Мы просто убеждены, что любой человек любит играть. Вне зависимости от возраста. Так может, можно и выучить физику, играя? Или по крайней мере получить представления о некоторых ее разделах, лучше понять многие законы и явления? Наверняка! Мы живем в 21 веке, а игрушки придумывали еще и в античные времена. Давайте же рассмотрим несколько вариантов досуга. =)
САМОДВИЖУЩИЕСЯ ШАГАЮЩИЕ ИГРУШКИ
Когда-то, столетие назад, самодвижущиеся игрушки были деревянными и считались народными.
Позднее было налажено уже промышленное производство шагающих игрушек из современной пластмассы. Многие до сих пор с ностальгией вспоминают, как водили на ниточке или спускали с горки своих шагающих Винни-Пухов, солдатиков и мумми-тролей.
Внутри у этих шагающих игрушек нет никакого спрятанного моторчика или заводной пружинки. Так как же они движутся?
Игрушка движется за счет перепада высот под действием силы тяжести. Вначале ее устанавливают наверху на наклонной плоскости. Затем для запуска игрушки достаточно ее слегка качнуть. А дальше игрушка шагает вниз уже самостоятельно.
Интересно, что эти игрушки шагают по наклонной плоскости вниз без всякого ускорения.
Ноги шагающих игрушек представляет собой опорные маятниковые подвески, закреплены на оси, расположенной внутри корпуса, и могут колебаться в параллельных плоскостях. Для того, чтобы ход игрушки был плавным, каждая нога заканчивается закругленной полусферической стопой. Благодаря трению ноги игрушек не сползают вниз по наклонной плоскости.
Каждый шаг зависит от амплитуды отклонения подвижной ноги, при этом центр тяжести игрушки смещается немного вперед. Игрушка наклоняется вниз, но не падая, опирается широкой устойчивой полусферической ступней на поверхность. Оставшаяся сзади без опоры вторая нога сначала повисает в воздухе, но затем по действием силы тяжести вновь занимает положение вертикально вниз, как бы выбрасываясь вперед, и тем самым перемещаясь вперед. Игрушка переходит на другую конечность и процесс движения продолжается. Так, слегка раскачиваясь, игрушка спускается вниз по наклонной плоскости.
Эти игрушки только подтверждают закон сохранения энергии. Потенциальная энергия, присущая им в начале движения, постепенно превращается в кинетическую энергию и в тепловую за счет трения. Несмотря на простоту этих игрушек, их устройство и изготовление достаточно сложно. Их вес должен быть точно выверен, а каждый шаг должен быть не слишком большим, чтобы игрушка не опрокинулась.
Такую игрушку можно сделать самому, и если всё выполнено правильно, игрушка без посторонней помощи спустится по наклонной плоскости. Если же она после первых шагов опрокинется вперед, необходимо» как советует журнал «Левша», подобрать и прикрепить сзади какой-нибудь небольшой противовес. Массу игрушки, длину ног, угол наклона плоскости – все придется подбирать опытным путем.
Это не обязательно должен быть традиционный «бычок». Можно сделать любую другую забавную фигурку. Да и конструкции подобных самодвижущихся игрушек могут значительно различаться. Есть прыгающие зайцы, кенгуру и белочки, есть шагающие зверушки на четырех лапах.
Можно привязать к игрушке длинную нитку, а на другом конце нитки укрепите небольшой грузик. Теперь, если поставить игрушку на стол, а нитку протянуть вдоль стола так, чтобы груз свешивался с края стола, и толкнуть игрушку в бок, чтобы она покачнулась, то она зашагает. Дойдя до края стола, игрушка остановится сама. Такие игрушки по горизонтальной поверхности можно водить за нитку, а по наклонной плоскости они будут шагать самостоятельно
ГУБИТЕЛЬНАЯ ЧАША ТАНТАЛА
Жара … хочется пить… очень хочется пить!!! Слабеющей рукой вы наполняете бокал живительной влагой … больше … еще …еще чуть-чуть … Но, вдруг … О, ужас!!! Вода начинает пропадать из бокала … минута … другая … и вот только несколько капель осталось на дне … Еще раз … больше воды … больше …но, что это? Всё повторилось, как и в первый раз … Кадры из фильма ужасов? Нет, жестокая реальность! Вот он — бокал, кубок, чаша, ваза (или как-то иначе), который доставил Вам столько неудобств. Иногда такие сосуды называют кубком жадности, или кубком правосудия.
