тежестта

от Крис Уудфорд. Последна актуализация: 9 януари 2020 г.

Който върви нагоре, трябва да слезе - това е един от начините за разбиране на гравитацията. Ние мислим за гравитацията като сила, която дърпа нещата надолу (към центъра на Земята), но не винаги работи така. Понякога гравитацията може да накара нещата да се обърнат и да се преобърнат, особено ако са високо и небалансирани. Проходилките с въжета разбират това по-добре от всеки друг. На пръсти по високия проводник те често се клатят и клатушкат от една страна на друга, само за да ни забавляват, но едва ли някога падат. Инстинктивното разбиране на физиката на силите им помага да останат здраво на жицата. Ако като тях разбирате проста концепция, наречена център на тежестта, ще откриете, че балансирането е детска игра!

Снимка: Ходещият по въже инстинктивно владее физиката. Може би си мислите, че ветрилото, което тя носи, е просто забавно малко докосване, но е по-важно, отколкото изглежда: дава на проходилката лесен начин да преразпредели теглото си и бързо да коригира всички колебания, които биха могли да я изпратят на земята. Снимка на Eoreum (наричан още Jultagi), корейски танци на въжета, с любезното съдействие на гарнизона на американската армия.

Съдържание

  1. Какво е "център на тежестта"?
  2. Защо високите неща се преобръщат?
  3. Защо гравитацията кара тялото ви да се преобръща?
  4. Кой е най-добрият начин за балансиране?
  5. Как помага да се знае за центъра на тежестта?
  6. Открийте повече

Какво е "център на тежестта"?

Хвърли топката във въздуха и гравитацията я изтегля обратно надолу. Не всичко се движи по този начин, когато върху него действа гравитацията. Повечето предмети не са хубави, спретнати форми като топки. Това означава, че гравитацията действа върху тях по по-сложни начини. Въпреки това всички обекти се държат така, сякаш тяхната маса (нещата, от които са направени) е концентрирана в точка, наречена техният център на тежестта. Един прост обект като топка има центъра на тежестта на много очевидно място: точно в центъра му. Но при по-сложен обект, като вашето тяло, центърът на тежестта е малко по-висок от талията ви, защото в горната половина на тялото ви има по-голямо тегло, отколкото в долната половина.

Снимка: Защо центърът на тежестта има значение? Ако искате да летите безопасно със самолет, балансираният товар е важен. 1) Този гигантски самолет C-5 изчислява центъра на тежестта в специален хангар за тегло и баланс във военновъздушната база Едуардс в Калифорния. Снимка от Дерек Лорънс. 2) Хеликоптер, носещ страничен товар, има центъра на тежестта, изместен наляво, докато гледаме снимката. Пилотът трябва да регулира стъпката на роторите, така че те да създават по-голяма сила на притискане вляво, за да компенсират. Фотограф неизвестен. И двете снимки са предоставени с любезното съдействие на Defense Imagery.

Защо високите неща се преобръщат?

Мисленето за центъра на тежестта ни помага да отговорим на въпроси като този. Застанете изправени, след това опитайте да се наведете на една страна. Много бързо ще стигнете до точка, в която цялото тяло ви се струва, че е на път да се преобърне. Всъщност не се движите, а се въртите около глезените си. Главата ви се движи по-бързо от коленете. Всъщност цялото ви тяло се върти около глезените като колело. Може би си мислите, че гравитацията е нещо, което дърпа нещата надолу, но тук ви кара да се завъртите в кръг! Колкото по-висок си, толкова повече ще се обърнеш, защото цялото ти тяло действа като лост, помагайки на силата на гравитацията да те обърне.

За да видите как работи това, опитайте да отворите врата, като натиснете дръжката с един пръст. Лесно, нали? Когато сила натисне нещо, което може свободно да се върти (като врата на пантите), това нещо ще се обърне, вместо да се движи. Сега опитайте да отворите същата врата, като натиснете с един пръст близо до пантата. Този път е много по-трудно. Колкото по-кратко е разстоянието между силата и точката на въртене, толкова по-трудно е силата да накара нещо да се обърне. По-широките врати се отварят по-лесно от по-тесните, защото цялата врата действа като лост, умножавайки силата, която използвате, когато натискате дръжката. По абсолютно същия начин е много по-лесно да накарате нещо високо да се преобърне, отколкото да свалите нещо, което е близо до земята.

Произведение: Как да намерим центъра на тежестта на обекта: 1) Закачете обекта от точка на ръба му и той ще се върти, докато центърът на тежестта му е точно под тази точка. Закачете отвес (тежест на връв) от същата точка. Начертайте линия, успоредна на низа (жълт). 2) Сега изберете различна точка на ръба и повторете процеса. Начертайте друга линия, успоредна на низа (зелен). 3) Центърът на тежестта на обекта е точката, където двете линии се срещат.

Защо гравитацията кара тялото ви да се преобръща?

Представете си, че тялото ви не е единична, твърда маса, а огромен чувал с картофи, изправен изправен. Гравитацията дърпа целия чувал, но действа и върху всеки картоф поотделно, като дърпа всеки един надолу. Когато се наведете на една страна, "картофите" в горната част на тялото ви работят като лост, карайки горната ви половина да се завърти и да се преобърне около глезените. Колкото повече се облягате, толкова по-голям е ефектът на лоста в горната част на тялото ви - и толкова по-вероятно е да се свалите.

