Текст книги "Здравствуй, физика!"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 14 страниц)

Карандаш и книга

Следующий опыт с карандашом и книгой. Поставь книгу наклонно и положи на нее карандаш. Сползет или не сползет? Это зависит от того, как положить. Если положить вдоль уклона, карандаш даже при большом наклоне сползать не будет. А если поперек? Ого, как покатился! Особенно если он круглый, а не шестигранный.

Ты можешь сказать: подумаешь, тоже мне научный опыт! Что же в нем интересного? А интересно в этом опыте то, что когда карандаш катится, трение оказывается гораздо меньше, чем когда он ползет. Катить легче, чем волочить. Или, как говорят физики, трение качения меньше, чем трение скольжения.

Именно поэтому люди изобрели колеса. В глубокой древности колес не знали и даже летом грузы возили на санях. Посмотри на эту картину. Она высечена на стене одного очень древнего храма в Египте. Огромную каменную статую везут на санях. Везут по голой земле: ведь Египет – жаркая страна, там снега никогда не бывает!

Эх, и как только древние инженеры не сообразят хотя бы катки подложить под эти сани!

Не беспокойся, они сообразят. Вернее, они уже давно сообразили. Правда, не тогда, когда была высечена эта картина. Но все равно катки, а потом и колеса появились уже несколько тысяч лет назад. И тогда, впервые в истории, трение скольжения было заменено более выгодным трением качения. Это было большим шагом вперед.

Современная техника сделала следующий важный шаг. Инженеры рассудили так: обод колеса не тащится волоком, он катится по земле. Это хорошо, трение уменьшается. Но вот ось колеса трется в подшипниках, и, как мы эти подшипники ни смазываем, трение все равно остается большим. Нельзя ли и здесь трение скольжения заменить трением качения? Нельзя ли между осью колеса и обоймой подшипника положить маленькие стальные катки?

Так появились подшипники качения.

Они бывают шариковые и роликовые. И ты, конечно, не раз их видел. Даже в обычном велосипеде, только не в детском, а в двухколесном, взрослом или подростковом, шариковые подшипники есть во втулках колес, в рулевой колонке, на оси шатунов, на осях педалей.

Автомобили, мотоциклы, тракторы – все эти машины катятся на шариковых и роликовых подшипниках. А в последние годы и железнодорожные вагоны стали делать на подшипниках качения. Эти вагоны легко узнать: на них нарисован особый знак, показанный на нашем рисунке. Узнаёшь? Это ведь и есть подшипник качения!

Акробат идет колесом

Прежде чем кончить разговор о трении, сделаем еще одну забавную игрушку. Из плотной бумаги вырежь по нашему рисунку фигурку акробата. Насади ее на перо, вставленное в обыкновенную школьную ручку. Вдень теперь ручку с акробатом наискось в кольцо ножниц. Держа ножницы горизонтально, води их осторожно по кругу. Ах, как пошел колесом наш акробат!

Он ведь участвует в двух движениях сразу. Во-первых, конец ручки с надетым на перо акробатом описывает большие круги. А во-вторых, ручка не скользит по кольцу ножниц, а обкатывается по нему. И ручка вместе с акробатом вертится вокруг своей оси. От соединения этих двух движений и получаются такие замечательные колеса. Живому акробату едва ли удастся их повторить!

Ты спросишь, где же здесь трение? Да в кольце ножниц. Если бы его не было, ручка сразу провалилась бы вниз, она бы не удержалась даже в наклонном положении. И еще: если бы между кольцом и ручкой не было трения, ручка бы не обкатывалась по кольцу и акробат не кувыркался бы так красиво.

Глава десятая. ТВЕРДОЕ И МЯГКОЕ

Шкаф и диван

Одного мальчика спросили: знает ли он, что такое твердое тело?

– Конечно, знаю! – ответил мальчик. – Вот, например, шкаф – он очень твердый. Смотрите, какую я себе шишку набил!

– Ну, а диван?

– Дива-ан? Да какой же он твердый? Диван – это мягкое тело!

Физики отвечают на этот вопрос совсем не так, как мальчик, набивший себе шишку. Они говорят: твердое тело сохраняет свою форму. Шкаф – это твердое тело. Он стоит прямо, он не согнется сам по себе. И диван – это тоже твердое тело. Он ведь не промнется, пока на него не сядут!

Но если уже и диван попал в твердые тела, какое же тело не твердое? Есть ли вообще нетвердые тела?