Начнем, пожалуй, с литературы. Древнегреческий миф рассказывает о том, как сын Зевса, правитель древней Лидии Тантал был наказан богами за преступления и обречен на вечные мучения. Прикованный к стене, и стоя по горло в воде, он не мог напиться: как только он нагибался к воде, она опускалась вниз … Вечные муки Тантала!
Великий французский математик, физик и философ Рене Декарт, живший в начале 17 века, так описывает в своем трактате «Правила для руководства ума» виденную им где-то удивительную чашу: « … была устроена некогда виденная нами чаша, в центре ее возвышалась колонна, на коей была водружена статуя Тантала, как бы намеревающегося напиться: хотя налитая вода прекрасно держалась в этой чаше, пока не поднималась настолько высоко, что могла бы попасть в рот Тантала, однако лишь только она достигала губ несчастного, вся она тотчас же вытекала».
Но, чтобы не оказаться когда-либо в таком положении, давайте познакомимся с древнейшим изобретением человечества – сифоном. Это устройство было описано еще Героном Александрийским. А в музее Метрополитен города Нью-Йорка демонстрируется японская «чаша Тантала» — образец сифона 3000-летней давности. Все прекрасно, если она заполнена не полностью – тогда это обыкновенная чашка. Но, если пожадничать и налить жидкости много, начинается самопроизвольное опорожнение чаши! Она освобождается от жидкости прежде, чем Вы сможете это выпить!
Слово «сифон» переводится с греческого как «трубка». В наше время под сифоном понимают изогнутую трубку с коленами разной длины, по которой можно перелить жидкость из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем. Верхняя часть трубки расположена выше уровня жидкости в верхнем сосуде. Чтобы сифон начал работать, необходимо его предварительно заполнить жидкостью. Сифон позволяет выливать жидкость из сосуда без его опрокидывания.
В чем же принцип работы сифона? Сначала вода наполняет банку, трубка еще наполнена воздухом, и вода не вытекает. Когда трубка в банке покроется водой, вода начинает вытекать через трубку. Вытекание прекратится тогда, когда уровень воды в банке понизится до самого края изогнутой трубки, и в нее попадет воздух.
Действие сифона прекращается, если в трубку проникнет воздух ( или давление столба жидкости в трубке от вершины изгиба до уровня жидкости в сосуде станет меньше атмосферного давления).
Скорость вытекания воды через трубку должна быть больше, чем скорость поступления воды в банку.
Вот как выглядит старинная игрушка, в основе которой лежит принцип действия сифона. В чаше стоит человеческая фигурка, внутри которой скрыт сифон. Короткое его колено проходит через одну из ног человечка и открывается в чашу, изгиб находится в шее, а длинное колено идет внутри другой ноги и выходит через дырку в дне чаши. Попробуй напейся!
Кроме того сифоном называют прибор, представляющий собой сосуд для газированных напитков, имеющий трубку с краном, расположенном наверху ее, доходящую практически до самого дна. Некоторые из Вас пользовались, наверное, дома сифоном для получения газированной воды.
КЕЛЬТСКИЙ КАМЕНЬ
Волчок, способный во время вращения в определённую сторону менять направление вращения.
При раскручивании в одну сторону он ведёт себя как обычный волчок, но при раскручивании в противоположную сторону некоторое время вращается с уменьшением угловой скорости и увеличением колебаний, а потом начинает вращаться в обратную сторону.
