Текст книги "Первая научная лаборатория. Опыты, эксперименты, фокусы и беседы с дошкольниками"

Опыт 11. Колесная пара

Сделайте из плотной бумаги по два маленьких и больших круга. Соедините попарно центры одинаковых кругов палочкой, заостренной с двух концов. Соединение двух колес одинаковых размеров общим стержнем образует колесную пару.

Одновременно отпустите обе колесные пары с наклонной поверхности. Повторите опыт несколько раз и убедитесь, что скорости движения спаренных колес и пути, пройденные ими до остановки, разные. Почему колесные пары останавливаются? Что препятствует их движению? Почему бы им не катиться все дальше и дальше? Загадка раскрывается просто. Все дело в трении. Оно «съедает» движение.

Опыт 12. Самоходная катушка

Возьмите обычную катушку от ниток. Полоску резины сложите пополам и протолкните в отверстие катушки. В петлю резинки, которая выглядывает с одного конца, заложите обломок спички. Другую щеку катушки хорошо натрите мылом и приложите небольшой гвоздь. Поверх этого гвоздя свяжите концы резинки надежным узлом. Поворачивая гвоздь, заведите самоходную катушку до тех пор, пока не начнет прокручиваться обломок спички с другой стороны. Закрученная резина – своеобразный мотор. Поставьте катушку на пол. Резинка, раскручиваясь, заставит катушку передвигаться, а конец гвоздя будет скользить по полу. Если сделать несколько таких катушек, можно устроить соревнования «самоходок». Наигравшись с игрушкой, давайте рассуждать. Когда вы заводите резинку, вращая гвоздь, она натягивается, все крепче прижимая спичечный обломок к щеке катушки, но трение не позволяет спичке проворачиваться. Если бы трения не было, спичка вертелась бы совершенно свободно и катушку нельзя было бы завести – вы не смогли бы закрутить резину. Здесь трение – друг. Часто с трением приходится бороться. Если бы мы плохо натерли мылом сторону катушки, соприкасающуюся с гвоздем, то большое трение сдерживало бы вращение катушки. Тут трение – враг. Мыло играет роль смазки, уменьшающей трение.

На колеса автомобиля в гололед, когда трение очень маленькое, надевают специальные цепи, чтобы его увеличить и тем самым улучшить сцепление колеса с дорогой. Конструкторы машин всегда находятся «между двух огней» – большого и малого трения. Приходится постоянно думать, искать, выбирать.

Опыт 13. «Непослушная» катушка

Положите на стол обычную катушку. Конец намотанных на нее ниток слегка потяните на себя. Если вы держите руку невысоко над столом, катушка проявляет полное «послушание» и движется к руке. Стоит поднять руку повыше – и катушка убегает от вас. Значит, направление вращения катушки зависит от расположения натянутой нити относительно стола. Если такая ситуация случится с вами, постарайтесь спокойно, без резких движений, как можно ниже опустить руку и слегка потянуть катушку к себе.

Опыт 14. Колесо, катящееся вверх

Каждый знает, что всякое колесо под действием силы тяжести скатывается вниз. Не ошибка ли в названии опыта? Разве может само колесо подниматься вверх? Не будем торопиться. Возьмите два круга, вырезанных из плотной бумаги, и с помощью клея закрепите между ними четыре одинаковые катушки из-под ниток, расположив их на равных расстояниях одна от другой, поближе к краю диска. Катушки можно заменить небольшими трубочками, склеенными из картона. В отверстие одной из катушек (трубочек) поместите как можно больше металлических предметов (гвозди, шарики). Конструкция из двух дисков без всякого толчка извне покатится по ровной поверхности, а если на пути окажется небольшой подъем, преодолеет и его. Не забудьте только поставить колеса так, чтобы перед началом движения трубочка с грузом находилась сверху. Колесо катится под действием груза, спрятанного в трубочке. Устремляясь книзу, груз поворачивает все колесо. Если не поленитесь изготовить такое колесо, немало позабавите и удивите ваших друзей.

