Почему не падает канатоходец: умная механика против тупой гравитации

Заметьте, что кошки тоже могут ходить по узким перилам, тонкой трубе, а особенно ловкие животные и по тросу, как и многие обезьяны, крысы и многие другие животные. Без шеста, конечно, который им заменяет хвост.

Но, опять же, бесхвостые кошки почти так же успешно совершают это гмимнастическое упражнение, как их хвостатые собратья. Явно есть какой-то второй фактор, помогающий им удерживаться, а может быть, также третий и четвертый.

Так давайте разбираться. Начнем с того, что...

Практически каждый человек имеет опыт, когда надо пройти по узкой поверхности — бревну или доске через ручей, например. Да хотя бы по начерченной на земле линии в детстве все ходили!

Замечали, что 90% людей при этом расставляют руки в стороны, совершая ими взмахи, чтобы сохранить равновесие? Руки играют ту же роль, что и шест или, в кошачьем случае, хвост.

В физике есть поступательное (линейное) движение, и есть вращательное. Поступательное описывают с помощью силы, импульса и скорости, а вращательное — с помощью момента силы, момента импульса и угловой скорости.

Вот канатоходец идет по канату. Его равновесие на нем — неустойчивое. Стоит ему отклониться чуть в сторону, и сила гравитации начинает тянуть его в ту же сторону, ускоряя падение.

Однако падение с каната — это, на самом деле не линейное падение, а вращение вокруг оси, которой является канат. Поэтому и рассматривать его надо как вращательное движение, в котором сила гравитации создает момент импульса.

В этот момент наш гимнаст совершает быстрый взмах рукой в ту же сторону или поворачивает шест. Это тоже вращательное движение: рука легкая, но за счет скорости взмаха она создает столь же большой момент импульса, как и сила гравитации, действующая на тело. Отталкиваясь от плеча, рука по закону сохранения импульса придает телу момент импульса в обратном направлении — человек перестает падать и выпрямляется.

При этом он ногами дополнительно чуть смещает канат в сторону, подталкивая его под центр тяжести тела — он не делает это специально, смещение происходит само собой за счет разворота тела. Это тоже помогает вернуться в равновесие.

Смелые мальчишки и девчонки бравируют, проходя по бревну, засунув руки в карманы и беспечно насвистывая. Но не отменяет же их смелость законы физики!

Равновесие при таком движении поддерживается за счет изгибов тела. При хорошо тренированном чувстве равновесия, человек чувствует даже малейшие отклонения тела в сторону и может быстро отреагировать. Тогда достаточно изогнуть тело — при этом тоже создается компенсирующий момент импульса. При сильном отклонении можно оторвать одну ногу от каната и отвести в сторону — это тоже вращательное движение, помогающее компенсировать момент, создаваемый гравитацией.

Цирковые акробаты обычно ходят по тросу, держа в руках длинный, до шести метров, шест. За счет большой длины, он имеет значительный момент инерции — а значит, делает падение-вращение более медленным. Это помогает гимнасту раньше среагировать: к тому же, инертный шест достаточно повернуть совсем чуть-чуть, чтобы вернуть трос под ноги.

Вернуться в равновесие одним движением практически невозможно. Любое движение канатоходца заставляет трос колебаться вправо-влево. Поэтому ему всегда приходится делать второе движение, чтобы не упасть в обратную сторону — если он все делает правильно, то второе движение будет чуть меньше. Так, отклоняясь то в одну сторону, то в другую, он постепенно приходит к балансу. Если внимательно присмотреться, вы заметите это.