Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2000 № 06
Управлять проницаемостью ячеек решета можно, например, подачей на них электрического напряжения или опрыскивая их раствором мыла. Наверняка существуют и другие физические эффекты. Стоит их поискать в литературе. В случае успеха окажется, что человек будет ходить по воде на принципах водомерки и болотной птицы одновременно.
При достаточном упорстве у вас все обязательно получится. А пока напомним последний абзац из «Бегущей по волнам» Александра Грина.
«Добрый вечер! — услышали мы с моря. — Добрый вечер, друзья! Не скучно ли вам на темной дороге? Я тороплюсь, я бегу…»
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
Тайны давления
«Атмосферное давление» и «закон Паскаля», «сообщающиеся сосуды» — интереснейшие темы начального курса школьной физики. Они позволяют рассказать немало интересных историй и показать серию любопытных демонстраций. Грех этим не воспользоваться!
Первые устройства, использующие атмосферное давление — всасывающие водяные насосы, — описал древнегреческий ученый Ктезибий еще за сто лет до новой эры. Почему вода поднимается за поршнем насоса? На этот вопрос ученые отвечали: «Horror vacui» — боязнь пустоты…
Истинность любых логических построений проверяется экспериментом, и у каждой эпохи здесь свои возможности. Почему вода за поршнем насоса поднимается лишь на определенную высоту? Может, это тоже объяснить боязнью — боязнью высоты?
Мало получить результат эксперимента, его еще нужно правильно истолковать.
Вот как делал это сам Галилей: «Вода во всасывающем насосе поднимается не выше 18 локтей; если же высота поднятия превышает этот предел, то водяной столб обрывается от собственного веса, следовательно, «боязнь пустоты» настолько значительна, что она удерживает водяной столб в 18 локтей». Таким образом, получается, что эксперимент как бы подтверждает не только наличие у природы чувства страха, но и дает возможность его количественно измерить!
Однако ученики Галилея Эванджелиста Торричелли и Винченцо Вивиани провели эксперимент со ртутным столбом и получили удивительный по тем временам результат. Высота столба ртути оказалась в 13,5 раза меньше, чем столба воды.
Торричелли засомневался в существовании «horror vacui». Пронаблюдав же за тем, как день ото дня высота столба ртути меняется, он прокомментировал сей факт в духе своего времени: «Нельзя допустить, чтобы природа менялась произвольно, подобно кокетливой девице…»
Преждевременная смерть не позволила Торричелли разрешить эту загадку. Сделал это французский ученый Блез Паскаль. Однако его работа в значительной мере осталась достоянием специалистов.
Как это нередко бывает, теми же вопросами, оставаясь в полном неведении о работах других ученых, занимался весьма просвещенный человек, но, в сущности, любитель, бургомистр Магдебурга Отто фон Герике. Благодаря своему высокому положению эксперименты он проводил в присутствии князей, коих в Германии того времени было превеликое множество. Благодаря им учение об атмосферном давлении быстро разнеслось по Европе.
На рис. 1 приведено взятое из старинной книги изображение первых опытов (он описан в учебнике) с магдебургскими полушариями.
Рис. 1
Раньше, до революции, для школ выпускались маленькие магдебургские полушария. Впоследствии их стали делать в виде двух блинов (или присосок). Вероятно, это связано было с тем, что объем полости у них меньше и легче создать необходимый вакуум даже плохим насосом. Однако и с ними можно провести веселый опыт, где в роли лошадок могут выступать сами ученики. Однако учитель должен все-таки придерживать полушария руками, чтобы ученики ими не поранились, преодолев давление атмосферы.
В наши дни техника нашла новые, очень любопытные области применения силы атмосферного давления.
Некоторые грузы, например тяжелый фабричный роль бумаги, очень трудно поднять, не повредив. Его попросту не за что зацепить. Для такого случая на крюк подъемного крана вешается «Спрут» — устройство, состоящее из вакуумного насоса с присосками и электромотором с батареей аккумуляторов.
Можно облегчить с помощью вакуума тяжелый асфальтовый каток.
Российские изобретатели додумались при помощи насоса откачивать воздух, создавая под катком вакуум. Легкий каток теперь давит на асфальт с такой же силой, как тяжелый (рис. 2).
