Текст книги "Космос у тебя дома"

Автор книги: Флорентий Рабиза

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 11 страниц)

Вакуум-насос из промокашки

Вам, наверное, хорошо известен опыт, когда наполненный водой стакан накрывается листком обыкновенной бумаги, бумага прижимается ладонью к стакану, стакан переворачивается вверх дном, ладонь отнимается, а вода и не думает выливаться. Когда вам кто-нибудь из взрослых показывал этот опыт, скорее похожий на фокус, то, наверное, объяснял, что атмосферное давление не дает воде вылиться.

Этот опыт можно усовершенствовать, создав в стакане дополнительное разрежение воздуха. Налейте в тонкостенный стакан до самого края воду, накройте его промокательной бумагой или хорошо впитывающей воду бумажной салфеткой. Сверху положите стеклянную пластинку и аккуратно переверните стакан вверх дном. Как только вода немного впитается в бумагу, снова переверните накрытый стакан и поставьте его на всякий случай в тазик, на дно которого предварительно положите что-нибудь мягкое – тряпочку или губку. Осторожно, без перекоса приподнимите стеклянную пластинку. Стакан поднимется вместе с ней. При впитывании воды в промокашку в стакане образовалось разреженное пространство, а наружное давление с силой прижало пластинку к стакану. Теперь к весу воды прибавился и вес самого стакана. И чтобы оторвать стеклянную пластинку, понадобится некоторое усилие.

Разрежение – остыванием

Если в предыдущем опыте разрежение в стакане достигалось за счет удаления воды из герметически закрытого для воздуха стакана, то сейчас мы проделаем опыт, где разрежение происходит за счет охлаждения воздуха.

Возьмите две глубокие тарелки, в одну налейте холодную воду, в другую – теплую. На поверхность воды в тарелках положите по одной пробке. Пробку, которая плавает на холодной воде, накройте перевернутым стаканом. Воздух в стакане сожмется и вытеснит воду. Вода останется в таком небольшом количестве, что пробка уже не будет плавать, а опустится на дно тарелки. Перед вами маленькая модель водолазного колокола. Настоящий водолазный колокол в виде стального ящика без дна или цилиндра, открытого с одного конца, опускается на дно реки или другого водоема, в котором нужно произвести какие-то работы. Воздух внутри сжимается и не впускает туда воду. В колоколе могут находиться рабочие. Воздух для дыхания подается в колокол под давлением. Более совершенные устройства для подводных работ называются кессонами.

Возьмите второй стакан, хорошо его прогрейте сначала теплой водой, а затем кипятком и быстро накройте им пробку, которая плавает на теплой воде во второй тарелке (теплая вода здесь нужна для того, чтобы горячий стакан при опускании в воду не лопнул). Сначала пробка опустится вместе с водой, а затем, по мере остывания стакана и, конечно, воздуха внутри него, вода с плавающей на ней пробкой будет подниматься, и при полном охлаждении стакана ее уровень станет выше воды в тарелке.

Нагретый воздух, охладившись, уменьшился в объеме. В стакане давление понизилось, и наружное атмосферное давление вогнало в стакан воду.

Воздух побеждает железо

Это очень известный опыт. Он описывается во всех учебниках физики, но выполнить его по этим описаниям в домашних условиях невозможно – надо иметь специальную банку, да и она придет в негодность после первого же опыта.

Инженер Е. И. Орлов, автор многих интересных опытов по физике, предложил простую и удобную постановку этого опыта дома.

Для удачного выполнения его от вас потребуется умение быстро и хорошо произвести пайку. Если вы сами еще не умеете паять, пусть кто-нибудь вам поможет.

Приобретите жестяную банку с фруктовым соком. Банка должна быть большая – емкостью не меньше 0,8 литра. Гвоздем надо пробить в крышке с краю небольшое отверстие. Напротив, тоже с краю, нужно пробить еще одно такое же отверстие. Теперь можно будет легко вылить содержимое банки в какую-нибудь посуду (сначала перевернутую банку хорошо потрясите, а потом сок потечет сам). Если у вас банка не с соком, а с компотом, то вместо второго маленького отверстия в крышке надо вырезать отверстие, через которое можно удалить из банки фрукты. После этого банку надо вымыть, залить на одну четверть водой и наложить на большое отверстие заплату из жести, тщательно пропаяв края заплаты оловом.

