Кіріспе
Ньютон бишегі – әдетте металдан жасалған, физикадағы импульстің және энергияның сақталу принциптерін айналмалы шарлар арқылы көрсететін құрылғы. Бір шарды бір жағынан көтеріп, босатқанда, ол қозғалмай тұрған шарларға соқтығысып, оларды қысып, қозғалмай тұрған шарлар арқылы қысым толқынын жібереді, бұл соңғы шарды жоғары итеруге қажетті күшті тудырады. Соңғы шар кері қарай қозғалып, қозғалмай тұрған шарларға соқтығысады, осы әсер кері бағытта қайталанады. Бұл құрылғы 17 ғасырғы ағылшын ғалымы сэр Исаак Ньютонның құрметіне аталған және француз ғалымы Эдме Мариотт жасаған. Оны Ньютонның маятнигі, Ньютонның шарлары, Ньютонның тербелгіші немесе атқарушы шардың дыбылдығы деп те атайды (құрылғы шарлар соқтығысқан сайын, олар тұрақты ырғақта қайта-қайта жасайтын дыбыс шығарады).
Newton's cradle is a device, usually made of metal, that demonstrates the principles of conservation of momentum and conservation of energy in physics with swinging spheres. When one sphere at the end is lifted and released, it strikes the stationary spheres, compressing them and thereby transmitting a pressure wave through the stationary spheres, which creates a force that pushes the last sphere upward. The last sphere swings back and strikes the stationary spheres, repeating the effect in the opposite direction. The device is named after 17th century English scientist Sir Isaac Newton and was designed by French scientist Edme Mariotte. It is also known as Newton's pendulum, Newton's balls, Newton's rocker or executive ball clicker (since the device makes a click each time the balls collide, which they do repeatedly in a steady rhythm).
Операция
Бір соңғы шардың ("бірінші") қабырғасынан тартылғанда, оған бекітілген жіп оны жоғары қарай иілуге мәжбүр етеді. Шар босатылғанда, ол екінші шарға соғылып, дерлік тоқтап қалады. Қарсы жақтағы шар бірінші шардың жылдамдығының басым бөлігін иеленеді және бірінші шардың босатылған биіктігіне шамамен тең иіліммен қозғалады. Бұл соңғы шар бірінші шардың энергиясы мен импульсінің көп бөлігін алатынын көрсетеді. Соққыдан туындаған дыбыстық толқын аралық шарлар арқылы таралады. Темір сияқты тиімді серпімді материал, кинетикалық энергия материалдың сығылуында уақытша потенциалдық энергия ретінде сақталып, жылу ретінде жоғалмайынша, осылай істейді. Бұл бір-біріне жанасқан монеталар тізбегінің бірін екінші монетамен соғуға ұқсас, тіпті егер бірінші соққан монетаның ортасынан басып, қозғалысын шектесе де осылай болады. Бастапқы соққыдан кейін барлық шарлардың қозғалысында шамалы өзгерістер болады, бірақ соңғы шар бірінші шардың соққысынан бастапқы энергияның көп бөлігін алады. Екі (немесе үш) шар құлағанда, қарсы жақтағы екі (немесе үш) шар сыртқа қарай қозғалады. Кейбіреулер бұл мінез-құлық серпімді соқтығыстарда импульс пен кинетикалық энергияның сақталуын көрсетеді дейді. Дегенмен, егер соқтығысқан шарлар жоғарыда сипатталғандай, соқтығысу алдында және соқтығысудан кейін бірдей массамен және бірдей жылдамдықпен қозылса, онда осындай жағдайда масса мен жылдамдықтың кез келген функциясы сақталады. Осылайша, бұл бірінші деңгейдегі түсіндірме – қозғалыстың толық емес, бірақ дұрыс сипаттамасы.
Физика түсіндірмесі
Ньютонның биегін шарлары әрқашан жұптарға соқтығысады деген ережемен қарапайым математикалық теңдеулер арқылы жеткілікті дәл модельдеуге болады. Егер бір шар төрт тұрған шарға тисе, онда бұл қарапайым теңдеулер бес шардың барлық қозғалысын түсіндіре алмайды, бұл жоғалтулар үйкелістен туындамайды. Мысалы, нақты Ньютонның биегінде төртінші шар қозғалады, ал бірінші шардың қозғалысы кері бағытта шамалы болады. Осы мақаладағы барлық анимациялар идеалды жағдайды (қарапайым шешім) көрсетеді, ол шарлар бастапқыда бірін-біріне тимей, тек жұптарға соқтығысқан кезде ғана болады.
