Текст книги "Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей"

6
Жидкость в жидкости, или Космос в чашке

Для опыта нам потребуются: кусочек сахара, подсолнечное масло, стеклянная банка с холодной водой.

Загадочная вещь – невесомость. Кстати, действует ли сила тяжести на того, кто находится в невесомости? Помню, в старом детском стишке были такие слова:

 
Летит, летит ракета
Вокруг земного света,
А в ней сидит Гагарин,
Простой советский парень…
 

Вопрос: действовала ли на Гагарина сила тяжести в то время, когда он в ракете, находясь в невесомости, пролетал вокруг нашей планеты? Да, конечно, действовала. Человек, находящийся в невесомости, на самом деле просто как бы все время падает. Замечали ли вы, что когда лифт резко опускается, то на мгновение чувствуется облегчение веса? А когда лифт останавливается на первом этаже, можно почувствовать, как на мгновение вес тела прибавляется…

На фото все материалы, что нужны нам для опыта.

Но как в домашних условиях увидеть невесомость? Можно, конечно, плескать воду в ванной до потолка и смотреть, как капли падают вниз. Но, во-первых, еще неизвестно, как на такие опыты посмотрят мама или папа, а во-вторых, очень уж быстро капли падают вниз – не рассмотреть.

Давайте, сделаем такой опыт. Возьмем кусок сахара, подсолнечное масло и стеклянную банку с холодной водой.

Нальем на кубик сахара масла и опустим в холодную воду. Сахар начнет потихонечку таять. Масло начнет просачиваться наружу и постепенно всплывать.

На увеличенной фотографии виден кусок сахара с круглыми капельками-шариками.

Капельки масла приобретают форму правильного шарика. Он отрывается от куска сахара и медленно всплывает. Когда он доходит до поверхности, то превращается в плоскую линзу. Вот у космонавтов в невесомости любая жидкость – чай, вода, кофе, масло – примет форму шарика и будет плавать в воздухе.

Можно попробовать и еще один опыт, только он не всегда получается. В банку накапать подсолнечного масла, а потом аккуратно залить холодной водой. Почти все масло со дна у меня всплыло, но остался один «пузырь».

На фотографии хорошо видно, что это практически половина шара. Нижняя его часть держится на стекле силами сцепления, а верхняя уже плавает в невесомости просто как купол неземного сооружения. Он получился потому, что масло «зацепилось» за дно и силы сцепления держат его в том месте, где лежал кусок сахара.

Если не будет получаться второй опыт, это не страшно. Первый получается сразу у всех. А над вторым я полчаса мучился, весь в масле перемазался. Но оно того стоило.

Вот и невесомость!

7
Судно на воздушной подушке

Для опыта нам потребуются: небольшая алюминиевая кастрюлька и немного простой воды.

В предыдущем опыте мы действительно имели дело с настоящей невесомостью – ведь наши всплывающие вверх капли находились в состоянии свободного падения (хотя и падали вверх, и не в безвоздушном пространстве, а под действием особой силы, называемой «архимедовой»). Но бывают случаи, когда предмет (или, как любят говорить физики, тело) может «висеть», «летать», используя другие законы. Многие слышали про вездеход на воздушной подушке, который может проходить и по воде, и по болоту, и по земле. Что это за «воздушная подушка» и как можно ознакомиться с ее принципом в домашних условиях? Попробуем.

Сначала разберемся, как работает вездеход.

Вездеход – его можно представить себе в виде обычной машины – должен нести с собой приборы для создания воздушных струй. Как будут создаваться эти струи – не очень уж и важно. Можно поставить мощные вентиляторы, можно – большие баллоны со сжатым газом. Главное, что внизу, по краю вездехода, должна проходить резиновая юбочка. На рисунке она показана в разрезе, как будто вездеход разрезали пополам вдоль и смотрят сбоку. Юбочка достаточно мягкая. Она легко мнется, если налетит на камень или поваленное бревно, и не препятствует движению. Ее задача – не давать воздуху сразу и быстро растекаться кругом, именно она и создает «подушку». Это как бы наволочка для нашей воздушной подушки.

