Текст книги "Юный техник, 2012 № 09"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 6 страниц)

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ

Законы рычага

«Дайте мне точку опоры, и я переверну земной шар», – сказал однажды древнегреческий мудрец Архимед. И он, похоже, верил в то, что говорил. Ведь это ему принадлежит первое научное исследование рычагов – простейших, но очень эффективных механизмов.

Рычаг – это не только та ручка с круглым набалдашником, которым переключаются скорости в автомобиле. Открыть дверцу машины тоже помогает рычаг. Он же позволяет и притормозить. И когда меняют колесо при помощи механического домкрата, тоже используют рычаг.

Еще один рычаг можно увидеть на детской площадке – это качели-доска. Акробаты в цирке пользуются подкидной доской – она тоже работает по закону рычага, подбрасывая смельчака под купол цирка.

В давние времена при осаде крепостей пользовались катапультами, в основе которых лежит тот же рычаг, помогающий далеко бросить здоровенный камень. А хитроумный Архимед, говорят, на основе того же рычага придумал машину, которая могла даже опрокидывать корабли римлян.

На основе рычага работают и ножницы, в том числе и те, которыми можно резать железо, и консервный нож, и открывалка для бутылки…

В общем, рычаг, выражаясь научным языком, – тело, которое имеет точку опоры (ось вращения) и точки приложения сил. В зависимости от того, как расположены эти три точки, рычаги делятся на два вида или рода.

Рычаг первого рода – те самые доска-качели или катапульта, у которой точки приложения сил расположены по разным сторонам опоры. В середине – точка опоры, но краям – плечи рычага. В равновесии или равномерном движении эта конструкция может находиться только тогда, когда произведение силы на плечо (перпендикуляр на линию действия силы, опущенный из точки опоры О) правой части FB₁О равно произведению силы на плечо левой части рычага QA₁O. То есть FB₁О = QA₁О.

Отсюда вытекает золотое правило механики: приложенная сила F (например, усилие человека) во столько раз меньше веса поднимаемого тела Q, во сколько раз плечо А₁О меньше плеча В₁О.

То есть, говоря иначе, выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии: груз будет двигать легче, но дальше. Иногда это целесообразно – если, например, надо выворотить валун из земли или приподнять один конец лежащего на земле бревна.

Рычаг второго рода – это, например, простенькая тачка. У нее точки приложения сил (А и В) находятся по одну сторону точки опоры О: колесо – точка опоры, груз давит вниз, прилагая силу Q в точке А, человек прилагает к рукояткам тачки силу F в точке В. Такой рычаг находится в равновесии или равномерном движении в том случае, если FB₁О = QA₁О.

То есть для подъема груза в Q килограммов надо приложить силу F, которая во столько раз меньше Q, во сколько раз А₁О меньше В₁О. То есть чем тяжелее груз, тем меньше должно быть расстояние между ним и колесом и тем длиннее рукоятки тачки.

Разобравшись немного в теории, давайте теперь перейдем к практике. И проиллюстрируем примеры использования рычагов в быту.

Представьте, что вы вдвоем с приятелем несете тяжелый чемодан или сумку, просунув под ручку палку. Кому нести тяжелее – тому, кто держится за короткий конец палки или за длинный? Проверьте ваши рассуждения на практике.

Что получилось?

Правильно, человеку, который держит длинный конец палки, нести груз легче. А его напарнику, держащему короткий конец палки, – тяжелее. Таким образом вы всегда можете перераспределить груз сообразно физической силе каждого. И если силы равны, то и концы палки должны быть одинаковы. То есть чемодан должен висеть ровно посредине.

Для следующего опыта с рычагом вам понадобятся утюг, стул и палка – лучше с крючком на конце или вбитым гвоздем, чтобы утюг не сваливался. Надо повесить утюг ручкой на палку, положить палку на спинку стула. Причем не забудьте придержать сиденье стула коленом или сядьте на него, чтобы стул не перевернулся.

