Текст книги "Космос у тебя дома"

Автор книги: Флорентий Рабиза

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 11 страниц)

Опыты с тремя кирпичами

Эти опыты немного похожи на опыт с двумя коробками.

Подвесьте на какой-нибудь перекладине на бечевке один кирпич, а рядом два кирпича, связанные вместе.

Перед вами два «физических тела». У одного из них инертность в два раза больше, чем у другого. Попытайтесь легким толчком мизинца, самого маломощного пальца, толкнуть сначала один кирпич, потом связанные два кирпича. Одного и того же усилия, чтобы их качнуть на одинаковое расстояние, недостаточно.

Для того чтобы в этом лучше убедиться, привяжите к одному и к двум кирпичам по одинаковой тонкой резинке.

Когда вы потянете по очереди за резинки, вы убедитесь, что кирпичи сходят со своих мест при разных растяжениях резинок. Когда приходят в движение два кирпича, резинка растянулась сильнее, значит, и сила была приложена большая.

«Что же здесь удивительного? – скажете вы. – Ясно, что два кирпича тяжелее, чем один, и, конечно, чтобы их сдвинуть, надо затратить больше силы». Однако дело здесь не в весе, а в том, что два кирпича более инертны, чем один, и, чтобы им придать одно и то же ускорение, надо и силу приложить большую.

Но подвешенные кирпичи не только сдвигались с места, они немного приподнимались. В подобных случаях ученые говорят, что опыт поставлен не чисто. Поэтому повторим этот опыт, перенесясь мысленно в помещение орбитальной станции, где все находится в состоянии невесомости. Наши подопытные кирпичи парят в воздухе, как и те предметы, которые нам часто показывают космонавты во время телевизионных передач с борта орбитальной станции. И вот оказывается, что хотя кирпичи в состоянии невесомости ничего не весят, но чтобы сообщить им одно и то же ускорение, на два кирпича, связанные вместе, надо затратить больше усилия, чем на один кирпич. Веса нет, но масса никуда не исчезла, инертность сохранилась.

Планеты на привязи

Земля мощным притяжением удерживает на своей поверхности все, что на ней находится. Удерживает не только нас с вами и все живущее на Земле, но и все предметы, камни, скалы, пески, воду океанов, морей и рек, атмосферу, окружающую Землю.

Исаак Ньютон сформулировал очень важный закон – закон всемирного тяготения. Он доказал, что тяготение существует не только на Земле, но и в необъятных просторах Вселенной. Все тела Вселенной – Солнце, планеты с их спутниками, отдельные звезды и звездные системы – притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения зависит от размеров небесных тел и от расстояний между ними. Чем меньше расстояние, тем притяжение сильнее. Чем больше расстояние, тем притяжение слабее.

Приведенные когда-то какой-то мощной природной силой в движение Земля и все другие планеты, близкие и далекие наши соседи по Солнечной системе, вращаются вокруг Солнца по своим постоянным, не меняющимся орбитам.

Обратите внимание: когда вы вращаете на веревке камень, он не может лететь по прямой линии – его удерживает на круговой орбите веревка. Но если веревка оборвется или ее сознательно отпустить, камень, стремясь двигаться по инерции, полетит по прямой линии – касательной к его орбите, окружности, которую он описывал.

Каждая планета, как и камень, вращается «на привязи». И если у камня привязью служит веревка, то у планет привязью служит могучее притяжение Солнца. Скорости, с какими летят планеты, огромны, и, конечно, если бы солнечное притяжение не отклоняло их с прямого пути, заставляя описывать эллиптические орбиты, то около Солнца не осталось бы ни одной планеты.

А Земля, в свою очередь, незримой силой тяготения удерживает Луну на ее круговой орбите, заставляя вращаться вокруг себя.

Но что произойдет, если внезапно перерезать эти незримые «канаты-тяготения» между Землей и Луной, между Солнцем и планетами? Если выключить тяготение, как мы выключаем телевизор, радио или электрическую лампочку?

Ответом на этот вопрос послужат следующие опыты.

Опыт с выключенным тяготением

Прежде чем проделать этот опыт, проделаем два вспомогательных. Первый опыт иллюстрирует случай, когда планета совершенно неподвижна и на нее действует только притяжение Солнца. Второй опыт – когда планета и движется по орбите и на нее действует притяжение нашего светила.

