Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
На фото видно, что на магнитных полюсах опилки «встали дыбом», по направлению магнитных линий.
Такой важнейший для человечества прибор, как компас, по сути дела представляет собой кусок железа, который выстраивается вдоль линий магнитного поля. Иголка компаса всегда направлена вдоль этой линии и позволяет нам находить дорогу в тумане, в темноте, в незнакомой местности. Надо сказать, что в моем опыте я использовал сначала магнит, вынутый из поломанного жесткого диска от компьютера (не CD-ROM, а диск, на который пишется информация внутри самого компьютера).
Если усложнить опыт и взять магнит с несколькими полюсами, то мы увидим сразу это по рисунку, образуемому опилками. Кстати, магнит советую положить в маленький полиэтиленовый пакетик. Иначе замучаетесь отлеплять опилки от магнита – они иногда просыпаются и прилипают намертво. А так – вынул магнит из пакетика, опилки ссыпались в постеленную бумажку.
На фото хорошо видны несколько полюсов. Опилки ложатся так, что между полюсами образуются соединяющие линии.
Я усложнил опыт, насыпав опилки в банку с подсолнечным маслом и взболтав. Когда подносил к стенке банки сильный магнит, было видно, как опилки начинают стремиться к нему, образуя линии магнитного поля в «объеме». Это очень красиво. Только приходится встряхивать банку каждый раз после того, как опилки собираются на стенке. Мне не удалось сфотографировать этот процесс, потому что он довольно быстро происходит. Зато я сфотографировал «крабика». Когда я слил масло, намокшие опилки собрались у магнита на стенке в очень красивое образование, как на фото.
На фото виден «крабик» – слипшиеся опилки на стенке стеклянной банки. Снаружи приложен сильный магнит, который удерживает их.
Так, в этом опыте мы своими глазами увидели магнитные поля. Железные опилки помогли нам в этом!
98
Водный пенопласт
Для опыта нам потребуются: банка с подсолнечным маслом, одноразовый шприц с иголкой.
Я уже думал, что исчерпал тему невесомости и эмульсий, когда в голову пришел еще один эксперимент. Для него понадобился обычный медицинский шприц с иголкой. Он продается в любой аптеке и стоит очень дешево. Я взял банку, налил в нее подсолнечное масло и набрал в шприц воды.
На фото видны серебряные пузыри – это вода в масле! На дне скопилось множество пузырьков, а я шприцем «вдуваю» воду, наблюдая за пузырьками.
Опыт на самом деле простейший – опустить иглу шприца в масло и выдуть воду. Но на самом деле он оказался очень красивым, я сам не ожидал. Вода вылетает из шприца не струей, как можно было бы ожидать, а целым роем серебристых пузырьков. Подумав, я понял, что сильное сопротивление масла не позволяет струе двигаться сплошным потоком. К тому же вода мгновенно «сворачивается» в шарик под действием сил натяжения. Выглядит это как пули, летящие в фильме «Матрица», когда их останавливают в воздухе, просто как компьютерная графика.
Пузырьки хорошо видно, они дрожат и колеблются, но при этом стремятся сохранить форму шара, сферы.
Поскольку вода тяжелее масла, потом пузырьки медленно опускаются вниз, но не лопаются, а остаются лежать серебристой массой, как фантастическая лягушачья икра! Почему они выглядят серебряными, тоже понятно. Скорость света в воде и масле отличается, поэтому свет и отражается от поверхности водяного пузыря и преломляется. В общем, вода начинает играть как драгоценный камень. Ведь красивая переливчатость драгоценных камней зависит от количества граней, в которых отражаются и преломляются лучи света.
На следующей фотографии видны эти серебристые пузыри на просвет. Напомню, там не воздух, а вода!
На фото видно огромное количество пузырей, которые пронизывают все пространство банки с маслом, не смешиваясь.
Пузыри через некоторое время сформировали «дно», оставаясь при этом пузырями и не смешиваясь с маслом. Их держат силы натяжения, не давая им распасться. На следующем фото видно, что они уже «спрессовались» и стали похожи на пенопласт. Пенопласт – это ведь тоже застывшие пузыри специальной пены в воздухе. Но в нашем случае, если поставить банку на ночь, только к утру масло всплывет кверху, а вода объединится в единый объем и опустится вниз без пузырей.
На фото виден водный «пенопласт» внутри банки с маслом. Пузыри вминаются друг в друга, и все-таки силы поверхностного натяжения не дают им слиться.