Держа палку-рычаг за свободный от утюга конец, подвигайте ею по спинке стула. И вы убедитесь: чем ближе утюг к спинке стула и дальше рука – тем легче удержать груз. Чем меньше расстояние от руки до точки опоры – тем тяжелее. Ведь утюг давит своей тяжестью на длинное плечо рычага.

Теперь проведем опыт с самодельными весами, именуемыми коромысловыми. Выглядят они весьма просто. К перекладине-коромыслу на концах привязаны нити, на другом конце которых подвешены металлические или пластиковые чашки. На одну чашку кладут взвешиваемый груз, на другую гирьки. Как только чашки будут уравновешены, остается посмотреть, какое количество гирек пришлось положить на чашку. Значит, столько граммов и весит ваш груз.

Так работают лабораторные весы, на которых, например, взвешивают химикаты в лаборатории. Если же надо взвесить большой груз – например, 50-килограммовый мешок картошки, то удобнее использовать весы десятичные. Тогда мешок картошки можно будет уравновесить 5-килограммовой гирей.

Работают такие весы, опять-таки, на основе закона рычага. Проиллюстрировать его действие можно при помощи такого опыта. Возьмите деревянную линейку и разместите ее на опоре (скажем, толстом фломастере, положенном на стол плашмя) так, чтобы длина линейки с одной стороны была в десять раз больше, чем с другой. Например, с одной стороны 9 см, а с другой – 90 см. Еще один сантиметр метровой линейки придется как раз на опору. (Если не найдете длинной линейки, возьмите более короткую, но соблюдайте пропорции размещения плечей рычага над опоре.)

Если теперь вы положите на конец короткой стороны линейки груз в 500 г, то на длинный конец достаточно положить гирьку или иной груз в 50 г, чтобы наши импровизированные весы застыли в равновесии.

Обоснуйте, почему так получается.

И, наконец, еще один опыт мы вам советуем провести уже на улице. Подсуньте нижний конец прочной трубы под камень и попробуйте приподнять его край, двигая верхний длинный конец лома или трубы вверх.

А теперь попробуйте проделать то же самое, подложив под трубу у самого камня кусок твердого дерева или другой камень – поменьше и двигая длинный конец лома вниз.

В каком случае приподнять оказалось камень легче?

Подумайте почему…

Вполне может быть, что ваше мнение и мнение вашего приятеля окажутся не одинаковы. Попробуйте разобраться, почему так получилось.

Притяжение жидкости

Почему водомерка не тонет? Может ли плавать иголка? Зачем при стирке поверхностно-активные вещества? Все дело в поверхностном натяжении жидкости. Слово итальянскому популяризатору науки Дж. Карбони и американскому литератору Л. Стюарту.

Для начала несколько слов о том, что такое поверхностное натяжение. Молекула жидкости обладает свойством притягивать к себе молекулы, которые ее окружают. Для тех молекул, что находятся внутри жидкости, равнодействующая всех этих сил равна нулю, и все они находятся в равновесии.

А вот молекулы на поверхности воды испытывают притяжение снизу и сбоку, а сверху у них лишь воздух. Появляется некая сила, направленная внутрь жидкости. В свою очередь, сила сплоченности между молекулами дает некий вектор, направленный по касательной к поверхности.

Проще говоря, поверхность жидкости ведет себя, как упругая мембрана. По ней и бегают водомерки, которые настолько малы и легки, что вода держит их, словно лед. Что такое силы поверхностного натяжения, нам помогут понять эксперименты.

Благодаря поверхностному натяжению по воде бегают водомерки и ящерицы-василиски.

ПЛАВАЮЩАЯ ИГЛА

Если бросить в воду обычную швейную иглу, она тут же утонет. А вот если мы немного схитрим, то можем заставить стальную иголку плавать.

Для этого нужно положить на воду листок папиросной бумаги, а на него – иголку. Сначала она будет плавать на листке бумаги, словно на плоту. Но постепенно бумага намокнет и утонет. А вот иголка останется на поверхности.

