Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
85
Пуговица-жужжалка
Для опыта нам потребуются: большая пуговица, веревочка или длинный шнурок.
Это старинный забавный опыт, в котором работают силы инерции, силы упругости и даже аэродинамические силы – все вместе! А показывал мне его еще мой дедушка.
Сам опыт очень прост. Берется большая – чем больше, тем лучше – пуговица, и через ее дырочки продевается веревочка, которая завязывается так, чтобы получилось веревочное кольцо. Ниточку лучше взять подлиннее. Так лучше «жужжит».
На фотографии видно, что обычная веревочка просунута в дырочки пуговицы. Лучше брать пуговицу с двумя дырочками.
Теперь, собственно, как сделать из этого прибора жужжалку? Продеваем указательные пальцы в петли по бокам и закручиваем пуговицу так, чтобы веревочка свилась на много-много оборотов. Как на фотографии.
На фотографии я растягиваю и свожу руки, а пуговица жужжит и жужжит… пока нитка не порвется!
Теперь начинаем аккуратно тянуть веревку в стороны, плавно, без особых усилий. Пуговица начнет крутиться, все быстрее и быстрее. В тот момент, когда веревка раскрутится и начнет заворачиваться в другую сторону, перестанем тянуть, немножко сведем руки. Только не слишком сильно, чтобы веревка была все время чуть-чуть натянута (а то она просто спутается). Когда пуговица завернет веревочку в другую сторону и начнет останавливаться, опять потянем в разные стороны. Пуговица начнет раскручиваться в другую сторону. И так до бесконечности. Мы потихонечку то тянем в стороны, то ослабляем натяжение – а пуговица крутится туда-сюда.
Если веревочка достаточно длинная, а пуговица большая и тяжелая, то при вращении она издает приятный жужжащий звук, словно немножко фырчит! Вот и готова жужжалка.
Что же происходит?
Когда мы тянем закрученную веревку, мы заставляем ее раскручиваться, веревка передает свою энергию пуговице, и вся система начинает вращаться. Это работают силы упругости – помните закон Гука, который мы изучали на шарике? Когда веревка раскрутится, в действие вступают силы инерции. Пуговица продолжает движение и уже сама начинает работать как мотор, закручивая веревку в другую сторону.
Ну, а воздух, обтекающий вращающуюся пуговицу (это аэродинамические силы), завихряется в дырочках, и возникают волны, звук. Мы слышим глухое жужжание!
Так, кстати, в древности выделывали ремни. Подвешивали на петле из кожи большой, тяжелый камень и закручивали. Камень начинал вращаться под действием сил инерции туда-сюда, растягивая и напрягая кожу. Кожа от этого разминалась и становилась мягкой и пригодной для изготовления хороших ремней!
А еще на подобном принципе была устроена одна из страшных разрушительных машин древности, катапульта. Частью ее устройства были скрученные ремни или веревки, которые, раскручиваясь, передавали свою энергию вылетающему из катапульты камню… Вот так по-разному можно использовать один и тот же физический прибор.
86
Бумеранг за пару часов
Для опыта нам потребуются: две деревянные линейки по 50 см, напильник, клей, инструмент, чтобы просверлить дырочки в линейках, прочные нитки.
Мало кто имел возможность бросать настоящий бумеранг, который правда возвращается. В магазинах иногда продают пластмассовые бумеранги, только чаще всего они как-то плохо летают. А когда пытаешься сделать бумеранг по чертежам из серьезных книжек, то оказывается, что надо вырезать сложные профили, что-то непонятно настраивать… И вообще мало кто объясняет, а почему же он возвращается.
На фото: я не дую, бумажка свисает вниз как язык.
Мы попробуем сочетать приятное с полезным. Обещаю, что бумеранги, сделанные по моей технологии, будут хорошо летать и возвращаться. Между тем материалы, которые нужны для их изготовления, – две деревянные линейки по пятьдесят сантиметров, которые продаются в любом канцелярском магазине, да напильник. Ну, клей еще. Все! И ничего сложного. Мало того, когда сделаешь свой собственный бумеранг и будешь при этом четко понимать, что происходит при его броске, то можно сознательно, с умом изменять его параметры, делать разные бумеранги, а не делать что-то вслепую, методом проб и ошибок. Поэтому я сначала дам достаточно подробно пояснения, а потом расскажу, как сделать сам бумеранг. Кто нетерпеливый, все равно прочитайте пояснения, потерпите – и заодно воспитывайте силу воли!
