Ветромобиль: инженеры VS законы физики? [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой. Факс да этот странный болит сконструировали, чтобы разрешить научный спорт. Его принцип работы настолько удивителен, что кажется, будто этот ветра мобиль нарушает закон сохранения энергии. Поэтому я решил лично на нем прокатиться и узнать, работает он или нет. А это безопасно? Выглядит не очень, если честно. Нужен ветер. Нуууу, давай же подтолкни! Что-то его немного штормит. Тормози, дорик, на себя, на себя!
Я приехал на высохшее озеро Эльмира, шпарить часов от Лос-Анджелеса, прокатиться на единственном в своем роде ветра mobile. Он называется Black Bird. Знакомьтесь, его создатель, либо Ровненько, и нынешний владелец Нил. Все началось с вопроса: может ли аппарат, движимый попутным ветром, обогнать ветер, если будет двигаться строго в его направлении? Возьмем яхту, которая идет строго по ветру, и, но стоит вам разогнаться до скорости ветра, и все, он пропадает. Все верно, больше нечем и толкать. Поэтому парусные суда не могут превысить скорость ветра по ветру. Нет, не могут, строго по ветру – никак.
Представьте парусную лодку на воде. Поднимается ветер, наполняет парус и толкает лодку вперед. Она начинает разгоняться все быстрее, и вот, наконец, достигает скорости ветра. Как только это произойдет, ветер больше не сможет ее толкать. С точки зрения парусника ветер исчезнет, больше вперед ничто не гонит. Окружающий воздух относительно него теперь не двигается, ведь их скорости сравнялись. Поэтому максимальная скорость парусника, который двигается по ветру, никогда не превысит скорость ветра, даже если пренебречь сопротивлением.
А вот Black Bird, по словам его создателя, может! Он способен двигаться быстрее ветра, который его же и толкает. Погода пока, как и обещали, так добро. По ощущениям ветер метр-два в секунду, но и мираж. Такое место, тут всякое случается. Именно! Да, можно потихоньку начинать. Я думаю, отлично! Тогда поехали. Мы переезжаем на другое место, где сможем как следует разогнаться по ветру без препятствий и помех. Теперь главное, чтобы он был и не менял направление.
Жаримся в этой пустыне уже несколько часов, ветра никак не дождемся. [Музыка] Кстати, это Джин, у него свой канал Поттер Бюджет. Спасибо ему за съемки с дрона вам, если интересной камеры линзы и полёты на дронах стоит зайти к нему на канал. Ну что, обычный вторник. Так всегда и бывает. Мне кажется, ветер наконец определился с направлением, так что нам бы перебраться на другую сторону, выставимся по ветру и можем начинать. Посадим тебе отлично, давайте погнали!
Я готов. Рашу, опускайся как можно ниже. Нужно практически лечь. То есть еще дальше. Может, мне под спину что-нибудь положить? Ну, я максимально откинулся. Сейчас что-нибудь подыщем. Вообще немного страшно, потому что приходится тянуться до тормоза. Тебе роста хватает? Еле-еле. Если бы был ниже, не дотянулся. Мы так, управление вперед – это влево. Лед – это влево. Назад – вправо. Поворачиваю я правой рукой. При этом угол установки лопасти регулируется левой.
Так, а что делать? Ну, когда доеду до конца, или надо сбросить скорость, я тяну на себя, а ты говоришь, надо толкать. Мне так нравится, что два эксперта не могут договориться, что надо делать. Если придется экстренно тормозить, ты проверь, что сработает, то и делай. Страшновато без конкретных инструкций. Чтож, все серьезно. Я впервые пытаюсь разогнаться быстрее ветра, двигаясь с ним в одну сторону и сидя на сетке в странном аппарате. Кажется, будто в гробу на колесиках, которые собрали в гараже. Я рад, что приехал, и буду рад уехать целым.
Видите оранжевую веревочку? Она показывает, что ветер поднимается и дует мне в спину, то что надо. Спереди закреплен ветра указатель, кусочек блестящей ленты, по которому видно, куда дует ветер. Чтобы держать направлении, нужно двигаться строго туда, куда он покажет. Если он указывает точно вперед, все хорошо. Как только я разгонюсь до скорости ветра, начну двигаться вперед с той же скоростью, ленточка просто повиснет. Относительно нее воздух будет неподвижен. Ну что, удача тебе! Спасибо, надеюсь, останусь цех.
Ну давай, пошла, пошла! Нужен ветер. Потолка ниже. Если удастся разогнаться быстрее ветра, ленточка развернется и начнет развиваться в мою сторону. Это значит, что появился встречный ветер, несмотря на то что на самом деле ветер дует мне в спину. Идем строго по ветру, скорость почти 10 километров в час, а ленточка повисла. Видите, она болтается? Нужно еще немного поднажать. Чуть-чуть. Ну давай. Так, пожалуй, пора тормозить.
