|
ОТ АВТОРА
Эти опыты просты, их можно делать и у себя дома, и в школе — в группах продленного дня.
Однако пусть простота опытов вас не разочаровывает. Явления, на которых они основаны, гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Но ведь все сложное начинается с простого — ив природе, и в технике. Например, даже самая сложная машина состоит из простых деталей.
А если кто-то из вас захочет попробовать свои силы и в изготовлении некоторых самодельных приборов, он найдет в конце книги описание того, как их сделать. С такими самодельными приборами тоже можно провести интересные наблюдения.
Эта книжка — не учебник. Здесь не объясняются физические явления и законы, на которых основаны опыты. Все это вы найдете в курсе физики. Здесь же даны только самые необходимые объяснения, которые нужны, чтобы вам было понятно, для чего ставится опыт.
Такие простые опыты принято называть научными развлечениями. Научными потому, что, проделывая их, вы узнаете что-то новое о явлениях природы, задумаетесь, что происходит, заинтересуетесь причиной физических явлений. А развлечениями потому, что в таких опытах, как и в фокусах, есть что-то неожиданное, интересное.
Многие из этих опытов придуманы очень давно, больше ста лет назад, а некоторым даже больше трехсот
лет. Придуманы они известными учеными и часто описывались в книгах и журналах. Но простота, доступность и наглядность делают эти старые опыты интересными и сейчас. Некоторые из них не потеряют значения и в будущем. Им, безусловно, обеспечена вечная жизнь.
Простые опыты — начало вашего самостоятельного знакомства с некоторыми законами физики. Очень возможно, что когда-нибудь вы начнете делать и сложные модели, даже аппараты и машины, о которых так увлекательно рассказывается в журналах «Моделист-конструктор», «Юный техник», «Техника — молодежи», «Наука и жизнь». Но все это — потом. А пока начните с самого простого, доступного каждому из вас.
А теперь несколько советов, которые могут быть полезны тем, кто не ограничится только простыми опытами, но и захочет заняться изготовлением несложных самодельных приборов.
Прежде всего советую завести дома ящик или коробку с перегородками (или с маленькими отдельными коробочками) для хранения всяких полезных для вашей работы материалов. Например, в разных отделениях (или в разных коробочках) удобно хранить болтики разных размеров, гайки, разные трубки, шарики от подшипников и от настольного тенниса, проволоку — словом, все, что сможет вам когда-нибудь пригодиться. А для изготовления приборов придется кое-что и купить.
Попросите дома выделить вам уголок, в котором вы сможете проделывать свои опыты и хранить материал для самоделок, а также изготовленные вами приборы. Это будет ваша первая лаборатория.
Только давайте условимся о культуре в работе. Обязательно нужно поддерживать идеальный порядок на своем рабочем месте: инструменты не разбрасывать, мусор убирать. Если вы не будете соблюдать чистоту и на полу будут стружки и опилки, никому из ваших домашних это не понравится, да и вам самим в беспорядке будет трудно работать: могут потеряться нужные инструменты и даже мелкие детали, которые вы сделали. Особенно аккуратно надо обращаться с такими острыми предметами, как иголки, булавки, кнопки. Брошенная где попало иголка способна причинить большой вред: если незаметно воткнется в руку или ногу, тогда без операции не обойтись...
Очень осторожно надо обращаться и с огнем. Опыты, в которых используется открытый огонь, надо обязательно проводить с кем-нибудь из взрослых, чтобы не допустить никаких неприятных случайностей. А когда вы пользуетесь электрическим паяльником, обязательно кладите его на специальную негорючую подставку и не забывайте выключать после окончания работы.
Как уже говорилось, в последней главе даются описания некоторых несложных самодельных приборов. Их изготовление потребует от вас умения пользоваться пилой, напильником, дрелью, паяльником и другими инструментами. И очень может быть, что у вас вначале что-то не будет получаться, появятся затруднения в изготовлении какой-нибудь детали. Тогда нужно обратиться к старшим членам вашей семьи, или к кому-нибудь из знакомых, или даже к преподавателю в школе. Вам всегда с удовольствием помогут: так же, как это сделаете и вы, если к вам кто-то обратится за помощью, которую вы сможете оказать.
Конечно, было бы очень хорошо обзавестись своими столярными и слесарными инструментами. Они понадобятся не только для изготовления разных моделей и самодельных приборов, но и вообще будут полезны в домашнем хозяйстве. Если вы научитесь хорошо пилить, строгать, сверлить, точить, паять, короче говоря, уверенно владеть разными инструментами, подумайте, какую большую деятельность вы сможете развить: удастся что-нибудь и починить, и наладить, да и вообще сделать немало полезного для дома. Сама работа с разными инструментами всегда очень увлекательна. Очень советую — независимо от того, чем вы занимаетесь в свободное время: музыкой ли, пением, рисованием или коллекционируете что-то, — еще научиться владеть столярными и слесарными инструментами. Это не помешает вашим другим делам, а, наоборот, принесет бодрость и радость, удовлетворение от успешно выполненной работы.
Хотелось бы, чтобы описанные здесь опыты заинтересовали вас, чтобы вы стали внимательнее наблюдать разные природные явления, задумываться над ними. От вашего старания и изобретательности зависит не только успешное выполнение простых опытов, но и их некоторое усовершенствование. Ведь всегда интересно придумать что-то новое, а это будет вполне в ваших силах.
А когда вы освоите то, о чем здесь рассказано, сделайте еще одно полезное дело: заинтересуйте своих младших братьев и сестер, друзей хотя бы самыми легкими опытами, познакомьте и их с некоторыми явлениями физики.
Желаю вам успеха, друзья!
I. ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА
Воздух, окружающий нашу Землю, давит на все предметы, находящиеся на ней (и, конечно, на нас с вами), с такой же силой, какую создает килограммовая гиря на один квадратный сантиметр.
Это очень большое давление: выходит, на один квадратный метр поверхности давит сила, которую создает груз в десять тонн! Но мы этого давления совсем и не замечаем, занимаемся своими делами — учимся, работаем, развлекаемся, — совершенно не думая о колоссальном атмосферном давлении, которое испытываем. Все дело в том, что наружное атмосферное давление уравновешено таким же точно давлением, которое существует и внутри нас (впрочем, и внутри всех живых организмов).
Вот несколько опытов, основанных на давлении воздуха.
ВОДА В ПЕРЕВЕРНУТОМ СТАКАНЕ
Налейте в стакан воду до самого края. Прикройте стакан листком плотной бумаги и, придерживая бумагу ладонью, быстро переверните стакан кверху дном. Теперь уберите ладонь. Вода из стакана не выльется.
Давление атмосферного воздуха на бумажку больше давления воды на нее.
Вот почему бумажка не отпадает.
Но на всякий случай проделывайте все это над тазом, потому что при незначительном перекосе бумажки и при еще недостаточной опытности на первых порах воду можно и разлить.
СТАКАН — «ВОДОЛАЗНЫЙ КОЛОКОЛ»
«Водолазный колокол» — это большой металлический колпак, который открытой стороной опускают на дно водоема для производства каких-либо работ. После опускания его в воду содержащийся в колпаке воздух сжимается и не пускает воду внутрь этого устройства. Только в самом низу остается немного воды. В таком колоколе люди могут двигаться и выполнять порученную им работу. Большого размера камеры, для более сложных работ, называются кессонами. Воздух для дыхания находящихся там людей подается под большим давлением, чтобы в рабочее пространство не проникала вода. Люди постепенно привыкают к повышенному давлению при входе в кессон, а при выходе, тоже постепенно, привыкают к нормальному атмосферному давлению.
Возьмите стакан и тарелку. В тарелку налейте воду и поставьте в нее перевернутый вверх дном стакан. Воздух в стакане сожмется, и дно тарелки под стаканом будет очень немного залито водой. Перед тем как поставить в тарелку стакан, положите на воду пробку. Она покажет, как мало воды осталось на дне.
ОПЫТ С НАГРЕТЫМ СТАКАНОМ
Предыдущий опыт мы проделаем теперь несколько по-другому. Хорошо прогрейте стакан (постепенно, чтобы он не лопнул) кипятком и опустите его, как и в прошлый раз, кверху дном в тарелку, но уже с горячей водой. Чем горячее вода, тем лучше для нашего опыта. Не забудьте положить на воду пробку, которая должна попасть внутрь стакана. На первый взгляд все так же, как и в прошлый раз. Дно тарелки, где стоит стакан, тоже почти без воды. Вся разница в том, что внутренняя поверхность стакана от горячей воды запотела. Оставьте теперь на продолжительное время тарелку с водой и стаканом, пока все это хорошо не остынет. Когда наконец вода и стакан остынут, вы увидите, что вода внутри стакана вместе с пробкой поднялась выше уровня воды в тарелке. Воздух, находящийся в стакане, остыл, сжался, стал занимать меньше места, а наружное атмосферное давление вогнало воду из тарелки внутрь стакана.
Подобный опыт можно проделать на кухне, когда вы моете посуду. Если хорошо ополоснуть стеклянную банку сначала теплой, а затем горячей водой и, перевернув, поставить ее на клеенку, то через некоторое время, когда банка совсем остынет, вы увидите, что она довольно крепко присосалась к клеенке. Нужно при-
дожить некоторое усилие, чтобы оторвать банку от клеенки. Воздух внутри банки остыл, объем его уменьшился, а наружное атмосферное давление прижало мокрую клеенку к банке.
«КАРТЕЗИАНСКИЙ ВОДОЛАЗ»
Этому занимательному опыту около трехсот лет. Его приписывают французскому ученому Рене Декарту (по-латыни его фамилия — Карте-зий). Опыт был так популярен, что на его основе создали игрушку, которую и назвали «Картезианский водолаз». Прибор представлял из себя стеклянный цилиндр, наполненный водой, в которой вертикально плавала фигурка человечка. Фигурка находилась в верхней части сосуда. Когда нажимали на резиновую пленку, закрывавшую верх цилиндра, фигурка медленно опускалась вниз, на дно. Когда переставали нажимать, фигурка поднималась вверх.
Мы с вами проделаем этот опыт попроще. Роль водолаза будет выполнять капельница-пипетка, а сосудом послужит обыкновенная бутылка.
Наполните бутылку водой, оставив два-три миллиметра до края горлышка. Возьмите пипетку, наберите в нее немного воды и опустите в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама снова всплывала. Теперь, приложив большой палец или мягкую часть ладони к горлышку бутылки так, чтобы закрыть его отверстие, нажмите на слой воздуха, который находится над водой. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление пальца или ладони — она снова всплывет.
Дело в том, что мы немного сжали воздух в горлышке бутылки и это давление передалось воде. Вода проникла в пипетку — она стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл. Если в начале опыта «водолаз» вас не слушается, значит, надо отрегулировать начальное количество воды в пипетке.
Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от усиления нажима на воздух в горлышке бутылки вода входит в пипетку, а при ослаблении нажима выходит из нее.
Этот прибор можно усовершенствовать, натянув на горлышко бутылки кусочек велосипедной камеры или пленки от воздушного шарика. Тогда легче будет управлять нашим «водолазом».
