Текст книги "Здравствуй, физика!"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 14 страниц)

Опыты с покупным волчком

Очень интересные опыты можно проделать, если тебе удастся найти в магазине игрушек тяжелый металлический волчок, укрепленный в металлическом кольце. Эта игрушка называется гироскопом (или жироскопом).

Волчок запускается тонким и прочным шнурком. При быстром вращении он сохраняет вертикальное положение, если его поставить на один из шариков кольца. Волчок не только не падает, он даже сопротивляется, когда его пробуют повалить. И только когда вращение замедлится, волчок постепенно ложится набок.

Впрочем, все это тебе уже знакомо по опытам с простыми самодельными волчками. Но усовершенствованный покупной волчок дает и новые возможности.

Например, он передвигается, не падая, по донышку тарелки или по другой гладкой поверхности, если нажимать палочкой на его нижний шарик.

Можно придать волчку положение, которое как будто бы противоречит всем законам равновесия. Он будет вращаться, стоя наклонно на кончике иглы. Для этого воткни швейную или граммофонную иглу в пробку бутылки острием вверх и, закрутив волчок, поставь его осторожно и точно на острие. Хорошо, если на шарике волчка есть маленькое углубление. Оно не даст соскочить с иглы. Если волчок немного наклонить, он, вместо того чтобы падать, опишет круг свободным концом.

А ты ведь уже знаешь, что равновесие волчка неустойчиво. В самом деле, если его наклонить, центр тяжести будет опускаться. Значит, волчок должен упасть. И он в самом деле упадет, как только перестанет вращаться. Но пока вращается, стоит. Ось вращения сохраняет свое положение.

Вращающийся волчок может, словно канатный плясун, удерживаться на тонкой нитке. Для этого нужно только, чтобы в одном из шариков покупного волчка был желобок. Если его нет, можешь сам аккуратно сделать тонким напильником. Привяжи нитку к ручке окна, двери, к вешалке или другому неподвижному предмету, а другой конец возьми в руку. Раскрутив волчок, поставь его желобком на нитку. Он будет стоять неподвижно или «ездить» от одного конца к другому, если ты будешь поднимать или опускать нитку. Хорошо раскрученный волчок может ходить через всю комнату!

А вот еще замечательный опыт с покупным волчком. Подвесь волчок за один из шариков на прочной нитке. Пока волчок не вращается, он будет, конечно, висеть вертикально. Но как только ты запустишь волчок, он сможет вертеться в том положении, какое ты ему придашь. Хотя бы даже боком!

Велосипед и винтовочная пуля

Что между ними общего? Разные размеры, разная форма, разное назначение… И все же велосипед и пуля – родня. Есть у них общий родственник – волчок!

Именно на способности волчка сохранять направление оси вращения основано хорошо известное тебе равновесие велосипеда. Ведь каждое из его колес – это волчок, лежащий на боку. Неподвижный велосипед немедленно валится набок, катящийся – держится прямо! В цирке часто можно видеть акробатов, выделывающих на велосипедах всяческие чудеса. А ведь еще в конце прошлого века все велосипеды были трехколесными. Не только детские, но и для взрослых тоже. Оказывается, детский трехколесный велосипедик – не сын «взрослого» велосипеда. Скорее уж он его дедушка!

И винтовочная пуля тоже вертится в полете, как волчок. Ведь винтовка потому так и называется, что у нее в стволе сделаны винтовые нарезы. Проносясь по стволу, пуля из-за этих нарезов получает быстрое вращательное движение. Поэтому и во время полета в воздухе она не будет кувыркаться. Ось пули сохранит то направление, какое было у нее в стволе. Острый конец будет все время смотреть вперед!

Так же устроены и современные пушки. Их снаряды тоже вращаются, как волчки, и тоже летят острым концом вперед. Поэтому они улетают гораздо дальше и поражают цель гораздо точнее, чем круглые ядра старинных гладкоствольных пушек!

А гладкоствольные ружья, которыми еще в начале прошлого века была вооружена пехота всех армий мира, теперь выпускаются только для охоты. Ведь охотники стреляют дробью, а по более крупной дичи – картечью. Нарезка здесь все равно ни к чему.

