Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Как растут барханы в пустыне, или Про зыбучие пески
Для опыта нам потребуются: немного разных сухих сыпучих продуктов – манка, соль, сахар, гречка, растворимый кофе.
Не у всех есть возможность побывать в настоящей пустыне. Но все знают, что в песчаной пустыне ветер гонит горы из песка – барханы. Эти барханы могут вырастать довольно большими – сотня метров в высоту. Такая «горка» может завалить целую деревню!
Мы все играли в детстве в песочнице и строили куличики. И все знают, что из сухого песка куличик сделать сложно. Для этого песок надо намочить. А какие законы физики лежат в основе этого и как это можно использовать?
Оказывается, тут работает все та же сила трения, с которой мы уже встречались в наших опытах. Песчинки трутся друг об друга и поэтому не рассыпаются ровным слоем, а могут насыпаться в горку. Оказывается, что сила трения между песчинками определяет, каким будет угол подъема такой горки. Чем больше сила трения, тем «круче» горка. Если песчинки намочить, сила трения очень сильно возрастает, и горка может стать почти отвесной. Именно поэтому куличики легче делать из сырого песка.
Но если песок намочить слишком сильно, сила трения опять падает, потому что между песчинками образуется слой воды. И песок «расплывается». Но даже у сухого песка, в зависимости от того, из какого вещества в основном «сделаны» песчинки, угол для горки будет разным. Понятно, что кварцевый песок имеет одну силу трения, а, скажем, кремниевый – другую. Поэтому по углу подъема бархана можно судить о влажности и составе песка! Мы можем провести несложный опыт. Возьмем различные сухие сыпучие вещества, которые есть под рукой: манную крупу, гречку, соль, сахар, растворимый кофе. На чистом листе бумаги попробуем аккуратно насыпать небольшие горки из этих веществ. И увидим, что у всех у них угол подъема отличается. Это потому, что различается сила трения между частицами этих веществ. В принципе, можно составить таблицу для этих углов и определять, что за вещество, с закрытыми глазами – только померив угол возвышения! Теперь становится понятно, почему существуют зыбучие пески. Это пески, которые обычно состоят из слюды, очень легких и скользких частиц. Они почти не образуют барханов, потому что сила трения между частицами очень слабая. Зато если на такой песок наступает человек или животное – он начинает тонуть, как в воде… Но об этом – в следующем опыте.
60
Зыбучие пески: почему в них тонут
(продолжение)
Для опыта нам потребуются: банка растворимого кофе, металлический шарик.
Мы можем провести дома опыт – создать зыбучие пески и пронаблюдать, как в них тонут попавшие предметы.
Вместо песка у нас будет выступать растворимый кофе в банке. Сила трения между частицами кофе небольшая, как раз то, что нам нужно.
Найдите камушек или (лучше) металлический шарик и положите в банку с растворимым кофе на поверхность. Шарик будет лежать на поверхности и не будет тонуть.
Дело в том, что сила трения покоя (когда предмет не движется) больше, чем сила трения, когда тот же предмет скользит и движется. Поэтому спокойно лежащий шарик не тонет в наших «зыбучих песках».
Но если мы начнем потряхивать банку, постукивать по ней, то шарик постепенно начнет погружаться! Частицы кофе, двигаясь при встряхивании банки, скользят по шарику, и шарик постепенно опускается под действием силы притяжения Земли.
Теперь мы понимаем, как происходит затягивание в зыбучие пески. Например, какое-нибудь животное забредает на участок песка с низкой силой трения. Его начинает затягивать. Возникает паника – зверь начинает дергаться, пытаясь вырваться из ловушки. Чем сильнее рывки и движения, тем быстрее погружается тело в песок, пока не наступает гибель.
Как же вести себя в зыбучих песках? Во-первых, надо увеличить площадь соприкосновения с песком. Для этого надо спокойно лечь плашмя. Ведь чем больше площадь опоры, тем меньше давление, тем меньше затягивает в ловушку. Во-вторых, нельзя делать резких движений – нужно очень медленно, потихонечку «выгребать» к краю ловушки. Обычно это всего несколько метров. Надо вести себя так, словно в бассейне с водой, «плыть» к краю бассейна, только очень медленно, стараясь лежать плашмя. Ползти, грести – пока не выберешься на участок обычного песка.
А еще одним из признаков зыбучих песков является то, что они «поют» или «скрипят», издают разные звуки. Я был в таких песках, это очень интересно. Хотя, конечно, немного страшно.
