Текст книги "Лаборатория юного физика"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

Соавторы: Петр Хлебников
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 7 страниц)

Геронов фонтан

Этот простой и интересный прибор придумал знаменитый ученый древности Герон Александрийский.

Подберите бутылку как можно большего объема с плотной пробкой.

Трубка для фонтана нужна потоньше. Хорошо, если ее внутренний диаметр будет 1–2 мм. В пробке просверлите или прожгите раскаленным гвоздем отверстие, в которое трубка должна входить очень туго.

Налейте в бутылку немного воды. Вставьте пробку в горлышко. Нижний конец трубки должен погрузиться в воду и дойти почти до самого дна. Фонтан готов (рис. 7).

Рис. 7. Геронов фонтан.

Для того чтобы он стал действовать, воздух в бутылке надо сжать. Лучше всего сделать это насосом, которым накачивают мячи.

Если насоса нет, можно просто взять конец трубки в рот и дуть в него, сколько хватит силы. Только в этом случае конец трубки должен быть ровным, гладким, чтобы не порезать губы. Если трубка стеклянная, оплавьте ее конец на свече или горелке. Если металлическая, аккуратно опилите мелким напильником. Перед каждой демонстрацией прибора конец трубки протирайте ваткой, смоченной одеколоном.

Когда освободите верхний конец трубки, из него забьет фонтан. Это сжатый в бутылке воздух, стремясь расшириться, вытесняет воду. Фонтан перестанет действовать, когда давление воздуха в бутылке упадет до нормального.

Что нужно для того, чтобы фонтан работал дольше?

Прежде всего, объем воздуха в бутылке должен быть как можно больше. Для этого и берется большая бутылка. А воды на дно наливайте поменьше. Ведь она отнимает место у воздуха. И трубочка берется с узким каналом, чтобы вода выходила не так быстро.

Но все-таки Геронов фонтан работает недолго. Для того чтобы он действовал длительное время, воздух нужно подкачивать. Это можно сделать, если удастся пропустить через пробку еще одну трубку. Эту трубку не нужно опускать до самой воды. Верхний конец ее отогните и дуйте в него или накачивайте воздух насосом с вентилем. Тогда фонтан будет работать, пока не кончится вода.

Модель водопровода

Водопровод работает по закону сообщающихся сосудов. На водопроводной станции имеется огромный сосуд – водонапорный бак. Он устанавливается где-нибудь на холме или на высокой башне. В бак накачивают воду насосом. А из бака идут трубы к потребителям воды. Если даже потребитель живет в верхнем этаже высокого дома, все равно вода поднимется к нему, как поднимается она в сообщающихся сосудах. Важно только, чтобы потребитель не забирался выше уровня воды в водонапорном баке. Фонтаны на площадях и скверах тоже питаются от водопровода. И чем выше установлен водонапорный бак, чем сильнее напор в сети водопровода, тем на большую высоту будет бить фонтан.

В нашей модели роль водонапорного бака играет консервная банка. Припаяйте к ней ножки из толстой проволоки, как показано на рисунке 8.

Рис. 8. Модель водопровода.

В середине дна банки сделайте отверстие и впаяйте в него жестяную трубку, свернутую на школьной ручке и спаянную по шву.

Для сбора воды, выливающейся из фонтана, нужно сделать бассейн. Иначе вода разольется по комнате. На рисунке 8 показан бассейн из низкой консервной банки. Можно взять и высокую банку, обрезав ее до небольшой высоты, или согнуть корытце из жести. Помните только, что емкость бассейна не должна быть меньше емкости водонапорного бака, иначе вода перельется через край.

Для того чтобы вода била достаточно высоко, фонтан должен иметь узкое сопло. Мы сделали сопло из ниппеля от старой велосипедной камеры. Внутреннюю трубочку, на которую раньше надевалась ниппельная резинка, мы отпилили, оставив только конусную часть и горловину с резьбой. Это видно на рисунке 8.

Ниппель мы вставили в трубочку, спаянную из жести, и опаяли вокруг. Трубочку пропустили через дно банки-бассейна и тоже опаяли. Если у вас ниппеля нет, можете сделать сопло из какой-нибудь другой подручной детали, просверлив в ней отверстие диаметром 1,5–2 мм, или свернуть и спаять жестяной конусок с таким же отверстием в вершине.