Ну вот, почти получилось, лента обвисла, и я уже обрадовался. Еще чуть-чуть. И вот я как раз в этот момент посмотрел, какая скорость была около 10 километров. Расстроился: почти сравнялись с ветром, но чтобы его обогнать этого не хватит. Мне не хватило сколько? Пары километров, я бы сказал. Нужно минимум 13, лучше 16. Ну, попробуем еще. Вероятно, вы с трудом представляете себе, чтобы какая-нибудь такая конструкция двигалась быстрее ветра. Парусники вполне способны обогнать ветер, если пойдут под углом к его направлению.
Парус превращается в так скажем крыло, воздух движется быстрее вдоль внешней изогнутой поверхности, чем вдоль внутренней, что создает силу тяги, направленную перпендикулярно потоку воздуха. У неё также есть продольная составляющая, которая толкает лодку вперед. Максимальная скорость достигается, когда толкающая сила уравновешивает все силы сопротивления, тормозящие лодку. Некоторые яхты могут разогнаться в три-четыре раза сильные ветра. Кто-то спросил, когда яхта идет по ветру, может ли она его обогнать за счет лавировок. То есть если запустить вместе с ней воздушный шарик, сможет ли яхта добраться до нужной точки быстрее, чем он?
Я понял, что не знаю. Оказывается, двигаясь под углом к ветру, парусник может разогнаться достаточно сильно, чтобы результирующая скорость перемещения по направлению ветра оказалась быстрее скорости ветра. То есть, лавируя, можно обогнать шарик, который просто дрейфует по прямой. Обожаю головоломки. Очень люблю с ними повозиться, из этого может получиться отличная задачка, но пока это просто вопрос. Я подумал, если двигаешься строго по ветру, все просто, это невозможно.
Ну что, если бы земля была цилиндром, а не сферой, яхта смогла бы идти вперед, оставаясь под углом. Ветер дует вдоль цилиндрической земли, по ней плывет наша яхта, как будто сел, идет по спирали. Вполне возможно взять вторую лодку, поставить с противоположной стороны, также запустить. Получится пропеллер, лопасти винта как паруса двух яхт, которые движутся вперед по спирали быстрее, чем ветер.
Я написал об этом на двух форумах и думал, сначала все скажут, что так не бывает. Потом я объясню, и до всех дойдет, как на самом деле. Но, господи, как же я ошибался! Это откровенный бред. Сила ветра – это не какая-то магия. Вечные двигатели – заманчивые идеи, но что-то ваши аргументы пока меня не убедили. Nuff ик же чистой воды. Любому понятно, почему не сработает, если вы достигли скорости ветра, откуда взять еще энергию?
Я вроде не дурак, но понять не могу. Тогда мы решили: ладно, сделаем модель, поставим на беговую дорожку и все, всем будет ясно. Демонстрация получилась, приходится еще и придерживать. Ну да, она иначе с дорожки слетит, приходится её притормаживать. Но в интернете опять не поверили. Писали, что видео фейк. Даже были профессора физики, которые заявляли, что беговая дорожка плохо моделирует реальные условия.
Но ведь инерциальные системы отсчета на первом курсе проходят. Какая разница, двигаетесь вы или двигается воздух? Говорили, что это все магниты или леска, или где-то за кадром стоит вентилятор, и показывали все, что в округе, там ничего и занавески не шевелятся. Ну и стало понятно, что надо строить прототип.
Ну что, поехали! Скорость 11 километров в час. Теперь уже 13. Давай, давай, пошла! Ну вот, мне кажется, пропеллер должен крутиться. Предположу, что цепь слетела. Как ощущение? Вообще довольно интересно, чувствуешь, как набираешь скорость. Пропеллер вращается. Мы разгоняемся: 12 километров в час, пятнадцать. И думаю, вот она! А потом – ну, я продолжал ехать, но увидел, что пропеллер остановился, понял, что-то случилось. У нас техническая остановка. Надо бы разобраться с цепью.
Самое время кое-что прояснить. Ветра мобиль устроен не так, как вы думаете. Я почти уверен, что большинство из вас решили, что винт вращается туда, куда попутный ветер толкает лопасти и, таким образом, раскручивает колеса. Но в каком-то смысле все наоборот. Ветра мобиль движется благодаря тому, что его толкает, ведь он особой формы, сделан из очень легкого материала и, поэтому, потихоньку катится вперед. Из-за этого колеса начинают крутиться, и уже они передают энергию на винт, раскручивают его в противоположном направлении от того, куда их толкает ветер.
Этот пропеллер работает как вентилятор. Это толкающий воздушный винт, который толкает воздух назад, придавая дополнительное ускорение. Вот уж чего не мог себе представить, так это что буду испытывать уникальный болид на воздушной тяге, который, как сочли некоторые ученые, нарушает законы физики. Но вот он я. [Музыка] Дерек готов? Вам виднее, вроде. Да, отлично! Попытаемся успеть, пока не стихло.
