Космос у тебя дома

DjVu

      От автора
      Мы живем в эпоху освоения космического пространства. Первым человеком в мире, проложившим путь в космос, был Юрий Алексеевич Гагарин. Его полет на космическом корабле «Восток» 12 апреля 1961 года вошел в историю человечества как выдающееся событие.
      Но еще до полета Гагарина весь мир восхищался первым искусственным спутником Земли, запущенным в Советском Союзе. А сейчас многочисленные спутники летают вокруг Земли, межпланетные автоматические станции посещают не только Луну, но и Марс и Венеру. И разве не поразительны достижения наших межпланетных автоматических станций «Венера-9» и «Венера-10», которые сообщили много новых сведений с поверхности загадочной планеты и передали на Землю ее панорамные фотографии!
      А какую большую научную работу выполняют наши летчики-космонавты во время полетов на космических кораблях и долговременных орбитальных станциях!
      Но завоевание космического пространства только начинается. Предстоит еще большая работа. И тот, кто захочет посвятить себя завоеванию космоса, должен уже теперь к этому готовиться.
      Наши летчики-космонавты, конструкторы ракет, ученые, которые сейчас занимаются освоением космического пространства, образованные и высококультурные люди. Чтобы стать такими, как они, нужно много учиться, уметь проводить исследования и ставить эксперименты. «Космос у тебя дома» поможет вам самостоятельно проводить опыты. Конечно, в этой книге (идею подсказал автору писатель В. Д. Пекелис) речь пойдет не о настоящем космосе. В ней рассказывается об опытах, связанных с явлениями, которые имеют отношение к космосу. Их вы можете поставить и дома и в школьном техническом кружке. Приведенные здесь опыты основаны на физических законах, которые вы изучаете в школе: вы найдете опыты с атмосферным давлением и вакуумом, с тепловыми явлениями, с инерцией и невесомостью; встретите очень простые опыты из области спектрального анализа; познакомитесь с принципами управления на расстоянии моделями планетоходов, с возвращением на Землю на парашюте «спускаемого аппарата» или его мягкой посадкой без парашюта. Даже сможете осуществить «космический маневр» — стыковку в воздухе двух коробчатых змеев.
      Предлагаемая книга поможет вам проверить свои знания на практике и сделать первые шаги в изобретательстве. К простым моделям, которые рекомендуется построить, чертежи не даются. Автор хотел, чтобы вы сами проявили инициативу и использовали те материалы, которые у вас есть. Чтобы собрать нужные для опытов и будущих самоделок материалы, заведите дома ящик с коробочками или перегородками, в котором можно хранить подходящие детали и заготовки: болтики, винты, гайки, шайбы, разных размеров трубки, проволоку, катушки из-под ниток и кинопленки, шарики от подшипников, детали от игрушек...
      Условимся и о культуре в работе. Соблюдайте аккуратность: не разбрасывайте инструменты, убирайте после работы мусор. Никогда не пользуйтесь предметами домашнего обихода, если они могут быть испорчены. Когда вам что-либо понадобится для очередного опыта, спросите разрешение у хозяина нужной вам вещи.
      Возможно, что во время работы у вас возникнут затруднения — не стесняйтесь обращаться за помощью и советом к учителям, родителям, знакомым. Столярные, слесарные и многие другие навыки вы приобретете в процессе работы, и тогда сами сможете поделиться своим опытом с товарищами.
      Желаю вам успеха, друзья!
     
      ОПЫТЫ С АТМОСФЕРОЙ И ПУСТОТОЙ
      Два непримиримых врага
      Когда мы говорим о космосе, нам представляется холодное безвоздушное пространство, которое начинается за пределами земной атмосферы. Мертвое пространство. Раз нет воздуха, нет и жизни.
      На Земле в природных условиях пустота не существует. Земная природа не терпит пустоты. Малейшее разрежение в атмосфере мгновенно заполняется окружающим воздухом. А если дело происходит под землей, например, сдвигаются колоссальные пласты земли во время вулканической деятельности и образуются пустоты — огромные пещеры, то они немедленно заполняются водой или нефтью, либо газом или воздухом, а иногда — расплавленной лавой.
