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

4
Капиллярные явления вокруг нас

Для опыта нам потребуются: две чашки, хлопчатобумажная веревка или шнурок длиной 10 сантиметров.

Оказывается, еще в далекой древности капиллярные явления были известны и использовались нашими предками. Одним из самых простых на вид, но гениальных изобретений было изобретение фитиля для светильника. Кто-то заметил, что опущенный в растопленный жир или масло жгутик из скрученных высушенных волокон некоторых растений (например, хлопка) впитывает в себя это масло и, не сгорая сам, позволяет светильнику долго гореть и освещать жилище. Как работает светильник? Как вы видите на рисунке, масло вытягивается по фитилю вверх и сгорает на кончике фитиля. Когда масло сгорает, место внутри волокон фитиля освобождается и фитиль втягивает новую порцию масла. И так продолжается, пока масло не закончится.

Точно так же работает свечка, в которой разогревающийся и расплавляющийся под действием тепла воск поднимается по фитилю и выгорает. Конечно, выгорает и сам фитиль, но гораздо медленнее. Правда, свечки появились гораздо позже, чем простейшие светильники.

Как же работает светильник из фитиля? Как он перекачивает масло? Мы можем убедиться, что он работает как насос, используя свойство жидкостей втягиваться в тонкие капилляры.

Проведем старинный опыт, описанный во многих книжках, и тем не менее очень интересный. Возьмите две чашки и кусочек обычной веревки сантиметров десять длиной. Веревка должна быть хлопчатобумажной. Промойте веревочку с мылом в теплой воде, чтобы удалить частицы жира из капилляров – ведь иначе вода не будет по ним проходить. Теперь поставьте чашку с водой на подставку (например, перевернутая ваза), а пустую чашку – ниже нее, на стол. Перекиньте мокрую веревочку из одной чашки в другую как мостик и оставьте на ночь. Только веревочка не должна провисать петлей между чашками, а должна ровно спускаться вниз.

Наутро вы с удивлением обнаружите, что… в нижней чашке оказалась налита вода. (У меня она оказалась еще и слегка мыльной, потому что вода, протекая по капиллярам, вымыла остатки мыла, которые я плохо прополоскал.) Мы совсем забыли, что на воду действует еще и сила тяжести! И на воду, находящуюся «внутри» веревочки, в ее капиллярах, тоже. А поскольку один конец веревочки ниже, вода сначала втягивается в капилляры, а потом, перевалив через «хребет», опускается под действием силы тяжести вниз.

Наша веревочка «не выпускает» воду наружу через свои «стенки», но легко пропускает по капиллярам. Она становится как бы трубкой. А по трубке можно под действием силы тяжести «перекачивать» воду из сосудов, находящихся выше, в более низкие.

5
Капли жира – тоже интересно

Для опыта нам потребуются: чистый лист белой бумаги, старая газета, подсолнечное масло.

Другой пример капиллярных явлений – жирные пятна. Проведем простой эксперимент. Возьмем чистый лист белой бумаги (хотя подойдет и краешек газеты) и промаслим обычным подсолнечным маслом. Только не на скатерти! А то мама отберет у вас эту замечательную книжку!

На бумаге останется жирное пятно. Приложите теперь нашу бумажку близко к газетному тексту – вы заметите, что через масляное пятно можно увидеть насквозь! Масло, растопившись в тепле, растеклось между волокнами, из которых сделана обычная бумага, и изменило свойства бумаги.

На фотографии видно, что через промасленную газету отлично читаются слова «студенты», «столица»… Непрозрачная бумага стала прозрачной!

Что же произошло? Почему вдруг бумага стала пропускать свет? Стала похожей на стекло?

Оказывается, жир (масло) заполняет пространство между волокнами дерева, превращая бумагу в более-менее однородную среду. Свет не должен больше «прыгать» через воздушные зазоры и более спокойно распространяется через такую бумагу. Этим свойством пользовались в древности, собственно промасленная бумага издавна использовалась для снятия копий и перерисовывания рисунков.

Точно так же происходит, когда жир, сало или масло попадает на одежду. Материал для одежды тоже состоит из волокон, и масло впитывается в них, просачиваясь по капиллярам. Это изменяет оптические свойства материи – она по-другому отражает свет, сильнее пропускает свет и кажется нашему глазу другой. Поэтому масляные пятна так заметны на одежде.

Как же избавиться от жирных пятен? Очевидно, надо найти такую жидкость, которая будет просачиваться между волокон еще лучше, чем жир или масло, и растворит их. Таким веществом является раствор мыла, щелочи или стирального порошка. Мы-то думали, что в стиральной машине происходит обычная стирка, а там идет война жидкостей в капиллярах!

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.