Иногда, правда, из гладкоствольных ружей стреляют и большой свинцовой пулей – так называемым жаканом. Но дальнобойность и точность при этом невелики. Поэтому для охоты на опасных хищников пользуются все же винтовками, карабинами и другим нарезным оружием.

За рулем – автомат!

С гулом и свистом разрывая воздух, мчится в заоблачной вышине реактивный пассажирский самолет. На борту этого стремительного воздушного корабля сегодня оказались и мы с тобой. Пассажиры мы не совсем обычные, нас даже пустят в пилотскую кабину. Скорее воспользуемся этим правом!

По коридорчику проходим мимо радиста. Впереди, в остекленной кабине, сидят в удобных креслах командир корабля и второй пилот. Но что это? Они мирно переговариваются друг с другом и при этом вовсе не держатся руками за рычаги управления!

У нас невольно душа уходит в пятки. Сейчас, сейчас никем не управляемая машина сорвется в штопор, врежется в землю, разобьется вдребезги!

Впрочем, пока все обстоит благополучно. Рычаги слегка двигаются, покачиваются, словно на них лежит чья-то невидимая рука. И рука эта, должно быть, очень умелая и уверенная. Ведь самолет идет спокойно и ровно, как по ниточке. Кто же его ведет?

Оказывается, у пилотов есть помощник. Только это не человек, а… волчок! Конечно, не простой волчок. Он встроен в целую сложную машину, которая называется автоматический пилот, или автопилот. Но главная часть, сердце автопилота, – это все-таки волчок. Вернее, гироскоп, похожий на покупной, опыты с которым мы только что делали. Только этот гироскоп не запускают шнурком. Его все время вращает специальный электродвигатель. И как только самолет отклонится от заданного курса, гироскоп, сохраняющий прежнее направление оси, включает самолетные рули.

Самый опытный летчик не сможет вести машину так точно, так ровно, как это делает автопилот, управляемый волчком!

Глава восьмая. «ТИХО И ПЛАВНО КАЧАЯСЬ»

Веселые качели

«Тихо и плавно качаясь» – так называется один старинный вальс. В нем поется о качелях, на которых так приятно качаться. Но качаться любят не только живые люди. Вырежь из бумаги двух человечков по нашему рисунку. Эти человечки тоже большие любители качаться на качелях. Только сами они сделать качели не умеют. Придется им помочь. Мы сделаем для них качели не простые, а с двигателем, чтобы сами качались. И двигатель этот будет не электрический, не паровой не бензиновый, а… стеариновый!

Не слыхал про такой? Сейчас услышишь! Главная часть стеаринового двигателя – это кусок обыкновенной стеариновой свечи длиной 10–12 см. Если свеча у тебя длиннее, лишнее отрежь.

Посредине куска свечи воткни две булавки, одну против другой. Середину надо найти поточнее. Сделай это с помощью линейки с миллиметровыми делениями.

На большую сковороду или на противень поставь два одинаковых стакана и положи булавки на их края. Только сначала подстели лист плотной бумаги или картона, который не жаль закапать стеарином.

Стеариновый двигатель готов, осталось только приладить к нему человечков. Укрепи их с помощью тонкой проволоки, как показано на рисунке. Видишь, человечки сидят довольно далеко от концов свечи. Ведь они боятся огня.

Теперь зажги тот конец свечи, который окажется наклоненным вниз. Когда свеча качнется и горящий конец подымется, зажги второй конец. Скоро стеариновый двигатель заработает вовсю, и человечки будут качаться в полное свое удовольствие. Присмотрись к работе двигателя и постарайся понять, почему свеча качается.

Снова бегемот и птичка

Ты, конечно, видел много вещей, которые качаются. Качается гамак. Покачивается от сквозняка люстра. А в часовой мастерской – сколько там часов с качающимися маятниками! Просто глаза разбегаются. И качаются маятники по-разному. Тик-так, тик-так, – спешит легкий, маленький маятник ходиков. Так-к! Так-к! – солидно подтверждает большой и тяжелый маятник часов, стоящих на полу. Он качается гораздо реже.

Почему разная частота качания у маятников? Давай проверим. Вместо маятников можешь взять два любых тела разного веса. Я опять-таки брал свои любимые фигурки: тяжелого бегемотика и легкую птичку.