– Есть, – отвечают физики. – Вот вода – это не твердое тело. Вода – это жидкость. Она своей формы не имеет. Нальешь ее в кастрюлю – примет форму кастрюли. Если кастрюля с дыркой, вода постепенно вытечет и разольется по столу, с него побежит струйкой на пол…

Такие же свойства имеют и другие жидкости: молоко, керосин, растительное масло да и мало ли что еще. Все эти жидкости принимают форму той посуды, в которую они налиты. А диван стоит себе на полу и не думает растекаться лужей.

И все-таки в ответе мальчика была какая-то доля правды. Мальчик чувствовал, что не все твердые тела тверды одинаково. Шкаф тверже дивана. Он сильнее сопротивляется, когда пробуешь изменить его форму.

«Маленький, зелененький…»

Ты, верно, знаешь эту детскую песенку:

 
Маленький, зелененький,
С коленками назад —
Все кузнечик прыгает,
Чему-то очень рад…
 

В магазинах часто продается забавная игрушка – прыгающий кузнечик. Тельце маленького прыгуна сделано из зеленой пластмассы, на брюшке – круглая резиновая присоска. А длинные ножки согнуты из упругой стальной проволоки.

Игрушечного кузнечика ставят на дно тарелки и надавливают на него сверху. Стальные ножки гнутся, разъезжаются по тарелке, и кузнечик прижимается брюшком к гладкой поверхности. При этом присоска присасывается.

Теперь можно кузнечика отпустить. Он остается в том же положении иногда несколько минут. Но постепенно под присоску проникает воздух, она держит все слабее…

Трах! С громким щелканьем кузнечик отрывается от тарелки и подпрыгивает на добрый метр, а то и выше! Нервный человек порядком вздрогнет, особенно если он уже успел забыть про кузнечика и чем-то отвлекся.

Почему же все-таки прыгает игрушечный кузнечик?

Да потому, что его ножки распрямляются. Ты их изогнул, а присоска задержала в изогнутом положении. Ножки стремятся выпрямиться, расправиться. И как только присоска отпускает, они тут же расправляются. Щелк! Кузнечик взлетает в воздух.

Прыгающее кольцо

Похожий опыт можно сделать и с резиновым кольцом, вырезанным из велосипедной или автомобильной камеры. Иногда такие кольца можно найти готовыми; они надеваются на особые «застегивающиеся» пробки бутылок.

Наружный диаметр кольца 20 мм, диаметр отверстия 8 мм.

Скрути кольцо, просунув часть его окружности сквозь отверстие в середине, и положи на стол. Через несколько секунд кольцо распрямится, да так резко, что подскочит на 20–30 см вверх.

Причина здесь та же, что и в опыте с игрушечным кузнечиком. Резина – сжатая, изогнутая, перекрученная – стремится восстановить свою форму. Она постепенно «выпутывается» из середины кольца и наконец распрямляется. Резина, как и сталь, обладает свойством восстанавливать свою форму. Это свойство называют упругостью.

Упрямая звездочка

Из свежего хлебного мякиша слепи звездочку с шестью лучами-отростками. Она должна быть величиной с грецкий орех.

Казалось бы, такую звездочку ничего не стоит смять. Но попробуй ударить ее об пол. Можешь не осторожничать, бросай что есть силы! Звездочке все равно ничего не сделается.

Упругие отростки спружинят и выпрямятся, да так резко, что подбросят упрямую звездочку высоко вверх!

И сколько бы раз ты ни бросал звездочку, ничего с ней не случится. Она будет подпрыгивать как ни в чем не бывало. Упрямую звездочку спасает упругость!

Есть только одно обязательное условие: звездочку нужно слепить из совершенно свежего хлеба. Иначе она будет ломаться.

Упругие монеты

Для этого опыта подбери несколько одинаковых монет, например пятаков. Они должны быть ровными, непогнутыми. Положи два из них на стол на некотором расстоянии один от другого. Теперь резко щелкни по одному пятаку так, чтобы он скользнул по столу и ударил по другому. Если попадешь точно, «лоб в лоб», то первый пятак почти сразу же остановится, а второй отскочит и как бы продолжит движение первого.

Почему так получилось? Опять-таки из-за упругости. Ударившись одна о другую, обе монеты в первый момент сжимаются, Но упругость стремится восстановить их первоначальную форму. Сила упругости «расталкивает» столкнувшиеся монеты в противоположные стороны. Поэтому первая, ударившая монета получает свой удар обратно и останавливается, А вторая монета отскакивает и продолжает движение первой.

