Текст книги "Изучаем науку с помощью бумаги"

ЗАСТАВЬТЕ ВОДУ ПРОЙТИ ЧЕРЕЗ БУМАГУ

Вы уже знаете, что бумага является паутиной из растительных волокон, между которыми может накапливаться вода. Однако частицы некоторых химических соединений не способны попасть в эти ячейки просто потому, что они слишком велики. Это элементарное соображение чрезвычайно важно для ученого. Это свойство позволяет ему отфильтровывать растворы.

Чтобы выяснить, как это происходит, представим, что мы случайно смешали немного соли и мелкого гравия. Как же нам отделить соль от камней? Согласитесь, самым простым способом было бы просеять смесь через кусочек оконной сетки. Через мелкие отверстия смогут пройти только маленькие частички соли, а камешки останутся на сетке. Если взять сетку с меньшими отверстиями, можно отделить еще более мелкие частички. А лист бумаги может быть использован просто как… сетка с очень–очень мелкими ячейками. По этой причине ученый часто и во многих экспериментах использует бумажный фильтр. Вы можете попробовать то же самое.

Поместите воронку в стакан. Сложите бумажный квадрат пополам и затем еще раз пополам. Раскройте его с одной стороны так, чтобы получился кулек. Поместите его в воронку. Вы заметите, что, если теперь налить в воронку воды, она задержится бумагой и начнет медленно просачиваться через нее, капая в стакан.

Рис. 22. Как сложить фильтр

Требуется: маленькая воронка; кусочек бумажного полотенца около 12 см^2, стакан.

Если вы видели когда–нибудь кусочек фильтровальной бумаги в химической лаборатории, то знаете, что она не похожа на вашу. Большинство бумажных фильтров круглые. Попробуйте вырезать круг из листа бумажного полотенца (для удобства можете обвести блюдце). Круглый листок складывается таким же образом: пополам и еще раз пополам. Вы обнаружите, что круглый фильтр намного удобнее, чем квадратный, но для последующих испытаний вы можете использовать фильтры любой формы.

Посыпьте воду перцем, пока ее поверхность не покроется им почти полностью. Перемешайте воду так, чтобы перчинки оказались рассеяны по всему объему. Затем аккуратно вылейте воду в ваш фильтр, так чтобы вся она попала в бумагу и не выплеснулась через край.

Когда вся вода просочится через бумагу в стакан, загляните в фильтр. Вы обнаружите, что большая часть перца осталась на бумажной «сетке» только потому, что он не может пройти через ее маленькие отверстия. Вы можете вынуть бумагу с перцем и выбросить.

Рис. 23. Фильтруем перчинки

Требуется: фильтровочная воронка из предыдущего опыта; стакан, наполненный на четверть водой; перечница; чайная ложка.

Вы удалили весь перец из воды? Скорее всего, нет! Убедитесь в этом, посмотрев сквозь воду на свет. Наверняка у нее будет коричневатый оттенок.

Почему ваше фильтрование не удалило весь перец? Естественно, потому, что некоторые частички оказались достаточно малы, чтобы проскользнуть через ячейки в бумаге. Можете ли вы предложить способ сделать фильтр еще качественнее?

Чтобы сделать фильтр, работающий более чисто, воспользуйтесь одним из трех различных методов. Вы можете испробовать каждый из них и выяснить, какой лучше всего работает в вашем случае.

Рис. 24. Ищем тонкий фильтр

Требуется: материалы из предыдущего опыта; бумажное полотенце; газета.

Метод I: рефильтрация

Отфильтруйте смесь из воды и перца, как и раньше, через фильтр из бумажного полотенца. Выбросьте бумагу и сделайте новый фильтр. Процедите уже отфильтрованный один раз раствор через новый фильтр, затем выбросьте и его. Если вы все еще можете заметить перец в воде, повторите процедуру. Сколько раз вы перефильтруете раствор до того, как окончательно «выловите» все перчинки? (Если вы, конечно, сможете от них избавиться.)

Метод II: многослойное фильтрование

Сделайте фильтр из бумажного полотенца и поместите его в воронку. Затем сделайте еще один и вставьте его в первый. Процедите воду с перцем через два фильтра сразу. Вы сомневаетесь, что второй фильтр поймает перчинки, пропущенные первым? Если раствор не очищается двойным фильтром, возможно, это сделает воронка с тремя, четырьмя и т. д. бумажными фильтрами.

