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

Это газ от взрыва сверхновой звезды в космосе.

А это следы капли через несколько минут.

Ученые часто создают для изучения каких-то очень больших явлений специальные условия, которые похожи по своей обстановке на эти явления. Например, сложно измерить и понять на летящем самолете, как его обтекают струи воздуха. Тогда делают маленький макет самолета и в лаборатории обдувают воздухом из специального вентилятора. И получают возможность изменять конструкцию самолета, разрабатывать новые модели.

Разве не удивительно?

Для опыта нам потребуется:обычная свечка.

Если говорить про воздушные и водные потоки, то при всем их многообразии существует два принципиально различных потока. Один тип называется ламинарным, то есть спокойным, а другой – турбулентным, то есть беспорядочным, возбужденным, хаотическим. Простой опыт покажет, чем они отличаются. Если в комнате с закрытыми дверями и окнами, где нет движения воздуха, зажечь и погасить свечу, то от тлеющего фитиля будет подниматься ровный, практически прямой теплый поток дымка. На фотографии видна эта практически прямая, как нитка, струйка дыма. Такой спокойный, не возмущенный ничем поток называется ламинарным. Он хорош тем, что все частицы газа движутся как бы равномерно, без рывков и завихрений. Поэтому, хотя их скорость и невелика, ламинарный поток передает вещество гораздо более эффективно. Например, если бы из крана струя воды шла в виде ламинарного потока, то ведро воды набиралось бы за пару секунд!

Ламинарный поток от тлеющего фитиля. Практически ровная струя. Все окна и двери на моей кухне закрыты, воздух не колышется, я тихо дышу в сторону, чтобы не создавать колебаний воздуха.

Ламинарный поток превращается в турбулентный.

Но ламинарные потоки встречаются гораздо реже, чем турбулентные. Как только поток жидкости или газа набирает скорость или встречает другие возмущающие потоки, он разбивается на кучу вихревых образований и становится турбулентным. Вместо того чтобы спокойно передвигаться вперед, поток вращается тысячами микровихрей, затормаживая движение. На следующей фотографии отлично видно, как в какой-то момент ровная струйка ламинарного потока вдруг разбивается сама собой, «ломается» и превращается в хаотический набор вихрей…

Турбулентные потоки срываются с крыльев самолетов и из турбин, с краев мостов и зданий, возникают вокруг предметов… Практически они окружают нас всю жизнь, всегда. Только мы их не видим, потому что воздух прозрачен. Однако в научных исследованиях научились делать фотографии воздушных потоков и внимательно изучают их для конструирования автомобилей, самолетов, поездов, других технических приборов и средств передвижения. Мы же смогли увидеть их, используя обычную свечку.

Для опыта нам потребуется:воздушный шарик.

В одном из романов великого Жюля Верна путешественники оказались за полярным кругом, в страшном холоде, среди льдин и снегов – без огня! У них не было спичек, зажигалок, даже трением не могли они на морозе добыть огонь. Что делать?

Зная законы физики, они придумали очень занятную штуковину. Взяли большой кусок прозрачного льда, вырезали из него линзу, словно стеклянная линза из бинокля или обычное увеличительное стекло.

Возможно ли такое на самом деле? Я с детства хотел проверить этот опыт, но все никак не мог собраться. И вот придумал, как это сделать просто и быстро. Мне надо было доказать, что ледяная линза увеличивает, может фокусировать свет, как и стеклянная.

Для опыта нам понадобится обычный воздушный шарик. Я надел его на кран и налил воды так, чтобы он стал круглым, но не очень большим, примерно с блюдце в диаметре.

Шарик изо льда, заполненный водой внутри.

Затем завязал горлышко шарика узлом… и положил в морозилку! Стал ждать. Дело в том, что вода в шарике замерзает с краев – внутрь. Поэтому сначала образуется ледяная корка, а внутри шарика еще плещется вода. И надо вынуть шарик, пока еще не весь он промерз насквозь. Потому что мы уже знаем, что иначе лед внутри начнет распирать верхние слои и шарик треснет.

Все получилось, как и предсказывали законы физики. Я вытащил шарик, когда он промерз примерно на полсантиметра. Внутри видно было, как плавают пузырьки в воде. Посмотрите на фотографию, как забавно он выглядел, когда я содрал с него резиновую оболочку.

Я положил его в раковину на пластмассовую сетку, и на второй фотографии четко видно, что сетка сильно увеличивается, то есть шарик работает как большая линза!

Шарик, лежащий на сетке, – сетка увеличивается!

На фотографии хорошо видно, что пластмассовая сетка через линзу смотрится примерно в четыре раза больше, чем без увеличения. Это означает, что такой шарик изо льда увеличивает в четыре раза.

Так что Жюль Верн был прав: изо льда действительно можно сделать линзу, которая будет собирать солнечные лучи – и зажигать огонь!

Кстати, я проверил, действительно ли ледяной шарик лопнет, если замораживать его дальше, до конца, насквозь? Посмотрите, как он взорвался изнутри.

Шарик изо льда, взорванный изнутри при полном замораживании.

Тем, кто захочет повторить эту вторую часть опыта, надо быть осторожным – положить шар в мисочку, потому что, когда шарик лопнет, из него вытекут остатки воды и замерзнут на дне морозилки.

Между тем получился еще один красивый опыт. На фотографии отлично видно, как внутри ледяной оболочки располагаются трещины. О чем они говорят?

А они показывают, как распределяется давление и как взрывается изнутри материал, скажем, у наполненной порохом бомбы или ядра. В старину делали ядра из металла, а внутрь насыпали порох и стреляли из пушек. Ядра были круглые. Наш ледяной шарик явился как раз моделью такого ядра. При замерзании на первом этапе сформировалась оболочка – как будто это металлическая оболочка ядра. На втором этапе замерзания лед создает давление изнутри, как будто это взрывается порох. Силы, распирающие оболочку изнутри, рвут материал (лед), и он лопается. Трещины показывают, где разрывающее усилие достигло максимума, стало непереносимым для оболочки. Поскольку лед прозрачный и поверхности этих трещин хорошо видны в отраженном свете, мы можем это увидеть просто своими глазами, без всяких приборов.