Эффект Магнуса: физика кручёного мяча
В 1997 году бразильский защитник Роберто Карлос пробил штрафной метров с тридцати. Мяч полетел так далеко вправо от ворот, что подающий мяч мальчик за ними пригнулся, а потом резко завернул и влетел в сетку. Этот гол разбирают в учебниках физики. Объясняем, что заставляет кручёный мяч лететь по дуге.
Для 7–11 классов, пригодится к физике 7 и 10 класса.
Что происходит
Представьте мяч, который летит вперёд и одновременно вращается. Поверхность мяча с одной стороны движется навстречу встречному воздуху, а с другой по ходу потока. Вращающийся мяч увлекает за собой тонкий слой воздуха.
С той стороны, где поверхность движется по ходу потока, воздух обтекает мяч быстрее и дольше «прилипает» к нему, а с другой стороны поток отрывается раньше. В итоге мяч отбрасывает воздух в одну сторону, а сам по третьему закону Ньютона получает толчок в противоположную. Мяч отклоняется в ту сторону, куда движется его передняя поверхность.
Упрощённо часто говорят, что с одной стороны давление ниже, чем с другой. Это тоже верное описание того же эффекта.
Футбол
Удар внешней или внутренней стороной стопы закручивает мяч вокруг вертикальной оси, и он летит по дуге вбок: так обводят стенку на штрафных. В ударе Роберто Карлоса сочетались очень сильный удар, вращение и большая дистанция. В конце полёта мяч замедлился, и эффект закрутки стал сильнее, поэтому дуга будто резко загнулась.
Теннис и волейбол
| Вращение | Что происходит с мячом | Где используют |
|---|---|---|
| Верхнее (топспин) | мяч быстрее падает вниз и высоко отскакивает | теннис, настольный теннис, волейбол |
| Нижнее (подрезка) | мяч дольше держится в воздухе и низко отскакивает | теннис, настольный теннис |
| Боковое | мяч уходит в сторону | футбол, настольный теннис |
Топспин позволяет теннисистам бить очень сильно и всё равно попадать в корт: вращение прижимает мяч вниз. А волейбольная подача без вращения, «планер», наоборот, летит непредсказуемо, потому что поток воздуха срывается с мяча случайным образом.
Корабли и самолёты
Эффект Магнуса используют не только в спорте. В 1920-х годах немецкий инженер Антон Флеттнер построил корабль с высокими вращающимися цилиндрами вместо парусов. Ветер, обтекая вращающиеся цилиндры, создавал силу, которая толкала судно. Сейчас такие роторы снова ставят на некоторые грузовые суда, чтобы экономить топливо.
О том, как воздух держит в небе обычный самолёт, читайте в статье почему самолёт летает.
Опыт дома
Склейте два бумажных стаканчика донышками. Обмотайте середину резинкой, растяните её и отпустите, раскручивая стаканчики. Они полетят не прямо, а резко вверх или вниз, в зависимости от направления вращения. Это эффект Магнуса в чистом виде.
Разберём на занятии
Учиться легче, когда высыпаешься и хорошо себя чувствуешь. На живых занятиях преподаватель видит, если ученик устал, и подстраивает темп, а не гонит программу.
Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.
Частые вопросы
Почему мяч без вращения ведёт себя непредсказуемо?
Без вращения воздух срывается с мяча неровно и случайно, и мяч «гуляет» в полёте. Так работает подача «планер» в волейболе.
Влияет ли эффект Магнуса на пули и снаряды?
Да, на большие расстояния вращающаяся пуля немного отклоняется. Это учитывают снайперы и артиллеристы.
Где об этом в школьной программе?
Прямо эффект Магнуса не проходят, но он связан с законами Ньютона и движением жидкостей и газов. Подробнее в статье законы Ньютона.