Том Тит - Веселые научные опыты и эксперименты
Еще один простой способ продемонстрировать свойства воды смачивать стеклянные поверхности – это налить воду в бутылку с узким горлышком без применения воронки. Возьмите бутылку, стакан воды и стеклянную палочку. Введите один конец палочки в бутылку, а с другого конца аккуратно лейте на нее воду (рис. 68). Вода будет стекать, не прокапывая мимо.
Рис. 68
Кумулятивный эффект
Оборудование и принадлежности:
• стеклянная пробирка.
На несложном опыте можно воспроизвести явление кумуляции. Для этого вам понадобится стеклянная пробирка с водой и жесткая поверхность. Что же произойдет, если с некоторой высоты уронить на стол вертикально расположенную пробирку с водой? Поскольку в ходе эксперимента высока вероятность того, что пробирка может разбиться, необходимо принять меры предосторожности. Чтобы эксперимент прошел удачно, роняйте пробирку с небольшой высоты (1–3 см).
В предыдущем опыте рассмотрено, как формируется поверхность воды в пробирке – силы поверхностного натяжения формируют мениск. В момент удара о стол к силе тяжести, действующей на воду, добавится инерция движения жидкости, и давление на стенки пробирки существенно возрастет, то есть возникнет гидроудар. Силы поверхностного натяжения не смогут препятствовать стремительному выпрямлению поверхности воды, и в результате возникшего течения жидкость двинется от краев мениска к нижней его части на оси симметрии пробирки. Как следствие, вверх устремится тоненькая струйка воды (рис. 69). Высота, на которую поднимется эта струйка, будет существенно больше той, с которой вы уронили пробирку. Если, рискуя ее разбить, уронить пробирку с высоты 10–15 см, струйка воды вполне может достичь потолка.
Подобное явление называется кумуляцией (от лат. cumulatio – скопление), или кумулятивным эффектом.
В целях безопасности стеклянную пробирку можно заменить подходящим сосудом из пластика или металла.
Рис. 69
Трубка Пито
Оборудование и принадлежности:
• жидкостный манометр;
• вентилятор;
• пластиковая бутылка;
• воздушный шарик;
• скотч.
Изменение давления, вносимое препятствием, можно объяснить на примере действия паруса. При равномерном ветре степень сжатия воздуха в соседних участках одна и та же, поэтому можно было бы предположить, что силы давления, действующие по обе стороны паруса, будут одинаковы, а следовательно, ветер не должен двигать судно. Но в действительности именно парус на протяжении длительного периода служил основным движителем на воде, поскольку парус существенно изменяет движение воздуха. Ударяясь о препятствие (парус), воздух сжимается, подобно тому, как сжимается мяч, ударившийся о стенку; с подветренной стороны слои воздуха, прилегающие к парусу, сжимаются сильнее, чем остальной воздух, то есть давление повышается. С другой стороны паруса воздух, обтекая парус, оказывается менее сжатым, то есть давление в этой зоне меньше. Таким образом, за счет разницы давлений по разным сторонам паруса возникает равнодействующая сила, приложенная к парусу, которая движет судно.
Как парус меняет скорость потока воздуха, так и манометр, погруженный в текущую жидкость, изменяет скорость потока. После незначительной доработки жидкостного манометра можно создать интереснейший прибор для измерения скорости потока жидкости или газа. Для этого из маленькой пластиковой бутылочки и фрагмента воздушного шарика изготовьте приемник давления – раструб с мембраной (рис. 70). Для большей эластичности и, соответственно, чувствительности шарик желательно несколько раз надуть и спустить, в результате резина растянется, станет тоньше и податливее. Вырежьте из шарика достаточный кусок и натяните его на раструб, как показано на рисунке. Чтобы материал мембраны не соскальзывал, закрепите его скотчем. Готовый приемник давления соедините с приемной трубкой манометра, вставив в пробку раструба иголку от капельницы.
