Текст книги "Космос у тебя дома"

Автор книги: Флорентий Рабиза

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 11 страниц)

Эффект Доплера на рисунках

Эти опыты являются только «живыми» картинками, иллюстрирующими эффект Доплера. Модели и опыты, проделанные на этих моделях, условны, как и схема и рисунки, изображающие волновые процессы. Только вы увидите не неподвижное изображение в виде рисунков или чертежей, а меняющиеся на ваших глазах изображения.

Моделей будет две. Одна очень простая, на ней «волны» будут только сжиматься, а следовательно, их частота увеличиваться. Вторая, более сложная модель даст нам возможность наблюдать, как происходит и сжатие «волн» и их удлинение.

Для первой модели возьмите кусок плотной рисовальной бумаги размером 20х25 сантиметров и начертите на ней черной тушью полоски длиной примерно 15 сантиметров и шириной 0,5 сантиметра. Промежуток между полосками сделайте такой же ширины – 0,5 сантиметра. Расстояние, которое занимает черная и белая полоски, будет у нас означать длину волны, одно полное колебание.

На другом куске бумаги (можно немного меньшего размера) сделайте посередине вертикальное окошко размером 1,5x3,8 сантиметра.

Возьмите в левую руку листочек с «волнами», а в правую листок с окошечком. Смотрите сквозь окошечко на расположенные вертикально «волны» и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу. Движения обеих рук должны быть очень быстрыми. Тогда в окошечко вы увидите, как наши «волны» стали уже. Опыт нужно проделывать так, чтобы над листочком с окошечком были видны ничем не загораживаемые черные полоски. Они будут служить вам эталоном для сравнения, и вы ясно увидите разницу в размере «волн» над листочком и в окошечке.

Этот же опыт можно проделать еще проще. Помните, когда у нас был разговор о частоте, мы пользовались расческой? Возьмите расческу и листок бумаги с окошечком и, держа расческу горизонтально в левой руке, а окошко в правой, проделайте те же колебательные движения, но не очень быстро. Лучше этот опыт делать на светлом фоне. Рассматривать нужно ту половину расчески, где зубья крупнее и промежутки больше. При встречных колебаниях расчески и окошка вы увидите в окошко, что зубья и промежутки сузились и стали примерно такими же, как в той половине расчески, где зубья мельче.

А теперь проделайте такой опыт. Нарисуйте на листе бумаги на расстоянии 8 миллиметров друг от друга на одном уровне несколько черных кружков диаметром по два сантиметра.

Возьмите листок с кружочками в левую руку, а листок с окошком в правую и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу, как вы это делали и раньше. В мелькающее окошко вы увидите, что черные кружки сузились, превратились в эллипсы, а расстояние между кружками, теперь ставшими эллипсами, тоже сузилось.

Более полный вариант этого опыта можно проделать с помощью электрического проигрывателя или пружинного патефона. Скорость вращения диска должна быть максимальная, то есть 78 оборотов в минуту.

Вырежьте из картона кружок по размеру диска проигрывателя. Если картон не белый, наклейте на него белую бумагу. Разделите кружок на 12 частей и, отступя от края на 1,5 сантиметра, начертите циркулем 12 кружков диаметром 2,2–2,5 сантиметра. Кружки закрасьте черной краской. В центре картонного круга сделайте отверстие и наденьте на диск проигрывателя.

Во втором таком же картонном диске на расстоянии 1,5 сантиметра от края прорежьте, на одинаковом расстоянии друг от друга, 6 отверстий, имеющих форму трапеций: широкое основание – 2,2 сантиметра, узкое —1,5 сантиметра, высота – 2,2 сантиметра. В центре диска сделайте небольшое отверстие. Наденьте на длинный гвоздь маленький картонный кружок, а затем диск с прорезями. Когда вы держите гвоздь вертикально, шляпкой вниз, картонный диск должен легко вращаться, если его крутнуть рукой.

Приступим к опыту. Запустите диск проигрывателя с надетым на него вместо пластинки картонным кругом с нарисованными черными кружочками. Поместите над вращающимся кругом диск с прорезями и, приведя его рукой во вращение в противоположную сторону, наблюдайте через мелькающие прорези, что происходит на диске проигрывателя. Нарисованные черные кружочки по экватору стали уже. Они сжались и превратились в черные эллипсы. Меняя скорость вращения картонного диска на гвозде, можно добиться очень четкого, устойчивого изображения. Здесь имитировалось движение наблюдателя навстречу звуку. «Волны» стали короче, частота увеличилась.

