Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Но как разглядеть движение жидкости?
Попробуем проделать очень красивый и простой опыт. Для него нам будут нужны высокая стеклянная банка или ваза и баночка с черной тушью.
Нальем банку водой доверху (я взял высокую вазу, не пожалел для опыта). Поставим на стол (подстелив газетку) и подождем минут двадцать. Вода должна успокоиться и перестать двигаться.
Теперь обычной пипеткой капнем в воду капельку туши.
Поскольку плотность туши больше плотности воды, капля станет опускаться на дно под действием силы тяжести – и начнет образовывать очень занятные формы. Словно огромный осьминог выпускает щупальца! Посмотрите на фотографии.
Теперь внимательно рассмотрим, как именно опускается тушь в воде. Мы видим, что капля разбивается на отдельные струи, которые распространяются в разные стороны. На конце каждой струи формируется что-то вроде кольца или грибка. Это хорошо видно на следующей фотографии, которую я специально обработал так, чтобы лучше было видно форму капель. Если присмотреться, то видно, что многие капли образуют вокруг струи кольцо. Кольцо окружает основную струю, а верхняя часть капли начинает напоминать гриб.
Эта картина напоминает перевернутый ядерный взрыв. И неслучайно. Оказывается, что законы для жидкостей и газов в некоторых случаях очень похожи. Формирование струи газа при определенных условиях похоже на формирование струи воды.
Капля опускается, как щупальце.
Капли образуют кольца и грибы при опускании. Фотография перевернута вверх ногами.
Что происходит, когда взрывается атомная бомба? Огромная энергия выделяется из взрывающегося урана, и температура в месте взрыва становится почти такой же, как на поверхности Солнца. Воздух мгновенно раскаляется и расширяется. Расширяясь, воздух становится менее плотным и начинает подниматься вверх, в атмосферу. Посмотрим на фотографию настоящего ядерного взрыва, произведенного на атолле (коралловом острове) в 1968 году французским правительством.
По своей структуре, то есть по тому, как взрыв устроен, он очень напоминает наши капли. Почему? Потому что схожи условия, в которых происходят и один и другой «опыты» (наш опыт, правда, мирный).
Это фотография ядерного взрыва, сделанного французами в 1968 году на атолле Фанкватауфа.
Получается, как будто воздушную каплю «капнули» в банку с холодным воздухом. Эта «капля» начинает подниматься, образуя струю (ножка ядерного гриба) и формируя очень запоминающийся «гриб». Точно по тем же законам, по которым формируется «гриб» на нашей капле в банке воды. Отличается только направление движения: воздух легче и поднимается вверх, капля тяжелее – и опускается вниз.
Таким образом можно проследить движение жидкости и законы образования различных форм.
Мало того, если мы сравним наши капли с фотографиями астрономов, где они стараются запечатлеть далекие галактики, то мы обнаружим много сходства. В далеком космосе блуждают непомерно огромные облака космической пыли, газа. Эти облака иногда натыкаются друг на друга, через них пролетают звезды и галактики. Конечно, все это длится миллиарды лет, но законы остаются одинаковыми, что для капли в банке, что для звездного газа. И астрономы с удивлением обнаруживают почти такие же картинки, что мы получили в обычной банке с водой и каплями туши! Вот фотография взорвавшейся 20 000 лет назад сверхновой звезды, сделана телескопом Хаббл. Звезда выплеснула газовые облака – посмотрите, как похожи эти космические газовые «занавески» на то, что получается в нашей банке через несколько минут после «капания». Я специально поместил эти фотографии рядом – видно, что процессы, идущие в обоих опытах, одинаковы. Только один опыт ставим мы, а другой – Творец Вселенной, наверное.
Это газ от взрыва сверхновой звезды в космосе.
А это следы капли через несколько минут.
Ученые часто создают для изучения каких-то очень больших явлений специальные условия, которые похожи по своей обстановке на эти явления. Например, сложно измерить и понять на летящем самолете, как его обтекают струи воздуха. Тогда делают маленький макет самолета и в лаборатории обдувают воздухом из специального вентилятора. И получают возможность изменять конструкцию самолета, разрабатывать новые модели.
Разве не удивительно?
75
Разные потоки вокруг нас
Для опыта нам потребуется: обычная свечка.