      И в мировом космическом пространстве нет идеальной пустоты, идеального вакуума. Там содержится и очень разреженный газ, и очень мелкие частички космической пыли, но в слишком ничтожном количестве.
      Люди не сразу поняли, что воздух имеет вес. Долго его считали невесомым. На поверхности Земли вес воздуха довольно значителен. Воздух давит на все с силой примерно одного килограмма на один квадратный сантиметр. Это давление называется атмосферным. Мы с вами его легко переносим, даже не замечаем, потому что давление, которое существует внутри Пас, уравновешивает давление наружное. В естественных условиях вакуум не встретишь. А за пределами Земли, за пределами ее атмосферы, в космосе вакуум могуч и коварен. От него приходится тщательно оберегать крошечную атмосферу космического корабля, делая корабль герме-
      тичным. Все люки его должны плотно закрываться. Малейшая щель, малейшая оплошность — и весь воздух из корабля может улетучиться в ненасытное космическое пространство.
      Для выхода из корабля в открытый космос космонавт надевает, как вы знаете, скафандр и обеспечивает себя воздухом для дыхания. Сначала космонавт через люк входит в шлюзовой отсек. Люк тщательно закрывается. Открывается второй, наружный люк, при этом небольшое количество воздуха, которое было в отсеке, стремительно вылетает в мировое пространство. Космонавт выходит наружу,
      И вот возникает вопрос: как же удерживается воздух вокруг Земли, почему он не рассеялся в необъятных просторах космоса?
      Здесь надо сказать спасибо земному притяжению. Земное притяжение крепко держит на Земле не только нас с вами и все, что на ней находится, но и воздух. Чем ближе к поверхности Земли, тем плотнее ее атмосфера. А на высоте ста километров она очень разреженная, и эту высоту считают границей, за которой и начинается космос.
      У планет меньших, чем Земля, сила притяжения слабее, и поэтому на них атмосфера либо совсем отсутствует, либо сильно разреженная.
      Несмотря на «вредность» вакуума, он оказывается иногда очень полезным и нужным. Есть такие отрасли промышленности, где без вакуума не обойтись, и его приходится создавать искусственно. Правда, полного вакуума достичь не удается, даже не удается достичь космического вакуума, но все же воздушные насосы способны выкачивать воздух с очень высокой степенью разрежения, вполне достаточной для различных технических целей. А цели разные. Применяется вакуум и в металлургии для получения высоких сортов металла, и в литейном деле, и во многих других отраслях промышленности. Электронные лампы и телевизионные трубки не могли бы работать, если бы из них не удалили воздух.
      Да и космический вакуум приносит пользу. Космические корабли летят в безвоздушном пространстве свободно, не испытывая никакого сопротивления. И астрономы всей Земли мечтают об обсерваториях, построенных за пределами земной атмосферы, где воздух не
      будет мешать наблюдениям небесных тел. Уже и сейчас некоторые астрономические наблюдения успешно производятся с космических орбитальных станций.
     
      Вакуум дома
      Дома у вас наверняка есть приборы, в которых заперт, «законсервирован», вакуум.
      В ламповом приемнике и телевизоре находится много электронных ламп, из которых выкачан воздух Электроны, вылетая с раскаленного катода лампы, должны попасть на анод, не встретив на своем пути никаких препятствий. А это возможно только при очень большом разрежении воздуха. То же самое происходит и в телевизионной трубке. Электроны должны попасть на экран трубки и нарисовать на нем то изображение, которое мы и видим во время телевизионной передачи. Для этого электроны должны лететь внутри трубки, не испытывая никаких помех. И сделана телевизионная трубка со стороны экрана выпуклой неспроста. Выпуклая поверхность легче выдерживает давление атмосферы, а оно довольно велико. Если рабочая поверхность трубки имеет 730 квадратных сантиметров, то воздух на стекло давит с силой около 730 килограмм. Это почти три четверти тонны, выпуклая поверхность способна выдержать такую нагрузку.