Подвесь бегемота на нитке длиной примерно 1 м, а птичку – на нитке длиной 25 см.

Теперь качни их не очень сильно. Ты увидишь, что легкая птичка так и порхает вправо – влево, вправо – влево. А тяжелый, солидный бегемот качается примерно вдвое медленнее.

Казалось бы, все ясно. Тяжелое тело колеблется медленно, легкое– быстро. Но не спеши делать выводы. Сделай тот же опыт, поменяв нитки.

Ты увидишь, что бегемот, привязанный на короткую, «птичкину» нитку потеряет всю свою солидность. Он засуетится, заспешит, будет, словно птичка, порхать вправо– влево, вправо – влево!

Зато птичка, подвешенная на длинной «бегемотьей» нитке, переймет повадку бегемота. Она начнет качаться солидно, важно, не спеша. Выходит, что частота качания зависит вовсе не от веса. Она зависит от длины маятника! Маленький маятник ходиков качается так быстро не потому, что он легкий, а потому, что коротенький!

Как ходят ходики

А почему вообще применяют маятник в часах? Там ведь нет никаких человечков – любителей покачаться. Но дело здесь вовсе не в человечках. Исследуя движение качающихся тел, физики выяснили очень важную вещь. Оказалось, что время, за которое тело качнется вправо – влево и вернется в прежнее положение, остается всегда постоянным. Каждое колебание – и второе, и десятое, и сотое – занимает ровно столько же времени, сколько заняло первое. Потому-то маятник и приспособили к часам. Он регулирует их ход.

Если у тебя в доме есть ходики, можешь рассмотреть, как они устроены. Только не разбирай их. Собрать даже такие простейшие часы тебе едва ли удастся.

Ходики приводит в движение опускающаяся гиря. Цепь, на которой висит эта гиря, перекинута через барабан, насаженный на главную ось. От главной оси движение через зубчатые колеса передается минутной и часовой стрелкам.

Если бы в механизме ходиков больше ничего не было, то гиря быстро пошла бы вниз и стрелки завертелись бы, как белки в колесе. Вж-ж-ж… Готово! Гиря опустилась на всю длину цепи, и все движение остановилось!

Ясно, что никому не нужны часы, которые за несколько секунд пробегут целые сутки и тут же остановятся. Ход часов нужно замедлить. Для этого в ходиках устроены ходовое колесо и скобка с маятником. Маятник – это груз, висящий на длинной палочке. Толкнешь его – и он пойдет качаться. Тик-так, тик-так, вправо – влево.

Вместе с маятником качается и скобка, в которую он продет. Два плечика этой скобки попеременно попадают между зубцами ходового колеса. Качнулся маятник вправо – левое плечико скобки застряло в колесе и остановило его. Качнулся влево – плечико поднялось, отпустило колесо. Но только колесо проскочило на один зубец – правое плечико снова его останавливает. Маятник опять качнулся вправо – опять пропустил один зубец ходового колеса. Колесо немного повернулось, а за ним и весь механизм ходиков сделал следующий шаг. Но тут же плечико скобки опять останавливает колесо.

Так и ходят ходики: тик-так, тик-так, шаг за шагом. Быстро идти не дает маятник, он все время «вставляет палки в колеса».

Но ты ведь уже знаешь, что период колебания маятника всегда один и тот же. Значит, каждый шажок ходиков занимает одно и то же время! Так маятник регулирует ход часов, делает его точным.

Примерно так же устроены карманные и наручные часы. Только вместо гири у них пружина, а вместо маятника колесико-балансир, соединенное с «волоском» – тоненькой спиральной пружинкой. Спиралька то свивается, то развивается: тик-так, тик-так… Такие колебания называются крутильными. Их период тоже неизменен, и часы идут точно.

Маятник и трехколесный велосипед

Есть у маятника еще одно интересное свойство. Оно напоминает уже известное тебе свойство волчка. Волчок стремится сохранить направление оси вращения. А маятник стремится сохранить направление своих колебаний!

Чтобы в этом убедиться, можешь сделать несколько опытов. Проще всего, пожалуй, опыт с трехколесным велосипедом. Если есть у тебя такой велосипед, положи его набок. Одно из двух задних колес, которое окажется сверху, сможет свободно вращаться. К его ободу подвесь какой-нибудь грузик на нитке.