Кроме иголки, можно заставить плавать и скрепки.

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Ясно, что поверхностное натяжение имеет определенную величину, а потому и не может держать особо большой груз. Но какова эта сила?

Теория гласит, что поверхностное натяжение (Т) определяется силой (F), поделенной на удвоенную площадь (W) мембраны: T = F/2W. Двойка в этой формуле появляется потому, что поверхностный слой имеет две границы – верхнюю и нижнюю.

Практически силу поверхностного натяжения можно определить с помощью маленьких лабораторных весов, которые представляют собой две чашки, подвешенные на нитях к коромыслу.

Опустите одну чашу на поверхность воды в миске или чашке, а на другую осторожно начинайте помещать по одной малюсенькой гирьке до тех пор, пока другая чашка не оторвется от поверхности воды.

Эксперимент с весами.

Для справки: значение поверхностного натяжения дистиллированной воды 7,42 г/кв. м при 20 °C; для этилового спирта это значение равно 2,27 г/кв. м при той же температуре.

Добавьте в воду немного жидкости для мытья посуды или мыла, и вы увидите, что величина поверхностного натяжения стала меньше. Это и позволяет стирать белье, поскольку поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыльном растворе, ослабляют связь частиц грязи с нитями тканей.

Другой метод измерения поверхностного натяжения позволяет обойтись без весов. Один конец отрезка нержавеющей проволоки диаметром 1…2 мм и длиной около 20 см сверните в кольцо диаметром 3…4 см. Согните оставшуюся часть проволоки буквой U. Опустите кольцо прямо на поверхность жидкости, натяжение которой вы хотите определить. Добавляйте грузик или перемещайте массивный ползунок на противоположный конец проволоки, пока кольцо не оторвется от жидкости. Поверхностное натяжение (Т) жидкости будет определяться силой отрыва (F), поделенной на удвоенную длину окружности кольца, поскольку приходится учитывать и внутренний, и внешний обводы кольца.

Еще один способ определения величины поверхностного натяжения жидкости таков. Наберите в пипетку немного испытуемой жидкости и накапайте на одну чашку лабораторных весов, например, 30 капель. Взвесьте эти капли.

Затем вытрите чашку насухо и накапайте на нее 30 капель другой жидкости. Чем сила поверхностного натяжения больше, тем капли крупнее и, соответственно, тяжелее. А потому масса капель пропорциональна поверхностному натяжению жидкости: М = Т/К, где К – некая постоянная величина, которую можно определить с помощью дистиллированной воды при температуре 20 °C, для которой вы уже знаете величину поверхностного натяжения.

САМОДВИЖУЩИЕСЯ ЛОДКИ

Из тонкого картона, дерева или фанеры вырежьте маленькую лодку, как показано на рисунке. Поскольку дерево, а особенно картон быстро намокают в воде, будет неплохо, если вы покрасите ее водонепроницаемой краской и дадите ей высохнуть.

На корме ваша лодка должна иметь отверстие, в которое можно воткнуть маленький кусочек мыла так, чтобы его нижний край доставал до воды. Поместите этот кусочек в отверстие, опустите лодку в воду. Вы увидите, что лодка плывет вперед. Ее движение можно объяснить быстрым рассеянием молекул поверхностно-активного вещества (в данном случае, мыла) по поверхности воды, что и создает некую реактивную силу.

Более строгое объяснение звучит так: градиент поверхностного натяжения из одной зоны жидкости в другую создает поток молекул, движущихся из зоны низкого поверхностного натяжения в зону высокого поверхностного натяжения.

Если вы ставите эксперимент в миске, то вскоре вся поверхность воды будет покрыта слоем молекул мыла, и вам придется поменять воду, чтобы лодочка стала снова двигаться.

Лодочки движутся за счет сил поверхностного натяжения.