      Своды арок делают дугообразные, потому что строительные материалы легче выдерживают сжатие, чем растяжение.
      Да и не только строительные
      материалы. Возьмем куриное яйцо. Курица, высиживая яйца, никогда не раздавит их, а слабенький цыпленок легко разбивает яйцо изнутри, когда приходит время выбираться наружу. Вы можете убедиться, что разбить скорлупу яйца изнутри гораздо легче, чем снаружи. Для этого постучите по скорлупе не очень остро заточенным карандашом сначала снаружи, а потом изнутри.
      Дома у вас может оказаться еще один прибор, основанный на применении вакуума, — термос.
      В научных лабораториях широко применяют сосуды Дьюара для хранения жидкого воздуха или других жидких газов. Жидкие газы и воздух имеют очень низкую температуру, и без такого специального сосуда они моментально испарились бы, превратились снова в газ.
      Сосуды Дьюара имеют двойные стенки, посеребренные изнутри. Между стенками удален воздух. Благодаря безвоздушному пространству теплота от внутренней стенки к наружной или от наружной к внутренней не передается. Посеребрены стенки тоже не зря: тепловые лучи, отражаясь, не нагревают стекла. Такие сосуды сохраняют холодное от нагревания, а горячее от охлаждения. Поэтому в термосе, который и есть не что иное, как сосуд Дьюара, можно довольно долго хранить горячий чай, кофе.
      В Гидрометцентре СССР можно встретить ртутные барометры для измерения атмосферного давления. Но выпускаются барометры и металлические. Называются они анероидами. Они устроены очень просто: металлическая коробочка с пружинящей волнистой крышкой, из коробочки удален воздух, несложный механизм соединяет крышку со стрелкой. Шкала градуирована в миллиметрах ртутного столба. Все колебания атмосферного давления, связанные с изменениями погоды, передаются на крышку.
      Она или вдавливается, или, стараясь выпрямиться, отходит в прежнее положение, а стрелка показывает, какое атмосферное давление сейчас, при данной погоде.
      Барометра у вас дома может и не быть, но термометр уж есть наверняка. В термометре в тоненьком канальце, в котором поднимается или опускается ртуть или подкрашенный спирт, воздух отсутствует. Иначе бы он мешал движению жидкости, заполняющей баллончик прибора.
      Когда становится тепло и шарик термометра нагревается, ртуть или спирт расширяются, и столбик жидкости поднимается. При охлаждении он опускается.
      Сейчас для уборки помещений большое распространение получил пылесос. Его мощный вентилятор создает сильное разрежение и высасывает воздух вместе с пылью из всего, где она находится.
     
      Оборудование для опытов
      Прежде чем приступить к опытам, в которых объектом наших исследований будет атмосферное давление и вакуум (правда, настоящего вакуума мы с вами в домашних условиях никогда не достигнем, поэтому более скромно будем говорить о разреженном пространстве), мы должны обзавестись кое-какими приборами и оборудованием.
      Для опытов нам понадобятся: тонкостенный стакан, стеклянная пластинка (например, ненужный негатив размером 9x12 или просто кусочек стекла, чтобы накрыть стакан), несколько стеклянных банок разных размеров, маленький пузырек, две резиновые трубки — одна потолще, другая тоненькая, оболочка от воздушного шарика и воздушный насос. Насос придется сделать.
      В дальнейшем вы сами увидите, что еще необходимо для опытов. Например, полиэтиленовая крышка, нитки, пластилин, пробки, пустой стержень от шариковой ручки и тому подобное.
      Все перечисленное вы легко найдете, а вот с изготовлением насоса дело обстоит сложнее. Чтобы сделать хороший насос, надо приложить много старания. Зато с хорошим насосом можно будет проделать много интересных опытов.
      Патрубок Резиновый Ограничительное Резиновый
      Итак, начнем с изготовления насоса. Принцип работы насоса очень простой. Воздушный насос изобрел в XVII столетии магдебургский бургомистр Отто Герике. Он доказал на эффектном опыте могущество атмосферного давления. Составленный из двух медных половинок шар диаметром 37 сантиметров не могли разъединить несколько лошадей, после того как из этого шара был выкачан воздух. А когда все-таки полушария разъединились, раздался звук, похожий на выстрел.
