Текст книги "Юный техник, 2011 № 10"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 5 страниц)

НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ
Физика без приборов

ПРОБКА-ПОПРЫГУНЧИК

Вам понадобятся: стеклянный сосуд с широким горлом (графин, колба), пробка от винной бутылки.

Расположите сосуд так, чтобы его горлышко находилось перед вашим ртом на расстоянии 20 сантиметров. Аккуратно положите пробку в горлышко сосуда, так чтобы она не провалилась внутрь. Сильно дуньте прямо на пробку, пытаясь загнать ее внутрь сосуда.

Удивительное дело: пробка, вместо того чтобы попасть в сосуд, напротив, выскакивает из горлышка.

Дело в том, что, направляя поток воздуха на пробку, вы тем самым увеличиваете его давление в сосуде. Процесс выравнивая давления заставляет воздух из сосуда выйти наружу, увлекая при этом с собой пробку, которая в результате не падает внутрь, а, наоборот, выпадает из сосуда. Если же взять для опыта бумагу или кусочек ткани, которые легче пробки, они покинут сосуд еще быстрее.

Видоизмените опыт, взяв вместо пробки кусочек ткани или шарик из бумаги. Подуйте в сосуд с большего расстояния. Посмотрите, что получается в итоге. Объясните суть происходящего.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

Для опытов вам понадобятся: карманный фонарик, старое пластмассовое ведро, тарелка, сверло, вода.

Проделайте сверлом дырку в ведре. Положите рядом с ведром включенный карманный фонарик, направив его луч в отверстие. Поставьте под отверстие в ведре перевернутую вверх дном тарелку. Погасите в комнате свет. Налейте воду в ведро так, чтобы она вытекала из отверстия. При этом постарайтесь, чтобы отверстие в ведре имело ровные края, тогда и струя воды будет ровной. А чем ровнее струя воды, тем нагляднее опыт.

Вы увидите, что, когда струйка воды из отверстия в ведре встречается с дном перевернутой тарелки, кажется, что свет тоже «льется». Эффект движения света вместе с движением воды возникает потому, что свет отражается в слоях и воды, и воздуха. Вода вытекает из ведра по дуге, свет следует по той же дуге и «встречается» с дном тарелки в том же самом месте, что и струйка воды. Этот феномен используют в волоконной оптике, на основе которой, например, создаются медицинские приборы, а также линии связи для Интернета и других целей.

БУТЫЛОЧНЫЙ КОЛЛАПС

Вам понадобятся: пластиковая бутылка с крышкой и жестяная банка из-под кофе.

Открутите крышку с бутылки. Подержите бутылку под горячей водой из-под крана в течение 3 минут. Быстро закрутите крышку на бутылке. Ополосните бутылку в холодной воде. Посмотрите, что при этом происходит.

Когда бутылка находится под горячей водой, воздух в ней увеличивается в объеме и выходит из бутылки. Если закрутить крышку, воздух окажется запертым. При охлаждении его объем опять уменьшится, а так как стенки пластиковой бутылки эластичные, они деформируются.

Продолжим эксперимент. Поместите бутылку опять под горячую воду и посмотрите, как она теперь выглядит. Повторите опыт с жестяной банкой с плотно закрытой крышкой.

В итоге вы убедитесь, что, если поместить бутылку опять под горячую воду, она приобретет нормальный вид.

То же самое произойдет и с жестяной банкой, только банка будет деформироваться более резко, с щелчком. Попробуйте сами понять и объяснить, почему так происходит.

НАДУВАЕМ ШАРИК

Для опыта вам нужны: холодильник, воздушный шарик, пластиковая бутылка, водопроводный кран, нитки.

Положите пустую бутылку объемом 0,5 литра в морозильную камеру на 5 минут. Затем достаньте бутылку и быстро наденьте на ее горлышко воздушный шарик, прочно закрепив его нитью. Поставьте бутылку на несколько минут под горячую воду.

Охлажденный воздух в бутылке при нагревании расширяется в объеме. Ему не хватает места, и он заполняет воздушный шарик, тем самым надувая его. Если положить бутылку с надутым шариком вновь в холодильник, произойдет обратный процесс: объем воздуха уменьшится и шарик сдуется.

Продолжим эксперимент. Поместите бутылку с надутым шариком обратно в морозильную камеру. Проведите опыт с различными по объему бутылками. Обратите внимание, как меняется объем воздуха в шарике в зависимости от величины бутылки.