Струи воздуха или газа бьют вниз, создавая повышенное давление внутри резиновой юбочки. Попросту говоря, воздух давит изнутри во все стороны и толкает вездеход вверх, держит его на весу.

Можно объяснить и по-другому. Все знают, что если у велосипеда проколоть шину, то она очень быстро спустится. Но если дырочка будет маленькой, то можно еще будет некоторое время ехать, а потом слезть и подкачать шину насосом. Это не очень удобно, конечно. Но если приделать автоматический насос прямо к шине, то можно ехать и на дырявой – лишь бы насос успевал качать воздух с той же скоростью, что он выходит через дырочку.

Так и воздушная подушка. Хотя там дырка очень большая (вся нижняя сторона), насосы качают струи с огромной скоростью, и вездеход едет как бы на очень большой дырявой шине. А так как она уже все равно сильно «дырявая», то никакие стекла, гвозди и кирпичи ей не страшны!

Чтобы убедиться в силе воздуха, можно поставить простой опыт, известный еще в XIX веке. Я видел его в книжке, напечатанной ровно сто лет назад.

Возьмите полиэтиленовый пакет (раньше это делали с бумажным пакетом), поставьте на него несколько тяжелых книг и начните надувать пакет, как воздушный шарик. Книги начнут подниматься!

А попробуй просто, без пакета, сдуть книги со стола! Ничего не получится, конечно же. Хотя сила дыхания у вас какой была, такой и осталась. В вездеходе на воздушной подушке юбочка исполняет роль такого «пакета-подъемника».

Но мы можем поставить дома такой опыт, в котором не будет никакой юбочки или резины вообще, а наш аппарат на воздушной подушке будет прекрасно парить в воздухе. Для этого нам понадобится небольшая алюминиевая кастрюлька и немного простой воды! Только проводить этот опыт надо аккуратно, чтобы не обжечься. Берем сухую чистую алюминиевую кастрюльку, желательно старенькую, чтобы не было жалко. Ставим ее на плиту и нагреваем. Проверяем нагрев так: обмакнув палец в стакан с водой, капаем только одну каплю на дно кастрюльки. Капля должна мгновенно зашипеть и испариться. Возьмем теперь пол чайной ложки воды и выльем на дно горячей кастрюльки. Вода начинает бегать небольшими шариками, шипя и протестуя, – словно живая. Наверное, она бегает, потому что ей слишком горячо? Она обжигается?

На самом деле у нас получилась модель аппарата на воздушной подушке. Давайте, рассмотрим рисунок.

Водяная капля нагревается мгновенно о раскаленное дно и, закипая, начинает выделять вниз пар. Вода ведь превращается в пар, если ее нагреть до температуры 100 градусов по Цельсию. Струи пара бьют вниз изо всех сил и поддерживают на весу, в воздухе, водяную каплю. Сама же капля не разлетается в разные стороны, потому что ее держат те же силы, что заставляли жидкость подниматься по капиллярам.

Так что в нашей капельке есть все, что есть и в вездеходе: во-первых, струи воздуха (вместо баллонов со сжатым газом или насоса у нас работает тепло от кастрюльки), есть передвигающееся по воздуху тело (сама капля)!

Иногда, правда, капелька не бегает по дну, а просто быстро выкипает. Я не знаю, почему так бывает. Может быть, это зависит от того, насколько чисто была вымыта кастрюлька? Так что, если опыт не получился, попробуй с другой посудиной. В самом крайнем случае попробуй плюнуть на горячий утюг, держа его подальше от лица и дном вверх!

8
Теплопроводность

Для опыта нам потребуются: алюминиевая ложка или кусок толстой медной проволоки, деревянная ложка или обычный карандаш, чашка с кипятком.

