Введение
Устройство, демонстрирующее закон сохранения импульса и энергии рядом качающихся сфер.
Колыбель Ньютона – это устройство, обычно изготовленное из металла, которое демонстрирует принципы сохранения импульса и сохранения энергии в физике посредством качающихся сфер. Когда одна сфера с одного конца поднимается и отпускается, она ударяет по неподвижным сферам, сжимая их и тем самым передавая волну давления через ряд неподвижных сфер, что создает силу, толкающую последнюю сферу вверх. Последняя сфера отскакивает и ударяет по неподвижным сферам, повторяя эффект в обратном направлении. Устройство названо в честь английского ученого XVII века сэра Исаака Ньютона и было разработано французским ученым Эдме Мариоттом. Оно также известно как маятник Ньютона, шары Ньютона, качалка Ньютона или кликер для шаров (так как устройство издает щелчок каждый раз, когда шары сталкиваются, что происходит многократно в равномерном ритме).
Операция
Когда один из крайних шаров ("первый") отклоняется в сторону, прикрепленная нить заставляет его двигаться по восходящей дуге. Когда шар отпускают, он ударяет по второму шару и почти полностью останавливается. Шар на противоположной стороне приобретает большую часть скорости первого шара и раскачивается в дуге, почти достигающей высоты, с которой был отпущен первый шар. Это демонстрирует, что последний шар получает большую часть энергии и импульса первого шара. Удар создает звуковую волну, которая распространяется по промежуточным шарам. Любой эффективно упругий материал, например сталь, ведет себя таким образом, пока кинетическая энергия временно запасается в виде потенциальной энергии при сжатии материала, а не рассеивается в виде тепла. Это аналогично отскоку одной монеты из ряда соприкасающихся монет при ударе другой монетой, и это происходит даже если первая, получившая удар, монета зафиксирована, например, нажатием на её центр, чтобы она не могла перемещаться. После первоначального удара все шары совершают небольшие движения, но последний шар получает большую часть начальной энергии от удара первого шара. Когда два (или три) шара отклоняют, два (или три) шара на противоположной стороне раскачиваются. Некоторые считают, что такое поведение демонстрирует закон сохранения импульса и кинетической энергии при упругих столкновениях. Однако, если сталкивающиеся шары ведут себя, как описано выше, обладая одинаковой массой и скоростью до и после столкновения, то в таком случае сохраняется любая функция массы и скорости. Таким образом, это объяснение на первом уровне является верным, но не исчерпывающим описанием движения.
Физическое объяснение
Колыбель Ньютона можно достаточно точно смоделировать с помощью простых математических уравнений, предполагая, что шары всегда сталкиваются попарно. Если один шар ударяет по четырем неподвижным шарам, которые уже соприкасаются, эти простые уравнения не могут объяснить результирующее движение всех пяти шаров, не связанное с потерями на трение. Например, в реальной колыбели Ньютона четвертый шар приходит в движение, а первый шар совершает небольшое движение назад. Все анимации в этой статье демонстрируют идеализированное поведение (простое решение), которое наблюдается только в том случае, если шары изначально не касаются друг друга и сталкиваются только попарно.
Простое решение
Сохранение импульса (масса × скорость) и кинетической энергии (1/2 × масса × скорость²) можно использовать для определения конечных скоростей двух абсолютно упругих объектов после столкновения. Эти два уравнения применяются для вычисления результирующих скоростей обоих объектов. В случае двух шаров, движение которых ограничено прямой линией нитями в колыбели, скорости представляются одним числом, а не трехмерным вектором, поэтому для решения задачи с двумя неизвестными достаточно двух уравнений. Если массы объектов равны, решение упрощается: движущийся объект останавливается относительно неподвижного, а неподвижный объект приобретает всю начальную скорость движущегося. Это справедливо для абсолютно упругих объектов, поэтому нет необходимости учитывать потери энергии на тепло и звук. Сталь незначительно сжимается, но обладает высокой упругостью, что минимизирует выделение тепла. Простое следствие столкновения двух объектов равной массы с высокой упругостью, движение которых ограничено прямой линией, лежит в основе эффекта, наблюдаемого в колыбели, и дает приближенное решение для описания всех ее проявлений. Для последовательности упругих объектов равной массы, движущихся по прямой линии, эффект распространяется на каждый последующий объект. Например, при падении двух шаров на три неподвижных шара в колыбели, между падающими шарами существует небольшое, но критически важное расстояние. Процесс происходит следующим образом: первый падающий шар, ударяя в первый неподвижный шар (второй шар ударяет в третий), передает ему весь свой импульс и останавливается. Третий шар передает импульс четвертому и останавливается, затем четвертый – пятому. Одновременно с этим, второй падающий шар передает свой импульс первому шару, который только что остановился, и последовательность мгновенно и незаметно повторяется, выталкивая четвертый шар сразу за пятый с тем же небольшим расстоянием, которое было между двумя первоначально падающими шарами. Если шары соприкасаются в момент удара о третий шар, для достижения большей точности требуется более полное решение, представленное ниже.