В некоторых древних гробницах на территории Западной Европы были обнаружены тесала (округлые орудия труда), обладающие вышеописанными необычными динамическими свойствами. Термин произошел от названия группы племён, оставивших эти орудия (кельты) в I веке до нашей эры. По другой версии, название происходит от археологического термина кельт.
«Кельтский камень», изготовленный из дерева, поворот оси симметрии распределения массы на котором сделан добавлением украшений из камня
Нижняя поверхность кельтского камня — сегмент обычного эллипсоида. Верхняя поверхность — как правило плоскость.
Необычные свойства волчку придаёт небольшой поворот (в горизонтальной плоскости) оси симметрии массы относительно оси симметрии эллипсоида опорной поверхности.
Этого поворота добиваются либо наклоном поверхности верхней плоскости, либо добавлением смещённой массы. Во вращении волчок будет предпочитать то направление, в котором смещена ось симметрии массы.
Бывают кельтские камни, характер вращения которых (на первый взгляд) ещё менее возможен — если его раскрутить в любую сторону, он некоторое время вращается, потом останавливается (сильно раскачиваясь), закручивается в другую сторону, а потом, под самый конец, снова меняет направление вращения на исходное. Теории, дающей полный ответ на вопрос, каким может, а каким не может быть характер вращения кельтского камня в случае движения на плоскости с частичным скольжением, в настоящий момент (апрель 2011) нет.
ПЛАЗМЕННЫЙ ШАР
И хотя в наш век квантовой физики человечество до сих пор еще по разным причинам сует пальцы в розетки, с электричеством мы знакомы не только на практике, но и по книгам! Прочитав учебник физики, рядом с плазменной лампой ты кажешься себе покорителем молний. Однако, несмотря на уверения друзей, что «это не страшно», первое прикосновение к работающему светильнику дается все-таки с большим трудом.
Миниатюрные молнии, как тонкие жалящие жгуты, беспорядочно и внезапно пронизывают пространство от центра до самых стенок стеклянной сферы. Сколько названий у этого декоративного светильника – плазменная лампа, плазменный шар, плазменная сфера … можно придумать и другие.
Но эти декоративные светильники делают не только в форме шара, но и виде сердца, цилиндра, плоского диска и даже гантелей.
А самый большой плазменный шар диаметром в 1 метр находится в Центре науки «Technorama в Швейцарии.
ЛЕНТА МЕБИУСА
Немецкий математик и астроном-теоретик Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868) — ученик великого Гаусса, известный геометр, профессор Лейпцигского университета, директор обсерватории. Долгие годы преподавания, долгие годы работы – обычная жизнь профессора
И вот надо же, это случилось под конец жизни! Пришла удивительная идея … это был самое значительное событие в его жизни! К сожалению, он так и не успел оценить значимость своего изобретения. Статья о знаменитой ленте Мебиуса была опубликована посмертно.
Как же называют ленту Мебиуса (иначе лист Мебиуса или петлю Мебиуса) математики? На языке математики – это топологический объект, простейшая односторонняя поверхность с краем в обычном трёхмерном Евклидовом пространстве, где можно попасть из одной точки этой поверхности в любую другую, не пересекая края. Достаточно сложное определение! Поэтому удобнее просто рассмотреть ленту Мебиуса поближе. Берем бумажную полоску, перекручиваем полоску в пол-оборота поперек (на 180 градусов) и склеиваем концы.
Ставим в каком-нибудь месте на полоске точку фломастером. А теперь прочерчиваем вдоль всей нашей ленты линию, пока вам не встретится вновь ваша точка. Вам нигде не пришлось переходить через край – это и называется односторонней поверхностью. Посмотрите, как интересно проходит прочерченная вами линия: она то внутри кольца, то снаружи! А теперь измерьте длину этой линии — от точки до точки. Удивляетесь? Она оказывается в два раза длиннее первоначальной полоски бумаги! Так и должно быть, ведь у вас в руках лента Мебиуса! А у ленты Мебиуса есть только одна сторона, и мы опять скажем – это односторонняя поверхность с краем.
