Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Это старинный опыт, не я его придумал, но, когда я спрашивал про него знакомых детей и их родителей, оказывается, его мало кто знает. Поэтому я решил тоже поместить его в этой книге. Опыт очень простой, но эффектный. Берем обычный стакан и наливаем его водой из-под крана до самых краев, чтобы не оставалось уже места, вода почти выливалась.
Теперь берем квадратный кусок плотной бумажки, только не газеты – лучше бумаги от принтера. Его размер должен быть таким, чтобы бумага полностью накрывала стакан и слегка торчала по краям.
Аккуратно накрываем стакан бумагой, слегка прижимаем к краям, накрыв сверху ладонью. Теперь берем и быстро переворачиваем стакан, полный воды, чтобы одна рука поддерживала ладонью лист бумаги, а другой мы держали перевернутый стакан за дно.
Если теперь убрать снизу ладонь, бумажка должна отвалиться под напором воды и вся вода вылиться?
Вот обычный стакан с водой, накрытый бумагой. Воды – до краев.
Как бы не так. Убираем ладонь – бумага словно прилипла к краям, вода в стакане не выливается! (Рекомендую, правда, для начала опыт делать над раковиной – иногда не получается, и тогда вода все-таки выливается прямо на пол.)
А вот я его перевернул – и вода не выливается!
Почему вода не выливается из стакана? Да потому, что воздух, наша атмосфера, давит с другой стороны на бумажку и не дает воде вылиться. Обычно мы не обращаем внимания на давление воздуха. А между прочим, с давлением связана работа огромного количества различных приборов.
71
Еще об атмосферном давлении, или Опыт в «Макдоналдсе»
Для опыта нам потребуется: напиток с соломинкой.
Мы помним опыт с перевернутым стаканом, из которого не выливалась вода. А подобный опыт, только упрощенный, можно проделать для своих друзей во время посещения любого кафе, например «Макдоналдса», где подают напитки с соломинкой. Возьмите соломинку, опустите в жидкость и заткните сверху пальцем. Теперь, не отпуская пальца, поднимите соломинку, держа ее над стаканом.
На фото я вытягиваю соломинку из банки с подкрашенной жидкостью. Внутри видно, что верхняя часть – желтая, а дальше содержится жидкость.
Понятно, что роль листочка бумаги, который не давал воде вылиться, прижимаемого атмосферным давлением в опыте с перевернутым стаканом, играют силы поверхностного натяжения жидкости. Они формируют упругую пленку, невидимую глазу, но достаточно крепкую. Воздух давит снизу на жидкость и не дает ей вылиться из соломинки.
Если мы уберем сверху палец, воздух начнет давить на жидкость одинаково с двух сторон – и под действием силы тяжести жидкость выльется обратно в стакан.
Этот опыт легко проделать в любом кафе и показать своим друзьям без всякой подготовки.
72
Яйцо-батискаф, или Вода из Мертвого моря
Для опыта нам потребуются: высокая стеклянная банка, соль, куриное яйцо.
Этот опыт описан у великого мастера опытов Я.И. Перельмана, но я включил его в свои опыты, немного изменив, потому что опыт очень простой и очень хороший. Он дает понимание того, что такое «плотность».
Мы все знаем, есть предметы более плотные (и обычно более тяжелые), а есть «рыхлые», или неплотные. Например, если положить рядом кусок пенопласта и кусок гранита одинаковых размеров, то пенопласт будет явно менее плотным материалом. Но с твердыми предметами это более-менее понятно, а вот как быть с жидкостями и газами?
Вода, например, является практически несжимаемой жидкостью. То есть если у нас будет один кубический метр воды (это кубик размерами метр на метр на метр), то сжать его даже огромным давлением до кубика, скажем, полметра на полметра на полметра, не удастся – или нужно применять усилия буквально в миллионы тонн.
Однако плотность воды может сильно различаться. В основном это зависит от содержания в воде различных примесей. Чаще всего такой примесью бывает обычная соль. Чем больше соли растворено в воде, тем плотнее вода. В далекой стране Израиль есть целое огромное озеро, вода в котором ужасно соленая – и очень плотная. Человек в этом озере (оно называется Мертвое море) не может даже нырнуть и лежит на воде без надувного матраса! Мы попробуем следующий простой опыт. Возьмем высокую стеклянную банку, нальем воды и положим туда обычное куриное яйцо.