БЕСПОКОЙНАЯ МОНЕТА

Для эксперимента вам понадобятся: домашний холодильник, стеклянная бутылка, монеты в 1 или 2 рубля, вода.

Положите пустую бутылку на несколько минут в морозильную камеру. Когда она немного остынет, достаньте бутылку и смочите водой ее горлышко. Прижмите к горлышку бутылки монету, взятую по величине с таким расчетом, чтобы она не провалилась внутрь. Поставьте бутылку на стол, затем обхватите ее руками, чтобы согреть. И вы увидите, как монета начнет подпрыгивать на горлышке бутылки.

Дело в том, что воздух в холодной бутылке холодный. При нагревании он увеличивается в объеме. Так как монетка выполняет роль крышки, она мешает воздуху выйти из бутылки. Он подталкивает монетку, и она подпрыгивает.

Если продолжать нагревать бутылку, монетка будет подпрыгивать до тех пор, пока не выровняется давление воздуха внутри и снаружи бутылки.

АПЕЛЬСИНОВЫЙ ФАКЕЛ

В опыте участвуют: кухонная мойка, апельсин, свеча, спички.

Очистите апельсин. Поставьте на кухонную мойку свечу и зажгите ее. Поднесите апельсиновую корку на небольшое расстояние к горящей свече. При этом действуйте осторожно, чтобы не обжечься. Сожмите корку пальцами, так чтобы на огонь брызнул сок, и вы увидите, как пламя ярко вспыхнет.

Объяснение этому «фокусу» такое. Апельсиновая корка содержит эфирные масла. Эти летучие масла с сильным запахом, содержащиеся во многих растениях, содержат горючие вещества с низкой температурой воспламенения. Когда вы сжимаете апельсиновую корку, то выдавливаете масло, которое попадает на горящий фитиль и сразу вспыхивает.

Продолжить эксперимент можно, используя кожуру других цитрусовых – лимона, мандарина или грейпфрута. Посмотрите, что получается при этом.

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Интерференция волн, или почему хрипит УКВ-приемник

Интерференция наблюдается на любых волнах: акустических, гравитационных и т. д. На фотографии (рис. 1) показан участок водной поверхности, где интерферируют две системы водяных волн, приходящих с двух разных направлений.

Рис. 1. Интерференция ветровых волн на воде.

Волны на воде распространяются медленно, и невооруженным глазом видно, где в каждый данный момент находятся максимумы и минимумы колебаний. Их положение непрерывно меняется, поскольку частоты (периоды и длины волн) разные.

У электромагнитных волн природа другая. Распространяются они со скоростью света. Поэтому максимумы и минимумы можно наблюдать (в случае света – глазами, а в случае радиоволн – с помощью радиоприемника) только в том случае, если частоты интерферирующих волн строго одинаковы. Такие волны называют когерентными.

Интерференция – это наложение двух или более когерентных волн. Результат зависит от взаимной разности фаз приходящих в данную точку наблюдения волн. Если фазы совпадают (рис. 2а), то происходит сложение амплитуд колебаний (усиление света, улучшение радиоприема). Если же фазы противоположны (рис. 2б), то происходит вычитание амплитуд, свет ослабевает, радиоприем ухудшается.

На рисунке амплитуды колебаний (сигналов, как говорят радисты) S₁ и S₂ одинаковы, поэтому амплитуда суммарного сигнала SS при синфазных сигналах удваивается, а при противофазных становится равной нулю, т. е. сигнал вообще пропадает!

Сдвиг фаз между синфазными сигналами равен нулю, а между противофазными – π.

Трудно представить, что два независимых радиопередатчика могут создавать когерентные волны, если только они не синхронизированы от какого-либо независимого источника, например, Государственного эталона частоты и времени. Но этого и не требуется – интерференция в подавляющем большинстве случаев возникает между двумя или более волнами от одного передатчика, но пришедшими в точку приема разными путями.

Один путь – прямой – очевиден: это прямая линия, проведенная от антенны передатчика к антенне приемника (рис. 3).

Вторая волна – отраженная – приходит к антенне приемника, отражаясь от поверхности земли. При очень пологих углах отражения, как обычно и бывает, если расстояние до радиостанции намного больше высоты антенн h₁и h₂, коэффициент отражения близок к единице, точне говоря, к -1, поскольку фаза отраженной волны изменяется на обратную. Это приводит к резкому ослаблению сигнала, направленного на горизонт, так как в удаленной приемной антенне прямая и отраженная волны оказываются в противофазе.

