Простая скрепка может удивить

Памяти Кирилла Ковальджи — поэта, писателя и журналиста
Дело было 1975 году, мой отец тогда увлекался маленькими исследованиями в домашних условиях. Понятно, что и таинственная магнитная сила была предметом его внимания. На столе лежала магнитная скрепочница — кольцевой магнит, покрытый пластиком. Если насыпать на неё много скрепок, то из них можно буквально лепить красивые фигуры.
Однажды отец обнаружил удивительный эффект: если на скрепочнице лежат две скрепки, касаясь друг друга, то, поднимая одну из них, мы оторвём от магнита вторую. А как только мы уведём скрепки подальше от магнита, они распадаются — перестают магнититься. Иначе говоря, скрепки сами по себе не магниты, но в магнитном поле они приобретают магнитную силу, которая больше, чем у самого магнита. Оказалось, что большая скрепка даже отрывает от магнита железный шарик диаметром 1 см. Объяснить этот эффект непросто — нужно знать свойства мягких и твёрдых магнитных материалов; это хорошая тема для отдельной статьи. Здесь играет роль и то, что шарик не касается магнита, а лежит на пластике.
Следующий опыт был ещё удивительнее. Отец положил на скрепочницу шарик диаметром 2 см — тогда большая скрепка уже не могла оторвать его от магнита, — а затем подвесил скрепку на нитку и смотрел, как она качается, описывая вокруг шарика разные траектории: то эллипсы, то параболы — как планета вокруг Солнца. И тут произошло неожиданное: скрепка коснулась шарика, а когда отец потянул за нить, скрепка начала быстро вращаться, как вентилятор.
В это время я учился на третьем курсе мехмата МГУ и взялся за объяснение эффекта. Поначалу возникло ощущение, что изобретён вечный двигатель (перпетуум мобиле). Ведь ниточку можно держать не в руках, а прикрепить к подшипнику на потолке и с помощью пружины создать необходимое натяжение нити — тогда при вращении скрепки нить не будет закручиваться, и вращение никогда не остановится!
В какой-то момент я экспериментировал с небольшим шариком, который скрепка оторвала от магнита, и тут оказалось, что скрепка вместе с шариком вращается в воздухе. Тогда у меня и проблеснула идея, что дело в подвешенном грузе, а не в магнитной силе. Я привязал грузик к нитке, приподнял, и он начал вращаться так же, как в магнитном поле! Это была половина решения, теперь нужно было объяснить, почему не получится перпетуум мобиле, если нитку подвесить к потолку через подшипник.
Следующие эксперименты показали, что чем длиннее нить и чем она тоньше, тем сильнее и дольше длится вращение скрепки, а на леске или проволоке скрепка вообще не вращается. Стало ясно, что дело в нити, её особенностях, а не только в подвешенном грузе. При изготовлении нить скручивают, и при натяжении она раскручивается, причём работает как пружина — если перестать её натягивать, она снова скручивается.
После этого возник эксперимент с мокрым чайным пакетиком, который всегда вращается в одну и ту же сторону 1. Самое удивительное, что каждый день миллионы людей вынимают пакетик с чаем, но никто не замечает эту удивительную особенность. Здесь уже нет таинственной магнитной силы, поэтому разгадать причину легче, однако вокруг вихрей, воронок и т.п. есть тоже немало мистических суждений. Ответы про пакетик и скрепку бывают такие:
1. Земля вращается, поэтому и пакетик вращается. Вероятно, в другом полушарии он будет вращаться в другую сторону. Как опровергнуть такое «объяснение»? (Земля делает один оборот в сутки, а пакетик делает несколько оборотов в секунду.)
2. Вероятно, этот эффект такого же рода, как закручивание воронки в ванной, она всегда закручивается в одну сторону. (Это расхожее заблуждение, я проверял разные ванны и раковины, вращение бывает в разные стороны.) 2
3. Известно, что в магнитном поле в рамке (скрепке) возникает ток, и получается моторчик. (Скрепка — не рамка, она не замкнута, поэтому тока в ней нет.)
4. Один физик заявил: «Когда мы тянем за нитку, то скрепка немного удлиняется, электроны сдвигаются, и получается ток». (Электроны сдвинулись чуть-чуть, причём на противоположных сторонах скрепки в одну и ту же сторону, поэтому кругового тока быть не может.)
5. Интересно, что моя 85-летняя бабушка, окончившая всего четыре класса церковно-приходской школы, сразу поняла, что дело в закрученности нитки, и это понятно, ведь она постоянно что-то шила.
Если будете показывать этот опыт со скрепкой знакомым, то можете отчаявшимся наблюдателям подсказать: «Если вместо нитки взять тонкую леску или проволоку, то вращения не будет».
Вообще, в любой задаче, если кто-то не может её решить, важен принцип минимальной подсказки: например, опровергнуть из общих соображений неправильный ответ, но при этом дать возможность ещё подумать. Ведь понять самому куда приятней и полезней, чем узнать готовый ответ.
Такое свойство скрученных верёвок знают автомобилисты — если буксировочный трос будет кручёным канатом, то при натяжении он вывернет крюк, за который его прицепили.
Об этом знают альпинисты — если страховочная верёвка будет кручёной, то при срыве она будет вертеть альпиниста, как ту скрепку на шарике. Поэтому и водители, и альпинисты берут плетёные верёвки или тесьму. Если же есть только кручёная верёвка, то её надо сложить вдвое.
Каждый ребёнок знает, что конфету в обычном фантике нужно потянуть в разные стороны, и она сама собой раскрутится.
Проделайте опыт, который до революции любили дети: возьмите большую пуговицу, пропустите через две дырочки кручёную бечёвку, завяжите в кольцо и равномерно натягивайте в разные стороны и отпускайте. В какой-то момент пуговица начнёт бешено вращаться. Называлась такая игрушка жужжалка 3.
Ещё на ярмарках продают деревянного человечка или сказочного героя на турнике, висящего на скрученной леске, который выделывает разные фигуры, если слегка нажимать на нижние концы турника.