Булыжники прыгают по воде... Физика процесса

← →
Petr V. Abramov © (2004-08-10 23:57) [0]

Наверное, многие в детстве занимались такой фигней:
берется булыжник, не сильно тяжелый, плоский хотя бы с одной стороны, и кидается почти параллельно воде, при этом закручивается в горизонтальной плоскости. При наличии небольшого навыка он падает на воду, далее непонятный физ. процесс, и отпрыгивает от нее под тем же углом, под которым падал, но, ессно, с меньшей скоростью. На стоячей воде без тины он может подпрыгнуть раза четыре-пять, у профессионалов - может, и десять :)
Какая физическая сила ( или какая чертовщина :) заставляет булыжник отпрыгивать от воды, как теннисный мячик от асфалюта???
Учитывая то, что для достижения эффекта булыжник должен лететь со вращением, можно было б подумать, что та же сила, которая заставдяет взлетать вертолет. Но вертолет не вылетит за пределы атмосферы, какого бы горизонтального ускорения у него не было ( Землю считаем плоской, что в данной задаче уместно, да и вообще порядки расстояний/скоростей не те:)
Так почему же булыжники прыгают по воде (физика процесса :) ?

← →
Palladin © (2004-08-11 00:06) [1]

Наклон булыжника

1) Не отскочит

Б
Б
вввБвввв
Б

2) Отскочит

Б
Б
вввБввв
Б

Почему? Из "иллюстрации" думаю понятно :) Если расставить силы... и учесть что сопротивления воды гораздо меньше сопротивления воздуха. Правда я не физик :)

← →
jack128 © (2004-08-11 00:07) [2]

> Учитывая то, что для достижения эффекта булыжник должен
> лететь со вращением
что то я не уверен, что камешек (на счет булыжника ты загнул.. Или у нас разные представления о булыжниках ;-)) обязательно должен ВРАЩАТСЯ для достищения эффекта. Тут главное

> кидается почти параллельно воде,
а вращение - это лишь средство для достижения этого условия..

← →
Piter © (2004-08-11 00:13) [3]

Хм, я думаю стоит обратить внимание на закон Архимеда и силу поверхностного натяжения?

← →
Petr V. Abramov © (2004-08-11 00:23) [4]

> Palladin ©
> Из "иллюстрации" думаю понятно :)
"Иллюстрация" не для моего среднего ума :), но я предположил, что имелось в иду напревление вращения. Но то него ничего не зависит, можно кидать хоть с правой руки, хоть с левой, хоть направо, хоть налево, хоть через ж... :) - главное, чтоб почти параллельно и с вращением.

← →
Гарри Поттер © (2004-08-11 00:23) [5]

Камню вращаться необязательно.
Для этого фокуса важны угол полета камня относительно поверхности и скорость. Эти два параметра могут заставить прыгать не только плоский камешек, а что угодно. Видели как прыгает по воде упавщий на большой скорости лыжник? Некоторые даже серьезные травмы получают.

← →
Petr V. Abramov © (2004-08-11 00:26) [6]

Piter © (11.08.04 00:13) [3]
На закон Архимеда врядли надо обращать внимание, т.к. булыжник по условию (неявному :) намного тяжелее воды

← →
Piter © (2004-08-11 00:44) [7]

Petr V. Abramov © (11.08.04 0:26) [6]
На закон Архимеда врядли надо обращать внимание, т.к. булыжник по условию (неявному :) намного тяжелее воды

так. То есть, мы открыли новую теорию - если предмет тяжелее воды, то будучи погруженным в воду сила Архимеда на него не действует, правильно?

Интересно...

P.S. По моему, объяснение сабжа из школьного курса физики...

← →
Petr V. Abramov © (2004-08-11 00:57) [8]

> Гарри Поттер © (11.08.04 00:23) [5]
Но катер, плывущий с той же скоростью не прыгает!
Мне доводилось плыть на плоскодонке, которую тащил водный мотоцикл на полной(?) дури, км 80/ч. Брызги (волна) по бокам - 3-3.5 высоты борта, идет устойчиво, но нос задирает градусов на 20, хотя точка крепления троса по высоте совпадает с носом плоскодонки. То есть есть какая-то сила, которая задирает нос плоскодонки и оставляет трос натянутым

← →
Petr V. Abramov © (2004-08-11 00:59) [9]

> Piter © (11.08.04 00:44) [7]
Ну действует, на него много чего действует, но если его положить на повехность воды, он потонет, а не подпрыгнет.

← →
Profi © (2004-08-11 01:00) [10]

Piter © (11.08.04 0:44) [7]
Ты сам нашел ответ, сила Архимеда действует на погруженное тело, а камешек не погружается. Все дело в силе натяжения воды, формулы сейчас не помня, но если кому интересно, могу расчитать.

← →
Petr V. Abramov © (2004-08-11 01:03) [11]

> Profi © (11.08.04 01:00) [10]
> Все дело в силе натяжения воды,

Если его положить на воду и отпустить, то "не натянет"
Хотя, возможно, направление поиска верное ( я ответа не знаю)

← →
Profi © (2004-08-11 01:06) [12]

Petr V. Abramov © (11.08.04 1:03) [11]
Мне два года долбили физику в универе... Это так к слову! Вектор скорости и силы натяжения почти параллельны, из-за этого и будет происходить отскок, а если "положить", то есть лишь mg, она и потянет камень вниз. Тут лишь вектора, и все!