Метод III: тонкое фильтрование

Теперь вы понимаете, что наибольшая проблема при использовании бумажного полотенца – это слишком большие отверстия в такой бумаге. Возможно, бумага с меньшими отверстиями справится с задачей лучше. Например, у газетной бумаги отверстия между волокнами меньше – попробуйте использовать ее в качестве фильтра для отделения перчинок от воды. Фильтровальная бумага, используемая в химических лабораториях, имеет совсем крошечные отверстия. Это особенная бумага, которую делают специально для фильтрования.

Вы обнаружите, что чем меньше отверстия, тем дольше вода будет просачиваться через них. Фактически вы сможете более или менее точно определять, насколько малы отверстия, по тому времени, которое требуется воде, чтобы пройти через них. Возможно, вы найдете бумагу с еще меньшими отверстиями, чем у газетной или бумажного полотенца.

Ученый может использовать любой из этих методов при выделении веществ из смесей. Часто он комбинирует несколько методов. Например, использует несколько листов очень тонкой бумаги (многослойное тонкое фильтрование) и даже повторяет этот процесс несколько раз (рефильтрация), пока не получит удовлетворительный результат.

Не забывайте также, что в наших испытаниях мы пытались сделать чистой воду, с которой и начинали. Ученый же нередко преследует противоположную цель. Если бы мы случайно просыпали наш перец в воду и хотели получить его обратно, все эти методы пригодились бы нам снова. Если ученый собирается выделить из водного раствора нерастворимое соединение, он конечно же будет использовать фильтр, сохраняя вещество, удержанное бумагой, и выливая саму воду.

РЫБКА, ПРЕДСКАЗЫВАЮЩАЯ БУДУЩЕЕ

А теперь небольшой сюрприз для тех, кто добрался до конца этой главы. Вот чудесная игрушка, действие которой основано как раз на тех идеях, о которых вы уже прочитали. Удивительно, сколько научных принципов можно обнаружить в самых обычных игрушках. Так основные законы природы могут показаться человеку, незнакомому с ними, настоящими чудесами. Рыбка, предсказывающая будущее, – как раз такой случай.

Эта рыбка, возможно, появилась в Японии. Никто не знает, когда это произошло, наверное, после изобретения целлофана. Целлофан – это разновидность прозрачной бумаги, сделанной из целлюлозы растительных волокон. Наверняка вы видели целлофановые обертки на леденцах и пачках сигарет. Для данного исследования вам понадобится кусочек целлофана, поэтому вам придется научиться определять его, чтобы не путать с полиэтиленом. Они выглядят похоже, но, в отличие от целлофана, большинство полиэтиленов растягивается и не образует складок. А целлофан, напротив, жесткий, легко складывается и хрустит, если его мять в руках. Большинство полиэтиленов не впитывает воду, а целлофан абсорбирует некоторое ее количество. Поэтому нашу рыбку, предсказывающую будущее, нужно делать именно из целлофана.

Нанесите контур рыбки на целлофан, используя рисунок как шаблон. Не обязательно, чтобы ваша рыбка выглядела точно так же, главное – сохранить тот же размер.

Целлофановая рыбка очень гигроскопична. Это «умное» слово сразу напомнит вам, что мы не просто играем: мы – ученые–исследователи. «Гигро» означает «вода», а «скоп» – «смотреть» или «искать». Следовательно, «гигроскопичный» – «ищущий воду». Целлофан готов впитывать воду везде, где только сможет. Рыбка, которую вы сделаете, не просто игрушка – она будет весьма чувствительным детектором влажности.

Наверное, вам интересно, каким образом ваша рыбка угадывает будущее. На самом деле, конечно, она способна делать скорее шуточные предсказания, и вот как вы можете это устроить: положите рыбку на ладонь и глядите на нее минуту или две. Рыбка внезапно «оживет». Самым волшебным образом она начнет шевелиться и заворачиваться.

Рис. 25. Рыбка–предсказательница

Требуется: кусочек очень тонкого целлофана 2x5 см, ножницы.

Толковать ее предсказания можно по–разному, например так:

• шевелится голова – вам повезет; шевелится хвост – вы будете неудачливы; двигаются и голова, и хвост – вам в чем–то повезет, а в чем–то нет;

• заворачиваются плавники – вы женитесь на возлюбленной;

• рыбка переворачивается – вас ждут перемены;

• заворачивается в кольцо – ого! Конечно же я могу сочинить для вас любое предсказание. На самом деле это весьма глупый способ предсказать что–либо, но вы можете получить удовольствие, разыгрывая таким образом своих близких.

