ЭКСПЕРИМЕНТ. Шарики и физика.

Для изучения газовых законов аппаратуры в школах мало. Но даже если ее достаточно, работа с ней трудоемка, а получаемые результаты выглядят невразумительно. Однако посмотрите, как изящно решаются эти проблемы с помощью такого простого прибора, как воздушный шарик.

Надуйте шарик до предела и, завязав, вынесите на улицу. В морозный день шарик вскоре заметно уменьшится в размерах. Если, например, температура в комнате плюс 20 °C, а на улице — минус 20 °C, то объем шарика уменьшится на 15 %, а диаметр — на 5 %. Если вы в комнате измерите периметр шарика портновским сантиметром, то обнаружите вполне ощутимое (на 3–5 см) его «похудение» после пребывания на улице. (Для таких опытов лучше применять шарики большие.).

Надуйте шарики разного размера и натяните их на противоположные концы трубки (рис. 1).

Воздух начнет перетекать из одного шарика в другой. Думаете, большой шарик будет надувать маленький? Нет, маленький шарик надувает большой!

Причина в упругости оболочки. Обращали внимание: резиновый шарик в первые моменты трудно надувать. Когда преодолеете «мертвую» точку, дело пойдет легче. Тут проявляет себя универсальное свойство всех материалов. Вначале они сопротивляются растяжению с большей силой, но по мере дальнейшего растяжения она ослабевает. Наступает даже так называемый «предел текучести», когда для дальнейшего удлинения увеличения силы почти не требуется. У металлов такое состояние предшествует разрушению, а резина, из которой делают воздушные шарики, его прекрасно переносит. У сильно раздутого шара оболочка теряет способность активно сжиматься, и ее давление на газ очень мало. Оболочка шарика маленького размера способность к сокращению не потеряла. Поэтому он и надувает большой.

Возьмите пустую бутылку, пропихните внутрь воздушный шарик, а горловину, оставшуюся снаружи, наденьте на горлышко бутылки. Затем попытайтесь надуть шарик внутри бутылки. Даже если это будет огромная двухлитровая бутыль, у вас ничего не получится. Вообще-то, от вашего дуновения шарик раздуется, но на ничтожно малую величину: давление в бутылке повысится и станет равным давлению в шарике, после чего рост его объема прекратится.

Перед вами на одном уровне висят два шарика. Как, не касаясь шариков руками, их соединить? Решение предельно простое, но не очевидное — подуть между шариками (рис. 2).

Давление воздуха в струе всегда меньше атмосферного. Вот сила атмосферного давления с боков и приблизит шарики друг к друга. Сильная струя воздуха от фена или пылесоса позволяет сделать красивейший опыт. Подведите струю воздуха под шарик и отпустите его. Вначале струя поднимет шарик вверх до точки равновесия, где сила тяжести уравновешивается силой давления.

Казалось бы, после этого шар должен соскользнуть со струи и упасть. Нет, он неподвижно зависнет в этой точке, и его не сможет выбить из струи даже боковой удар. Дело в том, что скорость воздуха в середине струи меньше, чем по бокам.

В соответствии с законом Бернулли давление воздуха меньше в том месте, где больше скорость, то есть в середине струи. Поэтому при малейшем смещении шара вбок возникают силы, стремящиеся возвратить его в прежнее положение.

Слышали рассказы о йогах и факирах, которые преспокойно лежат на досках, утыканных множеством гвоздей? Похоже на чудо?

А вот какой опыт поставил физик С.Н. Кириллов. Надуйте воздушный шарик до больших размеров и положите его на острия гвоздей, вбитых в доску (рис. 3).

Поверх шарика поместите кусок фанеры, а на него поставьте блюдо, которое вы будете загружать, например, гирьками. Самое удивительное, что шарик, лежащий на остриях, выдерживает груз до 3 кг, но не лопается! При проведении опыта важно не допускать перекоса, поэтому желательно сделать каркас с боковыми направляющими. Гвозди следует забивать равномерно по всей плоскости на расстоянии 10–15 мм друг от друга, а острия их полезно слегка затупить.

А вот еще удивительный опыт.

Всегда ли в пламени горит резина?

Налейте в шарик воды и поместите в пламя горелки или свечки. Резина только закоптится и не более того, пока вся вода не выкипит из шарика (рис. 4).

Стенка шарика очень тонкая, и тепло огня свечи проходит через нее в воду. Температура оболочки поднимется лишь чуть выше 100 °C, оставаясь в пределах, которые резина еще выдерживает. Нечто подобное встречается в системах охлаждения ракетных двигателей.

Жар в них такой, что сантиметровая стенка из жаропрочного сплава прогорает за доли секунды. Однако тонкая, как бумага, стенка из бронзы, охлаждаемая с одной стороны потоком керосина, прекрасно этот жар выдерживает.

В продаже встречаются шары из толстой резины диаметром в полметра и более. Надуйте такой шар до максимального размера и попытайтесь его утопить. Это веселое, но невыполнимое задание. Для того чтобы понять, в чем дело, подсчитайте объем вашего шара.

Это можно сделать по классической формуле, но для наших целей достаточно точен упрощенный способ. Возведите диаметр шара в куб и разделите на два. Если диаметр выразить в дециметрах, то объем получится в литрах. Так, например, шар диаметром полметра, или пять дециметров, имеет объем 5 x 5 x 5/2 = 62,5 литра. Литр воды весит примерно 1 кг. Следовательно, чтобы утопить такой шар, нужно приложить силу в 62,5 кг, а это не так-то легко.

Реактивное движение отнюдь не достижение нашего времени. Первыми освоили его кальмары и прочие головоногие моллюски сотни миллионов лет назад. Они движутся, выбрасывая струю воды сокращением мускулатуры стенок полости своего тела. Это позволяет, например, кальмарам выпрыгивать из воды и пролетать до сорока метров.

Чтобы почувствовать, как это у них получается, надуйте шарик и, не завязывая, выпустите его из рук. Он взметнется и полетит от вас, выбрасывая струю воздуха. Обычно траектория движения такого шарика хаотична. Но его можно превратить в модель ракеты. Простейшим стабилизатором, который сделает полет устойчивым и относительно прямолинейным, может послужить кусок бумажной ленты, привязанной нитками к отверстию шарика (рис. 5).

В литературе описаны стабилизаторы и других типов. В любом случае следует пользоваться шариками удлиненной формы.

А со сферическим шариком можно провести конкурс «чей шарик улетит дальше». Для этого натяните параллельно на расстоянии около метра друг от друга две или больше лесок. На каждую леску предварительно наденьте трубочку для сока длиной 3–5 см (рис. 6).

Участники конкурса надувают шарики, широким скотчем прикрепляют их к трубочкам и по команде отпускают. Кто выигрывает, наверное, догадались.

Г.ТУРКИНА.