Қарапайым шешім
Импульстің (масса × жылдамдық) және кинетикалық энергияның (1/2 × масса × жылдамдық2) сақталуы екі толық серпімді соқтығысқан дененің нәтижелік жылдамдықтарын табу үшін қолданылады. Бұл екі теңдеу екі дененің нәтижелік жылдамдықтарын анықтауға пайда болады. Егер екі шар тік сызық бойында қозғалуға шектелген болса (мысалы, серікке ілінгенде), жылдамдықтар 3D кеңістіктегі 3D вектор емес, бір сан болады. Сондықтан математикалық есептің шешімі үшін екі белгісізді табуға екі теңдеу жеткілікті. Егер екі дененің массасы бірдей болса, шешім қарапайым: қозғалатын дене тұрған денеге қатысты тоқтап қалады, ал тұрған дене қозғалатын дененің бастапқы жылдамдығын толығымен қабылдайды. Бұл толық серпімді соқтығысуды болжайды, сондықтан жылу және дыбыс энергиясының жоғалуын есепке алу қажет емес. Болаттың иілгіштігі жоғары, сондықтан ол көп қысылмайды және көп жылу шығармайды. Екі бірдей массалы, тиімді серпімді соқтығысқан дененің тік сызық бойында қозғалуы серікте байқалатын эффекттің негізі болып табылады және оның барлық қозғалысына жуықтап шешім береді. Бірдей массалы, тік сызық бойында қозғалуға шектелген серпімді дененің тізбегі үшін эффект әрбір келесі денеге жалғаса береді. Мысалы, екі шарды үш тұрған шарға соқтығысу үшін түсіргенде, екі түсірілген шардың арасында көзге көрінбейтін, бірақ маңызды кішкентай қашықтық болады. Оқиға келесідей өрбуі мүмкін: бірінші қозғалатын шар бірінші тұрған шарға (үшінші шарға соққан екінші шар) соққанда, барлық импульсін үшінші шарға беріп тоқтайды. Үшінші шар импульсін төртінші шарға береді де тоқтайды, содан кейін төртінші шар бесінші шарға береді. Осы тізбектен кейін екінші қозғалатын шар импульсін тоқтаған бірінші шарға береді, ал тізбек бірінші тізбектен кейін бірден және көзге көрінбей қайталанады, төртінші шарды бесінші шардың артынан, бастапқы соқтығысқан екі шардың арасындағы кішкентай қашықтықпен шығарып жібереді. Егер олар үшінші шарға соққанда ғана жанасып тұрса, дәлдік үшін төмендегі толық шешім қажет.
Осы әсердің басқа мысалдары
Соңғы шардың бірінші шарға шамамен тең жылдамдықпен ұшып шығуының әсерін, егер соққы беретін монета мен оның екі нысанасы түзу сызықта болса, үстелдегі монетаны бір-біріне ұқсас монеталардың қатарына жылжыту арқылы байқауға болады. Осы әсерді бильярд шарларында да көруге болады. Бұл әсер сондай-ақ, тығыз емес ортаға батқан тығыз біртекті материалға күшті қысым толқыны түскен кезде де көрінеді. Егер тығыз біртекті материалдың бірдей атомдары, молекулалары немесе ірі масштабтағы кіші көлемдері электростатикалық күштер арқылы бір-бірімен жартылай серпімді байланыста болса, олар серпімді шарлардың тізбегі ретінде әрекет ете алады. Қысым толқынын сезінген қоршаған атомдар, молекулалар немесе кіші көлемдер, шарықтарды тік сызықта ұстап тұратын жіп сияқты, бір-бірін шектеуге тырысады. Медициналық мысал ретінде, литотрипсиялық соққы толқындары тері мен тіндерге зиян келтірмей, бүйрек тастарын жаруға мүмкіндік береді. Тастардың қысым толқыны келген беті емес, кері жағы жарылады. Үнді ойыны – карромда, соққы беруші, тұрған ойыншыға соққаннан кейін тоқтап, барлық импульсын соққы алған ойыншыға береді.
