Том Тит - Веселые научные опыты и эксперименты
«Дерни за веревочку»
Оборудование и принадлежности:
• обычная хлопковая нить;
• грузик массой 100–200 г
(груз и подвес можно изготовить из деталей детского металлического конструктора).
Несмотря на кажущуюся простоту, предлагаемый опыт (рис. 40) весьма показателен, поскольку объединяет в себе действие нескольких физических законов – упругих деформаций и инерции.
Если нижнюю нить натягивать медленно, то оборвется верхняя нить (рис. 44, а).
Если же за нижнюю нить резко дернуть, можно ее разорвать, но при этом верхняя нить останется целой (рис. 44, б).
Рис. 44
Чтобы объяснить, почему разрушение нити произошло в том или ином месте, следует рассмотреть процессы, предшествующие этому. Итак, тяжелый груз подвешен на нити, а снизу к грузу прикреплена нить той же прочности.
Следовательно, верхняя нить уже растянута до определенной длины и ее сила натяжения уравновешивает гравитационную силу притяжения груза. Медленно натягивая нижнюю нить, мы вызываем перемещение груза вниз.
При этом растягиваются обе нити, однако верхняя нить оказывается растянута сильнее, поскольку уже была частично растянута, и поэтому рвется верхняя нить.
Если же резко дернуть за нижнюю нить, то вследствие большой массы и инертности груза он даже при значительной силе, действующей со стороны нити, лишь незначительно ускоряется; за короткое время рывка груз не успевает приобрести заметную скорость и сколько-нибудь заметно переместиться.
Следовательно, верхняя нить практически не удлиняется и остается целой, а нижняя нить испытывает критические и запредельные деформации и рвется.
Подобным образом происходят разрывы и разрушения различных движущихся тел и в других случаях. Чтобы избежать нежелательных деформаций при резком изменении скорости, нужно применять демпфирующие (амортизирующие) устройства. Так, например, на подъемных кранах со стальными нерастягивающимися тросами между тросом и крюком устанавливают специальную пружину (амортизатор), которая может, не разрываясь, удлиняться и таким образом предохранять трос от разрыва.
Газовый термометр
Оборудование и принадлежности:
• стеклянная бутылка;
• пробка;
• одноразовая капельная система;
• кастрюля.
Трудно переоценить значение влияния температуры на физические и биохимические процессы, протекающие вокруг и внутри нас. Поэтому во все времена ученые работали над совершенствованием способов и технологий измерения температуры. Один из методов измерения температуры основан на законе Шарля (известнейшего французского физика), гласящего, что при постоянном объеме газа давление пропорционально температуре, то есть чем выше температура, тем выше давление. (Для жидкостей это соотношение также справедливо, но коэффициент температурного расширения жидкостей намного меньше, чем у газов, и, следовательно, жидкостные термометры менее чувствительны.)
Именно основываясь на этом принципе, предлагаем вам создать свой термометр (рис. 45). Возьмите стеклянную бутылку (1) (важно, чтобы она была сухой и чистой; чем больше объем бутылки, тем точнее и чувствительнее будет прибор) и герметично заткните ее пробкой (2). Предварительно вставьте в пробку толстую иглу (3) капельницы, при этом разрезать капельницу нигде не нужно – она сможет послужить и для других опытов. Затем, используя все ту же капельную систему, изготовим жидкостный манометр, который будет показывать изменения давления и соответственно температуры внутри бутылки.
Рис. 45
После заполнения рабочей жидкостью для выравнивания, то есть обнуления показаний манометра, нужно разъединить на короткое время и снова соединить трубочки между пробкой бутылки и манометром. При проведении этой операции очень выручает соединительная пластиковая муфта (4) на конце капельницы.
Таким образом мы выравниваем давление до атмосферного и в бутылке, и в манометре. В принципе, прибор уже готов к работе и будет реагировать на изменения температуры, но его еще необходимо торрировать и откалибровать (сделать его показания понятными и точными).
Для этого поместите бутылку в кастрюлю (5) с чистой водой так, чтобы из воды выглядывало 2–3 см горлышка бутылки.