Знаешь ли ты, мой уважаемый читатель, почему баню или сауну изнутри обшивают деревом? Более того, если дерево для лавки прибивают гвоздями, то шляпки гвоздей забивают так, чтобы они были ниже поверхности дерева. Зачем это делают?

Представим себе, что в парилке, где температура достигает 110 градусов (а иногда и выше!), один из гвоздей немного выскочил наружу и голой кожей вы коснулись металла. Немедленно возникнет ощущение боли, и небольшой ожог обеспечен. Но как же так, ведь температура поверхности дерева и температура поверхности гвоздя должны быть одинаковыми!

Действительно, температура поверхности и металла, и дерева в одном и том же помещении одинаковая. Дело в том, что температура – это еще не самое главное. Есть такое понятие, как теплопроводность.

Что это означает? Это означает то, как вещество, из которого состоит предмет, пропускает (проводит) через себя тепло. Тепло можно представить себе как невидимую воду, текущую через все предметы. Есть только одно правило, которому эта «вода» – или тепло – подчиняется. Тепло всегда перетекает от более теплого тела к более холодному.

Именно поэтому было время, когда ученые думали, что наш мир через много-много лет ожидает «тепловая смерть». Ведь если все теплые тела отдадут тепло более холодным, нагревая их, то настанет такой момент, когда все тела станут одинаковой температуры. И все процессы, все движение, все реакции (например, переваривание пищи в желудке) станут невозможными. Мир как бы будет остановлен. (На самом деле, во-первых, до этого еще так далеко, что и нам, и нашим прапрапрапрапраправнукам эта опасность не грозит. Во-вторых, ученые потом подумали получше и поняли, что вселенная может оказаться бесконечной и тогда «тепловая смерть» не наступит.)

Итак, разные тела проводят тепло по-разному. Очень хорошо проводят тепло металлы. Металлы для тепла – как широкие речки, по ним тепло быстро и далеко течет.

Если начать охлаждать (или нагревать) любую часть металлического предмета, то очень быстро тепло распространяется на весь предмет (или весь предмет охлаждается). Кстати, если металл охладить до невероятно низкой температуры, то у металла начинают проявляться просто фантастические свойства. Например, пущенный по металлу ток будет бежать вечно, никогда не ослабляясь. В обычных проводах ток потихонечку слабеет с расстоянием и через несколько тысяч километров может почти совсем исчезнуть. (Ток, как и тепло, лучше всего поначалу представлять в виде воды. Вода в реке быстрее течет у истока и медленнее – у устья.)

Другие материалы проводят тепло хуже и отдают тепло только с поверхности. Дерево, например, почти вообще не проводит тепло. Это уже не «речка», а плотина какая-то! Чем хуже проводит тепло материал, тем лучше им защищаться от холода (или жары). Например, обычный жир очень плохо проводит тепло (у него низкая теплопроводность, как сказали бы физики). Поэтому все теплокровные животные, живущие в холодных морях или на севере, такие жирные. Тюлень, белый медведь, каланы, морские львы и котики – посмотрите на них: жировой слой с его плохой теплопроводностью служит им скафандром, одеялом, укутывающим их с ног до головы. Проведем простой опыт. Для него нам понадобятся две ложки: деревянная и алюминиевая. Если у тебя не найдется в доме деревянной ложки, возьми деревянную палочку или обычный карандаш. Вместо алюминиевой ложки можно взять кусок толстой медной проволоки. Вскипяти чайник и налей кипятка в обычную чашку. Теперь возьми в одну руку деревянную ложку (карандаш), а в другую – алюминиевую (кусок проволоки) и опусти обе в кипяток. Некоторое время ты можешь размешивать кипяток и той и другой ложкой. Но скоро металл придется бросить – он сильно нагревается.

Теперь нам ясно, как отличаются вещества по теплопроводности. Ведь температура воды в чашке одна и та же, а тепло, бегущее по опущенным в воду предметам, передается по-разному. Еще можно представить, что если тепло – это невидимая жидкость, то металл – это удобный шланг, по которому жидкость бежит быстро. А дерево, пластмасса – это губка, которая, хоть и впитывает тепло, но медленно и отдает неохотно.