Сделайте для модели деревянную подставку из доски на двух брусочках. Под водонапорным баком и под бассейном просверлите отверстия для пропуска трубок. Поставьте бак на место и привинтите ножки к подставке. Бассейн с фонтаном тоже установите на место, пропустив трубочку сквозь подставку. Длина трубочки должна быть такой, чтобы конец, выступающий из подставки снизу, был не короче 10 мм. А отверстие сопла фонтана должно быть чуть выше верхнего края бассейна, чтобы вода никогда его не покрыла.

Осталось соединить трубку бака с трубкой бассейна при помощи гибкой резиновой трубочки. Наполните бак водой, и фонтан начнет работать. Чем ниже будет опускаться уровень воды в баке, тем меньше напор. Фонтан будет постепенно ослабевать.

Для того чтобы банки от воды не ржавели, а подставка не коробилась, покрасьте модель масляной или эмалевой краской. Для модели водопровода кран не очень нужен. Можно пользоваться прищепкой для белья, зажимая ею резиновую трубочку.

А вот у настоящего водопровода кран есть. И бывает иногда, что он портится. Как его ни заворачивай, вода продолжает бежать тонкой струйкой. Юный физик должен уметь сам починить кран.

Заверните вентиль на трубе, подающей воду к неисправному крану. Гаечным ключом выверните из корпуса крана головку вместе с ручкой. На валике ручки сидит внизу клапан с круглой кожаной прокладкой. Прокладка износилась, ее нужно заменить новой.

В обрывке старого ремня или другом кусочке кожи подходящей толщины проделайте отверстие. Наденьте кожу на клапан и аккуратно обрежьте ее по контуру. Вывернув ручку крана до отказа в положение «открыто», заверните головку в корпус.

Ремонт окончен. Можете открывать вентиль на трубе.

Водяные насосы

Насосы широко применяются в технике. Они бывают разного устройства. Один из самых простых – насос с диафрагмой, или так называемая «лягушка» (рис. 9).

Рис. 9. Насос с диафрагмой.

Устройство насоса-«лягушки» понятно из рисунка 10.

Рис. 10. Детали насоса-«лягушки».

Корпус насоса – низкая металлическая консервная банка. Хорошо подходят банки от бычков в томате, тресковой печени и других рыбных консервов.

Тщательно промойте банку горячей водой с ершиком, чтобы удалить остатки содержимого и клей от этикетки. Если на кромке, оставшейся от крышки, образовались заусенцы, осторожно отогните их внутрь, чтобы они не прорезали диафрагму.

В противоположных стенках банки прорежьте круглые отверстия и впаяйте в них патрубки для клапанов. Патрубки сверните и спаяйте из жести от консервных банок. Их наружный диаметр должен быть равен наружному диаметру клапанов. Мы брали 12 мм.

К одному боку банки, как раз посредине между патрубками, припаяйте кронштейн для ручки насоса. Кронштейн в разрезе имеет форму буквы «П». Сгибать его можно прямо на ручке насоса. Тогда он точно подойдет по размеру. Ручку сделайте из деревянной рейки сечением 6Х10 мм и длиной 200 мм. Грани рейки закруглите на длине примерно 100 мм. За эту половину вы будете потом браться рукой. Всю ручку отшлифуйте шкуркой.

Ширина заготовки для кронштейна – 16 мм. Ушки кронштейна закруглите, а с другой стороны срежьте бока под углом в 30°, оставив кромки по 2 мм для припайки. Эти кромки разогните наружу.

Очень важно сделать отверстия в ушках кронштейна так, чтобы они оказались точно друг против друга. Иначе ось встанет косо и ручка не пройдет над центром банки.

Если есть сверлильный станок, наметьте одно из отверстий, вложите в кронштейн конец ручки и просверлите сквозное отверстие диаметром 1,5–2 мм.

Если сверлильного станка нет, пробейте одно из отверстий гвоздиком. Положив кронштейн набок, пропустите гвоздик в отверстие и установите его строго вертикально. В таком положении пробейте второе отверстие. Делать это нужно на дощечке, чтобы не испортить стол. Отверстие в ручке можно пробить тем же гвоздиком, просверлить дрелью или прожечь раскаленным гвоздем.

Временно посадите ручку на гвоздик. Кронштейн поставьте на место так, чтобы ручка проходила точно над центром банки, и в этом положении припаяйте. Ручку пока снимите.