И наконец, главный опыт – притяжение неожиданно выключается и действует только инерция.

Когда вы проделаете эти опыты, то убедитесь, какое большое значение имеет в природе гармоничное сочетание, казалось бы, противоположных явлений.

Первый опыт очень простой. Возьмите деревянный или металлический шарик или круглый камешек. Он никуда не летит, находится в состоянии покоя, в вашей руке. Вы стоите на полу. Выпускаете шарик из руки, он падает на пол. Вот и весь опыт.

А теперь давайте наполним наш опыт содержанием, проследим, у кого какие были роли. Шарик, который вы держали в руке, – это неподвижная планета. Пол, на котором вы стоите, – Солнце. Земное притяжение, которое испытывает шарик, – притяжение Солнца. Вот и произошло, что неподвижная, никуда не летевшая «планета», притянутая «Солнцем», падает на него.

Второй опыт сложнее. Прежде всего нужно сделать прибор, который понадобится нам и для других опытов.

Возьмите тяжелый кружок диаметром 15–20 сантиметров (это может быть основание от старой негодной настольной лампы или несколько кружков конфорок от плиты), проденьте через отверстие в центре две прочные веревки длиной 1–1,5 метра и завяжите узел. Кружок должен висеть горизонтально на этом узле. Если вы располагаете конфорками, то нужно вырезать из фанеры два кружка и между ними зажать сложенные вместе чугунные кружки. Узел, на котором лежит фанерный кружок, закрепите маленькими гвоздиками. Нужно, чтобы при вращении дисков веревки не проворачивались в отверстии.

На фанерном кружке, около отверстия, в которое продеты скрученные веревки, вбейте маленький гвоздик. Привяжите к нему тонкую нитку. Натяните нитку до края кружка и привяжите к ее концу небольшой металлический шарик или камешек. Роли здесь будут такие: шарик – планета, центр диска – Солнце, нить – сила притяжения, которой Солнце удерживает на орбите нашу подопытную планету. Приведите диск в быстрое вращение. Перед вами будет модель движения одной из планет вокруг Солнца.

Перейдем теперь к третьему, главному опыту. Когда диск хорошо раскрутился, быстрым, легким прикосновением лезвия безопасной бритвы перережьте нитку, на которой привязан шарик или камешек. Лучше это сделать вблизи шарика. Этим вы выключаете притяжение планеты к Солнцу. И шарик-планета улетает по инерции по прямой линии в «мировое пространство», куда-нибудь в кусты или траву.

В комнате этот опыт делать нельзя – можно что-нибудь разбить.

Упрощенный вариант этого опыта можно наблюдать, когда точат на точиле ножи. Сноп искр летит по инерции по касательным к вращающемуся кругу. Это раскаленные частицы металла. Они не могут удержаться на своей орбите, на которой они возникают. Ведь их никакая сила к оси круга не притягивает, и искры свободны в своем полете. Они движутся по прямым линиям. Вследствие быстроты их движения мы видим не каждую искру в отдельности, а светящиеся следы, подобные раскаленным следам метеоров, которые иногда пролетают в ночном небе.

Опыт с тремя мячиками

Сила, когда она действует на какое-то тело, все больше и больше увеличивает его скорость, вызывает ускорение этого тела. Как известно, ускорение зависит от массы и от приложенной силы. Чем больше масса, то есть чем больше инертность тела, тем большую силу надо приложить для получения нужного ускорения.

При запуске спутника Земли или космического корабля его ускоряют до нужной космической скорости (если корабль запущен на околоземную орбиту, то, как уже говорилось, ему должна быть сообщена первая космическая скорость – около 7,9 километра в секунду). Когда нужная скорость уже достигнута, работа двигателей прекращается, и спутник или корабль летит по инерции с равномерной скоростью.

Но сила может быть приложена к телу и в очень короткий промежуток времени, например, при толчке, при ударе. После такого короткого действия силы тело будет двигаться только по инерции.

Вот такие опыты мы сейчас и проделаем.

