Стакан воды на вращающемся диске

turntable

Вы поставили стакан воды на диск проигрывателя виниловых пластинок и медленно увеличиваете скорость вращения. Что произойдет раньше: стакан сползет в сторону, стакан опрокинется, вода расплескается?

Этот вопрос задавали ранее в Apple. Большинство людей понимают, что при его анализе необходимо учесть центробежную силу. В равной степени вам нужно знать и силу трения. Оно возникает между дном стакана и вращающимся диском, который приводит стакан в движение.

Чтобы сделать ситуацию более понятной, представьте мир, где трение вообще отсутствует. Каждая вещь становится более скользкой, чем  тефлон, причем более скользкой бесконечно. Тогда в эксперименте, описанном в вопросе, не будет никакого влияния на стакан. Диск проигрывателя будет вращаться под стаканом, не оказывая на него никакого влияния, то есть стакан вообще не будет двигаться. Это верно в соответствии с первым законом Ньютона: неподвижные объекты остаются в этом положении до тех пор, пока на них не воздействует какая-то сила. Без силы трения стакан не будет перемещаться.

Теперь представьте противоположный вариант: стакан при  помощи очень прочного клея Krazy Glue приклеили к диску, и между двумя поверхностями появилась практически бесконечно высокая сила трения. Стакан и диск в этом случае будут вращаться как единое целое. Увеличьте скорость диска, и стакан будет вращаться быстрее. Это приведет к увеличению центробежной силы. Единственное, что сможет в этих условиях свободно реагировать на эту силу, будет вода. Ведь она-то ко дну стакана не приклеена. Когда стакан будет крутиться с достаточно большой скоростью, вода прольется в сторону, противоположную центру вращения.

В вопросе вас просят рассмотреть вариант, лежащий между предельными ситуациями. Вначале трение будет достаточным, чтобы удерживать стакан на месте. Он будет вращаться вместе с диском, создавая небольшую центробежную силу. По мере увеличения скорости вращения, центробежная сила будет возрастать. Давление, удерживающее стакан на месте, будет оставаться примерно одинаковым. Поэтому должен наступить какой-то момент, когда центробежная сила превысит силу давления.

Те, кто изучал физику или проводил много времени в детских играх, вспомнят, что когда предмет начинает скользить, сила трения становится меньше, чем когда он стоит. На верхней части ледяной горки вы немного «прилипаете», но затем неожиданно начинаете свободно по ней двигаться вниз. То же самое относится и к диску. Вместо того, чтобы все время ускоряться постепенно, стакан вначале удерживается, и только через какое-то время начинает двигаться.

Что случится потом? Ответ здесь таков: это зависит от формы стакана и от того, насколько он заполнен водой. Однако если вы ограничитесь только этим ответом, интервьюер может решить, что вы пытаетесь уйти от вопроса. Вот варианты, которые возможны в реальной жизни.

  1. Заполните стакан водой до краев. Даже самая небольшая центробежная сила приведет к повышению уровня воды над внешним краем стакана. Из-за чего часть воды прольется. Это случится даже тогда, когда стакан «приклеен», то есть до того, как он начнет скользить.
  2. Используйте очень низкий стакан, к примеру, чашку Петри с каплей воды в ней. Если вы выбрали такой сосуд для эксперимента, он не перевернется и не будет двигаться настолько быстро, что единственная капля воды поднимется по его стенке и прольется. Зато чашка Петри с этой каплей просто соскользнет с диска.
  3. Используйте очень высокий стакан, вроде пробирки с плоским днищем. Центробежная сила фактически действует на центр тяжести. Поскольку центр тяжести в данном случае расположен высоко, а вся сила трения прикладывается в самом низу, стеклянная пробирка скорее опрокинется, чем будет скользить.

Важно учесть и поверхность диска. Если она изготовлена из резины, это повысит трение и с большей вероятностью приведет к выплескиванию и опрокидыванию, здесь они в равной мере вероятны. Более скользкая твердая пластиковая поверхность способствует реализации варианта скольжения.

Разбор взят из книжки «Are You Smart Enough to Work at Google?».