Почему смятый лист падает быстрее плоского?
Сминая лист, мы меняем его движение в воздухе, но не добавляем бумагу. Плотный комок обычно падает быстрее такого же листа, отпущенного плашмя: воздух по-разному замедляет эти две формы.
Главное отличие — форма, а не дополнительный вес
Падающий лист тянет вниз сила тяжести; одновременно он взаимодействует с окружающим воздухом. Сопротивление воздуха направлено против движения относительно воздуха. Широкий лист, отпущенный горизонтально, обычно опускается, покачиваясь, а плотный комок из такой же бумаги раньше достигает пола.
Сминание не добавляет массы. Бумага занимает меньше места; меняются её форма и площадь, обращённая навстречу движению. Количество бумаги остаётся прежним. Проверить разницу можно без секундомера.
Подготовьте сравнение на пять–десять минут
- Возьмите два сухих листа обычной бумаги для принтера из одной пачки: одинакового размера и толщины. Оставьте оба целыми, без грузиков, скотча и других добавок.
- Выберите место в помещении без сквозняка, со свободным сухим полом. Выключите ближайший вентилятор и отойдите от мебели. Стойте на полу: высоты от пояса до груди достаточно.
- Один человек может отпускать оба листа, по одному из каждой руки. Второй, если он есть, смотрит, что первым коснётся пола. Перед каждым сравнением запишите прогноз.
Сначала сравните два плоских листа
Держите оба листа примерно горизонтально, широкой стороной к полу. Слегка поддерживайте их кончиками пальцев; нижние части листов должны находиться на одной высоте. Разожмите обе руки одновременно, не подталкивая бумагу. Оставьте между листами промежуток, чтобы они не касались друг друга и не перекрывались.
Повторите три раза, меняя листы местами между левой и правой руками. Запишите, какой приземлился первым, или отметьте «неясно». Даже одинаковые листы могут по-разному наклоняться, отклоняться в сторону и покачиваться. Это сравнение помогает заметить неодновременное отпускание или движение воздуха, но не гарантирует точного совпадения.
Теперь превратите один лист в комок
Один лист оставьте плоским. Второй плотно скомкайте, ничего не отрывая и не добавляя. Предскажите порядок приземления, затем отпустите пару с той же высоты, что и раньше: нижние части должны быть на одном уровне. Плоский лист снова начинайте отпускать горизонтально.
Повторите отпускание три раза, меняя руки между попытками. Записывайте порядок приземления и всё замеченное: уход в сторону, вращение или запоздавшее отпускание одной рукой. Если бумага задела мебель, пометьте попытку как прерванную и повторите. Сохраните эту запись, не считая её обычным приземлением на пол.
Комок обычно достигает пола первым. Если получилось иначе, не исправляйте запись под прогноз. Проверьте отпускание, сквозняк и начальную ориентацию: ниже объясняем, почему они важны.
Скопируйте журнал наблюдений
text
Прогноз: ____________________________________
Пара Попытка Кто первым достиг пола? Что заметили?
лист/лист 1 _____________________ ____________
лист/лист 2 _____________________ ____________
лист/лист 3 _____________________ ____________
лист/комок 1 _____________________ ____________
лист/комок 2 _____________________ ____________
лист/комок 3 _____________________ ____________
Что изменилось? ______________________________
Что осталось прежним? ________________________Пустой журнал, а не результаты измерений. «Неясно» и «попытка прервана» — тоже полезные наблюдения. Короткое время падения трудно точно измерить вручную.
Почему плоский лист обычно сильнее замедляется
Представьте, что смотрите снизу на каждую форму, движущуюся вниз. Горизонтальный лист обращён к вам широкой стороной; у плотного комка видимая снизу площадь гораздо меньше. При сминании площадь самой бумаги не исчезла: изменилась площадь, обращённая навстречу потоку воздуха.
При одинаковой скорости в одном и том же воздухе широкий плоский лист, обращённый плашмя к движению, обычно испытывает большее сопротивление, чем плотный комок. Важна и форма, а не только площадь. При настоящем падении скорости, углы и движение воздуха непрерывно меняются: нельзя утверждать, что одна сила сопротивления больше другой в каждый момент.
Сила тяжести по-прежнему действует на оба листа. Для одинаковых листов её величина примерно одинакова. Разница в движении связана с взаимодействием бумаги и воздуха. В идеальном сравнении без сопротивления воздуха оба имели бы одинаковое ускорение свободного падения; в этом комнатном опыте воздух никуда не убирается.
Если результат неясен, проверьте начальные условия
Лист, отпущенный ребром вниз, сначала обращён к движению узким краем и может падать иначе, чем горизонтальный. Рыхлый комок отличается по форме от плотного. Небольшой сквозняк или толчок при отпускании тоже меняет траекторию.
Сохраняйте одинаковыми бумагу, высоту отпускания и выбранную начальную ориентацию. Форму меняйте намеренно; остальные различия записывайте, а не относите молча на счёт формы. Сравнение двух плоских листов и смена рук помогают заметить перекос в отпускании, но не устраняют все причины разброса.
Проверьте объяснение
Выберите объяснение для опыта, в котором бумагу не добавляли и не отрывали, или откройте разбор ответов ниже.
Ответы и пояснения
- У комка увеличилась масса: Бумагу и другие материалы не добавляли. Сминание меняет форму и взаимодействие с воздухом, а не массу.
- Форма изменила торможение воздухом: Верно. У одинаковых листов примерно равная масса, но разные формы по-разному взаимодействуют с воздухом. Повторите опыт и проверьте условия отпускания.
- На плоский лист перестала действовать сила тяжести: Сила тяжести продолжает тянуть плоский лист вниз. На его движение влияет и взаимодействие с воздухом.
Что этот опыт показывает, а что — нет
Сравнение помогает увидеть: изменение формы может изменить падение при прежнем количестве бумаги. Оно не измеряет силу сопротивления, не доказывает численное соотношение времени падения и не устанавливает правило, будто компактные предметы всегда падают быстрее.
При сминании меняется несколько аэродинамических свойств: и площадь, обращённая навстречу воздуху, и сама форма. Опыт не позволяет выделить вклад каждого из них. Аккуратный вывод называет условия: «С этими одинаковыми листами, при таком отпускании в этой комнате комок обычно приземлялся первым». Пишите так, только если это соответствует вашим наблюдениям.