Как мы убедились, колесные пары устойчивы. А может ли быть устойчиво движение одного колеса, надетого на ось? Действительно, и одинокое колесо, закрепленное на оси, может сохранять свое устойчивое положение, если только ось направлена вертикально к поверхности и вращается по ней вместе с надетым на него колесом. Причем благодаря незначительному трению оси о поверхность вращение может надолго сохраняться. Такое сооружение называется волчком. Это один из самых интересных физических приборов.

Многих ученых, наблюдавших волчок в детстве, загадка его устойчивости увлекла в большую науку. Может быть, и у вас есть такая игрушка? А впрочем, волчок легко сделать самому.

Опыт 15. Волчок

Для этого необходимы заостренная спичка, бумажный или картонный круг и немного пластилина. Проткните заостренной спичкой картонный круг в центре. (Плоский круг иногда называют диском.) Возьмите вертикально расположенную спичку двумя пальцами за верхний край и резко закрутите. Что вы увидите? Сколько времени будет длиться вращение? Какие положения при этом занимает спичка относительно стола? Проведем интересные исследования. Вместо спички возьмите тонкую спицу, гвоздь. Меняйте размеры бумажного круга. Попробуйте, пробив гвоздем, вместо картона использовать металлическую крышку от консервной банки.

Игра. Волчок как мячик

Раскрутите волчок на доске. Подбросьте его вверх и поймайте. Попробуйте перебросить на доску своего товарища. Действительно ли ось волчка сохраняет свое вертикальное положение?

Волчок служит и для более серьезных целей.

В стволах артиллерийских орудий, винтовок, револьверов делаются особые нарезы, заставляющие вылетающий снаряд или пулю быстро вращаться, подобно волчку. Благодаря этому снаряды и пули не кувыркаются в полете, как, например, брошенный камень, а летят все время в одном направлении заостренной частью вперед. Примерно так же устроен и автопилот в самолете.

Можно и Землю рассматривать как огромный волчок, вращающийся вокруг своей оси. Если внимательно осмотреться вокруг, вращающийся диск на оси можно узнать и в лопастях вентилятора, и в пропеллерах самолетов и вертолетов, и в веселых каруселях. Несколько занимательных опытов помогут вам лучше понять особенности вращающегося волчка.

В некоторых парках есть такой веселый аттракцион, называемый «Колесо смеха». Посетители, купив билет, смело направляются к середине вращающегося круга. Приз ожидает того, кто дойдет до центра. Секрет развлекательного зрелища состоит в том, что не только дойти до центра, но и просто удержаться на месте на вращающемся круге нелегко. Чтобы лучше это понять, проведите такой опыт.

Опыт 16. Невидимые зубчики

По краю диска вырежьте зубчики. Диск наденьте на ось и раскрутите получившийся волчок. При быстром вращении вам кажется, что края диска сплошные, а вырезов просто нет. Они становятся заметны только при замедлении вращения волчка. Наш глаз – не только сложный, но и фантастический прибор. Он может видеть даже то, что реально не существует.

Опыт 17. Капли краски на крутящемся диске

Слегка подкрасьте акварельной краской немного воды в стакане. Пипеткой нанесите на белый диск волчка 3–4 капли раствора на разных расстояниях от центра. Быстро раскрутите волчок. Вы увидите, как цветными дугами капли побегут к краю диска. Приблизительно по таким же линиям скатываются смельчаки из «колеса смеха». Дойти до центра, где лежит приз, мало кому удается.

У каждого человека есть прекрасный «фотоаппарат». Он дает мгновенные снимки из близкого и далекого расстояния. Для его работы не нужна фотопленка. Он автоматически настраивается на резкость. Изображения выходят цветные и черно-белые. Прекрасный прибор – глаз человека. Но, как сказал устами своего героя Антуан де Сент-Экзюпери в прекрасной сказке-притче «Маленький принц»: «Нет в мире совершенства». И наш глаз – не исключение.

Кусок киноленты, если взять ее в руки и сквозь нее посмотреть на свет, состоит из многих отдельных маленьких кадриков. А вы не задумывались над тем, почему отдельные кадры на киноленте во время просмотра фильма в кинозале сливаются в одну изменчивую картину? Это связано с тем, что при определенной скорости движения пленки наш глаз не успевает фиксировать изображения отдельных кадров и они сливаются в нашем сознании в одно сплошное изображение.

