Физика развлечений

Слово «аттракцион» пришло к нам из французского языка и в переводе на русский язык означает «притяжение». Аттракцион — это увеселительный номер, который привлекает к себе публику. В применении к аттракционам Центрального парка Культуры и отдыха им. Горького значение этого слова целиком оправдывается. Сколько гуляющих стоит около парашютной вышки, сколько смеха, шуток услышишь в павильоне «колесо смеха» и т. д. Но кроме здорового веселья, в некоторых аттракционах заложено еще одно свойство — это их учебно-наглядный характер. В самом деле, целый ряд аттракционов: «таинственный параболоид», «толкание ядра», «комната смеха» и т. д. являются великолепной иллюстрацией к тому или иному физическому закону. В настоящей статье мы рассмотрим некоторые из аттракционов с точки зрения физических явлений, лежащих в основе эффекта.

Начнем с так называемого «моста препятствий». Сначала обратим внимание на «бочку», наиболее сложное из всех препятствий.

Бег на катящейся бочке.

«Бочка» представляет собой большой полый цилиндр без дна и крышки, расположенный горизонтально. Несколькими электромоторами, находящимися под платформой, «бочка» приводится во вращательное движение. Эффект аттракциона заключается в том, чтобы войти в движущийся цилиндр с одной стороны, сделать несколько шагов по его стенкам навстречу вращению и выйти с другой. Без навыка это довольно трудно проделать. При равномерном вращательном движении точки поверхности цилиндра обладают определенной скоростью. Всякий предмет, попавший на поверхность вращающегося цилиндра, будет увлекаться вместе с движущейся поверхностью. В таком же положении окажутся и наши ноги, когда мы войдем внутрь вращающейся бочки. И для того чтобы наше тело сохранило вертикальное положение, мы должны двигаться в сторону, обратную вращению, с такой же скоростью, с какой вращается цилиндр. Инстинкт самосохранении подскажет нам, как подобрать нужную скорость, чтобы сохранить равновесие. Мы имеем дело с сложением скоростей, направленных в разные стороны, благодаря чему наше тело почти не участвует во вращательном движении цилиндра. Но так как нам надо пройти цилиндр вдоль, чтобы выйти из него через противоположное отверстие, наши ноги должны, кроме того, развивать некоторую скорость в направлении оси цилиндра. При согласованном движении в обоих направлениях эго препятствие удается преодолеть.

Мост препятствий. Бег внутри вращающегося цилиндра.

*

Аналогичное явление можно наблюдать на площадке массовых аттракционов. На массивную бочку взобрался молодой человек и движением своих ног привел ее в движение. Бочка с большой скоростью катится по площадке аттракционов, а «бегун» с исключительной ловкостью бежит по вращающейся поверхности бочки.

Но двинемся дальше, войдем в помещение под вывеской «колесо смеха».

В центральной части комнаты на уровне пола установлен вращающийся диск диаметром 5—6 метров. Диск приводится в движение электромотором. Число его оборотов легко регулируется реостатами. Самый диск и пол вокруг него обиты гладким линолеумом. Все это пространство оцеплено предохранительным барьером, обитым с внутренней стороны войлоком.

Станем у барьера с внешней стороны и проследим за ходом игры. Любители «сильных ощущений» не замедлят себя ждать. Веселой компанией рассаживаются они на ковриках в центральной части диска. Более опытные стараются занять место возможно ближе к центру и придать своему телу наиболее устойчивое положение: ноги раздвигают, а руки ставят возможно шире. Когда игроки заняли места, диск начинает медленно вращаться. При этом возникают одновременно центростремительная и центробежная силы инерции. Из них последняя будет стремиться отбросить игрока от центра на периферию круга, а сила трения будет, наоборот, удерживать его на месте. При малых скоростях центробежная сила инерции меньше силы трения, которую игроки еще умышленно увеличили, придав своему телу возможно более устойчивое положение. Поэтому вначале вращения игроки остаются на занятых местах. Но с каждой секундой число оборотов диска увеличивается, и возрастающая все время центробежная сила инерции начинает постепенно преодолевать силу трения. Игрок сначала медленно съезжает от центра к краю диска, но дальше он уже не может удержаться на диске, так как центробежная сила с увеличением числа оборотов диска и расстояния между игроком и центром вращения быстро возрастает, к игрок оказывается отброшенным к барьеру. Этот момент и вызывает у наблюдателей взрывы хохота, так как в результате броска участники игры оказываются в самых неожиданных комических позах.

Колесо смеха. Момент начала вращения.

Центробежной силой фигуры участников отброшены в периферию круга

К моменту наиболее быстрого вращении круг пустеет, играющие отброшены далеко от центра

Однако если игрок сядет в центр диска так, чтобы туловище его оказалось по одну сторону оси вращения, а ноги по другую, то явление несколько изменится. Теперь возникнут две центробежные силы инерции, соответствующие левой и правой части тела игрока. Так как центробежная сила зависит от трех факторов: m —масса, W — угловая скорость и R — расстояние между телом и центром вращения, то лишь при строго определенном положении тела по отношению к оси наблюдается равенство центробежных сил инерции по величине и противоположность по направлению. Такое «исключительное» положение умеют опытным путем находить знатоки аттракционного дела. Одна из наших иллюстрации фиксирует как раз такой момент, когда один из игроков удержался на быстро вращающемся диске. Правда, у этого парня невполне уверенная поза, так как всякое yеудачное с его стороны движение может вызвать перераспределение массы его тела относительно оси вращения и тем самым нарушит равенство действующих сил. В результате игрок очень скоро очутится у барьера.