Этот простой, но очень эффектный опыт объясняет, почему масло на сковородке шипит и брызгается, когда туда попадает вода (или сок из мяса, овощей). Вода опускается маленькими пузырьками на дно, там встречается с раскаленным жаром и мгновенно вскипает. Вскипая, маленький пузырик превращается в пар, газ и увеличивается в объеме в сотни раз за очень короткое время. Расширяясь, газ выплескивает масло – происходит маленький взрыв воды внутри масла. И разбрызганное масло летит во все стороны. А звук этих сотен микровзрывов мы слышим как шипение и треск. Кстати, поэтому масло с водой из банки я не рекомендую использовать в готовке. Как ни жалко, придется вылить его. Потому что попавшая вода и оставшиеся пузырьки могут испортить всю готовку. Но ради физики такую жертву, как банку масла, можно и стерпеть, правда?
99
Тело с перемещаемым центром тяжести
Для опыта нам потребуются: коробочка от «киндер-сюрприза», металлический или стеклянный шарик.
Для этого опыта понадобится любой достаточно тяжелый шарик (можно металлический, можно стеклянный). Такие шарики продают в магазинах для украшений интерьера, аквариумов. И также пластиковая коробочка из «киндер-сюрприза».
На фото: нужные для опыта предметы. Стеклянный шарик и коробочка из-под «киндер-сюрприза».
Собственно, опыт проще некуда. Кладем шарик в коробочку и закрываем ее. Покатайте коробочку в руках. Она будет двигаться как-то странно, рывками. Будет вставать на один конец, потом перекатываться и опять вставать – словно ее дергает изнутри какая-то сила. Словно гномик или маленькое животное.
Если положить ее на наклонную плоскость, например диванную подушку, то вниз она покатится тоже довольно забавно. Почему так происходит? Шарик внутри свободно болтается и перемещается в коробочке. Поэтому центр тяжести всей системы, шарика и коробочки, постоянно перемещается. От этого движения и принимают такой странный характер. Например, можно поставить коробочку на попа́, вертикально. В таком случае шарик, находясь на дне в узкой части коробочки, своим весом придавливает ее и не дает упасть. Совсем как в игрушке «неваляшка», которая выпускалась в советское время.
Когда же коробочка начинает скатываться, шарик перемещается в другой конец и, ударяясь о стенку, заставляет коробочку рывком сдвигаться.
Теперь мы можем понять, почему управление небольшими судами с находящимся в них тяжелым грузом может стать сложной задачей. Рыбак переходит с кормы на нос небольшой лодки – лодка сдвинется! Или, например, маленький космический модуль при перемещении космонавтов внутри изменяет свой общий центр тяжести. Ведь космонавты играют роль шарика, а сам модуль – коробочки. А в космосе все движения должны быть точными, а то стыковка не получится! Но там считают компьютеры – мы пока только учимся и забавляемся.
100
Колесо Жуковского
Для опыта нам потребуются: ненужный CD-ROM, карандаш.
Великий ученый Н.Е. Жуковский, заложивший основы современной космонавтики, довольно много сделал для распространения идей физики и придумал много занятных опытов. Только его опыты требуют серьезного лабораторного оборудования. Например, колесо Жуковского представляет собой массивное железное кольцо, вращающееся на стержне. Кольцо закреплено на подшипниках и его можно довольно быстро раскрутить. Если теперь попробовать повернуть стержень в пространстве, кольцо начинает колбасить, как сказали бы сегодня. Непонятные силы начинают дергать кольцо из стороны в сторону и сопротивляться повороту.
Мы уже разбирали эти силы на примере гироскопа в опыте с бумерангом. Я придумал, как сделать этот опыт прямо дома. Нам понадобятся обычный ненужный CD-ROM и карандаш.
На фото: наденем диск на карандаш, чтобы раскрутить его как колесо Жуковского.
Держа карандаш за кончик горизонтально, раскрутим диск другой рукой так, чтобы он быстро-быстро вращался. Теперь попробуем повернуть карандаш в любую сторону в горизонтальной плоскости, не наклоняя.
Диск мгновенно сделает несколько вихляющих движений и остановится. Это подействовали силы, описываемые теорией гироскопов. Мы не будем давать формулы, трехстепенные уравнения Эйлера и прочую умную математику. Просто насладимся опытом и запомним, что есть такие скрытые силы, проявляющиеся при быстром движении тел!
