ПРЕДИСЛОВИЕ
Мы живем в век могучего расцвета науки и техники. Наши ученые и инженеры непрестанно работают на благо любимой Родины. Это они двигают вперед науку и технику, во многом обгоняя капиталистические страны.
Они когда-то, как и вы, учились в школе, тоже увлекались физикой и техникой, мечтали об открытиях и изобретениях. И только впоследствии, накопив большой опыт и знания, многие из них сделали важные открытия и изобретения, которые дают нам власть над атомной энергией, прокладывают путь в космос, удивляют весь мир как небывалые чудеса науки и техники.
Когда возникает какая-либо новая научная или техническая идея, ее обычно проверяют, производя многочисленные опыты в лабораториях, оборудованных самыми совершенными приборами.
Но не нужно забывать и того, что очень многие крупные открытия и изобретения сделаны в обыкновенной, простой обстановке, на обыкновенных столах, среди книг и самодельных приборов.
Мы с вами тоже займемся опытами. Наша цель — познакомиться на практике с различными областями техники. А поскольку у вас нет ни сложных приборов, ни лабораторного оборудования, то здесь будет рассказано, как поставить простые опыты с помощью имеющихся под рукой материалов и самых несложных инструментов.
Эти опыты можно делать и у себя дома, и в технических кружках, и на пионерских сборах во время бесед о технике. Лучше всего делать опыты коллективно. Это очень поможет вам кое-чему научиться друг у друга, некоторым практическим приемам. Один умеет хорошо паять, другой — резать стекло, третий — гнуть стеклянные трубки.
Пусть простота опытов не смущает вас. Они помогут вам разобраться в очень сложных явлениях, продумать . и проверить многое из того, с чем вы познакомились в учебниках, проверить, как говорится, теорию на практике. Кроме этого, вы научитесь лучше наблюдать и понимать физические явления, которые используются в технике.
А наблюдательность так необходима будущему исследователю и изобретателю! Без наблюдательности, без умения продумать и правильно оценить увиденное не обошлось ни одно открытие или изобретение.
Наблюдательность так же необходима исследователю и изобретателю, как и знания. И если знания можно получить в школе и в специальных учебных заведениях, то наблюдательность нужно развивать, зорко присматриваясь ко всему, что вас окружает.
Вполне возможно, что кое в чем и верны те увлекательные истории, которые биографы так любят рассказывать об известных ученых и изобретателях.
Очень может быть, что изобретение паровой машины действительно началось с того момента, когда наблюдательный человек, неоднократно видя, как пар приподнимает крышку на котелке, чайнике или кастрюльке, задумался над этим явлением.
В самом деле, разве этого было недостаточно, чтобы оценить силу пара?
Может быть, этот наблюдательный человек проделал и ряд опытов, проверяя силу пара: как бы плотно он ни закрывал сосуд с кипящей водой, пар вырывался наружу, подбрасывая и крышку и положенный на нее груз.
А ведь пар известен давно, и очень многие видели, как прыгает крышка у кипящей кастрюли. Но только тот, кто задумался над этим явлением, оценил его, проложил путь к созданию паровой машины.
На этом небольшом примере мы хотели показать, как полезно задумываться над незначительными на первый взгляд, обыденными явлениями.
Простые опыты по технике, собранные в этой книге, познакомят вас на практике с принципами работы некоторых приборов и машин, с понятием прочности, с вредными и полезными явлениями в технике, с автоматикой и с управлением машинами на расстоянии.
Читая эту книгу и делая приведенные в ней опыты, вы убедитесь, как много значит в технике то, на что мы порой не обращаем внимания и незаслуженно называем пустяком.
Мы надеемся, что опыты увлекут вас и станут началом вашей самостоятельной творческой работы и что со временем вы сделаете не одно ценное изобретение или открытие.
Желаем вам успеха, друзья!
ПЕРВЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОМОЩНИКИ
Рычаги
Когда человек на заре своего существования первый раз взял в руки палку, он сделал ее своим оружием для защиты и нападения. Лишь много времени спустя она стала и орудием труда. На ней очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.
Обыкновенная палка стала рычагом — самым простым механизмом.
Проделайте такой опыт. Возьмите не очень длинную палку, просуньте ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища, приподнимите вдвоем чемодан.
Если чемодан находится точно посередине, то каждый из вас будет нагружен одинаково. Но сдвиньте чемодан к одному из концов палки, и сразу все изменится. Более легким груз покажется тому, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении.
Руки каждого из вас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.
А теперь проделайте другой опыт. Возьмите небольшую палку и около одного из ее концов сбоку вбейте гвоздь. Наденьте на этот конец утюг (гвоздь нужен для того, чтобы утюг не соскользнул на пол) и положите рычаг на спинку стула. Держа рычаг за свободный конец, двигайте его, то приближая точку опоры к грузу, то удаляя от него.
Вы убедитесь, что чем больше расстояние от руки до точки опоры, тем легче удержать груз. Тот же результат вы получите, если будете передвигать руку вдоль рычага к точке опоры, оставляя неизменным расстояние от опоры до груза.
Этот опыт можно и видоизменить.
Положите конец палки на спинку стула, отодвинув утюг немного дальше от конца. Держа палку за другой конец и двигая утюг, вы получите такой же результат, что и в первом опыте, когда с товарищем поднимали чемодан.
Рычаги разных видов встречаются в повседневной жизни на каждом шагу: тачку легче везти, если у нее длинные ручки; гайку завернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.
А вспомните описание строительства египетских пирамид. Какие глыбы камня египтяне передвигали с помощью рычагов!
Но рычаг, облегчая человеку работу, сам не является источником энергии.
Здесь действует один из замечательных законов механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе — проигрыш в пути. Иной раз стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени (конечно, при постоянной скорости движения). А за больший промежуток времени работу сделать легче — это ясно каждому.
