Муха и вертолёт
#статьи@the_physics
История первая
Папа, Вася и Петя любят вести беседы на разные интересные физические темы. Сегодня папа предложил такой вопрос: «В закрытой банке сидит муха, а сама банка стоит на точных весах. Спрашивается, если муха взлетит и будет летать внутри банки, изменятся показания весов или нет?»
— А что тут думать, — говорит Петя, — ясно, что показания уменьшатся ровно на вес мухи. Когда муха летает, она не давит на дно. А когда муха снова сядет, весы опять покажут вес банки плюс вес мухи.
— Ничего подобного, — возражает ему Вася. — Давай я возьму непрозрачную банку, так что ты не будешь знать, есть внутри муха или нет. Поставим эту банку на весы. И что же, мы увидим, как она будет делаться то легче, то тяжелее?
— А что тут такого? Вот я встану на весы и начну на них прыгать, как бы немножко летать. Весы это заметят, хоть бы я это в непрозрачной банке делал.
— Ну, если прыгать, то, наверное, показания будут скакать. Но я не про это. Вот представь, муха уже взлетела и зависла в воздухе. Вес-то у неё при этом остался прежний. То есть на муху действует сила тяжести, и раз муха не падает, значит, она должна на что-то опираться внутри банки. Получается, что весы должны это почувствовать.
Тогда Петя предлагает поставить опыт.
— Помнишь, тебе на день рождения подарили маленький квадрокоптер? Давай поставим на весы большую прозрачную коробку и запустим квадрокоптер в ней, чтобы он повис внутри, не касаясь дна. И посмотрим, что произойдёт!
— Вот это отличная идея! Давай посмотрим!
Ребята делают опыт. Приходится немного помучиться, но, наконец, квадрокоптер зависает в углу коробки. Показания весов остаются теми же самыми, хотя они чуть-чуть колебались во время старта и посадки.*
— Ну как же так, — недоумевает Петя, — ведь когда квадрокоптер оторвался от дна банки, он не давил на него, разве это непонятно?
— Чтобы летать, — отвечает Вася, — ему нужно опираться о воздух, а воздух опирается на дно банки.
— Как это он опирается? Разве можно опираться о воздух?
— Конечно можно, только для этого надо махать крыльями или вращать винтами.
— И что же?
— А вот что, — вступает в разговор папа. — Муха отбрасывает крыльями воздух вниз? Отбрасывает. Значит, она создаёт воздушную струю. Ты возьми трубку и подуй в неё на чашку весов.
Петя дует, и весы, которые стояли на нуле, показывают ощутимый вес, целых 10 граммов.
— Но разве муха может создавать такую сильную струю?
— А ей не надо создавать сильную, муха весит меньше грамма.
— Но когда она летает вверху банки, разве струя достаёт до дна?
— Я знаю, — вновь вступает в разговор Вася, — сама струя до дна не достаёт, потому что она тормозится о нижние слои воздуха. Но если тормозится, значит, она на них давит. Получается, что давление в нижних слоях воздуха становится больше. И поэтому нижний слой воздуха сильнее давит на дно.
История вторая
— Вот мы дули из трубочки на весы, — задумчиво говорит Петя, — и показания весов увеличивались. А можно подуть из трубочки на воду, тогда в воде появится ямка.
— Давай посмотрим, — отвечает Вася. — Если дуть сильно, смотри, какие брызги летят!
— А не надо сильно, ты дуй легонько, — подключается к ним папа. — Пусть Петя подует, а ты посмотри сбоку: видишь, какая аккуратная ямка получилась.
— А когда муха летает над водой, — говорит Петя, — под ней тоже образуется ямка? И какой она глубины?
— Наверное, очень маленькой, — подхватывает Вася. — А вот когда вертолёт над водой зависает, наверное, огромная ямища получается.
— А ты посчитай, какой она глубины, — говорит папа.
— Как это посчитать? Мы же ничего не знаем.
— Значит, мы можем сделать примерную оценку. Сколько весит средний вертолёт?
— Я сейчас посмотрю в Википедии, — говорит Петя. — Вот, вертолёт на фотографии висит над водой, смотрите! Здесь написано, что его взлётная масса равна 10 тоннам.
— Очень хорошо. Если это будет не вертолёт, а катер, какую массу воды он вытеснит по закону Архимеда?
— Свою собственную, 10 тонн.
— А какой объём занимает эта вода?
— Кубический метр воды весит тонну, значит, 10 тонн занимают 10 кубометров.
— И что же, — спрашивает Вася, — яма под вертолётом тоже будет в 10 кубических метров по объёму? Но разве вертолёт плавает в воде? Он ведь висит над ней.
— Ты же сам говорил, — отвечает папа, — что он опирается на струю. А струя опирается на воду. Вот и получается, что вертолёт тоже «плавает над водой».
— Ну, дальше всё понятно, — говорит Петя. — Тут написано, что этот вертолёт заметает своим винтом круг в 200 м2. Если вертолёт висит низко над водой, это и будет примерная площадь ямы. Чтобы найти её глубину, надо объём поделить на площадь. Делим 10 м3 на 200 м2, получаем глубину в 5 см всего. А мне казалось, яма будет гораздо глубже, ведь вертолёт такой тяжёлый.
— Вертолёт-то тяжёлый, — отвечает ему Вася, — но площадь у ямы слишком большая, вот её глубина и получается маленькой. Мы выдували через трубку маленькую ямку, а вертолёт своим винтом создаёт большую по объёму яму, но при этом совсем неглубокую.
Автор: Андрей Щетников
Художник: Максим Калякин
Источник: «Квантик» №12, 2015