Яйцо опустится на самое дно, потому что его плотность чуть меньше, чем плотность чистой водопроводной воды. Теперь будем бросать в банку столовые ложки соли и размешивать аккуратно – до тех пор, пока яйцо не начнет потихонечку всплывать. Можно добиться того, что яйцо зависнет посередине банки как настоящий глубоководный аппарат, не всплывая на поверхность и не опускаясь на дно! Вот как это выглядит в моем опыте (смотрите фотографию).
Насыпая соль в банку и растворяя ее, мы изменяли такой важный параметр, как плотность. Все предметы, плотность которых больше плотности воды, будут в ней тонуть. Те предметы, плотность которых меньше, будут всплывать. А те, у которых плотность одинаковая с водой, будут занимать равновесное положение – ни тонуть, ни всплывать.
Яйцо-батискаф. Висит между дном и поверхностью воды.
Здесь есть одна маленькая хитрость. У дна, где больше соли, плотность раствора немного больше. На поверхности, куда соль доходит «с опозданием», – плотность меньше. Поэтому яйцо и зависает посередине, примерно на той границе, плотность воды у которой равна плотности яйца.
Фактически мы получили физический прибор – «плотностеметр», если можно так выразиться!
Теперь становится понятно, почему в море или океане с соленой водой плавать легче, чем в пресном озере. В пресном озере плотность воды меньше и тело не так сильно выталкивается на поверхность.
Некоторые могут сказать: а как же плавают корабли, сделанные из железа? Ведь железо гораздо плотнее воды!
Отвечу. Конечно, железо намного плотнее воды. Если мы возьмем кусок железа и бросим в воду, вряд ли он всплывет – это только в сказках волшебный топор из железа или золота всплывал на поверхность. Но корабли сделаны так, что железо опускается в воду вместе с огромным количеством воздуха (который внутри корабля). Если взять всю массу корабля и поделить на объем вместе с воздухом – то получится плотность, которая меньше плотности воды. Поэтому если в днище корабля образуется пробоина – корабль тонет.
Законы физики не обманешь.
73
Сила в сантиметрах, или Наглядно закон Гука
Для опыта нам потребуются: воздушный шарик, фломастер.
В школе проходят закон Гука. Жил такой знаменитый ученый, который изучал сжимаемость предметов и веществ и вывел свой закон. Закон этот очень простой: чем сильнее мы растягиваем или сжимаем предмет, тем сильнее изменяются его размеры. Или по-научному: изменение длины предмета прямо пропорционально приложенной к нему силе растяжения или сжатия.
Понятно, что разные предметы сжимаются и растягиваются по-разному. Резина легко тянется, а вот мрамор или кирпич почти не сжимаются, лопаются.
Можно ли как-нибудь наглядно «увидеть» действие закона Гука? Я приведу очень простой опыт, в котором мы сможем видеть сразу, как действует сила на предмет.
Возьмем обычный шарик и надуем его. На поверхности нарисуем фломастером клетку. (Я пробовал рисовать шариковой ручкой, и шарик лопнул, изрядно меня напугав.) Получилось как на фотографии.
Шарик с нарисованной клеткой.
Сдутый шарик с лозунгом.
Теперь «сдуем» шарик, и получится резиновая тряпочка с маленькой клеткой, нарисованной на нем. На фотографии видна даже надпись – «Физика – это интересно!».
Шарик растягивается – клетка деформируется. «Гукометр» в действии.
Если мы теперь будем растягивать шарик, прикладывая к нему силу растяжения, мы увидим, как изменяет свои размеры, деформируется наша клетка. Отлично видно, что где приложена сила – там и изменяются геометрические размеры шарика. Можно растягивать шарик в разные стороны сильнее или слабее, а наша нарисованная система координат будет сразу показывать, где и как приложена сила! Можно взять обычную линейку и замерить в сантиметрах размеры клетки, а потом – насколько эти размеры изменились, ровно в такой же степени меняется приложенная сила. Мы получили из шарика прибор, назовем его «гукометр». Прибор для демонстрации закона Гука «вживую»!
74
Капли в банке, или Ядерный взрыв вверх ногами
Для опыта нам потребуются: высокая стеклянная банка или ваза, черная тушь, пипетка.
Вода обычно прозрачная. Мы с трудом можем понять, как движется сама масса воды внутри, если только в воде что-нибудь не плавает. А ведь движение воды изучается очень многими учеными, целыми специальными институтами. Почему? Потому что это очень важно для хорошей работы многих приборов и устройств. Например, понимая, как движется вода, можно лучше управлять кораблями и избежать столкновений. Приведу один пример. Когда два очень больших океанских судна идут рядом друг с другом, а между ними остается узкая полоска воды, возникает особая сила, которая начинает притягивать корабли друг к другу. Пока этого не знали, случались катастрофы именно по этой причине.
