Текст книги "Юный техник, 2013 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 6 страниц)

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ
Наука и… крахмал

Крахмал – это весьма распространенное вещество. Его используют в кулинарии, в кондитерских изделиях. Да вы и сами, наверное, знаете, ведь каждый пил кисель.

Здесь же мы поговорим о том, что крахмал может иметь самое непосредственное отношение к науке и технике.

ХРОМАТОГРАФИЯ ДОМА

Для изучения различных смесей в лабораториях часто прибегают к хроматографии. Суть способа заключается в том, что обычно отдельные компоненты смеси (жидкости или газа) по-разному удерживаются веществом-адсорбентом, способным избирательно поглощать те или иные химические соединения.

Современные газовые и жидкостные хроматографы – сложные приборы, нередко с компьютерным управлением. Конечно, такое оборудование не доступно ни для домашней лаборатории, ни для школьного кружка.

Однако существуют и простые способы хроматографического анализа. Один из таких приемов называют тонкослойной хроматографией; причем веществом-сорбентом, с помощью которого производится разделение смеси, может послужить крахмал.

Возьмите столовую ложку крахмала и разболтайте в небольшом количестве воды, чтобы получилась смесь густоты сметаны. Вылейте ее на стеклянную пластинку и дайте подсохнуть. Когда пластинка станет сухой, на крахмальное пятно капните исследуемую смесь, например, какой-нибудь сок, чернила или гуашь.

Вы увидите, как на крахмале начнут разбегаться концентрические кольца разного цвета. Для лучшей расходимости иногда стоит капнуть на крахмал одну-две капли растворителя. И тогда вы наглядно убедитесь, что, скажем, черная краска может состоять из красного и синего красителя.

Анализ будет точнее, а его результаты еще нагляднее, если вы прибегните к колоночной хроматографии.

Хроматографической колонкой вам может послужить стеклянная трубка диаметром около 1 см и длиной примерно 20 см. Закройте ватой ее нижний конец и всыпьте крахмал чуть больше, чем наполовину. Сверху влейте в трубку раствор исследуемого вещества, желательно не слишком высокой концентрации. Когда раствор пропитает крахмала, в колонку примерно на половину высоты, влейте 3–4 мл чистого растворителя (воды или спирта).

Смесь разгонится по высоте колонки, станут отчетливо видны окрашенные кольца. Их будет столько, сколько веществ входит в состав изучаемой смеси.

СЕКРЕТНЫЕ ПИСЬМЕНА

Для опыта вам понадобится старая газета, 2 листа белой писчей бумаги, ножницы, раствор крахмала в распылителе-пульверизаторе и две чайных ложки (10 мл) раствора йода.

Застелите рабочее место газетой, чтобы не запачкать столешницу. Из одного листа белой бумаги вырежьте буквы, из которых можно составить некое тайное послание, например, чье-то имя.

Положите второй лист белой бумаги на газету. Выложите на нем слово из вырезанных букв. Спрысните лист бумаги и буквы крахмальным раствором из распылителя.

Убрав вырезанные буквы, дайте листу бумаги высохнуть. Примерно через четверть часа раствор крахмала высохнет и станет незаметным.

А вы тем временем разбавьте аптечный йод водой и залейте его в пустую бутылку с распылителем. Теперь вы готовы к проявлению невидимой надписи.

Объявите зрителям, что на чистом листе бумаги скрыто некое послание. Если сказать нужные волшебные слова, оно появится.

Говорить, понятное дело, можно, что угодно. Главный эффект скрыт не в словах, а в йодном растворе, которым вы обрызгиваете лист с помощью пульверизатора. Белые буквы как бы сами собой проявятся на фиолетовом фоне.

Объяснение «фокуса» весьма простое.

Крахмал, которым вы обрызгали лист бумаги, и сама бумага состоят из молекул сахаристых веществ, соединенных в длинные цепочки. Они вступают в реакцию с молекулами йода, образуя некий краситель фиолетового цвета.

На те участки бумаги, которые были закрыты вырезанными буквами, крахмал не попал, поэтому они остаются белыми. На остальной части бумага, политая раствором крахмала, образует фиолетовой фон.

