Текст книги "Лаборатория юного физика"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

Соавторы: Петр Хлебников
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 7 страниц)

Механизмы из блоков

Сочетание подвижного блока с неподвижным дает выигрыш в силе в два раза. Ну, а если нам этого мало? Как получить еще больший выигрыш?

Для этого можно соединять блоки в более сложные механизмы. Один из таких механизмов показан на рисунке 20.

Рис. 20. Механизмы из блоков.

На той же стойке, которая описана в предыдущей статье, подвешены три подвижных блока и один неподвижный. Попробуем разобраться, какой выигрыш в силе должен давать этот механизм. Самый левый блок у нас неподвижный. Дальше нить перекинута через подвижной блок и конец ее прикреплен к стойке. Этот механизм нам уже знаком. Он дает выигрыш в силе вдвое.

Удвоенная сила тянет вторую нить, перекинутую через подвижной блок (средний из трех) и опять-таки прикрепленную к стойке. Но мы уже знаем, что подвижной блок даже и без неподвижного дает выигрыш в силе в два раза. Значит, здесь сила еще раз удваивается. Таким образом, первоначальная сила увеличилась в четыре раза.

Но на этом дело не кончается. К обойме второго подвижного блока привязана еще одна нить, перекинутая через третий (крайний справа) подвижной блок. Конец этой нити снова прикреплен к стойке, а к обойме подвижного блока подвешен груз.

Третий подвижной блок должен давать выигрыш в силе еще в два раза. Значит, общий выигрыш в силе, даваемый всем механизмом, увеличится до восьми раз.

Это легко проверить, нагрузив механизм. Один грузик весом, скажем, в 10 г действительно уравновешивает целых восемь таких же грузиков, подвешенных к левому подвижному блоку.

Правда, на самом деле выигрыш в силе будет меньше.

К грузику в 10 г нужно еще добавить перегрузок, уравновешивающий вес всех подвижных блоков. На нашем рисунке этот перегрузок имеет вид шарика. Сверху в шарик вставлен крючок, снизу – петелька.

Шарик можно отлить из свинца, вложив внутрь крючок и петельку, согнутые из одного обрезка стальной проволоки (хотя бы от канцелярской скрепки). Вес шарика можно сначала взять с запасом, а потом подогнать, спиливая излишки напильником. Уменьшать вес нужно до тех пор, пока шарик, подвешенный без основного груза в 10 г, перестанет перетягивать вес самого механизма (разумеется, также ненагруженного).

Кстати, попробуем сообразить, какой нужен вес перегрузка? На первый взгляд кажется, что он должен быть равен весу всех трех подвижных блоков вместе. Но это только на первый взгляд. В нашем механизме перегрузок должен уравновесить: 1/2 веса первого подвижного блока, 1/4 веса второго подвижного блока, 1/8 веса третьего подвижного блока, то есть всего 7/8 веса подвижного блока, если вес всех трех блоков одинаков.

Это не так много, как казалось сначала. Тем не менее выигрыш в силе все же уменьшается довольно заметно. А ведь мы пока еще только уравновешивали груз, но не пытались его поднять. Что же будет, если вместо груза и перегрузка зацепить за правый конец нити крюк динамометра?

Потянув динамометр и приведя нижний груз в движение, вы увидите, что динамометр покажет силу, заметно превышающую вес верхнего груза с перегрузком. Ведь здесь, кроме веса блоков, прибавились еще потери на трение.

Значит, в действительности этот «хитрый» механизм дает выигрыш не в восемь раз, а гораздо меньше.

Вообще говоря, наш механизм можно было бы еще усложнить. Каждый добавленный к нему подвижной блок давал бы выигрыш в силе еще в два раза. Но это – только в теории. На самом деле увеличение потерь на трение становилось бы все более заметным. В конце концов при большом числе блоков механизм вообще перестал бы давать какой-либо выигрыш. При дальнейшем же добавлении блоков будет получаться не выигрыш в силе, а проигрыш.

Вот почему на практике обычно не применяют механизмы из блоков, дающие выигрыш более чем в шесть – восемь раз. Механизм, дающий выигрыш в восемь раз, мы с вами только что разобрали. Если убрать один подвижной блок, выигрыш в силе будет только в четыре раза. Но как получить выигрыш в шесть раз?

Для этого служат механизмы, показанные на рисунках 20 и 21.

Рис. 21. Полиспаст.