Диафрагму насоса сделайте из тонкой резины. Годится, например, старая волейбольная камера. Вырезав кусок диаметром 140 мм, проколите его в центре.

Заготовьте по чертежу скобу.

Подберите или вырежьте две шайбы из тонкого органического стекла, целлулоида, гетинакса или другого материала, который не ржавеет и не набухает в воде. Грани шайб с одной стороны затупите, чтобы они не врезались в резину. Наложив шайбы по обе стороны диафрагмы, поставьте скобу и стяните все винтом с резьбой 3 мм. Гайка должна войти внутрь скобы. Винт нужен нержавеющий – латунный, никелированный, анодированный.

Диафрагму наложите на отверстие банки, расправьте и закрепите двумя оборотами суровой нитки.

Осторожно подтягивая края диафрагмы, торчащие из-под нитки, установите скобу точно в центре.

После этого надежно закрепите диафрагму еще несколькими оборотами нитки, а сверху обмотайте изоляционной лентой в два-три слоя. Если диафрагма пропускает воздух, насос не будет работать.

Снова поставьте на место ручку насоса, сделайте на ней отметку через отверстие скобы диафрагмы и просверлите или прожгите гвоздем. Ручку закрепите в ушках кронштейна и скобы шплинтами. Годятся и гвоздики, только их концы нужно загибать очень осторожно, иначе весь гвоздик изогнется дугой.

Если теперь опустить насос в воду и покачать его ручку, то диафрагма будет то вдавливаться внутрь, то оттягиваться наружу. Вода при этом будет то вытесняться из банки через патрубки, то всасываться внутрь.

Но насос должен работать иначе. Он должен гнать воду в одном определенном направлении. Через один патрубок вода должна всегда только всасываться, а через другой только вытесняться. Для этого на патрубках нужно установить клапаны: всасывающий и нагнетательный.

Клапан – самая трудная для изготовления часть насоса. Они бывают разных конструкций. Мы с вами сделаем шариковые клапаны.

Клапан состоит из двух основных частей: корпуса и шарика. Мы брали шарики диаметром 5,5 мм от шариковых подшипников. Лучший материал для корпуса клапана – органическое стекло.

Заготовив корпус по рисунку 10, просверлите в нем по оси канал диаметром 3 мм. Затем рассверлите этот канал до половины его глубины сверлом диаметром 6–6,5 мм. Если шарики у вас будут не 5,5 мм, а другие, этот диаметр соответственно измените.

Чтобы сделать стенки каналов прозрачными, отполируйте их мелкой наждачной шкуркой. Навернув кусочек шкурки на сверло меньшего диаметра, смажьте ее машинным маслом и снова пройдите оба канала.

Очень важно хорошо обработать седло клапана. Так называется то место, где широкий канал переходит в узкий. Шарик должен садиться в него совершенно плотно. Седло в корпусе из органического стекла удобно формовать нагретым шариком.

Шарик не нужно накалять слишком сильно. Подержите его недолго на металлическом листе, положенном на газовую плиту, керосинку, печную конфорку и т. п. Когда шарик немного потускнеет, возьмите его плоскогубцами, бросьте в широкую часть канала и прижмите палочкой. Правильно нагретый шарик оттиснет хорошее, гладкое седло.

Заложив шарик в корпус клапана, заприте его там ограничителем – обломком иглы, раскаленным и вдавленным в корпус так, чтобы он перегородил канал.

Таким же образом изготовьте второй клапан. Оба клапана пропускают воду только в одну сторону: от узкого канала к широкому. Если вода пойдет обратно, шарик сядет в седло и запрет клапан.

Соедините клапаны с патрубками насоса при помощи резиновых трубок. Один клапан – всасывающий – должен пропускать воду в корпус насоса, другой – нагнетательный– из корпуса. Чтобы потом не путать, нарисуйте на диафрагме насоса стрелку (рис. 9).

На всасывающий клапан наденьте длинную резиновую трубку. Опустите ее в воду и качайте ручку насоса. Каждый раз, как диафрагма оттягивается наружу, под ней образуется разрежение. Атмосферное давление будет вгонять туда воду через всасывающий клапан. Каждый раз, как диафрагма будет вдавливаться внутрь, она будет выгонять воздух через нагнетательный клапан. Когда корпус насоса заполнится водой, она потечет из нагнетательного клапана.