А если по этой черте заставить ползти, не сворачивая, муравья, то вы получите копию картины художника Мориса Эшера. Бедный муравей на бесконечной дороге А можно сделать две немного разные ленты Мебиуса: у одной перекручивать перед склейкой полоску по часовой стрелке, а у другой – против часовой стрелки. Так различаются правая и левая ленты Мебиуса.
ВОЛЧОК САКАИ
Выбираем скрепку из достаточно гибкого металла. Сначала скрепочку выпрямляем, а затем начинаем гнуть … Концы проволоки скрепки становятся осью вращения, а середина скрепки, образуя окружность, превращается в маховик.
Вот тут-то и начинаются хитрости … А самая главная — центр тяжести конструкции должен лежать на оси вращения волчка. А как же для этого надо изогнуть проволочку? Для того, чтобы получить максимальный момент инерции, надо согнуть колечко маховика как можно большего радиуса. Если согнуть из скрепки полную окружность, то за счет участков проволоки, соединяющей окружность с осью вращения, центр тяжести волчка сместится с оси вращения. Как рассчитал профессор Сакаи, окружность не должна быть полностью замкнутой, открытый угол β должен составлять, если точно, то 53,13°.
ПРЫГАЮЩИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДИСКИ
Биметаллические пластины в настоящее время широко применяются в различных бытовых и промышленных устройствах, например, в термометрах и термовыключателях, а также в детских игрушках. В первой половине 18-го века, английский часовщик Джон Харрисон (1693-1776) изготовил очень точные часы. В них он использовал биметаллические полоски, с помощью которых компенсировал влияние изменения температуры на точность хода часов.
Так выглядит, например, биметаллический термометр. Внутри него установлена биметаллическая спираль. Спираль показана рядом с увеличением.
При снижении температуры в вашем доме биметаллические пластины в термостате включают обогреватель. Таким образом, комнатная температура остается неизменной. В автомобиле металлический диск из биметалла открывает или закрывает клапан в радиатор, поэтому вода остается примерно одинаковой температуры, что способствует хорошей работе двигателя. Широко применяются биметаллические диски в котельных в качестве прерывателей при достижении необходимой температуры в водяных котлах. Принцип действия биметаллической пластины довольно прост. Когда две металлические пластины из разных металлов с различными коэффициентами теплового расширения накладывают друг на друга и соединяют вместе, то при изменении температуры происходит искривление поверхности пластины в ту или иную сторону.
Прыгающий диск — игрушка. Возьмите плоский диск в руку и начните растирать его пальцами. Через некоторое время температура диска повысится до 30-40 ° C, и он изогнется. Далее быстро положите диск на более холодную жесткую поверхность (например, на комнатный стол) вогнутой стороной вниз. Через некоторое время, температура диска снизится, и, изменяя свою форму, он подпрыгнет! В зависимости от подобранных металлов и размеров диска меняется температурный интервал и высота подскакивания диска. Так температурный интервал можно подобрать всего лишь от комнатной температуры до температуры тела человека, а высота подпрыгивания диска может достигать даже нескольких метров! Существуют игрушки-прыгающие диски с термоиндикацией, которые в зависимости от степени нагрева могут менять свой цвет. Когда диск нагрет в руках, он будет иметь любой цвет (синий или зеленый), но отличный от черного. После того, как Вы «зарядили» диск, поместите его на гладкую твердую поверхность. Диск начнет остывать, его цвет будет меняться.
Остывая, перед подпрыгиванием диск начинает чернеть. Когда диск станет черным, это значит, что он сейчас сделает прыжок. Теперь Вы сможете «предугадать», когда диск прыгнет. У этих прыгающих дисков даже можно «перенастроить» температурный режим, если допустим, окружающая температура воздуха очень высокая – «жара, как в Африке». Вы можете подшутить над кем-нибудь, положив такой диск перед человеком и посмотреть на его реакцию, когда диск подпрыгнет вдруг высоко вверх.