      Воздушный насос, который мы с вами будем делать, изображен на рисунке. Он должен иметь два клапана, которые, поочередно открываясь и закрываясь, помогают, когда мы действуем поршнем, удалять воздух из резервуара, к которому присоединен насос.
      Размеры насоса будут зависеть от того, какие материалы вы для него достанете.
      Прежде всего надо найти латунную, медную или стальную трубку диаметром приблизительно 3 — 5 сантиметров, длиной не больше 0,5 метра. Внутренние стенки трубки должны быть совершенно гладкие. В один конец трубки мы вставим поршень, а у другого конца нужно сделать заглушку со вставленным в нее небольшим патрубком, на который будет надеваться резиновая трубка — шланг. Заглушку, до того как вы ее укрепите на месте, нужно снабдить с внутренней стороны клапаном. Для этого вырежьте по размеру заглушки резиновый кружок с маленьким отверстием в центре. Приклейте к нему резиновым клеем лепесток, вырезанный из тонкой резины (например, от старой камеры велосипеда или волейбольного мяча). Если заглушка будет навинчиваться на конец трубки на резьбе, то все решается очень просто. Резиновый кружочек приставляется к концу трубки и прижимается колпачком заглушки. В другом случае можно сделать деревянную пробку, приклеить к ней изнутри резиновый кружок с клапаном и плотно вставить в трубку насоса. Лепесток клапана нужно приклеить к резиновому кружку в двух местах по концам его диаметра. Когда воздух давит на лепесток сверху, лепесток прижимается к отверстию, плотно его закрывая. Когда воздух идет из самого отверстия, он проходит через щели между лепестком и резиновым кружком, к которому лепесток в двух местах приклеен.
      Поршень нужно сделать так: вырежьте из толстой
      подошвы старого ненужного ботинка несколько кружков такого же диаметра, как внутренний диаметр трубки, сложите их стопочкой, чтобы получился цилиндрик высотой 2 — 2,5 сантиметра. В середине этого цилиндрика пробейте сквозное отверстие и в него вставьте стержень или трубку длиной на 10 — 15 сантиметров больше, чем трубка насоса. Хорошо бы на конце стержня или тонкой трубки нарезать резьбу и зажать изготовленный поршень, надетый на стержень между двумя шайбами, гайкой. Если такой возможности нет, то придется зажать поршень между двумя шайбочками, закрепив их либо шпильками, вставленными в просверленные в стержне отверстия, либо припаяв шайбочки к стержню.
      Сбоку стержня, параллельно ему, в поршне просверлите отверстие диаметром в несколько миллиметров и вставьте в него тонкую медную трубочку такой же длины, как и сам поршень. Чтобы трубочка не выпадала, ее концы надо немного развальцевать, расширить гвоздем. Сверху поршня со стороны стержня, на котором он укреплен, приклейте такой же резиновый кружок, какой вы наклеили на деревянную пробку, вставленную в конец толстой трубки. В резиновом кружке нужно сделать небольшое отверстие, и при наклеивании кружка на поршень это отверстие должно совпадать с отверстием медной трубочки. Приклейте резиновым клеем около отверстия лепесток, вырезанный из тонкой резины, так, чтобы один край его мог отгибаться, приоткрывая отверстие. Это мы с вами снабдили наш насос вторым клапаном. Если все сделано аккуратно, то когда клапаны закрыты, через них воздух проходить не должен. А открываться они будут сами, когда струя воздуха давит на лепесток клапана с обратной стороны.
      Теперь нужно с помощью напильника и наждачной бумаги подогнать поршень под диаметр трубки, чтобы он плотно в нее входил; затем вставьте поршень в трубку, приделайте к наружному концу стержня ручку. Приделайте к трубке корпуса насоса ограничитель, чтобы он не давал возможности поршню выскочить из корпуса, наденьте плотно на патрубок резиновую трубку-шланг, и можно считать, что насос готов. При выдвижении поршня палец, приставленный к шлангу насоса, будет присасываться, а при вдвигании поршня в корпус насос должен не нагнетать и не выкачивать воздух.
