Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

В принципе конструкция катапульты (точнее, ее разновидности, называемой требушет) очень проста. Вы сооружаете раму, которая создает центр вращения, находящийся на расстоянии 2–3 метров от земли. Затем прикрепляете к ней длинную балку наподобие детских качелей (в виде доски, уравновешенной в центре), но, в отличие от них, ось вращения устанавливается таким образом, чтобы длина балки по одну сторону от нее была гораздо больше длины балки по другую ее сторону. Теперь у вас получилась А-образная рама, которая выглядит так, словно поверх нее положили длинную палку. В исходном положении длинный конец балки касается земли. Вы прикрепляете к нему пращу и укладываете ее на землю под рамой. День, когда мы впервые собрали эту конструкцию, был почти безветренным и солнечным. Одним словом, условия для испытаний были близки к идеальным.

С самого начала мы столкнулись с проблемой. Восхитительная особенность требушета (если, конечно, вы не мишень для камня) в том, что для придания вращения балке (и, соответственно, праще) используется сила земного притяжения. Вы прикрепляете тяжелый груз к короткому концу балки, и, когда отпускаете его, он очень быстро тянет вниз ее короткий конец. Вся балка начинает вращаться вокруг оси, описывая в воздухе вертикальный круг; праща также вращается вместе с другим концом балки. В результате создается очень быстрое вращение, а метательный снаряд в праще вращается вокруг оси, поскольку со стороны пращи на него воздействует тянущая сила, направленная внутрь. Поначалу процесс развивался так, как и должен. Наша первая задача состояла в том, чтобы добраться до этого момента, но нам не удавалось найти достаточно большой груз, который привел бы весь механизм в действие. Я предложила себя в качестве такого груза, однако мой вес оказался недостаточным. Мы пришли в замешательство. В тот вечер я выплеснула все накопившееся раздражение на нескольких друзей, которые предложили мне съесть побольше пирожных, чтобы срочно набрать вес. Затем кто-то из них выдвинул идею утяжелить вес, надев снаряжение аквалангиста. Она показалась мне разумной. На следующий день я надела десятикилограммовый утяжеляющий пояс, которым обычно пользуются аквалангисты, и мы повторили попытку. На этот раз эксперимент удался на славу. Я качнулась под ось, а праща качнулась в противоположную сторону, оказавшись над осью. Механизм требушета обеспечивал вращение. Теперь настал момент сделать следующий шаг.

Праща подвешивается на балку небольшой петлей. Нужно, чтобы в момент, когда праща окажется почти в самой высокой точке, петля соскользнула с балки. При этом праща, по сути, разрушается. Это означает, что сила, которая тянула метательный снаряд внутрь и заставляла двигаться по кругу, внезапно исчезла. Прямо перед этим метательный снаряд в праще очень быстро двигался вперед и вверх. Как только на него перестает действовать тянущая сила, направленная внутрь, он начинает двигаться по прямой линии. Поскольку до этого он двигался вперед и вверх, то продолжает движение по прямой, направленной вперед и вверх. Но он не движется непосредственно из центра вращения, а продолжает движение по касательной к окружности вращения. По крайней мере так гласит теория. Мы поместили в пращу туфлю и приготовились к метанию. Я уселась на короткую сторону «качели», лицом к ее длинной стороне, и налегла на нее всем своим весом. Другой конец «качели» качнулся вверх и потянул за собой пращу, подняв над осью. Точно в нужный момент (с первого раза!) праща освободилась и туфля пронеслась над моей головой, упав на другом конце площадки. У меня никогда не возникло бы желания провести такой же эксперимент с камнем – туфли оказалось вполне достаточно. Оставалось проверить, справится ли наш требушет с резиновым сапогом, который нам предстояло метать во время соревнований. Попрактиковавшись немного и убедившись, что с сапогом тоже не должно возникнуть проблем, мы разобрали катапульту. Ведь уже завтра предстояло доставить ее к месту соревнований.