Приобретите в магазине три одинаковых небольших (диаметром около 6 сантиметров) резиновых мячика. В одном из них прорежьте острым перочинным ножом маленькую щель длиной не больше одного сантиметра. Вставьте в прорезь небольшую воронку и насыпьте в мячик дополна сухой, чистый песок. Прорезь заклейте без латки резиновым клеем. Клей легко пройдет в разрез, если мячик слегка сдавить пальцами.

Возьмите кусок не очень толстого, но достаточно упругого картона, вырежьте из него полоску длиной 40 сантиметров и шириной 4–5 сантиметров. Проколите иголкой с ниткой середину одного конца картонной полоски, завяжите нитку узлом и, согнув в дугу картонную полоску (осторожно, чтобы она не дала трещину), проколите второй конец полоски и, натянув нитку, закрепите ее.

У вас получилось нечто похожее на лук для стрельбы стрелами, только согнут наш «лук» гораздо больше, концы картонной полоски, стянутые ниткой, идут параллельно, а затем переходят в дугу.

Теперь приступим к опытам. Положите на гладкий пол комнаты нашу картонную пружину, а по обе стороны от нее, у ее концов, по одному одинаковому мячику. Мячики должны плотно прижиматься к концам картонной пружины. Зажгите спичку и поднесите ее к середине нитки. Нитка моментально перегорит, полоска распрямится, толкнет мячики с одинаковой силой, которая действует очень короткий промежуток времени. Мячики откатятся в противоположные стороны на одинаковые расстояния.

После этого опыта снова зарядите нашу картонную пружину, связав ее концы ниткой, как и прошлый раз.

Снова положите ее на пол, на то же место, но мячики около нее положите разные: с одной стороны – обыкновенный мячик, с другой – мячик, наполненный песком. Следите, чтобы мячики, как и в прошлый раз, касались концов согнутой полоски.

Поднесите к нитке горящую спичку. Картонная пружина мгновенно распрямится, толкнет мячики в противоположные стороны. Мячики откатятся, но откатятся теперь не на одинаковые расстояния, как прошлый раз. У мячика с песком масса значительно большая, а поэтому и откатился он совсем недалеко.

Во время этих опытов очень осторожно обращайтесь с огнем. Конечно, можно нитку перерезать и ножницами, но при этом может быть добавочный толчок, который передастся через картонную полоску шарикам, а это нежелательно.

От мячиков к ракете

Сейчас вы проделали опыты, которые иллюстрировали очень важный закон, на нем основан запуск искусственных спутников, космических кораблей и полеты ракет. Это закон сохранения количества движения.

В физике в разделе «Механика» есть понятие «количество движения» – математическое и очень образное выражение вывода из второго закона движения Ньютона.

Выглядит это выражение так: mv – произведение массы тела m на скорость v.

Когда вы делали опыт с одинаковыми мячиками, массы которых равны, они под действием одной и той же силы откатились на одинаковые расстояния. Если помножить скорости мячиков на их массы, то получатся одинаковые произведения. Только направления у мячиков были разные.

В другом опыте, когда у мячиков массы разные, при умножении масс на скорости тоже получаются одинаковые произведения. У одного мячика масса большая, но скорость маленькая, у другого масса маленькая – скорость большая.

Когда действуют силы в замкнутой системе – а такой системой можно считать наши мячики и картонную пружину, если не принимать во внимание силы трения о пол и воздух, – то здесь имеет место закон сохранения количества движения.

Ракета на старте – тоже замкнутая система. Она будет двигаться за счет внутренних сил. Снаружи никто ее толкать не будет.

Когда она стоит на старте, ее количество движения равно нулю. Когда же заработали реактивные двигатели и из сопел с огромной скоростью вырываются раскаленные газы, ракета устремляется вверх.

Если умножить всю массу этих газов на их скорость, то произведение будет точно равно произведению массы корпуса ракеты на ее скорость. Только направления разные: раскаленные газы летят к Земле, а ракета летит от Земли.

ОПЫТЫ С РЕАКТИВНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Реактивный плот

Начнем сразу с опыта, который даст возможность наблюдать реактивное движение, как говорится, в натуре. Опыт довольно простой, но чтобы он прошел удачно, его нужно хорошо подготовить.