Другие примеры этого эффекта
Эффект от выброса последнего шара со скоростью, почти равной скорости первого шара, можно наблюдать, сдвигая монету по столу в линию из идентичных монет, при условии, что ударная монета и ее цели расположены на одной прямой. Аналогичный эффект наблюдается и в бильярдных шарах. Этот эффект также проявляется, когда резкая и мощная волна давления воздействует на плотный однородный материал, погруженный в менее плотную среду. Если идентичные атомы, молекулы или более крупные подсистемы плотного однородного материала связаны друг с другом хотя бы частично упругими электростатическими силами, они могут вести себя как последовательность сталкивающихся идентичных упругих шаров. Окружающие атомы, молекулы или подсистемы, испытывающие давление волны, ограничивают друг друга подобно тому, как струны удерживают шары в колыбели на прямой линии. В качестве медицинского примера, ударные волны литотрипсии могут проходить через кожу и ткани, не причиняя вреда, для разрушения камней в почках. Разрушается сторона камня, противоположная направлению входящей волны давления, а не та, которая испытывает первоначальный удар. В индийской игре карром бьющий останавливается после удара по игровой фишке, передавая ей весь свой импульс.
Когда применяется простое решение
Для простого решения, позволяющего точно предсказать результат, ни одна пара шаров в момент столкновения не должна касаться третьего шара, поскольку присутствие третьего шара фактически увеличивает кажущуюся массу шара, по которому наносится удар. Применение двух уравнений сохранения для вычисления конечных скоростей трех и более шаров в одном столкновении приводит к множеству возможных решений, поэтому этих двух принципов недостаточно для однозначного определения результата. Даже при небольшом начальном расстоянии третий шар может оказаться вовлеченным в столкновение, если это начальное расстояние недостаточно велико. В этом случае необходимо использовать полный метод решения, описанный ниже. Небольшие стальные шары работают хорошо, поскольку они остаются эффективно упругими с минимальными потерями энергии при сильных ударах и незначительно сжимаются (до примерно 30 мкм в небольшой колыбели Ньютона). Небольшие и жесткие сжатия происходят быстро, менее чем за 200 микросекунд, поэтому стальные шары с большей вероятностью завершат столкновение до того, как коснутся находящегося поблизости третьего шара. Более мягким упругим шарам требуется большее начальное расстояние для максимизации эффекта от попарных столкновений.
Более полное решение
Для того чтобы колыбель наилучшим образом соответствовала простому решению, начальное расстояние между шарами должно быть как минимум в два раза больше величины сжатия любого из шаров, но в большинстве случаев это не так. В этом разделе описывается поведение системы, когда начального расстояния недостаточно, а также при последующих столкновениях, в которых участвует более двух шаров, даже если изначально они разделены. Это решение сводится к простому решению, когда в момент столкновения соприкасаются только два шара. Оно применимо ко всем идеально упругим одинаковым шарам, не теряющим энергию из-за трения, и может быть приближенно описано материалами, такими как сталь, стекло, пластик и резина. Для решения двух неизвестных скоростей при столкновении двух шаров достаточно двух уравнений – сохранения импульса и энергии. Для трех и более одновременно сталкивающихся упругих шаров дополнительной переменной, определяющей результат, является относительная сжимаемость сталкивающихся поверхностей. Например, при наличии пяти шаров у них четыре точки столкновения, и деление трех из них на четвертую дает три дополнительные переменные, необходимые для определения всех пяти скоростей после столкновения. Ньютоновская, лагранжева, гамильтонова и вариационная механика – различные математические способы описания классической механики. Они описывают одну и ту же физику, но требуют различных методов решения. Все они обеспечивают сохранение энергии и импульса. Закон Ньютона использовался в исследовательских работах. Он применяется к каждому шару, а сумма сил приравнивается к нулю. Таким образом, мы получаем пять уравнений, по одному для каждого шара, и пять неизвестных – по одному для каждой скорости. Если шары идентичны, абсолютная сжимаемость поверхностей становится несущественной, поскольку ее можно исключить из обеих частей всех пяти уравнений, получив ноль. Определение скоростей в случае, когда один шар ударяет по четырем первоначально соприкасающимся шарам, осуществляется путем моделирования шаров как грузов с нетрадиционными пружинами на поверхностях столкновения. Большинство материалов, таких как сталь, эффективно упругие и приблизительно подчиняются закону Гука для пружин, но поскольку площадь контакта сферы увеличивается с ростом силы, при столкновении упругих шаров применяется поправка Герца к закону Гука. Этот закон и закон Ньютона о движении применяются к каждому шару, что дает пять простых, но взаимосвязанных дифференциальных