Если вы видите, как что-то делается в кино, это не значит, что вы должны попробовать сделать это сами. Возьмем, к примеру, человека, бегущего наперегонки с движущимся поездом. Для начала, вы не можете быть уверены, что это реально. В ранних вестернах использовались движущиеся задники, чтобы поддельные поезда выглядели как движущиеся. Теперь есть CGI. Или они могут ускорить фильм, чтобы настоящий поезд выглядел быстрее, чем он есть на самом деле.

Так что вот вам вопрос: Можно ли бегать по крыше поезда и перепрыгивать из одного вагона в другой? Или поезд пронесется над вами, пока вы будете в воздухе, и вы приземлитесь позади того места, откуда взлетели? Или, что еще хуже, вы упадете между вагонами, потому что промежуток движется вперед, удлиняя расстояние, которое вам нужно преодолеть? Вот почему, друг мой, актеры-каскадеры изучают физику.

Что такое физика вообще? По сути, это набор моделей реального мира, которые мы можем использовать для расчета сил и предсказания изменения положения и скорости предметов. Однако мы не можем определить положение или скорость чего-либо без системы отсчета.

Представьте, что я стою в комнате, держу в руках мяч и хочу описать его местоположение. Я могу использовать декартовы координаты для трехмерного пространства, чтобы придать шарику значение (x, y, z). Но эти числа зависят от начала и ориентации моих осей. Кажется естественным использовать в качестве начала координат угол комнаты, при этом оси x и y будут проходить вдоль основания двух соседних стен, а ось z - вертикально вверх. Используя эту систему (с единицами измерения в метрах), я обнаружил, что мяч находится в точке (1, 1, 1).

А что, если там находится мой приятель Боб, и он измеряет местоположение мяча по-другому? Может быть, он помещает начало координат, откуда стартует мяч, в мою руку, придавая ему начальное положение (0, 0, 0). Это тоже кажется логичным. Мы могли бы поспорить о том, кто прав, но это было бы глупо. У нас просто разные системы отсчета, и обе они произвольны. (Не волнуйтесь, мы еще вернемся к поездам.)

Сейчас я подбрасываю этот мяч прямо в воздух. Через короткий промежуток времени в 0,1 секунды в моей системе координат мяч находится в точке (1, 1, 2), то есть на 1 метр выше. У Боба тоже появилось новое местоположение - (0, 0, 1). Но обратите внимание, что в обеих системах мяч поднялся на 1 метр в направлении z. Поэтому мы согласимся, что мяч имеет скорость 10 метров в секунду.

Далее предположим, что я везу этот мяч на поезде, движущемся со скоростью 10 метров в секунду (22,4 мили в час). Я снова подбрасываю мяч прямо вверх - что произойдет? Я нахожусь внутри вагона, поэтому использую систему координат, которая движется вместе с поездом. В этой движущейся системе координат я неподвижен. Боб стоит сбоку от путей (он видит мяч через окно), поэтому он использует неподвижную систему координат, в которой я двигаюсь.

В этом случае мы с Бобом не согласимся ни с положением, ни со скоростью мяча. Я говорю, что он летит прямо вверх и вниз - в конце концов, он приземляется прямо в мою руку. Боб говорит, что у мяча есть и вертикальная, и горизонтальная скорость: Он видит, что он движется вверх и вниз, а также вперед. (Это дает вам ключ к разгадке нашего большого вопроса?)

На самом деле, в системе отсчета Боба мяч имеет ту же горизонтальную скорость, что и поезд. Если он находится в воздухе 1 секунду, то поезд за это время продвинется на 10 метров, и мяч тоже продвинется на 10 метров. Вот почему он не приземляется позади меня. Первый закон Ньютона: Если объект находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, он будет оставаться в состоянии покоя или продолжать двигаться с этой скоростью, если на него не будет действовать сила.