И нам становится ясно, почему в бане (сауне) гвозди забивают глубоко, чтобы не торчали шляпки наружу. Это все из-за теплопроводности!

Практический совет: никогда не дотрагивайся языком до железных предметов на морозе. Жидкость, которая содержится на языке, с такой скоростью отдает свое тепло металлу (ведь у металла хорошая теплопроводность!), что мгновенно превращается в лед, и язык прочно пристывает, примерзает к металлу. Но уж если такое произошло, надо чтобы кто-нибудь налил большую кружку теплой воды и лил на металл и язык. Когда металл в этом месте нагреется, лед растает и язык отлипнет от металла сам.

9
Как вода ломает железо

Для опыта нам потребуются: пустая жестяная банка из-под пепси, колы или пива.

Старинная русская пословица гласит: капля камень точит. И это действительно так. Когда мне довелось путешествовать по глубоким каньонам (ущельям) в горах, я удивлялся тому, как мягкая вода умудрилась проточить глубочайшие трещины в горах. Но вода способна еще и не на такое! И виноваты здесь законы физики.

Все знают, как водители любят ругать наши плохие дороги. Вроде бы заливают асфальтом – глянь, а через пару лет опять все в трещинах и ямах. И здесь срабатывает тот же закон физики. Давайте разберемся.

На фото видно, что обычная банка из-под напитка налита полностью водой. Поставим ее в морозилку.

Тела при нагревании обычно расширяются, а при охлаждении – сжимаются. Это неудобное явление доставляет много хлопот ученым, инженерам. Например, если астрономам надо наблюдать за звездным небом, то приходится сидеть у большого телескопа без тепла, потому что даже от обычной печки шестиметровое зеркало телескопа будет так сильно изменять свою форму (расширяясь), что все изображение поплывет, будет дрожать и никаких наблюдений не получится. Кстати, ученые работали над созданием таких стекол, которые бы не расширялись (или очень слабо расширялись) при нагревании. Им удалось создать стекло под названием «пирекс», которое почти не расширяется при нагревании и не сжимается при охлаждении.

Сделаем простой опыт, чтобы увидеть это своими глазами. Возьмем пустую жестяную банку из-под пепси, колы или пива. Нальем в нее обычной холодной воды из-под крана ровно до самого верха, чтобы вода стояла вровень с краями дырочки. Аккуратно поставим банку вертикально в морозилку и предупредим всех дома, чтобы ее не трогали. И оставим так на ночь.

Когда мы утром достанем банку, вода превратится в лед. Но самое интересное, что льда будет больше, чем мы наливали воды! Он вылезет наружу шапкой и нависнет сверху банки почти на сантиметр. От напора изнутри, когда я делал сам этот опыт, банка лопнула, то есть вода порвала металл!

На фотографии видно, что банка лопнула вдоль, да еще и сверху вылезла целая шапка льда!

Почему так происходит? Потому что вода, в отличие от многих других веществ, замерзая и превращаясь в лед, расширяется. Ее как бы становится больше. Поэтому в природе, когда осень превращается в зиму, а вода превращается в лед, в каждой трещине льду становится тесно. Лед расширяется при замерзании и разрывает асфальт, камни, дерево. Именно так разрушаются постепенно целые горы. Поэтому в странах, где зимы нет, дороги содержать в порядке легче. У нас же стоит образоваться мелкой трещинке, как в нее проникает вода и, замерзая, взрывает льдом изнутри. Если же в доме отключили тепло зимой, из труб надо слить воду – а то она замерзнет и металлические трубы попросту порвет, так что и не починить. Что поделать, законы природы…

Практический совет: не оставляйте жидкость в стеклянной бутылке или другом сосуде на морозе: стекло разорвет, и будет неприятность.

10
Почему океан не замерзает, или Вымораживание чистой воды

Для опыта нам потребуются: пластиковая баночка, соль.

