Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Поскольку почти на любой предмет действуют разные силы одновременно (ну, хотя бы сила притяжения Земли), то в любом предмете внутри существуют напряжения. Если мы начнем ломать толстую палку об колено, то мы ее, может быть, и не сломаем. Но пока мы давим посередине коленом и тянем двумя руками за концы, в палке возникают сильные внутренние напряжения.
Так вот, что происходит, если в стекле возникла трещина? Внутри стекла всегда существуют напряжения. А трещина – это по сути своей ущелье с очень острым, невероятно острым дном.
Два края стекла, по сторонам трещины, чуть-чуть шевелятся и сдвигаются при воздействии разных сил. И вся мощь, вся сила этих краев словно два огромных рычага действуют на острие трещины, на ту точку, где эти два рычага сходятся.
Чтобы понять действие этих сил, проделаем очень простой опыт.
Возьмите две любые, достаточно длинные палки. Подойдут две швабры, например. Сядьте на стул, сдвиньте колени и засуньте между сжатыми коленями эти палки так, чтобы они уперлись в пол между ступнями. Теперь эти палки – боковые поверхности трещины в стекле, а ваши руки на них – действующие силы. Попробуйте развести палки в стороны и при этом, разводя их руками, старайтесь удержать их в прежнем положении коленями. Руки слабее ног, но вы легко раздвинете собственные колени этими палками. Удержать палки практически невозможно. Здесь работает правило рычага, выведенное еще великим Архимедом. Оба «рычага» сходятся в одной точке и создают невероятную силу, разрывающую стекло пополам. Теперь мы понимаем, что трещина буквально разрывается двумя рычагами под действием даже слабых сил, сотрясений, давления… Такие точки, как острие трещины, называются «концентраторы напряжений», и при конструировании приборов, деталей ученые стараются избежать возникновения таких точек.
Что же делать с трещинами?
Конечно, для стекол существуют разные клеи, которыми заливают трещину целиком… Но можно ли использовать законы физики, чтобы избежать распространения трещины?
Оказывается, запросто. Чтобы рычаги перестали работать, их надо развести в стороны, они перестанут рвать стекло в одной точке. Для этого в конце трещины просверливается маленькая дырочка. Она уничтожает острие, где сходятся боковые поверхности трещины, рычаги, и трещина перестает ползти дальше!
Единственное замечание, что для автомобильных стекол этот метод работает плохо. Дело в том, что стекла на лобовом стекле состоят из многих слоев. Трещины идут сразу по всем слоям, и просверлить дырочку так, чтобы попасть сразу во все трещины, обычно не удается. Приходится заклеивать клеем.
91
Поймать радугу на бумагу
Для опыта нам потребуются: миска с водой, бесцветный лак или укрепитель для ногтей, черная бумага или черный кусочек страницы из глянцевого журнала.
Мы уже встречались с пленками и радугой – в мыльных пузырях. Но хотелось бы чего-нибудь более устойчивого… Чтобы руками можно было потрогать. Возможно ли это?
На помощь приходят знания. Почему образуются радужные пленки? Дело в том, что световые волны могут взаимодействовать друг с другом. Точно так же, как на поверхности воды в стоячей волне.
Но световые волны очень короткие. Если на море расстояние между волнами может быть несколько метров или даже десятков метров, то расстояние между световыми волнами во много-много миллионов раз меньше миллиметра! А свет, проходя через прозрачную тонкую пленку, отражается от обеих поверхностей (и верхней, и нижней) и на обратном пути начинает взаимодействовать. Часть лучей складывается, часть вычитается… в результате получаются очень необычные радужные эффекты.
Но это уже довольно сложная оптика. Мы же делаем простые опыты. Для этого опыта возьмем просто миску с водой, как на фотографии, и бесцветный лак для ногтей (или укрепитель для ногтей). Такие можно попросить у мамы или сестры, ну или купить дешевый в магазине. На фото все приготовлено к опыту.
На фото: лак и подготовленная ванночка с водой. В качестве ванночки я позаимствовал на время стеклянную жаровню.
Теперь капнем одну каплю бесцветного лака (укрепителя) для ногтей в воду. Она как бы «закипит» и тут же растечется по поверхности. Дело в том, что спиртовая основа лака заставляет его бурно растекаться в воде и лак застывает на поверхности тончайшей пленкой!
Посмотрим на поверхность так, чтобы в ней отражалась лампочка. Вы увидите, что по поверхности плавает тонкая радужная пленка. Налюбовавшись ею, попробуем перенести радугу на бумагу.
Возьмем черную бумагу (можно вырезать кусочек из глянцевого журнала, отлично подходит – там всегда есть черные куски на фотографиях).