А теперь посмотрим, что случится с «волнами» (в нашем опыте их роль выполняют черные кружочки), если наблюдатель отстает от волн. Произойдет удлинение «волн», то есть черные кружочки раздуются по экватору, превратятся в эллипсы, лежащие «на боку». В этом легко убедиться, если картонный круг на гвозде вы будете вращать в ту же сторону, что и диск проигрывателя. При определенной скорости вращения круга, который вы держите на гвозде, а она должна быть чуть меньше скорости диска проигрывателя, вы ясно увидите, как наши «волны» удлинились по экватору.

Для того чтобы лучше следить за трансформацией черных кружков, вращающийся диск проигрывателя нужно очень хорошо осветить.

Картонный диск на гвозде не обязательно должен быть расположен параллельно диску проигрывателя, можно его держать с некоторым наклоном.

Тайна «красного смещения»

Разгадывая загадку «красного смещения», ученые поняли, что это – проявление эффекта Доплера у световых волн.

Если звезда, источник световых волн, удаляется или приближается к нам (а вы сами понимаете, что это происходит на космических скоростях), то должна изменяться и длина световых волн, которые она излучает.

Сейчас астрономы широко пользуются эффектом Доплера не только для того, чтобы узнать, от нас или к нам летят наблюдаемые звезды и даже далекие чужие галактики, но и с какой скоростью происходит это движение.

Как же осуществляются эти наблюдения?

Спектр Солнца или звезд имеет на своей радужной полосе темные линии. Эти линии находятся на строго определенных местах спектра. Когда свет от раскаленного тела (Солнца или звезды) проходит через более холодный газ какого-нибудь химического элемента, окружающего это раскаленное тело, то этот сравнительно холодный газ «вынимает» из сплошного спектра тот кусочек спектра, тот цвет, который он сам мог бы излучать, если его раскалить до нужного свечения. Выше приводился пример с парами металла натрия: когда они сами светятся, мы видим в спектроскоп яркую желтую линию. Но когда через несветящиеся пары натрия пропускается сплошной спектр, то на нем появляется в желтой его части черная полоска. Эта полоска находится на определенном месте шкалы, и поэтому точно известно, волны какой длины этот участок спектра испускает. Но если натриевая полоска сдвинута, например, к красной части спектра, то есть оказалось, что у паров натрия длина волны не та, какая должна быть, а увеличилась, – это значит, что изучаемая звезда летит от нас. По величине сдвига линии натрия с ее законного места можно вычислить скорость, с какой эта звезда летит.

Это очень упрощенный пример. На спектрах звезд много черных линий, говорящих о самых разных химических элементах, которые содержатся в атмосфере этих звезд. Как говорилось, черные линии в спектре возникли, когда световые лучи, выходящие из раскаленных недр звезд, проходили через более холодную атмосферу звезды.

По сдвигу черных линий, по величине этого сдвига от того места спектра, на котором им полагалось бы находиться, ученые и делают свои выводы.

Расстояние до наших космических соседей очень велико. Расстояния во Вселенной измеряются миллиардами световых лет. Недавно была открыта новая галактика, расположенная от нас на расстоянии 8 миллиардов световых лет! Чтобы представить себе величину светового года, нужно вспомнить, что свет за секунду проходит 300 000 километров. Сколько же он пройдет за минуту, час, сутки, месяц, год?

Все, что мы с вами видим сейчас на небе в отдаленных местах Вселенной, все, что видят ученые в свои мощные телескопы, все это не то, что там существует в данный момент. До нас доходят лучи, вылетевшие из своих источников очень давно. И возможно, что некоторых звезд уже и нет, а мы их еще видим…

ОПЫТЫ В ВОЗДУХЕ

Воздушный змей – родственник самолете

Планерный спорт очень увлекателен. Хотя планер и тяжелее воздуха, он способен долго парить высоко над землей, поддерживаемый мощными потоками воздуха. Сейчас начинает распространяться новый интересный вид спорта – полет на дельтаплане. Он похож на воздушный змей и планер. Правда, планер значительно упрощенный– от планера остались только крылья, превращенные в большую несущую плоскость, а фюзеляж заменен летящим человеком. Да и спортивные воздушные змеи поднимают человека при благоприятном встречном ветре, при разгоне на лыжах на горном склоне или при разгоне с помощью катера на водных лыжах. Если для движения парусных лодок и кораблей желателен попутный ветер, то для полета планера или змея совершенно необходим встречный ветер.