ФОНТАН В БУТЫЛКЕ
Возьмите небольшую бутылку или флакон (например, от тройного одеколона), просверлите в пробке отверстие и вставьте в него отработанный длинный стержень от шариковой ручки. Предварительно нужно очистить стержень от остатков пасты, используя для этого проволочку и кусочек ваты, смоченной в одеколоне. Для лучшей герметичности залепите пластилином место на пробке, где вставлена трубка. Стержень должен немного не доходить до середины флакона, а его наружный конец пусть возвышается над пробкой на несколько сантиметров. Отверстие конца стержня, который находится внутри флакона, предварительно надо уменьшить в диаметре. Это можно сделать, вставив в него пробочку из куска спички и проколов ее тонкой иголкой.
Налейте в кастрюльку воду, поставьте в нее флакон (чтобы он не
плавал!) и доведите воду до кипения. Пусть вода покипит несколько минут. Пока вода кипит, приготовьте на столе стакан с водой, подкрашенной красной акварельной краской или крупинкой марганцовки.
На стакан положите кусок картона с отверстием, в которое сможет войти горлышко бутылочки или флакона со стержнем от шариковой ручки.
Теперь надо действовать решительно и быстро: выньте флакон из кипящей воды и, перевернув вверх дном, вставьте его в отверстие приготовленной картонки на стакане, при этом наружный конец стержня опустится в подкрашенную воду. Из кончика стержня во флаконе начнет бить тонкая цветная струйка фонтана. Когда вы кипятили воду, часть горячего воздуха, расширившегося от нагревания, вышла из флакона, в нем образовалось разреженное пространство, а наружное атмосферное давление вогнало в него воду из стакана. При этом струйка холодной воды тоже помогла охладить воздух внутри флакона и уменьшить его объем.
Теперь, когда струя перестала подниматься, посмотрите, сколько воды набралось во флакон. Ровно столько воздуха вышло из него, когда его готовили к опыту — кипятили в кастрюльке.
НАКАЗАННОЕ ЛЮБОПЫТСТВО
ЯИЦО В БУТЫЛКЕ
Этот опыт стоит показывать только тем из ваших друзей или знакомых, кто не обижается на вас ни при каких обстоятельствах. Почему? А вот подумайте сами...
Возьмите жестяную банку, лучше из-под концентрированного сгущенного молока, которое можно вылить, пробив в одном из донышек дв$ отверстия гвоздиком. В том же донышке нужно сделать еще несколько таких же отверстий. А вот с противоположной стороны пробейте гвоздиком едва заметное, маленькое отверстие.
Теперь надо опустить банку в кастрюлю с водой, причем той стороной, в которой несколько отверстий. Выждав некоторое время, прикройте пальцем верхнее отверстие и вытащите банку из воды так, чтобы «сито» было снизу.
Пусть теперь кто-то из ребят посмотрит на банку снизу, под дно. (Крепко держите пальцем верхнюю дырочку...) Загляните под дно и сами. Ничего особенного, банка как банка, только с дырками. Но вот под дно банки заглянул кто-то из ваших лучших друзей, лучше всего тот, кто любит всевозможные проказы... Скорей отпускайте палец, закрывающий верхнее отверстие!
Это очень известный опыт, который и до сих пор производит сильное впечатление — особенно на тех, кто плохо разобрался в физике...
Сварите яйцо вкрутую. Возьмите пустую бутылку из-под кефира. Очистите яйцо от скорлупы. Возьмите лист бумаги, скрутите его трубкой, подожгите и горящую бумагу быстро опустите в бутылку (надо ли говорить, что опыт этот лучше всего делать в присутствии взрослых?).
Подождите, пока бумага прогорит, а затем положите очищенное яйцо на горлышко бутылки. Пройдет немного времени, и — о, чудо! — яйцо протиснется через горлышко внутрь бутылки.
Вы, очевидно, догадались, в чем дело. При горении бумаги воздух внутри бутылки согрелся и, расширившись, вышел наружу. Когда мы заткнули горлышко бутылки яйцом, то воздух внутри бутылки, постепенно остывая, стал сжиматься, его давление стало меньше атмосферного, и яйцо засосало внутрь.
А вот теперь такое задание: удастся ли кому-то из вас вывести яйцо обратно наружу? И если удастся, то не стоит ли показать этот опыт дошколятам, обставив его как эффектный фокус?..
II. СИЛЫ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Мельчайшие частички жидкости — молекулы — притягиваются друг к другу. Те молекулы, которые находятся в глубине, притягиваются своими соседками со всех сторон. А те, которые находятся на поверхности, притягиваются и друг к другу, и к молекулам, которые находятся ниже. Поэтому, чтобы «поверхностные молекулы» оторвать от их нижних соседок, нужно применить некоторую силу.
Поверхность жидкости под действием сил «нижних молекул» испытывает натяжение и стремится сократиться, занять как можно меньше места. На большом количестве жидкости этого заметить нельзя, а вот на маленьких капельках это заметно хорошо — видно, что они круглые. Чем меньше капля, чем она легче, тем она круглее. Почему же жидкость старается принять форму шара, а не цилиндра, или конуса, или еще какой-нибудь другой геометрической фигуры? Потому что поверхность шара из всех геометрических фигур одинакового объема самая маленькая. Вот жидкости и стремятся к тому, чтобы у них была наименьшая поверхность.
Жидкости по-разному относятся к твердым веществам. В одних случаях они охотно соединяются с твердыми веществами, смачивают их и прилипают к ним довольно крепко. В других случаях не хотят иметь с ними никакого дела и даже стараются отодвинуться от них.
Как все это происходит, можно увидеть на следующих опытах.
ПОВЕДЕНИЕ ДВУХ КАПЕЛЬ
Подготовьте для этого опыта стеклянную пластинку. Хорошо ее вымойте мылом и теплой водой. Когда
она высохнет, протрите одну сторону ваткой, смоченной в одеколоне. Ничем ее поверхности не касайтесь, а брать пластинку теперь нужно только за края.
