Kodėl besisukantys kamuoliukai kreivuojasi?
Trumpas atsakymas: Besisukantys kamuoliai išlinksta, nes sukimasis keičia oro srautą aplink kamuolį. Skirtingas oro greitis kiekvienoje pusėje sukuria nevienodą slėgį, kuris stumia kamuolį į šoną ir išlinksta.
Trumpas paaiškinimas
Kai kamuoliukas sukasi, jis tempia aplink save orą. Vienoje pusėje sukimasis padeda orui judėti kartu su kamuoliuko judėjimu į priekį, todėl oras ten teka greičiau. Kitoje pusėje sukimasis priešinasi judėjimui ir oras juda lėčiau.
Greitesnis oras sukuria mažesnį slėgį, o lėtesnis – didesnį. Didesnio slėgio pusė stumia kamuoliuką link mažesnio slėgio pusės. Šis šoninis stūmimas priverčia kamuoliuką skrydžio metu išlinkti.
Kiek jis išlinksta, priklauso nuo sukimosi greičio, judėjimo greičio į priekį ir kamuoliuko paviršiaus formos ar šiurkštumo.
Už to slypintis mokslas
Įvardyti dėsniai / principai: Pagrindinis efektas, dėl kurio besisukantys kamuoliai išlinksta, vadinamas Magnuso efektu.
Besisukantis kamuoliukas tempia aplink save ploną oro sluoksnį (vadinamą ribiniu sluoksniu). Toje pusėje, kur sukimasis ir judėjimas į priekį susijungia, ribinio sluoksnio oras juda greičiau; priešingoje pusėje jis juda lėčiau. Remiantis skysčių dinamika, oro greičio skirtumai sukuria slėgio skirtumus.
Slėgio skirtumas sukuria grynąją jėgą, esančią stačiu kampu kamuoliuko judėjimui ir sukimosi ašiai. Ši šoninė jėga keičia trajektoriją ir priverčia kamuoliuką išlinkti. Išsamesniuose paaiškinimuose svarbi ir cirkuliacija (oro sukamasis judėjimas), ir klampumas (oro lipnumas); vien paprasti Bernulio principo taikymo būdai nepasako visos istorijos.
Paviršiaus ypatybės, tokios kaip siūlės ar šiurkštumas, taip pat keičia ribinį sluoksnį ir gali padidinti arba sumažinti kreivę.
Kaip mes tai žinome: fizikai ir inžinieriai stebi išlenktas trajektorijas naudodami didelės spartos kameras ir matuoja oro srautus vėjo tuneliuose. Jie taip pat naudoja prietaisus slėgiui ir greičiui aplink besisukančias sferas kartografuoti, patvirtindami ryšį tarp sukimosi, oro srauto skirtumų ir šoninės jėgos .
Pamatyk tai gyvenime
- Futbolas: spiriamas kamuolys su šoniniais sukiniais, išlinkstančiais aplink gynėjus ir vartininką.
- Beisbolas: metikai naudoja suktuką, kad mestų kreivus kamuolius, slankiklius ir grimzdiklius, kurie keičia kryptį.
- Tenisas: suktukas iš viršaus ir slydimas priverčia kamuolį skirtingai kristi arba slysti per tinklą.
- Kriketas: boulingo žaidėjai naudoja suktuką, kad pasuktų kamuolį, kai jis atšoka, o kartais ir ore.
- Stalo tenisas: suktukas priverčia kamuolį staigiai išlinkti ir kristi, suklaidindamas varžovus.
Išbandyk pats
Besisukantis kamuoliukas oro srovėje
Sauga: Atlikite tai ant švaraus stalo arba grindų ir laikykite ilgus plaukus bei laisvus drabužius atokiau nuo plaukų džiovintuvo. Elektros kištukams naudokite suaugusįjį.
Priemonės
- stalo teniso kamuoliukas
- plaukų džiovintuvas
- virvelė (apie 30 cm)
- lipni juosta
- audinys sukimuisi
Žingsniai
- Priklijuokite virvelę prie kamuoliuko, kad jis galėtų laisvai kabėti ir siūbuoti.
- Įjunkite plaukų džiovintuvą pastoviu, mažu arba vidutiniu oro srautu ir laikykite jį taip, kad oro srovė būtų nukreipta horizontaliai.
- Laikykite kamuoliuką už virvelės taip, kad jis būtų oro srovės viduryje, ir stebėkite jo padėtį.
- Patrinkite kamuoliuką audiniu, kad jis suktųsi, tada padėkite jį atgal į oro srovę ir stebėkite, kur jis juda.
- Pabandykite sukti kamuoliuką kita kryptimi ir palyginkite jo judėjimo kryptį. Ką tai rodo: besisukantis kamuoliukas oro srovėje pasislinks į šoną, parodydamas, kaip sukimasis keičia oro srautą ir sukuria šoninę jėgą.
Žodynėlis
- Magnuso efektas: Jėga, verčianti besisukantį objektą judėti į šoną skysčiu, pavyzdžiui, oru.
- Slėgis: Oro molekulių stūma į paviršius; slėgio skirtumai gali stumti objektus.
- Ribinis sluoksnis: Plonas oro sluoksnis, esantis tiesiai šalia judančio objekto paviršiaus, kuriam įtakos turi trintis.
- Sukinis: Rutulio sukimasis aplink ašį; sukimosi kryptis ir greitis keičia jo judėjimą.
- Bernulio principas: Taisyklė, kad greičiau judantis skystis turi mažesnį slėgį, dažnai naudojama paaiškinti keliamąją jėgą ir Magnuso efekto dalis.
DUK
Ar kamuolys išlinksta, jei nėra oro?
Ne. Išlinkimas atsiranda dėl oro sąveikos su sukimu, todėl vakuume nebūtų Magnuso efekto.
Kodėl kai kurie metimai išlinksta labiau nei kiti?
Didesnis sukimasis, tinkamas greitis ir tam tikros paviršiaus tekstūros padidina oro srauto skirtumą ir sukuria didesnę išlinkimą.
Ar Magnuso efektas gali priversti kamuolį pakilti?
Taip. Jei sukimosi kryptis sukuria mažesnį slėgį po kamuoliu, šoninė jėga gali turėti aukštyn nukreiptą komponentą ir pakelti kamuolį.