Первый из них называется талями, второй – полиспастом. Каждый механизм состоит из двух обойм. В верхней закреплены три неподвижных блока, в нижней– три подвижных. Поднимаемый груз подвешен к нижней обойме. Действующий груз прикреплен к концу нити, пропущенной через все блоки последовательно. Что будет, если вытянуть конец нити, скажем, на 60 мм? Нижняя обойма несколько поднимется. При этом все шесть участков нити, на которых обойма висит, укоротятся одинаково, то есть на 10 мм каждый. Значит, и обойма поднимется на 10 мм, иными словами, получится проигрыш в расстоянии в шесть раз. Во столько же раз будет и выигрыш в силе.

Тали и полиспасты можно наращивать и дальше, увеличивая число блоков в обоймах. При этом будут получаться выигрыши в силе, равные числу участков нити между обоймами. Но сила трения «съедает» получаемое преимущество.

Сделать оба механизма несложно. Блок – точеный или из щечек от катушки. Их изготовление было описано в предыдущей статье. Если делаете тали, все шесть блоков нужны одинакового диаметра. Для полиспаста нужны три пары блоков разного диаметра. Их можно, например, сделать из трех пар разных катушек: малых (от шелковых ниток), обычных и больших (от самых толстых ниток).

Изготовление обойм понятно из рисунка 19 и предыдущей статьи. Как делать перегрузки, сказано выше.

Интересно, что такие механизмы до сих пор применяются в технике. С помощью талей и полиспастов в парусном флоте поднимали и опускали паруса. На судах с механическим двигателем тали применяются для подъема и спуска на воду спасательных шлюпок.

На рисунке 22 показано применение блоков для натяжения контактных проводов электрической железной дороги.

Рис. 22. Натягивание проводов с помощью блоков.

Прибор для определения коэффициента трения

Прибор, который мы построим, позволит определять коэффициенты трения скольжения и трения качения.

Основные части прибора – доска с кронштейнами и блоками и грузовая площадка. Понадобятся еще гири весом от 100 г до 2 кг.

Если гирь у вас нет, можете изготовить их сами; форма гири значения не имеет, важен только ее вес. Поэтому можете сделать гири из свинца, стали, меди, чугуна, даже из кусков кирпича. После того как отольете, отпилите или отобьете такую «гирю», взвесьте ее на весах и напишите вес прочной краской. Если хотите, чтобы вес выражался круглой цифрой (скажем 200 г, а не 214,5 г.), спилите излишек «гири» напильником. Самодельные гири запрещено применять в торговле и в технике. Но для лаборатории юного физика они вполне подойдут.

Размеры доски прибора: длина 40–50 см, ширина 120–150 мм, толщина 15–20 мм.

С боков подстрогайте доску под углом, чтобы она расширялась кверху. Всю доску чисто обстрогайте и отшлифуйте шкуркой. Красить и лакировать ее не нужно.

Для того чтобы определять коэффициенты трения по стали, меди, латуни, алюминию, подберите листы из этих материалов и сделайте из них «чехлы» на доску. «Чехлы» должны надвигаться со свободного конца, пока не упрутся в кронштейны. Загнутые края «чехлов» будут охватывать бока доски, сужающиеся книзу. Это не даст им отставать от доски. Кронштейны не дадут «чехлам» съехать вперед.

Грузовая площадка – это просто кусок доски размером 50x100 мм. С одной стороны гладко обстрогайте ее и отшлифуйте шкуркой, с другой – обейте гладкой листовой сталью. Шляпки гвоздей ни в коем случае не должны торчать снизу. Лучше края стального листа загнуть и прибить к площадке с боков. Переворачивая площадку, сможете определять коэффициенты трения для дерева и для стали.

В серединах короткой и длинной сторон площадки вбейте по петельке для закрепления нитки. После этого взвесьте площадку и напишите на ней ее вес.

Кронштейны для роликов расчертите по рисунку 23 на листке жести или латуни толщиной 0,5–0,8 мм и вырежьте по контуру.

Рис. 23. Прибор для определения коэффициента трения.

Сложите заготовки вместе, зажмите в тиски и опилите по контуру. Затем просверлите отверстия для осей роликов через обе заготовки сразу. Снова точно совместив заготовки, убедитесь, что отверстия совпадают. В таком положении еще раз зажмите их в тиски и молотком отогните нижние полки в противоположные стороны. Отверстия в полках под гвоздики, крепящие кронштейны к доске, можете сверлить но отдельности; здесь совмещение не требуется.