Итак, прибор готов, пора приступать к экспериментам. Если установить мембрану манометра навстречу потоку воздуха (для создания воздушного потока можно использовать домашний вентилятор, а для создания потока жидкости – шланг, присоединенный к водопроводному крану), манометр покажет существенное повышение давления. При повороте мембраны на 90°, то есть вдоль потока, манометр покажет несколько меньшее повышение давления; а при повороте мембраны на 180° от направления потока манометр отразит еще меньшие показания. Меняя интенсивность (поворотом регулятора оборотов вентилятора или крана), то есть скорость потока, вы заметите, что показания манометра будут пропорциональны скорости движения потока.
Рис. 70
В авиации для измерения больших скоростей воздушного потока (скорости движения самолета относительно воздушной среды) применяют несколько иной, но работающий на том же принципе прибор – трубку Пито. Для создания такого прибора вам необходимо изготовить приемник давления особой формы (рис. 71) – трубку с закругленным закрытым концом и отверстиями сбоку. Материалом для изготовления такого элемента может послужить дерево или пластик. Струи воздушного потока, проходя мимо отверстий, сохраняют свою скорость практически неизменной, и в колене манометра, соединенного с такой трубкой, создается давление. Такая трубка называется зондом.
Заглушив (заткнув) выходную трубку манометра и присоединив ко входной трубке зонд (рис. 72), вы сможете более точно, чем с помощью мембраны, измерять изменение скорости, например, ветра. Мембранный приемник давления из-за своих габаритов создает более значительные искажения в движущихся массах потока, чем закругленный зонд.
Рис. 71
Рис. 72
Сила Магнуса и подъемная сила крыла
Оборудование и принадлежности:
• лист плотной бумаги;
• клей ПВА;
• в качестве наклонной поверхности – крышка от картонной коробки или сама коробка, например от плоского монитора.
Для обнаружения силы Магнуса (поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости или газа; была открыта немецким ученым Г. Г. Магнусом в 1852 г.) можно проделать несложный эксперимент.
Склейте из листа плотной бумаги рулон и скатите его с наклонной обрывающейся поверхности (рис. 73). Естественно, скатываясь, рулон приобретет некоторую скорость. Далее, казалось бы, рулон должен двигаться (падать) по параболической траектории А, слегка искажаемой сопротивлением воздуха. Так все и происходило бы, если бы рулон падал без скольжения или скатывался бы тяжелый предмет. Как ни странно, но легкий рулон будет упрямо залетать под поверхность скатывания по траектории В, существенно отклоняясь от предполагаемой параболической траектории.
Рис. 73
Объясняется такое явление следующим образом: вращение рулона нарушает симметричность обтекания воздуха за счет эффекта прилипания. С одной стороны бумажного цилиндра скорость воздушного потока больше, значит, там давление понижается и возникает боковая подъемная сила, называемая силой Магнуса.
В футболе одним из коварных для вратаря ударов считается так называемый «сухой лист». Похожий подрезанный удар – «спин» (вращающийся, крученый) применяют в теннисе и других играх с мячом. При этом ударе мяч в полете быстро вращается, и его траектория становится гораздо сложнее в сравнении с траекторией мяча после обычного удара. Эти явления возникают в результате действия все той же силы Магнуса. Очень похожее на эффект Магнуса явление наблюдается при возникновении подъемной силы у крыла самолета.
Чудеса в стакане чая
Оборудование и принадлежности:
• стакан чая;
• диск здоровья или два блюдца.
Возьмите стеклянный стакан и заварите в нем чай, но не в пакетике, а листовой. Обратите внимание, что при помешивании ложечкой в стакане форма поверхности воды представляет собой параболоид вращения. При этом на дне стакана происходят весьма занимательные и, можно сказать, парадоксальные явления. Намокшие чаинки имеют бо́льшую плотность, чем вода, в противном случае они бы не опускались на дно.
Соответственно, при вращении на них действует бо́льшая, чем на воду, сила инерции, и, казалось бы, она должна относить их подальше от центра вращения, но вопреки этому чаинки собираются именно в центре (рис. 74).
Слегка трансформировав опыт, можно сильно изменить результат. Поставьте стакан с чаем на свободно вращающуюся поверхность (рис. 75), например на диск здоровья или на два блюдца, как описывалось в опыте «Домашняя лотерея или кинозал». Если наполненный стакан вращать с постоянной угловой скоростью, то чаинки соберутся там, где положено, – у стенок стакана. Почему так происходит? И что изменяет в опыте с вращением стакана?