уравнений, которые можно решить численно. Когда пятый шар начинает ускоряться, он получает импульс и энергию от третьего и четвертого шаров за счет пружинного действия их сжатых поверхностей. Для идентичных упругих шаров любого типа, первоначально соприкасающихся, поведение системы при первом ударе одинаково, за исключением увеличения времени завершения столкновения в более мягких материалах. От сорока до пятидесяти процентов кинетической энергии начального шара при одиночном ударе запасается на поверхности шаров в виде потенциальной энергии на протяжении большей части процесса столкновения. Из начальной скорости 13% передается четвертому шару (что можно рассматривать как движение на 3,3 градуса, если пятый шар отклоняется на 25 градусов), и в первых трех шарах наблюдается небольшая обратная скорость, причем первый шар имеет наибольшую – минус 7% от начальной скорости. Это разделяет шары, но они снова сближаются непосредственно перед возвращением пятого шара. Это связано с маятниковым эффектом, при котором небольшие отклонения от равновесия имеют приблизительно одинаковое время возврата в центр. Дифференциальные уравнения Герца предсказывают, что если два шара ударят по трем, то пятый и четвертый шары покинут точку столкновения со скоростями, в 1,14 и 0,80 раза превышающими начальную скорость. Это в 2,03 раза больше кинетической энергии в пятом шаре, чем в четвертом, что означает, что пятый шар будет отклоняться в вертикальном направлении в два раза выше, чем четвертый. Однако в реальной колыбели Ньютона четвертый шар отклоняется так же далеко, как и пятый. Чтобы объяснить расхождение между теорией и экспериментом, два ударяющих шара должны иметь начальное разделение не менее ≈ 10 мкм (для стали, 100 г и 1 м/с). Это показывает, что в типичном случае стальных шаров незаметные разделения могут быть значимыми и должны быть учтены в дифференциальных уравнениях Герца, либо более точный результат дает простое решение.
Эффект давления
Предполагалось, что силы в решении Герца распространяются в шарах мгновенно, что не соответствует действительности. Внезапные изменения силы между атомами материала накапливаются, формируя волну давления. Волны давления (звук) в стали проходят около 5 см за 10 микросекунд, что примерно в 10 раз быстрее, чем время между первым ударом и выбросом последнего шара. Волны давления отражаются вперед и назад во всех пяти шарах около десяти раз, хотя и рассеиваются, теряя выраженность волнового фронта с каждым отражением. Это достаточно быстро, чтобы решение Герца не требовало существенной модификации для учета задержки распространения силы через шары. В менее жестких, но все же очень эластичных шарах, таких как резина, скорость распространения ниже, но длительность столкновений больше, поэтому решение Герца по-прежнему применимо. Ошибка, вызванная конечной скоростью распространения силы, смещает решение Герца в сторону упрощенного решения, поскольку на столкновения в меньшей степени влияет инерция шаров, находящихся дальше. Шары идентичной формы способствуют сходимости волн давления в точке контакта последнего шара: в начальной точке удара одна волна давления направляется вперед к другим шарам, а другая – назад, отражаясь от противоположной стороны первого шара, и затем следует за первой волной, отставая на один диаметр шара. Обе волны встречаются в последней точке контакта, поскольку первая волна отражается от противоположной стороны последнего шара и совпадает со второй волной в этой точке. Затем они отражаются вперед и назад примерно 10 раз, пока первый шар не прекратит контакт со вторым. После этого отражения происходят от точки контакта между вторым и третьим шарами, но все равно сходятся в последней точке контакта, пока последний шар не будет выброшен – однако с каждым отражением волновой фронт становится менее выраженным.
Влияние различных типов шаров
Использование различных типов материалов не меняет принципа действия, пока материал достаточно эффективно упруг. Размер сфер не влияет на результаты, если только возросший вес не превышает предел упругости материала. Если твердые шары слишком велики, энергия теряется в виде тепла, поскольку предел упругости увеличивается пропорционально радиусу в степени 1,5, а энергия, которую необходимо поглотить и высвободить, растет пропорционально кубу радиуса. Увеличение плоскости контактных поверхностей может частично решить эту проблему, распределяя сжатие на больший объем материала, но это может привести к проблемам с выравниванием. Сталь предпочтительнее большинства материалов, поскольку она позволяет чаще применять упрощенное решение при столкновениях после первого удара, сохраняет хороший диапазон упругости для накопления энергии, несмотря на более высокую энергию, обусловленную ее весом, и больший вес снижает влияние сопротивления воздуха.
Применение
Наиболее распространенное применение — это настольная декоративная игрушка для руководителей. Также его используют в качестве учебной демонстрации по физике, иллюстрирующей законы сохранения импульса и энергии.