Выпилите из доски прямоугольный кусочек толщиной 1,5 сантиметра, шириной 5 и длиной 10 сантиметров. Это будет маленький плот – основа нашего прибора. К его узкой стороне посередине приклейте нерастворимым в воде клеем и прибейте маленьким гвоздиком половинку разрезанной вдоль бутылочной пробки (из пробкового дерева). Один конец этой половинки должен быть вровень с дощечкой, а другой – возвышаться на два сантиметра. Затем вырежьте из картона две узкие полоски размером 0,5x10 сантиметров и приклейте их посередине плотика (начиная от пробки) с зазором в пять миллиметров.

Возьмите лезвие безопасной бритвы (надо их иметь несколько – они легко ломаются), согните его, насколько это возможно, и свяжите концы ниткой, как вы это делали, когда «заряжали» картонную пружину в опыте с мячиками. Здесь бритва будет играть ту же роль – роль пружины. Переверните согнутую бритву концами вверх и, приложив один конец к пробке, прикрепите к ней ниткой. Кроме этого, обхватите конец лезвия тонкой проволочкой и, закрутив ее, плотно прижмите его к пробке.

Для этого опыта нужно приобрести деревянный или пластмассовый шарик диаметром три сантиметра. Вес шарика не должен быть больше 10 граммов (не больше веса двух пятаков). Деревянный шарик имеет то преимущество, что он не тонет, и его легче будет найти, если опыт будет проводиться на берегу пруда или озера. Но конечно, опыт вполне можно проделать и в большом тазу или в ванне. Важно, чтобы вода была спокойная, чтобы не было ни волн, ни течения, ни ветра.

Положите на воду плотик с «заряженной» пружиной-бритвой. На картонную дорожку, прижав к концу бритвы, положите деревянный шарик. Конец бритвы должен касаться середины шарика или быть чуть выше его середины. Когда плотик успокоится, перестанет качаться после опускания на воду, поднесите к нитке, стягивающей концы бритвы, горящую спичку. Делайте это осторожно, не касаясь ни нитки, ни бритвы. Нитка перегорит, бритва своим концом ударит по шарику, и он соскочит с плотика в воду. Плотик поплывет в противоположную сторону.

С похожим опытом вы уже познакомились, когда картонная пружина, распрямляясь, ударяла по двум мячикам, приводя их в движение. Шарики откатывались в разные стороны. Здесь произошло то же самое, только вторым мячиком был сам плотик. В обоих случаях действовал принцип реактивного движения.

Шарик, соскочивший с плотика, подобен продуктам сгорания топлива, вылетающим из сопел ракеты. Пружина, распрямившись, нажала на шарик и одновременно на стенку «камеры сгорания» – пробку, к которой она привязана. Но шарик под напором пружины вылетел с нашей плавучей «ракеты», а давление на противоположную стенку «камеры сгорания» заставило ее под этим напором двинуться в противоположную сторону.

В ракете, которая вылетает со старта, непрерывно в течение короткого промежутка времени сгорает топливо. Из узкого, постепенно расширяющегося отверстия, сопла, вырываются под большим давлением и с большой скоростью продукты сгорания – газы. Ракета при этом получает ускорение, пока не будет достигнута нужная скорость, и летит в сторону, противоположную вылетающей струе газов.

Ракета может лететь с работающими двигателями и в безвоздушном пространстве. Топливо в камере сгорания получает для сгорания нужную порцию кислорода. И летит ракета только благодаря реактивной силе, силе отдачи, а не благодаря отталкиванию от воздуха.

Отдача происходит и при стрельбе орудий и при стрельбе из ружья или винтовки. Снаряд или пуля летят в одну сторону, а орудие и винтовка движутся в другую. Но у снаряда или пули массы значительно меньшие, чем у орудия и винтовки. Вспомните опыт с мячиками, у которых разные массы. Какой из них откатится дальше? Конечно, тот, у которого масса меньше.

Началось с игрушки

Реактивное движение, которое сейчас широко применяется и в авиации и для полетов в космическое пространство, известно было, как это ни покажется странным, в глубокой древности.