Теперь аккуратно с краю подсунем бумагу под радужное пятно и поднимем кусочек бумаги с осевшей на нем пленкой. Только пальцами не трогайте! Пленка тут же скукожится и перестанет быть блестящей. Впрочем, опыт тем хорош, что его можно повторять много раз. Кроме кусочков черной бумаги и капелек лака, ничего и не надо!
На фотографии видно, что черный кусок бумаги стал весь с радужным отливом, как шея у селезня или райской птицы! Я положил его на край миски.
Оказывается, в природе именно это же свойство световых волн взаимодействовать между собой используют колибри, утки, голуби. На их перьях так устроена поверхность, что частично пропускает и отражает свет таким образом, чтобы зрителю казалось, что по оперению бежит радужная краска – синяя, зеленая, красная! Видели, как светится синим и даже фиолетовым шея у чистого, сытого голубя? Или перо на крыле селезня, особенно в брачный период? Тот же эффект.
Ну а мы эту радугу поймали на кусок бумаги!
92
Пульверизатор из соломинки
Для опыта нам потребуются: две соломинки (одна поуже, другая – пошире).
Стариннейший опыт, который демонстрирует закон, уже нам знакомый. Физик Бернулли в свое время понял, что если дует поток газа или воды, то образуется зона пониженного давления и этот поток «подсасывает» газ или воду из окружения.
Описывается он просто: надрежьте соломинку. Согните ее под прямым углом, чтобы образовалось отверстие. Погрузите в стакан с водой, чтобы отверстие было выше уровня воды, и дуньте. Из отверстия вылетят мелкие брызги.
Стал делать. Не тут-то было! То пузыри идут, то дуешь-дуешь, уже уши покраснели, а ничего никуда не вылетает.
Задумался. Понял, как опыт сделать на самом деле, чтобы получилось.
Во-первых, лучше взять две соломинки. Одну поуже, другую пошире. В широкую дуем, узкую ставим в воду. Чтобы вертикальная соломинка не падала, я ее просто поддерживал пальцами. А можно вырезать в пластмассовой крышке две дырки – в одну всунуть соломинку, а вторая дырка будет у нас для того, чтобы воздух проходил свободно в банку.
Во-вторых, надо, чтобы узкая соломинка не высовывалась из воды слишком высоко. Ведь сила «подсасывания» должна поднять воду до дырки, на это требуется энергия. Поэтому чем выше соломинка, тем сильнее надо дуть.
В-третьих, если вырезать разные дырки, складывать соломинки, то возникают неправильной формы края у дырки и потоки становятся непредсказуемыми (у меня из-за чуть отогнутого края часть потока с силой влетала в нижнюю соломинку, и вместо пульверизатора получился «бурбулятор» – пузыри шли).
Итак, вот работающий вариант опыта.
На фото видно: широкая белая соломинка приставлена к короткой красной под прямым углом, красная не слишком высоко выходит из воды.
Если не получается, еще больше снизьте высоту соломинки и дуйте сильнее! Обязательно получится!
93
Суп из карандаша
Для опыта нам потребуются: кастрюлька, деревянный карандаш, деревянная кисточка.
Есть такая русская поговорка: «Взялся за гуж – не говори, что не дюж». Немногие сегодня знают, что такое «гуж», зачем за него браться и почему с этим справиться может только очень сильный, то есть дюжий человек. Мы поставим простой опыт, который к тому же еще и очень забавный. Попробуем сделать гуж дома, на кухне. Оказывается, раньше, когда автомобилей не было и почти все ездили на лошадях, для перевозки грузов нужно было на лошадь надеть специальное приспособление. Это приспособление состояло из многих деревянных, кожаных, металлических систем, так вот гуж – это кожаная петля, которая крепилась к хомуту. Хомут – это деревянная дуга, согнутое почти пополам дерево. Кто «брался за гуж», тот должен был с усилием вставить дугу в крепления на оглобле. Поэтому и говорят, что слабому этого не сделать.
Но если для крепления дуги, хомута, была нужна сила – то какая же сила нужна, чтобы согнуть дерево в дугу? И как при этом дерево не лопалось? Оказывается, для того чтобы дерево стало податливым и его можно было сгибать, дерево нужно было распарить, сварить в воде – как варят суп! Давайте, проделаем следующее: возьмем обычный карандаш и положим его в небольшую кастрюльку, так чтобы он одним концом лежал на крае кастрюльки, а другим – на дне (как на фотографии). Я попробовал еще положить старую кисточку, тоже деревянную. Поварим на медленном огне все это хозяйство полчасика. Лучше, если у кастрюльки будет удобная ручка.
