Я. Перельман Занимательная физика
Занимательные опыты по физике для детей
Картезианский водолаз
А. Виленкин
Бумажный кораблик легко держится на воде, но когда бумага намокнет, кораблик тонет. Сухой кораблик держит на поверхности воды воздух, находящийся под куполом. Если купол намокнет и расползется, то воздух из-под него выйдет, и кораблик утонет. А нельзя ли сделать так, чтобы воздух то выходил из-под купола, то входил, а кораблик то тонул, то всплывал - по нашему желанию? Оказывается, можно. Впервые такую игрушку сделал великий французский ученый и философ Рене Декарт, и теперь ее называют "картезианским водолазом" (по латыни Рене Декарт звучит как Ренатус Картезиус). Только в ней воздух не входит и не выходит, а сжимается или расширяется. Устройство "водолаза" показано на рисунке.
Возьмите молочную бутылку, пузырек от какого-нибудь лекарства и надувной резиновый шарик. Бутылку наполните водой почти до горлышка. Пузырек опустите отверстием вниз в воду и, наклонив его, впустите в него немного воды. Количество воды в пузырьке надо отрегулировать так, чтобы пузырек держался на, поверхности воды, но от малейшего толчка уходил под воду (удобно взять соломинку и через нее вдувать под водой воздух в пузырек, пока он не всплывет). Затем накройте горлышко бутылки резиновой пленкой от шарика и привяжите ее ниткой вокруг горлышка. Нажмите на пленку - и "водолаз" пойдет ко дну. Отпустите - и "водолаз" всплывет. Тонет он вот почему. Когда вы нажимаете на пленку, воздух под ней сжимается, давление в бутылке увеличивается и загоняет в пузырек еще немного воды. Пузырек становится тяжелее и опускается. Как только вы отпускаете пленку, давление в бутылке уменьшается, сжатый воздух в пузырьке выгоняет лишнюю воду, и "водолаз" всплывает.
Два физических фокуса
В. Майер, Е. Мамаева
Вы берете стеклянную трубку с оттянутым, как у пипетки, концом и показываете ее своим зрителям. Другой рукой берете за верхний край стакан с водой, нагретой до температуры 80—90°С, и тоже показываете его. Опускаете трубку оттянутым концом в стакан и ждете, пока в нее не войдет вода. Затем вы закрываете пальцем верхнее отверстие трубки и вынимаете ее из стакана (на рисунке).
При этом зрители обнаруживают, что у нижнего отверстия трубки образуются воздушные пузырьки. Они растут, отрываются от стенок и поднимаются внутри трубки вверх. А вода из трубки не выливается!
Затем, открыв верхнее отверстие трубки, вы выливаете воду обратно в стакан, несколько раз плавно машете перед собой пустой трубкой и вновь набираете воду из стакана в трубку. Закрыв верхнее отверстие трубки пальцем, вы быстро вынимаете ее из стакана и переворачиваете — из трубки бьет мощный фонтан на высоту более метра. Почти наверняка секрет этих фокусов не будет раскрыт. А он очень прост: в стакане находится вода, нагретая до 80—90°С, тогда как трубка; имеет, комнатную температуру около 20°С. С первым фокусом попробуйте разобраться сами, а второй мы поможем вам объяснить. Когда в трубку из стакана попадает горячая вода, воздух в верхней части трубки (в силу его плохой теплопроводности) имеет практически комнатную температур. После того как вы закроете пальцем верхнее отверстие трубки и трубку перевернете, горячая вода по стенкам начнет стекать вниз, быстро нагревая воздух. Давление воздуха в трубке возрастает, и расширяющийся воздух «выбрасывает» через узкое отверстие трубки не успевшую опуститься вниз воду в виде фонтана. В опыте мы рекомендуем использовать стеклянную трубку
диаметром 8—12 мм и длиной 30—40 см, маленькое отверстие которой имеет диаметр около 1 мм. В промежутке между фокусами трубку надо как следует охладить (можно даже подуть в трубку), так как высота фонтана зависит от разности температур воздуха и воды, набранной в трубку. Оптимальное количество набираемой в трубку воды колеблется в пределах от 1/4 до 1/3 объема трубки и легко подбирается экспериментально.
Капля на горячей поверхности
М. Голубев, А. Кагаленко
Расположив утюг горизонтально, капните на него немного воды. Если температура утюга около 100°С (немного больше 100°С), то ничего особенного не произойдет. Капелька растечется по поверхности утюга и быстро, за несколько секунд, испарится. Если же температура утюга значительно больше 100°С (350-500°С), картина явления будет другой. Капелька, упав на утюг, отскочит от него, как мячик от пола (невысоко, на высоту 1-5 мм), и затем будет двигаться, не касаясь нагретой поверхности. Стабильность такого состояния зависит, прежде всего, от температуры поверхности - чем сильнее нагрет утюг, тем спокойнее ведет себя капля. Кроме того, время пребывания капли на утюге до полного испарения увеличивается во много раз. Причем скорость испарения капли зависит от ее размера: большие капли быстро уменьшаются в размерах до 3-5 мм, а маленькие "живут" довольно долго без заметных изменений. В одном из наших опытов капля диаметром 3 мм продержалась до полного испарения около 5 минут (300 секунд).
В чем причина столь странного поведения капли? Вернемся к началу опыта - капля воды падает на раскаленную поверхность. В начальный момент ее температура около 20°С. Затем буквально за доли секунды нижние слои нагреваются до 100°С, и начинается столь интенсивное испарение, что сила давления образующихся паров воды становится больше силы тяжести капли. Капля подпрыгивает, затем снова падает на утюг. За несколько подскоков вся вода в капле успевает прогреться до температуры кипения. Далее при достаточной температуре нагретой поверхности капля быстро успокаивается и начинает двигаться на некоторой высоте над этой поверхностью. Очевидно, в этом случае сила давления паров воды уравновешивает силу тяжести капли. В установившемся режиме капля довольно стабильна и "живет" весьма значительное время.
Обратите внимание на форму капли. При малых размерах форма капли близка к сферической, а при больших - сфера оказывается сильно сжатой в вертикальном направлении. Дело в том, что капля над горячей поверхностью находится как бы на паровой подушке, опирается на нее. Возникает сила реакции, которая и вызывает деформацию капли. Чем капля больше, тем эта деформация заметнее.
В каплях (особенно больших) могут возникать колебательные процессы, например, сжатие и растяжение, а также и более сложные колебания . На фотографии, приведенной на рисунке 1, в центре капли видно темное пятно. Это - образовавшийся внутри капли воды пузырек пара. В больших каплях может возникнуть несколько таких пузырьков. Иногда капля приобретает форму кольца с одним большим пузырьком пара посередине. При таком режиме испарение происходит так интенсивно, что капля на глазах уменьшается в своих размерах. На рисунке 2 один из наиболее интересных видов колебаний – « треугольная капля».
рис.1 рис.2
В заключение несколько советов тем, кто захочет сам провести описанные опыты.
1. Желательно взять утюг, рабочая поверхность которого была бы как можно ровнее, то есть, чтобы отсутствовали царапины, неровности и т.п. Встреча капли с неровностью утюга значительно сокращает время ее жизни (подумайте, почему?).
2. Утюг надо как-то закрепить (например, в штативе) и привести его поверхность в горизонтальное положение. В наших опытах использовался штатив от геодезического прибора.
3. Не следует забывать и о технике безопасности, прежде всего, о надежности изоляции провода утюга и о предохранении попадания кипящей воды на руки.