     
      Фонтан в банке
      Теперь приступим к опытам, для которых понадобится изготовленный вами насос.
      Возьмите маленький стеклянный пузырек, наполните его подкрашенной акварелью водой и плотно закупорьте пробкой. Предварительно вставьте в пробку пустой стержень от шариковой ручки, вынув из него плоскогубцами втулку, в которой находится шарик.
      Рядом в пробке проделайте отверстие и вставьте в него тонкую длинную резиновую трубку (например, трубку для велосипедных ниппелей).
      Стержень от шариковой ручки должен доходить до самого дна пузырька. А резиновая трубка должна доходить только до поверхности воды. Наружный короткий конец стержня оплавьте на спичке и кончик проколите иголкой, чтобы получилось очень маленькое отверстие. Поставьте пузырек на дно трехлитровой стеклянной банки. Плотно закройте банку полиэтиленовой крышкой, пропустив наружу через маленькое отверстие в ней длинный конец тонкой резиновой трубки. В центре крышки сделайте еще одно отверстие и в него вставьте более толстую резиновую трубку. Места на крышке, где выходят две трубки, залепите пластилином. Прибор готов. Присоедините к толстой трубке в крышке банки шланг воздушного насоса и начните качать.
      В банке создается разрежение воздуха, наружная атмосфера через тонкую резиновую трубку давит на воду, и из стержня начинает бить тонкая цветная струйка фонтана.
     
      Пустота надувает шарик
      А сейчас будем надувать воздушный шарик несколько необычным способом. Мы не будем с силой вдувать в его резиновую оболочку воздух, как это делается обычно, когда хотят надуть шарик. Поступим иначе. Мы удалим воздух вокруг него, а наружный, атмосферный воздух сам войдет в его оболочку и раздует ее.
      Возьмите ту же банку, которой вы пользовались в предыдущем опыте, ополосните ее и вытрите насухо. Пузырек удалите, а вместо него с помощью нитки присоедините к тоненькой трубке оболочку воздушного шарика. Закройте плотно банку крышкой и вытяните тонкую трубку так, чтобы оболочка висела внутри под самой ее крышкой. Начните быстро работать насосом. По мере удаления воздуха из банки шарик будет раздуваться и быстро заполнит всю внутренность сосуда.
      Как видите, шарик надут, хотя вы до него даже не дотронулись. Кстати, заполнивший внутренность банки шар вам наглядно показывает, что именно такое количество воздуха вы удалили из банки.
      Шарик меняет название
      Когда шарик хорошо раздуется, опустите наружный конец тонкой трубки в поставленную рядом банку с водой и перестаньте выкачивать воздух. Зажмите пальцами толстую резиновую трубку и, отсоединив насос, потихоньку впускайте в банку воздух. Воздух из шарика с бульканьем будет выходить наружу. Когда он почти весь выйдет, присоедините к толстой трубке насос и начните снова выкачивать воздух из банки. Теперь резиновая оболочка шарика начнет наполняться водой.
      Атмосферное давление вгоняет в нее воду, превращая шарик из воздушного в водяной. Попытайтесь наполнить шарик как можно большим количеством воды, и, если его оболочка выдержит, объем налитой воды будет соответствовать объему удаленного воздуха.
      Если вы еще не сделали воздушный насос (он понадобится для многих опытов по физике), а у вас есть велосипедный насос, то для только что описанных опытов можно будет использовать и его после небольшого переоборудования. Для этого надо вынуть поршень, отвинтить гаечку на конце поршневого штока, снять резиновый поршень и, переставив его наоборот, завинтить гайку (см. рисунок). Теперь насос будет не накачивать, а выкачивать воздух. Но действовать им надо очень энергично, чтобы воздух не успевал проникать в разреженное пространство через неплотности поршня.