Во всяком движущемся потоке (воздушном или водяном) давление по сравнению с давлением в окружающей среде уменьшается. Проделаем несколько опытов и посмотрим, что при этом происходит.

Нам понадобятся толстая резиновая трубка диаметром 0,5–1 сантиметр и целлулоидный шарик от настольного тенниса. Возьмите в рот конец трубки (предварительно вымойте ее), загните вверх другой ее конец и, дуя в нее, поместите над открытым концом трубки шарик. Шарик будет подпрыгивать на струе, но в сторону не упадет. Он как бы находится в воздушной воронке.

В этой воздушной воронке воздух, как и во всяком потоке, имеет пониженное давление, а атмосферное давление окружающего воздуха поддерживает шарик, не дает ему соскочить со струи.

Для этого опыта не требуется никакой тренировки, его может проделать каждый с первого раза. Надо только непрерывно дуть.

Чтобы посмотреть, что происходит, когда мы имеем дело с водяным потоком, проделайте следующее. Прилепите пластилином к тому же шарику нитку, откройте кран водопровода или умывальника и поднесите к водяной струе шарик, держа натянутую нитку в руке. Вода как бы присосет к себе шарик, и он, прилипнув к струе, будет около нее находиться, даже если вы конец нитки отведете в сторону. Шарик будет висеть на наклонной нити, натягивая ее. В струе давление понижено, и окружающий воздух прижимает шарик к струе.

Нам нужно проделать несколько опытов, связанных с большой высотой. Для этого мы построим воздушный змей и даже не один, а разных конструкций. Они дадут нам возможность осуществить миниатюрный спуск на парашюте и мягкую посадку без парашюта. Ведь на тех планетах, где нет атмосферы или она сильно разрежена, парашют бесполезен, а чтобы спускаемый аппарат или сам корабль не разбился, ему нужно обеспечить мягкую посадку.

Прежде чем приступить к изготовлению воздушных змеев, рассмотрим, как змей взлетает, почему он держится в воздухе.

Когда плоская поверхность змея обтекается быстрым воздушным потоком, попросту говоря – ветром, и немного наклонена в нем, воздух нажимает на плоскость змея, создается так называемая подъемная сила, которая и поднимает змей в воздух. Если ветер отсутствует, змей не полетит. При слабом ветре для запуска змея нужно обеспечить подъемную силу, создав воздушный поток искусственно. Для этого следует разбежаться со змеем, и если выше над землей ветер дует сильнее, то он подхватит змей, и тогда можно будет, стоя на земле, управлять его полетом.

У самолетов есть двигатели, и для них встречный поток создается искусственно во время быстрого движения самолета, сначала по земле, а потом и в воздухе.

Воздушные змеи разных конструкций

Изготовим самый простой воздушный змей. Материал для его изготовления – бумага и тоненькие сухие планки, вырезанные из сосновой доски. Чем тоньше вы вырежете планки, тем легче будет змей, но при этом, конечно, не должна нарушаться его прочность.

Склейте рамку со сторонами 65x45 сантиметров. По диагоналям рамки приклейте еще две планочки, а в месте пересечения крепко их свяжите суровой ниткой. Да и все склеенные соединения рамки хорошо для надежности связать нитками. Затем нужно взять кусок тонкой, но прочной бумаги и приклеить его к рамке и ее перекрещивающимся диагоналям. Бумага должна быть немного больше каркаса.

Выступающие края нужно загнуть вокруг планок и заклеить. Чтобы не утяжелять змей, вполне достаточно, если заклеиваемые полоски будут шириной 1–1,5 сантиметра.

Возьмите тонкую прочную бечевку, привяжите ее к двум углам узкой стороны змея. Петля, если ее натянуть, должна образовать равнобедренный треугольник с боковыми сторонами по 39 сантиметров. К середине крестовины привяжите еще одну тонкую бечевку длиной немного больше 33 сантиметров. Второй конец привяжите к середине петли. К месту соединения привяжите тонкую бечевку, намотанную на катушку или на деревянную дощечку с вырезами на концах. К противоположной стороне змея привяжите за углы каркаса длинный хвост – в 2–3 метра. Хвост может быть сделан из полосок материи, связанных вместе. Хвост нужен для придания змею устойчивости в полете. После пробного запуска вы сами увидите, надо ли хвост удлинить, или укоротить, или просто утяжелить его конец. Возможно, поправлять хвост придется при каждом запуске змея, это будет зависеть и от ветра.