Торчащие «ушки» кронштейнов отогните плоскогубцами пока примерно на 90°. После этого прибейте кронштейны к доске. Просвет между ними подберите по блокам с шайбами.

Блоки сделайте из средней части («гильзы») катушки от ниток. Насадите гильзу на карандаш, отрежьте два блока шириной по 8 мм и круглым надфилем пропилите в них по окружности канавки. Чтобы канавки были ровными, лучше всего пропиливать их, зажав гильзу в патрон токарного или сверлильного станка или хотя бы дрели. В этом случае канавки пропилите сначала, а потом уже, не останавливая вращения, отрежьте блоки от гильзы острой стамеской.

Из отрезков карандаша, сидящих внутри блоков, вытолкните грифель. Подберите гвоздики такой толщины, чтобы блоки легко на них вращались, и отрежьте кусачками две оси такой длины, чтобы они выступали за края блоков вместе с шайбами по 2 мм с каждой стороны. Из медной проволоки согните на этих осях по две шайбы на каждый блок. Собрав блоки с шайбами на осях, окончательно загните «ушки» кронштейнов так, чтобы оси не могли выпасть.

Для определения трения скольжения положите доску плашмя на стол и перекиньте нитку от грузовой площадки через нижний блок кронштейнов. Нитка должна идти параллельно доске. Нагрузив площадку гирей весом в 1 кг, тяните за свободный конец нитки динамометром так, чтобы площадка с грузом двигалась равномерно. Заметьте показание динамометра. Коэффициент трения равен силе тяги, деленной на вес площадки вместе с грузом.

Если подходящего динамометра у вас нет, привяжите к концу нитки ведерко и насыпайте в него песок или дробь до тех пор, пока площадка с грузом не придет в равномерное движение. После этого ведерко с дробью взвесьте.

Для большей точности можете для каждой пары материалов повторить опыт несколько раз, изменяя вес положенного на площадку груза. Значения коэффициента трения будут получаться очень близкими. Если какое-нибудь из них будет сильно отличаться, отбросьте его, а из остальных возьмите среднее арифметическое.

Прицепляя грузовую площадку к нити широкой или узкой стороной, вы сможете убедиться, что сила тяги от этого не меняется.

Трение качения можно определить подобным же образом, только под грузовую площадку надо подложить несколько круглых карандашей. Нитку теперь нужно перекинуть не через нижний, а через верхний блок кронштейна. Ведь она должна быть параллельна доске, а грузовая площадка, уложенная на круглые карандаши, стала выше на 8 мм (диаметр обычных школьных цветных карандашей).

Вы легко убедитесь, что коэффициент трения качения примерно в десять – двадцать раз меньше, чем коэффициент трения скольжения. Именно поэтому в современной технике такую важную роль играют подшипники качения.

Простейшая паровая турбина

Паровая турбина приводится в движение струей пара, ударяющей в лопатки стального колеса. Простейшую модель, показывающую принцип действия паровой турбины, можно сделать из консервных банок.

Подберите две одинаковые банки такой формы, как показано на рисунке 24.

Рис. 24. Простейшая паровая турбина.

Прокипятите их и промойте горячей водой с ершиком, чтобы удалить все остатки содержимого. От одной банки отрежьте закатанный ободок с той стороны, где она открыта. От другой банки отрежьте дно, оставив бортик высотой примерно 15 мм.

Вставьте дно с бортиком в банку с отрезанным ободком и хорошо пропаяйте по окружности. Если дно не будет входить, наружную банку наденьте на отрезок стальной трубы, зажатый в тиски, и слегка расклепайте край стенки молотком.

Котел турбины готов. В крышке его нужно сделать два отверстия – для наливания воды и для выхода пара.

Водоналивное отверстие лучше всего завинчивать гнездом от старого штепселя. К крышке котла припаяйте гайку гнезда. Чтобы удобно было завинчивать, в головку гнезда впаяйте проволочную петельку.

На гнездо наденьте свинцовую шайбу толщиной 2–3 мм. Ее можно сделать из пломбы, расплющенной молотком, или из свинцовой оболочки кабеля. Шайба из кожи или резины работает гораздо хуже. А свинцовая совершенно плотно закрывает отверстие и служит очень долго. Нужно только несколько раз плотно завинтить и отвинтить гнездо, чтобы свинец хорошо притерся к гайке.