Все говорят про экологию. Модное слово такое. Обычно при этом имеют в виду загрязнение окружающего нас мира. Действительно, загрязнить можно все что угодно. Проблема эта стара как сам мир. Например, многие первобытные племена вынуждены были время от времени менять место стоянки, хотя пищи было еще вдоволь и враги не нападали. Просто отходы, мусор, грязь так забивали поселение, что становилось невыносимым само существование – и люди уходили. А вот жители древнего русского города Новгорода примерно один раз в каждые пятнадцать лет перестилали мостовые из бревен. Грязь затапливала улицы, и приходилось поверх старых бревен класть новые. Когда археологи стали раскапывать эти бревна, оказалось, что чуть ли не пятнадцать или двадцать слоев были наложены друг на друга! Огромная поленница на месте улицы!

На фотографии видно, что внутри куска льда образуются как бы пузырьки, направленные к центру. Это показывает, что лед растет от стенок внутрь. То есть получается как бы стаканчик, внутри которого еще не замерзшая вода.

Как же борются с загрязнением воды? Ее пропускают через специальные фильтры, обрабатывают различными веществами, отстаивают в отстойниках… Мы же попробуем простой опыт с вымораживанием.

Возьми любую пластиковую (не стеклянную!) баночку. Можно использовать пустую коробочку из-под йогурта. Только помой ее тщательно с мылом и ополосни, чтобы она была чистой. (Мы уже знаем, что замораживать воду в стеклянной банке нельзя.) Налей в нее обычной воды из-под крана. Добавь четверть чайной ложки соли. Размешай. На вкус это будет обычная соленая вода, достаточно противная, кстати.

Поставь ее в морозилку на ночь. Пусть вода замерзнет. Утром достань ее из морозилки и посмотри внимательно на лед. Во-первых, ты увидишь, что он весь какой-то ребристый и бугристый, словно из смерзшихся иголок и крупинок. По крайней мере, отличается от обычного льда.

А вот на этой фотографии видно, что внутри прозрачного льда образуется как бы «вставленный» кусок изо льда непрозрачного. Почему? Кстати, обратите внимание, что у куска льда есть «крышка». Я подкрасил верх зеленкой, чтобы ее лучше было видно. Эта крышка образуется сразу, как лед на озере, и потом растет вниз, навстречу льду, нарастающему на стенках и дне.

Если начать подтаивать лед под струей воды, то видно, что крышка и дно куска льда более плотные, в первую очередь тает рыхлый лед, который замерз в последнюю очередь.

Здесь я дам еще пояснения к опыту. Мы видим, что внутри есть непрозрачный цилиндр льда. Оказывается, что чем больше в воде растворено всяких солей, чем больше в ней примесей, тем сильнее должен быть мороз, чтобы заморозить ее. Поэтому происходит забавная вещь: первым вдоль стенок и дна замерзает более чистая вода, а вода с примесями и растворенными солями смерзается в центре потом, в последнюю очередь. Это означает, что если заморозить воду с равномерно растворенными в ней примесями (попросту – грязью), то на стенках будет более чистый лед, а внутри – более грязный. Значит, просто заморозив воду, мы разделяем ее по чистоте! Можно без всяких фильтров получать более чистую воду из загрязненной. Итак, как получить более чистую воду?

Надо оставить эту пластмассовую баночку на некоторое время в теплой комнате, положив в миску. Когда лед внутри немного оттает, слей из нее «первую» воду в отдельную чашку и поставь рядом.

Очень важно не прозевать момент. Нужно через каждые полчаса сливать воду из пластмассовой баночки в раковину, чтобы под конец остался лишь небольшой кусочек льда (размером с ластик). Вот эту «последнюю» воду уже тоже можно перелить еще в одну чашку.

У тебя две чашки. В одной вода с верхнего слоя льда, во второй вода «из глубины» льда. Попробуй теперь на вкус воду из одной и из другой чашки. Ты увидишь, что вода отличается. Оказывается, внутри льда собралась соленая вода, а снаружи – чистая!