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Секреты садового фонарика

Когда-то с подачи друзей я приобрел садовый аккумуляторный фонарик, имеющий форму грибка и обладающий, как тогда показалось, необыкновенными свойствами: днем он заряжался от солнечной батареи, встроенной в крышку, а ночью светил из-под крышки неярким зеленоватым светом. Работать он должен был автономно и совершенно автоматически. Также была тайная мысль – нельзя ли использовать его и в других полезных целях, например, для питания радиоприемника.

Однако выводов от встроенной аккумуляторной батареи не оказалось, найден был только выключатель лампочки, спрятанный под нижней крышкой шляпки грибка. Применения по своему основному назначению фонарик тоже не нашел, так и пролежал на полке, пока его аккумулятор не разрядился совершенно сам по себе. Теперь настало время развинтить фонарь, благо разбирается он легко и просто с помощью одной крестовой отвертки, и посмотреть, как же все-таки он устроен!

Монтаж этого прибора китайской сборки оказался предельно упрощен, провода отваливались после двух изгибов, узлы были закреплены каплями термоклея или отламывающимися пластмассовыми выступами – все указывало на то, что передо мной одноразовая игрушка. Расскажу лишь о самой схеме и конструкции, в расчете на ее возможное самостоятельное повторение читателями и использование заложенных там решений в других устройствах.

Лампочку в фонаре заменял светодиод небольшой мощности, бело-зеленого свечения. Аккумуляторной батареи тоже не было – под шляпкой грибка обнаружился всего один элемент размера АА емкостью 800 мА/час, хотя место было предусмотрено под два элемента (экономия, однако!). Не густо, и шансы на использование фонарика источником питания для какого бы то ни было устройства резко упали, ведь номинальное напряжение щелочного аккумуляторного элемента – всего 1,2 В.

Сразу же возник вопрос: а как же может гореть светодиод при таком питании, ведь напряжение зажигания самых распространенных красных светодиодов – около 1,8 В, а зеленых и белых еще больше – до 3 В? Значит, на маленькой печатной плате (25x30 мм), содержащей три транзистора и не более десятка других деталей, был собран еще и повышающий инвертор!

Прежде чем браться за тяжкий труд по восстановлению принципиальной схемы, срисовывая ее с печатной платы, захотелось исследовать возможности самого главного и ценного элемента конструкции – солнечной панели. Ее размеры около 70x70 мм, а сквозь защитное стекло ясно видны 7 параллельных полосок шириной около сантиметра – 7 элементов панели.

Как известно, кремниевые солнечные элементы при их освещении развивают ЭДС порядка 0,5…0,6 В, поэтому следовало ожидать ЭДС батареи из семи элементов около 4 В.

Так и оказалось – в тени и при облачном небе панель развивала 3,5 В, а на ярком солнце – 4,5 В.

Соединенная с одним аккумуляторным элементом, такая панель работает в режиме почти короткого замыкания. Это не страшно, поскольку внутреннее сопротивление панели значительно, и ток короткого замыкания не превышает 60 мА даже при ярком солнечном свете. Но КПД заряда невелик, и для полной зарядки аккумуляторного элемента нужно как минимум два солнечных летних дня (20…40 часов).

Никаких устройств, предохраняющих элемент от перезарядки при выключенном светодиоде, обнаружено не было.

Другой важный элемент устройства – датчик освещенности, собственно и позволяющий фонарику включаться в темное время суток и выключаться днем. Это фоторезистор, оформленный в плоском цилиндрическом корпусе с двумя выводами, размерами не больше транзистора. Его отдельное исследование показало, что темновое сопротивление превосходит 2 МОм, а на свету резко уменьшается – в тени до 10…20 кОм, а при ярком солнечном свете даже до сотен Ом.

Обратимся теперь к принципиальной схеме устройства (рис. 1).

Солнечная панель SP постоянно соединена с аккумуляторным элементом ВАТ через диод D1 (обозначения элементов сохранены такими же, как на печатной плате, имеющей название SY-H019B). Диод пропускает только зарядный ток от панели к аккумулятору и предотвращает его разряд через внутреннее сопротивление панели в темноте. Установка такого защитного диода обязательна в любых устройствах с солнечными панелями.