Пар из котла лучше всего выпускать через капсюль от примуса. Тогда он будет бить узкой, сильной струйкой прямо в лопасти колеса.

В крышке котла, отступя 20 мм от ее центра, проделайте отверстие. Капсюль должен входить в него своей нарезанной частью. Вставьте капсюль в отверстие и аккуратно пропаяйте кругом.

Для нагревания котла проще всего воспользоваться таблетками «сухого спирта», которые обычно берут с собой охотники и туристы. Жечь их нужно в плоской металлической баночке. Только целую таблетку не кладите: она горит так жарко, что котел может распаяться. Раскрошите таблетку на кусочки величиной с горошину и подкладывайте их по одному.

Можно взять лабораторную спиртовку или газовую горелку, если она есть в школьном физическом кабинете. Спиртовку можете сделать и сами из бутылочки. Трубочку для фитиля сверните из жести на большом гвозде. Длина трубочки 20 мм. На трубочку насадите жестяную шайбу наружным диаметром 20 мм. Фитиль сверните из гигроскопической ваты. Лучшее горючее для спиртовки – денатурированный спирт.

К котлу припаяйте ножки такой высоты, чтобы от конца фитиля до дна котла оставалось 20–25 мм. Ножки можно согнуть из толстой медной проволоки, как делали для сосуда с отверстиями.

Как сделать колесо турбины, ясно из чертежа. Жестяной кружок диаметром 50 мм надрежьте ножницами по радиусам. Каждую лопасть захватите плоскогубцами и разверните под углом в 90°. В центре проколите отверстие и вставьте ось длиной 40–50 мм.

Лучший материал для оси – вязальная спица. Для того чтобы ровно отломить ее конец, нужно сначала сделать надрез трехгранным напильником. Если напильник не возьмет, придется воспользоваться точильным брусочком. Отломанный конец аккуратно закруглите брусочком или напильником. Если спицы не достанете, можете сделать ось из тонкого гвоздя. Только имейте в виду, что гвоздь не полирован и турбина будет работать хуже. Колесо припаяйте к середине оси.

Для оси сделайте две стойки по рисунку 24. Отверстия для оси аккуратно проверните граненым шилом и снимите заусенцы. Ось должна входить в отверстия плотно.

Загнутые верхние концы стоек будут служить ограничителями. Они не дадут оси с колесом сместиться в сторону.

Стойки вместе с осью поставьте на крышку котла и прихватите пайкой. Ось должна иметь между ограничителями небольшой свободный ход.

Турбина готова. Зажгите спиртовку, а котел наполните горячей водой и плотно закройте водоналивное отверстие. Когда вода закипит, струйка пара завертит колесо турбины.

Если турбина работает слабо, проверьте, точно ли попадает струйка пара на лопасти колеса. Если неточно, подвиньте колесо, изгибая ограничители.

Может оказаться и так, что струйка пара слишком слаба. Ведь отверстие в капсюле очень маленькое. Попробуйте расширить его швейной иглой. Если сделаете отверстие слишком большим, давление пара упадет и турбина будет работать плохо. В этом случае отверстие надо запаять и снова проткнуть иглой.

Маятник Максвелла

Все вы знаете, что такое маятник. Каждый видел его в стенных часах.

Но попробуйте сообразить, как и почему качается маятник. Ведь если остановить его в среднем положении, он сам по себе не начнет снова качаться. Маятник замрет неподвижно. Ну, а если отклонить его?

Отклонившийся маятник приподнимается вверх. Это особенно хорошо заметно, если отклонение большое. Для того чтобы отклонить маятник, нужно произвести работу. На что расходуется эта работа? Она превращается в потенциальную энергию поднятого маятника. А энергия, как вы знаете, – это способность совершать работу.

Маятник отклонен, он готов к действию. И, как только вы его отпустите, он немедленно придет в движение. Если бы не нитка, маятник упал бы прямо вниз. Но нитка не пускает, и маятник устремляется к среднему положению, к самому низкому положению, какое он может занять.

Все быстрее, быстрее движется маятник. И вот он уже в среднем положении. Что же теперь? Маятник остановится? Ничуть не бывало. Только недавно он висел в среднем положении совершенно неподвижно. Теперь же маятник проскакивает это положение и отклоняется в противоположную сторону.