При конструировании машин бывает и наоборот, когда жертвовать приходится силой, чтобы выиграть в пути, выиграть во времени.
Это можно наблюдать на ременных и зубчатых передачах различных машин. Большое колесо, например, делает один оборот, а маленькое, связанное с ним, за это же время успевает сделать несколько оборотов.
Вы, наверное, не раз убеждались, что ведро воды, когда вы его достаете из колодца с помощью ворота, кажется гораздо легче, чем когда вы его несете в руке. А ведь ведро одно и то же и воды в нем столько же.
Дело в том, что ворот — это тот же рычаг, только несколько видоизмененный. И здесь действует закон: выигрыш в силе — проигрыш в пути.
Чем длиннее плечо рукоятки по сравнению с радиусом самого вала, тем больше будет и выигрыш в силе. А проигрыш в пути легко подсчитать. Измерьте длину веревки.
на которой из колодца поднимается ведро, и сравните ее с длиной окружности, которую описывает рука при вращении ворота, умноженной на количество оборотов рукоятки. Для нужных измерений используйте сантиметровую ленту.
Ворот и его родственница лебедка с давних времен облегчали труд человека. Они и теперь помогают ему при перетаскивании, подъеме и опускании тяжелых грузов.
Блоки
В нашей галерее простейших механизмов почетное место занимают блоки.
Один блок — это, по сути дела, обыкновенный равноплечий рычаг с опорой в центре. Он не дает никакого облегчения в работе. Он только изменяет направление движения, что во многих случаях тоже имеет большое значение.
Но людей это не удовлетворяло, и механики додумались сделать так, чтобы и в работе блоков получался выигрыш в силе. Стали применять системы блоков, одну из которых, называемую полиспастом, мы и рассмотрим.
Возьмите толстую проволоку в виде прута, наденьте на нее четыре катушки из-под ниток и укрепите концы прута между неподвижными опорами. Между катушками надо проложить небольшие шайбочки, сделанные или из толстой проволоки, или из кусочков картона.
Это нужно для того, чтобы уменьшить трение катушек между собой.
Из другого куска толстой проволоки, четырех катушек и шайбочек соберите подвижную часть полиспаста. Концы проволоки с нанизанными на нее катушками загните по два раза под прямым углом, затем концы скрутите и сделайте из них крючок для груза. Получится проволочная рамка с катушками и с крючком.
Накиньте на одну из висящих катушек кусок шпагата и, привязав один конец к какому-нибудь грузу, например пресс-папье, потяните за другой. Выигрыша в силе не будет, потому что у вас получился обыкновенный блок. Чтобы как-то замерить усилие, которое вы прикладываете для подъема пресс-папье, к свободному концу веревки привяжите тугую резинку. Когда вы за нее потянете, она
удлинится. Замерьте сантиметровой линейкой ее новую длину и сравните с прежней.
Теперь возьмите конец шпагата и привяжите к верхнему пруту, пропустите шпагат под первую катушку нижней, подвижной части полиспаста, перекиньте через первую катушку наверху, потом через вторую катушку подвижной части и так далее, пока другой конец шпагата с привязанной к нему резинкой не будет перекинут через последнюю верхнюю катушку.
На крючок подвижной части полиспаста подвесьте то же самое пресс-папье. Потяните за резинку и измерьте ее растяжение теперь. Она растянулась значительно меньше, чем раньше. Теоретически выигрыш в силе должен быть восьмикратным. Но в вашем опыте он будет немного меньше из-за трения веревки и из-за несовершенства блоков.
Наклонная плоскость
Поднимите привязанный к резинке (резинка служит, как и раньше, измерителем силы — динамометром) утюг. Заметьте, на какую высоту вы его подняли и на сколько растянулась резинка. А затем положите наклонно гладкую доску так, чтобы ее верхний конец был на той же высоте, на какую вы поднимали утюг.
Теперь с помощью той же резинки начните тащить вверх утюг, но уже по наклонной доске. Проделать это будет значительно легче, и ваш «динамометр» — резинка удлинится меньше.
Таким образом, за счет увеличения пути мы можем
затратить меньшую силу для подъема груза на одну и ту же высоту. Кстати, вспомните, что на крутую гору подниматься значительно труднее, чем на пологую.
К семейству наклонных плоскостей относятся и клин для колки дров, и автомобильный домкрат (винт, вращаемый длинной рукояткой). Чтобы убедиться, „ что винт домкрата не что иное, как наклонная плоскость, как бы навернутая на стержень-ворот, возьмите лист бумаги и вырежьте из нее прямоугольный треугольник. Проведите по его гипотенузе красную черту и наверните его на карандаш, начав с самого маленького катета. Получится винтовая линия.
Когда мы вращаем рукояткой винт домкрата, он вывинчивается из своего корпуса — гайки, поднимая груз, положенный сверху.
С помощью такого несложного приспособления можно одной рукой поднять груженый автомобиль — несколько тонн.
Существуют и другие винты, которые ввинчиваются не в гайку, а в воздух или в воду.
Воздушные винты (пропеллеры) применяются как движители самолетов и вертолетов, а гребные винты приводят в движение и крошечную моторную лодочку, и огромный океанский лайнер.
Сделайте игрушку, которая будет летать наподобие вертолета.
Возьмите катушку, вбейте в ее торцовую часть (по обе стороны отверстия) по небольшому гвоздику без шляпок. Затем вырежьте из жести силуэт удлиненной восьмерки, загните в разные стороны его лопасти, проделайте в его середине два отверстия, чтобы в них свободно могли входить вбитые в торец катушки гвоздики без шляпок. Согните из медной или железной проволоки толщиной в один миллиметр кольцо диаметром с пропеллер. Нужно спаять его концы, чтобы получилось сплошное кольцо. Затем это кольцо надо припаять к концам пропеллера. Все это следует выполнить, чтобы обезопасить нашу игрушку.