← →
Гарри Поттер © (2004-08-11 01:41) [13]

И поверхностное натяжение тут ни прчем.. Если метеор по касательной с маленьким углом на большой скорости заденет атмосферу планеты он отскочет по по такому же принципу. ИМХО.

← →
jack128 © (2004-08-11 01:44) [14]

> если "положить", то есть лишь mg, она и потянет камень вниз.
то есть если если камень по касательной летит, то mg не действует, так что ли?

← →
Profi © (2004-08-11 01:45) [15]

Гарри Поттер © (11.08.04 1:41) [13]
М-м-м да! Про претяжение между молекулами слышал? В газе будет тот же эффект, что и в жидкости. Молекулы не успеют разбежаться и будет тоже поверхностное натяжение.

← →
Гарри Поттер © (2004-08-11 01:47) [16]

>[15] Profi © (11.08.04 01:45)

М-м-м да! Согласен. :-) Чет неподумал об этом.

← →
Profi © (2004-08-11 01:47) [17]

jack128 © (11.08.04 1:44) [14]
Действует, но не только оно, и чем больше скорость, тем незаметние mg.

← →
Алхимик © (2004-08-11 01:51) [18]

> [11] Petr V. Abramov © (11.08.04 01:03)
> > Profi © (11.08.04 01:00) [10]
> > Все дело в силе натяжения воды,
>
> Если его положить на воду и отпустить, то "не натянет"

А если аккуратно положить на воду иголку и отпустить, то натянет.

← →
jack128 © (2004-08-11 01:52) [19]

> чем больше скорость, тем незаметние mg.
что значит "тем незаметние mg" ? У тя что при большой скорости g меняется? Или m? Реляционные эффекты > по условию (неявному :) не учитывает.

Если же ты имеешь в виду отношение mg к горизонтальной состовляющей силы, то какое это имеет значение?

← →
Profi © (2004-08-11 01:57) [20]

jack128 © (11.08.04 1:52) [19]
Возьми листок и ручку и нарисуй два вектора, лучше перпиндекулярно (для наглядности). Горизонтально скорость, вертикально mg. Чем длиньше вектор скорости, тем их сумма (скорости и mg) составляет с ним меньший угол.

← →
Profi © (2004-08-11 01:58) [21]

Алхимик © (11.08.04 1:51) [18]
Не всегда, лишь в мыльной воде. Там больше натяжение.

← →
kaif © (2004-08-11 02:02) [22]

Кстати, даже очень здоровые булыжники (килограммовые) подпрыгивают, если правильно бросить. Их можно сильно и не закручивать. Закручивание, видимо, нужно для сохранения постоянного угла между плоскостью камня и поверхностью воды за счет гироскопического эффекта и важно как раз для маленьких камешков. Само подпрыгивание объясняется тривиально - сила лобового сопротивления воды раскладывается на две составляющие: одна замедляет поступательное движение движение камня в плоскости вращения, а другая - выталкивает его вверх. Лобовое сопротивление возникает оттого, что вода обладает массой. Камень, частично погруженный в воду и сохраняющий плоскость вращения работает так же, как крыло подводной лодки, готовящейся к всплытию и наклоненное под углом к горизонтали. Не будь трения, камень мог бы подпрыгивать вечно. Архимедовой силой здесь можно пренебречь. Для расчета этой задачи, я бы сначала подумал, как решить более простую задачу: допустим, мы опустили под воду ладонь под некоторым углом, скажем, перпендикулярно. Площадь ладони такая-то. Какое сопротивление будет оказывать вода, если мы пытаемся двигать ладонь с определенной скоростью? Ведь именно это делает рука пловца или весло лодочника. Следовательно, от воды можно "оттолкнуться". Теперь представим себе, что будет с веслом, которое погружено в воду под углом? Оно может просто "выскочить" из воды точно так же, как это делает наш камень. Все очень просто.
А вот есть еще одно явление, связанное с прыжками по воде, физика которого меня гораздо больше интересует: мыльные пузыри, если их уронить на поверхность воды, начинают подпрыгивать, не смачиваясь, как мячи на асфальте. Попробуйте - эффект потрясающий. Когда я, увидев это явление, спросил у детей: "Что, они на воде подпрыгивают ???" - мне ответили с таким видом, будто я с Луны свалился: "А ты что, не знал?".

← →
jack128 © (2004-08-11 02:05) [23]

> jack128 © (11.08.04 1:52) [19]
> Возьми листок и ручку и нарисуй два вектора, лучше перпиндекулярно
> (для наглядности). Горизонтально скорость, вертикально mg.
> Чем длиньше вектор скорости, тем их сумма (скорости и mg)
> составляет с ним меньший угол.
и что дальше? Ну мальнький угол и что? Для того чтобы канень отскочил от воды нужно уравновесить только ВЕРТИКАЛЬНУЮ соствляющую силы. То есть mg.

