Текст книги "Юный техник, 2001 № 11"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 6 страниц)

ФИЗИКА ВОКРУГ НАС
Гидравлика пластиковых бутылок

Не в каждой школе сегодня найдешь оборудованный физический кабинет. Вот и приходится доверять физическим законам, лишь начертанным мелом на классной доске. Между тем, если поразмыслить, физические явления можно сделать вполне знакомыми, воспользовавшись подручными средствами. А о том, как – мы и расскажем в новой рубрике.

Во все времена школьный курс физики начинался с изучения давления жидкостей и газов. Для опытов требовалось немало пробирок, мензурок и другой стеклянной посуды. Обычно их не хватало даже для учителя, а уж о том, чтобы дать их на откуп ученикам, не могло быть и речи. Однако на наших глазах произошла маленькая техническая революция. Появились прозрачные бутылки из пластика. Они открывают такие возможности для демонстрации физических явлений, о которых раньше не могли и мечтать.

Бутылки из пластика прочны и абсолютно безопасны. Они легко деформируются, режутся ножницами, в них без труда шилом можно сделать отверстия. Они прозрачны и имеют к тому же надежные герметичные крышки. Опыты с пластиковыми бутылками может выполнить даже ребенок.

Начнем с самого простого.

Как доказать, что существует атмосферное давление. Ополосните пластиковую бутылку горячей водой из-под крана. Воздух в бутылке нагреется, и если тотчас плотно закрыть ее крышкой, то секунд через десять случится «чудо». Бока ее начнут как бы сами собой прогибаться, и бутылка примет форму треугольной призмы (рис. 1).

Весь фокус в том, что воздух в бутылке остывает, давление в ней падает и давление атмосферы сдавливает бутылку.

Джованни Торричелли и Отто фон Герике жили в эпоху, когда мир еще был весьма молод. Им пришлось проделать немало опытов, чтобы убедиться самим и убедить современников в том, что казалось немыслимым: воздух имеет вес и с немалой силой давит на все тела.

Ум ребенка так же молод, как и мир тех времен. Поэтому для доказательства атмосферного давления одного-единственного опыта недостаточно.

Для следующего, очень убедительного, опыта вам понадобится вакуумный насос. Закройте пластиковую бутылку крышкой, имеющей патрубок, и соедините шлангом с ручным вакуумным насосом (Камовского). Достаточно нескольких оборотов маховика – и бутылка со звонким хлопком будет сжата атмосферным давлением в «лепешку» (рис. 2).

Но форма бутылки восстановится, если вновь накачать в нее воздух. Если бы в организме человека и животных не было воздуха, то атмосферное давление раздавило бы их так же, как и пластиковую бутылку.

А вот как на примере пластиковой бутылки работают наши легкие.

Отрежьте у бутылки дно. Натяните на горлышко воздушный шарик и пропихните внутрь. Отрезанное дно бутылки затяните резиновой пленкой от другого шарика и закрепите скотчем (рис. 3).

Оттягивая пленку, вы увеличиваете объем воздуха внутри бутылки, и атмосферное давление надувает шарик.

Как тут не вспомнить изречение древних «природа боится пустоты»!

Вдавливая пленку внутрь бутылки, мы объем воздуха в ней уменьшаем, давление становится больше атмосферного, и шарик сдувается.

Вот так мы и дышим (рис. 4).

Резиновая пленка – это диафрагма, воздушный шарик – легкие. Диафрагма опускается – вдох, диафрагма поднимается – выдох.

А следующий опыт напоминает фокус. Возьмите бутылку литра на полтора-два и легкую пластиковую банку из-под простокваши. Отрежьте у бутылки верх. Банка входит внутрь бутылки и закрывает ее наподобие крышки, но при этом не должна прочно держаться (рис. 5).

