Укладка рюкзака - это, если хотите, "сплав" науки и искусства. Уложенный рюкзак по форме должен быть плоским и высоким, сторона его, прилегающая к спине, как можно точнее должна "повторять" форму спины, потому что в этом случае давление рюкзака на спину будет значительно меньше благодаря большой площади опоры (р = F/S). По той же причине лямки рюкзака должны быть широкими, и очень желательно наличие полужесткого пояса на уровне талии (рис. 1).

Центр тяжести рюкзака (точка А ) должен находиться как можно ближе к спине на уровне лопаток (рис. 1, а), т.е. максимально приближен к вертикальной линии, проходящей через биологический центр тяжести тела человека - точке В. При таком условии вращающий момент (по величине) М = FтL, или М = mg L, обусловленный силой тяжести, действующей на рюкзак, минимален (см. рис. 1, а). Когда турист делает шаг (рис. 1, б), он немного наклоняется вперед и плечо силы тяжести оказывается равным нулю (так как линия действия силы Fт = mg проходит через точку В); следовательно, вращающий момент М = 0, и не надо прикладывать усилия для его компенсации.

Проверить правильность положения центра тяжести рюкзака можно очень просто: для этого достаточно поставить рюкзак на горизонтальную поверхность (рис. 2, а). Если рюкзак уложен правильно, равновесие будет неустойчивым, так как отвесная линия, проведенная через его центр тяжести, пройдет через край площади опоры и при малейшем сдвиге возникает вращающий момент (рис. 2, б), который поворачивает рюкзак вокруг точки O. При этом сила реакции опоры N уже не будет направлена по вертикали вверх, а составит с силой тяжести mg некоторый угол (рис. 2, в), равнодействующая R сил N и F = mg будет "уводить" рюкзак от первоначального положения равновесия: он в него уже не вернется - упадет (см. рис. 2, б); при этом положение его центра тяжести будет наинизшим из всех возможных, что соответствует состоянию устойчивого равновесия, характеризующемуся наименьшим запасом потенциальной энергии.

Теперь понятно, что, укладывая рюкзак, тяжелые вещи надо расположить как можно ближе к спине, а легкое снаряжение - в наибольшем от нее удалении.

Отметим: центр тяжести системы "человек - рюкзак" не должен выходить за пределы тела человека, а отвесная линия, проведенная через него, должна проходить через площадь опоры.

Что происходит при неправильной форме рюкзака или ином положении его центра тяжести? (Это часто бывает при укладке вещей начинающими туристами.) Почему даже не слишком тяжелый рюкзак иногда бывает очень трудно нести? Отчего, если мы забыли отрегулировать лямки рюкзака или его конструкция не предусматривает пояса, то рюкзак на маршруте доставит нам много неприятностей?

Попробуем разобраться в этих вопросах. Если уложенный рюкзак получился круглым (рис. 3, а) или все консервы вы решили положить в задний карман, то его центр тяжести будет значительно удален от спины, а площадь соприкосновения с телом мала. При таком положении вращающий момент силы тяжести тд относительно точки О (точки вращения рюкзака) велик и "энергично" стремится опрокинуть тело туриста назад, заставляя его наклоняться вперед (рис. 3, б), подтягивать лямки (рис. 3, в) до тех пор, пока плечо силы не станет равно нулю (рис. 3, г).

1. Всем: вспомните, что такое вес тела, как его рассчитывают?

2. Ответственному за питание: рассчитайте средний вес рюкзака, обусловленный продуктами, на каждого члена группы.

3. Ответственному за снаряжение: вычислите средний вес общественного и личного снаряжения на одного человека.

4. Командиру: оцените средний стартовый вес рюкзака.

5. Каждому члену группы: а) определите (с помощью бытового динамометра) стартовый вес своего рюкзака; б) проверьте опытным путем правильность положения центра тяжести этого рюкзака; в) дайте рекомендации, как практически определить центр тяжести человека; г) предложите свою оптимальную конструкцию рюкзака.

Рассказ второй: "Походный дом"

Туризм - прекрасный активный отдых, и основная его прелесть в том, что можно остановиться и поставить свой походный домик, где хочется, где красиво и где нравится: у реки или в лесу на опушке, около водопада или на горной террасе, возле огромного озера, где отражаются снежные вершины, или у маленького родника. Поставить и наслаждаться покоем, тишиной, дивным видом.