Длина нитки нужна такая, чтобы грузик мог качаться, ни за что не цепляясь.

Качни грузик и осторожно, медленно поворачивай колесо, к которому он подвешен. Ты ясно увидишь, что направление колебаний грузика при этом сохраняется!

Этот опыт можно сделать и с вращающимся на винте стулом. На таких стульях или же круглых табуретках сидят пианисты.

Маятник и земной шар

Ты, конечно, слышал, что земной шар вращается. Есть несколько доказательств этого вращения. И одно из самых наглядных было найдено французским физиком Фуко. В 1850 году он подвесил огромный маятник в парижском Пантеоне – зале с очень высоким куполом. Длина подвеса была равна 67 м! И шар был очень тяжелый – 28 кг. Ведь маятник должен был качаться много часов подряд.

Снизу к шару приделали острие, а на полу Пантеона насыпали кольцом грядочку из песка. Маятник раскачали. Острие стало оставлять на песке бороздки. И что же? Через несколько часов маятник чертил бороздки уже совсем в другой части грядочки. Плоскость колебания маятника Фуко словно поворачивалась по часовой стрелке!

На самом деле, конечно, эта плоскость сохраняла прежнее положение. Вращалась наша планета. Она медленно и величественно поворачивалась против часовой стрелки, увлекая с собой и Пантеон с его куполом и песочной грядкой. И только маятнику это движение Земли не могло передаться. Он ведь был подвешен на гибком тросе!

Опыт Фуко повторен у нас в Ленинграде, в огромном Исаакиевском соборе. Если попадешь в Ленинград, постарайся увидеть этот опыт. А если не попадешь, тоже не беда. Знаменитый опыт Фуко ты можешь повторить у себя дома, на кухонном столе.

Яблоко или крупную картофелину проткни тонкой лучинкой так, чтобы оба ее конца торчали снаружи. К одному концу привяжи нитку. Получится маятник.

Свободный конец нитки привяжи к булавке, воткнутой в пробку. Установи эту пробку на трех вилках, воткнутых в нее наискось. Поставь свой треножник на тарелку и отрегулируй длину нитки так, чтобы нижний конец лучинки доходил почти до дна тарелки.

У краев тарелки насыпь две грядочки из сахарной пудры или мелкой соли. Они заменят песок в опыте Фуко.

Качни теперь маятник. Лучина прочертит следы в грядках сахарной пудры. При каждом качании маятника конец лучинки будет проходить точно по прежним следам.

Но наша скромная тарелка изображает земной шар. Подражая вращению Земли, начни тихо, без толчков поворачивать тарелку.

Гляди! Направление колебаний маятника осталось прежним. Он продолжает раскачиваться все в той же плоскости. И поэтому конец щепки оставляет новые следы в стороне от тех, что он чертил прежде!

Веселая дуэль

Это самый последний и самый веселый опыт с маятником.

Вбей рядом два гвоздя. Два куска достаточно жесткой проволоки согни под прямым углом так, чтобы на сгибе получилось колечко. Колечки эти надень на гвозди. Нижние концы проволок воткни в две одинаковые картофелины. Проткни их насквозь и загни, чтобы картофелины не соскользнули.

Если теперь качнуть правую картофелину, она стукнется о левую и остановится.

А ее движение передастся левой. Теперь уже левая картофелина качнется, как маятник, потом вернется и – трах! Ударится о правую. Так они будут качаться по очереди, до тех пор, пока движение постепенно не затухнет.

Ты спросишь, что же здесь веселого? Сейчас увидишь. Вырежь из плотной бумаги фигурки двух фехтовальщиков и приклей их к верхним концам проволок сургучом или клеем БФ-2.

Теперь качни одну из картофелин и любуйся веселой дуэлью. Бумажные противники будут по очереди яростно нападать друг на друга. Но ни один из их выпадов не достигнет цели!

Глава девятая. ВРАГ ИЛИ ДРУГ!

Почему остановилось?

Ах, как славно неслось корыто с толстяком, вырвавшись с эскалатора! Оно проехало еще несколько метров по полу и только тогда остановилось.

