Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2012 № 09
Благодаря поверхностному натяжению по воде бегают водомерки и ящерицы-василиски.
ПЛАВАЮЩАЯ ИГЛА
Если бросить в воду обычную швейную иглу, она тут же утонет. А вот если мы немного схитрим, то можем заставить стальную иголку плавать.
Для этого нужно положить на воду листок папиросной бумаги, а на него — иголку. Сначала она будет плавать на листке бумаги, словно на плоту. Но постепенно бумага намокнет и утонет. А вот иголка останется на поверхности.
Кроме иголки, можно заставить плавать и скрепки.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Ясно, что поверхностное натяжение имеет определенную величину, а потому и не может держать особо большой груз. Но какова эта сила?
Теория гласит, что поверхностное натяжение (Т) определяется силой (F), поделенной на удвоенную площадь (W) мембраны: T = F/2W. Двойка в этой формуле появляется потому, что поверхностный слой имеет две границы — верхнюю и нижнюю.
Практически силу поверхностного натяжения можно определить с помощью маленьких лабораторных весов, которые представляют собой две чашки, подвешенные на нитях к коромыслу.
Опустите одну чашу на поверхность воды в миске или чашке, а на другую осторожно начинайте помещать по одной малюсенькой гирьке до тех пор, пока другая чашка не оторвется от поверхности воды.
Эксперимент с весами.
Для справки: значение поверхностного натяжения дистиллированной воды 7,42 г/кв. м при 20 °C; для этилового спирта это значение равно 2,27 г/кв. м при той же температуре.
Добавьте в воду немного жидкости для мытья посуды или мыла, и вы увидите, что величина поверхностного натяжения стала меньше. Это и позволяет стирать белье, поскольку поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыльном растворе, ослабляют связь частиц грязи с нитями тканей.
Другой метод измерения поверхностного натяжения позволяет обойтись без весов. Один конец отрезка нержавеющей проволоки диаметром 1…2 мм и длиной около 20 см сверните в кольцо диаметром 3…4 см. Согните оставшуюся часть проволоки буквой U. Опустите кольцо прямо на поверхность жидкости, натяжение которой вы хотите определить. Добавляйте грузик или перемещайте массивный ползунок на противоположный конец проволоки, пока кольцо не оторвется от жидкости. Поверхностное натяжение (Т) жидкости будет определяться силой отрыва (F), поделенной на удвоенную длину окружности кольца, поскольку приходится учитывать и внутренний, и внешний обводы кольца.
Еще один способ определения величины поверхностного натяжения жидкости таков. Наберите в пипетку немного испытуемой жидкости и накапайте на одну чашку лабораторных весов, например, 30 капель. Взвесьте эти капли.
Затем вытрите чашку насухо и накапайте на нее 30 капель другой жидкости. Чем сила поверхностного натяжения больше, тем капли крупнее и, соответственно, тяжелее. А потому масса капель пропорциональна поверхностному натяжению жидкости: М = Т/К, где К — некая постоянная величина, которую можно определить с помощью дистиллированной воды при температуре 20 °C, для которой вы уже знаете величину поверхностного натяжения.
САМОДВИЖУЩИЕСЯ ЛОДКИ
Из тонкого картона, дерева или фанеры вырежьте маленькую лодку, как показано на рисунке. Поскольку дерево, а особенно картон быстро намокают в воде, будет неплохо, если вы покрасите ее водонепроницаемой краской и дадите ей высохнуть.
На корме ваша лодка должна иметь отверстие, в которое можно воткнуть маленький кусочек мыла так, чтобы его нижний край доставал до воды. Поместите этот кусочек в отверстие, опустите лодку в воду. Вы увидите, что лодка плывет вперед. Ее движение можно объяснить быстрым рассеянием молекул поверхностно-активного вещества (в данном случае, мыла) по поверхности воды, что и создает некую реактивную силу.
Более строгое объяснение звучит так: градиент поверхностного натяжения из одной зоны жидкости в другую создает поток молекул, движущихся из зоны низкого поверхностного натяжения в зону высокого поверхностного натяжения.
Если вы ставите эксперимент в миске, то вскоре вся поверхность воды будет покрыта слоем молекул мыла, и вам придется поменять воду, чтобы лодочка стала снова двигаться.
