Александр Дмитриев
Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
13
Сторож из крышки
Для опыта нам потребуются: кастрюлька с водой, завинчивающаяся железная крышка от любой банки.
– А у вас молоко убежало! – говорил Карлсон, который живет на крыше, фрекен Бок, чтобы избежать нахлобучки. Действительно, что может быть страшнее для хозяйки, чем убежавшее молоко? Сторожишь его, сторожишь – и никакого толку. Плита вся залита, да и запах ужасный. Что же делать?
И вот изобретательные люди придумали «сторож», который начинает постукивать по дну кастрюльки с молоком перед тем, как оно закипит. Как же устроен этот хитрый прибор?
Оказывается, это всего-навсего плоский металлический кружок с вдавленной ямкой в форме спирали. Как на рисунке.
Молочник имеет небольшой выход сбоку, где железо приподнято и не очень плотно прилегает к дну кастрюли. Пользуются им очень просто: кладут на дно и наливают сверху молока. Когда молоко начинает нагреваться, то оно расширяется. Теплое молоко, расширившись и увеличившись в объеме, начинает подниматься наверх (по закону Архимеда – но мы пока о нем не будем рассказывать).
Если бы молочника не было, нагретое молоко свободно поднималось бы ото дна и на его место приходило более холодное сверху. А когда на дне лежит молочник, то нагретое молоко не может подняться прямо вверх из-под молочника, оно начинает выбегать по спирали из «туннеля» к тому месту, где у молочника сделан выход. И пока бежит, нагревается от дна еще сильнее. Если же температура молока близка к закипанию, молоко успевает закипеть под молочником до того, как успеет выскочить наружу и смешаться с остальным молоком. Ну а закипев, оно превращается в молочный пар – то есть превращается в пузыри, которые приподнимают молочник словно маленькие воздушные шарики и заставляют его стучать по дну кастрюли!
Как сделать опыт дома? Очень просто. Если нет под рукой молочника, надо взять обычную завинчивающуюся железную крышку от любой банки. Положите ее на дно кастрюльки с водой так, чтобы она лежала «горбиком» кверху и между ее поверхностью и дном кастрюли было пространство, заполненное водой. Поставьте кастрюльку подогреваться и наблюдайте. Когда вода будет близка к закипанию, под крышкой она уже начнет образовывать пузыри, и крышка «отсалютует», приподнявшись от дна одним краем.
Вот какой хитрый прибор можно сделать из обычного куска железа и как много разных законов использовать, чтобы он работал. В принципе, молочник похож на свернутый в спираль и положенный на бок гейзер. И это действительно так. Очень важное качество для вдумчивого человека – уметь увидеть одинаковое по сути в разном по форме. Ну, скажем, что общего между свечкой и будильником? Но об этом – в следующей главе.
Практический совет: некоторые жидкости оказываются еще более вязкими, чем вода или молоко. Поэтому архимедовой силы не хватает, чтобы «приподнимать» более нагретые слои и смешивать их с более холодными. И нагретый слой у дна кастрюли может подгореть. Так что помешивайте при готовке гороховый суп, рисовую и манную каши и другие вязкие жидкости.
14
Горящее время
Для опыта нам потребуются: свечка, несколько небольших гвоздиков.
Многое из того, что мы видим вокруг, совершается по одним и тем же законам, хотя на первый взгляд сильно отличается друг от друга.
Например, такое явление, как поток, течение. Потоки могут быть разными. Это может быть жидкость, текущая по поверхности (ручей), текущая внутри чего-то (подземная река, вода в трубе). Но в металле может течь ток, то есть электрический заряд. В воздухе течение образуется из самого воздуха, а может образовываться из других газовых смесей, например поток газа из автомобильной выхлопной трубы. Световой поток может «течь» по оптическому волокну… Даже твердые камни могут течь – когда сходят потоком со склона горы.
И во всех этих течениях есть как одинаковые, так и различные черты. Интересно подмечать одинаковое в разном и разное в одинаковом. Возьмем в качестве примера поток времени. Он невидим. Его можно только заметить по изменениям вокруг. Так, колышущиеся ветви деревьев высоко над головой говорят о ветре.
Долгое время человечество жило и просто наблюдало за течением времени. Но настал момент, когда захотелось измерить его скорость. Первыми такими «приборами» стали солнце, луна, звезды. Уже около тридцати тысяч лет назад наши предки носили с собой календари. Такой календарь был вырезан на костяной палочке и показывал изменение фазы луны (когда луна полная, а когда серпом…).
Но бывает, что хочется узнать время точнее, чем просто «утро» или «вечер». Кроме того, солнце не всегда видно за облаками, да и звезды не каждую ночь светят. И человек стал придумывать разные способы измерить скорость течения потока времени.
Одним из самых первых и самых простых способов стал, конечно же, способ измерения времени с помощью горения. Если взять две примерно одинаковые по длине палки из одного и того же дерева, то они сгорят примерно за одно и то же время. Из небольшого светильника масло выгорает всегда примерно за одно и то же время. Потом научились делать свечи. И придумали новый способ отмечать время. Рассмотрим картинку.
