Искривление траектории летящего мяча объясняется эффектом Магнуса: разностью давлений воздуха на противоположных сторонах вращающегося объекта. При вращении мяч «увлекает» за собой пограничный слой воздуха. С той стороны, где направление вращения совпадает с направлением встречного потока, скорость воздуха выше, а давление - ниже. Возникает поперечная сила, которая толкает мяч в сторону области низкого давления, заставляя его описывать дугу.
Ударьте сейчас по футбольному мячу не в центр, а «щечкой», по касательной. Степенно. Наблюдайте, как сфера, бешено вращаясь, устремляется вперёд. Сначала кажется, что она пролетит мимо ворот, но вдруг - о чудо! - мяч послушно забирает в сторону и влетает точно в «девятку». Торжественно и красиво. Болельщики называют это «сухим листом», а Яков Исидорович Перельман - триумфом аэродинамики над интуицией.
Многие полагают, что мяч «сбивает ветер». Или что это магия ног великого атлета. Но физика здесь играет по правилам, которые в 1852 году описал немецкий физик Генрих Магнус. Перед нами - битва скоростей воздуха, где вращение превращает обычный снаряд в крыло самолета. Степенно. Ритмично. Неизбежно.
Остановитесь на полминуты. Не листайте. Попробуйте представить: как воздух, который кажется нам почти невесомым, может иметь такую силу, чтобы повернуть кожаный шар весом в полкилограмма прямо в полете?
Кто толкает мяч в бок?
Секрет в том, что воздух - это вязкая среда. Когда мяч вращается, он «цепляет» ближайшие молекулы воздуха своими ворсинками и швами, заставляя их крутиться вместе с собой.
Представьте встречный ветер. С одной стороны мяча его вращение идет «против шерсти» потока, тормозя его. С другой стороны - мяч крутится «вместе» с ветром, ускоряя его. Вспоминаем закон Бернулли: там, где скорость выше - давление ниже. Получается, что с одной стороны мяч «подсасывает» к пустоте, а с другой - воздух давит на него со всей силой атмосферы. Мяч просто не может лететь прямо!
Почему «сухой лист» такой коварный?
В своё время Яков Перельман объяснял, почему такие удары так трудно ловить вратарям. В первой половине пути скорость мяча огромна, и эффект вращения выражен слабо. Но как только мяч начинает замедляться из-за трения о воздух, центробежная сила вращения берет верх.
Именно в конце полета мяч делает резкий рывок в сторону. Честно говоря, это напоминает невидимую руку, которая хватает снаряд за метр до цели и переставляет его. Яков Перельман в 1913 году писал, что понимание эффекта Магнуса делает из простого игрока настоящего инженера поля. Допущение грубоватое, но для тренировки «числового чутья» - в самый раз.
«А вы знали?»: Корабли на магнитных парусах
Эффект Магнуса используют не только в футболе или теннисе. Существуют огромные грузовые суда, у которых вместо парусов стоят гигантские вращающиеся цилиндры. Ветер обтекает их, создавая ту самую силу тяги, которая толкает многотонную махину через океан. Перельман называл это «приручением невидимого», когда даже самое хаотичное движение ветра превращается в строгий расчет.
Что далее
Мы перейдём к практике. «5 опытов с атмосферным давлением» - я научу Вас раздавливать железные банки дыханием атмосферы и заставлять воду течь вверх по стакану без насоса.
Читайте также:
Подпишись на канал Перельман «А вы знали?», чтобы видеть мир в его истинном движении. А Вы умеете бить «крученым» или предпочитаете прямой и честный удар в центр? Напишите о своих спортивных успехах!
Канал «А вы знали?» - задачи, фокусы и наука. Каждый день - повод удивиться.