Физика в играх

Шарлиеры из резины, наполненные водородом, продаются на улицах в больших городах за несколько копеек, но интересно его сделать и самому. Способ приготовления водорода изложен в последней главе этой книги. Лучше всего приготовить шар из коллодия, который, как известно, быстро испаряется и образовывает пленку. Для этого нужен не очень густой коллодий, бутылка емкостью 1–2 литра с широким горлом и совершенно чистая и гладкая внутри. Нужны еще две стеклянные трубки длиной по 30 сантиметров. Конец одной из трубок надо запаять. Колбу и трубки можно приобрести в магазине наглядных школьных пособий.

Налейте полрюмки коллодия в чистую сухую колбу и поворачивайте ее так, чтобы стенки и горлышко колбы покрылись тонким слоем коллодия, а излишек вылейте. Затем через открытую стеклянную трубку дуйте в колбу. Так вы просушите коллодий на стенках. Пленка образуется очень быстро, и ее надо снять, прежде чем она совершенно высохнет. Отделите коллодий у конца горлышка бутылки. Затем осторожно отделите пленку коллодия по всей длине горлышка колбы. Далее наденьте ее на стеклянную трубку и привяжите к ней мягким шнурком. Высасывая теперь воздух из этой трубки, можно мало-помалу отделить всю пленку от стенок колбы. При этом трубка с запаянным концом может помогать отделению пленки от стенок.

Сморщенный шар, вытащенный из колбы, надуйте и окончательно просушите. Края отверстия шара обыкновенно получаются покрытыми толстым слоем коллодия. Чтобы шар был легче, подрежьте их ножницами. Наполнить шар газом очень легко. Положите его на стол, выдавите руками весь воздух и наденьте шар на отверстие газовой горелки. Затем привяжите шар мягкими нитками и откройте газ. Когда шар наполнится газом, снимите его, потуже затяните нитку, которой он был привязан к горелке. Вот и все. Большой легкий шар очень легко поднимается.

Монгольфьер. Нетрудно построить самому и монгольфьер из папиросной бумаги. Шар-монгольфьер склеивается из полосок папиросной бумаги, заостренных с обеих сторон. На рис. 13 показана выкройка одной части шара-монгольфьера, диаметром 1,5 метра.

Прежде всего пропорционально увеличьте все размеры нашего рисунка до желательной величины и вырежьте из тонкого картона или плотной бумаги шаблон. Чтобы шаблон был правильным, лучше всего сложить его вдвое вдоль по длине и проверить, получились ли одинаковыми обе стороны его. Теперь заготовьте полоски папиросной бумаги. Полоски должны быть длиной 2 метра 40 сантиметров, но бумаги такой длины достать нельзя; поэтому придется склеивать полоски из нескольких листов. Чтобы шар получился красивым, можно взять бумагу разных цветов.

Для нашего шара нужно 12 полосок бумаги. Вырежьте все полоски точно по шаблону и тогда беритесь за их склейку. Склеивать шар одному неудобно, придется обратиться к товарищам за помощью. Когда будете вырезать полоски из папиросной бумаги, не забудьте оставить со всех сторон добавочные кромки шириной по полсантиметра. Эти кромки уйдут на швы при склеивании полосок. Швы надо склеивать постепенно, пользуясь крахмальным клейстером.

Рис. 13

Сначала склейте полоски по две: получится нечто вроде шести лодочек. Затем лодочки склеиваются по две, и наконец остается сделать только один последний шов. Это самое трудное дело. Когда справитесь и с этой работой, оклейте шар снизу кольцом из бумаги шириной 4–5 сантиметров. Папиросная бумага для кольца должна быть сложена вдвое по длине так, чтобы конец шара из папиросной бумаги оказался оклеенным кольцом с обеих сторон. Это кольцо нужно для устойчивости монгольфьера в полете, и, кроме того, оно делает монгольфьер более прочным.

Сверху монгольфьера наклейте шляпку из папиросной бумаги – кружок – диаметром 10–13 сантиметров. При склейке шара, как бы аккуратно вы ни старались это сделать, на макушке его все же останутся несколько щелей, которые нужно покрыть шляпкой.