Что же при этом все–таки происходит? А всего–навсего то, что мы, как и наши друзья, потеем. Большая часть воды, которую мы пьем, выходит через нашу кожу в виде пота. Жарким днем или после тяжелого упражнения этот процесс сразу заметен, но он протекает постоянно… днем и ночью… по всей поверхности нашей кожи. Обычно мы даже не подозреваем о влаге на нашей коже, но если приложить к ней устройство, чувствительное к влажности, то убедимся, что вода здесь действительно присутствует.

Когда рыбка лежит на вашей ладони, влага незаметно впитывается в мельчайшие полости в целлофане: снова проявляется капиллярный эффект. Эти ячейки нижней части рыбки, набрав влагу, расширяются быстрее, а из–за того, что верхняя ее часть еще сухая, листок искривляется. Рыбка изгибается, и тем быстрее, чем больше получает влаги. Вместо предсказаний будущего такая рыбка скорее скажет вам, что вы потеете, и покажет, какими именно частями она соприкасается с вашей ладонью.

Я надеюсь, что вы не слишком разочаровались, узнав, что ваша рыбка, предсказывающая будущее, на самом деле не может его предсказывать. Это служит хорошим напоминанием о том, что многое кажущееся вам совершенно загадочным часто на деле легко объясняется законами природы. Нужно лишь найти время, чтобы внимательно исследовать их. Вполне возможно, что пришельцы, неопознанные летающие объекты, морские змеи и все подобное когда–нибудь окажутся научными фактами, которые до этого просто никто толком не исследовал.

Глава 4
БУМАЖНАЯ СТРОЙКА

Хотите построить небоскреб? А как насчет гигантского моста? Если для вас такая работа интересна и увлекательна, то вам понравится быть инженером. Инженер тоже ученый–исследователь. Он изучает множество научных законов и затем применяет их на практике.

Кто–нибудь может сказать, что ученые делают открытия, а инженеры изобретают способы их применения. Существует множество разных инженерных специальностей. Инженеры строят моторы, сложные инструменты и приборы, космические корабли и подводные лодки. Они изобретают специальные лампы, радио, электростанции и игрушки. На самом деле ко всему созданному человеком, о чем бы вы сейчас ни подумали, скорее всего, была приложена рука инженера.

МЫСЛИТЕ КОНСТРУКТИВНО!

Инженер, проектирующий здания, выполняет очень сложную работу. Он должен подумать о том, какие материалы будет использовать, как их скреплять, сколько потребуется людей и даже о том, какой грунт под будущим зданием предпочтительнее. Он должен продумать каждую деталь будущего дома и то, что будет его окружать. Начнем и мы: первое – это материалы. Для того чтобы понять, каким образом мыслит инженер, сталь и дерево вовсе не обязательны: мы будем использовать бумагу.

Лист писчей бумаги недостаточно прочен. Он гибок и легко сминается.

Видели ли вы когда–нибудь лист гофрированного картона? Он часто используется для упаковочных коробок. Некоторые гофрированные коробки настолько прочны, что могут выдержать ваш вес, если вы встанете на такую. Гофрированный картон сделан из бумаги, но это очень прочная бумага. Она изобретена инженером, который задался вопросом: а насколько вообще может быть прочной бумага? Инженеры могут упрочнять свои строительные материалы точно таким же способом.

Умеете ли вы мыслить по–инженерному? Вот подходящая загадка, с которой вам предстоит разобраться прямо сейчас. Попробуйте самостоятельно справиться с ней до того, как прочтете следующую главу.

Рис. 26. Поставьте бумагу на ребро

Требуется: лист писчей бумаги 21x30 см.

Попробуйте поставить бумагу на стол торцом. Отпустите ее. Лист просто упадет. Вы не сможете уравновесить ее на ребре, как бы ни пытались. Существует, однако, множество способов помочь бумаге балансировать на ребре. И один очень прост… Просто сложите ее пополам! Если теперь вы развернете лист в форме буквы «V», то легко установите его на столе в вертикальном положении. А сколько еще способов вы можете придумать, чтобы уравновесить бумагу? Много идей на этот счет вы найдете в последующих исследованиях.