Все это возможно потому, что твой походный дом - палатка - всегда с тобой, за плечами в рюкзаке. Он легко складывается и сворачивается, так как изготовлен из ткани: либо брезента (грубого льняного или хлопчатобумажного материала), либо из капрона (одного из самых легких и прочных материалов).

Всегда похоже на фантастику появление за короткий промежуток времени на пустой поляне маленького палаточного городка и также фантастично его быстрое бесследное исчезновение.

Палатка дает туристу ночлег, защищает от дождя, снега, мошкары, холода; она - его дом на всем маршруте и призвана создать немного уюта.

Рис.4.

Однако плохо поставленная палатка не будет надежной защитой туристам и даже при небольших капризах погоды накажет нерадивых и неопытных.

Для установки палатки необходимы стояки и колышки, которые туристы носят с собой.

Как установить палатку? Сразу возникает еще множество вопросов: как вбивать колышки, чтобы они не оказались тут же выдернутыми из земли? Какую выбрать длину веревочек-оттяжек? Под каким углом и куда их тянуть? Как сделать палатку непромокаемой и ветроустойчивой? На все эти вопросы помогает ответить физика.

Начнем с колышков. Они предназначены для крепления веревок-оттяжек, удерживающих палатку, к земле. Один конец колышка заострен, а другой оканчивается крючком, который не дает веревке соскользнуть. На рис. 4 показано крепление палатки с помощью стояков, веревок-оттяжек и колышков А, С и др.

Любой колышек, удерживающий оттяжку, желательно расположить перпендикулярно веревке. Возьмем, к примеру, колышек А. Со стороны оттяжки на него действует сила упругости F (рис. 5). Разложим ее на две составляющие: одну, действующую вдоль колышка, F1, другую F2, перпендикулярную ему. Сила F1 "стремится" выдернуть колышек из земли, а F2 сдвинуть его в сторону палатки.

Рис.5.

Посмотрите на рис. 6, где изображены различные положения колышка. В случае а) колышек поставлен параллельно веревке и угол между ним и силой F равен 0; вероятность того, что колышек вылетит из земли, велика. При увеличении угла а между силой F и колышком составляющая F1 уменьшается по сравнению со случаем а), и в положении д), когда колышек перпендикулярен веревке, становится равной 0, в силу чего это положение колышка обеспечит наиболее прочное крепление оттяжки (сила F1, выдергивающая колышек из земли, равна 0).

Рис 6.

Рассмотрим, что же компенсирует действие силы р в положении д. Дело в том, что, когда колышек вогнали в землю (рис. 7, положение 1), а затем отпустили, он немного смещается под действием силы Р и, совершая поворот относительно точки О, принимает положение 2, колышек поворачивается по часовой стрелке. При этом грунт уплотняется; это сжатие грунта создает силу реакции опоры К, которая стремится повернуть колышек против часовой стрелки. Если колышек остановился и находится в покое, значит, момент, вращающий его по часовой стрелке (силы F), стал равен моменту, вращающему его против часовой стрелки (силы N).

Колышек должен войти в землю максимально глубоко. Если он вбит слегка (рис. 8, а), плечо l1, силы N мало и сама сила невелика; в результате ее вращающий момент тоже будет мал и не сможет скомпенсировать вращающий момент силы F(М=Fl).

Если же колышек забит глубоко, плечо , силы l1, силы N будет значительным, да и сама сила N возрастет; в итоге момент силы N может скомпенсировать (уравновесить) момент силы F (рис. 8, б).

Веревку-оттяжку надо укреплять на колышке максимально близко к земле, чтобы уменьшить плечо I1, силы F и, соответственно, ее вращающий момент. О том, как будет меняться плечо силы в случае "высокой" и "низкой" привязки веревки, поясняет рис. 9.

При короткой оттяжке слой грунта, соответствующий глубине погружения колышка h1, может быть недостаточен, чтобы "создать" нужную силу реакции опоры N. Поэтому оттяжку лучше делать длинной. Если вследствие объективных причин невозможно применить веревку нужной длины (не позволяет рельеф местности или ограничено бивуачное место), следует заменить колышек на более длинный.

Обувь в походе, туристском путешествии или во время прогулки в природу - одно из важнейших звеньев цепочки, которая обеспечивает ваш комфорт. Хорошая и удобная обувь, кроме всего прочего, - еще и гарантия вашей безопасности. Походные ботинки должны иметь широкую профилированную резиновую подошву, быть достаточно свободными, чтобы можно было вложить внутрь войлочную стельку и надеть на ногу шерстяной носок. А почему предъявляются такие требования к ботинкам - объясняет физика.

