Куда летит палка?

Обосновать только что сделанное утверждение будет посложнее, чем разработать проект какой-нибудь «безумной» кастрюли. И все же попробуем. Только начать придется очень и очень издалека. Сначала, как всегда, — эксперимент. Выберем за домом удобное место, где поблизости нет оконных стекол, прохожих и играющей малышни — лучше всего на спортивной площадке. Выбрали? Теперь подбираем подходящую палку — не очень тяжелую и не очень легкую, длиной чуть поменьше метра. Возьмем палку за один конец, размахиваемся как следует и бросаем.

Для того чтобы эксперимент получился, нужно чтобы палка не только полетела туда, куда ее бросали, но при этом вращалась в воздухе. Наверное, так и будет, если, размахиваясь, держать ее именно за один конец.

А теперь вспомним (который уже раз на страницах наших рассказов) все тот же первый закон Ньютона: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока другое тело... Попробуем применить этот закон к палке. Сначала палка находилась в состоянии покоя (относительно поверхности Земли) и сохраняла это состояние до тех пор, пока другое тело (ваша рука) не заставило ее изменить это состояние.

Начиная с того момента, когда конец палки расстался с вашей рукой, палка должна сохранять другое состояние, а именно состояние равномерного прямолинейного движения. Посмотрим теперь на рисунок. Мы попросили художника сделать две почти одинаковые картинки. Почти, но не совсем. На первой показано, как летит брошенная палка. Чтобы было видно, как именно она летит, художник изобразил несколько последовательных положений палки.

Посмотрите внимательно на эту картинку и сравните ее с проделанными вами экспериментами. Правда, все совпадает? Когда вы бросали палку, она летела точно так, прямо туда, куда вы целились. Согласно первому закону Ньютона, палка (тело) должна лететь (двигаться) прямолинейно и равномерно. А вот теперь сделаем самое главное наблюдение: разные части палки совершают, вообще говоря, различные движения. Чтобы убедиться в этом, мы и попросили художника нарисовать вторую картинку, где изображено то же самое, что и на первой, но последовательные положения одного из концов палки, того, за который вы держались, когда бросали, художник соединил пунктирной линией. Чтобы не перепутать концы, он нарисовал на одном из них ручку (заодно так и бросать удобнее).

Вглядитесь внимательно в оба рисунка, чтобы убедиться в том, что здесь нет никакого подвоха. Если остались сомнения, бросайте палку еще несколько раз. Убедились — пойдем дальше. А рассуждая дальше, нам не остается ничего иного, как констатировать, что конец палки движется отнюдь не прямолинейно. Он совершает в воздухе весьма сложную траекторию, и, что самое невероятное, в отдельные моменты времени он движется не вперед, то есть в том направлении, куда летит вся палка, а назад. Это те моменты времени, когда пунктирная линия — траектория — образует петли.

Палка летит вперед, а конец ее при этом летит назад! Поскольку конец палки — это та же палка, нам опять не остается ничего другого, как констатировать, что палка может лететь вперед и в то же самое время назад. Может быть, все дело в том, что мы взяли не обычную палку, а палку с ручкой, решили обмануть читателя, подсунув ему вместо обычной палки нечто вроде бумеранга?

Попробуйте проследить самостоятельно траекторию другого конца палки, на котором нет ручки. Или, еще и еще раз повторив эксперименты с бросанием палки без ручки, сделать то же самое, что сделал художник, — нарисовать траекторию движения одного из концов палки, который нужно как-то отличить от другого, например пометить крестиком или покрасить в другой цвет.

Вы убедились, что все остается без изменений? Палка летит вперед, а один из ее концов в отдельные моменты времени движется назад. И уж, во всяком случае, конец палки движется не прямолинейно и не равномерно (о какой равномерности может идти речь, если он движется то вперед, то назад).

Изобрели «безумную» палку? Нет, таким же свойством обладает и колесо. Правда, не всякое, а вот, например, колесо железнодорожного вагона. У железнодорожных колес сделаны специальные бортики, которые называются ребордами. Эти бортики нужны для того, чтобы колеса не соскакивали с рельсов. Выберем какую-нибудь точку на реборде и посмотрим, как она движется, когда колесо катится по рельсам. Траектория этой точки показана на рисунке.

Опять мы видим знакомые петли. И снова приходим к тому же выводу: с какой бы скоростью ни мчался по рельсам железнодорожный вагон, всегда найдутся такие части этого вагона, точнее, не всего вагона, а его колес, которые в данный момент времени движутся не вперед, то есть туда, куда идет весь вагон, а  в обратном направлении.