Если же банка из-под сока, то после заполнения ее на одну четверть водой одно маленькое отверстие в крышке запаяйте.

Банку с налитой в нее водой поставьте на огонь. Вода скоро закипит, и пар будет стремительно вылетать из оставленного отверстия. Пусть вода хорошо покипит несколько минут, чтобы из банки удалился весь воздух, а пространство над водой было бы заполнено только паром.

Приспособления для пайки должны быть наготове и находиться под рукой. Быстро снимите банку с огня и запаяйте отверстие. От тщательности и быстроты пайки зависит успех опыта.

Поставьте банку под струю холодной воды. На ваших глазах жестяная банка сомнется так, как будто кто-то сжал ее могучими невидимыми руками.

Что же произошло? Как уже говорилось, воздух из банки был вытеснен паром, пар под действием холодной воды сконденсировался, превратился в воду, и над ее поверхностью образовался вакуум. Банка, довольно прочная для хранения небольшого количества фруктового сока, совсем не была рассчитана на то, чтобы из нее удаляли воздух и подвергали действию могучего атмосферного давления.

Если во время опыта вы услышите свист или шипение– это значит, пайка неудачная. Надо распаять только что запаянное отверстие, прочистить его и снова поставить банку на огонь и повторить все, что было проделано раньше.

Модель шлюза для выхода в космос

Принцип устройства шлюза для выхода космонавта из корабля в открытый космос такой же, как и у шлюзовой системы, через которую проходят суда, когда им нужно обойти плотину гидроэлектростанции или перейти из одной реки в другую. Только масштабы другие и в одном случае приходится иметь дело с воздухом, а в другом – с водой.

Сделайте небольшую модель действующей шлюзовой камеры, где воздух условно будет заменен водой. Модель ни в коем случае не претендует на сходство с теми устройствами, которые применяются на космических кораблях. Цель нашей модели – познакомиться с принципом работы шлюзового отсека космического корабля.

Большая жестяная открытая банка из-под консервов будет нашим «космическим кораблем» в поперечном разрезе.

Внизу сбоку прорежьте ровное круглое отверстие диаметром в два сантиметра, а снаружи банки против вырезанного отверстия нужно будет припаять консервную банку размером поменьше (например, от сгущенного молока) со сделанным в ней вырезом. Она будет играть роль шлюзовой камеры. Вырез надо выполнить очень аккуратно, особенно в дне. Дугообразный вырез в дне должен плотно охватывать цилиндрическую поверхность большой банки. В «шлюзовой камере» против отверстия в стенке, на которой она будет припаяна, вырежьте такое же отверстие и на том же уровне. Для лучшего соединения «шлюзовой камеры» с корпусом «корабля» у ее вертикальных стенок нужно отогнуть жесть в виде полосок шириной в пять миллиметров. Отогнутые полоски должны, охватывая стенку большой банки, плотно к ней прижиматься. Прикрепите временно проволокой нашу «шлюзовую камеру» к корпусу «корабля» и оловом пропаяйте все места соединений.

Наша маленькая модель космического корабля в разрезе готова. В прорезанные отверстия вставьте изнутри бутылочные пробки, предварительно обрезав их и тщательно подогнав, чтобы они плотно закрывали отверстия и не пропускали воду.

Когда все будет готово, налейте в модель корабля и в его шлюзовой отсек воду, чтобы она перекрывала отверстия со вставленными в них пробками. Вырежьте из дерева фигурку космонавта в скафандре и с воздушным баллоном на спине, привяжите к нему нитку, закрепив ее второй конец внутри «корабля», и положите «космонавта» на воду. Он будет плавать на ней, как бы находясь в состоянии невесомости. Затем выньте изнутри пробку, введите в «шлюзовую камеру» фигурку на нитке и закройте отверстие пробкой (нитка не помешает), откройте изнутри второе, наружное отверстие. Вода из «шлюзовой камеры» выльется. Выпустите фигурку наружу в «открытый космос», а пробку вставьте на место. Вход в «корабль» проделайте в обратном порядке. Откройте наружное отверстие, введите в «камеру» фигурку «космонавта», закройте пробкой наружное отверстие, налейте из стакана воду в «шлюзовую камеру», этим вы как бы создали в камере нормальное атмосферное давление. Затем откройте внутреннее отверстие и впустите «космонавта» внутрь «корабля». Отверстие закройте.

