Физика для чайников. Невидимка

Из книги Л.Я.Гальперштейна «Забавная физика»:

«Быть невидимым – как удобно! Можно легко пройти на стадион в день самых интересных соревнований. Можно проникнуть в кино на вечерний сеанс, куда обыкновенных, видимых, ребят даже с билетами не пускают. И шалить невидимка может сколько угодно: кто накажет невидимого шалуна?

Конечно, ты знаешь, что на самом деле это невозможно. И всё-таки бывают невидимые шалуны. Недавно я шёл по улице, и вдруг кто-то сорвал у меня с головы шляпу. Я еле успел её подхватить. Оглянулся – никого нет. Только на другой стороне улицы видна пожилая женщина. Но ей не до меня: она обеими руками вцепилась в раскрытый зонтик, который кто-то невидимый дёргает, мотает из стороны в сторону. И вдруг – трах! дзинь! – к моим ногам посыпались осколки. Это чья-то невидимая рука захлопнула окно, да так сильно, что стекло вылетело.

Кто же бесчинствует на улице? Кто этот озорник-невидимка? Ты, конечно, уже догадался. Это ветер, движение воздуха. Воздух заполняет всё пространство вокруг нас. Без него мы не могли бы ни дышать, ни слышать, ни ощущать запахи. Воздух прозрачен, податлив, лёгок, так что мы часто о нём забываем. Но он живёт своей сложной жизнью и постоянно движется. Даже в самые тихие, безветренные дни можно заметить слабое движение листьев на деревьях, мелкую рябь, временами пробегающую по поверхности воды.

Движется воздух и в комнате. Стоит оставить открытым окно или дверь, даже неплотно прикрыть форточку, в доме начинает гулять сквозняк. Многие его боятся. Замазав окна, закрыв двери и форточки, они сидят и радуются: наконец-то невидимый шалун усмирён!

Но не всегда тот ведёт себя так примерно. Ты ведь уже знаешь, что невидимка большой озорник. И вот оказывается, что он и плеваться мастер. Чтобы в этом убедиться, сделай себе пульверизатор.

Невидимка плюётся
Возьми корковую пробку и острым ножом вырежь из неё одну четвёртую часть. Если корковой пробки у тебя нет, годится и резиновая, и кусочек пенопласта (не обязательно круглый). Можешь взять и обрезок моркови, но «морковный» пульверизатор годится всего на один раз. Потом морковь усохнет.

Подбери две трубочки толщиной по 3-4 мм. Они могут быть стеклянные, металлические, пластмассовые – какие достанешь. Годятся и трубки от больших гусиных перьев. В пробке прожги гвоздём два отверстия, как показано на рисунке. трубочки должны входить в них очень туго (по этой причине не годятся соломинки: они сомнутся, когда будешь вставлять). Хорошо, перед тем как вставлять трубочки, распарить корковую пробку в кипятке. Вертикальная трубочка должна немного выступать над срезом пробки.
 
Готово? Теперь опусти нижнюю трубочку в стакан с водой, а в верхнюю дуй. Ого, как начал плеваться наш приборчик! Ничуть не хуже, чем его почтенные родственники: пульверизатор в парикмахерской и окрасочный пистолет.

Почему работает пульверизатор?
С помощью пульверизатора ты можешь распылить в комнате одеколон, покрыть лаком рисунок, красиво оформить плакат или стенную газету. Но почему же всё-таки работает этот простой приборчик? Почему вода, одеколон, лак поднимаются по вертикальной трубке?
 
Может быть, их гонит вверх капиллярность? Нет, трубка слишком широка, да и жидкость поднимается по ней только тогда, когда ты дуешь. Если трубка стеклянная, в ней это особенно хорошо видно.

Ответ подскажет тебе очень простой опыт. Отрежь узкую полоску тонкой бумаги и возьми её за один конец. Ясно, что другой конец будет висеть. А ну-ка, поднеси руки ко рту и сильно подуй поверх полоски. Пф-фу!
 