Возьмите кусочек гладкой белой бумаги и накапайте на него стеарин со свечи, чтобы на нем получилась ровная плоская стеариновая пластинка размером с донышко стакана.
Положите рядом стеариновую и стеклянную пластинки. Капните из пипетки на каждую из них по маленькой капле воды. На стеариновой пластинке получится полушарие диаметром примерно 3 миллиметра, а на стеклянной пластинке капля растечется. Теперь возьмите стеклянную пластинку и наклоните ее. Капля уже и так растеклась, а теперь она потечет дальше. Молекулы воды охотнее притягиваются к стеклу, чем друг к другу. Другая же капля будет кататься по стеарину при наклонах пластинки в разные стороны. Удержаться на стеарине вода не может, она его не смачивает, молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам стеарина.
Но этот опыт выглядит еще интереснее, если вместо стеарина использовать сажу. Капните на закопченную поверхность металлической пластинки воду из пипетки. Капля сразу
превратится в немного сплюснутый шарик и быстро покатится по саже. Чтобы следующие капли сразу не скатывались с пластинки, нужно ее держать строго горизонтально. Очень маленькие капельки принимают форму почти идеальных шариков и легко катаются по пластинке, когда ее наклоняешь.
ПЛАВАЮЩАЯ БРИТВА
Лезвие безопасной бритвы, несмотря на то что оно стальное, может плавать на поверхности воды. Нужно только позаботиться, чтобы оно не смачивалось водой. А для этого его нужно слегка смазать жиром. Положите осторожно лезвие на поверхность воды.
Поперек лезвия положите иголку, а на концы лезвия — по одной кнопке. Груз получится довольно солидный, и даже видно, как бритва вдавилась в воду. Создается впечатление, будто на поверхности воды упругая пленка, которая и держит на себе такой груз.
Можно заставить плавать и иголку, смазав ее предварительно тонким слоем жира. Класть на воду ее надо очень осторожно, чтобы не проколоть поверхностный слой воды. Луч-
ше всего это сделать с помощью кусочка сухой бумажки, заставив иголку скатиться с нее, с очень маленькой высоты, на воду. Иголка должна ровно лечь на воду, не прорвав ее поверхность. Сразу у вас это может и не получиться, понадобится некоторое терпение и тренировка.
Обратите внимание на то, как расположена иголка на воде. Если иголка намагничена, то это плавающий компас! А если взять даже небольшой магнит, можно заставить иглу путешествовать по воде.
ПРИТЯЖЕНИЕ ПРОБОК
На поверхность чистой воды положите два одинаковых кусочка пробки. Кончиком спички направьте их к середине чашки. Как только расстояние между пробками уменьшится до половины сантиметра, этот водяной промежуток между пробками сам сократится, и пробки быстро притянутся друг к другу. Но не только друг к другу стремятся пробки. Они охотно притягиваются и к краю чашки, стоит только их приблизить к нему на небольшое расстояние.
Отчего это происходит? Вода хорошо смачивает пробки или стенку чашки и постепенно поднимается по ним вверх. Поверхность воды сокращается. В узком промежутке это сокращение происходит заметнее, оно и стягивает пробки друг к другу или к стенке чашки.
КАПИЛЛЯРНЫЙ насос
Для подъема и перекачки жидкостей существуют самые разнообразные насосы — разных размеров и разных конструкций. Но самый простой насос, насос без всяких движущихся деталей, — это фитиль.
Действие этого насоса основано на свойстве жидкостей подниматься по тонким, почти с волос толщиной, трубкам. Это происходит, конечно, только в том случае, если жидкость хорошо смачивает стенки тонких трубок. Тогда благодаря поверхностному натяжению жидкость поднимается на некоторую высоту, пока не наступит равновесие между этим поверхностным натяжением и весом столбика жидкости.
Для нашего опыта возьмите два стакана. Один из них наполните водой и поставьте повыше. Другой стакан, пустой, поставьте ниже. Опустите в стакан с водой конец полоски чистой материи, а ее второй конец — в нижний стакан. Вода, воспользовавшись узенькими промежутками
между волокнами материи, начнет подниматься, а потом под действием силы тяжести будет стекать в нижний стакан. Вот полоска материи и играет роль очень простого насоса, о котором говорилось вначале.
ПРИЛИПАНИЕ К ВОДЕ
Возьмите деревянную палочку, проткните ею пробку. На этой же палочке на расстоянии полутора сантиметров от пробки укрепите кружок из плотной рисовальной бумаги. На другом конце палочки прикрепите небольшой грузик. Если опустить обработанную таким образом палочку в стакан с водой, то она должна погрузиться в воду так, чтобы уровень воды находился у верхнего края пробки. Этого легко добиться, изменяя вес грузика. Теперь нажмите на палочку, чтобы бумажный кружок коснулся поверхности воды. Если отнять руку, кружок так и останется прилипшим к воде. Вода смочила нижнюю поверхность кружка, а силы сцепления между бумагой и водой не дают возможности кружку подняться, хотя пробка, стремясь всплыть, и старается оторвать его от воды.
МИНИАТЮРНЫЙ опыт плато
Опыт физика Плато наглядно показывает, как под действием сил поверхностного натяжения жидкость превращается в шар. Для этого опыта смешивают спирт с водой в таком соотношении, чтобы смесь имела плотность масла. Наливают эту смесь в стеклянный сосуд и вводят в нее постное масло. Масло сразу располагается в середине сосуда, образуя красивый, прозрачный желтый шар. Для шара созданы такие условия, как будто он в невесомости.