Наденьте катушку с пропеллером на толстый гвоздь,
тоже без шляпки, вбитый в торцовую часть палочки, которая будет служить ручкой. Намотайте на катушку веревочку и сильно потяните ее за конец. Жестяной пропеллер взлетит высоко вверх.
Роликовые и шариковые катки
Если на косточки конторских счетов положить тяжелую книгу, то ее можно очень легко передвигать по ним, еле дотрагиваясь пальцем.
На металлургических заводах, на которых прокатывают раскаленные добела тяжелые стальные болванки, чтобы получить из них рельсы и различные виды стальных балок для строительства, широко применяют большие стальные ролики рольганга.
Рольганг — это стальная самодвижущаяся дорога. Он состоит из расположенных параллельно друг другу роликов, которые приводятся в движение электрическими двигателями.
Вращаясь, ролики легко перемещают нагретую стальную болванку к валкам клети прокатного стана.
Ролики и шарики с давних пор применяют для уменьшения трения при перетаскивании тяжелых предметов. В этом случае трение скольжения заменяется трением качения, которое значительно меньше, но об этом будет специальный разговор в главе с опытами по трению.
О катках мы упомянули для того, чтобы заключить краткий обзор простейших механизмов и приспособлений,
которые человек придумал и постепенно совершенствовал для облегчения своего труда.
Все описанные выше простые механизмы и приспособления применяются и в наши дни. В видоизмененной форме они встречаются и в сложнейших современных машинах и приборах.
ВЕТЕР, ВОДА, СОЛНЦЕ — НЕУТОМИМЫЕ РАБОТНИКИ
Ветряной двигатель
Человек с древнейших времен пользуется энергией ветра. Когда еще не была изобретена паровая машина, наряду с ветряными двигателями, в основном на мельницах, существовали и водяные. Но в мореходстве ветер был совершенно незаменим: только парусные суда, начиная от небольших лодок и шхун и кончая тяжелыми фрегатами, бороздили моря и океаны.
И даже теперь, когда используется очень много разнообразных источников энергии, мы не пренебрегаем и энергией ветра. Огромным количеством ветряков различных конструкций вырабатывается электрический ток, приводятся в действие насосы и мельницы.
Маленькую простую модель ветряка можно сделать за пять минут. Это известная детская игрушка из куска бумаги, булавки и палочки. Разрежьте квадратный кусочек бумаги по его диагоналям, не доходя до центра. Загните поочередно к середине квадрата четыре конца бумаги, проткните их булавкой, укрепите булавку на палочке, и модель готова. Если нет ветра, то достаточно подуть, чтобы ветряк стал быстро вращаться.
Но можно сделать и более совершенную модель ветряного двигателя. Начнем с того, что подберем для его вала ровную круглую палку. На одном из ее концов нужно укрепить крестовину из узких дощечек, а к ним при-
делать четыре фанерные лопасти, расположив их под некоторым углом к воображаемой плоскости крестовины. Вал должен легко вращаться в проволочных или вырезанных в деревянных дощечках отверстиях — подшипниках. Другой конец вала надо заострить и упереть в неподвижную дощечку с выемкой. Это нужно для того, чтобы во время вращения вал не сдвигался с места под напором ветра, который будет давить на крылья ветряка.
Когда вы построите модель ветряка, отрегулируете ее, выбрав лучшее расположение лопастей и добившись наименьшего трения в подшипниках, подумайте и об использовании вращения вала.
Конечно, энергия небольшого ветряка настолько мала, что ее не удастся применить для каких-нибудь хозяйственных целей, но вы можете к ветряку добавить механизм для демонстрации превращения кругового движения в возвратно-поступательное.
Вырежьте из середины вала кусок длиной в несколько сантиметров и соедините его с половинками вала с помощью двух дощечек такой же длины, как и вырезанный кусок. Получится так называемое колено. Серединка вала как бы съехала со своего места.
При этом надо позаботиться, чтобы вал сохранил свою первоначальную прочность, чтобы он остался таким же крепким, каким был раньше.
Вокруг колена оберните двухмиллиметровую проволоку и загните меньший конец несколько раз вокруг большего. Петля должна быть свободной. Такая деталь называется шатуном.
Прикрепите к его свободному концу с помощью петелек прямой кусок такой же проволоки. Это будет шток. К его концу приделайте деревянный поршенек и поместите его в стеклянной трубке.
Получилась модель насоса.
Шток должен двигаться только в вертикальном направлении. Поэтому при сборке просуньте его в расположенные друг над другом и укрепленные на неподвижной подставке две катушки.
Наша работа закончена. Дождитесь подходящего ветра — ветряк начнет вращаться, и шатун будет то поднимать поршень насоса, то опускать его.
Водяной двигатель
Из всех двигателей, широко использующих даровую природную энергию, водяной двигатель совершил самое сказочное развитие — от простых водяных колес мельниц на маленьких речках до мощных турбин гидроэлектростанций на крупнейших реках мира.
Сделайте небольшую модель водяного колеса.
Из четырех не очень широких тонких деревянных дощечек с вырезами в середине еоберитц, восьмиконечную звездочку, если смотреть с торца. Это и будет водяное колесо. Из ровной длинной палочки изготовьте вал и укрепите на нем колесо. Вставьте вал в подшипники и установите колесо на ручейке или в специальном желобе, по которому течет вода. Можно устроить маленький водопад, чтобы на лопасти колеса падала струя воды, вытекающая из какого-нибудь водоема или из водопроводного крана.
Затем укрепите на валу под прямым углом друг к другу и на некотором расстоянии друг от друга две деревянные палочки с лопатообразными концами. Такое приспособление называется кулачками. Кулачки должны по очереди нажимать на концы расположенных на оси рычагов. Ось должна проходить так, чтобы более короткая часть рычагов находилась со стороны вращающегося вала с кулачками. А на длинных концах рычагов нужно укрепить в виде молоточков толстые палочки с тупыми концами. Это исполнительные органы нашей машины.