Итак, давайте поймем, почему бумеранг возвращается. Для этого начнем с простого опыта. Возьмем полоску бумаги шириной один-два сантиметра (отрежем край от газеты). Поднесем ко рту, пусть свисает как язык.
Если теперь подуть сильно вдоль бумажки поверху, то она вдруг «притянется» к струе и выпрямится, будто язык выпрыгнул вверх и вперед.
Но стоит мне подуть вдоль бумаги, как она поднимается вверх!
Почему так происходит?
В свое время физики (например, великий Бернулли) заметили, что если поток жидкости или газа дует вдоль поверхности предмета, то он как бы присасывает предмет к себе. Причем чем быстрее движется газ, тем больше эта сила.
Но это если предмет обтекает воздух с одной стороны. А давайте рассмотрим, что будет, если предмет обтекается с двух сторон. Предположим, что с одной стороны предмет прямой, а с другой – выгнут углом или по дуге. Воздух разорваться не может, поэтому, набегая на предмет и обтекая его с двух сторон, потоки должны обежать его за одно и то же время. Получается, что сверху воздуху надо бежать быстрее!
А значит, что с этой стороны сила будет больше и предмет начнет «притягиваться» в ту сторону, с которой он больше искривлен.
На этом основана работа всех самолетных, вертолетных и прочих крыльев.
Я условно нарисовал крыло в виде треугольника – это крыло в разрезе. Если вы приглядитесь к любому самолетному крылу, вы увидите, что сверху оно выпуклое, а снизу – ровное. Таким образом, когда самолет разгоняется и крылья начинает обдувать воздух, сверху крыло как бы «присасывается» к воздушному потоку, возникает подъемная сила.
Почти все думают, что, когда самолет разгоняется, набегающий поток воздуха «подталкивает» его снизу крыльев и он «опирается» на воздух. А вот и наоборот! Самолет присасывается крыльями к воздуху сверху! Словно кто-то гигантской присоской держит его за крылья.
Теперь уже мы достаточно знаем, чтобы перейти к бумерангу.
Обычно бумеранг изображают в виде кривой деревяшки, напоминающей букву «Г». Такие делали австралийские и египетские охотники и бойцы в древности. Мы сделаем гораздо более простой, но точно так же возвращающийся крестообразный бумеранг. Представьте себе обычный ровный крест из дерева как вертолетный винт, при этом все «лопасти» представляют собой крылья. То есть сверху они выпуклые, а снизу – плоские. Если такой винт будет вращаться, то возникнет подъемная сила, которая будет притягивать бумеранг и сдвигать его в сторону выпуклой стороны. Давайте рассмотрим схему.
Бумеранг бросают вперед так, чтобы он летел в вертикальном положении, чтобы он словно колесо «катился» в воздухе. Как колеса не ездят «лежа», так и бумеранг должен «катиться» вперед. Он и вращается, и одновременно передвигается по горизонтали по направлению к цели. Я показал двумя большими стрелками, что бумеранг вращается и движется вперед. Мы смотрим на него как бы сбоку (его бросили мимо нас слева направо).
Смотрите, что происходит. Нижнее крыло бумеранга всегда будет за счет вращения как бы «возвращаться» назад, и скорость его относительно воздуха будет небольшой. У колеса тоже та точка, которая прикасается к земле в данный момент, неподвижна (иначе бы шины мгновенно стирались). А вот верхнее крыло, наоборот, движется быстрее, потому что его скорость складывается из скорости движения центра (всего) бумеранга и скорости вращения.
Из всей этой запутанной картины нам ясен очень простой вывод: верхнее крыло обтекается быстрее воздухом, чем нижнее! Все!
Что из этого следует? Что на верхнее крыло начнет действовать сила больше, и бумеранг начнет поворачиваться в воздухе. На него как будто бы надавили невидимым пальцем так, что его верхнее крыло начнет отклоняться в сторону выпуклой стороны.
И тут начинается самое интересное! Это все мы описывали так называемые аэродинамические силы. Это силы, которые возникают в потоках газов. А есть еще другие силы, которые тоже вступают в игру. И здесь мы опять должны для понимания познакомиться с таким занятным прибором, как гироскоп.
Все в детстве играли с волчком. Крутишь его – и он стоит на кончике! И какие-то загадочные силы удерживают его от падения. А остановится – и падает.
У наших предков, кстати, была занятная игра – «кубарик». Из дерева вырезали волчок, раскручивали его. Для этого на него наматывали веревочку и дергали ее, придерживая кубарик пальцем. Кубарик раскручивался и стоял на кончике. Чтобы он не падал, его подстегивали маленьким кнутиком. Задача была заставить кубарик крутиться как можно дольше.
