Том Тит - Веселые научные опыты и эксперименты
Рис. 56
Упругие деформации
Оборудование и принадлежности:
• кусок стрейчевой ткани 10 × 20 см;
• мел или маркер;
• два карандаша;
• иголка с ниткой;
• поролоновая губка;
• плотный картон;
• клей ПВА.
Все соприкасающиеся тела действуют друг на друга с некоторой силой, при этом они испытывают деформацию: изгиб, сжатие, растяжение, кручение. В зависимости от свойств материалов эти явления могут быть практически незаметными или же, наоборот, ярко выраженными. Например, стекло – очень твердый и хрупкий материал, но, тем не менее, каждый стеклянный предмет деформируется, просто пределы упругих деформаций очень малы (то есть после них предмет восстанавливается в своих размерах без всяких последствий), и, как правило, мы их не замечаем. Другое дело предметы из резины и прочих эластичных и упругих материалов: мячи, скакалки, губки, пружины и т. д.
Рассматривая рычаг как прямой стержень, мы не принимали во внимание, что при нагрузке он немного деформируется, прогибается. При точных расчетах деформациями пренебрегать нельзя. Крайне важно учитывать данные явления при проектировании домов, мостов и механизмов.
Чтобы наглядно исследовать, какие изменения происходят во время упругих деформаций, предлагаем провести серию не сложных, но показательных экспериментов.
Итак, возьмите кусок стрейчевой ткани или широкую резиновую ленту размерами 10 × 20 см. Для удобства проведения опытов рекомендуем по более узким краям обшить ткань вокруг двух карандашей (рис. 57).
Мелом или маркером нанесите на ткань разметку в виде сетки с квадратными ячейками.
Рис. 57
Опыт № 1. Растяжение. Разведите карандаши в противоположные стороны, растягивая ткань в длину. В результате растягивания вы заметите, что чем больше деформируется ткань, тем у́же она становиться в середине. Форма квадратных ячеек наглядно меняется – они вытягиваются и худеют (рис. 58). Именно так деформируются различные предметы при растяжении.
Рис. 58
Опыт № 2. Сдвиг. Удерживая нижний карандаш неподвижно, начните сдвигать верхний карандаш вправо. По мере все большего смещения станет заметно, как изменяется форма ячеек во время деформации сдвига (рис. 59). Аналогичные явления происходят со стволами деревьев, когда они раскачиваются.
Рис. 59
Опыт № 3. Сжатие. Для исследования деформаций сжатия лучше воспользоваться поролоновой губкой прямоугольной формы.
Так же как и в предыдущем эксперименте, намесите мелом или маркером разметку по всей поверхности губки (рис. 60) (чем больше губка, тем нагляднее результат).
Рис. 60
Положите губку на стол и придавите ее сверху плоским предметом, например толстой книгой. Под весом книги губка сожмется, и вы увидите, как изменилась форма губки и ячеек (рис. 61). Если при растяжении материал сужается в центре, то при сжатии, наоборот, в центре происходит утолщение, а ячейки как бы толстеют.
Рис. 61
Опыт № 4. Кручение. Кручение – это более сложный вид деформаций, в котором сочетаются и сдвиг, и сжатие, и растяжение. Для исследования данного явления можно использовать все ту же губку в форме параллелепипеда, но было бы неплохо воспользоваться губкой цилиндрической формы. Чтобы провести более чистый эксперимент, то есть исключить искажающее воздействие, на торцы размеченной губки приклейте куски картона (рис. 62) и дождитесь, пока клей высохнет.
Затем, удерживая нижний лист картона, начните медленно поворачивать верхний лист.
В результате вы сможете наблюдать, как изменяется форма ячеек. Они будут вытягиваться в ромбы (рис. 63), а при сильном скручивании – несколько худеть.
Рис. 62
Рис. 63
Загадочный кельтский камень
Оборудование и принадлежности:
• одноразовая столовая ложка;
• пластилин;
• кусок толстого картона или гвоздь.