Смотри, полоска взлетела, она вытянулась горизонтально и затрепетала, как флаг на ветру. Пока ты дуешь, полоска держится.

Тут уж ни о какой капиллярности говорить не приходится. Причина может быть только одна: струя воздуха создаёт подсос. Пролетая над полоской, она тянет её кверху. Пролетая над отверстием трубочки, она сосёт воду, а потом разбрызгивает её. Поэтому и плюётся невидимка.
 
Учёные стараются каждый вывод проверять. Ты тоже можешь ещё раз убедиться в том, что струя создаёт подсос. Для этого сделай опыт со старой катушкой от ниток. Листок из тетради сверни в узкую трубку и вставь её внутрь катушки. Из гладкого картона вырежь кружок диаметром 3 см и в центр его воткни булавку.
 
Прибор готов! Теперь трубку с катушкой на конце возьми в рот, а снизу приложи к катушке кружок так, чтобы булавка вошла внутрь трубки. Хорошенько подуй в трубку. Ты, может быть, ждал, что кружок отлетит от катушки? Ничего подобного!

Пока ты дуешь, кружок не упадёт: он будет держаться под катушкой. Почему? Ясно: его подсасывает воздушная струя, расходящаяся веером из катушки. Булавка в этом опыте ни во что не втыкается. Она нужна только для того, чтобы удерживать кружок точно под катушкой. Иначе он может вильнуть в сторону и упасть. Там ведь струи уже не будет, не будет и подсоса.

Наконец ещё один опыт с подсасывающим действием струи. Ты, возможно, видел в тире забавную мишень – целлулоидный шарик, танцующий в струе фонтана? Почему этот шарик не падает, не вылетает в сторону? Да потому, что струя создаёт подсос. Стоит шарику съехать, скажем, вправо – почти вся струя фонтана окажется слева от него. Она будет подсасывать шарик влево, снова тянуть его в фонтан.

Ты можешь сделать похожий опыт с воздушной струёй. Только целлулоидный мячик удержать в воздухе будет трудно. Возьми лучше шарик от бузинной мякоти, из пенопласта, или пластмассовой губки. Диаметр шарика примерно 1 см.
Стеклянную или металлическую трубку длиной около 25 см согни под прямым углом. Ты уже знаешь, как это сделать.

На короткий конец трубки надень проволоку, свёрнутую спиралью. Положи шарик в эту спираль и дуй в длинный конец трубки, сначала потихоньку, потом всё сильнее. Шарик запляшет в воздушной струе!

Невидимка толкается
Да, да! Мало того, что невидимый шалунишка плюётся, он ещё и толкается!
Толчок воздуха может захлопнуть форточку, задуть свечу, сорвать с головы шляпу… Да вот, например, он может подбросить монету. Положи на стол небольшую монетку и забрось её себе в руку толчком воздуха. Для этого, держа руку щитком позади монеты, резко дунь на стол. Только не на то место, где лежит монета, а на расстоянии 4-5 см перед ней.

Воздух, сжатый твоим дуновением, создаст над монетой подсос и подбросит её прямёхонько тебе в горсть. Несколько проб – и ты научишься брать со стола монету, не прикасаясь к ней рукой.

Если есть у тебя узенькая коническая рюмка, можешь сделать ещё один занимательный опыт с монетами. На дно рюмки положи копейку, а сверху – пятак. Он ляжет горизонтально, словно крышка, хотя и не достает до края рюмки. Теперь резко дунь на край пятака. Он встанет ребром, а копейка будет выброшена сжатым воздухом. После этого пятак ляжет на место. Так невидимка помог тебе достать со дна рюмки копейку, не прикасаясь ни к ней, ни к пятаку, лежащему сверху.

Похожий опыт можно сделать с рюмками для яиц. Поставь две такие рюмки рядом и в ту, что поближе к тебе, положи яйцо. На случай неудачи яйцо возьми крутое. А теперь сильно и резко дунь в то место, которое указано стрелкой на рисунке. как раз в самый край рюмки. Яйцо подскочит и «пересядет» в пустую рюмку!