Налейте в бутылку воды, закройте банкой и переверните, осторожно придерживая банку. Теперь банку уже можно не держать, вода из бутылки выливаться не будет. Атмосферное давление, действующее на банку снизу, больше давления воды и воздуха, действующих сверху. При перевертывании бутылки небольшое количество воды из нее выливается, поэтому давление воздуха в бутылке меньше атмосферного. Опыт следует вести осторожно, над поддоном.

На этом принципе работают присоски животных, например, некоторых тропических ящериц. Их удерживает атмосферное давление воздуха. А по отношению к заплывшему на большую глубину кальмару роль атмосферы выполняет вода (рис. 6).

Рис. 6

Ее давление в десятки и сотни раз больше, чем давление воздуха, потому сила действия присосок значительно возрастает. Щупальца гигантского кальмара в таких условиях могут удерживать жертву с силою в десятки тонн. Не случайно их следы часто встречаются на коже кашалотов. Правда, считать их жертвами гигантских кальмаров не следует. «Нежная любовь» китов к мясу кальмара хорошо известна (рис. 7).

Рис. 7

Поскольку мы с вами немного заглянули в подводный мир, то следует вспомнить про водолазный или воздушный колокол, прибор, с помощью которого человек впервые опустился на дно моря.

Чтобы увидеть его в работе, потребуются две пластиковые бутылки. Пятилитровая с отрезанным верхом будет использоваться как сосуд с водой для наблюдения. Коническая часть бутылки меньшего объема исполнит роль водолазного колокола.

Положите на дно колокола бумажную салфетку. Поместите его в приготовленный сосуд с водой, опуская до дна. Вынув колокол из воды, вы обнаружите, что бумажная салфетка не намокла. Можно опыт видоизменить (рис. 8).

На поверхность воды положите крышку от бутылки, накройте ее воздушным колоколом. Вы увидите, что крышка опускается вместе с колоколом почти до самого дна! Большую часть колокола занимает воздух, который и вытесняет воду.

Известен рисунок из старинной книги, на котором был показан спуск на дно моря в водолазном колоколе Александра Великого. Это устройство, хоть и в сильно измененном виде, применяется по сей день. С его помощью, например, доставлялись водолазы, работавшие на подводной лодке «Курск».

Но задолго до появления на земле человека принцип водолазного колокола успешно применял водяной паук-серебрянка (рис. 9).

Свое гнездо он ткет из паутины в виде мешка, открытого снизу, и укрепляет его на водорослях. Тело паука покрыто особыми ворсинками, которые не смачиваются водой. Эти ворсинки удерживают воздух, когда паук находится в воде. Покрытый слоем воздуха, он блестит, как кусочек серебра, поэтому и называется серебрянкой. Заплывая в гнездо, он оставляет там пузырьки воздуха с поверхности своего тела.

Подводный дом паука становится похожим на прилипший к водорослям пузырек. На этом же принципе в СССР и других передовых странах были построены подводные дома. Они представляли собою большой водолазный колокол с уютными жилыми комнатами, мастерскими, лабораториями, кухней и т. д. Воздух туда подавался по шлангу с поверхности. В подводных домах, расположенных на глубине 30–60 м, по многу дней жили ученые, занимавшиеся исследованием морских глубин.

Есть один полезнейший прибор, спасший не один миллион жизней, но как-то говорить о нем не принято. Мы рискнем, расскажем, но начнем издалека.

Если требуется собрать разлившуюся по поверхности жидкость, то можно это сделать так. Крышку с патрубком наденьте на горлышко пластиковой бутылки. Патрубок служит шлангом (рис. 10).

Слегка нажмите на бутылку, чтобы выдавить из нее часть воздуха, и опустите шланг в жидкость. Ослабьте нажатие – и жидкость засосется в бутылку. Перед вами модель глазной пипетки или спринцовки.

Еще с античных времен врачи применяли для промывания кишечника весьма неудобный в обращении и опасный для больного насос с костяным наконечником. Изобретение полностью резиновой спринцовки появилось лишь в конце XIX века и произвело настоящий переворот в этом малоприятном, но, увы, необходимом деле.