Если говорить про воздушные и водные потоки, то при всем их многообразии существует два принципиально различных потока. Один тип называется ламинарным, то есть спокойным, а другой – турбулентным, то есть беспорядочным, возбужденным, хаотическим. Простой опыт покажет, чем они отличаются. Если в комнате с закрытыми дверями и окнами, где нет движения воздуха, зажечь и погасить свечу, то от тлеющего фитиля будет подниматься ровный, практически прямой теплый поток дымка. На фотографии видна эта практически прямая, как нитка, струйка дыма. Такой спокойный, не возмущенный ничем поток называется ламинарным. Он хорош тем, что все частицы газа движутся как бы равномерно, без рывков и завихрений. Поэтому, хотя их скорость и невелика, ламинарный поток передает вещество гораздо более эффективно. Например, если бы из крана струя воды шла в виде ламинарного потока, то ведро воды набиралось бы за пару секунд!
Ламинарный поток от тлеющего фитиля. Практически ровная струя. Все окна и двери на моей кухне закрыты, воздух не колышется, я тихо дышу в сторону, чтобы не создавать колебаний воздуха.
Ламинарный поток превращается в турбулентный.
Но ламинарные потоки встречаются гораздо реже, чем турбулентные. Как только поток жидкости или газа набирает скорость или встречает другие возмущающие потоки, он разбивается на кучу вихревых образований и становится турбулентным. Вместо того чтобы спокойно передвигаться вперед, поток вращается тысячами микровихрей, затормаживая движение. На следующей фотографии отлично видно, как в какой-то момент ровная струйка ламинарного потока вдруг разбивается сама собой, «ломается» и превращается в хаотический набор вихрей…
Турбулентные потоки срываются с крыльев самолетов и из турбин, с краев мостов и зданий, возникают вокруг предметов… Практически они окружают нас всю жизнь, всегда. Только мы их не видим, потому что воздух прозрачен. Однако в научных исследованиях научились делать фотографии воздушных потоков и внимательно изучают их для конструирования автомобилей, самолетов, поездов, других технических приборов и средств передвижения. Мы же смогли увидеть их, используя обычную свечку.
76
Линза изо льда
Для опыта нам потребуется: воздушный шарик.
В одном из романов великого Жюля Верна путешественники оказались за полярным кругом, в страшном холоде, среди льдин и снегов – без огня! У них не было спичек, зажигалок, даже трением не могли они на морозе добыть огонь. Что делать?
Зная законы физики, они придумали очень занятную штуковину. Взяли большой кусок прозрачного льда, вырезали из него линзу, словно стеклянная линза из бинокля или обычное увеличительное стекло.
Возможно ли такое на самом деле? Я с детства хотел проверить этот опыт, но все никак не мог собраться. И вот придумал, как это сделать просто и быстро. Мне надо было доказать, что ледяная линза увеличивает, может фокусировать свет, как и стеклянная.
Для опыта нам понадобится обычный воздушный шарик. Я надел его на кран и налил воды так, чтобы он стал круглым, но не очень большим, примерно с блюдце в диаметре.
Шарик изо льда, заполненный водой внутри.
Затем завязал горлышко шарика узлом… и положил в морозилку! Стал ждать. Дело в том, что вода в шарике замерзает с краев – внутрь. Поэтому сначала образуется ледяная корка, а внутри шарика еще плещется вода. И надо вынуть шарик, пока еще не весь он промерз насквозь. Потому что мы уже знаем, что иначе лед внутри начнет распирать верхние слои и шарик треснет.
Все получилось, как и предсказывали законы физики. Я вытащил шарик, когда он промерз примерно на полсантиметра. Внутри видно было, как плавают пузырьки в воде. Посмотрите на фотографию, как забавно он выглядел, когда я содрал с него резиновую оболочку.
Я положил его в раковину на пластмассовую сетку, и на второй фотографии четко видно, что сетка сильно увеличивается, то есть шарик работает как большая линза!
Шарик, лежащий на сетке, – сетка увеличивается!
На фотографии хорошо видно, что пластмассовая сетка через линзу смотрится примерно в четыре раза больше, чем без увеличения. Это означает, что такой шарик изо льда увеличивает в четыре раза.