Поставим свечку на блюдечко. Предварительно в свечку на одинаковом расстоянии друг от друга воткнем небольшие гвоздики, например обойные. В спокойном воздухе комнаты свечка горит почти с одинаковой скоростью по всей длине. Поэтому через примерно равные промежутки времени гвоздики будут падать по мере выгорания свечи и стукаться о блюдечко, отбивая время.
Китайцы, построившие Великую Китайскую стену, чтобы защищаться от набегов кочевников из степей, несли стражу вдоль всей стены. Но стражникам надо меняться. Поэтому китайцы изготавливали большие свечи, в которые вставляли металлические шары. Под такую свечку ставили большой медный таз. Металлический шар, падая в таз, отбивал время так громко, что даже ленивый стражник просыпался!
Можно усложнить наш опыт, воткнув в свечку сначала один гвоздик, пониже два рядом, еще ниже три рядом, и так далее. Тогда свечка будет «отбивать» часы как настоящие настенные, с боем!
Практический совет: всегда, оставляя свечку гореть, ставьте ее в небольшой тазик, в который налейте немного воды. Мало ли что в жизни случается, например доведется заснуть и забыть потушить свечку. Немало людей погибло в пожарах от таких случаев. А свечка, окруженная водой, становится тигром в клетке – безопасной.
15
Капающее время
Для опыта нам потребуются: любая пустая консервная банка, шило.
Мы говорим иногда: «много воды утекло» про что-то, что было давным-давно. Значит, можно измерять течение времени с помощью другого потока – водного. Такой прибор придумали древние греки, назвав его «клипсидра», или «водяные часы». Что это за такие водяные часы? Да просто дырявое ведро! Я даже не буду рисовать рисунок. Уж дырявое ведро все видели или способны представить. Если в дне любого сосуда проделать дырочку, а потом залить доверху водой, то вода выльется через эту дырочку за определенное время.
Возьмите любую пустую консервную банку. Пробейте гвоздиком в стенке около самого дна маленькую дырку. Поставьте банку в раковину, налейте в нее воды и следите за понижением уровня. Теперь возьмите часы и через каждые полминуты ставьте отметку – где находился уровень воды. Проще всего отметку делать шилом, нанося царапинку на стенку банки внутри. Теперь из банки получился секундомер! Конечно, он не очень удобный, не очень точный, но все-таки это настоящие часы, которыми пользовались греки много веков.
Кстати, вы обратили внимание, что расстояние между отметками сначала было большое, а затем стало уменьшаться? Это потому, что вода вытекает из сосуда все медленнее, по мере того как понижается ее уровень. Греки, чтобы справиться с этим недостатком, делали конические сосуды для своих клипсидр.
Практический совет: если, не дай бог, придется сильно пораниться или столкнуться с раненым, помни – кровь это жидкость, человек – сосуд. Поэтому от того, с какой скоростью вытекает из раны кровь, зависит и то, хватит ли времени, чтобы спасти человека. Чем сильнее бьет струя, тем быстрее надо действовать. Самый простой способ – смело и сильно зажать рану пальцем или ладонью или куском плотно сложенной чистой материи и затем уже, замедлив вытекание крови и, соответственно, увеличив время на «часах жизни», искать материал для жгута, предпринимать другие действия. И обязательно почитай книги об оказании первой помощи. Есть вещи, которые надо в жизни знать обязательно, – и это не только физика.
16
Секундомер из веревки
Для опыта нам потребуются: один метр веревки, любой груз (например, камешек).
Конечно, дырявое ведро тоже можно использовать в качестве часов. Но как-то не очень удобно ходить с ним по улице и на вопрос «Который час?» говорить: «Уже полведра». Человечество перестало измерять время длиной тени от солнца, песка в колбе, водой в клипсидре, шариками в свечке и изобрело механические часы, использующие энергию пружины или падающей гири для работы. Но мы учимся – и сейчас я расскажу, как сделать секундомер из веревки.
Рассказывают, что великий Галилей измерял время с помощью собственного пульса. Но однажды Галилей наблюдал за огромным маятником и обнаружил, что движения маятника очень равномерны. Каждый взмах маятника происходит за одно и то же количество ударов сердца. Так было открыто очень интересное явление. Оказывается, время, за которое любой маятник делает один качок туда и обратно, зависит только от длины самого маятника. И ни от чего больше. Поэтому, если подвесить груз на веревку определенной длины, маятник будет делать «качок» за одно и то же время. Это и будет нашим секундомером. Значит, чтобы всегда иметь возможность сделать точные часы (уж веревку-то можно найти всегда или сплести из трав и лиан, волос лошади, полосок кожи и т. д.) – надо только запомнить, что маятник длиной один метр (если быть точным, почти один метр) делает качок в одну сторону за одну секунду. Так что в любой точке земного шара вы можете достать из кармана веревку, прикрепить к ней подходящий груз (например, камушек) так, чтобы их общая длина была примерно один метр, подвесить к любой ветке – и, качнув, спокойно отсчитывать секунды.