А сейчас мы вспомним закон, который открыл примерно в 1650 году французский ученый Блез Паскаль.

Проделайте шилом в пластиковой бутылке несколько отверстий. Заполните бутылку водой. Если отверстия небольшие, то при закрытой крышке вода вытекать не будет. При надавливании на бутылку из отверстий появятся одинаковые струйки воды (рис. 11).

Тот факт, что они одинаковы, есть следствие закона Паскаля: давление, производимое на жидкость, передается без изменения в каждую точку объема жидкости.

Каким простым нам сегодня кажется этот закон! Но ученый потратил на его открытие шесть лет! Сегодня мы знаем, что закон этот применим не только к жидкостям и газам, но и к некоторым телам, которые мы зачастую считаем твердыми. Взять, к примеру, вар – черное вещество, входящее в состав асфальтового покрытия дорог.

Если кусок вара уронить на пол, он разлетится на множество острых осколков, словно стекло. Это позволяет отнести его к телам твердым. Но положите кусочки вара в воронку и оставьте на несколько дней. В итоге мы увидим, как вар, казавшийся нам твердым и хрупким, вытекает из воронки струйкой, словно жидкость. А это значит, он подчиняется закону Паскаля. Возможно, тех, кто вар подержал в руках, это может и не удивить, поскольку вар весьма пластичен. Но вот другое наблюдение. Археологам крайне редко, но все-таки попадаются оконные стекла, простоявшие в рамах сотни лет. Как правило, они оказываются книзу немного толще, чем вверху. Изучение формы таких стекол показывает, что они на протяжении веков медленно текли, словно жидкость.

И наконец, геологи имеют данные о том, что все горные породы и весь земной шар в целом ведут себя подобно вязким жидким телам и полностью подчиняются закону Паскаля. Но чтобы отследить это, требуются миллионы и миллиарды лет.

А тридцать лет назад, весной, юный безвестный гений изобрел развеселый прибор-брызгалку. Он также действует по закону Паскаля, но знал ли об этом изобретатель? Весьма возможно, что нет. Доказательством тому служит «картезианский водолаз» – игрушка, созданная задолго до рождения Паскаля.

Возьмите пластиковую бутылку и пипетку. Она будет водолазом. Наполните пипетку водой, так чтобы она могла плавать вертикально, практически полностью погрузившись в воду. Опустите «водолаза» в бутылку, доверху наполненную водой, и герметично закройте ее крышкой. Нажатие на бутылку создает избыточное давление. Оно передается по всем направлениям без изменения. В пипетку входит дополнительная порция воды, и она, став тяжелее, опускается на дно (рис. 12).

Пипетку можно заменить, например, колпачком от фломастера или колпачком от шариковой ручки. Чтобы колпачок плавал вертикально, вставьте в него несколько скрепок. Постарайтесь найти прозрачный колпачок, иначе сложно объяснить наблюдаемый опыт.

А если из металлической фольги сделать винт, одевающийся на колпачок, то водолаз будет опускаться и подниматься, вращаясь.

Возможно, принцип картезианского водолаза был подсмотрен у рыб. Рыбы ведь могут изменять объем своего воздушного пузыря и тем самым всплывать или опускаться. Была даже построена одноместная подводная лодка, имевшая наполненную воздухом полость, объем которой можно было изменять. Стоило его увеличить – и она поднималась. Здесь сходство с картезианским водолазом довольно велико, но все же наиболее полно этот принцип проявляется в игрушках.

Когда-то давно, сорок или пятьдесят лет назад, на Красной площади возле ГУМа стоял стеклодув дядя Костя и продавал чертей… Их он выдувал из стекла. У каждого чертика был лихо изогнутый хвост с дырочкой на конце. Целая компания чертей плавала в колбе, затянутой сверху резиновой пленкой.

Хвост каждому из них служил реактивным двигателем. Нажмешь на пленку – и все они наперегонки, вертясь и расталкивая друг друга, спешили на дно.