Қарапайым шешім қолданылғанда
Дәл болжау үшін қарапайым шешімде, соқтығысу кезінде ешбір шар жұбы үшінші шарға тиіспеуі керек, себебі үшінші шардың болуы соққыға ұшыраған шарды көбірек массалы етіп көрсетеді. Бір соқтығысуда үш немесе одан көп шарлардың соңғы жылдамдықтарын есептеу үшін екі сақталу заңын қолдану көптеген мүмкін жауаптарға алып келеді, сондықтан осы екі принцип нәтижедегі әрекетті анықтау үшін жеткіліксіз. Бастапқы аралық аз болған жағдайда да, егер бастапқы аралық жеткілікті үлкен болмаса, үшінші шар соқтығысуға қатысуы мүмкін. Мұндай жағдайда, төменде сипатталған толық шешім әдісі қолданылуы тиіс. Шағын болат шарлар жақсы жұмыс істейді, өйткені олар күшті соққылар кезінде аз жылу жоғалтып, тиімді серпімді болып қалады және көп сығылмайды (шағын Ньютон бесігінде шамамен 30 мкм). Шағын, берік сығылулар 200 микросекундтан кем уақытта жылдам болады, сондықтан болат шарлар жақын жердегі үшінші шарға тимей соқтығысуды аяқтау ықтималдығы жоғары. Жұмсақ серпімді шарлар жұптық соқтығыстардың әсерін барынша арттыру үшін үлкен аралықты қажет етеді.
Толық шешім
Бишек қарапайым шешімді ең жақсы орындайтын шарлардың арасындағы бастапқы аралықты ие болуы керек, ол кез келген шардың қысылуынан кем дегенде екі есе көп болуы тиіс, бірақ көбінесе олай болмайды. Бұл бөлімде бастапқы аралық жеткіліксіз болған жағдайда және одан кейінгі соқтығыстарда екі шардан көп қатысқанда, тіпті бастапқы аралық болған кездегі әрекет сипатталады. Бұл шешім, егер соқтығысу кезінде тек екі шар жанасса, қарапайым шешімге дейін тоңдайды. Ол сүрткіштен энергия жоғалтпайтын, болат, шыны, пластик және резеңке сияқты материалдармен салыстырылатын барлық бірдей, өте серпімді шарларға қолданылады. Екі шардың соқтығысуы үшін екі белгісіз жылдамдықты табу үшін импульс пен энергияны сақтаудың екі теңдеуі ғана қажет. Бір мезгілде соқтығысатын үш немесе одан көп серпімді шарлар үшін, соқтығысатын беттердің салыстырмалы серпімділігі нәтижені анықтайтын қосымша айнымалылар болып табылады. Мысалы, бес шардың төрт соқтығысу нүктесі бар, ал олардың үшіншісін төртіншісіне бөлу (бөлу) барлық бес соқтығыстан кейінгі жылдамдықтарды табу үшін қажетті үш қосымша айнымалыны береді. Ньютондық, Лагранждық, Гамильтондық және стационарлық әрекет – классикалық механиканы математикалық тұрғыдан берудің әртүрлі тәсілдері. Олар бірдей физиканы сипаттайды, бірақ оларды әртүрлі әдістермен шешу қажет. Олардың барлығы энергия мен импульсті сақтауды қамтамасыз етеді. Ньютон заңы зерттеу жұмыстарында қолданылған. Ол әрбір шарға қолданылады және күштердің қосындысы нөлге тең болады. Осылайша, әрбір шар үшін