Почему гепард не превышает скорость?

Гепард способен разогнаться до 130 километров в час (а это в два раза больше, чем разрешенная скорость передвижения автомобиля в городе). Как-то ученые повесили на нескольких гепардов GPS-ошейники, отслеживающие скорость и траекторию перемещений. И выяснили, что самый быстрый зверь редко пользуется этим своим титулом и развивает максимальную скорость. Рассказываем, что помогает гепарду бегать и почему он соблюдает скоростные ограничения.

Трение

У гепарда есть четыре лапы с рифлеными подушечками и острыми массивными когтями. От остальных кошачьих он отличается невтяжными когтями — они не уходят вглубь лап целиком. Когти нужны гепарду не только для того, чтобы схватить добычу, они также выступают в роли шипов, увеличивая трение и обеспечивая высокий уровень сцепления.

У машин нет лап. Вместо них — четыре колеса с резиновыми шинами и иногда с шипами. Движение автомобиля происходит за счет силы трения качения между колесами автомобиля и дорогой. Эту силу называют силой сцепления. Сила сцепления пропорциональна сцепному весу автомобиля (то есть той части веса, которая приходится на ведущую ось) и коэффициенту трения между шинами и дорогой.

Кому-то может показаться, что трение всегда только мешает движению, а не помогает ему. Это не так. Представьте, что автомобиль на летней резине едет по замерзшему озеру. Сцепления нет, очень вероятны заносы или буксовка. Хорошее сцепление с дорогой позволяет легко управлять автомобилем, плавно тормозить и безопасно поворачивать.

Инерция

На движение как гепарда, так и автомобиля влияет инерция. Строго говоря, инерция — стремление тела сохранять свою скорость неизменной при отсутствии воздействия внешних сил.

Масса — мера инертности. То есть чем тело тяжелее, тем сильнее заметно его нежелание изменять свою скорость. Действительно, когда возвращаешься с дачи с десятью килограммами картошки, вареньем и довольной бабушкой, автомобиль едет более плавно и не подскакивает на кочках. Все дело в дополнительной массе, которую мы везем — благодаря ей увеличивается инертность автомобиля. Однако за плавное движение машины приходится расплачиваться из своего кармана: чем больше машина нагружена, тем больше топлива она потребляет.

Гепард, хотя и не учил физику в школе, знаком с явлением инерции. Она помогает гепардам совершать стремительные длинные прыжки: семь-восемь метров всего за полсекунды.

Гепард — хищник, и ему необходимо быть не только быстрым, но еще и маневренным. В среднем гепард весит около 50 килограмм, причем значительная часть его веса приходится на мускулатуру. Если бы гепарду пришлось везти на своей спине бабушку, то о маневренности пришлось бы забыть.

Торможение

От чего зависит тормозной путь?

В первую очередь — от скорости движущегося тела. Чем выше скорость, тем больше времени понадобится для того, чтобы тело полностью остановилось. При торможении гепард пригибается к земле, что позволяет ему задействовать мускулатуру задних лап и помогает избежать раскачивания из стороны в сторону. Автомобилю в торможении помогает подвеска, поглощая кинетическую энергию и также предотвращая раскачивание.

Помимо скорости, тормозной путь автомобиля зависит от шин: насколько они качественные, новые и соответствуют дорожному покрытию. Одна известная марка автомобилей экспериментально сравнила, как изношенность шин влияет на длину тормозного пути. Профессиональный водитель разгонялся на мокрой дороге до скорости, близкой к 100 км/ч, и после этого тормозил. Тормозной путь машины на изношенных шинах ожидаемо увеличился. И увеличился значительно — на расстояние, равное десяти машинам, стоящим друг за другом.

Поворот

Гепард, выписывающий петлю в погоне за антилопой, больше похож на мотоцикл, чем на автомобиль. Дело в том, что машина не отклоняется значительно от вертикальной оси. Посмотрите на гепарда на фотографии в начале текста. На него действует ускорение свободного падения и центростремительное ускорение, в итоге результирующее ускорение. Гепард наклоняется к земле в ту же сторону, что и поворачивает. Так он противостоит центробежной силе.

Гепард замедляется перед маневрами. Если бы он поворачивал на полной скорости, радиус поворота был бы большой и занимал много времени — так за антилопой не угонишься. Умный гепард сначала сбрасывает скорость, а потом делает крутой поворот. Например, снижение скорости с 16 метров в секунду до 4 метров в секунду позволяет снизить радиус поворота с 19,7 метров до 1,2 метров.

Возможно, людям стоило бы кое-чему поучиться у гепарда: хотя ему не составляет большого труда бежать на скорости 90 километров в час, чаще всего охотится гепард на скорости 50 километров в час. Это объясняется также тем, что гепард бережет себя и скорее упустит добычу, чем получит травму. Потому и охота гепарда успешна всего в одном из четырех случаев.

Снова торможение

Для физики пассажиры — это просто тела, обладающие массой. Эти тела (то есть мы с вами) тоже участвуют в явлении инерции. Когда водитель резко тормозит, то мы об этом заранее не знаем, и поэтому нас отбрасывает вперед. Чтобы тело не получило в такой ситуации травмы, оно должно быть пристегнуто!

Когда мы едем по сухой дороге, то трение называется сухим (вообще, физики любят называть вещи своими именами), и его коэффициент зависит от дорожного покрытия и даже температуры.

И снова трение

Если на дорогу разлить жидкость (например, масло), трение будет вязким. Из-за прослойки жидкости, будь то грязевая жижа или подтаявший снег, сцепление снижается, а значит, повышается вероятность заносов и аварий. Для отвода жидкости с дороги шины оснащены протектором с блоками разной формы и размера, а также канавками и ламелями. Рисунки протектора различаются и созданы для решения различных задач: езда по снегу, грязи, лужам. Есть и вариант, когда протектор не имеет никакого рисунка — такие шины называются сликами и используются в автоспорте, где нужна максимальная площадь соприкосновения шины и дороги для сцепления на высокой скорости, при условии, что дорога эта сухая.