Растяжение резинки будет значительно меньшим, потому что усилие на передвижение утюга, поставленного на карандаши-катки, будет небольшим.
Сравнив величины растяжения резинок, можно определить, во сколько раз в данном случае трение качения меньше трения скольжения. Но и в скользящих подшипниках трение скольжения частично заменяется трением качения. Мельчайшие частички масла, подобно шарикам, отделяют одну трущуюся поверхность от другой. И чем лучше обеспечивается смазка, тем меньше будет сила трения, тем меньшие усилия надо затратить на ее преодоление.
ВАЖНЕЙШИЙ ЗАКОН МЕХАНИКИ
С инерцией мы встречаемся на каждом шагу. Резко ли остановится автобус, и мы падаем на впереди стоящих; едем ли на велосипеде, перестав крутить педали; бросаем ли мяч — во всех этих и подобных им случаях проявляется инерция, то есть свойство тел сохранять величину и направление своей скорости.
А задумались ли вы, почему краны у водопровода и различного рода задвижки на трубах, по которым с большой скоростью передвигаются жидкости, устроены так, что они закрываются очень плавно, постепенно?
Это сделано неспроста.
Если резко преградить путь жидкости, движущейся по трубе, последует резкий гидравлический удар, в результате которого может не только сломаться кран, но и лопнуть труба.
Первый закон динамики, сформулированный великим английским ученым Ньютоном, гласит: «Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока приложенные силы не вызовут изменения этого состояния».
Проделаем опыты для иллюстрирования этого закона.
Известный в свое время жонглер М. Кара рассказывал, как ему приходилось не только на арене цирка, но и в жизни использовать умение выдергивать скатерть из-под посуды, находящейся на столе. В этом цирковом номере особенно эффектно используется первый закон Ньютона.
Подобный опыт легко проделать с монетой, лежащей на кусочке гладкого картона, положенного на стакан. Если щелкнуть пальцем по картону, он получит ускорение и слетит со стакана, а монета, еще не успевшая получить ускорение, упадет в стакан.
Когда мы выбиваем палкой пыль из ковра, мы придаем ускорение ковру, а пыль остается на месте. Получается так, что ковер выходит из пыли, а не пыль из ковра.
Палочка, положенная на две висящие бумажные петли, переломится от резкого удара посередине, а бумажные петли при этом не успеют разорваться, так как концы палочки не успели сдвинуться, остались на месте.
Подвесьте на нитке кружок от конфорки, а к нему привяжите снизу еще одну такую же нитку. Дерните ее резко и со всей силой. Оборвется нижняя нитка, а не верхняя, как следовало бы ожидать. Тяжелый чугунный кружок не успел сдвинуться с места. Если потянуть за нитку медленно, обрывается верхняя нитка.
Опустите в стакан с водой стеклянную трубку диаметром около сантиметра, заткнув пальцем верхний конец трубки. Сжатый воздух не позволит воде войти в трубку повыше. Резко отнимите палец — вода в трубке подскочит по инерции выше уровня в стакане, а затем опустится до того же уровня.
Инерция используется очень широко.
Мы разберем здесь несколько случаев ее применения.
Существует, например, прибор акселерометр. Он показывает, какая у самолета скорость, отмечает все его повороты. Когда самолет ускоряет свое движение или замедляет его, прибор отмечает и это. Действие его основано на инерции.
Акселерометр устроен довольно сложно, но мы с вами сделаем его упрощенную модель, чтобы понять принцип его работы. Наша модель будет показывать то ускорение, которое к ней может быть приложено.
Из четырех гладких дощечек сделайте небольшую рамку. Внутри ее на самодельных пружинках (их можно изготовить, навивая медную проволоку на какой-либо круглый стержень) подвесьте шарик или маленький цилиндр из дерева или металла. Наверху этого шарика или цилиндра укрепите стерженек против сделанной для него в рамке прорези. Вдоль прорези нанесите деления, например через 1 сантиметр.
Затем сделайте из полоски толстой бумаги два хомутика вокруг верхней стороны рамки, по обе стороны от торчащего стерженька. Хомутики должны легко передвигаться по дощечке.
Прибор готов.
Поставьте его на гладкий стол. Быстро двиньте рамку по столу вдоль оси пружин. Шарик с помощью укрепленного на нем стерженька сдвинет бумажный хомутик. Величина этого передвижения пропорциональна приложенному к прибору ускорению.
Настоящий акселерометр, как мы уже говорили, устроен значительно сложнее. Шарик в нем перемещается в разных плоскостях. При этом он воздействует на другие устройства, которые и дают пилоту нужные сведения.
Используется инерция и для подъема воды в водоподъемной установке «гидротаран». Принцип его работы ясен из такого опыта.
Возьмите длинную резиновую трубку в палец толщиной. Опустите один ее конец в ведро с водой, поставленное на возвышение, а на другом конце, отступя от края на 10–20 сантиметров, сделайте отверстие и вставьте в него короткую стеклянную трубочку (например, такую, какими пишут шрифты, или стеклянную трубочку от пипетки).