бір теңдеуден тұратын бес теңдеу бар, ал әрбір жылдамдық үшін бірден тұратын бес белгісіз теңдеу бар. Егер шарлар бірдей болса, беттердің абсолютті серпімділігі маңызды болмайды, өйткені оны барлық бес теңдеудің екі жағынан бөліп тастауға болады, нәтижесінде нөл шығады. Бір шардың төрт шарға соққандағы жылдамдықтарын анықтау үшін шарларды олардың соқтығысқан беттерінде дәстүрлі емес серіппелермен жабдықталған салмақтар ретінде модельдеу қажет. Көптеген материалдар, мысалы болат, серпімділіктері жақсы болғандықтан серіппелер үшін Гук заңына сәйкес келеді, бірақ шардың соқтығысқандағы байланыс ауданы күш күшейген сайын артатындықтан, серпімді шарлардың соқтығысуы Герцтің Гук заңына енгізген түзетулеріне сәйкес келеді. Бұл және Ньютонның қозғалыс заңы әрбір шарға қолданылады, нәтижесінде сандық түрде шешілетін бес қарапайым, бірақ өзара байланысты дифференциалдық теңдеулер шығады. Бесінші шар үдеуді бастағанда, ол үшінші және төртінші шарлардан олардың қысылған беттерінің серіппелік әрекеті арқылы импульс пен энергияны алады. Кез келген типтегі бірдей серпімді шарлар үшін бастапқыда соқтығысқан шарлар үшін бірінші соққыдағы әрекет бірдей болады, бірақ соқтығысуды аяқтау уақыты жұмсақ материалдарда ұзарады. Бір шардың соққысынан туған кинетикалық энергияның 40-50 пайызы соқтығыс процесінің көп бөлігінде шар беттерінде потенциалдық энергия ретінде сақталады. Бастапқы жылдамдықтың 13 пайызы төртінші шарға беріледі (бесінші шар 25 градусқа жылса, бұл 3,3 градусқа тең қозғалыс болады), ал алғашқы үш шардағы жылдамдық кері бағытта шамалы болады, бірінші шардың кері жылдамдығы бастапқы жылдамдықтың -7 пайызына тең. Бұл шарларды бөліп тұрады, бірақ бесінші шар кері қайтқанда олар қайтадан жақындасады. Бұл әртүрлі шағын бұрыштардың ортаға қайта оралу уақыты шамамен бірдей болатын маятник құбылысына байланысты. Герц дифференциалдық теңдеулері екі шардың үшке соққан жағдайында бесінші және төртінші шарлар бастапқы жылдамдықтың 1,14 және 0,80 есесіне тең жылдамдықпен кететінін болжайды. Бұл бесінші шардың кинетикалық энергиясы төртінші шардан 2,03 есе көп, яғни бесінші шар тік бағытта төртінші шардан екі есе жоғары соғады. Бірақ нақты Ньютон бишегінде төртінші шар бесінші шармен бірдей қашықтыққа соғады. Теория мен тәжірибе арасындағы айырмашылықты түсіндіру үшін соқтығысқан екі шардың арасында кем дегенде ≈ 10 мкм аралық болуы керек (болат үшін, 100 г және 1 м/с). Бұл болат шарлардың көптеген жағдайларында байқалмайтын аралықтар маңызды болуы мүмкін және Герц дифференциалдық теңдеулеріне енгізілуі керек екенін көрсетеді, немесе қарапайым шешім дәлірек нәтиже береді.