Конечно, при настоящем выходе космонавтов в открытый космос все происходит гораздо сложнее. Но мы воспользовались водой вместо воздуха, чтобы проследить наглядно за этой операцией.

У настоящих шлюзовых камер герметически закрывающиеся люки приводятся в действие (когда их надо открыть или закрыть) электрическим приводом, но предусмотрена возможность их открывания и закрывания вручную.

18 марта 1965 года человек впервые вышел в открытый космос. Это сделал советский летчик-космонавт Алексей Архипович Леонов. Выйдя наружу из шлюзовой камеры космического корабля «Восход-2», он удалился от выходного люка на расстояние до пяти метров и пробыл в открытом космосе двенадцать минут. Его героический эксперимент, как и подвиг Ю. А. Гагарина, вошел в летопись космической эры и считается выдающимся событием в истории завоевания космоса.

ОПЫТЫ С НЕВЕСОМОСТЬЮ

Осуществленная идея

О возможности создать искусственный спутник Земли высказался еще триста лет назад великий физик Исаак Ньютон.

Он доказал, что если вокруг Земли запустить «физическое тело» с достаточно большой скоростью и если это будет происходить в безвоздушном пространстве, то оно никогда не упадет на Землю и будет кружиться вокруг нее.

Бросьте несколько раз камень, и вы увидите, что чем сильнее вы его бросили, то есть чем большую скорость вы ему сообщили, тем дальше он полетит. Падает же он на землю благодаря земному притяжению.

Но если камню придать первую космическую скорость, примерно 7,9 километра в секунду, и сделать это в безвоздушном пространстве, в космосе, чтобы и атмосфера не мешала движению камня, то он уже не упадет на Землю. Он все время будет вращаться вокруг Земли. Это вращение вокруг Земли, по сути дела, тоже падение, но только оно происходит на такой большой скорости, что хотя Земля и притягивает камень к себе, его скорость не позволяет ему упасть.

Сейчас наши искусственные спутники, запущенные с первой космической скоростью, летают в околоземном космическом пространстве. Они выполняют самые разнообразные метеорологические и другие научные наблюдения и сообщают результаты этих наблюдений на Землю. Кроме этого, на искусственных спутниках устанавливают специальную аппаратуру, которая помогает передавать на большие расстояния телевизионную и радиопередачи.

То, что здесь говорилось о движении спутников, конечно, относится и к движению космических кораблей и орбитальных станций, запущенных вокруг Земли. Размеры у них значительно крупнее, да и назначение несколько другое. И приспособлены они для полета людей, которые ведут такие наблюдения и ставят такие эксперименты, которые автоматам не под силу.

Все, что находится на космических кораблях, космических орбитальных станциях и искусственных спутниках Земли, испытывает состояние невесомости, то есть такое состояние, когда предметы не давят на опоры.

В этой главе вы познакомитесь с невесомостью. Но не на себе. Дома такой опыт поставить нельзя. Проделаем несколько опытов, которые дадут представление о том, как пропадает вес и как ведут себя некоторые тела, например жидкости, при невесомости. Сначала вы познакомитесь с явлением частичной потери веса, а затем будете наблюдать и полную невесомость.

Но прежде чем приступить к основным опытам, проделаем ряд вспомогательных экспериментов.

Поиск наименьшей поверхности

Поставим себе задачу отыскать среди геометрических фигур, имеющих одинаковый объем, такую, у которой самая маленькая поверхность. Пользуясь приведенными здесь простыми формулами, вы сможете легко подсчитать поверхности нескольких геометрических фигур.

Возьмите кусок пластилина или глины (глина должна быть достаточно размятой, без комков).

Вылепите сначала куб. Поскольку у куба все стороны равны, измерьте у него одно ребро. Затем подсчитайте величину его поверхности по формуле: S = 6 l², где S – поверхность куба в квадратных сантиметрах, l – длина его ребра в сантиметрах.