СДЕЛАЙТЕ БУМАГУ ПРОЧНЕЕ

Могу поспорить, вы уверены, что стальной брусок длиной 3 м, шириной 15 см и толщиной 1 см будет весьма прочен, ведь так? Вы конечно же не сможете согнуть его или завязать узлом!

Предположим, что такой же брусок является частью небоскреба. Возможно, он предназначается для того, чтобы нести многие тонны кирпичей или быть, например, прочным полом для людей, прогуливающихся по нему. Будет ли этот брусок достаточно прочен для поддержания нескольких тонн? Похоже, что нет. Инженер решит, что плоский брусок очень–очень слаб. Ему придется изобрести какой–нибудь метод, чтобы упрочнить его.

Чтобы понять сложность этой задачи и найти решение, вы можете попробовать исследовать ее на примере листа газетной бумаги.

Как «упрочнить» газетный лист? Разверните его во всю ширину, возьмите за один угол и попробуйте поставить на вашу ладонь. Можете ли вы уравновесить газетный лист?

Перед тем как прочтете, как это сделать, попытайтесь найти ответ самостоятельно. Это как раз вполне инженерная задача.

Рис. 27. Уравновесьте газетный лист

Требуется: целый (две страницы) лист газеты.

Проблема, как вы уже поняли, в том, что бумага недостаточно прочна, чтобы удержать свой собственный вес. Она гибка и складывается посередине. Предположим, что на одной стороне листа появится нечто такое, что удерживало бы бумагу в вертикальном положении и предотвращало ее падение. Поможет это вам?

Вы в состоянии сделать такую «подпорку» из самой бумаги. Это обычная уловка, используемая инженерами. Сложите бумагу пополам по диагонали и затем отогните стороны назад (см. рисунок).

В результате у вас получится ребро вдоль диагонали. Попробуйте теперь поставить лист себе на ладонь. Если бумага захочет согнуться в ту или другую сторону, ребро удержит ее в вертикальном положении. Вот простая уловка, как сделать бумагу достаточно прочной, чтобы она могла нести свой вес, тогда как было бы нереально справиться с этим без складки посередине.

Рис. 28

Может ли инженер сложить подобным образом лист стали? Из следующей главы вы узнаете, что сможет, и еще как, причем делает он это многими способами.

ТЕСТ НА РАЗРУШЕНИЕ

Мы выяснили, что сложенный лист бумаги способен поддерживать собственный вес. Существует множество других методов, позволяющих складывать его, более сложных, чем простой сгиб в форме буквы «V». Если бы перед вами стояла задача просто уравновесить лист на кромке, вы легко разрешили бы ее, согнув бумагу самыми различными способами. Давайте немного усложним проблему. Можете ли вы сделать бумагу способной поддерживать что–нибудь еще, кроме ее собственного веса?

Сложите бумагу буквой «V» и поставьте ее на стол. Положите сверху книгу. Выдержит ли бумага вес книги? Нет. Сама по себе бумага будет держаться вертикально, но она тут же сминается, если на нее что–нибудь положить.

Рис. 29. Книга на бумаге

Требуется: несколько листов бумаги 21x30 см; книга.

Можете ли вы сложить лист, чтобы он выдержал вес книги? На рисунке показано несколько придуманных мной способов, как это сделать.

Рис. 30.

Когда вы сложите несколько листов в формы, при которых они будут способны выдержать книгу, вам остается еще одно исследование. Вы думаете, что все согнутые листы одинаково прочны?

Как только инженер найдет способ, согнув, упрочнить материал, он испытает его, чтобы определить, насколько данный метод лучше остальных. Например, он проведет тест на разрушение. Ниже показано, как это сделать.

Поместите книгу на испытуемый лист. Затем положите сверху еще и еще одну и продолжайте до тех пор, пока бумага не сложится. (Сделанная вами бумажная «башня» разрушается, отсюда и название теста.) Запомните, сколько книг выдержала бумага, и затем переходите к листу, сложенному другим образом. Скорее всего, вы обнаружите, что лист бумаги, согнутый каким–то определенным способом, выдержит больше книг, чем остальные. Методом проб и ошибок вы в конце концов определите метод, который окажется действительно эффективнее всех остальных.

С огромными прессами и специальными плавильными печами инженеру не представляет труда получить образцы стали любой нужной ему формы. Эти образцы называются балками или фермами, и их особенные формы – результат многих часов и дней раздумий, поисков, расчетов и экспериментирования. Почти все они, даже самые большие балки, имеют все те же основные формы, которые мы и исследовали.

