Спиннер на уроке физики

Учитель (раскручивая в руках спиннер):

— Так! Мир в очередной раз сошёл с ума и с упорством, достойным лучшего применения, крутит эти дурацкие спиннеры. Но если остальные делают это просто так, мы будем — с глубоким физическим смыслом. Итак, ключевые слова: прецессия, гироскопический эффект, закон сохранения импульса, угловая скорость, центробежная сила… Вам же всё это хорошо знакомо? Не нужно объяснять?

Из дальнего угла доносится нерешительное:

— Ой…

Учитель:

— О! Испугались?! Это хорошо. Ладно, начнём с самого простого. Берём в руки спиннер, начинаем крутить, а точнее, сообщаем этому телу момент импульса. Засекаем время — сколько у кого прокрутится. Говорят, мировой рекорд больше десяти минут. Это много, но рано или поздно спиннер всё равно останавливается. Почему?

Ученики:

— Энергия кончилась.

— Он устал.

— Там где-то трение…

Учитель:

— Ну, про усталость это вы учителю физкультуры рассказывать будете. Про энергию в принципе верно, но очень общо. А вот про трение — правильно. Записывайте: сила трения — это сила взаимодействия между соприкасающимися телами, препятствующая перемещению одного тела относительно другого. Записали?

Трение бывает разных видов. Попробуйте кто-нибудь сдвинуть этот книжный шкаф. Не получается? Вот! Ничего удивительного. А теперь возьмите свои спиннеры, крепко зажмите их и попробуйте раскрутить, подув. Дуем со всей силы. У большинства, я вижу, не получилось. Ага! В обоих случаях вы столкнулись с трением покоя.

Записывайте: трение покоя возникает между двумя контактирующими телами и препятствует их движению друг относительно друга. Когда вы толкаете шкаф к двери, эта сила действует в обратном направлении и оказывается больше, чем сила, приложенная вами. Заметили?

Теперь попробуйте сдвинуть с места парту. Так! Только без фанатизма! Вы почувствовали силу трения скольжения, которое тоже возникает между соприкасающимися телами, но при их движении друг относительно друга. Кстати, вопреки расхожему мнению эта сила практически не зависит от площади того, что вы тащите. Её определяют другие факторы: материалы трущихся поверхностей и сила давления тел друг на друга. Поэтому тащить санки по льду легче, чем парту по линолеуму.

Ещё легче катить что-то на колёсиках. Да? Это третий вид трения — трение качения. Запишите это словосочетание. Данная сила возникает, когда одно из тел перемещается вдоль другого, вращаясь вокруг своей оси. Внутри спиннера стоит подшипник — два кольца с помещёнными между ними шариками или цилиндриками. Они и катаются.

Сила трения качения обычно намного меньше силы трения скольжения. Не зря же наши далёкие предки изобрели колесо. Согласны? Правда, всё зависит от поверхности. По снегу на велосипеде ездить невозможно, а на лыжах вполне себе. Ведь как возникает трение качения? Крутящееся тело всё время чуть-чуть прогибает поверхность, по которой движется. Получается, что ему каждый раз нужно выбираться из маленькой ямки и тратить энергию на деформацию. Вот!

В спиннерах стоят подшипники из металла, пластика или керамики. Чем твёрже материал и чем глаже его поверхность, тем меньше будет трение. Например, когда и катящееся тело, и поверхность сделаны из закалённой стали, коэффициент трения у них 0,01, а у резиновой шины на бетонной дороге — 15–35.

Но! Представим себе, что подшипник спиннера сделан из некого фантастического металла — абсолютно гладкий, абсолютно твёрдый. Трение качения равно нулю. Скажите, а в этом случае спиннер будет крутиться бесконечно долго?

Ученики:

— Вряд ли.

Учитель:

— Верно! Ведь существует ещё одна сила — сопротивление среды, жидкой или газообразной. В воде вы спиннер не очень-то раскрутите. На воздухе легче, но газ тоже сопротивляется. Эта сила зависит и от площади движущегося тела, и от его формы, и от других факторов.

Теперь давайте представим совсем уж фантастический спиннер. Представили? Его подшипник сделан из суперметалла и находится в абсолютном вакууме. Никакого трения, никакого сопротивления. Вращение станет бесконечным? Да?

Нет! Потому что даже идеальный шарик будет касаться поверхности хотя бы одним атомом, а значит, вступит во взаимодействие с теми атомами, из которых эта поверхность состоит. Кстати, здесь речь уже напрямую идёт об электромагнитном взаимодействии, которое вместе с гравитацией лежит в основе всех тех сил, о которых мы говорили.

Но чую нутром, что скоро звонок. Поэтому записывайте задачки на дом. Они непростые, что называется, на подумать. Готовы?

Первое: как высота звука, издаваемого спиннером, зависит от скорости его вращения? Почему?

Второе. К спиннеру прикладывают силу F, и он вращается в течение времени t. Какую силу надо приложить, чтобы он вращался по времени вдвое меньше? Что для этого нужно ещё узнать?

Третье. У вас есть спиннер с двумя лопастями и есть с тремя. Сделаны они из одинаковых материалов. К ним прикладывается одна и та же сила F. Какой из спиннеров будет крутиться дольше?

Вот!

Звенит звонок.