Қысымды толқындардың әсері
Жоғарыдағы Герц шешіміндегі күштер шарларда дереу таралады деп есептелді, бірақ шындығында солай емес. Материал атомдары арасындағы күштердің кенеттен өзгеруі қысым толқынын қалыптастырады. Болаттағы қысым толқындары (дыбыс) 10 микросекунд ішінде шамамен 5 см-ге жуық қашықтықты жүзеді, бұл бірінші шардың соққысынан бастап соңғы шардың ұшып кетуіне дейінгі уақыттан шамамен 10 есе жылдам. Қысым толқындары барлық бес шардың ішінде шамамен он рет алға-артқа шағылысады, бірақ әр шағылыс сайын толқындық фронт азая түседі. Бұл Герц шешіміне шарлар арқылы күш таралу кешігуін ескеру үшін маңызды түзетулер енгізуді қажет етпейтіндей жеткілікті жылдамдық. Резеңке сияқты, аз қаттырақ, бірақ серпімді шарларда таралу жылдамдығы баяулайды, бірақ соқтығысу ұзақтығы артады, сондықтан Герц шешімі бұнда да қолданылады. Күш таралу жылдамдығының шектеулілігінен туындайтын қате Герц шешімін қарапайым шешімге қарай итеріп жібереді, себебі соқтығысулар алыстағы шарлардың инерциясына онша тәуелді емес. Бірдей пішіндес шарлар қысым толқындарының соңғы шардың жанасу нүктесіне жиналуына көмектеседі: бастапқы соққы нүктесінде бір қысым толқыны басқа шарларға қарай, ал екіншісі алдыңғы шардың қарама-қарсы жағынан кері шағылып, бірінші толқыннан дәл бір шар диаметрі қашықтықта келеді. Екі толқын соңғы жанасу нүктесінде кездеседі, себебі бірінші толқын соңғы шардың қарама-қарсы жағынан шағылып, екінші толқынмен бірге соңғы жанасу нүктесінде қосылады. Содан кейін олар осылай шамамен 10 рет алға-артқа тербеледі, бірінші шар екінші шармен байланысын тоқтатады. Содан кейін тербелістер екінші және үшінші шарлар арасындағы жанасу нүктесінен шағылысады, бірақ соңғы шар ұшып кеткенге дейін соңғы жанасу нүктесінде жиналады, әр шағылыс сайын толқындық фронт азая береді.
Төрлі шарлардың әсері
Материалдың әртүрлі түрлерін пайдалану, материал тиімді түрде серпімді болған жағдайда, әрекетті өзгерте алмайды. Шарлардың мөлшері, егер салмақтың артуы материалдың серпімділік шегінен аспаса, нәтижелерге әсер етпейді. Егер қатты шарлар тым ірі болса, энергия жылу ретінде жоғалады, себебі серпімділік шегі радиус 1,5 дәрежесіне көтерілгенде артады, ал сіңірілуі және қайта бөлінуі тиіс энергия радиус кубы ретінде өседі. Контактілік беттерді жалпақтату қысымды материалдың үлкен көлеміне тарату арқылы бұл мәселені біршама шеше алады, бірақ бұл туралау мәселесін тудыруы мүмкін. Болат көптеген материалдардан жақсы, өйткені ол бірінші соққыдан кейін соқтығыстарда қарапайым шешімді жиі қолдануға мүмкіндік береді, оның энергияны сақтауға арналған серпімділігі жоғары салмағына қарамастан жақсы сақталады, ал жоғары салмақ ауа кедергісінің әсерін азайтады.
Қолданылуы
Ең көп таралған қолданылуы – үстел үстіндегі ойыншық ретінде пайдалану. Тағы бір қолданысы – физикалық демонстрация ретінде, импульс және энергия сақталу заңдарын көрсету үшін.
Тарих
Құрылғының принципі, денелер арасындағы соқтығысу заңы, алғаш рет 17 ғасырда француз физигі Аббе Мариотт көрсетті. Оның осы тақырыптағы еңбегі алғаш рет 1671 жылы Француз ғылым академиясына ұсынылды; ол 1673 жылы «Traité de la percussion ou choc des corps» («Соқтығысу немесе денелердің шағылысуы туралы трактат») деген атпен жарияланды. Ньютон өзінің «Principia» еңбегінде Мариоттың жұмысын Рен, Уоллис және Гюйгенспен бірге маятник шарларының соқтығысуы бойынша эксперименттер жасаған алғашқы ғалымдар ретінде мойындады. Кристиан Гюйгенс соқтығысуларды зерттеу үшін маятниктерді пайдаланды. Оның 1703 жылы жарық көрген «De Motu Corporum ex Percussione» («Соқтығысу арқылы денелердің қозғалысы туралы») еңбегінде