Опыт 18. Обман зрения

Нарисуйте на диске вокруг центра одну прерывистую линию. Во время вращения волчка изображение на диске покажется вам сплошным. Наденьте на волчок другой диск, на котором прерывистая замкнутая линия имеет центр, не совпадающий с осью волчка. Теперь во время вращения диска вам кажется, что вертятся несколько сплошных кругов. А если нарисовать на диске вместо круга сплошную змейку (спираль), во время быстрого вращения волчка вам начнет мерещиться, что нарисованы сплошные круги разных диаметров.

Если волчок будет замедлять вращение, вам будет казаться, что эти круги сжимаются к центру. Если тот же диск, надетый на ту же ось, крутить в противоположную сторону, круги при замедлении вращения волчка создают впечатление замкнутых линий, которые разбегаются от центра.

Удивительные свойства имеет человеческий глаз! Он еще некоторое время держит в памяти то, что видел раньше. Глаз способен и налагать одно изображение на другое.

Используя это свойство глаза, великий физик Исаак Ньютон доказал, что белый цвет – сложный. Честно говоря, мы неправильно употребляем слово «цвет» касательно белого и черного. Белого цвета нет. Он образуется в результате составления цветов. Черного цвета также не существует. Черное – это полное отсутствие любого цвета и света вообще. Но уже так принято, наряду со всеми цветами, говорить «черный цвет», «белый цвет».

Вертящийся волчок поможет нам повторить опыт Ньютона.

Опыт 19. Разноцветное колесо – белое?

Вырежьте картонный круг и разделите его карандашом на семь частей. Каждую часть аккуратно раскрасьте последовательно в таком порядке: красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым, синим, фиолетовым цветами. Краска должна лежать ровно, без подтеков.

Раскрутите изготовленный волчок на ровной поверхности. Вы убедитесь, что глаз, налагая отдельные цвета друг на друга в заданном порядке, воспринимает результат сочетания семи цветов как белый цвет.

Можно раскрасить поверхность диска вместо семи тремя цветами: красным, зеленым и синим. Быстрое вращение такого диска также даст белый цвет.

В цветном кино, телевидении и цветной фотографии красный, зеленый и синий цвета применяются как основные. Обычно на ваших волчках тяжело добиться чисто-белого цвета потому, что даже наилучшая акварельная краска содержит посторонние примеси. Чем нежнее, прозрачнее вы наложите краску, тем лучшим будет результат.

Вы, по-видимому, знаете, что некоторые люди не различают цветов. Особенно тяжело увидеть им красный и зеленый. Именно таким недостатком страдало зрение известного английского химика Джона Дальтона. Он видел красное и зеленое как серое. Как-то он подарил матери чулок, по его мнению, коричневого цвета. В действительности же чулки были ярко-красными. Они как будто очень понравились матери, но она спрятала их в ящик, потому что носить чулки такого цвета в ее возрасте считалось неприличным. Подобных недоразумений с Дальтоном случалось немало.

Ученых заинтересовала причина, по которой отдельные люди не различают цветов. Науке сегодня известно, что глаз человека – орган очень сложный. В нем есть участки, реагирующие только на красный, только на зеленый и только на синий цвета. Из разных сочетаний этих цветов можно получить большое количество цветовых оттенков. У Дальтона отсутствовал элемент, который реагирует на красный цвет. Такое нарушение зрения в медицине называется дальтонизмом.

Проверить свое зрение можно и без специальных приборов и таблиц. Опять нам поможет в этом обычный волчок.

Опыт 20. Не верь глазам своим

Вырежьте из твердого картона кружок диаметром 8 см. Покрасьте в черный цвет половину круга, а на вторую половину нанесите линии. Черные и белые дуги, нарисованные на диске, во время быстрого вращения становятся красными, оранжевыми, голубыми и зелеными. Для увеличения скорости вращения готовый круг можно прикрепить к вентилятору.

