Как действует игрушка йо-йо?

Что понадобится: игрушка йо-йо; небольшая практика.
Что делать? Играйте с йо-йо как обычно, заставляя ее двигаться вверх-вниз по веревочке. Просуньте средний палец руки в петлю, сдвиньте петлю на середину пальца, между вторым и первым суставами. Дайте йо-йо немного поболтаться в воздухе, чтобы расправить веревочку. Затем приведите йо-йо в движение, чтобы игрушка могла подняться по веревочке к вам в ладонь, при этом средний палец должен попасть в борозду для веревочки, а остальные пальцы — обхватить бока игрушки. Держите согнутую под прямым углом руку на уровне талии, чтобы предплечье находилось перед вами, а локоть был прижат к боку. Слегка приподнимите кисть и снова опустите, уронив йо-йо. Пальцы следует разжимать полностью. Пока йо-йо скользит вниз по веревочке, плавным движением приподнимите предплечье и кисть. Это придаст игрушке дополнительную скорость. Когда она доберется до конца веревочки, вы ощутите легкий рывок. Затем йо-йо двинется в обратный путь. При этом плавным движением опустите предплечье и кисть, сообщая игрушке дополнительный импульс. Йо-йо должна вернуться к вам в ладонь, когда рука дойдет до уровня талии (до того же положения, в котором вы отпустили игрушку). Можно поймать йо-йо и начать все заново или оставить пальцы разжатыми и продолжать опускать ладонь, ударить ею йо-йо и отправить ее вниз.
Что можно наблюдать? Йо-йо прокатится вниз по веревочке до самого конца, а затем начнет подниматься вопреки закону земного притяжения.
Что происходит? Рассмотрев йо-йо, вы обнаружите, что она состоит из двух тяжелых дисков, соединенных гладкой осью. Веревочка не привязана к оси, а свободно держится на петле. Можно представить ее в виде латинской буквы «U», которая начинается на вашем пальце, огибает ось йо-йо и снова возвращается к вашему пальцу. Витая веревочка образует петлю в самом низу, поэтому йо-йо не может соскользнуть. По сути дела, эта веревочка — самая важная деталь правильно собранной йо-йо, она всегда должна представлять собой форму, напоминающую букву «и», сложенную пополам, и не завязываться на оси.
Когда мы разжимаем пальцы и отпускаем йо-йо, ее начальная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения. Как у гироскопа, большую часть энергии сохраняет угловой или вращательный момент. Угловой момент вращающегося предмета — показатель того, как будет продолжать вращаться вокруг своей оси предмет, на который не действуют внешние силы. У хорошей йо-йо масса сосредоточена на внешней, а не на внутренней стороне дисков, специально для того, чтобы увеличить до максимума угловой момент.
Конец веревки свободно движется вокруг оси йо-йо, поэтому игрушка может вращаться внутри петли, достигая нижней точки пути. Трения между веревочкой и осью недостаточно, чтобы ось сама по себе закрутилась на веревочке, а игрушка начала подниматься по ней. Но если слегка дернуть за веревку — это происходит само собой, когда веревка натягивается в нижней точке пути йо-йо (этот момент описан в нашей инструкции по обращению с игрушкой) — напряжение ослабевает. В этом случае трение веревочки об ось становится достаточным для того, чтобы веревочка начала накручиваться на нее.
После первого оборота вокруг оси петля действует так, будто игрушка привязана к ней: следующие обороты веревочки не дают внутренней петле проскальзывать, и йо-йо начинает наматывать на ось веревочку, преобразуя кинетическую энергию в потенциальную.
Способность йо-йо вращаться зависит от трения между осью и веревочкой. Его можно отрегулировать, обвязав веревочку вокруг оси туже или свободнее или же покрыв ось воском или другой смазкой. Чем ровнее ось и свободнее петля, тем легче проделывать фокусы, описанные ниже, но тем труднее заставить йо-йо скользить вверх по веревочке.
P. S. А теперь, когда вы научились обращаться с йо-йо и поняли принцип ее действия, можно переходить к освоению более сложных фокусов.
«Спящая йо-йо»: игрушку отпускают вниз по веревочке, как обычно, но не поднимают, а дают возможность свободно вращаться в нижней точке пути. Для этого важно, чтобы петля на оси была свободной. Тугая петля, описанная выше, легче наматывается на ось и позволяет йо-йо подниматься по веревочке на завершающем этапе цикла. Свободная петля способствует свободному вращению.
«На прогулке с собачкой»: йо-йо «усыпляют» после резкого броска, обеспечивающего энергией процесс вращения, а затем дают вращающейся игрушке возможность касаться земли. Она как будто подпрыгивает, продолжая вращаться вокруг оси.
«Отшлепаем проказника»: сначала йо-йо «усыпляют», а через несколько секунд делают шлепающие движения рукой, которая держит веревочку. Рывки передаются веревочке, и, если петля не слишком свободная, трение на краткие моменты увеличивается, веревочка обматывается вокруг оси и йо-йо возвращается в руку к хозяину.
P. S. Еще одно свойство йо-йо демонстрирует влияние трения на тела. Положите йо-йо на горизонтальную поверхность и посмотрите на нее сбоку, при этом веревочка выходит из-под оси вправо. Если потянуть веревочку вправо, в какую сторону сдвинется йо-йо? Правильно, влево, или совсем не сдвинется — в зависимости от угла А, под которым направлена веревочка.
Если угол А мал и веревочка направлена вверх, то она поворачивает йо-йо против часовой стрелки. Но движению противостоит сила трения: В — точка справа от вертикальной осевой линии йо-йо, сила трения действует на йо-йо в том месте, где осевая линия пересекается с горизонтальной поверхностью, при этом возникает крутящий момент, противодействующий вращению против часовой стрелки, поэтому йо-йо вращается не вправо, а влево. Если угол A довольно большой, а веревочка проходит ближе к горизонтальной поверхности, на которой располагается йо-йо, игрушка по-прежнему стремится вращаться против часовой стрелки. Но большая боковая сила — со стороны веревочки — двигает йо-йо вправо. И опять сила трения действует слева от В, и на этот раз не просто противодействует движению против часовой стрелки. В сочетании с боковой силой она поворачивает йо-йо по часовой стрелке, в итоге игрушка катится вправо.
Еще любопытнее промежуточное положение веревочки: при нем йо-йо просто вертится на месте, не сдвигаясь ни в одну, ни в другую сторону.