На транзисторе Q1 собран ключ, срабатывающий в зависимости от степени освещенности датчика PR. В темноте транзистор открыт током смещения, протекающим от источника питания через резистор R1.

На свету датчик замыкает этот ток «на себя», напряжение базы становится менее 0,5 В, и транзистор закрывается. Для более четкого срабатывания ключа он охвачен цепью положительной обратной связи через резистор R4 – то, что получилось из транзисторов Q1 и Q2, иногда называют триггером Шмитта. Он имеет некоторый гистерезис, и включение фонарика происходит при меньшей освещенности, чем его выключение.

Транзисторы Q2 и Q3 образуют повышающий инвертор.

Маленькое отступление: поначалу у меня возникала мысль, что, может быть, нехорошо срисовывать чужие схемы готовых устройств (авторские права и пр.), хотя в целях самообразования это никогда и нигде не возбранялось. Однако, когда я увидел, что схема инвертора практически не отличалась от той, которую когда-то я сам разработал для светодиодов и опубликовал в «Юном технике» (статьи «Сверхэкономичные индикаторы» и «Солнечная энергетика»), совесть моя совершенно успокоилась.

Это лишнее подтверждение того, что оптимальные технические решения одинаковы и в Малайзии, и в Китае, и в России.

Итак, транзисторы Q2 и Q3 включены последовательно, один за другим, по схеме двухкаскадного усилителя. Усилитель охвачен цепью положительной обратной связи через емкостной делитель C1, С2 и поэтому превращается в релаксационный генератор импульсов. Нагрузкой транзистора Q3 служит катушка индуктивности L1, запасающая энергию во время открытого состояния транзисторов Q2 и Q3.

Но это состояние не может продолжаться долго, поскольку ток через L1 нарастает, ее ферритовый сердечник входит в насыщение, индуктивность уменьшается, а напряжение на коллекторе Q3 повышается. Это повышение немедленно передается через конденсатор С2 на базу Q2 и запирает его. Вслед за ним запирается Q3, и импульс тока через транзисторы прекращается.

Но ток через катушку индуктивности L1 не может прекратиться мгновенно. Он продолжает идти и формирует на коллекторе Q3 положительный выброс напряжения, который может во много раз превосходить напряжение питания. Но у нас он просто открывает светодиод LED, и энергия, запасенная в катушке, превращается в световую. Пауза между импульсами продолжается до тех пор, пока не израсходуется энергия магнитного поля катушки и затем не разрядятся конденсаторы C1, С2.

Дальнейшее поведение генератора зависит от состояния Q1. Когда он заперт днем, то смещения на базе Q2 нет, оба транзистора генератора закрыты и импульсы генерироваться не будут. Если же Q1 открыт ночью, то ток смещения поступает на базу Q2 через резистор R3, и генератор будет продолжать генерировать импульсы – светодиод загорится. Для отключения светодиода служит выключатель SW – если он разомкнут, то генерации импульсов нет, и светодиод не горит, поскольку напряжение аккумуляторного элемента меньше его напряжения зажигания.

Кстати говоря, если бы изготовители не экономили, а поставили два аккумуляторных элемента, а также 3-вольтовый белый светодиод, то он все равно бы не горел без генерации импульсов инвертором, поскольку номинальное напряжение батареи было бы 2x1,2 = 2,4 В. Зато в данной схеме он служил бы хоть каким-то предохранителем от перезаряда аккумуляторов, ограничивая напряжение на каждом элементе на уровне 1,5 В, то есть загораясь при этом напряжении даже на свету.