История науки знает очень странные опыты, в которых сам процесс вращения может быть вызван светом. Если на легкой палочке закрепить белый и черный бумажные диски и подвесить их ко дну перевернутой стеклянной банки, солнечный свет, отражаясь от белого диска, повлечет вращение системы. На рубеже ХХ в. в 1899 г. профессор Московского университета Петр Николаевич Лебедев с помощью такого простого опыта открыл и измерил давление света.

Но свет давит на тела с очень малой силой. Другие его свойства намного более ощутимы. Например, тепло, которое несет солнечный луч, можно почувствовать кончиками пальцев.

Опыт 21. Вертящаяся змейка

Нарисуйте на круглом диске, вырезанном из тонкой бумаги, спираль, начинающуюся в центре. Ножницами вырежьте по следу карандаша змейку. Концом тонкой спицы проткните начало змейки. Спицу закрепите сверху над горящей настольной лампой. Вскоре змейка начнет вертеться. Посмотрите на направление вращения. Изменится ли оно, если змейку из бумаги вырезать в противоположном направлении. Обратите внимание, как изменяется скорость вращения. Зависит ли она от толщины змейки? Что вынуждает змейку вертеться?

Пока вы держали спицу над лампой, вы почувствовали теплый воздух, который поднимался вверх. Это он явился причиной того, что змейка вертелась. Если вам удастся закрепить спицу над лампой, а змейку раскрасить, то у вас дома появится остроумная игрушка, которая будет работать все время, пока будет гореть лампа.

Должны напомнить вам, что ни в коем случае бумажная змейка не должна касаться лампы! Запомните, что бумага, которая находится возле лампы, не только высыхает, нагревается и чернеет, но и может стать причиной пожара.

Пять вопросов…

1. Почему колеса делают круглыми, а не квадратными?

2. Может ли колесо двигаться с большой скоростью, оставаясь на месте?

3. Катить легче, чем скользить. Почему же снежной зимой катаются на санках, а не на велосипеде?

4. Когда балерина становится волчком?

5. Какая точка на движущемся колесе в каждый данный момент неподвижна?

…Пять ответов

1. Колеса делают круглыми для обеспечения плавности хода, отсутствия рывков.

2. Именно так и работает турбина.

3. Велосипед опирается на поверхность только в двух точках и потому проваливается в глубокий рыхлый снег. Полозья санок равномерно распределяют нагрузку по большей поверхности и потому легко скользят по снегу.

4. В балетном спектакле танец-вращение на кончиках пальцев вытянутой ноги (пируэт) подобен вращению волчка на оси.

5. Та точка колеса, которая в данный момент соприкасается с землей, неподвижна.

Разнообразно применение колеса. Мы попытались раскрыть лишь некоторые его секреты. Но немало тайн, связанных с колесом, вам еще предстоит узнать.

Нитка, веревка, канат

В опытах участвуют:

• нитка, веревка, канат;

• катушки с нитками;

• кусочки ткани;

• утюг;

• ножницы, молоток, дощечки;

• коробок из-под спичек, спички;

• коробка из-под обуви;

• картонные стаканчики;

• деревянная палка и два стула;

• мел;

• линейка, карандаш;

• листы белой бумаги;

• набор предметов различного веса, книжки;

• несколько гвоздиков;

• мяч, деревянный кубик;

• гитара;

• кусок тонкой резины;

• горячая и холодная вода;

• линза, вместо микроскопа;

• юные читатели, их друзья, родители, педагоги.

Немного истории

Только наша фантазия поможет представить, каким суровым был мир первобытного человека. Люди бродили по земле ватагами, а когда их настигала ночь или ненастье, они прятались в пещеры. Они были постоянно озабочены поисками пищи. Ее, в основном, добывали на охоте. Это сложный промысел. Не сразу первобытный охотник постиг, что острый камень, привязанный к палке тонким гибким стеблем, делает охоту более успешной и безопасной.

Палка, соединенная стеблем с острым камнем, превратилась в оружие охотника. Часто охота длилась много дней и ночей подряд. Необходимо было хотя бы временное укрытие. Прошла, пожалуй, не одна сотня лет, пока приютом человека стал шалаш, сплетенный из ветвей деревьев и скрепленный стеблями растений.