61
Звук под водой
Скорость распространения звука в воздухе мы уже знаем – примерно триста тридцать метров в секунду. А вот интересно, в воде звук распространяется быстрее или медленнее?
Помните, я рассказывал про прохождение звука через стену? Так вот, чем более плотным является вещество, тем быстрее распространяется звук. Поскольку вода примерно в семьсот раз плотнее воздуха, то и звук должен бежать в воде гораздо быстрее.
Можно проделать очень занятный опыт летом в пруду или в бассейне – да хоть в домашней ванне! Надо на несколько секунд нырнуть под воду и постучать под водой двумя предметами друг об друга: камушками, ложками – чем угодно.
Вы услышите, что звук какой-то странный. Это потому, что ухо не так воспринимает звук под водой. Кроме того, в воздухе и в воде от одинаковых предметов звуковая волна будет различной формы и восприниматься будет по-разному.
Самое интересное, что, например, дельфины спокойно общаются на огромных расстояниях под водой, издавая звуки очень высокой частоты. То есть звуковые волны, колебания которых очень высоки, до двадцати тысяч раз в секунду и даже больше!
Мы же под водой говорить не можем, нам для создания звуков нужен воздух. Остается только изучить азбуку Морзе и перестукиваться камушками!
62
Фотоаппарат в глазу
Для опыта нам потребуются: обычное зеркало и настольная лампа.
Те, кто не знает устройства фотоаппарата, может заглянуть в объектив. Почти у каждого фотоаппарата есть специальный механизм, называемый «диафрагма». Это несколько «лепестков», которые сдвигаются или раздвигаются, делая входное отверстие для света то шире, то уже.
Понятно, зачем это нужно. Если освещение очень яркое, то дырочку надо сделать поуже, потому что света и так достаточно. А если темно – то дырочку надо сделать пошире, потому что света не хватает.
А вот наш глаз тоже имеет такой же механизм. Правда, он устроен немножко по-другому, но выполняет ту же задачу.
Чтобы посмотреть, как работает этот механизм, нам понадобятся обычное зеркало и лампочка рядом с зеркалом.
Подойдите к зеркалу, закройте глаза (для надежности прикройте ладошками) и досчитайте до трехсот. За это время ваши глаза привыкнут к темноте, и зрачки расширятся.
Мозг сам определяет, что в глаз попадает мало света и настраивает зрачки (диафрагму!) так, чтобы вход в глаз был пошире.
Теперь откройте глаза, включите лампочку и смотрите внимательно на зрачки. Вы увидите, как они резко сужаются, превращаясь в маленькие точечки! Это глаз реагирует на большое количество света, на высокую освещенность.
Значит, мы в своих глазах имеем очень интересный и сложный прибор, который позволяет глазу приспосабливаться к освещенности. И в пасмурный и в светлый день мы одинаково хорошо можем ориентироваться в обстановке и воспринимать окружающий нас мир, все благодаря такому интересному механизму.
63
Как превращается энергия
Для опыта нам потребуются: обычный насос, велосипед со спущенной шиной или футбольный мяч.
Мы не задумываемся о том, что очень много явлений вокруг связаны с постоянными превращениями энергии. Электрическая энергия превращается в тепловую, механическая в потенциальную и так далее. Пусть вас не пугают эти названия. Сейчас мы попробуем сделать очень простой опыт, который покажет, как механическая энергия превращается в тепловую. А если сказать по-простому, как движение (работа) превращается в тепло. Для этого нужны обычный насос и велосипед со спущенной шиной или футбольный мяч. Возьмите насос и начните как можно быстрее накачивать шину или мяч. Через некоторое время пощупайте резиновый шланг насоса – вы почувствуете, что он стал более теплым. Если клапан на шине старого образца, ниппельный, то нагревание может быть очень ощутимым! Что же произошло в этом простом опыте?
Наша энергия, наши движения, работа, которую мы проделали, превратилась частично в полезную работу (шина накачивается), а частично превратилась в тепло. Это тепло постепенно будет утекать в окружающую атмосферу, и через некоторое время шланг опять станет такой же температуры, как и окружающий воздух.
Значит, просто механическими движениями можно получать тепловую энергию? Да, это действительно так! И тут мы опять вспомним про добывание огня трением. Ведь там используется как раз это явление: механическая энергия превращается в тепло, причем с такой скоростью и силой, что материал (дерево, сухая трава) загорается!