Встречаются хрупкие, сложные по форме и достаточно тяжелые вещи. Как их без повреждений переносить руками, к тому же не человеческими, а промышленного робота? Присоски здесь непригодны.
Вот что придумали в нашей стране. Насыпаем в мягкий пакет песок и кладем на предмет. Песок своим весом, словно жидкость, обтекает предмет со всех сторон. Если из пакета откачать воздух, его содержимое станет твердым как камень. Берите пакет и переносите его вместе с заключенным в него предметом. Когда дело сделано, откройте кран, впустите воздух, и «камень» снова станет песком. Этот опыт хорошо получается с обычным пакетом и пылесосом.
Пользоваться вакуумным насосом не стоит ввиду опасности его засорения песком.
В последнем примере мы незаметно перешли от атмосферного давления к закону Паскаля: «Давление жидкостей и газов передается по всем направлениям». Это правило лежит в основе огромного количества технических устройств.
Первым и наиболее ярко проявившим себя был гидравлический пресс (рис. 3), позволивший получать огромные усилия.
Здесь небольшая сила, приложенная к малому по площади поршню насоса, создает в жидкости высокое давление. Оно действует на поршень, площадь которого может быть во много раз больше, создавая на нем очень большую силу.
Изобретателем гидравлического пресса был сын фермера Джозеф Брама. Сегодня гидравлические прессы развивают усилия в десятки тысяч тонн. С их помощью формуют изделия типа орудийных башен линкоров или крышек ядерных реакторов. В каждой школе есть гидравлический пресс, с помощью которого можно очень эффектно раздавить кирпич. Как правило, эти прессы бездействуют, так как требуют ухода, а мало какому учителю (даже мужчине, не говоря уж о женщинах) захочется по уши испачкаться в машинном масле, которым пресс наполнен.
Но даже если пресс у вас в школе не работает — не беда. До известной степени принцип его действия — получение большой силы за счет малого давления, действующего по большой площади, — можно показать иначе (рис. 4).
Присоедините к шлангу при помощи скотча большой пластиковый пакет. Положите на него кусок фанеры, на которую поставьте ученика потяжелее. Пусть доброволец начнет надувать мешок через шланг. Через полминуты класс с восторгом увидит, как «груз» начинает подниматься. Пойдем далее.
Для создания в гидравлическом прессе высокого давления поршень насоса заменяют стержнем-плунжером. Чем меньше его диаметр, тем большее давление, прикладывая малую силу, можно создать в жидкости. В идеале хорошо бы сделать плунжер толщиной с иголку, но тогда под действием внешней толкающей силы он начинает гнуться.
Вот если бы плунжер можно было не толкать, а тянуть…
Возможно ли это? Да, внутри главного цилиндра пресса разместили катушку и стали на нее наматывать тонкую проволоку. Объем мотка проволоки возрастал, вытесняя масло, которое в свою очередь перемещало поршень.
Соедините два шприца тонкой пластиковой трубочкой от прыгалок и заполните их водой. Нажатием на поршень одного шприца вы заставите двигаться поршень другого. Если поршни разные — это модель гидропресса. Но это к тому же модель простейшей гидравлической передачи (рис. 5).
При помощи гидропередач отклоняются рули самолетов и ракет, вращаются колеса автомобилей, движутся ковши экскаваторов, резцы станков, нацеливают на звезды телескопы… Жаль, в школьной программе не нашлось для них места. Не без стеснения упомянем, что изобретатель гидропресса Брама изобрел также унитаз с водяным затвором. Это же устройство, основанное на законе сообщающихся сосудов, установлено на каждой раковине или ванне. Сегодня демонстрацию сообщающихся сосудов можно показывать при помощи наполненного подкрашенной водой шланга из прозрачного пластика.
Создатель ТРИЗа (теории решения изобретательских задач) А. Альтшуллер дает в своей книге задачу.
Как провести строго на одном уровне две черты по разные стороны толстой глухой стены? Рентгеновские лучи или лазеры исключаются.
Все просто. Нужно воспользоваться законом сообщающихся сосудов, в которых жидкость всегда находится на одном уровне. В качестве такого сосуда можно взять наполненный водой шланг нужной длины.