КОГДА МЯГКОЕ СТАНОВИТСЯ ТВЕРДЫМ

Для следующего опыта вам понадобятся примерно четверть стакана (50 мл) кукурузного крахмала, пустой пластиковый стаканчик, четверть стакана (50 мл) водопроводной воды и столовая ложка.

Положите крахмал в пластиковый стаканчик. Добавьте воды, помешивая смесь ложкой. Она должна быть густой, как хорошая сметана.

Покажите зрителям белую жидкость в стаканчике.

Объявите, что вы сейчас обратите ее в твердое вещество, а затем снова в жидкость.

Вылейте столовую ложку белой жидкости на ладонь кому-нибудь из зрителей. А затем пусть сам зритель дотронется до этой жидкости на своей ладони пальцем другой руки, как только вы произнесете некие магические слова. К его удивлению, смесь тут же затвердеет.

Произнесите еще одно заклинание и велите ему убрать палец. Смесь снова станет жидкой.

Дело здесь, опять-таки, не в магических заклинаниях.

Вещества могут быть твердыми, жидкими или газообразными. При этом твердые вещества, жидкости и газы способны весьма интересным образом смешиваться между собой. Смесь крахмала с водой – это вовсе не раствор, а коллоид – взвесь, в которой мельчайшие частички двух веществ равномерно перемешаны между собой. При механическом воздействии частицы крахмала стягиваются в одно место и смесь как бы затвердевает.

Интересный вариант этого фокуса продемонстрировали недавно студенты Чикагского университета. На одном из вечеров они показали своим товарищам, что способны ходить по воде «аки по суху». И действительно, к удивлению собравшейся публики прошлись по поверхности университетского бассейна.

Как им это удалось? Правильно, они заранее насыпали в воду бассейна кукурузный крахмал. Если ударить образовавшуюся взвесь ногой, частички крахмала, зависшие в воде, собираются вместе. Образуется участок, который может стать для ноги опорой.

Используя это свойство «неньютоновской жидкости», как иногда называют коллоиды, студенты ходили якобы по воде.

Публикацию подготовил Андрей ХРОМОВ

ПОЛИГОН
Хемотроника

О слове «хемотроника» в 60-е годы XX века в энциклопедиях можно было прочитать, что это новое научно-техническое направление, возникшее на стыке электрохимии и электроники.

Хемотронику также называли наукой о построении электрохимических приборов на основе явлений, связанных с прохождением тока в жидкостях. Некоторые из них вы можете создать и сами дома или в школе.

Исследователи разработали тогда немалое количество различных хемотронных приборов и устройств – управляемые сопротивления, точечные и плоскостные электрохимические диоды и транзисторы, интеграторы, блоки памяти для электронно-вычислительных машин (так тогда назывались компьютеры), усилители постоянного тока. На их основе даже собирались строить модели нейронных сетей человеческого мозга, надеясь создать устройства искусственного интеллекта.

Однако затем развитие техники пошло иным путем – твердотельные чины оказались проще и надежнее в эксплуатации, чем хемотронные устройства.

И они попросту оказались не нужны, оказались тупиковой ветвью развития науки, примерно так же, как в наши дни, с появлением цифровых фотоаппаратов, оказалась не нужна технология «поляроид».

И все-таки позвольте предложить вам сделать своими руками, так сказать, для общего развития, пару любопытных устройств – индикаторной ячейки и датчика движений, разработанного в 80-е годы XX века химиком Олегом Ольгиным.

Сторож напряжения и тока – так можно назвать индикаторную ячейку – может выглядеть, например, так. Возьмите пробирку или пузырек. Подберите пластиковую или корковую пробку. В пробке проделайте шилом 2 отверстия. Пропустите в них два проводка-электрода, по которым будет подаваться напряжение.

Зачистите их кончики от изоляции примерно на 3–5 мм. Один проводок пусть будет подлиннее, чтобы его можно было опустить ближе ко дну. Другой – покороче – будет заканчиваться в верхней части пробирки или пузырька.

Залейте в сосуд электролит почти до самой пробки.

Состав раствора должен быть таким: в 10-процентный раствор хлорида натрия (натрий хлор – это обычная поваренная соль) капните из пинетки пару капель фенолфталеина, который наверняка есть в школьном кабинете химии, и вставьте пробку в сосуд.