Засосите ртом воду, закрыв пальцем отверстие стеклянной трубки, чтобы вода потекла из ведра по принципу сифона. Быстро закрывайте и открывайте пальцем конец резиновой трубки. При этом из стеклянной трубочки вода будет бить фонтаном в несколько раз выше самой трубочки.
Вода, когда вы преграждаете ей путь, по инерции устремляется в отверстие в стеклянной трубке и вырывается наружу.
ЕЩЕ ОДНА ВРЕДНАЯ И ПОЛЕЗНАЯ СИЛА
При рассматривании трения и колебательных движений мы видели, что одно и то же явление может и причинять огромный вред и приносить большую пользу. Вот почему необходимо хорошо изучить эти явления и уметь правильно их использовать.
Сейчас мы поговорим еще об одной силе, и вредной и полезной, — о так называемой центробежной силе. Если привязать к веревке какой-нибудь небольшой груз, например гайку, и начать ее вращать, то гайка натянет веревку и будет описывать правильную окружность. Чем быстрее вращается гайка, тем сильнее будет натягиваться веревка. Гайка как бы стремится улететь по прямой линии, перпендикулярной к веревке, но веревка ее не пускает и заставляет все время описывать окружность. Сила, которая натягивает веревку, называется центробежной.
Опыт можно разнообразить. Налейте в маленькое ведерко воду до краев и, сначала осторожно раскачав его взад и вперед, начинайте быстро вращать вокруг своего плеча. Вода, прижатая центробежной силой ко дну ведерка, не будет выливаться даже тогда, когда ведерко находится кверху дном.
Нельзя пренебрегать центробежной силой при конструировании машин.
Сколько бывало случаев, когда огромные маховики при быстром вращении разрывались на части. Куски металла разлетались под влиянием центробежной силы в разные стороны, разрушая все на своем пути. А происходило это только потому, что инженеры или были неопытны, или забывали о прочности. При расчетах не учитывали возникновения центробежной силы, которая, как известно, зависит от скорости вращения. Чем больше скорость вращения, тем больше и сила, которая стремится в данном случае разорвать маховик.
Прежде чем перейти к опытам с центробежной силой, сделайте несложный прибор. Возьмите тяжелый диск с отверстием посередине (можно его сделать из конфорки от плиты, зажатой между фанерными кружками), проденьте в отверстие сложенную вдвое веревку, завязав ее узлом, чтобы диск висел, опираясь на этот узел. Верхние концы веревки привяжите к какой-нибудь перекладине. Затем вставьте вверху между веревками круглую палочку и вращайте диск в одну сторону — веревки скрутятся. Если теперь вы отпустите диск и будете с силой нажимать на вставленную между веревками палочку, то диск придет в быстрое вращение.
Проделайте следующие опыты, основанные на действии центробежной силы.
Подвесьте под диском на небольшой веревке не очень тяжелое кольцо. При быстром вращении диска кольцо, также вращаясь, займет горизонтальное положение и ось вращения будет проходить через его центр. Кольцо как бы само выбрало себе незримую свободную ось и «удобно» расположилось вокруг нее. Для успешного проведения этого опыта надо подыскать подходящее по размеру и массе кольцо и подобрать подходящую скорость его вращения.
Затем вместо кольца подвесьте к диску какой-нибудь продолговатый предмет, например отвертку. Отвертка, вращаясь, расположится горизонтально.
Укрепите на диске бумажный круг и, приведя диск в не очень быстрое вращение, капните около его центра каплю чернил.
Капля нарисует на поверхности диска кривую полоску — результат сложного движения капли по кругу вместе с диском и движения от центра к краю вследствие действия центробежной силы.
Центробежная сила широко применяется в промышленности. Например, ее используют при литье труб. Если длинную цилиндрическую форму быстро вращать вокруг ее продольной оси и одновременно лить в нее расплавленный металл, то он под действием центробежной силы равномерно распределится по стенке формы. Металл застынет, и труба готова.
Издавна для регулирования скорости паровых машин пользовались центробежными регуляторами.
Центробежная сила применяется в различных центрифугах — аппаратах с быстро вращающимся цилиндром— для отделения тяжелых частиц жидкости от легких. Например, молочный сепаратор отделяет сливки от молока. Центрифуги высушивают белье. Вода, как более тяжелая по удельному весу, чем ткань белья, при быстром вращении центрифуги отжимается к стенкам и через отверстия в них выходит наружу. Центрифуги применяются для очистки сахара при его производстве. Всех применений центробежной силы и не перечтешь.
В заключение проделайте опыт, иллюстрирующий принцип работы молочного сепаратора. Возьмите бутылку из бесцветного стекла и налейте в нее до половины воды. Привяжите к горлышку две веревки, расположив их по обе его стороны.
Закрутите веревки, вращая бутылку вокруг ее вертикальной оси. Всыпьте в горлышко щепотку измельченной пробки.