Происходит это потому, что вода замерзает неодинаково. Чем соленее вода, тем хуже она замерзает. Тепло отнимается в первую очередь от краев, поэтому у краев вода начинает замерзать – и более соленый раствор как бы перемещается внутрь.

То есть, если у нас есть загрязненная вода, мы ее замораживаем, а потом этот кусок льда ставим «обтаивать». Не дожидаемся, пока он обтает полностью, а собираем только воду с внешних краев – это более чистая вода. В принципе, если проделать это несколько раз подряд, – выбрасывая «грязный» лед и повторно замораживая уже более чистую воду с краев, – можно добиться довольно высокой очистки воды в домашних условиях. Именно по причине более высокой солености вода в морях и океанах замерзает при более низких температурах, чем пресные озера. Вода же в океанах соленая!

11
Компас из иголки

Для опыта нам потребуются: кружка, иголка, небольшой кусочек газеты.

Если мы еще не устали от жидкостей, попробуем ответить на один простой вопрос: как жуку-водомерке удается бегать по воде? Все наверняка видели летом маленьких юрких жучков, которые шныряют по поверхности воды как заправские конькобежцы. И ведь не тонут, жуки такие!

Дело в том, что вода у самой поверхности обладает особыми свойствами. Мы не будем долго объяснять, в чем тут дело, просто запомним, что это действуют те же силы, которые заставляют подниматься жидкость по капиллярам. Можно представить, что каждая жидкость сверху как бы покрыта особой невидимой пленочкой. Для больших предметов (как мы с вами, хотя мы и не предметы) эти силы незаметны. А вот муравей или мотылек, попавший в каплю воды, не может из нее выбраться – невидимые силы склеивают ему лапки и не дают вылезти.

Иголка плавает по поверхности как жук-плавунец.

Мы можем провести интересный опыт. Представим, что мы оказались в глухой тайге и заблудились. У нас нет ничего, кроме кружки и иголки. (Кстати, если нет даже кружки, ее можно сделать из бересты, слепить из глины, наконец, просто найти кусок коры подходящей формы и зачерпнуть в него воды – лишь бы иголка поместилась…)

Как из этого смастерить прибор, который выведет нас к жилью? Оказывается, если знать законы физики (понимать, а не учить), то все просто.

Силы, которые действуют на поверхности жидкости, могут выдерживать железную иголку – но при одном условии. Иголка должна быть жирной, и еще ее надо очень аккуратно умудриться положить на поверхность воды. Намажем иголку маслом. Надо это сделать так: потрогайте кусок масла пальцем, а потом потрите этим пальцем иголку. Теперь налейте в кружку обычной воды из-под крана и поставьте кружку на стол. Надо, чтобы вода успокоилась и не дрожала. Теперь оторвем небольшой кусочек газеты и положим его на поверхность воды. Сверху на плавающую газету аккуратно положим иголку. Оставим газету намокать. Через какое-то время газета намокнет и опустится ко дну. А иголка останется плавать! На фотографии на иголку показывает красная стрелка.

На фотографии отлично видно по отражению света, что вокруг иголки образована как бы «впадина», то есть железо плавает за счет сил поверхностного натяжения воды.

Если поднести к ней магнит, она будет поворачиваться за ним, как настоящий компас. Так что, если вы хотите не потеряться в лесу, берите с собой иголку, натертую предварительно об магнит, а кружку можно сделать из бересты! Пальцы маслом можно и не мазать (на них всегда есть тонкий слой сала), а вместо газеты – несколько сухих травинок.

Этот опыт придумал не я, но, думаю, от этого он не стал менее интересным.

Практический совет: если вам доведется в тайге держать железную кружку с горячим чаем, то, чтобы не обжигать руки, сделайте себе на кружку кожух из бересты с упавшей березы. Отрежьте прямоугольник, сверните его в трубку под размер кружки, сшейте тонкой полоской бересты или веревочки, а для ручки оставьте прорезь. Как на рисунке.