При подаче на проводки постоянного напряжения, например от полуторавольтовой батарейки, раствор возле отрицательного электрода покраснеет. Привести его в первоначальное состояние после отключения напряжения можно, просто встряхнув ваш сосуд, чтобы перемешать электролит.

Схема датчика движений, придуманного О. Ольгиным.

В свое время подобные ячейки пытались приспособить для информационных табло на вокзалах и в аэропортах, а также использовали в научных исследованиях. Вы же можете поискать им другое предназначение.

Датчик движения устроен несколько сложнее. Сначала изготовьте корпус будущего сенсора. Лучше всего выточить его из оргстекла на токарном станке. Но если такой возможности нет, корпус можно склеить дихлорэтаном из отдельных пластинок оргстекла, в этом случае он будет прямоугольным.

Примерный диаметр круглого корпуса – 40 мм, а высота около 20 мм. С торцов цилиндра надо выточить две полости глубиной около 5 мм и диаметром 30 мм так, чтобы между ними осталась толстостенная перемычка. Непосредственно под перемычкой просверлите горизонтально отверстие диаметром 2–3 мм для заливки электролита и подберите к этому отверстию плотную пробку.

Затем с противоположной стороны корпуса проделайте одно под другим еще три отверстия для электродов диаметром чуть больше миллиметра. Центральный электрод должен находиться в перемычке, верхний и нижний – в соответствующих полостях.

В качестве электродов возьмите толстые грифели для цанговых карандашей. Те места, где грифели выходят из корпуса, надо загерметизировать тем же клеем, которым вы клеили пластины оргстекла при изготовлении прямоугольной ячейки. Когда клей высохнет, в перемычке просверлите вертикально очень тонкое сквозное отверстие диаметром не более 0,5 мм. Выбирая для него место, имейте в виду, что оно, это отверстие, обязательно должно пройти через средний грифель-электрод.

Прибор почти готов. Осталось лишь приклеить к нему сверху и снизу по тонкой мембране из того же оргстекла, только небольшой толщины (0,3–0,5 мм).

Пока приклейте только нижнюю мембрану и приступайте к приготовлению электролита. В половине стакана воды растворите 20–30 г йодида калия, а затем, слегка подогрев раствор, добавьте около 1 г йода (и то и другое можно купить в аптеке). Через боковое, более широкое, отверстие залейте этот электролит внутрь датчика, в нижнюю полость, следи за тем, чтобы не осталось воздушных пузырьков. Удобнее всего провести эту операцию медицинским шприцем.

Когда заполнится и верхняя полость, приклейте вторую мембрану и окончательно загерметизируйте корпус, для чего вставьте во впускное отверстие заранее приготовленную пробку и тщательно залейте ее клеем.

Хемотронный датчик будет работать от батарейки напряжением 4,5 В. Верхний и нижний электроды, находящиеся в полости, соедините с положительным полюсом батарейки, средний – с отрицательным. В цепь желательно включить реостат, а также вольтметр и микроамперметр, который, впрочем, можно заменить тестером.

С помощью реостата (или сопротивлений) установите напряжение примерно 0,8–0,9 В. Микроамперметр, включенный в цепь центрального электрода, покажет ток 200–300 мкА. Оставьте цепь замкнутой часов на 10–15. Ток постепенно понизится до 10–20 мкА, что и требуется. Датчик готов к работе.

Проверить, как он действует, проще всего так: подуйте на одну из мембран или слегка прикоснитесь к ней, например, иголкой. Стрелка микроамперметра должна тут же отклониться вправо. Для глаза движение мембраны незаметно, но датчик на него сразу отреагировал.

Происходит это вот почему. Сила тока зависит от того, сколько йода находится возле отрицательного электрода – катода. Под действием постоянного тока йод на катоде восстанавливается, принимая электроны, а на аноде он вновь образуется из ионов. Поэтому йод как бы постепенно перекачивается от катода к аноду.

После зарядки датчика ток понемногу падает, потому что у отрицательного электрода остается все меньше йода. Но как только вы чуть-чуть, даже слабым прикосновением, воздействовали на мембрану, к катоду поступает дополнительная, пусть и очень небольшая, порция молекул йода; датчик мгновенно на это реагирует – ток возрастает.

