Механика учит, что при скольжении каната, обвитого на тумбе, трение возрастает в сильнейшей степени. Чем большее число раз навить канат, тем трение больше; правило возрастания трения таково, что с увеличением числа завитков в арифметической прогрессии трение растет в геометрической прогрессии. Поэтому даже слабый ребенок, держа за свободный конец каната, 3–4 раза навитого на неподвижный вал, может уравновесить огромную тяжесть. Подростки, служащие на речных пароходных пристанях, именно этим приемом останавливают подходящие к пристаням пароходы с сотней пассажиров. Помогает им здесь не феноменальная сила их рук, а изученная знаменитым Эйлером зависимость величины трения от числа оборотов веревки вокруг столба.
Для тех из читателей, которых не пугает сжатый язык алгебраических выражений, приводим здесь эту поучительную формулу Эйлера:
F = fе>kα.
Здесь F – та сила, против которой направлено наше усилие f. Буквой e обозначено основание натуральных логарифмов, которое равно 2,718…; k – коэффициент трения между канатом и тумбой. Буквой α обозначен «угол навивания», т. е. отношение длины дуги, охваченной веревкой, к радиусу этой дуги.
Попробуем применить эту формулу к тому случаю, который описан у Жюля Верна. Результат получится поразительный. Силой F в данном случае является сила тяги судна, скользящего по доку. Вес судна нам известен: 50 тонн, т. е. 3000 пудов. Пусть наклон дока >1/>10; тогда на канат действовал не полный вес судна, а >1/>10 его, т. е. 300 пудов. Итак, F=300 пудов.
Далее, величину k – коэффициента трения каната о железную тумбу – будем считать равной >1/>3. Величину α легко определим, если примем, что Матифу обвил канат вокруг тумбы всего три раза. Тогда:
α = 3×2πr/r = 6π.
Подставив все эти значения в приведенную выше формулу Эйлера, получим уравнение:
300 = f·2,718>6π 1/3 = f·2,718>2π.
Неизвестное f (т. е. величину необходимого усилия) можно определить из этого уравнения, прибегнув к помощи логарифмов:
lg300 = lg f + 2π lg2,718;
откуда:
f = 0,6 пуда = 24 фунта
[16].
Итак, великану Матифу, чтобы совершить свой подвиг, достаточно было тянуть канат с силою всего 24 фунтов!
Не думайте, что эта цифра – 24 фунта – только теоретическая и что на самом деле потребуется гораздо большее усилие. Напротив, у нас получился результат даже чересчур значительный: при пеньковой[17] веревке и деревянной свае усилие потребуется до смешного ничтожное. Лишь бы веревка была достаточно крепка и могла выдержать натяжение, – тогда даже ребенок, благодаря формуле Эйлера, мог бы, навив веревку 3–4 раза, не только повторить подвиг жюль-верновского исполина, но и превзойти его.
От чего зависит крепость узлов?
В обыденной жизни мы часто пользуемся той выгодой, на которую указывает нам формула Эйлера. Что такое, например, любой узел, как не бечевка, навитая на валик, роль которого в данном случае играет другая часть той же бечевки? Крепость всякого рода узлов – обыкновенных, «беседочных», «морских», – всякого рода завязок, бантов и т. п. зависит исключительно от трения, которое здесь усиливается во много раз вследствие того, что шнурок обвивается вокруг самого себя, как веревка вокруг тумбы. В этом не трудно убедиться, если проследить за изгибами шнурка в узле. Чем больше этих изгибов, чем больше раз бечевка обвивается вокруг самой себя – тем больше «угол навивания» в формуле Эйлера, а следовательно, тем крепче узел.
