Физический взгляд на фокус со скатертью

Ситуация. Когда Рикки Мендес был ребенком, он увидел, как фокусник выполняет трюк со скатертью. На столе, покрытом скатертью, стоял полный набор посуды для ужина, включая наполненный бокал вина. Фокусник с подходящим антуражем выдернул скатерть из-под посуды, не потревожив ее. Однако, когда Рикки попробовал повторить этот трюк дома, это закончилось катастрофой, и он оказался в немилости.

Недавно Рикки увидел, как его преподаватель физики демонстрирует похожий трюк с более простым набором посуды. Студентам объяснили, что этот эксперимент связан с инерцией. Почему этот трюк работает и как здесь проявляется инерция? Почему у Рикки не получилось повторить его в детстве?

Анализ. Трюк фокусника, который часто используется в физических демонстрациях, действительно иллюстрирует эффекты инерции. Поскольку природа сил трения также играет важную роль, выбор гладкого материала для скатерти имеет значение. (В физических демонстрациях иногда используют пергаментную бумагу.) Для успешного выполнения трюка обычно требуется практика.

Исполнитель, будь то фокусник, преподаватель или студент, должен выдернуть ткань или бумагу очень быстро, придав ей большое начальное ускорение. Легкий рывок вниз по краю стола помогает избежать вертикальной составляющей ускорения и обеспечивает равномерное ускорение по всей ширине скатерти. Когда скатерть ускоряется, она оказывает силу трения на посуду. Если тянуть медленно, эта сила трения потянет тарелки и стаканы вместе со скатертью.

Инерция — это свойство объекта (связанное с его массой) сопротивляться изменению своего движения. Когда объект находится в покое, он остается в покое, пока не будет приложена сила. Однако на тарелки и стаканы действует сила — сила трения, создаваемая скатертью. Если скатерть выдернуть достаточно быстро, сила трения действует лишь очень короткое время, поэтому ускорение объектов будет минимальным. Объекты слегка сдвинутся, но не так сильно, как скатерть.

Два аспекта силы трения важны для понимания происходящего. Во-первых, сила трения покоя (действующая, когда поверхности не скользят относительно друг друга) имеет максимальное значение, которое определяется природой контактирующих поверхностей и силой, прижимающей их друг к другу. Во-вторых, как только объекты начинают скользить, вступает в действие кинетическое, или скользящее, трение. Сила кинетического трения обычно меньше, чем сила трения покоя.

Когда скатерть получает большое боковое ускорение, сила, необходимая для ускорения посуды (F_net = ma), превышает максимальную силу трения покоя между тарелкой или стаканом и скатертью. Скатерть начинает скользить под посудой, уменьшая силу трения. Если поверхности гладкие, сила трения никогда не будет достаточно большой, чтобы придать посуде ускорение, сравнимое с ускорением скатерти. За доли секунды, пока действует эта сила, она не успевает значительно увеличить скорость или переместить объект. Как только скатерть перестает контактировать с объектом, сила трения, создаваемая столом, быстро замедляет объект.

Вы можете проверить эти идеи самостоятельно с помощью карандаша, чашки или подобного предмета (желательно небьющегося) и листа гладкой бумаги. Положите бумагу на гладкую поверхность стола так, чтобы ее край выступал за край стола. Возьмите бумагу обеими руками за углы, как показано на рисунке, и резко потяните вниз через край стола. Обратите внимание, что медленное движение потянет предмет вместе с бумагой, а очень быстрое движение оставит предмет практически на месте. (Обычно предметы слегка сдвигаются в направлении рывка.)

Возьмите бумагу около углов и слегка потяните вниз по краю стола. Быстрое потягивание оставит карандаш около его исходного положения

Прежде чем переходить к скатертям и полным наборам посуды, следует учесть несколько предостережений. Предметы, которые могут опрокинуться, например наполненные бокалы, сложнее использовать. Дно может начать двигаться, в то время как верхняя часть (с большей инерцией) останется на месте, что приведет к опрокидыванию и проливанию вина или воды. Кроме того, чем больше скатерть, тем сложнее выдернуть ее из-под стола — ваши руки должны двигаться очень быстро на большое расстояние. Практика необходима, как и для большинства трюков, которые выполняют фокусники (и преподаватели физики).