При вращении водяного колеса кулачки будут по очереди нажимать на концы рычагов. Длинный конец одного из рычагов при этом будет подниматься, а когда кулачок соскользнет с короткого конца рычага, молоточек опустится и ударится о подложенную под него дощечку.
Удары будут ритмично повторяться все время, пока крутится колесо.
То, что мы с вами соорудили, совсем не игрушка. Это довольно точная модель настоящей водяной машины, так называемой толчеи. Толчея еще в недавнее время широко применялась в Средней Азии для обмолота риса.
Сделайте еще одну модель — модель современной гидротурбины. Модель будет очень упрощенная, но тем не менее она даст некоторое представление о работе настоящих гигантских турбин наших гидроэлектростанций.
Для модели мы используем перевернутую горлышком вниз бутылку из-под молока, предварительно отрезав у нее дно.
Ее надо установить на горлышко, отрезанное от другой такой же бутылки. Стык горлышек необходимо сделать водонепроницаемым с помощью прокладки из воска или пластилина.
В самой узкой части разместится турбинная камера. Здесь будет находиться ротор, или рабочее колесо водяной турбины.
Ротор делается так.
Вырежьте из жести кружок, сделайте четыре прорези и загните края. Ротор надо надеть на ось — тонкий, толщиной в 3 — 4 миллиметра, металлический прут — и закрепить пайкой. Ось удерживается подшипником, установленным сверху, а нижний конец ее находится в подпятнике, помещенном внизу. Подшипник сделайте из катушки от ниток, а подпятник — из такой же катушки со вставленной до половины ее отверстия деревянной палочкой. Но это еще не все. Надо из воска или пластилина сделать и поместить в узкой части турбинной камеры, над ротором, направляющий аппарат с косыми отверстиями. Эти отверстия создадут нужное направление потоку воды, который, попадая на лопатки ротора турбины, заставит его вращаться. В центре направляющего аппарата установите металлическую трубку, через которую свободно должна проходить ось турбины.
А теперь, когда все сделано, остается лить в модель воду и наблюдать ее работу.
Солнечная энергия
Каменный уголь, нефть и другие виды топлива обязаны накопленной в них энергией солнцу.
Но человек этим не довольствуется, он считает, что солнце можно заставить работать и без каких-либо посредников — прямо брать у него энергию.
Ученые много работают над этой проблемой и добились крупных успехов в создании солнечных батарей.
В солнечных батареях, устанавливаемых на спутниках, космических кораблях, луноходах, орбитальных станциях, солнечная энергия сразу превращается в электрический ток. Но есть установки,
которые используют солнечную энергию как тепловую.
Чтобы убедиться в том, что солнце, если его лучи умело поймать, способно стать топкой парового котла, проделайте следующий очень простой и наглядный опыт.
В летний солнечный день возьмите большую двояковыпуклую линзу и расположите ее так, чтобы в ее фокусе появилось маленькое, в виде точки, изображение солнца. Если вы направите его на бумажку, она загорится.
А теперь проделайте другой опыт.
В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной масляной краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но так, чтобы оно не касалось баночки. Поставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°.
Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.
На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Порою и сейчас встречаются горе-изобретатели, которые пытаются создать так называемый «вечный двигатель».
Эти люди находятся явно в неладах с физикой. Они не понимают, что энергия никогда и никуда не исчезает и из ничего не возникает. Она лишь переходит из. одного вида в другой.
Если взять кусок железной проволоки толщиной в 2 — 3 миллиметра и начать его быстро сгибать и разгибать, то через несколько мгновений место сгиба сильно нагреется. Механическое трение частичек металла друг о друга перешло в тепло.
При забивании гвоздя шляпка его от ударов молотка становится горячей.
Это мы имели дело с переходом механической энергии в тепловую.
А теперь рассмотрим случай перехода тепловой энергии в механическую.
Укрепите на острой проволочке Над горящей электрической лампочкой бумажный пропеллер со слегка загнутыми в разные стороны лопастями.
Лампочка нагревает воздух, и он, поднимаясь вверх, вращает нашу крыльчатку.
Если бы нам удалось замерить затраченную и вновь полученную энергию, мы убедились бы, что их количества равны.
Существует много разных видов энергии, и всегда, когда один ее вид переходит в другой, действует великий закон — закон сохранения энергии.
БОГАТЫРЬ В НАПЕРСТКЕ
Для того чтобы продемонстрировать могущество пара и показать, как его энергия давит на поршень паровой машины, проделайте такой опыт.
Укрепите на проволочной подставке наперсток. Налейте в него до половины воды и плотно заткните пробкой. Под наперсток подведите горящую свечу и отойдите в сторону. Вода закипит и вышибет пробку.
Поршневая паровая машина работает по тому же принципу, но отличается тем, что для получения пара существует специальный котел. Из котла пар поступает через распределительное устройство в цилиндр машины, давит на поршень то с одной стороны, то с другой. Поршень совершает возвратно-поступательные движения, приводит с помощью шатунно-кривошипного механизма во вращение вал с насаженным на него маховиком. А уж с вала механическую энергию можно брать для любой работы.
Но в нашей промышленности в настоящее время применяется совсем другой вид паровой машины — паровая турбина. Паровые турбины более выгодны, чем поршневые машины. В отличие от поршневых машин в турбинах получается только вращательное движение.
Очень упрощенную модель паровой турбины мы сейчас и сделаем.
Паровым котлом для нашей турбины будет служить обыкновенный чайник.
Из круглой палочки изготовьте пробку-втулочку, укрепите в ней резиновую или металлическую тонкую трубку и вставьте втулочку в носик чайника как пробку (в случае надобности можно обмотать место соединения изоляционной лентой). Налейте в чайник воду с таким расчетом, чтобы она не перекрывала отверстия носика внутри чайника.
Котел готов.