Полученный результат запишите. Затем из того же куска пластилина или глины вылепите цилиндр. Объем его будет точно такой же, какой был у куба (количество материала то же самое, только изменилась форма). Подсчитайте, чему равна поверхность цилиндра. Конечно, в эту величину должна входить величина боковой поверхности и площади обоих оснований. Для подсчетов измерьте радиус основания цилиндра и его высоту: S = 6,28 r(h + r), где S – поверхность цилиндра, выраженная в квадратных сантиметрах; r – радиус основания в сантиметрах; h – высота цилиндра в сантиметрах.

Запишите размер поверхности цилиндра и вылепите из того же самого куска пластилина или глины конус. Измерьте его образующую (длину его стороны) и радиус основания.

Поверхность конуса вы подсчитаете по формуле: S = 3,14 r(l + r), где r – радиус основания конуса; l – образующая конуса.

Записав результат, превратите конус в шар. Раскатав его в ладонях, можно добиться, что он будет совсем круглый.

Измерьте диаметр шара с помощью спицы или прямого кусочка толстой проволоки. Спицей или проволокой проткните шар так, чтобы она прошла через центр шара. Размер диаметра в сантиметрах разделите пополам, получите радиус шара.

Произведя вычисления по формуле S = 12,56r², получите поверхность шара.

Когда вы сравните полученный результат с предыдущими, вы увидите, что наименьшей поверхностью из всех вылепленных из одного и того же куска пластилина или глины фигур обладает шар.

Конечно, при изготовлении геометрических фигур нужно проявлять максимальную аккуратность, чтобы фигуры получались правильные.

Пленка-невидимка

Прежде чем познакомиться с тем, как ведет себя жидкость в состоянии невесомости и проделать опыты с микроракетами, проделаем несколько опытов с явлением поверхностного натяжения.

Как известно из физики, на поверхности любой жидкости действуют так называемые силы поверхностного натяжения. Напомним, что они возникают благодаря взаимному притяжению молекул, расположенных на поверхности, и молекул, находящихся в глубине жидкости. При этом создаются силы, которые стремятся уменьшить поверхность жидкости.

Наполните стакан до краев водой и продолжайте пипеткой осторожно по капле добавлять воду. Вы увидите, как поверхность воды в стакане начнет подниматься над краями и вздуется, как бы удерживаемая незримой пленкой. Вы добавляете воду, «пленка» не выдерживает напора, и вода течет по краю стакана.

Вы, наверное, наблюдали летом, как по поверхности открытых водоемов со стоячей водой, а иногда и просто луж бегают насекомые – водомерки. Поверхность воды под их ножками хотя и вдавливается, но никогда не прорывается.

Даже тяжелые по сравнению с водой предметы, такие, как иголка и лезвие безопасной бритвы, могут лежать на ее поверхности. Нужно только предварительно смазать их очень тонким слоем жира, чтобы вода не могла их смочить. Положите осторожно лезвие на поверхность воды, и оно будет плавать; будет видно, что водная поверхность слегка вдавилась под его тяжестью.

Чтобы проследить, как ведут себя силы поверхностного натяжения, если их в одном каком-то месте ослабить, проделаем такой опыт.

Припудрим поверхность воды в стакане зубным порошком, хорошо перетирая его пальцами. Получится ровная белая поверхность. Наберите в пипетку мыльную воду (она имеет очень слабое поверхностное натяжение) и капните в центр белого круга одну каплю. На ваших глазах в месте падения капли образуется свободное от порошка темное круглое пространство. Мыльная капля ослабила в месте своего падения поверхностное натяжение, покрытой порошком воды, и поверхность воды передвинулась к краям стакана.

Частичная потеря веса

Когда вы купаетесь в бассейне, реке или море, вы чувствуете, что ваше тело стало легче, вы даже можете лежать на спине, затрачивая небольшие усилия, чтобы держаться на поверхности воды.

Проделаем опыт, который покажет, как физическое тело может стать легче.

Возьмите пружинные весы, а если их у вас нет, приспособьте для опыта тугую резиновую полоску, прикрепленную к верхнему концу дощечки, на которой карандашом можно будет сделать отметки при растяжении резины.

Прицепите к весам какой-либо груз, например камень. Допустим, вес его два килограмма. Если вы пользуетесь самодельным прибором, то отметьте карандашом, насколько растянулась резина.

Затем возьмите ведро, наполните его до краев водой и поставьте в таз. В ведро опустите груз, подвешенный к весам. Как только груз полностью опустится в воду, из ведра перестанет вытекать вода. Весы или натяжение резины покажут, что вес груза значительно уменьшился.