Готовый шар просушите на примусе и во время просушки заклейте маленькими заплатками мелкие дырочки, которые могли получиться при склейке. Просушку надо обязательно проводить в помещении, так как порыв ветра может испортить всю работу.

Пускать шар нужно в тихую погоду, иначе его трудно наполнить горячим воздухом, а небольшой порыв ветра может раздуть пламя и поджечь монгольфьер.

Разведите во дворе небольшой костер из бумаги и стружек, облитых керосином. Костер лучше всего разводить в старом ведре, а над ведром поместить большую опрокинутую воронку. Воронка направит горячий воздух в отверстие. Два-три человека пусть держат шар за нижнее кольцо над костром, а двое во время наполнения должны поддерживать его с боков.

Рис. 14

Когда шар наполнится горячим воздухом, его нужно держать только за кольцо (рис. 14). В тот момент, когда почувствуется легкая тяга шара вверх, его можно отпустить всем сразу по команде; если кто-нибудь замешкается, шар может пойти боком и потерять при этом горячий воздух.

Если сделать шар из цветной папиросной бумаги и расписать его яркими красками, – это будет очень красивое зрелище. Такие шары можно пускать на различных авиационных праздниках.

Опыты с барометром. Как бы сильно облака ни закрывали от воздухоплавателя землю, он может в любой момент довольно точно определить, на какой высоте он находится над поверхностью земли. Вы спросите, каким образом это возможно?

Определение высоты производится при помощи прибора, называемого барометром. Простейший барометр – это запаянная с одного конца и открытая с другого стеклянная трубка, длиною около метра, наполненная ртутью и опрокинутая в чашечку с ртутью. В трубке ртуть опускается, и над ней образуется пустота. Ртуть, конечно, не выливается из трубки, потому что ее удерживает давление воздуха на ртуть в чашечке, и от величины этого давления зависит высота ртутного столба.

Давление в каком-либо месте зависит от высоты находящегося над ним столба воздуха. Когда воздухоплаватель поднимается в верхние слои атмосферы, то давление там становится меньше, чем было внизу, и поэтому ртуть в барометре будет опускаться, и тем ниже, чем выше поднимется воздухоплаватель. Если нанести на трубку ртутного барометра деления, соответствующие высоте, то по положению уровня ртути можно измерять высоту подъема. Однако ртутные барометры неудобны для полетов. Вместо них применяются обычно металлические, так называемые барометры-анероиды. Если вам удастся достать барометр-анероид, то с ним можно будет проделать интересный опыт.

Прибор этот так чувствителен, что не нужно непременно высоко подниматься, чтобы заметить изменения его показаний. Выйдите во двор, держа его прямо перед собой, слегка ударьте по нему пальцем, чтобы облегчить перемещение стрелки, и, заметив показание стрелки, взойдите на второй этаж дома. Здесь опять слегка стукните пальцем по анероиду, и вы сразу заметите, что стрелка отойдет назад. Когда вы подниметесь на четвертый или пятый этаж, положение стрелки переменится уже довольно значительно. Но сколько бы вы ни ходили по комнатам одного какого-нибудь этажа, не изменяя высоту, – стрелка будет оставаться неподвижной.

Воздушный змей. Все вы знакомы с обыкновенным воздушным змеем и, может быть, даже сами запускали его.

Змей всегда запускается против ветра. Вы быстро бежите, и змей поднимается в воздух. Чем сильнее ветер, тем медленнее можно бежать. При сильном ветре змея можно запустить стоя на одном месте. Время от времени слегка отпуская нитку, можно добиться того, что змей будет подниматься еще выше. Змей летает потому, что его плоскость имеет наклон, и ветер, напирая снизу, поднимает его вверх. Чем сильнее дует ветер, тем сильнее он нажимает на змея и тем лучше поднимает его. При слабом ветре давление недостаточно, и запускающему приходится бежать, чтобы увеличить давление.

Самый простой змей – это квадратный кусок тонкой бумаги, натянутый на легкий каркас из дранок. С одной стороны к квадрату привязан длинный хвост, чтобы удерживать змея всегда в наклонном положении. Хвост змея, кроме того, поддерживает устойчивость его в полете, не дает ему кувыркаться. Снизу к раме привязываются нитки, на которых запускается змей.