Лодочки движутся за счет сил поверхностного натяжения.
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Секреты садового фонарика
Когда-то с подачи друзей я приобрел садовый аккумуляторный фонарик, имеющий форму грибка и обладающий, как тогда показалось, необыкновенными свойствами: днем он заряжался от солнечной батареи, встроенной в крышку, а ночью светил из-под крышки неярким зеленоватым светом. Работать он должен был автономно и совершенно автоматически. Также была тайная мысль — нельзя ли использовать его и в других полезных целях, например, для питания радиоприемника.
Однако выводов от встроенной аккумуляторной батареи не оказалось, найден был только выключатель лампочки, спрятанный под нижней крышкой шляпки грибка. Применения по своему основному назначению фонарик тоже не нашел, так и пролежал на полке, пока его аккумулятор не разрядился совершенно сам по себе. Теперь настало время развинтить фонарь, благо разбирается он легко и просто с помощью одной крестовой отвертки, и посмотреть, как же все-таки он устроен!
Монтаж этого прибора китайской сборки оказался предельно упрощен, провода отваливались после двух изгибов, узлы были закреплены каплями термоклея или отламывающимися пластмассовыми выступами — все указывало на то, что передо мной одноразовая игрушка. Расскажу лишь о самой схеме и конструкции, в расчете на ее возможное самостоятельное повторение читателями и использование заложенных там решений в других устройствах.
Лампочку в фонаре заменял светодиод небольшой мощности, бело-зеленого свечения. Аккумуляторной батареи тоже не было — под шляпкой грибка обнаружился всего один элемент размера АА емкостью 800 мА/час, хотя место было предусмотрено под два элемента (экономия, однако!). Не густо, и шансы на использование фонарика источником питания для какого бы то ни было устройства резко упали, ведь номинальное напряжение щелочного аккумуляторного элемента — всего 1,2 В.
Сразу же возник вопрос: а как же может гореть светодиод при таком питании, ведь напряжение зажигания самых распространенных красных светодиодов — около 1,8 В, а зеленых и белых еще больше — до 3 В? Значит, на маленькой печатной плате (25x30 мм), содержащей три транзистора и не более десятка других деталей, был собран еще и повышающий инвертор!
Прежде чем браться за тяжкий труд по восстановлению принципиальной схемы, срисовывая ее с печатной платы, захотелось исследовать возможности самого главного и ценного элемента конструкции — солнечной панели. Ее размеры около 70x70 мм, а сквозь защитное стекло ясно видны 7 параллельных полосок шириной около сантиметра — 7 элементов панели.
Как известно, кремниевые солнечные элементы при их освещении развивают ЭДС порядка 0,5…0,6 В, поэтому следовало ожидать ЭДС батареи из семи элементов около 4 В.
Так и оказалось — в тени и при облачном небе панель развивала 3,5 В, а на ярком солнце — 4,5 В.
Соединенная с одним аккумуляторным элементом, такая панель работает в режиме почти короткого замыкания. Это не страшно, поскольку внутреннее сопротивление панели значительно, и ток короткого замыкания не превышает 60 мА даже при ярком солнечном свете. Но КПД заряда невелик, и для полной зарядки аккумуляторного элемента нужно как минимум два солнечных летних дня (20…40 часов).
Никаких устройств, предохраняющих элемент от перезарядки при выключенном светодиоде, обнаружено не было.
Другой важный элемент устройства — датчик освещенности, собственно и позволяющий фонарику включаться в темное время суток и выключаться днем. Это фоторезистор, оформленный в плоском цилиндрическом корпусе с двумя выводами, размерами не больше транзистора. Его отдельное исследование показало, что темновое сопротивление превосходит 2 МОм, а на свету резко уменьшается — в тени до 10…20 кОм, а при ярком солнечном свете даже до сотен Ом.
Обратимся теперь к принципиальной схеме устройства (рис. 1).
Солнечная панель SP постоянно соединена с аккумуляторным элементом ВАТ через диод D1 (обозначения элементов сохранены такими же, как на печатной плате, имеющей название SY-H019B). Диод пропускает только зарядный ток от панели к аккумулятору и предотвращает его разряд через внутреннее сопротивление панели в темноте. Установка такого защитного диода обязательна в любых устройствах с солнечными панелями.