Мы с вами проделаем этот опыт в миниатюре. И размеры шара будут маленькие, и наблюдать его можно будет только около десяти секунд.
Найдите небольшой плоский флакон из-под духов или одеколона. Круглый флакон не годится, так как, если посмотреть сквозь него на шарик, шарообразная форма будет искажена. Флакон должен быть чистым и сухим. Заполните его постным маслом. Затем налейте в какую-нибудь маленькую чистую баночку воду и разведите в ней марганцовку, чтобы вода стала фиолетовой.
Наберите пипеткой раствор марганцовки и, проткнув поверхность масла в флаконе, выпустите одну небольшую каплю. Капля, войдя в масло, сразу превратится в фиолетовый шарик и начнет медленно опускаться на дно флакона. Вода немного плотнее масла, поэтому шарик тонет, но во время своего путешествия на дно он находится почти в состоянии невесомости, так что его форма близка к шарообразной. Чем меньше шарик, тем медленнее он опускается и тем ближе его форма к шарообразной. Ведь на его форму влияет не только сила тяжести, но и трение о масло.
Продолжим наш опыт. Добавьте в флакон с маслом немного чистой
воды, она сразу опустится на дно и образует небольшой слой, ну, скажем, в один сантиметр. Между маслом и водой получилась четкая граница. Начните опять выпускать в масло водяные капли из пипетки. Они, как и раньше, превратись в шарики, опустятся на дно. Но, подходя к границе масла и воды, еще на некотором расстоянии от нее, шарики так сильно давят на масло, что это давление делает в границе с водой выемку, и уж потом они в нее погружаются. Посмотрите, как будет выглядеть этот опыт с глицериновыми каплями. Глицерин плотнее воды. Глицериновые шарики и опускаются быстрее, и давят на границу масла и воды гораздо сильнее.
После опытов дайте маслу хорошо отстояться и осторожно перелейте его без осадка в чистую посуду. Мцс-ло можно будет использовать для приготовления пищи.
Опыт Плато в миниатюрном виде можно еще проделать и по-другому. Но для этого опыта надо взять очень маленький плоский пузырек, чтобы в нем поместилось совсем немного
масла — примерно две столовые ложки. Дело в том, что если после предыдущего опыта масло можно было использовать в пищу, то теперь масло придет в негодность, а продукты надо беречь.
Итак, приступим к опыту. Масло у вас приготовлено, надо приготовить смесь воды и одеколона. Возьмите в качестве посуды наперсток. Капните в него несколько капель воды и столько же одеколона. Размешайте смесь, наберите ее в пипетку и выпустите одну каплю в масло. Если капля, став шариком, пойдет на дно, значит, смесь получилась тяжелее масла, ее надо облегчить. Для этого добавьте в наперсток одну или две капли одеколона. Одеколон состоит из спирта, он легче воды и масла. Если шарик из новой смеси начнет не опускаться, а, наоборот, подниматься, значит, смесь стала легче масла и в нее надо добавить каплю воды. Так, чередуя добавление воды и одеколона маленькими, капельными дозами, можно добиться, что шарик из воды и одеколона будет «висеть» в масле на любом уровне. Классический опыт Плато в нашем случае выглядит наоборот: масло и смесь спирта с водой поменялись местами.
МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ
Вы, наверное, не раз занимались этим увлекательным делом — пусканием мыльных пузырей. Это не только забава. На мыльных пузырях ученые изучали строение и поведение тонких пленок, изучали силы поверхностного натяжения. Тонкая пленка мыльного пузыря, переливающаяся всеми цветами радуги, была предметом исследования и размышлений великого физика Исаака Ньютона.
При выдувании мыльного пузыря силы поверхностного натяжения раствора мыла образуют форму шара.
Пленка пузыря очень тонкая, и все-таки, несмотря на это, она состоит из трех слоев: два слоя мыльной
воды, а между ними слой почти чистой воды.
Для выдувания мыльных пузырей годится любое мыло, но прочность пузырей зависит от содержания в мыле различных веществ. Особенно хорошо влияет на прочность содержание в мыльной воде глицерина. Воду рекомендуется брать дистиллированную, можно пользоваться чистой дождевой водой, растаявшим снегом или водой, которая образуется при оттаивании холодильника.
Из сортов мыла лучший результат дает простое хозяйственное мыло. В качестве трубочки рекомендуется длинная соломинка, но можно взять отработанные стержни шариковых ручек, предварительно очистив их от остатков пасты, другие пластмассовые тонкие трубки. Концы трубок надо немного расщепить. А для выдувания пузыря в пузыре нужно использовать еще одну трубку, но с целым концом. Перед протыканием первого пузыря обязательно смочите трубку мыльной водой. Вот здесь и имеет особенное значение прочность мыльной пленки.
Кроме выдувания пузырей, интересно наблюдать мыльные пленки, натянутые на рамочки из проволоки, на каркасы, состоящие из таких рамочек. Каркасы можно изготовить из проволоки в виде различных геометрических фигур. Они должны быть небольшого размера, чтобы их легче можно было окунуть в чашку с мыльным раствором. Предварительно каркас надо хорошо вымыть с мылом, чтобы на проволоке не остались частички жира. Когда вы вынимаете каркас из мыльной воды, все его рамочки затягиваются мыльной пленкой. Попробуйте проколоть одну из поверхностей — и вы увидите, что пленка примет совершенно другой вид, но так, что площадь ее поверхности будет опять наименьшей из возможных.
Интересно наблюдать мыльную пленку в виде винта. Для этого изготавливается специальный каркас. Вокруг кусочка проволоки винтообразно располагается другая проволочка. Ее концы закрепляются на первой проволочке, которую она обвивает. При опускании такого каркаса в мыльную воду на нем образуется красивая винтовая пленка.