Возможно, гибкие стебли растений и были первыми веревками на земле. Но человеку не хотелось мерзнуть. И он начал прикрывать себя шкурой животного, съеденного во время обеда. Пожалуй, не сразу наш далекий предок догадался, как и чем закрепить обрывки кожи, чтобы в них было тепло и удобно в непогоду. Первая игла была изготовлена, наверное, из рыбьей кости, а первая нить – из волокон растений или жил животных. И хотя прошли миллионы лет, мы до сих пор соединяем раскроенные куски ткани нитью с иглой, лишь немного теперь напоминающими их древних предков.

На первый взгляд может показаться, что ничего загадочного, необычного не могут таить в себе так хорошо известные нам нить, веревка, канат. Какие уж там странные свойства могут быть им присущи? Не будем спешить и познакомимся лишь с некоторыми «тайнами» простой нити.

Опыт 1. Зачем в нитке столько нитей?

Оторвите от катушки кусочек нитки. Кончиками большого и указательного пальцев правой руки постарайтесь раскрутить ее конец. И вы увидите, что даже достаточно тонкая нить состоит в свою очередь из нескольких более тонких. Слегка потяните за отдельные нити, и вы убедитесь, как легко и мягко они рвутся в ваших руках. Скрученные нити разорвать тяжелее не только потому, что их больше, но и потому, что дополнительную прочность обеспечивает большее трение переплетенных нитей друг с другом. Благодаря тому, что нить скручена из многих более тонких ниточек, лишь часть приложенной силы растягивает сплетенные нити, а другая часть старается раздвинуть их в стороны. Отдельные нити, не связанные друг с другом, рвутся очень легко. Вот почему веревки сучат. Если вам тяжело разорвать толстую нить, не поленитесь ее «разрыхлить» в нужном месте. Убедитесь в этом самостоятельно.

Современные нити получают, скручивая шерстяную, льняную, хлопчатобумажную пряжу, шелк-сырец и химическое волокно.

Как легче разорвать нить? Существует прибор с загадочным названием микроскоп. В буквальном переводе это слово означает «вижу маленькое». И действительно, с помощью микроскопа можно увидеть предметы во много раз бóльшими, чем они есть на самом деле. Любая, даже самая ровная нить, если ее разглядывать под микроскопом или линзой, не утаит своих дефектов: уплотнений и утончений в разных местах, неровностей наматывания, узелков и обрывов отдельных составляющих волокон. Натяните нить двумя руками, медленно разводя их в стороны. Постепенно натягиваясь, нить оказывает сопротивление вашим усилиям. А если вы их еще увеличиваете – не выдерживает и рвется.

Опыт 2. Узнать по следу

Концы нити возьмите двумя руками и, постепенно натягивая нить, разорвите ее. Другую такую же нить разорвите рывком. Сравните концы нитей, которые образовались во время резкого рывка и медленного растягивания. В первом случае нить меньше разрыхлена. Отдельные волокна, которые имели утончение, сразу разорвались, переложив всю нагрузку на нити, которые остались целыми. Но их стало меньше и они не способны выдержать усилий, рассчитанных на всех.

Если нагрузка возрастает медленно, все волокна, из которых состоит нить, постепенно растягиваются одинаково до тех пор, пока волокно в месте дефекта не разорвется. Поэтому и очень разрыхляются волокна, которые медленно растягивали. Теперь вы знаете, как по виду обрыва нити можно узнать, происходил он быстро или медленно.

Между прочим трос, которым башенный кран поднимает груз, отличается от обычных нитей лишь размером и материалом. Его стальные жилы сплетены вместе, как нити. Наблюдая за подъемом груза стрелой башенного крана, нельзя не заметить, как не спеша идет работа. А стоит ли торопиться, поднимая тяжелый груз? Попробуем ответить на этот вопрос опытом, в котором нить выполняет роль троса.

