Том Тит - Веселые научные опыты и эксперименты
Удерживая одной рукой тубу шприца, другой сильно и резко надавите на шток поршня шприца. Под действием сжатого, как пружина, воздуха пробка вылетит из шприца подобно снаряду или пуле (рис. 48, б).
Рис. 48
По такому же принципу работают все пневматические винтовки и пистолеты, разница заключается только в способе сжатия воздуха, длине ствола и удобстве пользования.
Паровая пушка
Оборудование и принадлежности:
• лабораторная стеклянная пробирка;
• кусочек сухого горючего или свеча;
• подвижная платформа (например, из детского металлического конструктора).
Перегретый пар содержит в себе гораздо больше внутренней энергии, чем сжатый воздух, и, соответственно, может выполнять бо́льшую работу. Проведите не сложный, но наглядный эксперимент. На платформе, построенной из детского конструктора, установите и закрепите стеклянную пробирку, заполненную наполовину водой и плотно закрытую пробкой (рис. 49). Под нижний край пробирки поместите источник тепловой энергии – кусочек сухого горючего или свечу. Установите на горизонтальной поверхности испытуемую установку и зажгите горючее. Через некоторое время вода закипит, и в какой-то момент пробка выстрелит из пробирки, а сама платформа откатится в противоположном направлении (рис. 50).
В данном эксперименте наблюдается выполнение нескольких физических законов: закона термодинамики, третьего закона Ньютона и закона сохранения импульса. Вначале испытуемая тележка покоится. Тепловая энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки, и тележка откатывается. Откат «пушки» – результат отдачи. Отдача – это не что иное, как противодействие со стороны снаряда (пробки). Согласно третьему закону Ньютона сила, действующая со стороны «пушки» тележки с пробиркой на «снаряд»-пробку, равна силе, действующей со стороны «снаряда» на «пушку».
Рис. 49
Рис. 50
Простые механизмы
Уже в древности возникли первые приспособления, при помощи которых, не используя никаких двигателей, передвигали и подымали большевесные грузы, приводили в действие осадные орудия (катапульты, баллисты, тараны) и т. д. Все эти устройства служили для того, чтобы получить выигрыш в развиваемом усилии. Для поднятия или перемещения предмета большой массы необходимо приложить к нему движущий момент сил, который превышает силы, противодействующие движению, то есть как минимум силу земного притяжения и силу трения. Подобные устройства принято называть простыми механизмами.
Рычаг
Оборудование и принадлежности:
• карандаш;
• линейка;
• три и более одинаковых по массе и размеру резинки для стирания.
Одной из самых распространенных простых машин является обыкновенный рычаг (рис. 51). Равновесие рычага наступает при условии, что отношение приложенных к его концам параллельных, но разнонаправленных сил обратно отношению плеч. Поэтому, прикладывая небольшую силу к длинному концу рычага, можно уравновесить гораздо большую силу, приложенную к короткому концу рычага. Тяжелый груз массой 160 кг с помощью рычага может приподнять любой взрослый человек. При соотношении плеч ВО и ОА рычага 1 к 8 достаточно в точке А приложить груз массой, равной 20 кг, что соответствует силе 200 ньютон (рис. 51).
Рис. 51
Для проведения опытов по исследованию работы рычага вам будет достаточно линейки, карандаша и три одинаковые ластиковые резинки. Положите карандаш на стол, а на нем расположите линейку таким образом, чтобы она находилась в равновесии. Вы заметите, что равновесное положение линейки точно совпадает с ее серединой (рис. 52). Затем положите на левый край линейки одну резинку на расстоянии 6 см от центра баланса О и постарайтесь уравновесить линейку двумя резинками с правой стороны линейки. Следуя логике вышеизложенного, нетрудно предугадать, что место расположения противовеса с правой стороны будет находиться на расстоянии 3 см от точки О.