Г. ТУРКИНА, Н. ТУРКИН

Рисунки В. Кожина

НАШ ДОМ
Без единой иголки

В новогодний вечер неплохо бы иметь елочку. Не только в углу комнаты, а перед собой на столе, пусть без огней и не столь пышно наряженную. Можно, конечно, обойтись просто еловой веткой в вазе. А лучше подготовиться и сделать вот такую, что на рисунке.

Четыре картонные трапеции, входящие одна в другую, образуют единую геометрическую фигуру елки, внутри которой вырезаны 14 равносторонних треугольников. Наша елка-игрушка просвечивает на свет, и в пустоте можно поместить нарядные шары и гирлянды. Думаем, оригинальность и простота привлекут внимание ваших гостей.

Для работы понадобятся кусок белого картона или плотный лист ватмана, нож-резак, клей ПВА и белая тесьма.

Но сначала изготовьте шаблон по чертежу одной из сторон игрушки. Размер – по вашему желанию. Затем с помощью карандаша перенесите все линии на картон или ватман (всего 4 детали). Вырежьте ножом, ведя нож вдоль линейки.

Таким же образом подготовьте внутренние треугольники игрушки. Тупым концом ножа проведите по пунктирным линиям, затем согните детали и склейте по средней линии. К верхушке прикрепите тесьму, с ее помощью елку можно даже подвесить. Советуем елочку оставить белой. Этот цвет подойдет к любому интерьеру, и на нем хорошо смотрятся разноцветные шары и новогодняя «кутерьма».

В пару к елочке смастерите еще одну круглую – объемную елочку высотой примерно 20 см. Она также выполнена из плотного картона. А чтобы выглядела «пушистой», вырежьте не четыре, как на рисунке, а шесть, восемь деталей по шаблону. Для крепления стеклянных игрушек в каждой детали острым ножом или лезвием бритвы сделайте небольшие надрезы. Сверху елку можно оклеить блестками или осыпать обычной поваренной солью, предварительно смазав «веточки» клеем. Впечатление будет такое, будто вся елочка покрыта сверкающим инеем.

С наступающим Новым годом!

Материал подготовила Н. АМБАРЦУМЯН

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Детекторный приемник – современный вариант

Самый простой радиоприемник, который только можно придумать, – детекторный. Правда, в нашей памяти он чаще всего ассоциируется с еле слышимым звуком в наушниках. Да, так было когда-то, но сегодня детекторный приемник с хорошей антенной позволяет осуществить даже громкоговорящий прием мощных радиостанций в диапазонах ДВ и СВ. При этом и качество звука будет отменным, и не понадобятся батареи.

Схема одного из вариантов такого приемника дана на рисунке 1.

Емкостью его колебательного контура служит антенна, а индуктивностью – катушка L1. Контур настраивают в резонанс на частоту принимаемой радиостанции изменением индуктивности, перемещая в катушке ферритовый сердечник.

Мы отказались от конденсатора переменной емкости (КПЕ), поскольку максимальный КПД антенной цепи получается, когда весь ток из антенны протекает через катушку. При резонансе он максимален. Но индуктивность катушки в приемнике без КПЕ приходится делать больше.

Итак, мы выделили АМ-сигнал радиостанции, настроив антенную цепь, но для превращения в звук его нужно еще продетектировать. Детектором послужит полупроводниковый диод VD1, пропускающий только положительные полуволны колебаний. Пульсации сглаживаются блокировочным конденсатором С2, и через катушки телефонов протекает ток, изменяющийся в такт со звуковым сигналом.

Детектор подключен к отводу катушки. Такая связь называется автотрансформаторной. Передвигая отвод вниз по виткам катушки, можно повысить добротность контура и ослабить помехи.

Если же антенна велика и имеет значительную емкость, целесообразно использовать КПЕ, но включить его надо последовательно с антенной (рис. 2).