Прибыв на следующий день на соревнования, мы утратили уверенность, переполнявшую нас накануне. Команды, с которыми нам предстояло сразиться, состояли в основном из мужчин среднего возраста. По-видимому, они провели не один месяц в гаражах, конструируя оригинальные метательные приспособления. Даже беглого взгляда на представленные ими механизмы было достаточно, чтобы понять, насколько серьезно они отнеслись к созданию этих устройств, каждое из которых можно было принять за выставочный экспонат. Наша катапульта, наскоро собранная из подручных средств и хлама, найденного на свалках, выглядела весьма непрезентабельно на фоне этих шедевров инженерной мысли. Мы, конечно, постарались напустить на себя важный вид и быстро ее собрали. Организаторы соревнований (также мужчины среднего возраста) подошли к нам поближе, чтобы взглянуть на наше изобретение. «Метать с помощью этого устройства – глупая затея, – заявил один из них. – Вам следовало бы поучиться у оружейных мастеров Средневековья и просто тянуть рычаг вниз с помощью каната. Такой механизм был бы намного эффективнее». Мои возражения, что именно противовес был изобретением, обеспечившим успех этого механизма, были встречены скептическими ухмылками. Причина, из-за которой он не стал мощным осадным орудием вплоть до XI века, в том и заключается, что люди пытались приводить его в действие мускульной силой человека. Но наши оппоненты продолжали настаивать на своем, доказывая, что гораздо разумнее было бы тянуть за канат, намекали, что таким неопытным, хоть и полным энтузиазма женщинам, как мы, было бы неплохо прислушаться к советам мужчин, понимающих толк в технике, и вообще, быть благодарными за помощь. Эти препирательства длились бы не один час, если бы мои подруги не проявили мудрость, согласившись с доводами оппонентов. Времени для споров у нас не было – приближался момент начала соревнований.

В рамках первого задания нужно было в течение двух минут метнуть как можно больше резиновых сапог за отметку примерно в 25 метрах от места метания. Лучшие пять команд допускались ко второму этапу соревнований, в ходе которого предстояло метать сапоги на дальность. Итак, секундомер был включен. Мы втроем тянули за канат, поворачивали «качель» и запускали пращу. Но первый сапог едва не расшиб нам головы. Нам не удавалось тянуть вниз достаточно быстро, чтобы заставить «качель» вращаться должным образом. Мы попытались еще раз. И еще раз. Затратив примерно минуту, мы поняли, что придется отказаться от навязанной нам идеи тянуть канат. Я убедила подруг вернуться к первоначальной идее, надела на себя утяжеляющие приспособления аквалангиста, вскочила на небольшой шкаф для хранения документов, который мы использовали в качестве платформы, и нырнула под поворотную ось катапульты. Р-р-раз! И первый сапог просвистел над моей головой, улетев далеко за 25-метровую отметку. Помещаю в пращу следующий сапог, вскакиваю на платформу, наваливаюсь всем своим весом на короткое плечо «качели» – сапог проносится со свистом над моей головой! Следующий сапог… Но тут раздался свисток: наше время истекло. Двух сапог, перелетевших 25-метровую отметку, было недостаточно. Нас не допускают к следующему этапу. Мужчины среднего возраста сочувствуют нам: в другой раз вам повезет больше. Мне не хотелось встречаться глазами с тем из них, кто посоветовал тянуть за канат. Я опасалась, что если заговорю с ним, то выскажу все, что думаю о нем и его советах. Тем не менее я испытывала чувство большого удовлетворения: предложенная мной конструкция сработала – причем именно так, как я ожидала! Нам удалось сражаться на равных с метательными приспособлениями, создатели которых потратили не один месяц, чтобы довести их до совершенства. Единственное, что нас подвело, это изменение плана буквально в последнюю минуту[63]. Между прочим, насколько я могла понять, большинство других конструкций, использованных нашими конкурентами, основывалось на значительно менее эффективных методах. У них был привлекательный внешний вид, зато на нашей стороне – физическая эффективность и простота.