Физика в играх - Бруно Донат

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.

Шар Герона. Атмосферный воздух обладает способностью сжиматься. В цилиндре с плотно вставленным в него поршнем можно, например, легко сжать 2 литра воздуха до объема 1 литра или еще меньше. Когда воздух сжимается, увеличивается, конечно, давление, которое он оказывает на стенки сосуда. Соразмерно с этим должна быть увеличена и прочность сосуда.

Физики Бойль и Мариотт открыли такой закон: если на данное количество всякого газа будет оказано вдвое, втрое и т. д. большее давление, то объем его уменьшится вдвое, втрое и т. д. раз. С другой стороны, если в один и тот же сосуд определенного объема нагнетать вдвое, втрое и т. д. большее количество воздуха, то во столько же раз возрастет и его давление. Это последнее свойство газа можно обнаружить при помощи простого прибора, называемого героновым шаром. Изобретение его приписывают знаменитому древнему математику и физику Герону Александрийскому.

Для этого опыта нужны только аптекарская склянка, пробка и заостренная стеклянная трубка.

Заполните водой примерно 1/5 часть склянки и пропустите трубку сквозь пробку почти до самого дна (рис. 23). Воздух в бутылке давит на воду с такой же силой, как и наружный воздух через трубку. Оба этих давления уравновешиваются, и вода остается в покое.

Рис. 23

Теперь возьмите в рот конец трубки и дуйте в бутылку насколько хватит сил. Воздух будет входить в бутылку сквозь воду в виде пузырьков. Как только вы вынете трубку изо рта, внутренний воздух, обладающий сейчас уже большим давлением, чем внешний, немедленно вытеснит воду через трубку, и из нее вылетит высокая струя. Фонтан будет бить до тех пор, пока есть вода в бутылке или пока давление воздуха в бутылке не сравняется с наружным.

Геронов фонтан. Геронов фонтан примерно то же самое, что и шар Герона. Разница только в способах сжатия воздуха.

Возьмите две бутылки с широким горлышком, чтобы можно было вставить в них пробки с двумя стеклянными трубками (рис. 24, А). Одну из бутылок поставьте на стол и налейте в нее почти дополна воды. В пробку этой бутылки вставьте суженную наверху стеклянную трубку, нижний конец которой должен доходить почти до дна сосуда. Вторую трубку изогните в двух местах. Эта трубка должна быть такой длины, чтобы она доставала до второй бутылки.