Насос с диафрагмой применяется, например, в автомобиле для подачи горючего из бака. Только там диафрагму делают не из резины, а из лакоткани, которую бензин не растворяет.

С клапанами такой же самой конструкции можно сделать поршневой насос для подъема воды. Его устройство ясно из рисунка 11.

Рис. 11. Поршневой насос для подъема воды.

Цилиндром насоса служит стеклянная трубка.

Нижний клапан – всасывающий. Вклейте его в трубку. Для этого с обеих сторон корпуса клапана снимите фаски. Густо смазав корпус клеем БФ-2, вдвиньте его в трубку и сушите, держа трубку вертикально. Когда подсохнет, залейте клеем наружную фаску.

Верхний клапан – нагнетательный. Он служит поршнем насоса. Обточите его корпус так, чтобы диаметр был на 0,5 мм меньше внутреннего диаметра трубки. Проточите в корпусе две канавки глубиной по 0,5 мм и шириной по 4 мм. У этого клапана ограничитель служит одновременно поршневым пальцем. На него надевается петля штока. Поэтому здесь ограничитель сделайте из медной проволоки диаметром около 2 мм.

Просверлите канал под ограничитель. Введите в корпус клапана петлю штока и вставьте ограничитель так, чтобы он проделся в нее. После этого концы ограничителя осторожно расклепайте.

Поршень с клапаном должен плотно закрывать канал трубки. Для этого уплотните его ниткой с вазелином. Намотайте нитку сначала в верхнюю канавку. Мотайте до тех пор, пока поршень не станет входить в трубку туго. Тогда вытяните его и мотайте нижнее кольцо. Оно тоже должно входить туго. Закрепив конец нитки, смажьте оба кольца вазелином.

Нижний конец трубки можно погрузить в стеклянную банку от консервов с металлической крышкой. В центр крышки впаяйте разрезной патрубок, пропустите в него трубку и закрепите сверху хомутиком.

На верхний конец стеклянной трубки насоса плотно насадите с клеем БФ-2 спаянную из жести головку. В головку с одного бока впаяйте отводную трубку. Над трубкой припаяйте кронштейн для ручки.

Ручка здесь не деревянная, а жестяная, П-образная. Конец ручки закрепите в кронштейне шплинтом. Найдите место для крепления верхнего конца штока, просверлите и закрепите петлю штока вторым шплинтом.

Насос готов. При движении поршня вверх вода под давлением атмосферы открывает всасывающий клапан и движется за поршнем. При движении поршня вниз вода, находящаяся под ним, давит на всасывающий клапан и закрывает его. Не имея возможности уйти вниз, вода открывает нагнетательный клапан и переходит в пространство над поршнем. Снова двигаясь вверх, поршень поднимает эту воду в головку, и она выливается в отводную трубку.

Манометр

Манометрами называются приборы для измерения давления, производимого жидкостями и газами. Мы с вами сделаем так называемый открытый жидкостный манометр. Этот манометр измеряет давление газа. Жидкостным он назван потому, что в его трубку налита жидкость.

Основная часть нашего манометра – стеклянная трубка длиной около 1 м, изогнутая в виде латинской буквы U. Как ее изогнуть, сказано в описании сообщающихся сосудов. Если же такой длинной стеклянной трубки не достанете, можете взять две более короткие, длиной по 350–400 мм, и соединить их отрезком резиновой трубки, как показано на рисунке 12.

Рис. 12. Манометр и его части.

На этом же рисунке показаны и все остальные части манометра.

Основание сделайте из доски толщиной 20–25 мм. Более тонкую брать не стоит: она будет слишком легка и не даст манометру необходимой устойчивости. Панель же, на которой крепится трубка, должна быть полегче. Ее можно сделать из дощечки толщиной 10–12 мм.

Чтобы панель хорошо стояла на основании, ее нужно укрепить деревянным подкосом. На нашем чертеже этот подкос имеет форму треугольной рейки. Можно, разумеется, делать его и иначе. Например, отпилить от какой-либо дощечки два прямоугольных треугольника и прибить их к основанию и панели сторонами прямого угла.

Заготовив все части подставки, тщательно отполируйте их шкуркой. Соприкасающиеся поверхности обработайте так, чтобы панель стояла на основании прямо, ровно, а подкос прилегал бы плотно.

