її особливостях, а не тільки в підвішеному вантажі. При виготовленні нитки скручують, і при натягненні вона розкручується, причому працює як пружина — якщо перестати її натягувати, вона знову скручується.

Після цього виник експеримент з мокрим чайним пакетиком, який завжди обертається в одну і ту ж сторону¹. Найдивовижніше, що щодня мільйони людей виймають пакетик з чаєм, але ніхто не помічає цю дивовижну особливість. Тут вже немає таємничої магнітної сили, тому розгадати причину легше, проте навколо вихорів, вирів тощо. є теж чимало містичних суджень. Відповіді про пакетик і скріпку бувають такі:

1. Земля обертається, тому і пакетик обертається. Ймовірно, в іншій півкулі він буде обертатися в інший бік. Як спростувати таке «пояснення»? (Земля робить один оборот на добу, а пакетик робить кілька обертів на секунду.)
2. Ймовірно, цей ефект такого ж роду, як закручування воронки у ванній, вона завжди закручується в один бік. (Це розхожа омана, я перевіряв різні ванни і мушлі, обертання буває в різні боки.) 2
3. Відомо, що в магнітному полі в рамці (скріпці) виникає струм, і виходить моторчик. (Скріпка — не рамка, вона не замкнута, тому струму в ній немає.)
4. Один фізик заявив: «Коли ми тягнемо за нитку, то скріпка трохи подовжується, електрони зсуваються, і виходить струм». (Електрони зрушили трохи, причому на протилежних сторонах скріпки в один і той же бік, тому кругового струму бути не може.)
5. Цікаво, що моя 85-річна бабуся, яка закінчила всього чотири класи церковно-парафіяльної школи, відразу зрозуміла, що справа в закрученості нитки, і це зрозуміло, адже вона постійно щось шила.

Якщо будете показувати цей досвід зі скріпленням знайомим, то можете зневіреним спостерігачам підказати: «Якщо замість нитки взяти тонку ліску або дріт, то обертання не буде».

Взагалі, в будь-якому завданні, якщо хтось не може її вирішити, важливий принцип мінімальної підказки: наприклад, спростувати з загальних міркувань неправильну відповідь, але при цьому дати можливість ще подумати. Адже зрозуміти самому куди приємніше і корисніше, ніж дізнатися готову відповідь.

Таку властивість скручених мотузок знають автомобілісти — якщо буксирувальний трос буде крученим канатом, то при натягненні він виверне гак, за який його причепили.

Про це знають альпіністи — якщо страхувальна мотузка буде крученою, то при зриві вона буде вертіти альпініста, як ту скріпку на кульці. Тому і водії, і альпіністи беруть плетені мотузки або тесьму. Якщо ж є тільки кручена мотузка, то її треба скласти вдвічі.

Кожна дитина знає, що цукерку в звичайному фантиці потрібно потягнути в різні боки, і вона сама собою розкрутиться.

Виконайте досвід, який до революції любили діти: візьміть великий ґудзик, пропустіть через дві дірочки кручену бечівку, зав’яжіть у кільце і рівномірно натягуйте в різні боки і відпускайте. У якийсь момент ґудзик почне шалено обертатися. Називалася така іграшка жужжалка³.

Ще на ярмарках продають дерев’яного чоловічка або казкового героя на турніку, що висить на скрученій лісці, який виділяє різні фігури, якщо злегка натискати на нижні кінці турніка.

Художник Марія Усеїнова

¹ Див. «Чайний пакетик» у «Квантиці» № 2 за 2020 рік (с. 17).

² Див. Також статтю В. Сурдіна «Вирва Коріоліса» у «Квантиках» № 5 і № 6 за 2019 рік.

³ Див. Книжку: О. С. Дмитрієв. «Як зрозуміти складні закони фізики. 100 простих і захоплюючих дослідів для дітей та їхніх батьків «, глава 85.