Теперь из тонкой жести вырежьте кружок диаметром пять сантиметров, сделайте по направлению к центру 20 — 25 прорезей. До центра не доходите на расстояние одного сантиметра. Получившиеся секторы поверните плоскогубцами. Их верхние края должны быть почти перпендикулярны к плоскости кружка. Это будет ротор нашей турбинки.
Наденьте ротор на тонкий гвоздь (ось) и закрепите его каплей олова.
Ось укрепите в подшипниках так, чтобы трение было ничтожным.
Конец трубки, идущей от носика чайника, установите около лопаток ротора. Когда чайник закипит, подложите под крышку (чтобы через нее не выходил пар) кусок тонкого листового асбеста. Из трубки с силой начнет бить струя пара, и ротор будет быстро вращаться. Этот опыт надо проделывать в присутствии взрослого помощника и соблюдать большую осторожность, чтобы не обжечься паром.
Выбрать лучшее положение струи пара по отношению к лопаткам ротора можно заранее: возьмите тонкую трубку и, дуя в нее, передвигайте ее под разными углами к лопаткам.
РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Двигатель обыкновенного автомобиля отличается от паровой машины тем, что источник энергии — топливо — сгорает не где-то отдельно в топке котла, а прямо в рабочем цилиндре. Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания. Расширяющиеся в цилиндре газы давят на поршень, а он, как и в поршневой паровой машине, совершая возвратно-поступательное движение, заставляет вращаться вал с маховиком.
На смену поршневым двигателям внутреннего сгорания сейчас идут более выгодные газовые турбины. В газовой турбине, как и в паровой, нет надобности превращать один вид движения (возвратно-поступательное) в другой (вращательное) .
Еще более просто устроены реактивные двигатели, в которых нет ни поршней, ни вращающихся турбин. Движется сам двигатель, увлекая за собой самолет или ракету, на которых он установлен.
Проделайте следующий опыт.
Возьмите узкую консервную банку. Внизу, на стенках около дна, сделайте два отверстия с противоположных сторон и вставьте в них согнутые трубки, как показано на рисунке.
Налейте в банку воду, предварительно подвесив банку на суровой нитке. Получится Сегнерово колесо, названное так по имени венгерского физика Сегнера. Под действием давления, направленного противоположно вытеканию струй, банка будет вращаться.
Сделайте еще прибор, в котором реактивная сила создает не вращательное, а поступательное движение. На деревянном поплавке укрепите на стоечках запаянную маленькую металлическую баночку, наполненную водой.
Сбоку у нее должно быть отверстие, заткнутое (не очень туго) деревянной пробкой. Под эту баночку подставьте маленькую жестянку со спиртом. Положите поплавок с этим устройством на воду и подожгите спирт. Вода в баночке закипит, вышибет пробку, и прибор устремится в противоположную сторону.
Некоторые думают, что реактивное движение происходит в результате отталкивания от воздуха. Но это не так. Как известно, ракета может лететь и в безвоздушном пространстве. Она летит в противоположную выхлопу сторону благодаря отдаче. Когда раскаленные газы вырываются из сопла ракеты, они с такой же силой давят и на противоположную стенку камеры сгорания, толкая ракету вперед.
Там, где нет воздуха, воздушный винт бессилен. Если «земные» самолеты могут летать и при помощи обыкновенных, бензиновых двигателей и при помощи реактивных, то на ракетах, которые посылаются в космос — к Луне, Венере, Марсу и к другим планетам, могут быть установлены только реактивные двигатели.
ПОБЕДИТЕЛЬ ТРАНСМИССИЙ
Еще в недавние времена станки на заводах и фабриках приводились в движение от вала паровой или какой-либо другой машины. Для этого применялись трансмиссии — сочетания валов, шкивов, муфт и ремней. Ремни тянулись от пола до потолка. Это было очень неудобно и часто небезопасно. В цехе, бывало, куда ни повернись, везде шумели бесчисленные длинные ремни...
Электрический двигатель все изменил. Он позволил как угодно «дробить» энергию, брать ее в любом месте, любыми порциями. Теперь у каждого станка свой электропривод — в цехах стало чисто, светло и менее шумно. Нажимом кнопки одинаково легко можно заставить вращаться и маленькое точильное колесо, и валки мощного прокатного стана.
На каком принципе работает электрический двигатель? Об этом вы узнаете, проделав приведенные здесь опыты. Для этого нам понадобятся сильный подковообразный магнит, батарейка для карманного фонарика и немного медной изолированной проволоки диаметром около 0,3 миллиметра.
Как известно из физики, между полюсами магнита имеется магнитное поле. Для наглядности его изображают в виде магнитных силовых линий. Эти линии недаром называют силовыми. Проходя через железные и стальные предметы, они притягивают их к магниту. С помощью железных опилок, насыпанных на лист бумаги и поднесенных к полюсам магнита, можно увидеть направление силовых линий от одного полюса к другому.
Приступим к опытам.
Возьмите иголку с вдетой в нее ниткой и поднесите к магниту, чтобы она притянулась к нему своим концом. Затем начните тянуть за нитку и, оторвав иголку от магнита, добейтесь, чтобы иголка повисла в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.
Иголку удерживают в таком положении две нити. От притяжения к магниту с одной стороны — настоящая обыкновенная нить, а от падения на стол — невидимая магнитная нить (силовая линия).
Попытайтесь «перерезать» магнитную нить куском стекла, картона или расческой из пластмассы. Никакого результата. Иголка даже не дрогнет и будет по-прежнему висеть в воздухе. Но стоит провести между магнитом и кончиком иголки ножом, как магнитная силовая линия окажется «перерезанной» и иголка упадет. Магнитная линия, войдя в нож, изменяет свое направление и до иголки не доходит.
Магнитное поле, как известно, существует не только у магнита. Оно возникает вокруг любого провода, по которому течет электрический ток.