Опыт 3. Чем медленнее, тем надежнее

Сделайте из большой картонной коробки (например, из-под обуви) поддон для груза. Для этого в боковых стенках коробки, возле углов, прорежте отверстия для веревок. Соедините веревки одинаковой длины в один узел таким образом, чтобы дно коробки, подвешенной к вертикально закрепленной нити, не имело перекосов. Поставьте два стула так, чтобы их спинки, развернутые одна к другой, отделяло небольшое расстояние. Положите на спинки стульев деревянную палку. Чтобы она не скользила, привяжите ее веревками к спинкам стульев. К палке прикрепите нить, а к нижнему концу нити привяжите коробку, которая выполняет роль поддона. К коробке привяжите две страховочные веревки, немного длиннее за верхнюю нить. Это необходимо сделать, чтобы, если вдруг тонкая нить оборвется, груз не упал на пол. Устройство для наших опытов готово. Правда, нужен еще набор грузов. Их могут заменить книги.

Положите в коробку сначала одну книгу. Такой груз нить выдерживает. Добавьте еще одну книгу и поочередно добавляйте их до тех пор, пока нить не оборвется.

Освободите коробку от содержимого, замените оборванную нить такой же, но целой, и подготовьте устройство для нового опыта.

Он отличается от предыдущего тем, что в пустую коробку кладут не книгу за книгой, а сразу большую их часть. Нить оборвалась, хотя несколько книжек и не было вложено в коробку (нагрузка была меньше). Вы поняли, почему для разрывания такой же нити теперь понадобилось меньше груза? Дело в том, что сила прикладывалась не постепенно, а сразу, рывком.

Во время работы башенных кранов существует правило, которое запрещает резкие движения (подъем, поворот) натянутого грузом троса. Неторопливо – зато безопасно! И, как в опыте с нитью, нагрузка, возрастающая медленно, способствует тому, что трос выдерживает больший вес.

Не спешите разбирать ваше сооружение из стульев и закрепленной на них нити.

Следующий опыт с теми же действующими лицами – грузом, нитями и страховочными веревками – поможет наглядно продемонстрировать важное явление, которое называется инерцией. В переводе с латинского это слово означает «бездеятельность, недвижимость».

«Нить Ариадны»

В одном из мифов древних греков действие происходит на острове Крит. Странный дворец с множеством коридоров, переходов, которые образовывали сложную, запутанную систему – лабиринт, был построен знаменитым мастером Дедалом, и принадлежал он Миносу – легендарному царю, создателю сильного морского государства. В лабиринте жило чудовище – полубык, получеловек. В греческой мифологии оно носило название Минотавр. Всемогущий Минос обязал подвластные ему Афины время от времени доставлять для кормления чудовища по семь юношей и девушек. Смелый афинский царь Тесей возненавидел Минотавра, который пожирал молодых людей. На корабле он отправился на остров. Дочь Миноса Ариадна влюбилась в Тесея и помогла афинскому герою: подарила волшебный меч и клубок нитей. Мечом отважный Тесей убил Минотавра, а клубок нитей, один конец которого был укреплен возле входа в дворец, помог смельчаку выйти из лабиринта.

Изречение «нить Ариадны» сохранилось до наших дней и означает возможность спасительного выхода.

«Нить Ариадны» и в наши дни спасает жизнь ученых-спелеологов, которые исследуют глубокие пещеры. Толстые нити-веревки и тросы – предохраняют жизнь альпинистов-скалолазов. Связанные общей страховочной цепью друг с другом, спортсмены чувствуют себя уверенее, надежнее: если кто-то оступится и сорвется, крепкая связка не позволит упасть. Держась за прочный канат, легче перейти по подвесному мосту над отвесной горной речкой.

Страховочный канат, тонкий, но прочный, есть и в цирке. Он оберегает жизнь артиста, который работает под куполом. Канаты из веревок висят в каждом спортивном зале. Перетягивание каната – захватывающее соревнование и детей и взрослых.

Две веревки, дощечка – и качели готовы. Девочки с удовольствием прыгают со скакалкой, сделанной из веревки. Из веревок делают стропы парашютов. Веревочные лестницы не раз спасали людей во время пожаров. В походных условиях веревку можно использовать для временной остановки кровотечения. В каждом доме непременно есть бельевая веревка.

Но возможности применения нити этим не ограничиваются.