Это' называется инерцией. Вы с этим сталкивались. Именно поэтому, если у вас в машине стоит незакрытая чашка кофе и вы нажимаете на тормоза, машина останавливается, но кофе продолжает двигаться и оказывается на приборной панели. Именно поэтому мы все пристегиваемся ремнями безопасности.

Так что если поезд движется с постоянной скоростью, то, согласно этой модели, бежать по нему и перепрыгивать из одного вагона в другой должно быть так же легко, как и когда он неподвижен. Если вы бежите со скоростью 10 миль в час (согласно системе отсчета, центрированной на вагоне), а поезд движется со скоростью 40 миль в час, ваша горизонтальная скорость (согласно неподвижной системе) равна 50 милям в час. Ну что, не страшно? На самом деле, нет. Вот почему актеры-каскадеры всегда дочитывают статью до конца.

Кстати, даже если мы с Бобом измеряем разные скорости, мы' согласимся, что мяч имеет одинаковое ускорение вниз под действием силы тяжести. Это очень важно, поскольку ускорение напрямую связано с силой, действующей на объект. Второй закон Ньютона: Fnet = масса x ускорение. Система координат Боба и моя система называются инерциальными системами отсчета, поскольку сами они не ускоряются.

Физические модели отлично работают в инерциальных системах, и неважно, какую из них вы выберете. Система отсчета Боба относительно земли ничем не лучше и не хуже моей в движущемся поезде.

Хорошо, если у вас есть поезд, движущийся с постоянной скоростью, то это' инерциальная система, и все действует так же, как и в неподвижной системе. Я просто подбрасываю мяч вверх, и ощущения одинаковы независимо от того, сижу ли я на платформе поезда, в вагоне, движущемся со скоростью 40 миль в час, или в пассажирском самолете, летящем со скоростью 500 миль в час. Более того, с точки зрения физики это действительно одно и то же.

Но подождите! Наша модель упускает кое-что важное. Если вы находитесь на крыше, то существует воздушное сопротивление. Если поезд движется на восток со скоростью 20 миль в час, то для человека на крыше это будет то же самое, что ветер, дующий со скоростью 20 миль в час на запад. Если поезд движется не слишком быстро, все будет в порядке. Но когда скорость ветра достигает примерно 40 миль в час, идти или бежать становится слишком тяжело. Приложив усилия, вы сможете продвинуться вперед за счет трения ног о крышу. Но если вы подпрыгнете в воздух, я не могу ручаться за то, куда вы приземлитесь.

Конечно, даже внутри, без ветра, я уверен, что вы могли бы сказать, что поезд движется, не глядя в окно. Это потому, что настоящие поезда не движутся с постоянной скоростью. Даже крошечные неровности и повороты пути вызывают колебания скорости, и ваше тело может легко это почувствовать.

Давайте на секунду задержимся на этой идее. По определению, у скорости есть величина, которую мы называем скоростью, и направление. (Если скорость или направление поезда меняются, он движется не с постоянной скоростью, и мы называем это ускорением. Да, в физике можно ускориться, не двигаясь быстрее.

Это не инерциальная система отсчета. В этой ситуации вы не можете просто использовать F = ma, чтобы узнать, как движутся вещи. Эти правила работают только в инерциальной системе отсчета. Один из способов решить эту проблему - добавить "фальшивую силу", чтобы можно было снова использовать законы Ньютона. Эта фальшивая сила будет пропорциональна ускорению рамки, но в противоположном направлении.

Вы' были в неинерциальной рамке. Когда вы находитесь в лифте, который начинает ускоряться вверх, система отсчета внутри кабины является неинерциальной. Чтобы понять это ощущение, ваш мозг интерпретирует его как силу, толкающую вас в пол, как будто вы становитесь тяжелее. Спойлер: Это не так. Это фальшивая сила. Вас не толкают вниз, вас тянут вверх.