Подвесьте на нитке моточек изолированной проволоки и, присоединив концы проволоки к батарейке от карманного фонаря, поднесите к нему магнит. В зависимости от направления тока в витках проволоки моточек либо притянется к магниту, либо оттолкнется. В обоих этих случаях наблюдается взаимодействие магнитного поля магнита и магнитного поля, созданного в мотке проволоки током батарейки.
А теперь сделаем самую простую модель электрического двигателя, на которой будет показан только принцип его работы.
Оголите медную проволоку и натяните два куска ее между двумя укрепленными карандашами.
На натянутые проволоки (расстояние между ними должно быть 3 — 4 сантиметра) положите кусочек такой же оголенной медной проволоки с загнутыми концами, чтобы она не соскакивала со своих «рельсов».
Натянутые проволочки-«рельсы» надо расположить немного наклонно внутри подковообразного магнита. Когда вы подключите их концы к батарейке (возможно,
что эти концы придется поменять местами), ток пройдет от одного ее полюса к другому через лежащую на «рельсах» проволочку. Подвижная проволочка начнет скользить по «рельсам», стремясь выйти из поля магнита. Это происходит от взаимодействия магнитного поля самого магнита и магнитного поля, возникающего вокруг проволочки, когда по ней идет ток.
Подобное же явление происходит и в электрическом двигателе. Благодаря взаимодействию магнитного поля неподвижных катушек — статора и магнитного поля обмотки вращающейся части двигателя — ротора, по которой также пропускается электрический ток, ротор начинает быстро вращаться, как бы стремясь убежать от магнитного поля статора.
НЕОБЫЧНАЯ КОЛЛЕКЦИЯ
Громоздкие трансмиссии, как уже говорилось, заменены отдельными электрическими двигателями. Но внутри самих машин механическую энергию необходимо передавать узлам, выполняющим работу, для которой и предназначена машина. Для этого служат валы, шестерни, ременные передачи и так далее. Их модели мы сейчас и построим.
Лучше всего для наглядности сделать стенд, на котором в виде коллекции будут собраны все основные механизмы для передачи движения.
Эту коллекцию вы сможете постепенно пополнять. Как только где-нибудь увидите новое устройство для передачи механической энергии, сразу же его упрощенную модель помещайте на стенд. Это такое же увлекательное занятие, как коллекционирование марок, монет, растений, насекомых и т. п.
Возьмите небольшой кусок фанеры, установите его вертикально, а на нем расположите, укрепив с помощью
деревянных подставочек-подшипников, следующие приспособления для передачи энергии (на фанере можно сделать поясняющие надписи и схемы).
Обыкновенный вал
Сделайте из круглой палочки вал и укрепите его в подшипниках. К одному концу вала приделайте ручку.
Вал — самое простое устройство для передачи энергии от двигателя к исполнительному механизму.
Вал с муфтой
Часто бывает нужно, не останавливая двигатель, отключить от него исполнительный механизм. Сделайте такой же вал, как и в предыдущем случае, но укрепите его на четырех подшипниках. В середине, между вторым и третьим подшипниками, вал должен быть разрезан. В разрезе нужно поместить два фанерных кружка. Один кружок прикрепите гвоздиком и клеем к торцу левой половины вала, а другой укрепите на деревянной втулоч-ке на конце второй половины вала. Втулочка может скользить по валу, но не должна проворачиваться на нем. Для этого сделайте вдоль ее сквозного отверстия желобок, а на валу приклейте соответствующий выступ, сделанный из кусочка дерева.
На втулочке вырежьте кольцевой паз, в который должна входить изготовленная из толстой проволоки вилка переключателя. Вилку укрепите на фанерном стенде так, чтобы она находилась над валом. Снабдите переключатель маленькой рукояткой. К фанерным кружкам в тех местах, где они должны соприкасаться, приклейте резиновые кружки, чтобы муфта не пробуксовывала.
У вас получилась фрикционная муфта, работа которой основана на трении.
Если вы повернете рычаг переключателя так, чтобы фанерные кружки соприкасались, то при вращении за ручку, заменяющую двигатель, весь вал будет вращаться, потому что из-за большого трения фанерные кружки с наклеенной на них резиной представляют собой как бы одно целое. Если вы повернете переключающую рукоятку, диск на правой половине вала отойдет вправо — правая половина вала отключится и вращаться не будет.
Фрикционные муфты сцепления широко применяются на автомобилях. Одна из педалей в кабине водителя служит для выключения муфты, когда это бывает нужно.
Карданный вал
Очень часто приходится передавать вращение под некоторым углом. Например, у автомобилей вращение вала двигателя передается к колесам карданным валом.
Сделайте вал, состоящий из двух половинок, расположенных на четырех подшипниках. Соединяются половинки вала с помощью крестовины двух скрепленных меж-
ду собой наглухо толстых проволочек. Крестовина соединена с половинками вала через подшипники на дугообразных вилках.
Из фанеры вырежьте лобзиком два зубчатых колеса разных размеров с одинаковыми по величине, но разными по количеству зубьями. Укрепите их на стенде и приделайте к одному из колес ручку. Чтобы колеса не выскакивали из зацепления друг с другом, нужно место зацепления зубьев прижать полоской плексигласа. Если у вас найдется большой кусок плексигласа, можно сделать прозрачную крышку, которая будет и украшать прибор, и прижимать шестеренки к фанерному стенду. Шестерни лучше покрасить в разные цвета.
Вырежьте из фанеры лобзиком три кружка: два — одинаковых размеров, а один — немного меньшей величины.
Склейте их столярным клеем, поместив меньший кружок между двумя одинаковыми, чтобы их центры совпадали. Положите склеенные кружки под пресс и дайте клею высохнуть.
Затем вырежьте кружки другого размера и проделайте то же самое.