В заключение несколько практических советов для желающих повторить эту конструкцию. Для нее вполне подойдут отечественные транзисторы КТ315 и КТ361 с любыми буквенными индексами. Диод D1 может быть любым, с предельным током 40…60 мА. Марка датчика – фоторезистора неизвестна, по наверняка можно подобрать что-нибудь подходящее из имеющихся, измерив сопротивление на свету и в темноте с помощью тестера. Катушка L1 миниатюрная, по виду напоминающая резистор, индуктивность ее также неизвестна, но полагаю, что нескольких миллигенри будет достаточно. Можно намотать 100… 150 витков на ферритовом колечке или использовать одну из обмоток малогабаритного трансформатора. Полезны рекомендации, приведенные в упомянутых выше статьях.

Желаю удачных экспериментов!

В. ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

Говорят, обувь надо чистить не только снаружи, но и изнутри. Зачем и как это надо делать?

Кирилл Поздняков,

г. Владивосток

Санитарные врачи и в самом деле полагают, что время от времени необходимо производить дезинфекцию обуви изнутри, чтобы уничтожить те микробы и грибки, что со временем там накапливаются. Самый простой способ провести такую операцию – помыть внутреннюю часть обуви губкой и хозяйственным мылом.

Кроме того, в продаже имеются и специальные ультрафиолетовые излучатели, которые производят санацию с помощью источника ультрафиолета. Помните только, что на источник ультрафиолета нельзя смотреть, как и на огонь электросварки, иначе заболят глаза.

В школе я учу английский язык вот уже три года, а толку чуть. Между тем, как я слышала, существуют курсы, где людей обучают разговорным навыкам иностранного языка за считаные недели. Как этого добиваются?

Наталья Кириченко,

г. Краснодар

В самом деле, стандартная методика преподавания иностранного языка чаще всего заканчивается тем, что человек получает возможность переводить иностранные тексты со словарем.

Интенсивные разговорные курсы хороши для тех, кто хочет «нахвататься» наиболее ходовых фраз перед поездкой за границу. За несколько дней человек получает минимальный запас слов и выражений. Но они обычно выветриваются из головы, как только поездка заканчивается.

Лучший результат получается на курсах, где преподавание ведет иностранец – носитель того языка, который вы хотите изучить. С ним волей-неволей приходится общаться на изучаемом языке, поскольку по-русски он понимает весьма плохо или не говорит вообще. Зато вы будете потом говорить с лондонским, оксфордским или иным акцентом.

И, наконец, наилучший результат достигается, когда человека отправляют на 2–3 месяца в ту же Англию или в США, где вокруг него не будет ни одного человека, понимающего по-русски. Такой метод «полного погружения» заставляет полностью мобилизовать свои способности.

Иначе ведь у окружающих даже еды и воды не допросишься.

Скажите, пожалуйста, как и когда надо чистить зубы? А то сейчас столько рекламы, что не знаешь, чему верить…

Наташа Сумарокова,

г. Воронеж

Классический вариант – чистить зубы утром и вечером. И чистить надо не торопясь, в течение двух минут, а не 20–30 секунд, как делают многие. При этом не имеет особого значения, какую щетку вы используете – ручную или электрическую, с новомодным расположением щетинок или традиционным.

Главное, чтобы вы ее своевременно меняли. Причем чистить зубы сразу после каждого приема пищи, как советуют иные продавцы и производители зубной пасты, гораздо вреднее, чем не чистить их вообще. Такое парадоксальное заявление сделали недавно представители весьма авторитетной организации – Академии стоматологии, объединяющей в своих рядах дантистов США и Канады.

Как оказалось, это верный путь к быстрому разрушению тканей зуба. Мы часто потребляем продукты с высокой кислотностью.

Так вот: если в первые 20 минут после еды тереть зубы щеткой, то вы только поможете кислоте быстрее проникнуть в эмаль и находящуюся под ней минерализированную ткань, которая называется дентин.

Промежуток времени между приемом пищи и чисткой зубов должен быть не менее 30 минут.

Не стоит также и постоянно жевать жвачку. Она, кстати, была придумана для того, чтобы солдаты в полевых условиях, при недостатке воды могли хоть как-то почистить зубы. Но мы же ведь вовсе не участвуем постоянно в войсковых операциях?..