Вначале рассмотрим вопрос о ширине подошвы. Как известно, равновесие бывает устойчивым, неустойчивым и безразличным. Тело, имеющее площадь опоры, будет находиться в состоянии устойчивого равновесия, если отвесная линия, проведенная через его центр тяжести, проходит через площадь опоры (рис. 17,а, б). Равновесие будет неустойчивым, если эта линия пройдет рис. 17. через край площади опоры (рис.17, в, г). При отклонении тел на угол а они либо возвращаются в первоначальное положение, либо опрокидываются. Очевидно, что предельный угол о:п при котором тело еще может вернуться в исходное состояние, тем больше, чем ниже находится центр тяжести при данной площади опоры; чем больше угол а„ тем больше устойчивость тела. Увеличить же этот угол можно двумя способами: либо снизить положение центра тяжести, либо увеличить площадь опоры.

Широкая подошва ботинка увеличивает площадь опоры человека (рис. 18, а) и, следовательно, его устойчивость. Расставив ноги пошире (рис. 18, б), вы тоже можете увеличить свою площадь опоры. Если же стоите на одной ноге (рис. 18, в), уменьшаете эту площадь.

Обсудим вопрос второй: о качествах подошвы. Не менее важно и то, чтобы ваш ботинок имел резиновую и профилированную подошву. Ведь, чтобы ходьба была безопасной, ноги не должны скользить. Ходьба вообще возможна только благодаря III закону Ньютона и действию силы трения, в частности, трения покоя.

Рис.18.

Мы ставим ноги на землю и отталкиваем ее назад с силой Р ; возникающая между подошвой и землей сила трения действует на пешехода вперед, сообщая ему ускорение (рис.19). Эта сила - сила трения покоя р^,^, так как нога не проскальзывает относительно земли. Известно, что эта сила зависит от коэффициента трения, который различен для разных материалов.

Если мы заглянем в таблицу справочника по физике, то увидим, что коэффициент трения резины, например, о камень равен 0,75, что значительно выше, чем у других материалов. Поэтому у ботинок подошва должна быть резиновая. Кстати, по той же причине скалолазы часто для передвижения надевают резиновые галоши, а туристы, не имеющие специальной обуви, предпочитают передвигаться по камням в резиновых сапогах. Это, конечно, не так удобно, но зато более надежно.

Рельефная обработка поверхности подошвы делает ее более шероховатой, а это увеличивает трение. Поэтому подошва туристских ботинок имеет глубокий протектор.

Рис.19.

А теперь попробуем разобраться, почему ботинки не должны быть тесными, зачем нужны войлочные стельки и шерстяные носки. Это можно объяснить с помощью таких физических понятий, как упругость, теплопроводность. Во время ходьбы по негладкой дороге (когда под ногами камни, шишки, ветки) "препятствия" П (рис. 20) вызывают деформацию прежде всего подошвы ботинка 1, потом стельки 2, носка 3, а затем и ноги 4, причиняя последней неприятные ощущения, а иногда и боль. Но чем стопа "дальше" от мешающего предмета, тем ее прогиб на нем меньше; "прослойка" из хорошо деформирующихся материалов (войлок, иногда многослойная резина) уменьшает деформацию ноги.

Рис.20.

Теплопроводность - это способность переносить внутреннюю энергию от более нагретых тел или участков тела к менее нагретым в результате движения и взаимодействия молекул. Воздух (газ) имеет малую теплопроводность, так как расстояния между его молекулами велики. Поэтому материалы, содержащие в порах и между волокнами много воздуха, тоже плохо проводят тепло. К таким материалам и относятся войлок и шерсть. Получается, что шерстяные носки и войлочные стельки, хотя сами не греют, зато хорошо "удерживают" тепло человеческого тела, а слой воздуха в просторном ботинке создает дополнительную теплоизоляцию. Кроме того, сохраняется в ступне и нормальное кровообращение. Мокрые или влажные носки и стельки свои теплоизоляционные свойства в значительной мере утрачивают (они уменьшаются в 3-4 раза), так как их поры заполняются водой, а вода (более плотная по сравнению с газом среда) имеет гораздо большую теплопроводность. Поэтому опытный турист всегда имеет в запасе чистые сухие шерстяные носки и стельки.