Ременная передача
Как уже говорилось, стенд можно дополнить и другими
Прикрепите к одному из шкивов такую же ручку, какую вы сделали к зубчатому колесу. Укрепите фанерные шкивы на стенде и соедините их веревочкой. Это будет модель ременной передачи.
видами механических приспособлений для передачи энергии — например, сделать модели червячной передачи, конических шестерен, приспособления для передачи прерывистого движения (Мальтийский крест, см. рисунок), гибкого вала, кулачкового устройства, преобразователя кругового движения в возвратно-поступательное и многих других устройств, применяемых в технике.
РУДА ПРИНИМАЕТ ВАННУ
В старину некоторые машины делали из дерева. Были такие мастера, что даже часы изготовляли из дерева. Но в наш век больших скоростей, в век мощных двигателей для изготовления мдшин применяется в основном только металл. Его получают из руды, добываемой в недрах земли. Но у руды бывает очень много ненужных примесей. Чтобы от них избавиться, существуют различные способы так называемого обогащения руд.
Если руда способна притягиваться к магниту, то ее пропускают в размельченном виде через магнитный сепаратор.
Модель сепаратора можно построить следующим образом. От круглой палки отрежьте три валика длиной по 5 — 8 сантиметров. По концам каждого валика в центры вбейте по гвоздю. Это будут оси. Нужно добиться, чтобы они были хорошо отцентрированы, то есть соответствовали бы центрам валиков. Укрепите валики в подшипниках.
Затем возьмите полоску материи длиной 30 — 40 и шириной 5 сантиметров и сшейте ее концы, охватив матерчатой петлей все три валика, чтобы образовался равнобедренный треугольник. Материя должна быть хорошо натянута. В верхнем валике вместо одного из гвоздей укрепите проволочную ручку. Внутри треугольника подвесьте полюсами вниз подковообразный магнит. Своими полюсами он должен касаться материи.
Смешайте железные опилки с песком, насыпьте их на бумажку и подложите под материю по другую сторону от магнита. Начните вращать ручку верхнего валика. Материя придет в движение, и притянувшиеся к ней железные опилки будут передвигаться, пока не выйдут из-под влияния магнита. Тогда опилки начнут падать в специально подставленную для этого коробочку.
Лист бумаги надо слегка постукивать пальцем, тогда железные опилки легче подскочат и прилипнут к материи.
Но, как известно, не все металлы и их руды притягиваются к магниту.
Тогда отделение полезных частичек от ненужных примесей производят с помощью так называемой флотации РУД-
Размельченную руду погружают в жидкость, через которую пропускают воздух. Полезные частички вместе с пузырьками воздуха всплывают на поверхность и идут на переработку, а пустая порода остается на дне обогатительного резервуара. Периодически ее собирают и выбрасывают.
Проделайте такой опыт. Положите в стакан виноградину и налейте в него газированную воду или лимонад. Виноградину сейчас же окружат пузырьки углекислого газа, и она всплывает.
ЦЕХ НА СТОЛЕ
Когда из руды получен металл, из него отливают либо болванки-заготовки для дальнейшей обработки на прокатных станах или металлообрабатывающих станках, либо готовые детали, требующие после отливки лишь незначительной обработки.
Многие детали машин отливают из чугуна, бронзы, меди и других металлов.
Но существует и другой способ изготовления деталей машин — штамповка. При горячей штамповке нагревают кусок металла — заготовку — до необходимой температуры, чтобы она стала достаточно «мягкой». Затем ее закладывают в разъемный штамп и сжимают под мощным прессом или молотом. Иногда сразу получить готовую деталь нельзя, и тогда заготовка переходит последовательно через несколько «ручьев», как называют углубления в штампах. Деталь все больше и больше приобретает законченный вид. После окончания штамповки, если в этом есть надобность, деталь подвергается обработке: удаляется заусенец, сверлятся отверстия.
Произвести отливку из металла в домашних условиях нам не удастся. Но познакомиться с изготовлением ли-
тейной формы и получить отштампованную деталь из пластилина мы сможем.
Для первого раза изготовим из пластилина катушку.
Начнем с формы. Для изготовления литейной формы делается деревянная модель будущей детали. У нас модель уже есть — деревянная катушка из-под ниток. Хорошо размельчите глину и удалите из нее посторонние частицы. Замесите глину на воде как крутое тесто (если воткнуть в нее палец, отверстие должно оставаться). Возьмите коробочку от спичек и заполните ее глиной. То же проделайте и с другой коробочкой. Поверхности глины разровняйте ножом. Вдавите в одну из коробочек боковой стороной катушку, предварительно хорошо смазав ее жиром. Затем положите на глину, которая окружает вдавленную (до половины) катушку, листок плотной промасленной бумаги с вырезом силуэта катушки. Прижмите бумажку к глине и накройте катушку второй коробочкой с глиной, сдавите коробочки так, чтобы они сошлись. Сделайте на них метки и разнимите. Выньте оставшуюся в одной из коробочек катушку. Теперь нужно, чтобы глина в коробочках медленно высохла.
При отливке металлического изделия в глиняной или металлической форме в ней сверху делается конусообразное отверстие — литник, для заливки металла. А в другой, самой высокой, части формы отверстие — выпор, для выхода газов и лишнего металла при литье.
Итак, когда наша форма хорошо высохнет, в нее нужно заложить пластилиновую заготовку — слепленную из пластилина катушку. Пусть она получится очень несовершенной, будем считать, что заготовка прошла через «грубый» штамп. Заложите ее в углубления одной из половинок формы, накройте второй половинкой формы и сильно сдавите коробочки. Разнимите аккуратно форму. Возможно, одну из половинок формы придется разломать. Срежьте острым ножом заусенец вокруг катушки, и изделие почти готово: осталось сделать сквозное отверстие.
При отливке или штамповке небольших металлических изделий отверстия при дальнейшей обработке сверлят. Если же нужно отлить большую деталь, в литейную форму вставляют глиняный стержень по форме будущего отверстия. Когда отливка готова, глину удаляют.