Для того чтобы исключить температурное влияние металлического дна на показания прибора, подставьте под дно бутылки деревянный брусок (6) толщиной не менее 50 мм. Затем в воду добавьте лед в достаточном количестве, чтобы охладить ее до 0 °C, то есть до температуры плавления льда (для облегчения измерений можно воспользоваться обыкновенным уличным термометром). При понижении температуры давление газа в бутылке будет понижаться, и соответственно столбик жидкости на выходном конце (плече) манометра будет опускаться. Когда температура воды в кастрюли достигнет 0 °C, отметьте на манометре-термометре значение 0.
Теперь оставьте кастрюлю на плиту и доведите воду до кипения. В результате вы будете наблюдать постепенный рост давления и температуры, то есть столбик жидкости в выходном плече манометра будет подыматься, а во входном – наоборот понижаться. По достижению кипения обозначьте положение жидкости отметкой 100. Осталось разбить отрезок между метками 0 и 100 на необходимое количество равных делений – термометр готов.
Нагреть или охладить
Оборудование и принадлежности:
• автомобильная или велосипедная шина;
• насос;
• термометр.
Если вам доводилось накачивать насосом автомобильную или велосипедную шину, то вы не могли не заметить, что при этом соединительный шланг насоса заметно нагревался (рис. 46). Это и понятно, ведь, сжимая газ внешней силой, вы производите работу, в результате которой внутренняя энергия газа увеличивается, а следовательно, повышается его температура, то есть происходит нагрев.
Рис. 46
Теперь предоставим возможность сжатому газу расшириться и произвести работу против сил внешнего давления. Для этого дадим некоторое время остыть накаченной шине, а затем приоткроем запорный ниппель и в струю выходящего расширяющегося газа поместим термометр (рис. 47). Вы непременно заметите, что столбик термометра несколько понизится, что укажет на понижение температуры в исходящем потоке расширяющегося воздуха. Это говорит о том, что при расширении газ совершает работу – он охлаждается и его внутренняя энергия убывает (этот процесс называют дросселированием). Нагревание газа при сжатии и охлаждение при расширении являются выражением закона сохранения энергии. Именно на основе этого явления работает большинство холодильных машин и кондиционеров.
Рис. 47
Рассмотрим эти процессы подробнее. Когда молекула газа ударяется о неподвижное препятствие и отскакивает от него, скорость, а следовательно, и кинетическая энергия в среднем не изменяются. Но если молекула ударяется и отскакивает от надвигающегося на нее поршня (например, насоса или компрессора), то ее скорость и кинетическая энергия возрастают (подобно тому, как возрастает скорость теннисного мяча при встречном ударе ракеткой). Надвигающийся поршень передает отражающейся от него молекуле дополнительную энергию, следовательно, внутренняя энергия газа при сжатии возрастает. При отскакивании от удаляющегося поршня скорость молекулы уменьшается, поскольку молекула совершает работу, толкая удаляющийся поршень. Поэтому расширение газа, связанное с отодвиганием поршня или слоев окружающего газа, сопровождается совершением работы и приводит к уменьшению внутренней энергии газа.
Итак, сжатие газа внешней силой вызывает его нагревание, а расширение газа сопровождается его охлаждением.
Воздушный пистолет
Оборудование и принадлежности:
• одноразовый шприц емкостью 20 мл;
• винная пробка.
Из предыдущего опыта мы узнали, что при повышении давления повышается внутренняя энергия газа, следовательно, сжатый газ способен выполнять работу. Аналогично расширяющимся пороховым газам сжатый воздух может сообщать ускорение и метательному снаряду.
Давайте попробуем сделать примитивный однозарядный пневмопистолет. Для этой цели отрежьте от шприца емкостью 20 мл переднюю стенку, к которой присоединяется игла. В качестве снаряда будем использовать винную пробку. Кора пробкового дуба – материал мягкий и податливый, поэтому ее легко будет подогнать под необходимые формы. Отведите поршень шприца в крайнее положение, а со свободной стороны вставьте пробковый снаряд (рис. 48, а). Пробка должна входить плотно, но не слишком глубоко в ствол вашего импровизированного оружия.