Опыт можно усложнить, разложив на столе несколько монет рядком на одной линии так, чтобы они касались одна другой. Что получится, если ударить еще одной монетой в крайнюю монету ряда? Ударившая монета остановится как вкопанная. Ее толчок передастся по всему ряду. Одна за другой монеты будут сжиматься и затем снова разжиматься. При этом каждая ударившая монета будет получать свой толчок обратно, а каждая ударенная передавать его дальше. И только самой последней в ряду монете нечему будет передать толчок и не от чего получить его обратно. Поэтому она, разжимаясь, оттолкнется от предпоследней монеты и отскочит!

Этот опыт можно проделать и с шашками. Крайнюю в ряду шашку придержи сверху пальцем и ударь деревянной линейкой по ребру. С другого конца отскочит шашка, и всегда только одна.

Такие же опыты можно проделать с бильярдными или крокетными шарами. Только во всех случаях нужно попадать точно, «лоб в лоб». При косом ударе ударившая монета или шар не останавливаются, а только отклоняются в сторону и замедляют свое движение. А ударенное тело отскакивает под углом в сторону.

Твердое, да не совсем!

Заводя часы, ты закручиваешь пружину. Упругая стальная пружина стремится восстановить свою первоначальную форму. Пружина раскручивается, часы идут. Таким же образом действуют и все заводные игрушки.

Заводя катушку-ползушку или модель самолета, парохода, подводной лодки с резиновым мотором, ты скручиваешь резину. Упругая резина стремится восстановить свою первоначальную форму. Резина раскручивается и вращает воздушный или водяной винт. Модель приходит в движение.

Все твердые тела, о которых мы до сих пор говорили, держались молодцами. Шкаф набивал мальчику шишку. Диван распрямлялся, как только с него вставали. Восстанавливали прежнюю форму ножки игрушечного кузнечика, резинки, пружины, монеты, хлебные звездочки. Но всегда ли бывает так?

Вспомни, не видел ли ты когда-нибудь твердых тел: поломанных, разорванных, проколотых, разрубленных, разбитых, изогнутых, сплющенных?

Конечно же, видел. Шкаф ломается, если по нему стукнуть не лбом, а кувалдой. Пружина лопается, если перекрутить ее. Перекрученная резина тоже лопается, а чрезмерно растянутая – рвется. Гвозди сгибаются в дугу под ударами молотка. Хлебную звездочку можно смять, если ударить по ней кулаком, а еще вернее – если медленно надавить ладонью.

Выходит, что каждое твердое тело остается твердым, восстанавливает свою форму только до тех пор, пока его не сжали, не растянули, не изогнули, не ударили слишком сильно. Тут оно меняет свою форму. Но замечательно то, что, изогнутое, сплющенное, разбитое на куски, оно потом опять сохраняет свою твердость. Черепок тарелки, обломок пружины, кусок гвоздя ничуть не «мягче» целой тарелки, целой пружины, целого гвоздя.

А что у него внутри?

Многие твердые тела в изломе выглядят шероховатыми. Например, лопнувшая пружина, разорванная проволока, расколотый камень, сломанный гвоздь.

Если посмотреть на этот излом в сильную лупу или в микроскоп, мы увидим, что он зернистый. Эти микроскопические зерна твердых тел обычно имеют правильную форму. Их называют кристаллами.

Очень красивы, например, кристаллы льда. Зимой, выйдя на улицу, рассмотри под лупой снежинки, которые упадут тебе на рукав. Ты увидишь изумительно правильные звездочки, составленные из иголочек льда. И все эти звездочки разные. Кажется, невозможно найти две совершенно одинаковые. Ученые насчитали сотни видов снежинок. Но все они шестилучевые!

Обычно кристаллы очень малы, их можно разглядеть только при большом увеличении. Но попадаются иногда и крупные кристаллы, и даже огромные. Таковы, например, кристаллы горного хрусталя, которые можно видеть в коллекциях минералов.

Ты и сам можешь вырастить довольно крупные кристаллы. Налей в стакан горячей воды и сыпь в него поваренную соль, все время помешивая.

Сыпь до тех пор, пока соль не перестанет растворяться и на дне образуется осадок, не исчезающий при помешивании. Затем возьми кусочек тонкой проволоки и обмотай его шерстяной ниткой. На стакан сверху положи палочку и к ней подвесь эту проволочку на нитке. Рассол будет постепенно остывать, потом вода из него начнет испаряться. Через два-три дня вытяни проволочку. Ты увидишь, что соль осела на шерстинках маленькими, но правильными кубиками.

Еще лучше, если сумеешь достать квасцы. Кристаллы квасцов удается вырастить более крупными, да и по форме они красивее: не простые кубики, как у поваренной соли, а пирамидки.