Такой приемник при большой антенне обладает большей селективностью, чем предыдущий.

В приемнике с автотрансформаторной связью все казалось бы хорошо, но… регулировать связь детектора с контуром не особенно удобно, поскольку требуется изготавливать катушку со множеством отводов, но и тогда регулировка получается скачками.

Известен способ емкостной связи, при котором емкостное сопротивление конденсатора связи должно равняться среднему геометрическому из резонансного сопротивления контура (сотни кОм) и сопротивления детектора (единицы кОм). Расчет показывает, что емкость конденсатора связи должна составлять единицы-десятки пФ! Выходит, что связь можно регулировать обыкновенным подстроечным конденсатором. И хоть он разрывает цепь детекторного диода по постоянному току – не беда, можно поставить второй диод, как показано на рисунке 3.

На первый взгляд получился детектор с удвоением напряжения. На самом деле удвоения здесь нет из-за малой емкости С1. Во время отрицательного полупериода колебаний в контуре конденсатор C1 заряжается через диод VD1, а во время положительного – отдает свой заряд через диод VD2 в нагрузку – телефоны, зашунтированные блокировочным конденсатором С2.

Емкость С1 регулируют по максимальной громкости приема.

Теперь о деталях. В качестве L1 можно использовать длинноволновую катушку магнитной антенны любого транзисторного приемника. А при самостоятельном изготовлении надо намотать 240 витков провода ПЭЛ 0,2 в один слой на каркасе диаметром 12 мм. Еще лучше использовать литцендрат ЛЭШО 7x0,07 или подобный. Литцендрат содержит множество тонких жилок эмалированного провода, обмотанных общей шелковой изоляцией, и имеет меньшее сопротивление для токов высокой частоты.

Для настройки в каркас вдвигается круглый стержень диаметром 10 мм и длиной 100…200 мм из феррита 400НН или 600НН от той же магнитной антенны. Годятся и стержни диаметром 8 мм.

Диапазон перестройки приемника с помощью индуктивности зависит от емкости антенны. Если она длиной около 7 м, диапазон получится от 200 кГц (при полностью вдвинутом стержне) до примерно 1000 кГц (при удалении стержня).

Диоды VD1, VD2 – любые германиевые, высокочастотные. Очень хорошо работают, например, Д18. Емкость блокировочного конденсатора С2 некритична и может составлять от 270 до 3300 пФ. Телефоны следует взять высокоомные, с сопротивлением постоянному току 3200…4400 Ом.

Если в вашем распоряжении окажется КПЕ (любого типа, например, из радиолюбительского набора или от старого транзисторного приемника), схему можно немного усложнить, сделав универсальное устройство (рис. 4).

Длинные антенны подключаются к гнезду XS1, короткие – к XS2.

Для перехода к схеме параллельной настройки гнезда XS1 и XS3 надо соединить перемычкой. Гнездо XS4 служит для подключения противовеса, a XS5 и XS6 – для телефонов. Гнезда удобно взять от какого-нибудь старого многоконтактного разъема.

У автора приемник собран в небольшой пластмассовой коробочке габаритами 20x40x120 мм. Ферритовый стержень вдвигается в катушку снизу сквозь отверстие в торцевой стенке. На стержне белой краской полезно нанести деления. Сверху установлены гнезда антенны и заземления, а снизу – телефонов.

С упомянутой антенной и заземлением на трубы центрального отопления приемник показал отличные результаты, принимая все без исключения московские ДВ– и СВ-радиостанции. Регулируя связь конденсатором С1, легко было получить достаточную селективность при нормальной громкости звучания.

К приемнику возможно подключать и низкоомные телефоны с сопротивлением 50…200 Ом. Емкость конденсатора связи (С1 на рис. 3 и С2 на рис. 4) при этом нужна несколько больше – до 40…50 пФ, а громкость звучания получается меньше из-за значительных потерь на прямом сопротивлении диодов.