Соединять части подставки лучше всего шурупами и столярным клеем. Шурупы нужны длиной 30–35 мм с потайными головками. Места для их завинчивания наколите шилом, а под головку сделайте выемки.

Соприкасающиеся поверхности деревянных частей покройте тонким слоем столярного клея. Шурупы смажьте сухим мылом и заверните на свои места. Если шурупов нет, можно сбить подставку гвоздями длиной также 30–35 мм, но обязательно на клею.

Через час после склейки снимите стамеской выступившие на стыках капли клея. После этого подставку можно покрыть светлым мебельным лаком, или цапон-лаком. Можно также окрасить ее масляной или эмалевой краской светлых тонов (белый, кремовый, «слоновая кость»). Только не окрашивайте панель морилкой или темной краской. На темной панели плохо будет виден уровень жидкости в стеклянных трубках.

Заготовьте по рисунку 12 жестяные хомутики для крепления трубки манометра к панели. Если трубка составная, с резиновым коленом, хомутиков нужно четыре штуки. Для цельной трубки достаточно трех хомутиков. Два верхних остаются на тех же местах, а вместо двух нижних поставьте один на самой середине колена. В тех местах, где будут хомутики, оберните трубку изоляционной лентой.

Наденьте хомутики на трубку и осторожно прибейте к панели мелкими гвоздиками.

Собственно говоря, манометр уже готов. Если налить в него воду, подкрашенную чернилами, она установится в обоих коленах трубки на одном уровне. Так и должно быть в сообщающихся сосудах, если давление воздуха в них одинаково. Если же на одно из колен надеть резиновую трубку и попробовать отсосать из нее воздух, то уровень жидкости в этом колене поднимется, а в другом – опустится. Разница уровней покажет, на сколько миллиметров водяного столба давление в колене с отсосанным воздухом стало меньше атмосферного давления.

Чтобы разность уровней удобнее было измерять, наклейте на панель прибора шкалу из миллиметровой бумаги. Края шкалы должны подходить возможно ближе к обеим трубкам. Для упрощения отсчета по одной из жирных линий миллиметровки проведите тушью горизонтальную черту. Это будет нулевая линия. Воды в прибор всегда наливайте столько, чтобы ее уровни устанавливались точно на нулевой линии.

Теперь, если из одного колена снова начать отсасывать воздух или же, наоборот, дуть в это колено, то один уровень поднимется выше нулевой линии, а другой опустится на столько же ниже ее. Чтобы определить разность уровней, достаточно измерить, на сколько миллиметров отклонился от нулевой линии один (любой) из уровней, и полученный результат умножить на 2. Это и будет разность давлений, измеренная в миллиметрах водяного столба.

Для того чтобы удобнее было создавать в одном из колен манометра повышенное давление, присоедините к нему сосуд с диафрагмой. Отрежьте нижнюю часть банки из-под сгущенного молока так, чтобы высота ее стенок была равна 40 мм. Верхний край банки осторожно отогните наружу, заложите кольцо из медной проволоки и закатайте до стыка со стенкой. Стык пропаяйте. Закатка нужна для того, чтобы край жести не прорезал резиновую диафрагму. Неровности после пайки снимите ножом и шкуркой.

В бок сосуда впаяйте жестяной патрубок. Его наружный диаметр должен быть таким же, как у стеклянной трубки манометра. Отверстие для патрубка должно быть на 12 мм выше дна банки.

Под дно сосуда припаяйте три одинаковые жестяные лапки с отверстиями (рис. 12) и прибейте сосуд к панели над более коротким коленом манометра. Соедините это колено с патрубком сосуда резиновой трубкой.

Осталось сделать диафрагму. Материал для нее – тонкая резина. Можно использовать детский воздушный шарик (лучше такой, который еще не был надут).

Хорошо растяните диафрагму на отверстии сосуда и плотно обвяжите суровой ниткой.

Если теперь надавить на диафрагму пальцем, то воздух в сосуде сожмется. Это давление передастся всему воздуху в колене манометра, соединенном с сосудом. Жидкость будет перетекать в свободное колено, пока разность ее уровней не станет равной давлению, которое вы производите на диафрагму.

Если в манометре оставить надолго подкрашенную воду, то она будет высыхать, а растворенные в ней чернила – оседать на стенках трубки. Поэтому не забывайте после каждого пользования прибором выливать из него подкрашенную воду и прополаскивать трубку.