Рис. 31. Тест на разрушение

Требуется: материалы из предыдущего опыта; несколько книг одинакового размера.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВАШЕГО ВЕСА

Предположим, вы весите 45 кг. Это означает, что две ваши ноги должны удержать в вертикальном положении 45 кг. Сколько веса приходится на одну из ваших ног, когда вы стоите выпрямившись? Этот простой вопрос является поистине основой основ научных принципов, которые очень важны для инженера. Вес объекта разделяется между опорами, поддерживающими его. Это закон распределения веса. В вашем случае, если вы стоите прямо и ваш вес равномерно распределен на обе ноги, каждая нога должна нести только 22,5 кг. Естественно, такое распределение вашего веса происходит далеко не всегда. Если вы немного наклоните корпус вправо, правой ноге придется нести большую часть веса. Но до тех пор, пока вы не оторвете левую ногу от земли, на нее тоже будет приходиться какая–то доля вашего веса.

Легко понять, насколько важен этот закон при проектировании зданий. Весь вес здания целиком не может выдержать ни одна балка или деревянный брус. Каждая из балок должна поддерживать свою часть всего веса. Инженер должен знать, какую долю нагрузки несет каждая балка, и ему нужно выбрать тип балки, который окажется достаточно надежным для этого и будет иметь некоторый запас прочности. Вы можете исследовать этот научный принцип на примере бумажных балок.

Сначала скатайте пять листов бумаги в трубки. Сделайте их примерно одинаковыми. (Для этого вы можете наматывать их на банку или бутылку.) Закрепите края клейкой лентой, чтобы трубки не разворачивались.

Поставьте одну трубку на стол. Положите на нее книгу. Аккуратно уравновесьте ее, по необходимости поддерживая рукой. Сверху положите еще одну книгу. Продолжайте добавлять книги, пока ваша трубка не сомнется. Запомните, сколько книг держалось на одной трубке перед тем, как она сломалась.

А теперь расставьте на столе оставшиеся трубки в виде ножек. Сверху поместите одну книгу, как столешницу. Как вы думаете, сколько книжек выдержит ваш столик? Если на каждую из ножек приходится по ¹/₄ всей нагрузки, не будет ли логично предположить, что четыре трубки смогут выдержать вес, вчетверо больший, нежели одна? Продолжайте укладывать книги на столик, поддерживая их рукой, и выясните, как обстоит дело на самом деле!

Рис. 32. Столик с бумажными ножками

Требуется: четыре листа бумаги; клейкая лента; дюжина, или больше, книг одинакового размера.

Предположим, вам удалось положить три книги на одну трубку, а вот на столик с четырьмя ножками–трубками вы уложили только одиннадцать. Не окажется ли это нарушением закона распределения веса? Не должны ли четыре ножки нести двенадцать книг, если одна выдерживает три?

Когда вы стоите на двух ногах, каждая из них поддерживает половину вашего веса, но, если вы слегка отклонитесь в сторону, одной ноге придется поддерживать больше чем половину, верно? Возможно, вы просто уложили ваши книги недостаточно равномерно и одна из ножек приняла больше чем ¹/₄ веса. Эта ножка, с лишней нагрузкой, конечно, сломается первой, из–за чего перевернется и весь столик.

Даже в настоящем здании одна из балок может нести больший вес, чем другие. Инженер должен знать, что, если ему не удастся распределить вес достаточно равномерно, следует сделать более нагруженную балку прочнее остальных.

Если это исследование захватило вас и вы хотите сами попробовать разработать какие–нибудь бумажные проекты, вот еще несколько идей.

Можете ли вы сделать ножки столика иной, нежели трубки, формы, которая позволила бы вам уложить на них больше книг?

Можете ли вы изобрести способ укладывания книг, чтобы вес половины из них был равномерно распределен по всем четырем ножкам, в то время как вес другой половины приходился бы только на правую сторону? Это означает, что правая сторона должна нести большую нагрузку, чем левая.

Сделайте столик с одной книгой наверху, затем сделайте еще четыре ножки и поставьте их на книгу… потом положите на них другую книгу… затем еще и еще ножки с книгами… Насколько высокую башню вам удастся построить? Помните, что каждые четыре ножки должны нести весь вес, находящийся над ними. Нижним придется поддерживать наибольший вес. Может, им стоит придать другую форму, чем ножкам, используемым в верхней части башни?