Подставки под пиво оказались плохими фрисби

Чтобы это выяснить, ученым понадобилось несколько неудачных бросков в баре, высокоскоростная камера и устройство для метания пивных подставок в лаборатории. Описанная в The European Physical Journal Plus теория также смогла объяснить и изменение траектории полета игральных карт и компакт-дисков, которые также не способны лететь прямо и падают. Подставки для пива, которыми бары защищают столы после конденсации на поверхности пивных кружек, часто приобретают дополнительные опции — их запускают подобно фрисби. Оба эти способа использования картонных кружочков интересуют и физиков. В частности полет таких подставок прекрасно иллюстрирует теорию вращения плоских тел (дисков) в воздухе в классической механике. К сожалению, отдельно для пивных подставок уравнений не существует, потому что это требует больших вычислительных затрат, чтобы учесть эффекты вроде турбулентности. Но в целом исследовать это можно с помощью хорошо изученных полетов летающих дисков или фрисби. Так для уравнения движения нам понадобится определить четыре основные силы. Силу притяжения, подъемную силу (перпендикулярная скорости предмета и направлена ​​вверх), силу торможения, направляемой против скорости, а также силу Магнуса, действующей поперечно в направлении вихревых потоков по бокам диска. В целом они описывают, почему каждый, кто пытается бросить пивную подставку, подсознательно быстро понимает, что нормального расстояния можно достичь только если диск начнет вращаться вокруг оси, перпендикулярной ему.

Таким образом образуется угловой момент, что стабилизирует ориентацию подставки и предотвращает хаотичное вращение. Этот угловой момент направляется вверх или вниз, так же как и в фрисби. Игроки знают, что диск при бросании надо закрутить, чтобы силы было достаточно для создания подъемной, но не достаточно, чтобы угол между направлением потока воздуха и ось симметрии фрисби (угол атаки) раскачивал диск. А поскольку подставка под кружку также плоская, круглая, то от нее следовало бы ожидать вращения с угловым моментом, как в фрисби.

Но вернемся к бару. Там пивные подставки летают обычно без особого успеха: через короткое время картонный кружок сходит с пути, разворачивается в сторону и падает на пол. Кстати, по уравнениям движения исследователей метания пивных подставок Джона Остермейера (Johann Ostmeyer), Кристофа Шурмана (Christoph Schürmann) и Карстена Урбаха (Carsten Urbach) из Боннского университета, делает он это в среднем по 0,45 секунды. Так в зависимости от направления своего вращения подставка начинает возвращаться или влево, или вправо. А в зависимости от умений того, кто бросает ее, приобретает или обратное вращения (против направления полета), что дает подставке лететь дольше, или, наоборот, «верхнего» вращения, где вращение осуществляется горизонтальной осью и снижает стабильность полета.

Однако все равно, бросая подставку фрисби, вращение сначала стабилизирует ось вращения, но затем сила притяжения заставит кружочек наклониться и сместит подъемную силу из центра к краю подставки, впоследствии заставит его развернуться и упасть. Все это исследовать с людьми, которые не способны бросать диск (то есть с одинаковой силой и скоростью), не стоит, а потому физики переместились в лабораторию, чтобы подтвердить свои теоретические расчеты.

В своей работе Джон, Кристоф и Карстен сконструировали устройство, с которым у них появилась возможность запускать подставки с переменным угловым и прямым импульсом. Устройство для стрельбы подставками состоит из двух беговых дорожек с приводом от электродвигателя, которые можно запрограммировать на движение вперед или назад с заданной скоростью до 16 метров в секунду независимо друг от друга. Подставку размещали между ними и ускоряли до тех пор, пока он не приобретали скорость дорожки и не прекращали скользитьпо ней. Все кружочки следовали по одной и той же траектории и ударялись в одну и ту же точку с небольшими отклонениями около 0,1 метра, а отслеживала это камера со скоростью записи 500 кадров в секунду.

Так ученые подтвердили свои прогнозы: пивная подставка сохраняет стабильность полета примерно до 0,45 секунды. Причем подобные ей предметы страдают подобными недостатками — по теории, стандартная игровая карта пролетит немного больше половины этого времени, а именно около 0,24 секунды, а компакт-диск продержится вдвое больше — 0,8 секунды. фрисби здесь конечно всех волнует и летит около 0,7 секунды, хотя может и все 16, если не будет встречать препятствий.

Перевод материала nauka.ua