При раскопках древнекельтских поселений археологи обнаружили странный предмет из камня, получивший название «кельтский камень» (предполагалось, что кельты использовали его в качестве топора) (рис. 64). Кто-то из археологов совершенно случайно крутил на подвернувшейся доске эту находку. И что же обнаружилось? Этот ничем не примечательный предмет обладает интересным свойством: легко вращается в одну сторону, но отказывается вращаться в другую. Если его закрутить в «неправильном» направлении, то, сделав несколько оборотов, он быстро остановится, покачается несколько секунд и начнет вращаться в «правильном» направлении. Закрученный в «правильном» направлении, он продолжает вращаться до остановки.
Кельтский камень можно купить в магазинах, торгующих различными познавательными играми. Но его нетрудно сделать самим в домашних условиях. Нужно взять половинку эллипсоида (подойдет предмет, имеющий форму половинки яйца, или столовая пластиковая ложка с отломанной ручкой) и прикрепить к нему пластилином какой-либо предмет, имеющий форму параллелепипеда (подойдет картон, склеенный в 3–4 слоя), – так, чтобы продольные оси этих тел были сдвинуты относительно друг друга на 5–10°. Вместо параллелепипеда можно использовать металлический штырь (например, гвоздь). Не составит особого труда найти кельтские камни в природе, например в речной гальке.
Рис. 64
В чем же кроется секрет данного феномена? Дело в том, что любое твердое тело имеет три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через его центр масс, вокруг которых оно может свободно вращаться, не вращаясь при этом вокруг других осей. Когда тело имеет оси симметрии, то главные оси совпадают с ними.
Рис. 65
При рассмотрении моментов инерции кельтского камня для всех возможных осей, проходящих через его центр масс, выясняется, что самое большое и самое маленькое значение соответствуют осям, совпадающим с двумя из трех главных осей тела. На рис. 65 показано, что ось Z соответствует наибольшему моменту инерции параллелепипеда, Х – наименьшему, Y – промежуточному. Действительно, момент инерции тем больше, чем дальше части тела находятся от соответствующей оси. Например, кусочки параллелепипеда А и В находятся дальше от оси Z, чем от оси Y, а от оси Y дальше, чем от оси X.
Смачиваемость и несмачиваемость
Оборудование и принадлежности:
• стеклянный стакан;
• парафин;
• бутылка;
• стеклянная палочка.
Когда жидкость налита в сосуд, то большая часть ее поверхности граничит со стенками сосуда. В зависимости от того, смачивает жидкость стенки сосуда или не смачивает, форма поверхности жидкости у места соприкосновения со стенкой имеет разный вид.
Для исследования явления смачиваемости – несмачиваемости проведите следующий эксперимент. Возьмите обычный стакан и натрите его стенки изнутри парафином. Важно, чтобы стакан был чистым и сухим. Затем аккуратно налейте в него чистую холодную воду – чуть больше половины емкости. Когда поверхность воды успокоится, внимательно посмотрите на то, как выглядит поверхность воды в непосредственном месте соприкосновения со стенками стакана. Вы заметите, что вода как бы отталкивается от стекла, натертого парафином (рис. 66, а), и поверхность имеет в зоне контакта выпуклый вид, то есть на лицо эффект несмачиваемости. Результат вполне ожидаемый, поскольку парафин обладает водоотталкивающими свойствами. Еще проще провести этот же опыт со стеклянной пластинкой. Натрите поверхность чистой сухой пластинки и капните на нее пару капель воды. Капельки воды будут держаться плотными шариками и не растекаться (рис. 66, б).
Рис. 66
Теперь повторите все те же действия, но со стаканом, у которого стенки просто чистые, или с чистой сухой стеклянной пластинкой. Вы увидите совершенно противоположный результат (рис. 67, а, б): вода как бы тянется вверх по стенкам стакана, а в таком узком сосуде, как пробирка, поверхность воды приобретает вогнутую форму – ее еще называют мениском (от греческого «менискос» – полумесяц).
Рис. 67
Каждая жидкость, соприкасаясь с тем или иным твердым материалом, проявляет в определенных условиях смачиваемость или несмачиваемость. Можете поэкспериментировать с различными жидкостями. Для этого достаточно на плоскую горизонтальную поверхность капнуть жидкостью и понаблюдать, как капля распределится на поверхности. Если капля свободно растекается – значит, смачивает, если же, наоборот, держится плотным шариком наподобие ртути – значит, не смачивает.