Рис. 15

Существуют конструкции змеев и совсем иного типа.

Хорошо поднимается, например, коробчатый змей системы Поттера (рис. 15).

Две коробки, имеющие в сечении вид ромба, соединены продольными рейками. К тупым углам ромба привязаны нитки; на них запускается змей. Этот змей очень хорошо летает даже при тихой погоде и очень устойчив в воздухе.

Для изготовления его приготовьте 4 сосновые рейки длиной 1 метр, сечением 8 x 4 миллиметра, две рейки длиной по 87,5 сантиметра такого же сечения и две рейки длиной по 50 сантиметров такого же сечения. Рейки длиной по 87,5 и 50 сантиметров свяжите в два креста и к концам их привяжите концы длинных реек. Рейки должны быть из очень сухой и прямослойной сосны, без сучков.

Теперь обтяните каркас полосками материи шириной 25 сантиметров, как показано на рис. 15. Материя нужна легкая, но плотная; очень хорошо тонкое полотно. Материю приколотите мелкими гвоздиками и слегка натяните.

Только не натягивайте очень сильно, иначе остов перекосится. Концы полосок материи сшейте. Если не найдете материи такой длины, чтобы ее хватило на весь каркас, можно сшить ее из отдельных кусочков. Но сделайте это так, чтобы швы пришлись как раз на рейки. Если сумеете достать авиационный лак – эмалит, – очень хорошо покрыть им материю.

Затем нужно сделать так называемую путлю – шнурки, к которым привязывается леер – бечевка, служащая для запускания змея. Концы тонкой бечевки длиной 1 метр прикрепите к самому концу рейки, привязанной к тупому углу ромба. Это будет у нас передняя сторона змея. Второй конец этой бечевки привяжите на расстоянии 25 сантиметров от заднего конца змея, как раз там, где кончается обтяжка материи. Еще один конец второй бечевки прикрепите у конца обтяжки передней стороны каркаса. Второй конец этой бечевки привяжите к середине петли, получившейся из первой бечевки. Теперь можно привязать леер. Место крепления леера зависит от того, при какой силе ветра запускается змей. При сильном ветре леер привязывается ближе к месту соединения двух бечевок, а чем ветер слабее, тем дальше. Буквой а показано у нас место крепления леера при сильном ветре, буквой в — при среднем и буквой с — при слабом.

Для того чтобы сделать змей прочным, можно изготовить еще две рейки длиной по 87,5 и 50 сантиметров, связать их крестом и укрепить внутри каркаса в том месте, где привязан конец первой бечевки.

Летающий винт. Когда мы запускаем змея, он стоит на месте, а движется ветер, нажимает на наклонную плоскость змея и поддерживает его.

Но можно заставить аппарат двигаться и летать в неподвижном воздухе. Мы уже видели, что если, например, бежать со змеем в неподвижном воздухе, то, двигаясь, он набирает высоту. Этого же можно достигнуть иным способом.

Пропеллер самолета представляет собой, в сущности, очень короткий винт с весьма глубокой нарезкой. Быстро вращающийся пропеллер ввинчивается в воздух и тянет за собой самолет.

Но можно сделать винт отдельно и заставить его быстро вращаться и летать. Возьмите катушку от ниток и прибейте ее гвоздиком к какой-нибудь рукоятке так, чтобы она легко вертелась на этом гвоздике. Если шляпка гвоздика небольшая и катушка соскакивает с него, подложите под шляпку кусочек жести. Сверху в катушку вбейте два тонких гвоздика, уже без шляпок, как показано на рис. 16, А.

Из полоски жести или латуни длиной сантиметров десять вырежьте фигуру пропеллера, пробейте аккуратно в середине две дырочки (рис. 16, Б) так, чтобы они свободно надевались на штифты, забитые в катушку. Возьмитесь пальцами за концы пропеллера и изогните их винтообразно; концы пропеллера должны получиться почти под прямым углом один к другому.

