Фізика колеса воза

Прикріпіть збоку до обода колеса воза (або до шини велосипедного) кольоровий папірець і спостерігайте за ним під час руху воза (або велосипеда). Ви помітите дивне явище: поки папірець знаходиться в нижній частині колеса, що котиться, його видно досить чітко; у верхній частині він миготить так швидко, що ви не встигаєте його розглянути.

Виходить, що верхня частина колеса воза рухається швидше, ніж нижня. Те ж спостереження можна зробити, якщо порівняти між собою верхні і нижні спиці колеса, що котиться, якого-небудь екіпажу. Буде помітно, що верхні спиці зливаються в одне суцільне ціле, нижні видимі окремо. Справа знову ж таки відбувається так, ніби верхня частина колеса швидше рухається, ніж нижня.

У чому розгадка цього дивного явища? Та просто в тому, що верхня частина колеса воза, що котиться, дійсно рухається швидше, ніж нижня. Факт здається з першого погляду неймовірним, а тим часом проста міркування переконає нас у цьому. Адже кожна точка колеса, що котиться, здійснює відразу два рухи: обертається навколо осі і в той же час рухається вперед разом з цією віссю. Відбувається – як у випадку земної кулі – складання двох рухів, і результат для верхньої та нижньої частин колеса виходить різний. Вгорі обертальний рух колеса воза додається до поступального, тому що обидва рухи спрямовані в ту саму сторону. Внизу ж обертальний рух спрямований у зворотний бік і, отже, віднімається від поступального. Ось чому верхні частини колеса воза переміщуються відносно нерухомого спостерігача швидше ніж нижні.

Те, що це дійсно так, легко зрозуміти на простому досліді, який слід зробити при зручному випадку. Встромте в землю палицю поруч із колесом воза, що стоїть так, щоб палиця припадала проти осі. На обід колеса, у верхній і в нижній його частинах, зробіть позначки крейдою або вугіллям; позначки припадуть, отже, якраз проти палиці.

Тепер відкотіть віз трохи вправо, щоб вісь відійшла від палиці сантиметрів на 20-30, і зауважте, як перемістилися ваші позначки. Виявиться, що верхня позначка A перемістилася помітно більше, ніж нижня, яка тільки-но відступила від палиці.

Отже, не всі точки колеса воза, що рухається, переміщаються однаково швидко. Яка ж частина колеса, що котиться, рухається всього повільніше? Неважко збагнути, що найповільніше рухаються ті точки колеса, які зараз стикаються із землею. Строго кажучи, у момент зіткнення з ґрунтом ці точки колеса абсолютно нерухомі.

Все сказане справедливе тільки для колеса воза, що котиться, а не для такого, що обертається на нерухомій осі. У маховому колесі, наприклад, верхні та нижні точки колеса рухаються з однаковою швидкістю.