Правда, кристаллики получаются мелкие. Чтобы их еще увеличить, разомни между пальцами крошечный, меньше булавочной головки, кусочек воска. Сними с проволоки одну крупинку квасцов и приклей ее воском к тонкому волоску. Подвесь этот волосок с кристалликом в стакане с насыщенным раствором квасцов. Поставь стакан в такое место, где бы его никто не толкал. Так он должен простоять еще два-три дня в полном покое. Кристалл Квасцов заметно увеличится. Он будет немного мутным, но правильным по форме.

Мгновенная кристаллизация

Очень красивый опыт можно сделать с кристаллами мирабилита. Это вещество продается в аптеке под названием «английская соль», или «горькая соль». Для нашего опыта понадобится такой соли 300–350 г.

Вскипяти в чистой кастрюле три четверти стакана воды. Затем, не снимая кастрюлю с огня, понемногу всыпай в нее мирабилит, все время помешивая. Когда соль начнет, не растворяясь, оседать на дно, медленно, осторожно заполни горячим раствором большой флакон и тут же плотно закупорь его.

Остудив раствор, можешь показывать опыт. Откупорь флакон и брось в него один кристаллик горькой соли. Ты увидишь, как в жидкости побегут во все стороны поблескивающие грани и она на глазах превратится в сплошную массу кристаллов!

Напрактиковавшись, можешь показывать этот опыт в качестве фокуса. Когда откупоришь флакон, не бросай в него кристаллик рукой, а постучи по горлышку карандашом. На этот карандаш, который ты объявишь волшебной палочкой, заранее насыпь несколько крупинок мирабилита. При постукивании и произнесении «заклинаний» незаметно стряхни эти крупинки в флакон.

А вот фокус потруднее!

Оказывается, не так уж трудно получить флакон, наполненный кристаллами мирабилита. Но попробуй-ка получить флакон или бутылку, наполненные кристаллами… самого обыкновенного льда!

Ты думаешь, это просто? Налей полную бутылку воды и выставь ее зимой за окно. Вода начинает замерзать… Трах! Бутылка лопается! Может быть, не затыкать пробкой? Но и открытая бутылка лопнет: в ней образуется пробка из льда. Лед занимает больше места, чем вода. Он рвет бутылки, он разрушает трубы водопровода, он разрывает стенки живых клеток, пораженных морозом. Травы и листья умирают, буреют, когда ударит мороз. А в деревьях еще с осени прекращается движение соков. Зимой дерево сухое, ему не страшен мороз!

Лед легче воды, поэтому он плавает сверху. Если бы льдины тонули, зимой до дна промерзли бы северные моря и реки.

Слабое место льда

Выходит, что обыкновенный лед – вещь нешуточная, порой даже опасная. Но есть у него слабое место. Лед можно разрезать… проволокой!

Положи брусок льда или большую сосульку на спинки двух стульев. Накинь на этот лед петлю из стальной проволоки толщиной не более 0,5 мм и подвесь к ней два утюга. Медленно, но неуклонно проволока врезается в лед. Все глубже, глубже… И вот уже бух! Утюги упали, проволока прошла насквозь. Смотри-ка, а ледяной брусок не распался!

Он цел, словно его и не резали. Как это могло случиться?

Лед тает под давлением.

Например, под лезвиями коньков. Если лезвия затупились, коньки хорошо скользят только в теплую погоду. А в самый сильный мороз и острые коньки скользят плохо. Лед слишком холодный, он не тает, не получается водяная «смазка», которая облегчает скольжение.

Под давлением проволоки лед тоже тает. Но вода перетекает поверх проволоки. Здесь уже давления нет, и она тут же замерзает снова. Так «срастается» перерезанный ледяной брусок.

Глава одиннадцатая. О ВОДЕ И ТРУБАХ

Как повесить картину?

Ты, верно, читал веселую книжку английского писателя Джером К. Джерома «Трое в одной лодке, не считая собаки». Там автор, между прочим, рассказывает, как его дядя, Поджер, собрался повесить на стену картину.

Дядя Поджер торжественно заявил, что все сделает сам. Он снял пиджак и послал горничную купить гвозди, а вдогонку ей – сына с указанием, какого они должны быть размера. Другому сыну он велел принести молоток, третьему – линейку. Дядя потребовал также, чтобы ему подали стремянку и табуретку. Потом он крикнул: «Джим, сбегай-ка к мистеру Гоггльсу и скажи ему: „Папа вам кланяется и надеется, что вашей ноге лучше, и просит вас одолжить ваш ватерпас!“» Жене он велел держать свечку, вернувшуюся горничную послал за бечевкой. Один из сыновей подал дяде Поджеру картину.