Невидимка ударил по краю рюмки, создал подсос над яйцом, и тут же проскочил в рюмку, да так сильно, что яйцо подскочило одновременно вверх и в сторону пустой рюмки! У некоторых этот опыт не получается – «не хватает духа». Но если вместо крутого яйца взять пустую, выдутую скорлупу, получится наверняка!

Невидимка брыкается
Воздух толкается, воздух плюётся… Неужели он ещё и брыкаться вздумал? А может, это я нарочно не него наговариваю? Впрочем, суди сам.

Положи набок сухую бутылку из-под молока. Горлышко у неё широкое, обыкновенная пробка проваливается в него свободно. А нам это как раз и нужно. вложи пробку в горлышко, у самого края, и попробуй загнать её в бутылку сильным дуновением. Ты ведь только что убедился, что дуновение способно подкидывать монеты и даже крутые яйца!

А ну-ка: пф-фу! Щёлк! Что такое? Да пробка почему-то не влетела в бутылку, а вылетела. При этом ещё и по носу щёлкнула. Брыкается! Подуть ещё сильнее? Тот же результат! Попробовать подуть тихонько? Нет, пробку не обманешь. Она всё равно пойдёт куда угодно, только не в бутылку.

Дело в том, что ты вдуваешь в бутылку лишний воздух. Он там сжимается и выбрасывает пробку наружу, как яйцо из рюмки. Одновременно создаётся подсос, как в опыте с катушкой, трубкой и кружком. Как же сладить с упрямым невидимкой, как отучить его брыкаться и загнать пробку в бутылку? Можешь попробовать два способа.

Один способ напрашивается сам собой. Если не помогает вдувание воздуха, может быть, поможет всасывание? С силой потяни в себя воздух из бутылки и резко отведи губы от горлышка. Хлоп! – и пробка там. Её воткнул воздух, входящий на место высосанного тобой.
Второй способ: всё-таки дуть, но так, чтобы попадало только на пробку. Возьми в рот соломинку или макаронину и поднеси её конец к самому донышку пробки. Пф-фу! – и пробка скользнёт в бутылку.

Что такое пневматика?
Слово это происходит от древнегреческого «пневматикос» - «надутый воздухом», «относящийся к воздуху». Мы с тобой уже узнали много относящегося к воздуху. Но очень уж разнообразны его похождения! В одних случаях он выступает героем, в других – озорником и вредителем. И говорят о нём все разное.

Лётчики говорят: воздух – это то, что даёт опору нашим крыльям. Без воздуха не могли бы летать самолёты. Астрономы говорят: воздух – это то, что мешает нам наблюдать звёзды. Он мутный, он движется, звёзды из-за этого мерцают и расплываются. Врачи говорят: воздух – это то, чем мы дышим. Без воздуха жить нельзя! Космонавты говорят: воздух затрудняет посадку ракеты очень уж она раскаляется от трения о воздух. Если при посадке неправильно маневрировать, сгоришь вместе с ракетой!

Поэты говорят: воздух – это вольный и своенравный ветер. Он приносит аромат чудесных цветов или упорно дует нам в лицо. И всё равно прекрасен!
Рыбы… Конечно же, они не говорят. Но если бы только могли, то сказали бы: воздух – это наша погибель!

А инженеры говорят: воздух – это прекрасный работник. Правда, он свободен, летуч, его не ухватишь. Но ведь это воздух, так сказать, дикий, не пристроенный к делу. А вот если собрать его, запереть в подходящей посуде да хорошенько сжать, он многое может сделать.

Ты сомневаешься? Сделаем опыт. Поставь на стол две весомые книги буквой «т», одну на другую. Попробуй-ка свалить их дуновением? Что, не падают? И не упадут, хоть разорвись.
 
Но попробуй это же дуновение поймать и запереть. Подложи под книги пакет из бумаги, а ещё лучше – из полиэтилена. Пакет должен быть целый, без дырочек. Прижми его открытым концом ко рту и надувай. Можешь не спешить, дуй медленно, постепенно. Воздуху из пакета всё равно деваться некуда. В конце концов пакет вздуется и опрокинет книги!

