Перевернем земной шар

О топорах, ножах и их ближайших родственниках можно говорить очень много. Но наш рассказ не о том. С самого начала мы решили посмотреть, какие свойства придает предметам их форма. Ножи и топоры понадобились нам лишь для того, чтобы продемонстрировать замечательные свойства клина. Эти свойства еще не исчерпываются способностью резать и вообще обрабатывать материалы. Поэтому пойдем дальше.

В одной из своих увлекательных повестей норвежский ученый и писатель Тур Хейердал рассказывает, как по его просьбе жители острова Пасхи поделились с ним своими секретами создания и транспортировки огромных каменных статуй. В частности, для перемещения заготовок они использовали клинья.

Рассмотрим и мы такую задачу. Пусть надо даже не переместить, а лишь чуть приподнять большой груз весом в несколько тонн, стоящий на плоской поверхности. Из всего, что мы уже знаем, ясно, что эту задачу можно решить с помощью клина или, точнее, полуклина. Все, что надо сделать, ясно из рисунка.

Мы давим на основание клина с относительно небольшой силой (трением пренебрегаем), а наклонная поверхность клина давит на груз с силой, во много раз большей. Почему так происходит, мы знаем. Мы знаем также, что чем меньшим будет угол у острия клина, тем больше будет сила, действующая на груз. Сделав угол совсем маленьким, мы можем получить очень большую силу. С полным основанием мы могли бы воскликнуть вслед за Архимедом: «Дайте нам плоскость опоры, и мы перевернем земной шар!»

Ясно, что никаких чудес не происходит. Давайте рассмотрим близкую к жизни задачу. Нужно приподнять автомобиль, например, для того чтобы сменить у него колесо. Воспользуемся для этого клином, угол острия которого равен половине градуса. Мы уже знаем, что такой клин позволяет увеличить силу, действующую на его основание, примерно в сто раз. Это значит, что если автомобиль давит на наклонную поверхность клина с силой в одну тонну, то нажимать на основание клина мы должны с силой около десяти килограммов (трением по-прежнему пренебрегаем).

Пока вроде бы ничто не вызывает особых возражений. Хуже другое: для того чтобы приподнять автомобиль, скажем, на полметра, мы должны будем, как это легко посчитать, прогуляться вслед за клином на расстояние пятьдесят метров. И дело даже не в самой прогулке, которая, к слову сказать, будет происходить на свежем воздухе, дело в том, что трудно изготовить клин длиной пятьдесят метров, а еще труднее возить его с собой.

Значит ли это, что нельзя пользоваться клином для подъема автомобилей? Нет, можно. Просто надо проделать одну очень простую вещь — намотать клин на поверхность цилиндра. Что получится в результате такой операции, показано на рисунке.

Мы, конечно, не будем наматывать клин, а, напротив, прорежем в поверхности цилиндра канавки по так называемой винтовой линии. Но если мысленно размотать эту линию, получится как раз клин, точнее, его верхняя наклонная поверхность. Сохраняются и все свойства клина.

Если мы обопрем груз на внутреннюю поверхность канавки винта, то сила, с которой эта поверхность будет давить на груз вверх, окажется тем большей, чем меньше угол наклона винтовой поверхности. Чтобы уменьшить влияние трения, винт можно смазать. Можно даже полностью избавиться от трения скольжения, если катить по винтовой поверхности небольшое колесико.

Все эти свойства винта используются при конструировании специальных механизмов для подъема тяжестей, так называемых домкратов. С помощью домкрата можно приподнять не только автомобиль, но и целый дом.

Размышляя о винте, можно встретить много идей, уже знакомых нам по предыдущему рассказу. Там мы решали задачу перемещения грузов по горизонтали. Решив свернуть дорогу, по которой перемещается груз, в кольцо, мы пришли к идее колеса. Теперь нас заинтересовала также задача перемещения груза, но уже по вертикали. Для этого нам понадобилась наклонная дорога, и, намотав эту дорогу на поверхность цилиндра, мы получили винт.

С помощью винта можно не только поднимать грузы вверх, но и вообще транспортировать их в самых различных направлениях. Вспомним хотя бы винт у мясорубки, с помощью которого куски мяса подаются под нож. Вообще, помещая винт в трубу, мы получаем устройство, называемое транспортером. Транспортеры используются в элеваторах — для подъема зерна. В снегоочистительных машинах сгребаемый с мостовой снег поднимается специальным винтом и выбрасывается в кузов самосвала.

А гребной винт корабля? В отличие от уже знакомых нам винтов, у него винтовая поверхность не непрерывная, а состоит из нескольких, чаще всего трех отдельных лопастей.

Но принцип действия в точности тот же. Каждая лопасть — это винт, наклонная плоскость которого оказывает давление на воду и как бы отталкивается от нее. Точно так же работает винт самолета, только его лопасти отталкиваются не от воды, а от воздуха.

Наконец, говоря о винтах, нельзя не вспомнить о вертолетах, которые так и называют винтокрылыми машинами. Здесь винт, тоже состоящий из нескольких лопастей, используется для подъема грузов вертикально вверх, как в домкрате.

До самого последнего времени считалось, что идея вертолета принадлежит Леонардо да Винчи, который сделал первый эскиз этого аппарата. Однако недавно в Копенгагене была найдена старинная рукопись XIV века, в которой есть эскиз подобной конструкции. К сожалению, автор рукописи остался неизвестным.