Рис. 52
Варьируя различными грузиками, вы убедитесь в том, что выигрыш в силе в данном простом механизме зависит от соотношения расстояний точек приложения усилий, то есть теоретически можно добиться любого усиления движущего момента за счет увеличения расстояния приложения (плеча) между точкой опоры и точкой приложения силы. Основываясь именно на этом факте, древнегреческий ученый и изобретатель Архимед заявил: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»
Вывод: выигрыш в силе происходит за счет проигрыша в перемещении, на этом базируется принцип работы всех механизмов.
Блоки
Оборудование и принадлежности:
• детский металлический конструктор;
• гирьки.
Детский металлический конструктор – неисчерпаемый источник для творческого и инженерного развития. Из его компонентов можно моделировать и создавать действующие копии различных устройств и механизмов. Продолжая тему простых механизмов, рассмотрим один из самых распространенных устройств – блок.
Используя детали конструктора или другие подходящие предметы, соберите конструкцию, подобную изображенной на рис. 53. Подвесив на противоположных концах нити одинаковые грузы, то есть уравновесив систему, убедимся, что выигрыша в силе в данном устройстве нет, но очевидно изменение направления прилагаемых усилий, что тоже немаловажно. Дополнив установку еще одним шкивом (рис. 54) и уравновесив ее, вы заметите, что такая конструкция позволяет уменьшить необходимое для уравновешивания усилие в два раза.
Рис. 53
Рис. 54
Подымая и опуская груз, измерьте расстояние, которое проходит груз А и груз В. Пропорционально увеличению силы расстояние, проходимое грузом А, в два раза больше, чем у груза В. Для получения большего подъемного усилия используют многоступенчатые блоки (полиспасты) (рис. 55). Каждая их ступень увеличивает подъемную силу.
Рис. 55
В промышленности и других отраслях применяются разные устройства для подъема и перемещения грузов, но принцип их работы именно такой. Аналогично этому, автомобильные трансмиссии устроены так, чтобы, уменьшая или повышая передаточное число (усиление) между оборотами двигателя и колесами, получать оптимальное соотношение. Не принципиально, каким именно способом происходит изменение передаточного взаимодействия – ременным, зубчатым или гидромеханическим, главное, что все они служат одной и той же цели – изменению направления и соотношению сил.
Бутылочный ксилофон
Оборудование и принадлежности:
• семь одинаковых стеклянных бутылок;
• два карандаша;
• вода.
Нет на свете человека, которому хоть раз в жизни не хотелось поиграть на музыкальном инструменте. Да вот незадача – далеко не в каждом доме есть таковые. Но, как говорится, было бы желание, а инструмент можно сделать и самостоятельно.
Итак, возьмите семь стеклянных бутылок (желательно одинаковых) и выстройте их в ряд. Наполните водой, как показано на рис. 56. Количество воды в бутылке будет обеспечивать необходимый тон.
Каждый музыкальный инструмент нуждается в настройке. Постукивая карандашом по бутылкам и уменьшая или увеличивая в них уровень воды, вы сможете настроить ваш ксилофон. Частота звуковых колебаний (звуковой тон), издаваемых бутылкой с водой, зависит от высоты воздушного столба, поэтому с изменением количества воды меняется звучание бутылки. Принцип действия всех духовых инструментов базируется именно на изменении длины воздушного столба. Нажимая на клавиши, музыкант переключает клапаны, открывающие и закрывающие воздушные каналы, соответствующие определенной ноте.
После настройки попробуйте, ударяя по бутылкам карандашами, исполнить какую-нибудь несложную мелодию.
По мере развития ваших навыков инструмент можно усовершенствовать, например увеличив количество бутылок и «настроив» диезы, что позволит расширить диапазон звучания.
Для более звонкого звучания настроенные бутылки можно подвесить на веревочках. В фольклорных ансамблях часто применяют именно такие инструменты, в чем вы можете убедиться, например, посмотрев мультфильм «Жил-был пес». Для еще большего разнообразия звучания в качестве источника звука можно использовать наполненные водой стеклянные и хрустальные бокалы. Хрустальные бокалы дают очень чистый и мелодичный звук, но обращайтесь с ними осторожно, ведь они довольно хрупкие и могут разбиться. Пригласив своих друзей, вы сможете организовать маленький оркестр и весело провести досуг.