Хемотронные приборы на редкость чувствительны; тщательно изготовленные, они могут иногда отреагировать буквально на считаные молекулы. В свое время их использовали в медицинских исследованиях.

А нельзя ли как-нибудь использовать такой датчик дома или в школе? Можно. Достаточно поставить датчик в дверях квартиры, и он откликнется, как только гость дотронется до двери.

Но, понятно, такой датчик сам по себе для этой цели не слишком удобен: надо все время смотреть на микроамперметр и ждать, пока отклонится его стрелка. Однако к датчику можно приспособить систему сигнализации – звонок или электрическую лампочку. Как это сделать – придумайте сами или посоветуйтесь с учителем физики.

Публикацию подготовил К. КОРЕНЕВ

Кстати…

ЕЩЕ ДВА УСТРОЙСТВА

На принципах хемотроники в свое время разработали еще переменное сопротивление и ячейку памяти.

Принцип работы электрохимического управляемого сопротивления – мимистора – основан на изменении сопротивления проводника в результате катодного осаждения на него металла или анодного растворения.

Мимистор (см. рис.) состоит из стеклянного корпуса 4, заполненного электролитом 1 (обычно CuSo₄ + H₂SO₄ + этанол). На одной из стенок герметично закрытой ячейки нанесена электропроводящая подложка 6, имеющая выводы 7 и 5. Электролит омывает электрод 2 с выводом 3. Входные сигналы подаются на электропроводящую подложку 6 и электрод 2. В зависимости от полярности входных сигналов, на подложке 6 медь будет осаждаться или растворяться. Тем самым будет изменяться электрическое сопротивление медной пленки, находящейся на подложке 6.

Приборы подобного типа имеют диапазон изменения сопротивления от 0 до 1000 Ом, диапазон токов управления 0,05 – 1 мА, потребляемую мощность управления 10^-3 – 10^-6 Вт, объем 0,2 0,4 см³ массу – несколько граммов. Они могут работать при температурах от минус 15 до плюс 100 °C, устойчивы к ударным нагрузкам и вибрации.

Схема электрохимического управляемого сопротивления.

Хемотронная ячейка памяти устроена так.

В герметичном пластмассовом корпусе расположены два пластинчатых электрода 1 из золота или платины. Электроды с внутренней стороны изолированы эпоксидным покрытием 2, за исключением узкого зазора 3, ширина которого не должна превышать 0,1 мм. На противоположной стенке ячейки напротив зазора расположен медный электрод 4. Расстояние между этим электродом и пластинчатыми электродами 1 составляет примерно 0,5 мм. Сопротивление между электродами 1 зависит от наличия раствора электролита в зазоре 3. Если зазор заполнен раствором, то это сопротивление велико. При подаче на электроды 1 напряжения, отрицательного относительно электрода 4, последний начинает растворяться, и в зазоре 3 происходит отложение меди.

Через некоторое время (время записи) зазор между электродами 1 будет замкнут осажденной медью, и сопротивление между ними резко снизится из-за высокой проводимости меди. Если же на электроды 1 подать напряжение, положительное относительно электрода 4, то осажденная в зазоре медь растворяется и ячейка возвращается в прежнее состояние. Таким образом, ячейка имеет два устойчивых состояния, позволяющих записывать информацию в двоичном коде.

Схема хемотронной ячейки памяти.

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Ужасно не люблю математику, хотя и слышала, что знать ее полезно. Вон еще Ломоносов говорил, что математику надобно знать хотя бы потому, что она ум в порядок приводит. И все-таки, есть ли причины, по которым иным людям математика противопоказана?

Лариса Ксенофонтова,

г. Калуга

Ненависть к математике может быть вполне объяснима. Дело в том, что у некоторых людей при решении задач и примеров активизируются те мозговые центры, которые отвечают за восприятие физической боли. То есть, говоря проще, такие люди боятся математики примерно так же, как посещения зубного врача.

И это не досужий вымысел. Исследователи из Чикагского университета измерили нервную активность 28 взрослых людей, из которых у 14 наблюдался повышенный страх перед математикой, другие относились к этому школьному предмету вполне терпимо.

Автор исследования Иен Лионе отмечает: «Страх появлялся только в период ожидания. При решении самой задачи участники, похоже, уже не испытывали боли. Таким образом можно сделать вывод, что не сама математика причиняет боль, а мысль о ней».

