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

Понятно, что разные предметы сжимаются и растягиваются по-разному. Резина легко тянется, а вот мрамор или кирпич почти не сжимаются, лопаются.

Можно ли как-нибудь наглядно «увидеть» действие закона Гука? Я приведу очень простой опыт, в котором мы сможем видеть сразу, как действует сила на предмет.

Возьмем обычный шарик и надуем его. На поверхности нарисуем фломастером клетку. (Я пробовал рисовать шариковой ручкой, и шарик лопнул, изрядно меня напугав.) Получилось как на фотографии.

Шарик с нарисованной клеткой.

Сдутый шарик с лозунгом.

Теперь «сдуем» шарик, и получится резиновая тряпочка с маленькой клеткой, нарисованной на нем. На фотографии видна даже надпись – «Физика – это интересно!».

Шарик растягивается – клетка деформируется. «Гукометр» в действии.

Если мы теперь будем растягивать шарик, прикладывая к нему силу растяжения, мы увидим, как изменяет свои размеры, деформируется наша клетка. Отлично видно, что где приложена сила – там и изменяются геометрические размеры шарика. Можно растягивать шарик в разные стороны сильнее или слабее, а наша нарисованная система координат будет сразу показывать, где и как приложена сила! Можно взять обычную линейку и замерить в сантиметрах размеры клетки, а потом – насколько эти размеры изменились, ровно в такой же степени меняется приложенная сила. Мы получили из шарика прибор, назовем его «гукометр». Прибор для демонстрации закона Гука «вживую»!

Для опыта нам потребуются:высокая стеклянная банка или ваза, черная тушь, пипетка.

Вода обычно прозрачная. Мы с трудом можем понять, как движется сама масса воды внутри, если только в воде что-нибудь не плавает. А ведь движение воды изучается очень многими учеными, целыми специальными институтами. Почему? Потому что это очень важно для хорошей работы многих приборов и устройств. Например, понимая, как движется вода, можно лучше управлять кораблями и избежать столкновений. Приведу один пример. Когда два очень больших океанских судна идут рядом друг с другом, а между ними остается узкая полоска воды, возникает особая сила, которая начинает притягивать корабли друг к другу. Пока этого не знали, случались катастрофы именно по этой причине.

Но как разглядеть движение жидкости?

Попробуем проделать очень красивый и простой опыт. Для него нам будут нужны высокая стеклянная банка или ваза и баночка с черной тушью.

Нальем банку водой доверху (я взял высокую вазу, не пожалел для опыта). Поставим на стол (подстелив газетку) и подождем минут двадцать. Вода должна успокоиться и перестать двигаться.

Теперь обычной пипеткой капнем в воду капельку туши.

Поскольку плотность туши больше плотности воды, капля станет опускаться на дно под действием силы тяжести – и начнет образовывать очень занятные формы. Словно огромный осьминог выпускает щупальца! Посмотрите на фотографии.

Теперь внимательно рассмотрим, как именно опускается тушь в воде. Мы видим, что капля разбивается на отдельные струи, которые распространяются в разные стороны. На конце каждой струи формируется что-то вроде кольца или грибка. Это хорошо видно на следующей фотографии, которую я специально обработал так, чтобы лучше было видно форму капель. Если присмотреться, то видно, что многие капли образуют вокруг струи кольцо. Кольцо окружает основную струю, а верхняя часть капли начинает напоминать гриб.

Эта картина напоминает перевернутый ядерный взрыв. И неслучайно. Оказывается, что законы для жидкостей и газов в некоторых случаях очень похожи. Формирование струи газа при определенных условиях похоже на формирование струи воды.

Капля опускается, как щупальце.

Капли образуют кольца и грибы при опускании. Фотография перевернута вверх ногами.

Что происходит, когда взрывается атомная бомба? Огромная энергия выделяется из взрывающегося урана, и температура в месте взрыва становится почти такой же, как на поверхности Солнца. Воздух мгновенно раскаляется и расширяется. Расширяясь, воздух становится менее плотным и начинает подниматься вверх, в атмосферу. Посмотрим на фотографию настоящего ядерного взрыва, произведенного на атолле (коралловом острове) в 1968 году французским правительством.

По своей структуре, то есть по тому, как взрыв устроен, он очень напоминает наши капли. Почему? Потому что схожи условия, в которых происходят и один и другой «опыты» (наш опыт, правда, мирный).

Это фотография ядерного взрыва, сделанного французами в 1968 году на атолле Фанкватауфа.

Получается, как будто воздушную каплю «капнули» в банку с холодным воздухом. Эта «капля» начинает подниматься, образуя струю (ножка ядерного гриба) и формируя очень запоминающийся «гриб». Точно по тем же законам, по которым формируется «гриб» на нашей капле в банке воды. Отличается только направление движения: воздух легче и поднимается вверх, капля тяжелее – и опускается вниз.

Таким образом можно проследить движение жидкости и законы образования различных форм.

Мало того, если мы сравним наши капли с фотографиями астрономов, где они стараются запечатлеть далекие галактики, то мы обнаружим много сходства. В далеком космосе блуждают непомерно огромные облака космической пыли, газа. Эти облака иногда натыкаются друг на друга, через них пролетают звезды и галактики. Конечно, все это длится миллиарды лет, но законы остаются одинаковыми, что для капли в банке, что для звездного газа. И астрономы с удивлением обнаруживают почти такие же картинки, что мы получили в обычной банке с водой и каплями туши! Вот фотография взорвавшейся 20 000 лет назад сверхновой звезды, сделана телескопом Хаббл. Звезда выплеснула газовые облака – посмотрите, как похожи эти космические газовые «занавески» на то, что получается в нашей банке через несколько минут после «капания». Я специально поместил эти фотографии рядом – видно, что процессы, идущие в обоих опытах, одинаковы. Только один опыт ставим мы, а другой – Творец Вселенной, наверное.