III. КОЛЕБАНИЯ И ЗВУК
С колебательными явлениями встречаешься буквально на каждом шагу. Это и качание веток деревьев, и волны на воде, и детали различных машин, совершающие колебательные движения, и, наконец, колебания воздуха, когда мы говорим. Существуют еще и электромагнитные колебания, радиоволны, о них мы поговорим дальше — в главе о свете.
Колебания бывают полезные и вредные. К полезным колебаниям относятся колебания маятника в часах, колебания струн или воздуха в музыкальных инструментах и все виды колебаний, используемых в науке и технике.
А вредные колебания — это, например, такие, которые из-за резонанса грозят разрушить сооружения или фундаменты машин, даже приводят в негодное состояние отдельные детали механизмов. С такими колебаниями ведется борьба. К вредным колебаниям относится и такое природ-
ное явление, как землетрясение, причиняющее порой большие разрушения.
В этих опытах мы с вами рассмотрим колебания маятников, условие возникновения резонанса, рассмотрим и звуковые явления.
МОДЕЛЬ МАЯТНИКА ФУКО
Маятник Фуко служит для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. На длинном тросе подвешен тяжелый шар. Он качается над круглой площадкой с делениями. И когда проходит некоторое время, зрители видят, что маятник качается уже над другими делениями круга. Создается впечатление, что маятник повернулся, стал качаться в другой плоскости. На самом же деле это впечатление ошибочное. Маятник качается в прежней плоскости, никуда
он не повернулся, он строго сохраняет плоскость своего качания, ведь никакие посторонние силы не пытались сдвинуть его в сторону со своей дороги. Почему же все-таки он очутился над другими делениями круга? Потому что повернулся сам круг, повернулся вместе с Землей.
Проделайте такой опыт. Привяжите к карандашу нитку с грузиком — например, с гайкой. Положите на стол линейку и, держа карандаш горизонтально, подтолкните маятник, чтобы он качался вдоль линейки. Начните постепенно поворачивать карандаш в горизонтальной плоскости. Вы убедитесь, что поворот карандаша не повлиял на маятник, он будет по-прежнему качаться вдоль линейки. Во время этого опыта не должно быть ветра, сквозняка, которые могли бы оказать влияние на маятник.
А теперь сделайте модель маятника Фуко. Можно перевернуть вверх ногами табуретку и укрепить на концах двух ее ножек, по диагонали, какую-нибудь деревянную палку или металлическую трубку, а к середине ее привязать маятник. Заставьте его качаться так, чтобы плоскость его качания проходила между ножек табуретки. Медленно поворачивайте табуретку вокруг ее вертикальной оси> и вы заметите, что теперь маятник качается уже в другом направлении. На самом деле он качается все также, а изменение произошло из-за поворота самой табуретки, которая в данном опыте играет роль нашей Земли.
Можно и в домашних условиях проделать опыт не только с моделью, но и с настоящим маятником Фуко. Но где найти помещение с потолком не ниже хотя бы пяти метров?
Подвешивается маятник на крючке, который может легко поворачиваться вокруг своей вертикальной оси. Плоскость качания маятника должна проходить с севера на юг.
СЛОЖЕНИЕ КОЛЕБАНИИ
Колебания можно складывать. Если они направлены в одну сторону, то получаются колебания, размах которых равняется сумме размахов слагаемых колебаний. Если же направления колебаний одинакового размаха противоположны, то колебания вычитаются друг из друга и прекращаются. (Ведь если из единицы вычесть единицу — получится нуль.) На специальном приборе ставится опыт со звуком. В результате вычитания одного звукового колебания из другого, точно такого же, звук исчезает и ничего не слышно.
Мы же с вами будем складывать два взаимно перпендикулярные колебания, сообщив их одному маятнику. Посмотрим, что получится в результате этого сложения.
Подвесьте маятник в таком месте, чтобы его колебаниям ничто не мешало (например, дверной проем). Отклоните его вправо и, перед тем как отпустить, толкните вперед. Маятник получил сразу два направления движения: ему надо качаться справа налево и одновременно вперед и назад, поскольку вы его так толкнули. Направления колебаний перпендикулярны друг другу, они складываются, и маятник теперь описывает эллипсы или даже окружности.
Другой опыт на сложение колебаний, которые перпендикулярны друг ДРУгу, можно проделать так.
Возьмите велосипедную спицу (можно прямой кусок стальной или медной проволоки примерно такой же толщины и длины), крепко зажмите ее конец (если это спица, то тот конец, на котором маленький изгиб) в тисках или между двумя деревянными брусками. Спица должна быть в вертикальном положении. На свободный конец спицы наденьте кусочек резиновой трубки со вставленным в нее (наполовину) блестящим стальным шариком от шарикового подшипника. Если внутренний диаметр трубки больше толщины спицы, намотайте на конец спицы немного изоляционной ленты.
Опыт будем наблюдать сверху, позаботьтесь, чтобы шарик на спице был хорошо освещен, чтобы на нем был яркий блик.
Если вы немного отклоните спицу и отпустите ее, она начнет колебаться, блик на шарике будет описывать эллипсы. Почему же эллипсы, а не прямую линию? Дело в том, что, отклонив и отпустив спицу, вы, сами
того не замечая, сообщили ей сразу два направления колебаний. Но теперь потренируйтесь, чтобы блик шарика при отпускании спицы чертил только короткую прямую линию. Главное при отпускании спицы — постараться, чтобы рука была совершенно спокойной, не дрожала и пальцы разжимались быстро.