А вспомни, как ты сам не раз несся вперед, разогнавшись на велосипеде, или на коньках, или на санках с горы. Ты уже не двигаешь ногами, но все еще мчишься по инерции, да так, что ветер свистит в ушах!

Но постепенно свист ветра стихает, движение замедляется, замедляется… Надо снова работать ногами, иначе остановишься совсем.

Почему же остановилось корыто? Почему останавливаются велосипедисты и конькобежцы, почему санки, скатившись даже с самой высокой горы, не мчатся дальше и дальше, вокруг всего земного шара? Почему сила инерции, поначалу взявшись за дело так бодро, потом словно бы устает?

Чешский писатель Ярослав Гашек приводит слова одного тупицы:

«Когда весь бензин вышел, автомобиль принужден был остановиться… И после этого еще болтают об инерции!.. Не едет, стоит, с места не трогается. Нет бензина. Ну не смешно ли?»

Конечно, гашековский тупица был неправ. Ты ведь уже убедился, что инерция – не болтовня, она существует на самом деле. И все-таки, почему же остановился автомобиль?

Попробуем сообразить. Представь, что автомобиль едет по гладкому асфальту. Вот кончился бензин, двигатель заглох… Сразу ли остановится машина? Нет, она еще может проехать порядочное расстояние, Ну, а если по булыжникам? Тут, конечно, дело другое. Автомобиль остановится почти сразу же. Значит, дело в дороге?

Корыто, вылетев с эскалатора, проехало несколько метров по гладкому каменному полу. Ну, а если бы пол был деревянный, некрашеный? Или кирпичный? Ясно, по такому полу корыто и метра бы не проехало. Значит, и тут дело в дороге?

Зимой, по дороге в школу, ты с удовольствием катаешься по длинным ледяным дорожкам на тротуаре. Стоит разбежаться совсем немного – поехали! Но приходит сердитый дворник и посыпает дорожки песком. Теперь уже никакой разбег не поможет. Подошвы не скользят, они сразу же притираются. Притираются? Вот оно, нужное слово! Трение – в нем все дело. Это оно останавливает автомобили и корыта, санки и велосипеды, маятники и волчки. Трение «съедает» инерцию, это оно требует затраты бензина, или электрической энергии, или работы мускулов. Иначе движение остановится.

На страже покоя

Ты знаешь, что есть не только инерция движения. Есть еще инерция покоя. Такую инерцию имеет, например, стоящий на полу шкаф. Попробуй толкнуть его – он и не шелохнется! Думаешь, тут все дело в одной инерции?

Отрежь четыре ломтика сырого картофеля. Вооружись рычагом и, поочередно приподнимая углы шкафа, подложи по ломтику под каждую ножку. Готово? Теперь снова нажми на шкаф. Смотри-ка, поехал! А ведь ты толкал не сильнее, чем в первый раз. Значит, дело не в одной инерции. Для того чтобы преодолеть инерцию, у тебя силы хватило бы. А вот трения ты не осилил. И только сырой картофель помог.

Кстати, запомни этот прием. Он поможет тебе передвигать самую тяжелую мебель. Только не пользуйся им на натертом паркете. Картофель оставляет мокрые следы, придется потом заново пол натирать!

Выходит, что трение – не только враг движения. Трение – страж покоя. Если бы не стало трения покоя, в мире творились бы удивительные вещи. Мебель гуляла бы по комнатам от легкого сквозняка. Со всех гор на свете сползли бы вниз все ледники, и все камни и даже вся земля, лежащая на склонах. Самые спокойные школьники не смогли бы усидеть на партах: при малейшем движении они соскальзывали бы на пол. Да и мало ли еще какие произошли бы неприятности!

Хорошо, что трение покоя существует. Чтобы лишний раз в этом убедиться, проделай забавный опыт.

Положи спичку на стол так, чтобы головка выступала за край. На эту спичку положи поперек еще 14 спичек, попеременно головками в разные стороны. На рисунке внизу хорошо видно, как это надо сделать.

Можно ли поднять первую спичку, держа ее за головку, и вместе с ней все остальные спички?

Оказывается, можно. Для этого нужно только еще одну спичку положить поверх всех остальных, в ложбинку.

