Колесо

Уважаемый Эспри, – сказал мне при очередной встрече мой добрый знакомец, профессор М.Болеславский, читавший курс «Теория электрических цепей» в Политехническом институте и подхатуривавший (по просьбе декана физмата) в университете, читая курс «Теоретической физики», – сегодня у нас в профессорской  состоялся спор о простейшей вещи. И я предлагаю вам быть арбитром.

Уважаемый Г-и Профессор, – ответил я, – благодарю Вас, предложение более чем комплиментарное, но КАК я, человек безо всяких научных званий и степеней могу быть арбитром в споре высококвалифицированных специалистов? Профессоров физики в университете!

Попробуйте, – с лёгкой иронией ответил профессор. – Готовы выслушать задачу?

Итак, самое обычное колесо. Мы раскрутили его, держа за ось в воздухе, а затем бросили на дорогу и оно само покатилось по ней. Почему колесо катится?
Давайте рассмотрим силы, действующие на него. Центростремительная и центробежная силы НЕ могут заставить колесо двигаться поступательно. Они направлены к центру и от центра вращения по радиусам. Единственная сила, которая действует на катящееся колссо  – это сила ТРЕНИЯ, приложенная в нему в точке его касания с дорогой. Она направлена вперёд, то есть против линейной скорости нижней точки на колесе, но сила трения не может придать колесу движения вперёд. Сопротивлением воздуха пренебрежём, ибо оно тоже никак не помогает колесу катиться .
Так почему оно катится?
Мы ведь его не толкаем, а просто бросили вращающимся на дорогу.

По тону и лёгкой улыбке я сразу почувствовал, что здесь кроется какая-то уловка. Но какая? Все рассуждения профессора выглядели вроде бы вполне справедливыми и логичными.
Так, ЧТО, действительно, заставляет колесо катиться?

Подумав чуть, я ответил.

Сам подход к теме неверен. Формально рассуждая, нет толкающей силы, кроме силы трения, которая просто останавливает ту точку обода колеса, которая касается земли.
Но колесо, если бы мы не бросили его на дорогу, а держали бы за ось, продолжало бы вращаться ПО ИНЕРЦИИ! Теперь посмотрим, ЧТО происходит на дороге.
Колесо вращается по инерции, так как мы, раскрутив его, сообщили ему кинетическую энергию вращения. Оказавшись на дороге, колесо продолжает вращаться вокруг оси, но ОСЬ ВРАЩЕНИЯ теперь  переместилась  В ТОЧКУ КАСАНИЯ его с грунтом, а колесо продолжает по инерции поворачиваться! Вот оно и пытается вращаться вокруг новой точки «оси» – точки его сцепления с почвой, потому и возникает СИЛА ИНЕРЦИИ, которая всё время вращает его вокруг непрерывно появляющихся  новых центров вращения  – точек соприкосновения колеса с дорогой. Это и есть причина, почему оно катится. Бросив его на дорогу, мы создали ситуацию, в которой колесо «стремится» вращаться вокруг своей оси, но не может, так как одна точка его обода остановлена трением! А накопленная кинетическая энергия инерции имеется, и вращение его продолжается вокруг всё новых «осей» – точек касания с дорогой. Оно как бы «объезжает вокруг» дороги. Таким образом возникает сила, приложенная к оси колеса и направленная вперёд.
То же самое и с любым колёсным транспортом. Вращающая сила от двигателя, приложенная к оси колёс, не двигает машину вперёд, а лишь заставляет колёса вертеться, но, поскольку трение колёс о грунт останавливает обод,  то они начинают поворачиваться вокруг новых «осей» вращения – точек касания колёс с дорогой. Любые колёса любых машин «стараются вращаться вокруг дороги», это и создаёт силу, толкающую их вперёд.

Моё объяснение вызывало минутное удивлённое молчание. Как же так? Профессора чуть ли не полчаса спорили о причинах его качения, да так и не пришли к выводу. А тут человек с начальным образованием вдруг за несколько минут даёт простое и естественное объяснение. Причём, судя по суждениям, верное.

А причина, вновь, в подходе. Профессора рассматривали это заурядное явление с точек зрения формально-математических: Силы, их разложение на составляющие, диаграммы сил и векторов скоростей и прочее. А надо было просто рассмотреть здравый физический смысл явления. И всё стало на свои места безо всякого формализма и векторных диаграмм.
16 II 2020