Ричард Бриджуотер Уолсолл, Западный Мидлендс, Великобритания
Этот феномен подробно описывался в статье «Изнанка игры в мяч» (The seamy side of swing bowling), опубликованной на с. 21 журнала New Scientist от 21 августа 1993 года; его удобнее всего объяснять с точки зрения «отделения пограничного слоя».
Когда мяч летит по воздуху, его поверхность покрыта тонким слоем воздуха, который мяч гонит с собой. Далее располагается непотревоженный воздух. Между воздушной пленкой и спокойным воздухом можно выделить тонкий пограничный слой. Перед мячом этот слой двигается медленно. Но, обтекая мяч, он постепенно набирает скорость и оказывает меньше давления (согласно закону Бернулли, который гласит, что, чем быстрее течет жидкость, тем меньшее давление она оказывает).
В определенный момент пограничный слой отделяется от поверхности мяча. Если мяч круглый и не подкрученный, это происходит в один и тот же момент на всей поверхности мяча. Если мяч подкрученный, отделение пограничного слоя происходит асимметрично, поэтому на одной стороне мяча пограничный слой занимает большую площадь, чем на другой. В итоге с одной стороны от мяча образуется большая область низкого давления, которая толкает мяч вбок.
При сильном свинге (созданном эффектом Магнуса — Робинса) вращающийся мяч несет с собой очень тонкий слой воздуха. Он смещает точку отделения пограничного слоя к задней части мяча, где вращение происходит в том же направлении, что и в окружающем потоке воздуха, и к передней части бока мяча, который движется против движения воздушного потока. Итогом становится область низкого давления на боку мяча, где продолжается пограничный слой, заставляющий мяч вращаться в этом направлении. Вот почему вращение по часовой стрелке вызывает отклонение мяча вправо. (Еще один способ описания происходящего: сдвиг точки отделения пограничного слоя смещает линии воздушного тока вокруг мяча и за ним в одну сторону, поэтому мяч отклоняется в другую).
Все это означает, что поток в пограничном слое ламинарный, его гладкие слои движутся один по другому, не перемешиваясь. На практике часть потока может быть турбулентной, с перемешиванием слоев воздуха, именно в этом случае может произойти смена направления вращения. Эксперименты показали, что турбулентные потоки держатся у поверхности мяча дольше, чем ламинарные. Поэтому если пограничный слой является турбулентным с одной стороны и ламинарным с другой, давление будет ниже в зоне турбулентности и мяч повернется в эту сторону.
При определенных обстоятельствах турбулентность может развиться сначала на той стороне мяча, которая движется против воздушного потока, поэтому здесь пограничный слой отделится позднее. Результатом будет обратный поворот. Образование турбулентной зоны зависит от вида мяча, его скорости, размера и вращения, поэтому обратное вращение встречается в некоторых видах спорта чаще, чем в остальных (см. следующие ответы).
В таких играх, как крикет, в которых используются мячи со швами, у подающих есть дополнительные возможности создать прямое или обратное вращение с помощью турбулентности. Опытные игроки могут подать мяч так, что он закрутится швом к воздуху под определенным углом. Шов влияет на поток воздуха, вызывает турбулентность пограничного слоя только на той стороне, где есть этот шов. Когда позднее пограничный шов отделяется, мяч закручивается непредсказуемо.
При достаточно быстрой подаче можно закрутить мяч в обратную сторону. Если мяч летит с огромной скоростью (более 130 километров в час), как бывает при подаче игроков мирового класса, воздух движется настолько быстро, что пограничный слой становится турбулентным еще до того, как достигнет области шва на мяче. В этом случае шов отталкивает пограничный слой, способствует его отделению от мяча раньше со стороны шва. После этого мяч неожиданно отклоняется в противоположном направлении. Это и есть знаменитый крученый мяч.
Такого же эффекта могут добиться рядовые игроки в крикет, если у них заслуженный мяч: на шероховатой поверхности турбулентный пограничный слой образуется легче. Разумеется, умышленная порча мяча запрещена правилами. — Ред.
Обратное отклонение пластмассового футбольного мяча происходит из-за отделения пограничного слоя. Сбоку от мяча, где относительная скорость воздуха и мяча больше, поток воздуха в пограничном слое становится турбулентным. С другой стороны он остается ламинарным. Ламинарный пограничный слой отделяется от поверхности мяча сразу же, как только поток воздуха перестает прижимать его к поверхности. В отличие от него, турбулентный пограничный слой остается в контакте с поверхностью мяча дальше по его окружности. В итоге задняя по ходу движения часть мяча отклоняется в направлении, противоположном его вращению. Возникает сила, направленная к боку мяча, который движется в направлении, противоположном потоку воздуха (справа налево — для мяча, закрученного по часовой стрелке).
Эксперименты показывают, что основной фактор, управляющий отклонениями мяча, — отношение скорости вращения его поверхности к скорости прямолинейного движения. Обратное отклонение наблюдается, когда это соотношение мало (меньше 0,4), а эффект Магнуса проявляется при более высоких соотношениях. Этим объясняется, почему быстро крутящийся теннисный мяч вращается в направлении, противоположном футбольному.
Оливер Харлен Университет Лидса, Западный Йоркшир, Великобритания
Отклонение вращающегося мяча обычно приписывают эффекту Магнуса, но еще за 100 лет до Гейнриха Магнуса Бенджамин Робине изучал вращение пушечных ядер, а в 1742 году опубликовал подробное объяснение, почему ядра даже в безветренные дни отклоняются от траектории.
Брайан Уилкинс Веллингтон, Новая Зеландия
В настоящее время во многих публикациях эффект называется эффектом Магнуса — Робинса. Не следует забывать, что еще в 1672 году Исаак Ньютон писал о том, как вращение влияет на полет ядра. — Ред.
Красное каление
«Чем вызвано появление разных цветов на чистой поверхности закаливаемого железа или стали после нагревания и охлаждения? Цвета варьируются от желтого при нагревании металла до 200 °C до золотистого, коричневого, лилового, синего и, наконец, черного при нагревании до 600 °C. И поскольку окисленная голубоватая или лиловая поверхность встречается у стальных часовых механизмов, прекрасно сохранившихся с XIX века, хотелось бы узнать, какова физическая природа этого прозрачного и очень стойкого цветного слоя?»
Джон Роуленд Аллесири, Дербишир, Великобритания
Горячие печные газы, применяемые для тепловой обработки стали, окисляют элементы, содержащиеся в сплаве, например хром, чтобы образовать тонкую поверхностную пленку. Эта пленка искажает видимые световые волны и создает цветовые эффекты, о которых упоминает автор вопроса.
Толщина пленки определяет видимый цвет стали, поскольку она влияет на распространение света с разной длиной волны. Более тонкие пленки, образующиеся при низких температурах, кажутся желтыми или золотистыми. Толстые пленки на стали — светло-голубыми. Самые толстые пленки иссиня-черные или черные.