По мере увеличения высоты антенн отраженная волна будет проходить все больший путь, и, когда разница путей прямой и отраженной волн достигнет половины длины волны, сигналы окажутся синфазными, и мы получим максимум приема. Здесь напомню, что фаза распространяющейся волны набегает на 2π при прохождении расстояния, равного длине волны, следовательно, фаза волны меняется на обратную при прохождении пути в пол волны.

Дальнейшее увеличение высоты даст новый минимум, а потом снова максимум… Это иллюстрирует диаграмма направленности (ДН) простой дипольной передающей антенны, расположенной на высоте трех длин волн над поверхностью земли (рис. 4).

Диаграмма построена с помощью программы компьютерного моделирования антенн MMANA для длины волны 20 м, высоты подвеса антенны 60 м и параметров земли (проводимости и диэлектрической проницаемости), примерно соответствующих городской застройке. Она показывает, какая относительная мощность сигнала излучается под заданным углом. Ось X направлена на горизонт, ось Z – в зенит. Если бы Земли не было (антенна в свободном пространстве), ДН представляла бы собой окружность. В радиовещательном диапазоне УКВ ДН станет еще более изрезанной.

В теории распространения радиоволн исходят из моделей идеально гладкой сферической Земли, в которой получается монотонное убывание сигнала с расстоянием в пределах прямой видимости антенн. Дальность же прямой видимости вычисляют по формуле:

D = 3,8 ((h₁₎^1/2 + (h₂₎^1/2).

Высоты антенн берутся в метрах, дальность получается в километрах. Формула выводится из геометрического построения на сфере, при этом точное значение коэффициента – 3,57. Его немного увеличивают до 3,8 для учета средней рефракции волн в нижней тропосфере, искривляющей луч вниз к земле. Легко сосчитать, что дальность прямой видимости с Останкинской башни, например, равна примерно 100 км. На границе прямой видимости уровень уже слабого сигнала зависит и от погоды, которая, в свою очередь, влияет на рефракцию.

Лишь в последние десятилетия, с развитием УКВ-связи, в том числе и сотовой телефонии, стали обращать внимание на чрезвычайно сложный характер распространения УКВ в городе. Рисунок 5 заимствован с сайта http://www.ssp-7.ru/georegion.html, где делаются первые, робкие попытки точного расчета напряженности поля УКВ, а следовательно, и зон покрытия сотовых станций.

Слева с краю находится станция (сотовая, УКВ-и FM-вещательная, или ТВ – все равно). Приемник в середине картинки находится в зоне прямой видимости, тем не менее, к нему приходят, по меньшей мере, три волны, или луча: 1 – прямой, 2 – отраженный от земли, 3 – отраженный от стены соседнего здания.

Для приемника справа, находящегося в тени, ситуация еще хуже: кроме отраженного луча 3 есть луч 4, дифрагировавший на крыше затеняющего здания (дифракция – это огибание волной препятствия), и луч 5, частично ослабленный стенами. Такое распространение создает пеструю интерференционную картину, и уровень сигнала может изменяться в сотни раз при перемещении антенны на расстояние, сравнимое с длиной волны, а на УКВ это всего единицы метров.

Вывод: решающее значение имеет место ее установки!

Телезрители, пытающиеся посмотреть желаемый канал на комнатную антенну на первых этажах железобетонного здания, давно это поняли – уж как только они ни переставляют свою телескопическую антенну, пытаясь добиться четкой картинки. Кстати, глядя на экран и измерив расстояние от основного до повторного контуров изображения (в долях ширины экрана), удается вычислить задержку отраженного сигнала относительно прямого.

Если в телевидении отраженные сигналы «смазывают» картинку, то в диапазонах УКВ, где применяют частотную модуляцию, ЧМ или FM (что одно и то же), из приемников раздается хрип, поскольку изменяется частота сигнала в соответствии со звуковым сигналом, а значит, и длина волны. Тогда интерференционная картина начинает «дышать» в пространстве в такт со звуком, и антенна приемника может несколько раз за период звукового сигнала попасть то в максимум, то в минимум. Отсюда и искажения. Как правило, их больше в тех местах расположения антенны, где сигнал слаб.