Невидимка за работой
Выходит, что дуновение можно приспособить к делу. Нужно только собрать воздух и сжать его.

Ты, наверное, стрелял в тире из пневматического ружья? В нём воздух, собранный и сжатый в цилиндре, с силой выбрасывает пулю. В пневматических шинах велосипеда, мотоцикла и автомобиля сжатый воздух смягчает все толчки и удары на неровностях пути. А для того чтобы собрать и сжать воздух в этих шинах, пользуются насосами. Наверное, ты не раз держал в руках велосипедный насос.

В пневматических тормозах сжатый воздух прижимает к колёсам специальные колодки. Каждый, кто ездил в электричке или троллейбусе, в трамвае или метро, слышал, как под полом вагона время от времени что-то начинает биться, тарахтеть. Это работает насос, запасающий воздух для пневматических тормозов. Только этот насос уже не ручной, а электрический и называется компрессором.

Сжатый воздух открывает и закрывает двери в автобусах, троллейбусах и поездах. Сжатый воздух шипит в пневматических тормозах грузовых автомобилей. В пневматических отбойных молотках и других пневматических инструментах сжатый воздух с силой толкает заострённый наконечник. Тра-та-та! Тра-та-та! – рассыпается дробь, похожая на пулемётную. Наконечник долбит землю и асфальт, камень и бетон, плющит заклёпки, рубит металл, забивает костыли в железнодорожные шпалы.

Сжатый воздух гонит по трубам пневматической почты патроны с письмами и посылками. Пневматические мельницы размалывают каменный уголь. Пневматические волноломы смиряют ярость волн. Пневматические транспортёры перегоняют по трубам зерно и цемент, песок и опилки, угольную пыль и золу.

Слова, взятые из греческого и латинского языков, часто встречаются в науке и технике. Мы давно привыкли к таким словам, как «авиация», «автобус», «автомобиль», «корабль», «машина». «телеграф», «телефон», «радио», «электричество». Все они обозначают полезнейшие, необходимые для нас вещи. Так и слова «пневматика», «пневматический» давно уже стали для нас привычными и понятными. То, что древние греки называли «воздушным», сейчас  работает на заводах и в шахтах, на шоссейных и железных дорогах, в сёлах и в городах. Невидимка трудится!»


Уважаемый читатель!

Данные миниатюры из книги Л.Я.Гальперштейна «Забавная физика» я не стал выписывать для каждого опыта отдельно, поскольку они собраны автором книги в едином контексте. В детстве и юности, помню, все эти опыты я усвоил, но только по книгам «Занимательная физика», что были в библиотеке моего отца.

Однажды, когда нам с сестрой было лет по 10-11, отец предложил изготовить и запустить в небо бумажного змея. Мы ему активно помогали: он рассказывал как и что делать, а мы с сестрой мастерили, как могли. Получился прочная конструкция из тонкого картона, обрамлённая рамкой, с привязанными к рамке бечёвками. А для стабильности в полёте сзади привязали яркую полуметровую ленту.

Когда вышли во двор, собрались другие ребятишки посмотреть на запуск змея, – отец, заядлый рыбак, соорудил на основе катушки от спиннинга раскручиваемую толстую леску, к которой привязал бечёвки нашей конструкции. Стояла отличная безветренная погода, но именно этот фактор мешал запустить в небо бумажного змея! Мы жили тогда в сибирском Новокузнецке, который находится в котловане, где почти никогда на дуют ветра. Отец подбрасывал змея многократно в течение получаса, но безрезультатно. Надо было, чтоб хотя бы малейшее дуновение нам, зрителям, помогло подхватить и унести змея ввысь. Начали искать место вокруг и нашли между домами небольшой сквозняк, где порой возникало дуновение ветра.
Попытки продолжились, и вдруг наш змей наконец-то «ожил». Сначала не совсем уверенно, а потом всё выше и выше, и вот уже появилась тяга воздуха: леска в руках отца натянулась. Среди детворы появились восторженные звуки: «ух, ты!»