Дальше с дядей Поджером случается много неприятностей. Он роняет картину, разбивает стекло, режет себе руки. Потом он роняет гвозди, теряет молоток, теряет заметку, сделанную на стене и падает вниз головой прямо на рояль.

И только поздно ночью, измучив всю семью, исковыряв стену и отбив себе пальцы молотком, дядя Поджер заканчивает свой титанический труд. Картина, наконец, висит, хотя и весьма криво и ненадежно.

Я уверен, что, если тебе придется вешать картину, ты сделаешь это удачнее и самостоятельнее, чем дядя Поджер. Но, конечно же, и тебе понадобятся для этой работы и гвозди, и молоток, и стремянка. Понадобится и ватерпас, тот самый прибор для проверки горизонтальности, за которым посылали к мистеру Гоггльсу.

А если ватерпаса у тебя нет и взять его негде, ты можешь сам сделать очень простое приспособление. Возьми две стеклянные трубочки, соедини их резиновой трубкой и заполни все это водой почти доверху. Теперь ты можешь разносить стеклянные трубочки пошире или сводить их поближе, можешь резиновую трубку оставлять свободно висеть или класть на что-нибудь, – все равно поверхность воды в обеих стеклянных трубочках всегда окажется на одинаковом уровне. И ты, приложив эти трубочки к раме картины, всегда сможешь проверить, горизонтально ли она висит.

Приспособление, очень похожее на наш приборчик для проверки горизонтальности, применяется в паровых котлах. Оно называется водомерным стеклом. В котле всегда должно быть достаточно воды, иначе он может взорваться. Но как это проверить? Ведь котел непрозрачен.

Тут и приходит на помощь водомерное стекло. Это стеклянная трубка, соединенная с котлом и сверху и снизу. Вода в трубке всегда устанавливается на таком же уровне, что и в котле.

Трубку и котел называют сообщающимися сосудами. Они и в самом деле сообщаются, то есть соединены так, что жидкость может свободно перетекать из котла в трубку и обратно. Две трубочки в нашем приборе для проверки горизонтальности – это тоже сообщающиеся сосуды.

Сообщающихся сосудов может быть не два, а десять, сто, тысяча. Они могут иметь разную величину, разную форму, разный наклон. Все равно жидкость всегда устанавливается в них на одинаковом уровне.

Интересно, что сообщающимися сосудами являются все моря и океаны мира. Ведь все они соединены между собой проливами. Поэтому и уровень воды в морях, уровень моря, во всем мире одинаков. И только во внутренних морях, не имеющих сообщения с океаном, уровень может быть другим. Вот в Каспийском море, например, вода стоит на несколько десятков метров ниже уровня моря. Географы часто называют Каспийское, Аральское и другие внутренние моря не морями, а озерами.

Первый фонтан

Фонтанов в этой книге будет несколько. Для того чтобы соорудить первый из них, возьми стекло от керосиновой лампы и подбери пробку, закрывающую его узкий конец. В пробке сделай сквозное отверстие. Его можно просверлить, провертеть граненым шилом или прожечь раскаленным гвоздем. В отверстие должна плотно входить стеклянная трубка, изогнутая в форме буквы «П».

Если у тебя нет лампового стекла, можешь взять пустую консервную банку и в середине дна пробить отверстие большим гвоздем. Вставь в это отверстие трубку и залей сургучом изнутри и снаружи, чтобы банка не протекала.

Согнуть стеклянную трубку можно над пламенем газовой или спиртовой горелки, свечи и т. п. Введи трубку в верхнюю, самую горячую часть пламени. Медленно поворачивай ее, чтобы прогрелась по всей окружности. При этом все время слегка нажимай пальцами, стремясь согнуть трубку.

Внимание! Трубка начала подаваться. Не спеши, не увеличивай силу нажима. Сгибай плавно и равномерно до нужного угла. Не растягивай трубку, чтобы она не стала тоньше в месте сгиба. Изогнутой трубке дай остыть, держа ее в руках. Только после этого можешь ее положить или начать сгибать в другом месте.

Если стеклянной трубки нет, постарайся достать металлическую, например медную, алюминиевую или латунную. Ее гнут без нагрева. Только, прежде чем сгибать металлическую трубку, набей ее песком. Иначе канал в месте сгиба может закрыться.

После всех этих приготовлений сам опыт покажется очень простым. Зажми пальцем отверстие трубки, переверни банку или ламповое стекло вверх дном и наполни водой. Когда откроешь выход из трубки, вода забьет из нее фонтаном. Он будет работать до тех пор, пока уровень воды в большом сосуде не сравняется с открытым концом трубки. Попробуй объяснить, почему это так.