Представление о том, как изменяется уровень сигнала УКВ-радиостанции в помещении, дает рисунок из книги «Receptia emisiunilorde televiziune in UIF» (Editura tehnica, Bukuresti, 1972). На нем уровень сигнала изменяется в пределах дома более чем в 200 раз и радиоволны проникают в дом преимущественно через окна и двери. Подобное распределение уровней сигнала наблюдается в каждой квартире.

Чтобы найти место, где сигнал максимален, нужен индикатор поля. Им может служить любой приемник, оборудованный S-метром – указателем силы сигнала. К сожалению, таких приемников выпускают крайне мало, поэтому здесь есть где развернуться радиолюбительскому творчеству.

При приеме мощных сигналов от близко расположенных станций большую помощь могут оказать индикаторы, описанные в «Юном технике» № 4 и 6 за 2008 г.

В.ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

В Ростове-на-Дону едва не потерпел катастрофу при заходе на посадку Boeing-737, на борту которого было около 200 пассажиров. А все из-за того, что кто-то с земли ослепил пилота лазерным лучом. Откуда мог взяться столь мощный луч? Что это было – теракт или хулиганство?

Андрей Лукин,

г. Краснодар

Начнем с того, что скажем: даже обычной лазерной указкой, которая обычно имеет мощность не более 5 мВт, уже можно нанести вред зрению, если попасть в глаз лучом с расстояния 1–2 м. А ведь в продаже есть множество и более мощных лазеров. Их используют на дискотеках, в качестве указателей цели на спортивном и охотничьем оружии, в научных приборах и т. д. Лазер мощностью порядка 300 мВт может временно ослепить человека на расстоянии до 3000 м. А на расстоянии 5–6 м такой луч способен поджечь спичку.

И вот теперь – новая напасть, пришедшая к нам с Запада. Сначала на действия лазерных хулиганов стали жаловаться пилоты в США, потом в Западной Европе. Теперь, похоже, очередь дошла и до нас. Только за первые 6 месяцев 2011 года специалисты Росавиации насчитали уже 30 подобных случаев. Чаще всего лазерные атаки происходят во Внукове, Шереметьеве и аэропорту Ростова-на-Дону.

Европейская Ассоциация пилотов авиакомпаний разослала своим коллегам из разных стран инструкцию по поведению в подобных случаях. Пилотам рекомендуется закрыть лицо, не тереть глаза, совершить маневр уклонения, доложить диспетчеру и по возможности включить автопилот.

Но этого мало. Ныне эксперты обдумывают, какие средства еще предложить пилотам. У военных летчиков есть специальные очки для защиты от лазерного излучения. Вероятно, такие очки теперь выдадут и гражданским пилотам. В то же время наземные службы усилят патрулирование окрестностей аэропортов. При поимке «лазерным хулиганам» грозит уголовное преследование.

Почему существуют специальные смеси для собак и кошек, а для человека «питательные таблетки» так и не изобрели? Было бы очень удобно: проглотил поутру таблеточку – и сыт целый день.

Татьяна Королева,

г. Калининград

Такие попытки делались. Например, первых космонавтов в полетах кормили специальными смесями из тюбиков. Однако, как показал опыт, такое питание людям очень быстро приедается. Существуют, правда, полноценные сухие пищевые смеси для приматов – их используют в лабораториях и зоопарках для кормления обезьян; в принципе они могли бы подойти и для человека. Но даже обезьянам добавляют в рацион свежие фрукты и овощи, иначе животные теряют аппетит и становятся вялыми и апатичными.

А вот собаки и кошки готовы изо дня в день есть одно и то же. Поэтому им легче подобрать соответствующее консервированное питание. Но и их не вредно время от времени побаловать свежей рыбкой или кусочком мяса.

Интересное дело: одни люди всю жизнь спят по 5–6 часов и прекрасно себя чувствуют. Другие же чувствуют себя не выспавшимися, если провели в постели менее 8–9 часов. Так сколько же надо спать?

Елена Ковригина,

г. Иваново

Спите, сколько вам хочется. Никаких особых норм здесь нет. К такому выводу пришли американские медики Чикагского университета, проведя серию специальных исследований. Врачи даже выявили поразительный факт: у тех, кто спит больше, на треть снижается риск сердечно-сосудистых заболеваний. Эти соотношения сохранились и когда учитывались пол, возраст, пристрастие к курению и уровень образованности.