Конечно, готовое изделие у вас может получиться не очень «чистым». Но при некотором навыке можно добиться хороших результатов. Во всяком случае, вы теперь имеете представление и о литье, и о штамповке.
ТАЙНА ПРОЧНОСТИ
Существует увлекательная наука, изучающая сопротивление материалов.
Увлекательная она потому, что раскрывает перед изучающими ее тайну прочности домов, башен, мостов, железнодорожных линий, машин, грандиозных плотин, туннелей, арок, самолетов, кораблей, подводных лодок...
Конечно, эта наука применяется не во всех случаях жизни. Например, когда строят небольшой пешеходный мостик, вряд ли кто делает его точный расчет. Берут материалы — балки и настил, достаточно прочные «на глаз», способные выдержать несколько человек, которые могут одновременно пройти по такому мостику.
Другое дело, когда строится железнодорожный мост. Здесь надо подсчитать все возможные нагрузки, учесть
все силы, какие могут действовать на готовый мост, вплоть до бокового давления ветра.
Но не только при постройке грандиозных сооружений нужно делать расчеты на прочность. Разве хорошо, если поднятый за ручку стеклянный кувшин, наполненный водой, вдруг оторвется от ручки и разобьется на мелкие куски?
При изготовлении кувшина тоже следует задуматься, какой толщины сделать ему ручку, чтобы получилось прочно, красиво и экономно.
Наука о сопротивлении материалов изучает все виды изгибов, поломок, разрывов, то есть все виды деформации, которые могут произойти с различными материалами, изучает способы расчетов, не допускающих появления этих деформаций.
На простых опытах мы познакомимся с теми случаями, когда прочность недостаточна и материалы не выдерживают нагрузок.
Но прежде установим, что такое прочность.
Прочностью различных строительных материалов и деталей машин называют их способность противостоять воздействующим на них силам. Эта способность зависит и от того, хрупкий или эластичный взят материал, и от того, какой он толщины, длины, формы.
Все сложные деформации, то есть изменения первоначальной формы и размеров различных деталей, можно свести к некоторым простейшим видам деформаций.
Проделаем несколько опытов, которые помогут нам познакомиться с этими деформациями.
Растяжение
Сила в этом случае действует на деталь наружу, стремясь растянуть и разорвать ее. Например, когда вы упражняетесь на кольцах — веревки испытывают растяжение.
Палочка из пластилина, изображающая в нашем опыте балку с круглым сечением, при растяжении начинает утончаться и затем в наиболее тонком месте разрывается.
Сжатие
При сжатии сила направлена внутрь тела. Она стремится сдавить, смять его. Кубик, сделанный из пластилина, не выдержав чрезмерной нагрузки, расплющивается.
Срезывание
Когда действуют силы, стремящиеся переместить в разные стороны соседние участки тела, происходит деформация, называемая срезыванием или скалыванием.
Соедините заклепкой из пластилина или воска две линейки или дощечки с одинаковыми круглыми отверстиями. Затем сдвиньте линейки в разные стороны, и вы увидите, что пластилиновая заклепка срезана в том месте, где линейки соприкасались друг с другом.
Поперечный изгиб
Эта деформация может возникнуть у так называемых балок — деталей, имеющих длину значительно большую, чем их сечение. Сила в этом случае действует перпендикулярно к продольной оси балки.
Спичка в наших опытах будет миниатюрной балкой. Укрепленная на двух опорах, она при нажатии на ее середину ломается в месте нажима.
Спичка, закрепленная у одного своего конца, под действием силы ломается в месте крепления.
Излом происходит всегда там, где больше так называемый изгибающий момент — произведение силы на плечо (расстояние от точки приложения силы до места крепления балки).
Продольный изгиб
При продольном изгибе сила действует вдоль оси балки, как и при сжатии.
Эту деформацию можно проследить, например, нажимая на линейку, поставленную вертикально. Пока сила незначительна, линейка выдерживает сжатие, а затем теряет устойчивость, сразу выгибается и может сломаться.
Кручение
Валы во время работы и болты, когда затягивают на них гайки, испытывают скручивающее усилие. Силы, вращающие детали, стремятся повернуть одно поперечное сечение относительно другого в параллельной плоскости.
Зажмите один конец пластилинового валика и вращайте его за другой. Вы убедитесь, что частицы валика, стремясь передвинуться под действием вращающей силы, не выдерживают дальнейшего перенапряжения, отрываются друг от друга, и валик ломается.
Когда конструируют машины, всегда учитывают, как направлены силы, действующие на их отдельные детали. Высчитывают величину этих сил и берут детали таких размеров, чтобы они могли выдержать все приложенные к ним нагрузки.
МЕТАЛЛ УСТАЁТ
На первый взгляд кажется странным, как это металл может вдруг устать. Но на самом деле это слово очень метко выражает то, что происходит с некоторыми деталями машин. Они во время работы подвергаются либо быстрой смене сжатия и растяжения, либо быстрым изгибам в разные стороны.
Вам часто приходилось, не имея под рукой нужных инструментов, ломать проволоку или забитый наполовину гвоздь, быстро сгибая их то в одну, то в другую сторону.
Выражаясь техническим языком, вы подвергали проволоку или гвоздь знакопеременной нагрузке, если считать, что сгибание в одну сторону — это «плюс», а сгибание в другую сторону — «минус».
Частицы металла в месте, наиболее подвергающемся такой быстрой смене нагрузок, расходятся, образуются «усталостные трещины», и затем происходит полное разрушение — разрыв.
В месте излома даже невооруженным глазом хорошо видно, что поверхность неровная, зернистая, видны крупинки металла.
Конструкторы хорошо знают, что металл может «уставать», и при конструировании машин либо стараются избежать таких знакопеременных нагрузок, либо, когда избежать этого никак нельзя, делают детали повышенной прочности.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