Вопросы и практические задания к рассказу "Твои туристские ботинки"

1. Почему туристский ботинок имеет рант?

2. В чем заключается основной уход за обувью на маршруте? Как его объяснить с точки зрения физики?

3. Какую стельку - резиновую или войлочную - целесообразно положить в ботинки при подготовке к походу: а) по равнинной местности в холодный период межсезонья; б) в горном районе летом?

4. Предложите ваш вариант поверхности подошвы обуви для ходьбы по льду.

Рассказ четвертый: "Твоя походная кружка"

В походе каждая мелочь главная. Например, кружка. Как обойтись без нее туристу? Но какую кружку взять с собой в поход?

Конечно, прочную и легкую. Всем известно, что такой материал, как стекло, хрупкий, а металлы более прочные. Видимо, кружка нужна металлическая. А из какого металла? Чтобы ответить на этот вопрос, заглянем в таблицу плотностей: у стали, железа р = 7,8 г/см³; у алюминия р = 2,7 г/см³. Из этих цифр следует, что алюминиевая кружка будет легче. Однако теплопроводность у алюминия во много раз больше, чем у железа (у алюминия при 100°С она равна 207 Вт / м-К, у железа при той же температуре 67,5 Вт/м-К). Поэтому алюминиевую кружку с горячим чаем (кипятком) невозможно будет держать в руках, так как тепло от чая практически сразу перейдет к рукам и обожжет их. Если алюминиевую кружку поставить на землю, чай очень быстро остынет, отдавая земле свое тепло.

Алюминиевую кружку можно немного приспособить к походным условиям, обернув ее ручку теплоизоляционным материалом, например кусочком войлока, или обмотав тонкой веревкой (рис. 21).

Однако губы от ожога при питье горячего чая уберечь трудно. Требованиям легкости, прочности и низкой теплопроводности почти удовлетворяют пластмассовые кружки. Однако пластмасса, будучи аморфным веществом, сохраняет свои нужные свойства в узком диапазоне температур; при высокой температуре (100°С) обычная пластмасса размягчается и теряет свою форму, при резком контрасте температур (а это произойдет, если поставить кружку с кипятком, например, на снежный наст) дает трещины и кружка начинает течь. Это явление - следствие плохой теплопроводности пластмассы: внешние слои стенок при низкой температуре резко сжимаются, а внутренние, находящиеся при высокой температуре горячего чая, остаются еще в расширенном состоянии. Это приводит к возникновению напряжений в материале, и он разрушается. Так что хороша пластмассовая кружка, да не очень!

Поэтому выбирайте себе кружку для похода сами, учитывая физические свойства материала и свои пожелания.

1. А может, будет удобна в походе кружка фарфоровая? Ваше мнение?

2. Чем еще можно обернуть ручку металлической кружки, чтобы она не обжигала рук?

3. А как усовершенствовать алюминиевую кружку, чтобы она не обжигала губ?

4. Как сделать небьющуюся кружку-термос?

При ходьбе человек все время машинально переносит центр тяжести тела таким образом, чтобы линия действия силы тяжести проходила через площадь опоры ноги (рис. 40, а). Попробуйте постоять на одной ноге, следя за сокращением мышц. Заметите, что равновесие ваше весьма неустойчиво: вертикаль силы тяжести часто проходит через край площади опоры (рис. 40, б). Для того чтобы не упасть, вам все время придется переносить вес тела на различные участки стопы. Если вы оступились или под ноги что-то попало, например какой-то камушек А (рис. 40, б), и линия действия силы тяжести вышла за пределы площади опоры, равновесие исчезает, и момент силы тяжести М=/⁷,^/, будет поворачивать вас, удаляя от положения равновесия, до тех пор, пока вы не упадете.

Именно поэтому даже легкая палочка в руке, увеличивающая площадь опоры (рис. 22), делает ваше положение при ходьбе более устойчивым. Это необходимо помнить, особенно путешествуя по местности со сложным рельефом или по грязным весенним, осенним дорогам.

При движении по склонам для обеспечения устойчивого равновесия надо ставить ботинок на всю подошву, стараясь при этом сохранить горизонтальное положение ступни и вертикальное - тела (рис. 23).

В этой ситуации важны два момента: если 1) линия действия силы тяжести проходит через площадь опоры, то равновесие будет устойчивым;

2) сила реакции опоры N уравновешивает силу тяжести тд, вращающий момент не возникает. Альпеншток (палка с острым наконечником) тоже может помочь вам сохранить равновесие на склоне (рис. 24), увеличив площадь опоры вашего тела.