ДАВНЫМ-ДАВНО

Что такое «небоскреб»? Если скажете, что это высотное здание, то будете правы. Но не совсем. Очень немногие знают, что первоначально английским словом skyscraper обозначали прежде всего самые верхние паруса на кораблях-парусниках. С палубы и в самом деле казалось, что они «скребут» небо.

Что же касается зданий, то первые высокие дома начали строить в центре Чикаго, когда там резко поднялись цены на землю. Именно здесь 1 мая 1884 г. началось строительство первого высотного здания для страховой компании. Хотя какое оно было высотное, если имело всего лишь 10 этажей? Но в то время это было самое высокое здание в мире. К тому же позднее его надстроили еще на два этажа, и оно стало высотой в 54,9 м.

В немалой степени строительству высоток способствовали также еще как минимум три обстоятельства. Во-первых, автор проекта первого небоскреба – американский архитектор Уильям Лe Барон Дженни – предложил новаторскую технологию строительства, при которой впервые был использован стальной несущий каркас. Традиционно роль несущей конструкции выполняли внешние стены, но, поскольку удельная прочность стали примерно в 10 раз выше, чем у самого качественного бетона и каменной или кирпичной кладки, благодаря несущему каркасу вес зданий удалось уменьшить почти на треть.

Еще одним архитектурным элементом, без которого невозможно представить себе современный небоскреб, является использование лифта. Впервые лифты в офисном здании появились в 1870 году в Эквитабл Лайф Билдинг в Нью-Йорке.

И наконец, развитию индустрии небоскребов в немалой степени способствовали американские… индейцы. Их охотно брали в монтажники-высотники, потому что представители коренных национальностей Америки обладают отличной координацией движений и приучены подавлять свой страх. В итоге сегодня в мире насчитывается почти 2400 небоскребов высотой более 150 м, из них 52 – сверхвысокие.

ПРИЗ НОМЕРА!

Наши традиционные три вопроса:

1. Почему у дальнобойных винтовок обычно большой калибр? Ведь чем больше диаметр пули, тем сильнее сопротивление воздуха.

2. Из какого материала лучше делать маховики – из алюминия или из стали? Почему?

3. Экспедиция космического корабля «Аполлон-13» потерпела аварию еще в начале пути. Было ясно, что высадка на Луну не состоится. Тем не менее, астронавты продолжали лететь к Луне, а не повернули сразу же обратно. Почему?

ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

«ЮТ» № 5 – 2011 г.

1. Железы кожи пальцев выделяют жир и пот. Поэтому наши пальцы и оставляют следы на стекле, металле и других предметах. А поскольку папиллярные узоры индивидуальны, этим пользуются криминалисты, чтобы узнать, кто оставил отпечатки.

2. Плавать легче на Луне, поскольку человек там будет иметь вес в 6 раз меньший, а сила мышц у него остается прежней.

3. Принцип действия микроволновки таков: электромагнитные волны высокой частоты, проникая в глубь продукта, заставляют колебаться его молекулы, а это и есть нагрев.

* * *

 _{А почему? Какие существа выносливее всех на Земле? Как российский изобретатель XVIII века Иван Ползунов построил паровой двигатель? Чем запомнились игры первой Олимпиады нового времени, прошедшие в 1896 году? Кто подсказывает птицам, что наступает пора улетать в теплые южные края? На эти и многие другие вопросы ответит очередной выпуск «А почему?».}

_{Школьник Тим и всезнайка из компьютера Бит продолжают свое путешествие в мир памятных дат. А читателей журнала приглашаем в дом-музей художника Василия Поленова.}

_{Разумеется, будут в номере вести «Со всего света», «100 тысяч «почему?», встреча с Настенькой и Данилой, «Игротека» и другие наши рубрики.}

 _{ЛЕВША Об уникальном снегоболотоходе «Урал-5920» с четырьмя широкими гусеницами вы узнаете в очередном номере журнала и сможете выклеить для своего музея бумажную модель этого вездехода, созданного для освоения Сибири и Крайнего Севера. Любители действующих моделей по нашим рекомендациям изготовят аэроглиссер, способный с большой скоростью скользить по водной глади.}

_{Юные электронщики соберут индикатор влажности, чтобы уберечь квартиру от случайных протечек воды, а любителям головоломок Владимир Красноухов предложит новые задачи.}

_{И как всегда, вы найдете в «Левше» несколько полезных советов.}

* * *