Походная антенна – четырехметровый отрезок монтажного провода с грузиком на конце для удобства закидывания на ветки деревьев. Противовесом (вместо заземления) служит шнур телефонов. Даже в таком примитивном варианте в Подмосковье прослушивалась работа нескольких наиболее мощных, радиостанций.

Очень удобно поднимать антенну на складной телескопической удочке из стеклопластика (рис. 5).

Провод может проходить как снаружи, так и внутри удилища. На верхнем конце полезно закрепить «зонтик» из проволоки произвольной формы. Он создаст некоторую емкостную нагрузку и повысит эффективность антенны. Удочкой легко набросить на ветви деревьев и Г-образную антенну высотой 4…5 м и длиной 5…10 м. Она работает еще эффективнее.

Заземление также увеличивает громкость приема.

Им может послужить заостренный стержень длиной примерно 0,5 м, воткнутый в землю. Не хуже работает и противовес из проволоки, протянутый прямо по земле. Провода для антенны и противовеса могут быть любыми – подойдет, например, обмоточный провод ПЭЛ диаметром от 0,25 мм и более, смотанный со старых трансформаторов. Удачных вам экспериментов!

В.ПОЛЯКОВ, профессор

ЧИТАТЕЛЬСКИЙ КЛУБ

Вопрос – ответ

«Очень интересно узнать, когда изобрели галстук и пиджак и почему это считается парадной одеждой?»

Денис Соловьев, 15 лет,

г. Киев

Появился галстук на мужчинах в 1842 году в Европе. Вначале его обматывали вокруг шеи и пришпиливали на груди изысканной булавкой. Вот когда мужчины дали себе волю в изобретении бантов и узлов! Был даже издан справочник «Умение завязывать галстук», а знаменитый французский писатель Оноре де Бальзак даже опубликовал книжицу «Искусство завязывания галстуков в 16-ти уроках»! Было модным надевать даже сразу несколько галстуков. Но времена меняются, изменилась и мода на галстуки. Сейчас в моде галстук средней ширины. Длина в завязанном состоянии должна быть такой, чтобы галстук прикрывал пряжку пояса.

Пиджак – слово голландского происхождения. Пиджаками называли морские бушлаты голландских моряков. Это были суконные куртки с двумя рядами пуговиц и открытым отложным воротником. Англичане же называли пиджак – coat. Слово это применяли и к френчу, и к мундиру, и пальто. Ближайшие родичи пиджака – сюртук, фрак и смокинг, а также визитка.

В Россию пиджачная мода пришла из Англии во второй половине XIX века, после отмены крепостного права. Сшитый по последней городской моде пиджак окончательно утвердился к 20-м годам прошлого столетия и стал вначале одеждой парадной, а затем повседневной. Тогда сложились нехитрые правила его ношения: если пиджак, например, серого цвета, носить его лучше со светло-серой или голубой сорочкой. Носки подбирают в тон брюк, галстук – в светло-серых тонах с черными вкраплениями.

«Очень люблю ваш журнал, много интересного и полезного узнал из него. У меня вопрос: в каком году был изобретен прибор ночного видения и кок он устроен?»

Гурий Никитин, 14 лет

г. Новый Уренгой

Первые приборы ночного видения появились во время Второй мировой войны. В частности, ими были оснащены русские танки. На машинах устанавливали приборы освещения местности невидимыми инфракрасными лучами, а на прицелах стояли приборы, преобразующие невидимое излучение в видимое. Своим устройством прибор напоминал стакан, из которого откачан воздух. Внутри него находились два экрана. На первом инфракрасное изображение преобразовывалось в электрический рельеф. Электроны, испускавшиеся с обратной стороны этого экрана, словно на экране телевизора преображали электричество в видимое изображение.

На Курской дуге приборы ночного видения помогли нам одержать победу. Немцы же подобные приборы сумели создать только в 1945 году. Оснащенная ими танковая армия генерала Венка попыталась прорвать окружение Берлина, но сила уже была не на их стороне.