Подобное происходит, когда вы резко поворачиваете на автомобиле. Поскольку изменение направления - это тоже ускорение, внутренняя часть автомобиля является неинерциальной системой отсчета. Вот почему при повороте налево вам кажется, что вас выталкивает вправо. Подделка! Не существует такого понятия, как "центробежная сила" - автомобиль испытывает центростремительное ускорение, направленное к центру дуги.

Так же, как поезда ускоряются, замедляются и поворачивают. Они кренятся и раскачиваются, и это тем хуже, чем выше вы находитесь. На вершине настоящего поезда вы бы испытали внезапное ускорение во все стороны. Сможете ли вы бежать? Может быть, с небольшой скоростью, но это будет больше похоже на пошатывание. Когда рельсы поворачивают, это будет похоже на попытку бежать вперед, когда кто-то толкает вас в бок. Я уже упоминал, что крыши поездов обычно покатые и скользкие?

Если вы все же хотите пробежаться по поезду, вам придется забраться на него сверху. Конечно, можно купить билет и забраться по лестнице. Но разве не круче было бы запрыгнуть на поезд с эстакады или еще откуда-нибудь?

Но подождите. Если поезд катится со скоростью даже ленивых 10 метров в секунду (22 мили/ч), а вы неподвижны, это означает, что ваша скорость (относительно земли) должна резко измениться с 0 (в состоянии покоя на эстакаде) на 22 мили/ч (в состоянии покоя в движущемся поезде). Здесь я вижу два варианта. Первый - прыгнуть и надеяться на лучшее. Вы обнаружите, что скользите в направлении, противоположном движению поезда. Если трение достаточно велико, вы в конце концов прекратите скольжение. Если же нет, то вы отправитесь прямиком на заднюю площадку.

Но, возможно, вы надели свои воскресные штаны и не хотите их испортить. Есть второй вариант: Начните бегать, прежде чем прыгать. Если вы сможете разогнаться до той же скорости, что и поезд (сомнительно), то когда вы прыгнете вниз, вы уже будете двигаться с нужной скоростью. Скользить будет не нужно. Именно так поступают супергерои.

Ну, может быть, есть средний вариант для тех, у кого нет суперспособностей. Вы можете и бегать, и скользить. Если вы разгонитесь до скорости 5 м/с, прежде чем запрыгнуть на поезд, идущий со скоростью 10 м/с, разница в скорости при столкновении будет меньше, и у вас будет больше шансов выжить.

Я все еще не знаю, зачем вам забираться на верх поезда, но в какой-то момент вы, скорее всего, захотите сойти с него до того, как он доедет до станции. Возможно, это не слишком удивительно, но спрыгнуть с поезда - это практически то же самое, что и сесть в него: Проблема в разнице скоростей.

И опять же, у вас есть два варианта: Вы можете просто спрыгнуть и позволить взаимодействию с землей замедлить вас. Поскольку вы' ; движетесь горизонтально со скоростью поезда, вы' ; наверняка пожалеете об этом. (Поверьте, вы очень быстро смените систему отсчета). Или вы можете побежать к задней части поезда, прежде чем прыгать. Это уменьшит вашу скорость относительно земли перед ударом. Скорее всего, вы не сможете бежать достаточно быстро, чтобы приземлиться, не кувыркаясь, но если бы вам это удалось, вы бы точно стали боссом.

Если бы я собирался прыгать с поезда, я бы дождался моста через озеро. Когда вы упадете в воду, она будет давить на вас в направлении, противоположном вашему движению. Горизонтальная составляющая этой силы замедлит ваше движение, как и трение, но она мягче, чем камни. Вода также будет давить на вас, чтобы остановить ваше вертикальное движение, но вы будете замедляться на большем расстоянии, так как погрузитесь в воду. Это означает, что удар будет гораздо более щадящим, чем при ударе ногами о землю.

У этого способа высадки есть один недостаток - вы промокнете. Но если это худший исход вашей дурацкой поездки на поезде, вы должны быть очень благодарны.