На катушку плотно намотайте прочную нить длиной примерно в полметра, наденьте пропеллер на штифты катушки и сильно дерните за нитку. Катушка, а с ней и пропеллер быстро завертятся, и вдруг пропеллер соскочит с катушки и взлетит высоко вверх.

Рис. 16

Попробуйте по-разному изгибать пропеллер и добейтесь того, чтобы он поднимался на 10–12 метров. Только будьте осторожны: быстро вращающийся металлический пропеллер может наделать бед, если налетит на человека или какие-либо хрупкие предметы.

Бабочка. Есть очень забавная летающая игрушка, похожая на бабочку. В то время, когда самолеты еще еле отрывались от земли, она приводила всех в восторг полетами к потолку комнаты. И теперь она бывает в продаже, но мы ее можем сделать и сами.

Возьмите две тонкие щепочки а и б длиной по 14 сантиметров и шириной полсантиметра и вклейте их концы параллельно друг другу в две половинки крепкой и плотной пробки А и Б (рис. 17). Толщина пробки должна быть 4–5 миллиметров. Выстрогайте еще две тонкие лучинки л и воткните их в пробку А так, как показано на рисунке. Эти лучинки должны быть немного согнуты. Согнуть их легко. Смочите лучинки водой, загните, завяжите в этом положении нитками и подержите над огнем. Когда лучинки высохнут, можно спокойно развязать нитки: изгиб почти не изменится.

Рис. 17

Прямые лучинки каркаса бабочки и изогнутые – для крыльев – хорошенько вклейте в пробки столярным клеем. Вырежьте из папиросной бумаги крылья бабочки и приклейте их к лучинкам. Крылья можно разрисовать яркими красками. В половинку такой же пробки, как для каркаса, вклейте усики п бабочки, также согнутые из тонких лучинок и оклеенные папиросной бумагой. Усики должны быть повернуты один к другому так, как повернуты лопасти пропеллера, потому что они будут вращаться и тянуть бабочку.

Из тонкой крепкой проволоки, например из английской булавки или скрепки для бумаги, сделайте крючок, проткните его сквозь пробку А, затем наденьте стеклянную бусинку, пропустите ось крючка сквозь пробку В усиков и закрепите в ней, загнув проволоку. Эта ось с крючком должна очень легко вращаться в пробке А. Лучше всего, кроме бусинки, проложить еще по обе стороны ее маленькие жестяные кружки.

Между крючками натяните 8—10 тонких резиновых нитей сечением 1x1 миллиметр. Такие резиновые нити употребляют авиамоделисты для летающих моделей самолетов. Резинки не следует сильно натягивать.

Возьмите бабочку двумя пальцами левой руки за пробку Д а правой закрутите резинки, поворачивая голову бабочки. Когда вы отпустите голову, резинки станут раскручиваться и завертят усики. Тогда выпустите бабочку из левой руки, и она быстро взлетит под потолок. Она очень смешно трепещет крыльями, летает вправо и влево, кувыркается и наконец, медленно, все так же трепыхаясь, опускается вниз.

Главное при изготовлении бабочки – то, что она должна быть легкой, но прочной. При закручивании резины она не должна ломаться. Чем сильнее накрутите резину, тем лучше полетит бабочка. Только при закручивании усиков нужно обращать внимание на то, как они изогнуты.

Может получиться так, что бабочка не поднимется вверх, а с силой ударится о пол и сломается.

Бумеранг. Бумерангом называется оригинальное метательное оружие австралийцев. Он представляет собой узкую серповидную дощечку; один ее конец немного длиннее другого.

В руках австралийских дикарей бумеранг крайне опасное оружие. Они сбивают им птиц с деревьев на расстоянии 50 и более метров. Когда же смертоносное оружие не достигает цели, оно, описав дугу, возвращается к ногам стрелка.

Можно самому сделать маленький бумеранг и пускать его в комнате.

Возьмите почтовую открытку и вырежьте из нее угольник с тупым углом изгиба. Одна сторона этого угольника, как и в настоящем бумеранге, должна быть немного длиннее, а значит, и тяжелее другой. На рис. 18 видна фигура маленького бумеранга. Размер ее большого значения не имеет. Если такой бумеранг поместить на край наклонно положенной книги и ударить палочкой по выступающему более длинному концу, то он, быстро вращаясь, полетит вперед и, описав дугу, возвратится к вам.