Катушка-ползушка

Так что же, полезно трение или вредно? Чтобы лучше это понять, сделай катушку-ползушку. Это – самая простая игрушка с резиновым мотором.

Возьми обыкновенную катушку от ниток и перочинным ножом зазубри края обеих ее щечек. Полоску резины длиной 70–80 мм сложи пополам и протолкни в отверстие катушки. В петлю резинки, которая выглядывает с одного конца, заложи обломок спички длиной 15 мм.

К другой щечке катушки приложи шайбу из мыла. Вырежь кружок из твердого, сухого обмылка толщиной около 3 мм. Диаметр кружка нужен около 15 мм, диаметр отверстия в нем – 3 мм.

На мыльную шайбу положи новенький, блестящий стальной гвоздь длиной 50–60 мм и поверх этого гвоздя свяжи концы резинки надежным узлом. Поворачивая гвоздь, заведи катушку-ползушку до тех пор, пока не начнет прокручиваться обломок спички о другой стороны.

Поставь катушку на пол. Резинка, раскручиваясь, повезет катушку, а конец гвоздя будет скользить по полу!

Как ни проста эта игрушка, я знал ребят, которые мастерили сразу по нескольку таких «ползушек» и устраивали целые «танковые бои». Побеждала катушка, подмявшая другую под себя, или опрокинувшая ее, или сбросившая со стола. «Побежденных» убирали с «поля боя».

Наигравшись с катушкой-ползушкой, вспомни, что это не просто игрушка, а научный прибор. Мы сделали этот прибор, чтобы лучше познакомиться с трением. Где же здесь встречается трение?

Начнем с обломка спички. Ты заводишь резинку, она натягивается и все крепче прижимает обломок к щечке катушки. Между обломком и щечкой имеется трение. Если бы этого трения не было, обломок спички вертелся бы совершенно свободно и катушку-ползушку вообще не удалось бы завести даже на один оборот! А чтобы она заводилась еще лучше, советую тебе прорезать в щечке ложбинку для спички. Значит, здесь трение полезно. Оно помогает работе сделанного нами механизма.

А с другой щечкой катушки дело обстоит совершенно наоборот. Здесь гвоздь должен вращаться как можно легче, как можно свободнее. Чем легче он скользит по щечке, тем дальше уедет катушка-ползушка. Значит, здесь трение вредно. Оно мешает работе механизма. Его нужно уменьшить.

Поэтому-то и подложена между щечкой и гвоздем мыльная шайба. Она уменьшает трение, она играет роль смазки.

Теперь рассмотрим края щечек. Это «колеса» нашей игрушки. Ты их зазубрил ножом. Для чего? Да для того, чтобы они лучше сцеплялись с полом, чтобы не «буксовали», как говорят машинисты и шоферы.

Да, есть у них такое словечко. Ведь в дождь или в гололед колеса локомотива буксуют, прокручиваются на рельсах, не может он взять с места тяжелый состав. Приходится машинисту включать приспособление, которое сыплет на рельсы песок. Для чего? Да для того, чтобы увеличить трение. И при торможении в гололед на рельсы тоже сыплется песок. Иначе и не остановишь! А на колеса автомобиля при езде по скользкой дороге надевают специальные цепи. Они тоже увеличивают трение, улучшают сцепление колес с дорогой.

Вспомни: трение останавливает автомобиль, когда кончится весь бензин. Но если бы не было трения колес о дорогу, автомобиль и с полным баком бензина не смог бы тронуться с места. Его колеса проворачивались бы, буксовали бы, словно на льду!

Наконец, у катушки-ползушки есть трение еще в одном месте. Это трение конца гвоздя об пол, по которому он ползет вслед за катушкой. Вот это трение – вредное. Оно мешает, оно задерживает движение катушки. Но тут трудно что-либо сделать. Разве что отшлифовать конец гвоздя мелкой шкуркой.

Как ни проста наша игрушка, она помогла разобраться. Там, где части механизма должны двигаться, трение вредно и его надо уменьшать. А там, где части не должны двигаться, где нужно хорошее сцепление, там трение полезно и его нужно увеличивать. И еще трение необходимо в тормозах. У ползушки их нет, она и так едва ползет. А у всех настоящих колесных машин тормоза есть: без тормозов ездить было бы слишком опасно.