Бумажный змей поднялся высоко-высоко, а потом бечёвка не выдержала, и прямо на наших глазах змея, подхваченного ветром, унесло куда-то вдаль, за город. Ну а мы, в итоге, получили невероятный всплеск эмоций от его полёта!

Значительно позже, в «лихие девяностые» был период деятельности, когда моя частная фирма изготавливала малогабаритное покрасочное оборудование (фото перед текстом). Блок питания и краскораспылитель – собственное производство, а компрессор – покупной. В краскораспылителе используется тот же принцип, что описан выше в опытах, только подсос по-научному называется «эжекцией».

Был у нас свой молярный цех, где термостойкими эмалями опытные специалисты очень качественно наносили покрытия на газовые колонки, печи, ванны и прочие изделия бытового и хозяйственного назначения. Затем обучали бригады из других городов и продавали малогабаритное окрасочное оборудование, как часть технологического процесса. Так же поставляли термостойкую эмаль в различных упаковках – от мелкофасованного «ремонтного комплекта» для ремонта сколов на эмалированных поверхностях до оптовых поставок.

Я объединил красной рамкой домашнее фото, где показан бытовой увлажнитель воздуха –– заметны расходящиеся струи влаги. Здесь принцип действия иной, он основан на пьезоэффекте. Особо должен подчеркнуть, что воздух сухой слишком сильно отличается от влажного воздуха. Отчего возникает упругость воздуха? От атмосферной влаги! Мы привыкли не обращать внимания на мельчайшие капли воды; они прозрачны и незаметны, будто это какие-то настоящие «невидимки», хотя о влаге было известно и сто и двести, и триста лет назад, и более.

И только прозрачный лёд на озере зимой впечатляет нас до глубины души своей необычной структурой. Рассмотрите внимательно снимок, взятый из свободного доступа в интернете. На нём видны замёрзшие вкрапления нитей, которые как какие-то невероятные жгуты простираются из глубины водоёма к поверхности.

Испарения в воздухе происходят точно такими же, только невидимыми потоками, а зеркальное отражение в ледяной поверхности озера словно проявляет нам ту самую картину, что происходит при восхождении потоков влаги с поверхности акваторий и суши ввысь, к небесам.

Законы окружающей нас Природы в точности соответствуют описанным выше опытам. Кое-где я внёс всё же незначительные поправки. Так в опыте с броском монеты в горсть в авторском тексте говорится только о том, что дуновением сжатый воздух «проникает под монету», – это не совсем так. Монету можно лишь сдвинуть с места дуновением. И именно подсос подбрасывает монету, а под неё воздух попадает следом и, возможно, в некоторой степени помогает вознестись монете в подставленную горсть. То же самое подмечено мной и в опыте с яйцом.

А что происходит в космосе? Могут ли там находиться дуновения или потоки для того, чтобы разгонять огромные тела до невероятных скоростей?

Планеты в безвоздушном пространстве перемещаются относительно своего местоположения лишь на небольшие расстояния. Они не «летят», а плывут по программируемой орбите. В нижнем ряду я показал расчётные траектории лемнискаты, приближенной максимально к земной орбите, покачивание которой относительно Солнца происходит по АНАЛЕММЕ.

Рассчитать математическую зависимость действительной орбиты движения двойной планеты Земля-Луна вокруг их общего барицентра чрезвычайно сложно. Поскольку тут нужно учитывать множество факторов: прецессионное движение относительно неподвижной Полярной звезды, как и одновременно вращающийся зрительно небесный купол со звёздами, включая звезду-Солнце.

Однако, нам достоверно известно, с какой точностью происходят солнечные и лунные затмения и как филигранно, слаженно движутся все небесные тела по небу, будто кто-то их связывает между собой невидимыми нитями. 

Одним из первых, кто предпринял попытку рассчитать динамику твёрдого тела, был Леонард Эйлер. Но это уже иная тема, – будет изложено в другой раз.