История
Принцип, демонстрируемый устройством, закон ударов между телами, был впервые продемонстрирован французским физиком Аббе Мариоттом в XVII веке. Его работа по этой теме была впервые представлена Французской академии наук в 1671 году и опубликована в 1673 году под названием Traité de la percussion ou choc des corps («Трактат о перкуссии или ударе тел»). Ньютон признал работу Мариотта, наряду с работами Рена, Уоллиса и Гюйгенса, как основополагающие в экспериментах по столкновениям шаров маятников, упомянув их в своих «Математических началах натуральной философии». Кристиан Гюйгенс использовал маятники для изучения столкновений. Его работа «De Motu Corporum ex Percussione» (О движении тел при столкновении), опубликованная посмертно в 1703 году, содержит формулировку первого закона Ньютона и обсуждает столкновение подвешенных тел, включая два тела одинаковой массы, при котором движение движущегося тела передается телу, находящемуся в покое. Существует много споров относительно происхождения современной колыбели Ньютона. Мариус Морен считается первым, кто дал название и популяризировал эту игрушку для руководителей. Однако в начале 1967 года английский актер Саймон Преббл предложил название «Колыбель Ньютона» (впоследствии ставшее общеупотребимым) для деревянной версии, изготовленной его компанией Scientific Demonstrations Ltd. После первоначального сопротивления со стороны розничных продавцов, они впервые поступили в продажу в универмаге Harrods в Лондоне, что положило начало устойчивому рынку исполнительных игрушек. Позже скульптор и будущий кинорежиссер Ричард Лонкрейн создал очень успешный хромированный дизайн для магазина Gear на Карнаби-стрит. Крупнейшее в мире устройство, имитирующее колыбель Ньютона, было разработано командой MythBusters и состояло из пяти однотонных буев, заполненных бетоном и стальной арматурой, подвешенных к стальному каркасу. Буи также содержали стальную пластину между половинками, служащую «точкой контакта» для передачи энергии; однако устройство работало неэффективно, поскольку бетон не является эластичным материалом, и большая часть энергии рассеивалась в виде тепла. Созданная ими уменьшенная версия состоит из пяти шарикоподшипников из хромированной стали, каждый весом 0,8 кг, и по эффективности почти не уступает настольной модели. Устройство с самыми большими в диаметре шарами для столкновений, доступное для публичного просмотра, более года экспонировалось в магазине American Science and Surplus в Милуоки, штат Висконсин (см. фото). Каждый шар представлял собой надувной гимнастический мяч диаметром (заключенный в стальные кольца) и подвешивался к потолку с помощью чрезвычайно мощных магнитов. В начале августа 2010 года устройство было демонтировано из-за проблем с техническим обслуживанием.
В популярной культуре
Колыбель Ньютона появляется в некоторых фильмах, часто как кинематографический троп на столе главного злодея, например, у Пола Ньюмана в фильме «Прокси-сукинь», у Магнето в «Люди Икс» и у криптонцев в «Супермен II». Она использовалась для демонстрации непреклонной позиции НФЛ в отношении черепно-мозговых травм в фильме «Сотрясение». Также она служила расслабляющим элементом декора на столе главных интеллектуальных, тревожных или чувствительных персонажей, таких как Генри Винклер в «Ночной смене», Дастин Хоффман в «Собачьей жаре» и Гвинет Пэлтроу в «Железном человеке 2». Она более заметно фигурировала в виде серии глиняных горшков в фильме «Розенкранц и Гильденстерн мертвы», а также в виде ряда пузырьковых кресел Ээро Аарнио 1968 года с полуобнаженными женщинами внутри в фильме «Геймер». В мультфильме «Аисты» у Хантера, генерального директора Cornerstore, колыбель состоит не из шаров, а из маленьких птиц. Колыбель Ньютона — предмет в игре Nintendo Animal Crossing, где она называется «игрушкой для руководителей». В 2017 году в эпизоде подкаста Omnibus с участием чемпиона Jeopardy! Кена Дженнингса и музыканта Джона Родерика обсуждалась история колыбели Ньютона. Колыбель Ньютона также можно увидеть на столе заместителя директора по коммуникациям Белого дома Сэма Сиборна в сериале «Западное крыло». В эпизоде «Футурамы» «День, когда Земля остолопила» профессор Хьюберт Фарнсворт показан с головой в колыбели Ньютона, заявляя, что он гений, когда мимо проходит Филипп Фрай. Прогрессив-рок группа Dream Theater использует колыбель в качестве визуального образа на обложке альбома Octavarium, выпущенного в 2005 году. Рок-группа Jefferson Airplane использовала колыбель на альбоме 1968 года Crown of Creation в качестве ритмического инструмента для создания полиритмов в инструментальной композиции.