Говорят, на спутнике Сатурна – Титане обнаружили озеро. Но как оно может там быть, если на спутнике очень холодно? А если озеро прячется подо льдом, то как его обнаружили?

Всеволод Крайнев,

г. Томск

Да, на Титане есть озера. Однако в отличие от Земли они состоят не из воды, а из метана. Например, недавно изучив снимки, поступившие с борта автоматической межпланетной станции НАСА «Кассини», ученые обнаружили очередное метановое озеро у экватора Титана крупнейшего спутника Сатурна. Ранее считалось, что озера сосредоточены исключительно в приполярных областях этого небесного тела.

По словам исследователей, площадь обнаруженного озера составляет порядка 2,4 тыс. кв. км.

«Это открытие было совершенно неожиданным, – отмечает руководитель исследования, ученый из Университета штата Аризона Кейтлин Гриффит. – Существование озер в сухих тропиках, в отличие от приполярных районов, объяснить трудно. Любая жидкость, попадающая на поверхность Титана в тропических районах, быстро испаряется и в конечном итоге переносится к полюсам, где образуются большие озера».

По ее словам, существование озера в этом районе может объясняться наличием подпитывающих его подземных «каналов» жидкого метана.

Сейчас даже в смартфоны ставят программы перевода с одного языка на другой. Так стоит ли учить иностранные языки?

Валерия Чуркина,

г. Пятигорск

В ближайшее время все люди станут самыми настоящими полиглотами, способными говорить на любом существующем языке мира. Компания Microsoft заявила о работе над программным обеспечением, которое будет распознавать любую речь, автоматически переводить ее на тот или иной язык и озвучивать при помощи синтезатора.

В компании уверены, что новинка произведет настоящую революцию, разрушив языковые барьеры между людьми. И все же учить самому иностранные языки стоит. Во-первых, потому, что технология компьютерного перевода еще далека от совершенства. Во-вторых, человек, изучающий иностранный язык, значительно расширяет свой словарный запас. Ведь многие, например, компьютерные термины переходят в русский язык напрямую. И вы будете знать, что именно они означают, поймете, почему называются так, а не иначе.

И, в-третьих, компьютерный перевод годится лишь для бытовых разговоров и бесед на узкопрофессиональные темы. Он никогда не передаст ощущения художественного богатства того или иного языка.

ДАВНЫМ-ДАВНО

Юбилей спичек прошел незаметно. Быть может, потому, что историки до сих пор не пришли к единому мнению об их дне рождения. Одни полагают, что первые спички появились в 1805 году, когда француз Шансель начал свои опыты с так называемыми «зажигательными машинками». Другие говорят, что датой рождения спичек нужно считать 1812 год, когда «зажигательные машинки», которые впору было называть «адскими», впервые появились в продаже.

Так или иначе, то была смесь бертолетовой соли, сахара и серы, нанесенная на конец деревянной палочки.

Причем к коробке со спичками прилагалась еще колбочка с серной кислотой. Лишь при соприкосновении с нею спичечная головка могла загореться. Причем капельки кислоты от загоревшейся спички брызгали вокруг, портя одежду и вызывая ожоги на коже.

В 1826 году английский аптекарь Джон Уокер начал производить серные спички длиной в ярд (94,4 см).

А в 1830 году девятнадцатилетний студент Шарль Сориа сделал еще один шаг. С помощью бертолетовой соли и белого фосфора он изготовил спички, которые давали огонь при трении о любую шероховатую поверхность.

Причем, как говорят, свои опыты Шарль начал, еще будучи школьником.

Вскоре эти спички завоевали популярность по всей Европе. Однако и они не были безопасными. Во-первых, белый фосфор крайне ядовит, человеческая смерть содержалась буквально в паре спичечных головок. Во-вторых, коробок с такими спичками мог легко полыхнуть и сам по себе, поскольку спички зажигались не только от трения, но даже от нагревания на солнце. Число несчастных случаев, связанных со спичками, было огромно. Так, эрцгерцогиня Матильда Адельгунда погибла, просто наступив на оброненную кем-то спичку. Та в мгновение вспыхнула и превратила аристократку в живой факел.