Когда вы добьетесь, что блик шарика на спице будет вычерчивать короткую прямую линию, ударьте по спице, поперек ее колебаниям, деревянной палочкой. Шарик сразу начнет описывать эллипсы. Это результат сложения двух перпендикулярных колебаний. Не увлекайтесь большим размахом спицы, вполне достаточно, если ее размах будет два-три сантиметра. Если дома нет велосипедной спицы, можно взять длинную вязальную спицу.
При сложении колебаний разных частот, как это делал французский физик Лиссажу, получаются не эллипсы, а красивые, замысловатые фигуры. Вы и сами легко сможете воспроизвести опыты с фигурами Лиссажу. Вот как это, например, делается. Склейте из картона конус с маленьким (один-два миллиметра) отверстием в его вершине. Подвесьте конус за две нитки в дверном проеме (разумеется, конусом вниз). Теперь зажмите обе нитки (например, бельевой прищепкой, зажимом «крокодил» и т. п.) в каком-нибудь месте — скажем, в пяти сантиметрах от конуса. На пол надо постелить газету, а на нее положите кусок бумаги темного цвета, лучше бархатистую.
Теперь надо отвести маятник немного на себя и вправо и насыпать в воронку конуса манной крупы. Отпустив маятник, сможем наблюдать получающиеся в результате его колебаний фигуры Лиссажу. Меняя положение зажима ниток, можно получать разные фигуры.
Очень красив опыт с фигурами Лиссажу, если вместо воронки к концу ниток привязать батарейку карманного фонарика с горящей лампочкой и потушить в квартире свет.
РЕЗОНАНС МАЯТНИКОВ
Сначала нужно подготовить место для этого опыта. Хорошим местом может быть дверной проем, в котором на некоторой высоте с помощью кнопок укрепите горизонтально тонкий шпагат. Подвесьте на нем четыре маятника: два одинаковой и два
разной длины. Один из маятников разной длины сделайте в два раза короче одинаковых маятников, другой — в два раза длиннее. Маятники можно сделать, привязав к отработанным батарейкам от транзисторного приемника тонкий шпагат. Подвесьте на натянутой веревке на одинаковом расстоянии друг от друга наши маятники, причем в середину подвесьте маятники одинаковой длины. Отклоните один из одинаковых маятников и отпустите его. Он начнет качаться. Через некоторое время начнет качаться и висящий рядом, одинаковый по длине маятник. Колебания первого маятника передались через веревку его соседям, но откликнулся на эти колебания только один маятник — одинаковой длины. Про такие маятники, которые перенимают колебания друг от друга, говорят, что они настроены в резонанс. Главное же условие резонанса — одинаковая длина маятников. Остальные маятники даже не сдвинулись с места, если не считать, что они стали немного двигаться в разных направлениях от легкого колебания веревки, на которой висят. Но это беспорядочное движение не имеет ничего общего с гармоническими колебаниями маятников одинакового размера.
Качание маятников можно наблюдать долго. Интересно, как один из маятников временами почти останавливается, потом под воздействием соседнего вновь раскачивается.
Теперь у самого длинного маятника укоротите веревку, сделайте ее такой же длины, как у двух одинаковых. Сейчас висят три одинаковых маятника. Раскачайте любой из них, два других тоже начнут раскачиваться. Понаблюдайте, как у них чередуется усиление качаний с постепенным затуханием колебаний. Четвертый же маятник на короткой веревке по-прежнему будет безразличным к качанию своих соседей.
КРУТИЛЬНЫЙ МАЯТНИК
В карманных и наручных часах применяется особый вид маятника — крутильный маятник. Колесико-балансир под действием пружины вращается то в одну, то в другую сторону. Его равномерные движения обеспечивают точность работы механизма часов.
Смоделировать движения крутильного часового маятника нам поможет довольно известная игрушка — пуговица с продетой в два отверстия суровой ниткой.
Для этого опыта выберите большую пуговицу, проденьте, как говорилось, в два ее отверстия суровую нитку и концы нитки свяжите. Возьмите за концы нитки, поместив пуговицу посередине. Круговыми движениями рук добейтесь, чтобы нитки скрутились. Когда они хорошо скрутятся, потяните их в разные стороны. Пуговица начнет быстро вращаться и по инерции закрутит нитки в другую сторону. Чередуя натяжение и ослабление ниток, мы заставим пуговицу быстро вращаться то в одну, то в другую сторону. Всякий раз, когда мы тянем концы ниток и этим самым их раскручиваем, мы сообщаем пуговице порцию энергии. Наши руки в данном случае выполняют роль двигателя. Пуговица будет в движении до тех пор, пока вам эта забава не надоест.
КАЧАЮЩИЙСЯ ВОЛЧОК
Вращающийся волчок обладает удивительной устойчивостью. Он всегда старается стоять вертикально. Даже если ось его вращения немного наклонить, он все равно не будет падать, борясь с силой притяжения Земли, которая стремится его опрокинуть. При этом конец его оси будет описывать окружности.
На устойчивости оси вращающегося волчка, на ее стремлении сохранить в пространстве одно и то же направление основаны некоторые физические приборы. Одним из таких приборов является гирокомпас. Его показания, в отличие от магнитного компаса, очень надежны, так как не зависят от влияния окружающих железных и стальных предметов.
С помощью маятника можно убедиться в том, как ось вращающегося волчка сохраняет свое направление в пространстве.
Для этого опыта возьмите самую большую крышку от кастрюли (желательно диаметром 30 — 35 сантиметров), привяжите к ней две крепкие веревки длиной немного больше метра и подвесьте на прочной перекладине.
Если вы качнете крышку, она будет качаться на веревках, все время образуя с ними прямой угол. Если вы во время этих качаний ударите рукой по краю крышки, она будет качаться с вибрацией краев.