При путешествии по горной местности, когда приходится подниматься по склонам средней крутизны, оказывается, что легче преодолеть гору, если двигаться не прямо вверх, а вдоль склона серпантином (рис.25).

Недаром все горные дороги и тропы петляют и "взбираются" вверх постепенно. И мы не задумываемся, что используем при этом простой механизм - наклонную плоскость (создаваемую в природе) и закон сохранения энергии в виде "золотого правила механики".

Рассмотрим более подробно движение по серпантину. Каждый отрезок а, б, в и т.д. серпантинной дороги - это и есть наклонные плоскости. Предположим, что сила трения отсутствует, движение равномерное и центр тяжести пешехода перемещается параллельно склону. При подъеме на гору высотой Н турист совершает работу, поднимая себя вверх, вопреки действию силы тяжести.

Если он взбирается на эту высоту равномерно по отвесной стене (рис. 26, а), то прикладывает для этого мускульную силу ?1 своих мышц, равную по величине силе тяжести: Г, - Ер = тд; совершенная им работа равна а,=р]н.

При движении же вверх (тоже равномерном) по наклонной плоскости (рис. 26, б) турист должен приложить силу Р^ , направленную вдоль склона и равную по величине проекции силы тяжести на наклонную плоскость, т. е. Ру=тд8та., в этом случае совершенная им работа А^=Р^1, или А^=тд1з'та.

Из этой формулы, а также формулы для Р^ видно: чем меньше угол а, тем меньшую силу приходится прикладывать. Следовательно, при равномерном движении по горизонтальной плоскости не надо прикладывать дополнительных усилий, чтобы совершить работу против силы тяжести.

Рис.26.

Итак, чем более пологий путь серпантином проложит себе турист по склону к вершине горы, тем легче будет его подъем (больше выигрыш в силе). Однако какими бы путями он ни пришел к вершине, работа будет совершена одна и та же (это проявление закона сохранения энергии):

А,=Аг> т.е. Р]}1=Р^1. Отсюда Р,/Р^=1/Н. Это значит: во сколько раз турист выиграл в силе (облегчил усилия по подъему), во столько же раз проиграл в расстоянии (путь его стал длиннее).

Отметим, что мы рассматривали упрощенный вариант движения, исключив силы сопротивления и перемещение центра тяжести. На самом деле при ходьбе даже по горизонтальной плоскости центр тяжести человека не остается на одной и той же высоте, а при каждом шаге поднимается, а затем опускается. Когда происходит подъем, человек совершает работу. Правильная походка (без "подпрыгивании") уменьшает эту работу и поэтому меньше утомляет.

1. Считая, что при каждом шаге центр тяжести человека поднимается на 5 см, найдите совершаемую для этого работу

а) при одном шаге;

б) при горизонтальном равномерном перемещении на 1 км (1 м - одна пара шагов). Сопротивление среды не учитывать.

2. Определите работу, которую совершит турист при подъеме в гору высотой 200 м.

3. Какой выигрыш в силе вы получите, поднимаясь по склону на высоту 40 м серпантином, имеющим 4 отрезка по 20 м каждый, по сравнению с подъемом на эту высоту по отвесному направлению? Какой угол наклона к горизонту имеет в этом случае пологая тропа?

Для спуска с крутого склона часто используют способ, показанный на рис. 27; он называется спортивным. Веревка располагается вдоль склона. Ее пропускают за спиной и обматывают одним витком вокруг рук. Турист должен быть обязательно в штормовке и рукавицах. Охват с перегибом веревки и перемещение веревки по штормовке обеспечивают значительную силу трения, которая препятствует быстрому спуску туриста вниз.

Физика процесса такова. На туриста действуют (рис. 28) сила тяжести Р, составляющая которой F_ск, направленная вдоль склона, стремится переместить человека вниз. Со стороны веревки АВ на. него действуют сила натяжения Т и сила трения Т₁ веревки о штормовку, направленные вверх по склону; есть еще сила трения Т₂ ботинок о почву, тоже направленная по склону вверх. При равномерном спуске выполняется условие

| F_ск| = | Т+Т₁+Т₂|

Таким образом, сила упругости, возникающая в веревке, - одна из главных, обеспечивающих туристу безопасный спуск: ведь она порождает силу натяжения Т.