Ньютонның бірінші заңының нұсқасы бар және қозғалатын дененің импульсі тыныш тұрған денеге беріліп, екі тең массалы дененің соқтығысуы талқыланады. Қазіргі «Ньютонның бейіні» құрылғысының шығуына қатысты көптеген даулар бар. Мариус Морен бұл ойыншықты алғаш рет атап, танымал еткені үшін мақталады. Алайда, 1967 жылдың басында ағылшын актері Саймон Преббл өзінің «Scientific Demonstrations Ltd.» компаниясы шығарған ағаш үлгісіне «Ньютонның бейіні» (қазір жалпы қолданыстағы атау) деген ат қойды. Бірақ, бұрынғы сатушылардың қарсылығына қарамастан, ол алғаш рет Лондонның «Harrods» дүкенінде сатылды, осылайша атқарушылық ойыншықтар нарығының дамуына бастау берді. Кейіннен, мүсінші және болашақ кинорежиссер Ричард Лонкрейн «Carnaby Street» дүкені үшін өте сәтті хромды дизайн жасады. Әлемдегі ең үлкен бейіні құрылғысын «MythBusters» жасады, ол болат арматурасымен толтырылған бес бір тонналық бетон буйынан тұрады және болат фермадан ілінген. Буйлардың арасына энергияны беру үшін «контактілік нүкте» ретінде қызмет ететін болат пластина орнатылған; алайда, бұл құрылғы тиімді жұмыс істемеді, себебі бетон серпімді емес, сондықтан энергияның көп бөлігі бетонның қызуына кетіп қалды. Олар жасаған кішігірім үлгісі бес хромды болат шарлы подшипниктерден тұрады, олардың әрқайсысы 0,7 кг салмақта болады және үстел үлгісінен кем тиімді емес. Американдық «Science and Surplus» дүкенінде (суретке қараңыз) бір жылдан астам уақыт бойы көрсетілген, соқтығыс шарларының ең үлкен диаметріне ие бейіні құрылғысы Милуоки, Висконсин штатында орналасқан. Әрбір шар диаметріндегі (темір сақиналармен оралған) үрлейтін жаттығу шарларынан тұрады және өте күшті магниттер арқылы төбеден ілінген. 2010 жылдың тамызында техникалық қызмет көрсетуге қатысты мәселелер туындағандықтан, ол бөлшектелді.
Танымал мәдениетте
Ньютонның биязы кей фильмдерде, көбінесе Пауль Ньюманның "Хадсукер прокси" фильміндегі рөлі, "Х-мен" фильміндегі Магнето және "Супермен II" фильміндегі криптондар сияқты басты жауластырғыштардың үстелінде кездеседі. "Конкуссия" фильмінде бас жарақаттарына қатысты НФЛ-дің қатал ұстанымын көрсету үшін пайдаланылды. Сонымен қатар, ол ақылды, алаңдаушы немесе сезімтал кейіпкерлердің үстелінде демалыс үшін қолданылды, мысалы, Генри Винклердің "Night Shift" фильміндегі, Дастин Хоффманның "Straw Dogs" фильміндегі және Гвинет Пэлтроудың "Iron Man 2" фильміндегі рөлдерінде. "Розенкранц пен Гилденстерн өлі" фильмінде ол тоқыма бұйымдарының тізбегі ретінде, ал "Gamer" фильмінде 1968 жылғы Ээро Арнионың көпіршік креслоларының қатарында, олардың ішінде аз киінген әйелдер отырған күйде ерекше көзге түсті. "Сторкс" фильмінде Cornerstore компаниясының бас директоры Хантер оны шарлармен емес, кішкентай құстармен пайдаланды. Ньютонның биязы Nintendo компаниясының "Animal Crossing" ойынында "атқарушылық ойыншық" деп аталатын зат. 2017 жылы "Omnibus" подкастының бір бөлімі, "Jeopardy!" чемпионы Кен Дженнингс және музыкант Джон Родерик қатысуымен, Ньютонның биязының тарихына арналды. Ньютонның биязы "The West Wing" сериалында Ақ үйдің коммуникациялар директорының орынбасары Сэм Сиборнның үстелінде де бар. "Futurama" сериалының "The Day the Earth Stood Stupid" эпизодында профессор Хьюберт Фарнсворт Ньютонның биязының ішінде басын салып, Филип Фрайдың қасынан өткенде өзін гений деп айтады. Progressive rock тобы Dream Theater 2005 жылы шыққан "Octavarium" альбомының обложкасында осы биязыны бейне ретінде пайдаланды. Рок-тобы Jefferson Airplane 1968 жылғы "Crown of Creation" альбомында аспаптық тректе полиритмдер жасау үшін биязыны ырғақ құралы ретінде қолданды.