Рис. 18

Этот опыт не всегда удается сразу, но, вырезав несколько бумерангов, можно найти такую форму, при которой бумеранг обязательно будет возвращаться обратно.

Опыт с катушкой. Для этого интересного опыта нужно иметь только старую катушку от ниток, кусок гладкого плотного картона, булавку и трубку. Вставьте трубку в катушку. Из картона вырежьте кружок диаметром 3 сантиметра и в центре его воткните булавку (рис. 19). Трубку с катушкой на конце возьмите в рот, снизу в катушку вставьте кружок с булавкой так, чтобы булавка вошла внутрь катушки, и сильно подуйте.

Вы думаете, что кружок моментально отлетит от катушки? Получается как раз наоборот: пока вы дуете, кружок держится у катушки и не падает, но, как только вы перестанете дуть, он сейчас же упадет.

Это происходит потому, что воздух, выходящий из катушки, быстро растекается в стороны параллельно кружку, причем понижается давление на картон с той стороны, которая обращена к катушке. В это же время давление окружающего воздуха поддерживает кружок с другой его стороны.

Рис. 19

Шарик, танцующий в воздухе. Еще примерно за сто лет до нашей эры александрийский ученый Герон произвел интересный опыт. На открытый конец изогнутой трубки он положил легкий шарик и затем в трубку нагнетал воздух. Шарик, поднявшись над концом трубки, как бы плясал в воздушной струе, не отлетая в сторону.

Этот опыт легко повторить. Наденьте на короткий конец изогнутой под прямым углом стеклянной трубки длиною около 25 сантиметров проволоку, согнутую спиралью (рис. 20, справа). Сделайте из бузинной мякоти шарик диаметром примерно 1 сантиметр и положите его в эту спираль. Попробуйте подуть в другой конец трубки сначала слабо, а потом все сильнее и сильнее, – и шарик будет плясать в воздушной струе.

Рис. 20

Объясняется этот опыт довольно просто. Если струя обтекает шарик равномерно, он будет держаться в ней на какой-то высоте. Если же струя чуть отклонится ветром или шарик собьется с середины струи, сейчас же произойдет вот что: скажем, правая половина шарика вышла из струи, она, значит, потеряла точку опоры, а на левую струя продолжает нажимать, вследствие чего шарику сообщается вращательное движение. Это хорошо видно на опыте с шариком в струе воды (рис. 20, слева). Он вновь как бы вкатывается в середину струи, не успев окончательно выскочить из нее.

Как перевернуть стакан, наполненный водой, не пролив ни капли. Налейте в какой-нибудь небольшой стаканчик со шлифованными краями воды до краев (можно и до половины) и наложите на него листок бумаги. Осторожно, придерживая бумагу ладонью, переверните стакан, а затем спокойно отнимите руку, – вода не выльется: воздух, давящий снизу на бумагу, удерживает воду. Без бумаги вода легко могла бы вылиться с какой-нибудь одной стороны, в свободное место проник бы воздух и вытеснил всю остальную воду.

Струя, бьющая по приказанию. Поставьте на деревянную подставку бутыль (рис. 21) с боковым горлышком. Такие бутыли продаются в магазинах школьных наглядных пособий. Вместимость ее должна быть примерно 1 литр. В оба горлышка бутыли с помощью резиновых пробок вставьте две согнутые стеклянные трубки Аж Б. Рядом с бутылью на стол поставьте жестяной таз так, чтобы трубка А не доходила до дна таза. Этот таз должен иметь кран или трубку с резиновым рукавом для выпуска воды.