Но дальше забавных игрушек оно применения не находило. Сохранились описания паровой вертушки, которая вращалась благодаря вылетающим струям пара. Устроена она была очень просто. В шаровой котел наливалась вода, под котлом разжигался огонь, вода закипала, пар с силой вырывался из двух загнутых в одну сторону трубок. Котел мог вращаться на двух вертикальных осях. В местах изгиба трубок возникала реактивная сила, и шарообразный котел быстро вращался.

Но в те далекие времена никто и не думал, что реактивное движение даст человеку возможность посылать корабли к Луне, Марсу, Юпитеру, Венере, Меркурию и другим планетам Солнечной системы.

Первым, кто открыл возможность хотя бы в виде описанной игрушки использовать реактивное движение, был грек Герон Александрийский, живший в первом веке нашей эры.

А в 1750 году венгерский ученый Янош Андраш Сегнер сделал прибор, основанный на реактивном действии вытекающих струй воды. Прибор назвали Сегнеровым колесом, и сейчас он – непременное наглядное пособие любого школьного физического кабинета.

Когда был изобретен порох, его использовали для игрушечных ракет, различных фейерверков. Игрушечные ракеты стали применять для сигнализации во время войн, а в XIX веке ракеты уже применяли как оружие.

Потом возникла мысль о возможности использования ракет, конечно, более мощных и для полета людей. Приговоренный к смертной казни революционер-народоволец Николай Иванович Кибальчич за несколько дней до смерти, сидя в тюрьме, составил первый проект ракетного аппарата для полета людей.

Но полное научное обоснование полета человека в космос разработал Константин Эдуардович Циолковский. Он основал науку о полетах на другие планеты, рассчитал, какие для этого нужны корабли, какое понадобится горючее, какие скорости и траектории будут нужны для таких полетов.

Сейчас и у нас и в Соединенных Штатах Америки ракетная техника развита очень сильно. Вы свидетели полетов наших космонавтов и американских астронавтов. Прогрессивное человечество стремится к тому, чтобы ракетная техника служила только науке, только на благо человека. Навсегда должно быть исключено ее применение для уничтожения людей и всего того, что создано человеком.

В наши дни сотни искусственных спутников Земли выполняют огромную работу по изучению околоземного пространства, дают возможность передавать телевизионную передачу, осуществлять телефонную и телеграфную связь на огромные расстояния – из одного конца нашей планеты в другой, предупреждают об изменениях погоды, о надвигающихся опасных тайфунах. А полеты советских и американских космических кораблей к Луне и планетам Солнечной системы? Вокруг Луны, Марса и Венеры иногда вращаются искусственные спутники, сообщая о них ценные научные сведения.

Реактивное движение используется не только в космосе. Вся современная авиация в основном применяет реактивный принцип. Это и экономичнее, и быстрее, и надежнее.

Мог ли обо всем этом мечтать Герои Александрийский, глядя на свою вращающуюся реактивную игрушку? Даже физик Сегнер, демонстрируя свое, ставшее знаменитым «колесо», вряд ли придавал серьезное значение этому прибору и реактивному движению, положенному в его основу.

Опыты с реактивными вертушками

На этих опытах мы с вами воспроизведем историческую игрушку Герона Александрийского и физический прибор Сегнера.

Сначала сделаем модель вращающегося шара. Правда, наш шар, вернее, шарик будет вращаться не от пара, а от воздуха, но принцип его движения тот же – реактивный.

Возьмите целлулоидовый шарик для настольного тенниса и несколько пустых, отработанных стержней для шариковой ручки. Один стержень должен быть длинным, другие могут быть покороче, их все равно придется резать. Хорошо вымойте стержни и, вытащив из них плоскогубцами металлическую втулку с шариком, прочистите их внутри тонкой проволочкой и ваткой, смоченной в одеколоне. Отрежьте два стерженька по 8 сантиметров и изогните их в кольцо. Замкнутого кольца делать не нужно, сгибайте до тех пор, пока не начнет сминаться внутренняя часть дуги. Свяжите ниткой концы, как у круто согнутого лука. Оставьте их полежать, чтобы стерженьки «привыкли» к такой форме.