Практический совет: мы знаем, что чем длиннее веревка, тем дольше длится «качок» маятника. Понятно, что при спуске по веревке с большой высоты надо учитывать это обстоятельство. Если веревка начала раскачиваться, то она будет это делать очень плавно и медленно, и надо делать в свою очередь очень плавные движения, чтобы успокоить этот длинный «маятник».
17
Стоячая волна, или Буря в стакане воды
Для опыта нам потребуются: большая пластмассовая миска (можно взять широкую пластиковую бутылку с отрезанным горлышком), миксер.
Раз уж мы начали про веревки, подумаем, какие законы физики можно изучить с помощью веревки. Жидкости не надоели? Тогда опишу еще одно явление в жидкости, которое довольно редко встречается и достаточно красиво выглядит. И в этом явлении при всем прочем скрыты интереснейшие тайны. Это – стоячая волна. Я упомянул про веревку, потому что с ее помощью мы сначала научимся создавать стоячую волну.
Итак, надо привязать кусок веревки к любому предмету и начать его крутить, как крутят прыгалки. Получится одна большая волна, бегущая по кругу. Но попробуйте крутить быстрее, еще быстрее и еще быстрее. Наступит момент, когда волна как бы разобьется пополам и на ее месте окажутся две волны – а в середине будет как бы перемычка.
Это место, которое стоит неподвижно, когда вся остальная веревка «волнуется», называется «узел». Точка, в которой волна волнуется наиболее сильно, называется «пучок». Оказывается, чем быстрее вы вращаете веревку, тем на большее количество волн она разобьется. Редко удается получить больше двух-трех узлов на одной веревке. Но это не страшно. Теперь мы видели, как образуется стоячая волна.
Если же разобраться более подробно, то волна образуется от сложения волны, бегущей по веревке в одну сторону, и отразившейся волны, возвращающейся обратно. В том месте, где образуется пучок, гребень, размах обоих волн складывается, и веревка колышется с удвоенной силой. В точке узла волны «вычитаются» друг из друга – и движения нет.
У меня дома есть специальная машинка, которая испускает волны очень высокой частоты. В ней я чищу ювелирные изделия (кольца, сережки и так далее). Ультразвук, то есть звук очень высокой частоты, порождает вот такие красивые стоячие волны в этой машинке – я сфотографировал ее сверху, железное дно отражает свет и прекрасно видны устойчивые волны.
Это фотография моей машинки, когда она работает и на воде образуются стоячие волны.
Это явление в природе можно иногда наблюдать, если следить за морем с высоты. Волны равномерно набегают на берег или скалу, отражаются от нее и бегут обратно, складываясь с другими набегающими волнами. Поскольку расстояние между гребнями примерно одинаковое, то иногда можно наблюдать, как создается интересная картина – на несколько мгновений волны как бы застывают, в одних местах вода качается вверх-вниз, в других она словно бы застыла. Но такое можно увидеть редко. И к тому же не все могут позволить себе поехать на море. И не у всех есть такие приборы, как у меня. Давайте же попробуем увидеть и пронаблюдать стоячие волны, прямо не выходя из комнаты.
Если у вас есть миксер (для взбивания кремов), то опыт получится. Возьмите большую пластмассовую миску. (А можно широкую пластиковую бутылку с отрезанным горлом.) Налейте в миску воды почти до краев. Теперь включите миксер, но не опускайте вращающиеся венчики в воду, а коснитесь ими снаружи стенки миски. Вибрация от миксера передастся воде, и вы увидите вдруг, как поверхность превратилась в дрожащую, но достаточно устойчивую картину. Каждая маленькая волна словно стоит на месте! Можно сделать еще проще, правда, волна будет неустойчивой, но само явление отражения от стенок будет достаточно ярким. Для этого я взял большую пластиковую бутылку, достаточно широкую, отрезал у нее верх и получил хорошую, достаточно упругую емкость. Налил в нее воды и стал ударять ложкой по краю. После удара возникает мгновенная волна, и на фото отлично видно, как «вздыбилась» поверхность воды, превратилась на миг в бурлящее море! Иногда всплески на гребнях так сильны, что из воды вылетают отдельные брызги – довольно далеко и высоко. Попробуйте сами, это забавно.
На фотографии видно, как поверхность воды на мгновение превращается в бурлящий и кипящий хаос. Это складываются и вычитаются волны, набегающие со всех сторон друг на друга.
В природе часто встречается стоячая волна, но увидеть ее непросто. А мы увидели.
Практический совет: волны отражаются от препятствий, как мы заметили на нашем примере. Продумай это физическое явление с более глубокой, философской точки зрения. Если ты запускаешь в пространство волну, мысль, действие, образ, слова, творение – то, поскольку мир наполнен препятствиями, очень скоро все это может вернуться к тебе, отразившись от других людей, мыслей, слов, творений. И хорошо бы научиться так жить, чтобы возвращающаяся волна не сбивала с ног.