Когда все готово, нужно дождаться подходящего ветра. Слабый ветер может быть недостаточен для подъема змея, а очень сильный моментально его поломает.

Запускать змей лучше всего вдвоем. Один держит змей и бежит с ним против ветра, другой держит катушку с бечевкой, или, как ее называют, леером. Разбежавшись, попробуйте отпустить змей. Если ветер его подхватил, то теперь нужно постепенно отпускать, «травить» леер. Отпуская леер, можно добиться, что змей постепенно начнет набирать высоту. И, поднявшись на большую высоту– 100–200 метров, будет висеть в воздухе.

Для успешного запуска змея нужно, чтобы его «уздечка», бечевки, к которым привязан леер, так располагала плоскость змея, чтобы она имела наклон примерно в 30–40 градусов по отношению к горизонту. Этому наклону способствует и хвост.

И еще одно важное требование: никогда не запускайте змей вблизи проводов, деревьев, домов… Змей можно запускать только за городом, на открытом месте.

Добившись успеха с простым змеем, научившись хорошо его запускать, сделайте более устойчивый в полете коробчатый змей. Этому змею хвост не нужен, устойчивость в полете ему обеспечивает его форма.

Для его изготовления понадобятся тонкие сосновые рейки (их можно вырезать из толстой доски) и немного ситца. Для запуска в качестве леера используем капроновую рыболовную леску. Она легка и прочна.

Приступим к изготовлению.

Из сухой сосновой доски надо выпилить четыре рейки квадратного сечения (8x8 миллиметров) длиной до 100 сантиметров.

Это будут продольные рейки каркаса змея – лонжероны.

Нужно выпилить еще четыре рейки: две рейки по 50 сантиметров и две рейки по 87,5 сантиметра сечением 8х4 миллиметра. Это будут поперечные распорки каркаса. На их концах сделайте «вилки», чтобы они не соскальзывали с лонжеронов, когда змей будет собран.

Змей сделаем разборный. Тогда его будет удобно перевозить. Возможно, вы живете в городе, а запускать змей поедете за город. Собрать змей можно быстро.

Вилки на концах распорок делаются из коротких кусочков реек с меньшим сечением – 8х2 миллиметра, крепко привязанных к рейкам распорок. Перед тем как их привязывать, смажьте соответствующие стороны столярным клеем. Привязывать лучше всего суровой ниткой.

Соберите каркас. Распорки нужно поставить по концам продольных реек и места их пересечений перевязать суровой ниткой. Для того чтобы каркас не рассыпался, обвяжите его посередине в двух местах шпагатом. Теперь перейдем к изготовлению несущих плоскостей. Нужно замерить периметр ромба каркаса и изготовить из ситца две ленты шириной по 25 сантиметров. Края должны быть загнуты и прошиты на швейной машинке. Укрепите четырьмя мелкими гвоздиками или временно кнопками один конец ленты на конце одного из лонжеронов (лучше на той рейке, которая образует один из острых углов ромба). Промажьте клеем те места рейки, на которые ляжет материя, и натяните на них ткань. Обойдя ромб, хорошо натянув материю, закрепите с помощью клея и трех-четырех мелких гвоздиков конец полоски. Чтобы обеспечить хорошее натяжение материи, ее следует предварительно намочить и натягивать в мокром виде. Когда она высохнет, будет плотно облегать каркас змея. То же самое проделайте и со второй полоской. Если будет нужно, поправьте распорки, придайте змею правильную форму, чтобы он не был перекошен.

Можно прикреплять материю и другими способами, например пришив к полоске материи в тех местах, где она огибает лонжероны, специальные «карманы», в которые будут вставляться лонжероны.

От тщательности изготовления змея будут зависеть и его летные качества. «Уздечку» из тонкой крепкой бечевки надо прикрепить к лонжерону тупого угла ромба. Один конец бечевки прикрепите к самому концу лонжерона. Второй конец этой бечевки (длина ее один метр) привяжите к рейке в том месте, где проходит внутренний край задней матерчатой полосы, то есть на расстоянии 25 сантиметров от конца змея. Привяжите еще одну бечевку к рейке у внутреннего края передней полоски материи, то есть на расстоянии 25 сантиметров от начала змея. Второй конец второй бечевки привяжите к первой бечевке на расстоянии 25 сантиметров от ее переднего конца.