Ветер отличный, винт вращается, но что-то явно не так. Взгляните на пропеллер, что-то его немного штормит. Что будем делать, если кажется, что вибрация слишком сильная? И сразу тормози. Скажу честно, сам я, наверное, даже не стал бы рисковать при таком ветре. А я вполне, если ты разрешишь. Ну, я готов! Я всегда рад, но ты хотел сам управлять, так что можешь и сам.
Так вот, поедешь так? А если бы ты решил ехать или нет? Какой ветер — перебор, даже для тебя. Ну, в условиях, как сегодня, в районе 25. Ну, мы до этого замеряли как раз около того. А сейчас что? По ощущениям где-то 25. Ты прав, как прошел день? Сначала мы ждали ветра, потом что-то сломалось, а теперь можно ехать. Но есть риск, что мачта развалится из-за слишком сильных порывов, так что не все так просто. [Музыка]
Аккуратно заснять получилось, правда? Отлично. Итак, никому не понравилось, как раскачала пропеллер. Есть опасения, что мачты не выдержат таких сильных порывов, переломится пополам, а винт упадет на водителя, поэтому меня пока попросили подождать. А моё место займёт сам конструктор и рискнет своим здоровьем. Он попробует, и если ветер чуть стихнет, снова пустят меня. План пока такой. [Музыка]
Урико, все прошло спокойно, так что мне разрешили попробовать. А тебе не кажется, что ветер усилился? Кажется, так и есть. Но это значит, что почти наверняка все получится. Главное контролировать скорость. Насколько быстрее ветра тебе хочется разогнаться? Понял что тут скажешь? Становится все интереснее. Мне не доверили управление из-за ветра. Сейчас он еще сильнее, и мне снова дают порулить, и я даже не знаю, что добавить. Немного страшно, но затем я сюда и приехал. Я готов! Так что погнали!
Если конструкция выдержит, вероятно, в этот раз я все-таки смогу обогнать. Ведь сейчас сяду в эту штуку и поеду туда так быстро, как только могу. Солнце клонится к закату, и мы начинаем. Это последний шанс разогнаться быстрее метра по ветру. [Музыка] На этот раз получится. Давай чуть левее, чтобы получилось ветра указатель поймать в точный кадр. Похоже, почти сравнялись с ветром. Black Bird продолжает разгоняться, а я подгоняю его силой мысли.
Ну давай, давай быстрее! Ну же, давай, ну давай уже, давай! Ну да, сработал наш ветра указатель, развивается в мою сторону, значит ветер дует нам навстречу, а тот, что на земле, показывает, что наоборот, в спину. Я только что обогнал ветер! Тормози, дорик, на себя, на себя! Ты там как? Зачем так пугать? То было страшно! Мне показалось нормально. Так как же такое возможно?
Скажу честно, несколько недель я работал над этим видео, толком ничего не понимая, но вроде бы разобрался и попытаюсь объяснить. Если мы движемся со скоростью ветра, то воздух вокруг относительно нас неподвижен. Можно ли разогнаться сильнее? Если бы винт работал как на вид реках, где лопасти крутятся за счет набегающего воздуха, то ответ был бы: нельзя. Но этот пропеллер устроен иначе. Он работает как вентилятор, вращаясь в неподвижном воздухе.
Он сталкивается с молекулами газа, отталкивает их назад и, таким образом, создает тягу. По сути, это и есть вентилятор на колесах. Чтобы ехать, ему не нужен попутный ветер. Но ведь тогда получается, что мы создали энергию из ниоткуда! За счет чего раскручиваются лопасти винта? Если все дело в колесах, не должно ли это тормозить ветра мобиль сильнее, чем пропеллер будет его толкать?
Разгадка в том, что скорость движения относительно земли и скорость относительно воздуха из-за попутного ветра получается разной. Вот как я представляю себе эту ситуацию: воздух движется со скоростью 10 километров в час в том направлении. Даже если у вас такая же скорость, вы можете толкать воздух назад. Если посмотреть на то, как он движется со стационарной точки, мы заметим, что сразу за пропеллером скорость воздуха чуть меньше, чем вокруг из-за того, что лопасти забрали у него часть энергии и превратили её в кинетическую энергию болида.
Позади пропеллера скорость ветра будет, скажем, 8 километров в час, а вокруг 10 километров в час. Часть энергии ушла в лопасти на разгон ветра mobile, и поэтому он разгоняется до скорости быстрее скорости ветра. И даже тогда пропеллер продолжает выталкивать воздух назад, еще сильнее замедляя попутный ветер позади, отбирая у него часть энергии и за счет неё разгоняя наш болид.
Отдать веку! Создатели Black Bird установили рекорд, набрали скорость 2,8 скорости ветра! И вот что я скажу, исходя из всего, что я увидел и личного опыта управления ветром абелем: это физически возможно! Существует способ двигаться строго по ветру, обгоняя его. Я понимаю, что это звучит очень странно, и в комментариях наверняка развернется горячая дискуссия. Прошу только вести себя прилично. Переведено и озвучено студией Вверх Гайдар.