Но это уменьшение веса произошло за счет веса той воды, которую вытеснил из ведра груз. Если взвесить вылившуюся из ведра в таз воду, то окажется, что она весит как раз столько, на сколько легче стал груз, когда он очутился в воде.

Как вы уже догадались, этот опыт иллюстрирует закон Архимеда.

Описанным способом можно легко определить объем какого-либо предмета, если иначе его объем не определишь. Нужно только полностью погрузить этот предмет в воду (конечно, при условии, что вода его не испортит), а затем замерить объем вылившейся воды. Если предмет небольшой, то вода из сосуда может не выливаться. Измерив уровни воды до погружения предмета и после, можно подсчитать ее объем.

Жидкий шар

Вы знаете, что жидкости всегда принимают форму тех сосудов или водоемов, где они находятся. Большое количество воды под влиянием своего веса моментально растечется, если ее вылить из сосуда.

Ну, а если вода вдруг станет невесомой, какую форму она примет при удалении ее из сосуда, в котором она хранилась?

Рассмотрим сначала маленькие количества воды – капли. Капли очень легкие, вес почти не искажает их шарообразную форму или искажает мало, делая их чуть приплюснутыми. Водяные шарики – капли можно наблюдать на листьях растений или на материи, которая не впитывает воду. Чем меньше по размеру капля, тем она шарообразнее. В воздухе капли дождя почти шарики. Во время свободного падения они находятся в состоянии невесомости, а поверхностное натяжение, стремясь создать наименьшую поверхность, придает им почти шарообразную форму.

Проделаем интересный старинный опыт. Для жидкости будут созданы такие же условия, какие бывают при состоянии невесомости. Во время этого опыта вы сможете наблюдать естественную форму жидкости уже не на маленьких капельках, а на шарике около двух сантиметров в диаметре.

Для этого опыта нам понадобятся: денатурированный спирт, а если его нет, тройной одеколон, вода, немного подсолнечного или хлопкового масла, пипетка и небольшая рюмка.

Накапайте в рюмку несколько капель масла, затем налейте в нее до половины денатурированного спирта или тройного одеколона. Масло тяжелее спирта, поэтому оно соберется на дне рюмки. Теперь понемногу подливайте в рюмку воду, осторожно помешивая спирт палочкой, чтобы он равномерно смешался с водой. Скоро вы увидите, как масляный шарик, оторвавшись от дна, станет медленно подниматься. Теперь прекратите подливать воду и добавьте в рюмку немного спирта или одеколона. Нужно добиться, чтобы масляный шарик немного опустился, «повис» в рюмке на некоторой глубине.

Это произойдет, когда удельные веса масла и смеси спирта с водой станут одинаковыми.

Наберите в пипетку немного масла и введите его в масляный шарик. Проделав это несколько раз, вы увидите, что шарик в рюмке становится все больше и больше. Наблюдать его лучше всего сверху, а не через изогнутое, искажающее форму стекло рюмки.

Если вы попытаетесь палочкой изменить форму шара в рюмке, он через несколько секунд снова примет прежнюю форму.

Под действием силы поверхностного натяжения масло образует самую маленькую поверхность – поверхность шара.

Но давайте немного пофантазируем. Представим себе, что мы находимся в кабине космического корабля или на орбитальной станции, где все находится в состоянии невесомости.

Для этого воображаемого опыта, который собираемся проделать, мы захватили с собой стакан, наполненный водой. Но как бы мы ни переворачивали стакан, вода из него не выльется. Поэтому нам придется слегка тряхнуть стакан, не очень сильно, но чтобы вода «вылезла» из него. Поколыхавшись в воздухе, вода примет форму шара. В состоянии невесомости даже большое количество воды, ну, например, такое, какое помещается в ведре, может принять форму шара. И если нет никакого движения воздуха, в кабине корабля будет плавать большой водяной шар. Вода, освобожденная от веса, наконец примет свою естественную форму.

По телевизору показывали репортаж с космической станции «Салют-4». Летчики-космонавты П. И. Климук и В. И. Севастьянов демонстрировали следующее: они выпускали из резинового шланга воду, и вода выходила из него крупными шариками. Оказывается, и фантазировать не надо…