Перейдем ко второй части нашего опыта. Между веревками у их верхнего конца вставьте круглую деревянную палочку диаметром полто-ра-два сантиметра. Затем, держа одной рукой эту палочку, другой рукой начните вращать висящую горизонтально крышку. Нужно ее дол-
го вращать, чтобы веревки хорошо между собой скрутились. Когда это произойдет, отпустите крышку. Она начнет вращаться в другую сторону, а вы, постепенно усиливая нажим, давите палочкой на место скрутки веревок. Крышка будет вращаться все быстрее и быстрее. Наконец, не доходя до самого низа, до крышки, примерно на 20 сантиметров, выньте из веревок палочку и качните веревки как можно дальше в сторону. Вы увидите, что наш маятник теперь качается совсем не так, как тогда, когда крышка не вращалась. Теперь крышка все время носится перед вами строго горизонтально. Угол между крышкой и веревками, на которых она висит, все время меняется от острого до тупого. Прямой угол теперь получается, только когда веревки проходят вертикальное положение.
При большой скорости вращения крышки веревки закручиваются в другую сторону, вращение замедляется и совсем прекращается. Маятник теперь качается с произвольно болтающейся крышкой.
Во время этого опыта, когда маятник качается с быстро вращающейся крышкой, стало труднее заставить ее вибрировать от удара по ней рукой, как это вы делали, когда крышка не вращалась.
ГОЛОСА РАСЧЕСОК
Высота звука зависит от частоты колебаний звучащего тела. Возьмите три расчески с разной частотой зубьев. Если вы будете проводить их зубьями по куску плотной бумаги, открытки или по куску целлулоидной пленки, то в зависимости от частоты зубьев услышите звук различной высоты.
Та расческа, которая имеет крупные зубья, расположенные не очень часто, звучит более низким тоном, чем та расческа, у которой зубья мельче и частота их больше. А расческа с очень частыми зубьями (такую расческу обычно называют «частый гребень») звучит еще выше. Чистого музыкального тона в этом опыте вы не добьетесь, но разницу в высоте звука заметите хорошо.
ЛОЖЕЧНЫЙ ЗВОН
Хотя мы и должны быть благодарны воздуху за то, что он дает нам возможность разговаривать друг с другом, слушать хорошую музыку, все-таки приходится сказать, что воздух не лучший проводник звука. Лучше всего звук проводят твердые тела. После твердых тел хорошо проводят звук жидкости, и только на третьем месте стоят газы.
Сравним на небольшом опыте, как проводят звук воздух и обыкновенная веревка, в данном случае как «представительница» твердых тел. Подвесьте на двух небольших веревочках столовую ложку и ударьте ею об стол. Вы услышите довольно слабенький звон. Но если этот звон будет идти в ваши уши не по воздуху, а через веревки, на которых висит ложка (для этого надо прижать концы веревок к слуховым отверстиям ушей), вы услышите громкий, похожий на колокольный, звон.
Теперь проделайте опыт, меняя ложки на веревках. Сначала подвесьте большую металлическую суповую (разливную) ложку и, ударяя о край стола, прослушайте, как она звучит. Затем еще раз для сравнения прослушайте обыкновенную столовую ложку. И наконец, прослушайте чайную ложку. Во всех трех случаях ложки звучат по-разному: самый низкий, басистый тон был у разливной, большой ложки, немного выше тоном был звон столовой ложки и самый высокий тон был у маленькой, чайной ложки. Звучание ложек зависело от частоты их колебаний. Чем больше ложка, тем частота ее колебаний меньше и, следовательно, звук ниже.
Если вам удастся достать кусочек сухого льда, который обычно бывает
у продавцов мороженого, можно будет проделать интересный опыт. Прижмите чайную ложку к кусочку сухого льда, и вы услышите тонкий воющий звук. Он будет продолжаться недолго, потому что ложка, сильно охладившись, звучать перестанет. Звучит она потому, что в месте соприкосновения сухого льда и теплой ложки бурно выделяется углекислый газ. Вырываясь из-под ложки, он заставляет ее колебаться с большой частотой, и мы слышим звук.
«ПОЮЩИЙ» БОКАЛ
Конечно, звук бокала не сравнишь со звучанием расчесок. Нужно только подобрать для этого опыта хороший «инструмент». «Инструментом» же у нас будет стеклянный (не хрустальный) тонкостенный бокал на ножке, вместимостью от половины до стакана жидкости. Стекло бокала должно быть чистое, гладкое, ничем не разрисованное. Подобрав «инструмент», приступим к проверке его музыкальных качеств.
Прежде чем приступить к опыту, хорошо вымойте руки с мылом. Затем, слегка намочив чистой водой
пальцы правой руки, поставьте бокал на стол, а левой рукой крепко держите его за ножку. Средним или указательным пальцем правой руки начните вкруговую водить по краю бокала. Через несколько секунд вы услышите мелодичный звук. Звук не будет прекращаться, пока вы водите пальцем по краю бокала. Если это у вас успешно получилось, налейте в бокал чистую воду, немного не доходя до края, и продолжайте водить пальцем. Вы услышите звук значительно ниже того, который был без воды. Продолжая круговые движения пальцем, посмотрите на поверхность воды. На ней образовались маленькие волны. Они произошли от колеблющихся, звучащих стенок бокала. Теперь начните постепенно удалять воду небольшими порциями. Звук постепенно повышается, и самый высокий будет у пустого бокала.
Возьмите теперь второй такой же бокал и повторите с ним опыт, как и с первым, но не наливая воды. Если вы поочередно будете заставлять звучать каждый из них, то заметите, что высота звука у них немного разная. Даже очень небольшая разница в толщине стенок бокалов влияет на частоту их колебаний, изменяется высота звука.
KOHEЦ ГЛАВЫ И ФPAГMEHTA КНИГИ
|
