Колыбель Ньютона

Колыбель Ньютона

Колыбе́ль Ньютона (маятник Ньютона) — механическая система, придуманная Исааком Ньютоном для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил (трения) система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо.

История

Эту популярную игрушку-сувенир, придуманную английским актёром Саймоном Пребблом в 1967 году, а сегодня часто встречаемую на письменных столах в кабинетах и офисах, можно поместить и в музей физики. Можно бесконечно долго играть с ней, глядя на качающиеся шарики (как смотреть на текущую воду или огонь). Но знание того, что она иллюстрирует законы сохранения импульса и сохранения энергии не только не помешает, но и придаст особый смысл наблюдению.

Если отклонить первый шарик и отпустить, то его энергия и импульс передадутся без изменения через три средних шарика последнему, который приобретёт ту же скорость и поднимется на ту же высоту. Он в свою очередь передаст свой импульс и энергию по цепочке снова первому шарику. Крайние маятники будут колебаться, а средние шарики будут покоиться. Если бы не было потерь механической энергии вследствие работы сил трения и упругости, то колебания продолжались бы вечно, но они затухают, так как в реальных механических системах всегда действуют диссипативные силы.

Интересным является то, что первый шарик передаёт импульс последнему не непосредственно, а через средние шарики, которые остаются неподвижными. Картина напоминает распространение упругой волны в твёрдом теле, то есть передачу упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества (например, звук).

Рассмотрим простой случай, когда движущийся шар сталкивается с таким же покоящимся шаром («Колыбели Ньютона» всего из двух шариков). Столкновение упругое и центральное (именно такое наблюдается в идеальной «Колыбели Ньютона»). Чтобы найти скорости шаров после упругого столкновения, надо записать уравнение закона сохранения импульса для такой системы и уравнение закона сохранения энергии и решить полученную систему уравнений. Результат известен: движущийся шар останавливается, а покоящийся приобретает скорость первого.

В колыбели Ньютона первый шарик передаёт импульс второму шарику и останавливается. Мы не видим, как второй шарик получает импульс от первого, не «видим» его скорость. Но, если присмотреться: шарик чуть заметно «вздрагивает», то есть он движется с полученной скоростью, но на маленьком пути «из-за тесноты». Но он успевает на этом коротком пути отдать импульс третьему шарику и остановиться. То же с третьим шариком и т. д. Последний шарик не имеет перед собой, кому передать свой импульс, поэтому свободно движется, поднимаясь на высоту h, затем возвращается, и всё повторяется в обратном направлении.

Изготовление

«Колыбель Ньютона» можно изготовить самостоятельно. Шарики надо подвешивать на двух под углом друг к другу нитях, чтобы плоскость колебаний шариков сохранялась постоянной, и удары были центральными.

В мире

Самая большая Колыбель Ньютона в мире находится в г. Kalamazoo (штат Мичиган, США). В ней 16 боулинг-шаров, массой 6,8 кг каждый, подвешенных на нитях длиной 6,1 м на высоте 1 метра от пола.

Варианты

Квантовый

При помощи интерферирующих лазерных лучей создаются тысячи «трубок»-ловушек. В каждую трубку, созданную лазерным лучом, помещаются приблизительно 150 атомов (в трубке они могут двигаться только в одном измерении). Затем атомы лазером же охлаждаются до миллиардных долей градуса (в Кельвинах). После лазером половине атомов придаётся один импульс, а половине — противоположный. В результате получается вариант, когда даже после 10 000 столкновений каждый атом колеблется с исходной амплитудой

См. также

• Маятник Фуко
• Маятник

Ссылки

• Статья, Колыбель Ньютона в школьном музее физики