Рис. 21

Закройте отверстие трубки Б, выньте пробку из верхнего горлышка бутыли и налейте в нее воду. Затем заткните верхнюю пробку. Из трубки Б вода может вытекать только тогда, когда через трубку А в бутыль будет попадать воздух. В этом легко убедиться, если заткнуть пальцем отверстие трубки А и открыть боковую трубку Б. Вода из нее не будет выливаться. Зажав трубку В, налейте воду в таз. Если в таз налить столько воды, чтобы она покрыла отверстие трубки А, можно смело открыть трубку Б – вода из нее не будет выливаться. Когда мы немного разожмем трубку, выводящую воду из таза, уровень воды в тазе станет понижаться и наконец откроет отверстие трубки А. В этот момент из трубки Б начнет бить вода. Если приток воды из трубки Б идет быстрее, чем вода вытекает из таза, уровень воды в тазе снова повысится и закроет отверстие трубки А. Вода из бутыли опять перестанет вытекать, но вскоре уровень воды в тазе понизится, и все начнется сначала.

Про такую струю можно сказать, что она бьет «по приказанию». Если вы показываете этот прибор людям, незнакомым с его действием, то можете «командовать» струей.

Пустите воду из трубки Б и подождите, пока поверхность воды в тазе настолько повысится, что вот-вот закроет отверстие трубки А; тогда медленно скажите: «Остановись», и струя, к удивлению зрителей, остановится. Когда же поверхность воды в тазе опустится настолько, что отверстие трубки А скоро откроется, повелительно скажите: «Струя, бей», и она через секунду начнет бить. В действительности, конечно, не вы даете «приказания» струе, а она вам.

Сифон. Кто мало знаком с законами физики, тот с трудом поверит, что вода в трубке может перелиться через горку без помощи насоса. Это, однако, возможно, но при двух условиях: 1) ведро для стока должно стоять ниже того сосуда, из которого вытекает вода, и 2) горка должна быть не выше 10 метров.

Чтобы понять действие такого приспособления, рассмотрим очень простой аппарат, носящий название сифон.

Короткий конец согнутой трубки вставляется в сосуд, откуда вытекает вода, а длинный – в пустую банку (рис. 22, А). Если предварительно набрать воду в трубку и опустить ее короткий конец в верхний сосуд с водой, то достаточно будет открыть нижнее отверстие для того, чтобы пошла непрерывная струя воды.

Вода будет литься до тех пор, пока полностью не опорожнится верхний сосуд.

Можно в верхний сосуд опустить конец пустой трубки, а затем втянуть воду ртом через длинный конец, после этого вода станет сама выливаться.

Чем объясняется действие сифона? На оба конца трубки воздух давит с одинаковой силой, и вода в них была бы в равновесии, если бы оба отверстия были на одном уровне. Но так как один конец сифона ниже другого, столб жидкости в нем тяжелее, чем в коротком колене. Поэтому вода выливается из этого более длинного конца, а атмосферное давление вгоняет воду в отверстие короткого конца. Таким образом, вода как бы непрерывно втягивается в короткий конец. На самом деле это давление наружного воздуха вгоняет воду в короткую трубку.

Опыт с сифоном очень хорошо произвести, воспользовавшись резиновой трубкой. Тогда можно наблюдать, что чем ниже опускать свободный конец трубки, тем быстрее будет выливаться вода, а если поднять конец трубки до уровня более короткой части сифона, вода совсем перестанет выливаться. Если же этот подвижной конец поднять вместе со вторым сосудом выше поверхности жидкости в верхнем сосуде, то вся вода из сифона выльется в верхний сосуд обратно. На рис. 22, Б показано, как можно провести воду из озера через горку и вывести ее в долину фонтаном.

При вытягивании из сифона воздуха ртом жидкость может попасть в рот, а так как сифоном часто переливаются вредные жидкости, например кислоты, то, чтобы обезопасить себя, придумали очень простое приспособление.

Рис. 22

Сбоку длинной трубки сифона приделали еще одну трубку так, чтобы она вошла в сифон нижним концом. Верхний конец этой добавочной трубки изгибается, и, кроме того, на ней делается небольшой шар (рис. 22, В).

Пользуются этим сифоном так. Сначала затыкают длинный конец сифона, то есть выходное отверстие, затем всасывают жидкость в боковую трубку Шар не дает жидкости попасть в рот, потому что, дойдя до шара, жидкость поднимается очень медленно, и втягивание ее можно прекратить. Теперь стоит только открыть нижнее отверстие сифона, и жидкость потечет из него.