← →
kaif © (2004-08-11 02:05) [24]

2 Profi ©
Да, здесь вектора и разложения - просто синусы и косинусы.
Но нужно уметь считать лобовое сопростивление воды при определенной скорости и площади крыла. Это не совсем тривиальная задача. Настолько же сложная, как и расчет винта корабля.

← →
nikkie © (2004-08-11 02:06) [25]

Чем длиньше вектор скорости, тем их сумма (скорости и mg) составляет с ним меньший угол.
это в МГТУ учат скорости с силами складывать?

← →
Profi © (2004-08-11 02:07) [26]

kaif © (11.08.04 2:02) [22]
Сдаем РК. Заходит препод и сразу вопрос:"С какой скоростью должен бежать человек, чтобы бежать по воде?". Все сразу начинают капаться в лекциях, искать формулы (мы её даже решили, но ответ не помню), а один сидит и смотрит в потолок. Препод к нему: "А вы что, уже знаете ответ?". Да, знаю! - отвечает. - Человек по воде может ползти, если она будет находиться в твердом агрегатном состоянии." Пришлось стовить Отл, а мне поставил Хор, за невнимательность, условие-то не полно.

← →
kaif © (2004-08-11 02:09) [27]

2 jack128 ©
Даже небольшое лобовое сопротивление может создать большую подъемную силу, так как делится на sin(alpfa). На том же принципе взлетает самолет.

← →
Profi © (2004-08-11 02:10) [28]

nikkie © (11.08.04 2:06) [25]
Пока людям объяснишь сам с ума сойдешь. Разумеется нет! В данном случае у камня должно быть ускорение, чтобы появилась сила, иначе см. kaif"а.

← →
kaif © (2004-08-11 02:14) [29]

Это просто плоское крыло под малым углом.
Нетривиальности: гироскопичский эффект для сохранения плоскости вращения, сложность расчета лобового сопротивления при движении в воде. Остальное - просто силы и векторы.

← →
Profi © (2004-08-11 02:16) [30]

kaif © (11.08.04 2:14) [29]
Гироскопический момент я тебе расчитаю (сдал на Хор), дальше сам!

← →
Piter © (2004-08-11 02:27) [31]

Profi © (11.08.04 1:00) [10]
Ты сам нашел ответ, сила Архимеда действует на погруженное тело, а камешек не погружается

нда? Совсем не погружается, правда что ли? Сам подумай - еще как погружается, может маленькой часть, может сила Архимеда и несравнимо мала по сравнению с силой поверхностного натяжения - но она есть. Я собственно и не объяснял все именно силой Архимеда...

В общем три силы есть - Архимедова, сила поверхностного натяжения и как метко заметил Кайф сила сопротивления, когда камень входит в воду. Эти три силы и подбрасывают камень вверх, сила сопротивления еще его и тормозит.

Архимедовой силой можно принебречь, насчет поверхностного натяжения не знаю - ну думаю тоже

Piter © (11.08.04 2:27) [31]
Тогда останется только сила сопротивления, и камень вертикально подпрыгнув уйдет на сублитораль.

Profi © (11.08.04 2:30) [32]
Тогда останется только сила сопротивления, и камень вертикально подпрыгнув

кто тебе сказал, что сила сопротивления направлена строго вверх?!!!

К тому же камень имеет свою скорость в плоскости паралельной земле, поэтому он полетит дальше, при этом на него еще и mg действует из-за чего он опять рухнет на воду и опять подпрыгнет...

Profi © (11.08.04 2:43) [34]
но вертикаль

не получишь ты никакую вертикаль.

Тут еще как минимум форму камня надо учитывать и его ориентацию в момент погружения, чем более он плоский - тем больше его будет пружинить, при этом правда есть вероятность скатиться в хаотичное кувыркание через самого себя :)

Если упасть в воду с большой высоты то разобьешся точно также как об землю

http://www.nsu.ru/materials/ssl/distance/Physics/Archives/060.html

А еще добавить самолёт и транспортёр....

> А вот есть еще одно явление, связанное с прыжками по воде,
> физика которого меня гораздо больше интересует: мыльные
> пузыри, если их уронить на поверхность воды, начинают подпрыгивать,
> не смачиваясь, как мячи на асфальте.

А здесь уже силы поверхностного натяжения действуют.

Мыльная плёнка трехслойная: два слоя молекул мыла и слой воды между ними. Молекуля мыла погружены во внутренний слой воды гидрофильными группами, поэтому внешняя поверхность пузыря гидрофобная, несмачивающаяся.

старая институтская иллюстрация архимедова закона для "чайников" :

"Если тело вперто в воду,
Не утонет оно сроду.
Его выпрет оттуды
Силой выпертой воды"
(С)

:)

> [39] DiamondShark © (11.08.04 12:13)

По этому поводу есть хорошая книга в библиотеке Кванта - Пузыри. Хорошая книга.

Где траву берёте, коллеги? ;о)

Кстати...
http://newsru.com/world/02jan2004/kamni.html

Булыжники прыгают по воде... Физика процесса Найти похожие ветки