Има и друг начин да мислите за теглото си. Да, тялото ви е малко като чувал с картофи. Но също така прилича на един гигантски картоф, тежащ колкото вас и концентриран в безкрайно мъничка точка, някъде в средата ви - приблизително там, където е стомахът ви. Това е вашият личен център на тежестта. Докато вашият център на тежестта е горе-долу над краката ви, тялото ви винаги ще бъде балансирано и няма да се преобърнете. Но започнете да се навеждате настрани и всичко се променя. Главата ви е една от най-тежките части на тялото ви - като гигантски картоф, кацнал точно отгоре. Ако се наведете наляво, вашият център на тежестта вече не е точно над средната точка на краката ви. Колкото повече се накланяте, толкова повече въртящ момент (сила на завъртане) създава това и толкова по-голяма е вероятността да се преобърнете. Гравитацията кара цялото ви тяло да се върти около глезените ви като пръст, който бута дръжката на вратата.

Произведение: Докато вашият център на тежестта (жълта звезда) остава приблизително над средната точка между краката ви, вие оставате изправени дори по време на сложни движения като ходене и танци. Но ако преместите горната част на тялото си твърде много в една посока, ще създадете сила на завъртане (зелена), която ще ви накара да се въртите. За да останете изправени, ще трябва да преместите друга част от тялото си и да създадете балансираща сила (жълта стрелка), за да отмените първоначалната сила на завъртане.

Кой е най-добрият начин за балансиране?

Колкото по-нисък е вашият център на тежестта, толкова по-лесно е да поддържате равновесие. Ако седите на стол, можете да се наведете повече, отколкото ако сте изправени. С ниския си център на тежестта можете да се наведете по-далече към едната или другата страна, без да създавате достатъчно сила на завъртане, за да ви преобърне. Ето защо състезателните автомобили (и военни превозни средства като Humvees) са проектирани с много ниски центрове на тежестта: колкото по-ниски са те на земята, толкова по-малък е рискът те да се преобърнат, независимо колко бързо се движат.


Снимка: 1: Humvee на американската армия (високомобилно многофункционално колесно превозно средство или HMMWV) има нисък център на тежестта, така че може да завива с висока скорост, при труден терен, с много по-малък риск от преобръщане. 2: Въпреки това, войниците са обучени да избягат от наклонен Hummer, използвайки този хидравличен симулатор, наречен HEAT (HMMWV Egress Assistance Trainer). Той завърта макет на пътническото отделение на Hummer, така че войниците да могат да практикуват излизане в различни предизвикателни условия, включително под вода. Снимка на Hummer от Sgt. Алекс Снайдер, HEAT снимка от Sgt. Травис Зелински, и двамата с любезното съдействие на американската армия.

Проходилките с въжета използват малко по-различен трик, за да овладеят центъра на тежестта си. Ако някога сте гледали проходилка по въжета, ще забележите, че те никога не преминават просто през въжето. Някои изпъват ръце или носят дълга пръчка или чадър. Други приклекват или сгъват колене. Други пък карат колела с тежести, висящи по някакъв начин под тях. Тези помощни средства за балансиране помагат на пешеходците да имат по-голям контрол върху центъра на тежестта си. Ако могат да държат центъра на тежестта си директно над въжето през цялото време, те никога няма да паднат. Ако започнат да се движат на една страна, сила на завъртане ще започне да ги сваля в тази посока. Така че те трябва бързо да преместят част от тялото си от другата страна, за да направят сила на завъртане в обратна посока и да възстановят равновесието си.

Инерцията (тенденцията все още обектите трябва да стоят неподвижни и движещите се обекти да продължат да се движат) също помага. Проходилката с въже тежи доста. Това означава, че имат определена инерция и отнема доста време, докато тялото им се премести на едната или другата страна. Ако усетят, че се накланят, имат достатъчно време да преместят друга част от тялото си (или пръчка или чадър, които носят) на другата страна. Това създава сила на преобръщане в обратна посока, която ги поддържа балансирани. Гледайки проходилка, която за момент е неподвижна, може да си помислите, че не действат сили, но ще сгрешите. Гравитацията, действаща върху лявата ръка на проходилка, ще се опита да го накара да наклони наляво, докато тежестта на дясната му ръка ще го наклони надясно. Проходилката остава перфектно изправена, напълно неподвижна, когато всички различни сили на завиване са точно балансирани и се отменят.

Как помага да се знае за центъра на тежестта?

Снимка: Мечките понякога ходят на задните си крака, но е по-бързо, по-лесно и по-безопасно да ходите на четири крака - защото имат по-нисък център на тежестта и не могат да се преобърнат. Снимка от Erich Regehr с любезното съдействие на US Fish & Wildlife Service.

Ако сте скептик, може би си мислите, че науката е пълна с безполезни частици информация, които всъщност никога не е необходимо да знаете, но центърът на тежестта не е един от тях. Миналата зима лентата, където живея, замръзна напълно и се превърна в лист лед. Кой е най-добрият начин да вървите по замръзнала улица? Ако приемем, че нямате планински ботуши, най-сигурният начин да го направите е да слезете на четири крака и да пълзите като бела мечка на ръцете и коленете си. Може да се намокрите или замърсите, но няма да се преобърнете и да си счупите врата. Ако направите центъра на тежестта си много нисък, е невъзможно да паднете.

Снимка: Нисък център на тежестта: показаната тук техника за скачане на височина, наречена Fosbury Flop, работи, като държи центъра на тежестта толкова нисък, че да минава под лентата. Снимка от Матю Л. Романо с любезното съдействие на американския флот.

Мисленето за центъра на тежестта също е ключово за ефективното играене на много спортове. Всичко, което включва баланс - почти всеки спорт от фигурно пързаляне до сърф - включва мислене къде е вашето тегло и как да го преместите бързо, без да използвате твърде много енергия или да губите контрол. Забелязали сте как тенисистите поставят краката си широко раздалечени? И колко скачачи на височина правят странни неща, свивайки телата си нагоре и заобикаляйки полюса? Всички тези неща се основават на разбирането на центъра на тежестта - и прилагането му на практика!