В целлулоидовом шарике сделайте три маленьких отверстия, такие, чтобы стерженьки от ручки плотно входили в них. Одно отверстие сделайте на «полюсе», два других на «экваторе» – на его противоположных сторонах. В отверстие на «полюсе» вставьте длинный стержень и залепите место его входа в шарик кусочком пластилина. В боковые отверстия (на «экваторе») вставьте освобожденные от ниток гнутые трубочки. Они могут входить внутрь шарика чуть ли не до половины своей длины. Важно, чтобы их наружные концы были загнуты в плоскости экватора, шли почти параллельно поверхности шарика и были направлены в одну сторону. Места соединений с шариком тоже залепите пластилином. Возьмите полоску бумаги шириной 5–6 сантиметров, скатайте ее в тоненькую трубочку, заклейте конец полоски и наденьте на длинный стержень. Поставьте шарик на гладкую поверхность, держите вертикально бумажную трубочку со стержнем внутри.

Начните дуть в длинный стержень. Подшипником будет бумажная трубочка, которую вы держите в руке, а подпятником, на котором вращается шарик, – поверхность стола.

Шарик будет быстро вращаться в противоположную загнутым трубкам сторону.

Этот прибор можно усовершенствовать. Трубку-стержень от шариковой ручки пропустите через шарик насквозь (через его «южный полюс») и вставьте в нижний короткий конец наконечник с металлическим шариком, который вы когда-то вынули. В той части трубки, которая находится внутри целлулоидового шарика, нужно проделать иголкой несколько отверстий для выхода вдуваемого в шарик воздуха. Прибор установите на маленькой подставке с проволочными подшипниками и углублением в дощечке в качестве подпятника. Тогда прибор будет вращаться более устойчиво.

Другой исторический прибор, Сегнерово колесо, можно сделать так. Склейте из плотной бумаги или тонкого картона конус. По диаметру его основания укрепите деревянную реечку, в самом центре реечки просверлите сквозное отверстие, промажьте конус изнутри и снаружи олифой, а затем покрасьте масляной краской; когда она высохнет, покройте лаком. Это нужно для того, чтобы конус не намокал, когда в него нальем воду. В отверстие реечки проденьте шнурок, завяжите внизу узел и подвесьте конус вершиной вниз в таком месте, где можно на землю лить воду. К вершине конуса (она теперь внизу), сделав в нем отверстие, приделайте целлулоидовый шарик от настольного тенниса со вставленными согнутыми трубками, так же, как у модели реактивного шара Герона Александрийского. На «северном полюсе» шарика нужно будет прорезать отверстие побольше и вставить в него вершину конуса. Место соединения целлулоидового шарика с бумажным конусом хорошо промажьте клеем, который клеит целлулоид (например, нитроцеллюлозный клей). Затем, нарезав узкие короткие кусочки бумаги, приклейте их одним концом к шарику, а другим – к конусу. Сверху этих наклеек приклейте еще узкие полоски вдоль шва, чтобы одна сторона полоски была приклеена к шарику, другая к конусу. Полоски нарежьте короткие, они могут ложиться друг на друга внахлест. Обмотайте место соединения ниткой в несколько слоев, промазывая каждый слой клеем. Когда все будет готово, налейте в конус воду. Чтобы преодолеть силы трения и инертность конуса, его нужно будет слегка крутнуть в сторону, противоположную концам трубок, из которых вытекает вода.

Здесь размеры конуса не указаны, но учтите, что может оказаться, что давление воды на целлулоидовый шарик способно оторвать его от конуса. Возьмите медную проволоку диаметром 0,5 миллиметра, проденьте ее в отверстие в планочке и в «южном полюсе» шарика и позаботьтесь, чтобы это место шарика не пропускало воду. Конец проволочки пропустите через металлическую шайбочку и затем обвяжите его вокруг деревянной палочки или гвоздя. Весь «южный полюс» залепите заплаткой, вырезанной из другого шарика. Чтобы медная проволочка, на которой смонтирован прибор, не закручивалась, в месте подвеса сделайте маленький шарнир с петлей, к которой должна быть привязана проволока. Можно, конечно, обойтись и без всякого шарнира, привязав конец проволоки к тонкой бечевке. Нам важно, чтобы не закручивалась сама проволока.

Сейчас Сегнерово колесо перестало быть игрушкой. Оно широко используется для поливки растений. Напор воды вращает головку с распылителями воды. Садовник или огородник переносит легкую установку поливочного аппарата и передвигает шланг на другое место.