DROPPER POPPER
Эту недорогую детскую резиновую игрушку называют Dropper Рopper или AstroBlaster. Дети, играя, соревнуются, чей Popper подпрыгнет выше. Однако с помощью этой игрушки можно также изучать и различные преобразования энергии. Dropper Popper больше, чем просто половинка резинового мяча!
На первый взгляд кажется, что это невероятное устройство бросает вызов законам физики, подпрыгивая выше, чем следовало ожидать! При падении с высоты после столкновения с опорой Popper подпрыгивает на высоту в несколько раз большую, чем та высота, с которой они были брошены вниз.
Да, по своему поведению Popper не очень-то похож на обычный резиновый мяч. Вы помните, как отскакивает резиновый мяч от земли? Обычный резиновый мяч, поднятый над землей, а затем отпущенный, при отскоке никогда не достигнет высоты, с которой вы его уронили. Здесь работает закон сохранения энергии, который гласит, что энергия не может быть ни создана из ничего, ни уничтожена; она может только превращаться из одного вида в другой. При падении изначально поднятого над землей мяча его потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию. При движении и в момент удара о землю часть механической энергии за счет трения превращается в тепловую (внутреннюю) энергию мяча , земли и окружающего воздуха. То есть часть механической энергии превращается в тепловую энергию, поэтому после отскока мяч не может подняться на первоначальную высоту. И лишь при отсутствии потерь энергии за счет трения совершенно упругий шарик мог бы после отскока вернуться до той высоты, с которой он был запущен. При феноменальных по высоте отскоках игрушке Popper не хватило бы тех запасов энергии, которые возникают в результате превращения энергии при падении обычных мячей. Из-за своих конструктивных особенностей резиновые полусферы способны запасать упругую потенциальную энергию, чтобы затем превратить ее в кинетическую энергию движения. Каким образом? Если просто бросить с некоторой высоты Popper, то ничего интересного в его падении вы не заметите. А вот. если его вывернуть наизнанку…
Перед бросанием необходимо вывернуть Popper наизнанку. Выворачивая Popper наизнанку, вы совершаете над ним работу, в результате деформации резинка приобретает запас потенциальной энергии. Уточним? Как любая упругая деформированная пружина, Popper приобретает потенциальную энергию деформированного тела.
Когда Popper, вывернутый наизнанку, падает вниз, то в момент удара он выпрямляется и приобретает первоначальный вид. Его упругая потенциальная энергия высвобождается, прибавляется к кинетической энергии, приобретенной в результате падения, поэтому «резинка» и подпрыгивает выше той высоты, с которой начинала свое падение.
Но, вместо того, чтобы бросать Popper вниз с какой-то высоты, можно просто положить его в вывернутом состоянии на стол. Через некоторое время, после обратного самопроизвольного выворачивания, резинка подпрыгнет на какую-то высоту. Вот тут-то и можно оценить как велика упругая потенциальная энергия, накопленная резинкой в вывернутом состоянии.
Если подобный Popper весит около 18 граммов, а после выпрямления на столе подскакивает на высоту около 1,3 метров над столом, то его упругая энергия, которая затем превращается в кинетическую, а далее в потенциальную энергию, составит 0,23 Дж. Начальная скорость «резинки» при отскоке составит 5 м/с при условии, что при превращении энергии нет потерь энергии на нагрев или сопротивление воздуха. Dropper Popper работают по-разному в зависимости от температуры, влажности и поверхности, на которую он падает. Интересно, что лучше всего отскок будет, например, от ковра, при использовании на твердой поверхности Popper придется бросать с большей высоты.
Интересный опыт можно провести с Popper, если добавить еще и шарик для пинг-понга. Если вывернуть Popper наизнанку, затем положить в его центр шарик для пинг-понга, и отпустить, бросив все вместе на твердую поверхность.
Посмотрите, на какую высоту подпрыгнет Popper, а на какую шарик для пинг-понга. Оба предмета подскочат на высоту большую, чем высота, с которой они падали!
Занимательная физика 