Почему же маятник не остановился в середине? Ясно – он проскочил среднее положение с разгона. Потенциальной энергии у маятника уже не было. Зато была скорость. Значит, он имел кинетическую энергию, энергию движения. За счет этой энергии маятник отклонился в другую сторону и снова стал подниматься все выше. Тут скорость уменьшилась. Кинетическая энергия снова стала превращаться в потенциальную.

Отклонившись, маятник остановился. Скорости нет. Кинетическая энергия перешла в потенциальную. И эта энергия снова приводит маятник в движение.

Английский физик Максвелл предложил интересную разновидность маятника. Этот маятник не качается, а вращается. Он показан на рисунке 25.

Рис. 25. Маятник Максвелла.

Маятник Максвелла – тяжелое колесо, подвешенное за концы оси.

Сначала нужно поднять колесо повыше, накрутив нитки на ось. В этом положении маятник Максвелла имеет запас потенциальной энергии. Отпустим его – он станет падать. При этом сматывающиеся с оси нитки приведут колесо во вращение. Чем ниже опускается маятник, тем меньше у него остается потенциальной энергии. Зато тем быстрее вращается колесо. Потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию вращающегося колеса.

Когда нитки полностью раскрутятся и колесо достигнет нижнего положения, оно будет вращаться с наибольшей скоростью. Поэтому маятник не остановится. Продолжая вращаться, колесо накрутит нитки на ось и поднимется снова. При этом его кинетическая энергия опять перейдет в потенциальную.

Затем колесо снова начнет падать, вращаясь уже в обратную сторону. Так и работает этот маятник, пока вся его энергия не будет поглощена сопротивлением воздуха и трением ниток.

Колесо для маятника Максвелла должно быть небольшим, но тяжелым. И при этом основная тяжесть должна быть распределена по его окружности (см. разрез на рисунке 25). При такой форме колесо запасает наибольшее количество кинетической энергии. Может быть, вам удастся подобрать готовый шкив диаметром 50–60 мм.

Если готового колеса нет, его можно выточить на токарном станке или отлить. Точить шкив нужно из стали, чугуна, еще лучше – из латуни или меди. Алюминий не годится: он слишком легок, и такой маятник будет работать плохо.

Размеры точеного шкива даны на рисунке 25. Особой чистоты обработки здесь не требуется. Просверлив отверстие для оси, снимите готовый шкив со станка. В концах оси просверлите два сквозных отверстия. Шкив должен сидеть на оси туго. Если он проворачивается, выньте ось и залудите ее середину. Посадив шкив, опаяйте его в местах соединения с осью.

Если токарным станком воспользоваться не удастся, отлейте шкив из свинца. Это несколько сложнее, зато маятник с таким тяжелым шкивом будет работать очень хорошо.

Форму для отливки можно сделать из дерева. Аккуратно выпилите из 8-миллиметровой фанеры части формы, показанные на рисунке 25: обойму и четыре одинаковых вкладыша. Прибейте их к дощечке, чтобы получилось углубление по форме будущего колеса со спицами. В центр забейте гвоздь точно такой толщины, как подобранная вами ось.

Разведите в воде зубной порошок или мелко растертый мел и добавьте немного клея. Этой меловой массой замажьте все щели формы.

В коробочке от сапожной мази расплавьте пломбы или обрезки свинцовой оболочки кабеля. Налейте расплавленный свинец немного выше краев формы. Когда свинец остынет, вытряхните колесо. Засевший в нем гвоздь покрутите плоскогубцами и выдерните. Подровняйте колесо напильником.

В оси колеса по концам просверлите сквозные отверстия. Очень важно, чтобы отверстия были строго параллельны между собой. Когда просверлите одно из них, вставьте в него гвоздик. По нему удобно будет ориентироваться при сверлении другого отверстия. С одной стороны каждого отверстия сделайте глубокую фаску для узелка нитки. Середину оси залудите. Посадив колесо на ось, закрепите его пайкой.

Подвешивать маятник Максвелла удобно на стойку, изготовленную для опытов с блоками.

Концы двух отрезков суровой нитки пропустите через отверстия оси и завяжите узелками. Другие концы привяжите к двум крючкам стойки. Выберите крючки, расстояние между которыми равно расстоянию между отверстиями оси. Нитки привязывайте так, чтобы ось маятника в нижнем положении была горизонтальна.

Вращая колесо в одну сторону, туго наверните обе нитки на ось. Когда отпустите колесо, маятник Максвелла начнет «работать».