Опитах се да оценя количествено ефекта на кухината върху търкалянето на двете топки по наклонена равнина.
Това, което пиша надолу, не е логика, а физика. Който не се интересува, да скочи на крайния резултат.
Да допуснем, че търкалянето става без триене по наклонена равнина, сключваща ъгъл f с хоризонта (0 < f < 90 градуса). Топките ще се движат равноускорително с линейно ускорение a, което най-лесно може да се пресметне от постоянството на пълната енергия:
E = Ek+Ep = m*v^2/2 + I*w^2/2 + m*g*h = const
(^ означава степенуване), където
E е пълната енергия на топката,
Ek е кинетичната енергия на топката,
Ep е потенциалната енергия на топката,
m е масата на топката,
v е линейната скорост на центъра на топката,
I е инерчният момент на топката,
w е ъгловата скорост на въртене на топката,
g е ускорението на земното притегляне,
h е относителната височина на топката спрямо Земята.
Да въведем допълнително величините:
R е радиусът на топката,
t е изтеклото време от началото на търкалянето,
s е изминатият по равнината път,
d(Au) е относителната плътност на златото (=19.4),
d(Ag) е относителната плътност на среброто (=10.5).
Нека в началото на търкалянето v=w=h=0.
Използвайки връзките
v = a*t
w = v/R = a*t/R
s = a*t^2/2
h = s*sin(f) = a*t^2*sin(f)/2
от първото уравнение получаваме
a = g*sin(f)/[1+I/(m*R^2)]
Инерчният момент на плътна хомогенна сфера (т.е., сребърната) е
I(Ag) = 3/5*m*R^2
За да имат топките равни маси, кухината в златната трябва да има радиус R0
R0 = R*[1-d(Ag)/d(Au)]^(1/3)
Оттук може да се пресметне инерчният момент на златната топка:
I(Au) = 3/5*m*R^2*d(Au)/d(Ag)*{1-[1-d(Ag)/d(Au)]^(5/3)}
Използвайки формулите за ускорението и инерчните моменти на двете топки, може да се намери частното на ускоренията на двете топки. То съвпада с частното на пътищата им, изминати за еднакво време:
a(Ag)/a(Au) = s(Ag)/s(Au) = 5/8+3/8*d(Au)/d(Ag)*{1-[1-d(Ag)/d(Au)]^(5/3)} = 1.129
Това означава, че ако пуснем топките едновременно от една и съща "стартова линия", когато златната топка се изтърколи на 1 метър, сребърната ще я изпревари с 13 сантиметра. Това изглежда напълно достатъчно, за да ги разпознаем!
Изобщо, инерчният момент играе съществена роля. Двата гранични случая са, когато цялата маса е съсредоточена в центъра на топката (нулев инерчен момент) и когато е съсредоточена само по повърхността (максимален инерчен момент). В първия случай топката ще избърза с 81 см пред златната, а във втория ще изостане с 10 см. Разликата в пътя на тези две въображаеми "гранични" топки, изминат за определено време, би била точно 2 пъти.Редактирано от Orнeдишaщ на 25.01.02 14:53.