*

В самом центре парка расположен аттракцион под названием «таинственный параболоид». Здание этого аттракциона напоминает чашку и с внешней стороны очень ярко освещено рядами электрических лампочек, охватывающих его разноцветными полосами. Аттракцион легко разыскать по окружающей его постоянно массе гуляющих, стремящихся постигнуть «тайны» этого здания.

Внутри здание имеет такой вид: в центре расположена круглая площадка диаметром 1—1,5 метра, от нее вдоль круглых стен до самого потолка здания радиально расходятся металлические перила. Между этими перилами и располагаются посетители. Когда все участники игры займут указанные положения, в помещение входит инструктор и плотно закрывает дверь. Через несколько минут все здание начнет медленно и плавно вращаться. Произойдет это так, что никто из присутствующих не заметит начала движения здания.

Чтобы определить, движется ли тело, или находится в покое, необходимо пронаблюдать его некоторое время по отношению к неподвижным предметам. В описываемом здании нет ни одного предмета, который мог бы служить критерием движения или покоя здания в целом. Расстояния между предметами, находящимися в здании, независимо от движения или покоя остаются неизменными. Органически каждый из нас это вращательное движение почувствует. Слабость, головокружение и тошнота являются реакцией нашего организма на столь необычное для него состояние. Чтобы ослабить неприятное ощущение, надо смотреть в центр площадки.

Описанный аттракцион интересен тем, что он воспроизводит в ничтожно малом масштабе явления, связанные с вращением земли. Наша планета — земля со всеми предметами, живыми существами и окружающей ее атмосферной оболочкой — вращается с громадной скоростью. Однако заметить это путем простого наблюдения окружающих предметов нам не удается. Для этого необходимы какие-нибудь другие приемы наблюдения. Предметами отсчета, осями отсчета для земли служат бесконечно далеко расположенные от нас звезды. Устанавливая изменения картины небесного свода в течение суток, человек пришел к выводу о вращении земли вокруг своей оси.

*

Но перейдем к дальнейшему. Когда скорость вращения здания достигнет значительной величины, инструктор предлагает присутствующим подниматься вверх вдоль перил. Это удается сделать совершенно свободно, тогда как в неподвижном здании это стоило бы большого труда. Медленно поднимаясь, игроки через несколько минут достигают наивысшего положения, почти касаясь спиной потолка здания.

В этот момент скорость вращения — максимальная. Инструктор предлагает перестать держаться за перила и начать хлопать в ладоши. Разберем описанное с точки зрения физики.

При вращении здания возникают центробежные силы инерции, стремящиеся отбросить каждый предмет, в том числе и массу нашего тела, от оси вращения вдоль по радиусу. Эта центробежная сила инерции Р действует на наше тело в одном направлении, а в другом на него действует сила веса Q. Складывая обе силы по правилу параллелограмма, мы получим равнодействующую силу R, направленную почти перпендикулярно к поверхности стен здания. Отсюда понятно, что сила R, прижимая тело игрока к стенкам здания, облегчает ему движение вдоль стенок и даже дает возможность в верхней части стенок не держаться руками за перила. С уменьшением скорости вращения здания уменьшается центробежная сила инерции P, а вместе с этим изменяет свою величину и направление силы R. Теперь сила R приближается к вертикали, игроку становится труднее держаться в занятом положении, и он медленно спускается вниз.

Схема "параболоида чудес"

*

Следующий аттракцион — «вниз головой» — основан на зрительно-кинематографическом эффекте.

Внутри помещение представляет обычную комнату со скромной обстановкой: стол, настольная электрическая лампа, занавески на окнах и т. д. Сквозь две противоположные стены комнаты проходит металлическая ось, опирающаяся на две прочные опоры, расположенные вне комнаты. Так как комната не имеет фундамента, то при помощи системы рычагов ее можно вращать вокруг оси в обоих направлениях. Внутри комнаты, вдоль этой оси укреплена на шарнирах скамейка, опирающаяся на указанные опоры. Такое расположение предметов дает возможность наблюдателю сидеть на скамейке внутри комнаты, в то время, когда самая комната со всей своей незамысловатой обстановкой будет вращаться вокруг наблюдателя.

Обычно посетитель еще до начала «сеанса» хорошо осведомлен о том, что ему предстоит спокойно сидеть на неподвижной скамейке, а футляр-комната будет вращаться вокруг него. Тем не менее он неизбежно впадает в заблуждение — ему кажется, что он сам вращается, что вот-вот сорвется скамейка и полетит вниз.

"Головой вниз"

Эффект построен на том, что если между покоящимся наблюдателем и движущимся телом или, наоборот, между движущимся наблюдателем и покоящимся телом нет предметов, от которых наблюдатель может вести отсчет длины, то судить о том, кто по отношению к кому движется — трудно.

Ряд аттракционов Центрального парка культуры и отдыха представляет собой ценные физические приборы. По сравнению с этими приборами аттракцион имеет то преимущество, что заставляет зрителя быть активным, вызывает у него резкое ощущение и тем самым способствует твердому запоминанию наблюдаемого явления.

Удар молота по "наковальне" заставляет металлическую скобу двигаться вдоль рейки. Чем сильнее удар молота, тем выше поднимается скоба. На снимках: внизу —"наковальня", вверху — стержни с рейками

М. ГРАБОВСКИЙ