      Для того чтобы проверить, как работает велосипедный насос в новой роли, создает ли он нужное нам разрежение воздуха, воспользуйтесь небольшим приспособлением.
      Возьмите воронку, сейчас их обычно делают из пластмассы, узкий ее конец присоедините к шлангу насоса, а широкую сторону затяните оболочкой от воздушного шарика. Натянув резиновую пленку, закрепите ее, чтобы она держалась плотно в натянутом состоянии. Начните работать насосом. Если резина втянется в воронку и останется в таком положении, пока вы действуете насосом, значит, все в порядке. Если резиновая пленка то втягивается, то выпрямляется, когда вы вдвигаете поршень, значит, насос где-то пропускает воздух. Это может происходить и через поршень и через места соединения шланга.
      Но если резина раздувается в обе стороны, когда вы работаете насосом, это уже никуда не годится. В этом случае насос и откачивает и нагнетает воздух. Тогда его надо разобрать, увеличить диаметр поршневой резины или кожи, отогнув ее края наружу, и смазать поршень автолом, солидолом или вазелином.
     
      Вакуум-насос из промокашки
      Вам, наверное, хорошо известен опыт, когда наполненный водой стакан накрывается листком обыкновенной бумаги, бумага прижимается ладонью к стакану, стакан переворачивается вверх дном, ладонь отнимается, а вода и не думает выливаться. Когда вам кто-нибудь из взрослых показывал этот опыт, скорее похожий на фокус, то, наверное, объяснял, что атмосферное давление не дает воде вылиться.
      Этот опыт можно усовершенствовать, создав в стакане дополнительное разрежение воздуха. Налейте в тонкостенный стакан до самого края воду, накройте его промокательной бумагой или хорошо впитывающей воду бумажной салфеткой. Сверху положите стеклянную пластинку и аккуратно переверните стакан вверх дном. Как только вода немного впитается в бумагу, снова переверните накрытый стакан и поставьте его на всякий случай в тазик, на дно которого предварительно положите что-нибудь мягкое — тряпочку или губку. Осторожно, без перекоса приподнимите стеклянную пластинку. Стакан поднимется вместе с ней. При впитывании воды в промокашку в стакане образовалось разреженное пространство, а наружное давление с силой прижало пластинку к стакану. Теперь к весу воды прибавился и вес самого стакана. И чтобы оторвать стеклянную пластинку, понадобится некоторое усилие.
      Разрежение — остыванием
      Если в предыдущем опыте разрежение в стакане достигалось за счет удаления воды из герметически закрытого для воздуха стакана, то сейчас мы проделаем опыт, где разрежение происходит за счет охлаждения воздуха.
      Возьмите две глубокие тарелки, в одну налейте холодную воду, в другую — теплую. На поверхность воды в тарелках положите по одной пробке. Пробку, которая плавает на холодной воде, накройте перевернутым стаканом. Воздух в стакане сожмется и вытеснит воду. Вода останется в таком небольшом количестве, что пробка уже не будет плавать, а опустится на дно тарелки. Перед вами маленькая модель водолазного колокола. Настоящий водолазный колокол в виде стального ящика без дна или цилиндра, открытого с одного конца, опускается на дно реки или другого водоема, в котором нужно произвести какие-то работы. Воздух внутри сжимается и не впускает туда воду. В колоколе могут находиться рабочие. Воздух для дыхания подается в колокол под давлением. Более совершенные устройства для подводных работ называются кессонами.
      Возьмите второй стакан, хорошо его прогрейте сначала теплой водой, а затем кипятком и быстро накройте им пробку, которая плавает на теплой воде во второй тарелке (теплая вода здесь нужна для того, чтобы горячий стакан при опускании в воду не лопнул). Сначала пробка опустится вместе с водой, а затем, по мере остывания стакана и, конечно, воздуха внутри него, вода с плавающей на ней пробкой будет подниматься, и при полном охлаждении стакана ее уровень станет выше воды в тарелке.
      Нагретый воздух, охладившись, уменьшился в объеме. В стакане давление понизилось, и наружное атмосферное давление вогнало в стакан воду.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