Леер нужно привязывать к «уздечке» в зависимости от силы ветра. Чем сильнее ветер, тем ближе к месту соединения двух бечевок его надо привязывать. В этом вы убедитесь на практике. Подробности конструкции коробчатого змея вы найдете на рисунке.

Запускать змей нужно вдвоем при достаточно сильном ветре. Один держит змей, второй держит моток с леером. Пробежав против ветра, держа змей над головой, попробуйте его отпустить, но если он не поднимается, нужно успеть поймать его, чтобы он не поломался, упав на землю. Если ветер достаточной силы и подхватил змей, постепенно отпускайте («травите») леер, и змей постепенно будет набирать высоту.

У коробчатого змея больше несущих плоскостей, чем у простого, его можно сравнить с бипланом, самолетом, у которого две пары крыльев.

Когда вы научитесь оценивать силу ветра и приобретете навыки в запускании змеев, проделайте несколько занимательных опытов, для которых нужна большая высота. На большой высоте змей ведет себя более устойчиво. Ветер на большой высоте дует спокойнее. У поверхности земли происходят завихрения воздушного потока, поэтому при запуске нужно поскорее поднять змей повыше.

Воздушная почта

Это самый простой опыт со змеем. Его можно проделать со змеем любой конструкции. Из плотной бумаги нужно вырезать бумажный круг диаметром 20–30 сантиметров, проделать в его центре отверстие и разрезать круг по радиусу. Затем из той же плотной бумаги надо свернуть цилиндрик длиной 5–8 сантиметров, диаметром меньше одного сантиметра. Когда змей будет запущен, попросите товарища подержать леер, а теперь можно, развернув цилиндрик, надеть его на леер и снова свернуть трубкой. На цилиндрик наденьте бумажный кружок, заведите один край разреза за другой и сколите края булавкой. Получился бумажный конус, плотно сидящий на бумажной трубке. Продвиньте его вверх по лееру. Ветер его подхватит и доставит к самому змею. Но обратно он к вам не вернется, пока не спустится змей.

Спуск на парашюте

Вы хорошо знаете, что когда космонавты возвращаются из космоса на Землю, они заключительную стадию приземления осуществляют в спускаемом аппарате на парашюте.

Изготовьте из тонкой медной проволоки диаметром не больше 0,5 миллиметра рамочку, которую можно легко подвесить на леере, загнув свободные концы в петельки. Петельки должны охватывать леер свободно.

Вдоль рамочки в дополнительные петельки проденьте кусочек медной проволоки (назовем его «подвижным стержнем»). Один его конец, который ближе к змею, нужно загнуть свободной петелькой вокруг леера на несколько сантиметров впереди рамочки. Другой конец подвижного стержня, после того как он будет продет в петельки подвижной рамки, загните на 180 градусов. К этому концу нужно подвесить наш «спускаемый аппарат» – резиновый мячик с привязанным к нему небольшим парашютиком, сшитым из материи. Чтобы парашютик не складывался, сделайте для него из тонкой проволоки ободок. В верхней части купола парашютика должно быть небольшое отверстие.

У самого змея, на метр не доходя до него, на леере сделайте упор (кусочек палочки, захлестнутый двумя петлями леера).

Когда змей будет запущен и вы подвесите к лееру рамку с парашютиком и «спускаемым аппаратом», проверьте, чтобы все детали устройства передвигались свободно и чтобы парашютик не соскользнул с крючка подвижного стержня (см. рисунок), когда ветер понесет его вверх по лееру. Когда все проверено, можно запустить наш автомат. Ветер подхватит парашютик, и вся система заскользит вверх по лееру.

Передний конец подвижного стержня дойдет до упора около самого змея, стержень остановится, а рамка будет еще немного скользить – ведь ее тянет вперед парашютик. Нижний конец стержня сдвинется в рамке, петля, на которой висит «спускаемый аппарат», соскользнет с крючка подвижного стержня, парашютик освободится и, подхватив «спускаемый аппарат» (мячик), доставит его на землю. Автоматическое приспособление, которое выполнило свою задачу, лишившись парашютика, который тянул его вверх, соскользнет по лееру к вам в руки.

Этот опыт может сразу и не удаться – все зависит от силы ветра. Следите за тем, чтобы все соединения были свободны, а автомат и парашют достаточно легкими. Возможно, подвижной стержень автомата нужно будет сделать из более толстой проволоки. Может быть, потребуется изменить размер рамки. К этому опыту следует подойти творчески, проявить свою инициативу и смекалку. Пусть первая неудача не огорчает вас. Дождитесь подходящего ветра и повторите опыт.