Когда бутылка начнет вращаться на раскручивающихся веревках (а для быстроты вращения можно давить палочкой сверху на место скрутки), мы увидим следующую картину: кусочки пробки собрались в центре поверхности воды. Вода, как более тяжелая, чем пробка, отжимается центробежной силой к стенкам бутылки, а пробка остается посередине.
ВОЛЧОК В ТЕХНИКЕ
В технике широко применяются маховики.
Когда мы имеем дело с паровой машиной или двигателем внутреннего сгорания, маховик совершенно необходим. Возвратно-поступательное движение поршня нужно превратить в равномерное вращение вала. Это делает маховик. Когда его вращают, он запасает (аккумулирует) энергию, а когда сила, вращающая маховик, перестает действовать, он отдает запасенную энергию. Таким образом, маховик сглаживает все толчки, и машина работает равномерно.
Для турбин маховик не нужен — сама турбина является маховиком.
Кинетическая энергия, энергия движения маховика бывает очень большой, она зависит от его размеров и скорости вращения. Даже такой небольшой, легкий, ажурный маховик, как колесо перевернутого велосипеда, если оно сильно раскручено, обладает большой кинетической энергией, и его трудно остановить сразу. Но каждый маховик является еще и волчком. А волчок — это очень интересный прибор, и о нем стоит поговорить подробнее. Вращающийся волчок обладает удивительной устойчивостью.
Проделайте такой опыт. Выньте из вилки велосипеда переднее колесо вместе с осью. Держите ось за концы и попросите кого-нибудь сильно раскрутить колесо. Попробуйте теперь повернуть ось в сторону. Колесо вместе с осью будет сопротивляться вашему намерению изменить направление его оси.
Сделайте волчок из картонного, деревянного или жестяного кружка и спички в качестве оси. Запустите его на столе и наблюдайте за его поведением. Почему волчок не падает? Здесь проявляется закон инерции вращающегося тела. Если бы отсутствовало трение о воздух и стол, то поставленный прямо волчок вращался бы вечно. Когда же волчок вращается наклонно, на него действует, кроме силы трения о стол и трения о воздух, также и сила земного тяготения, которая стремится его опрокинуть.
Ось волчка в результате этого совершает конусообразные движения.
Устойчивость волчка широко используется в технике. Например, гирокомпас, основанный на принципе волчка, гораздо надежнее магнитного, зависящего от окружающих его стальных предметов.
Проделайте опыт, который покажет, как ось вращающегося волчка стремится сохранить свое направление.
Возьмите картонный или жестяной кружок диаметром 15–20 сантиметров, пробейте в его центре маленькое отверстие и проденьте в него шпагат. Завяжите на продетом конце узелок. Другой конец закрепите так, чтобы можно было качать кружок на шпагате, как маятник. Если раскачать его, то кружок будет болтаться как попало.
А теперь проделайте следующее: прежде чем качнуть маятник, раскрутите кружок вокруг бечевки, используя ее как ось вращения. Теперь при качании маятника с вращающимся вокруг своей оси кружком вы увидите совсем другую картину. Кружок будет перемещаться в пространстве, сохраняя постоянный угол наклона к горизонту. Его незримая ось вращения все время сохраняет постоянство своего направления, хотя сам шпагат и изменяет свое положение по отношению к кружку.
Еще один опыт наглядно показывает, как быстрое вращение какого-нибудь тела вокруг своей оси позволяет этому телу сохранять устойчивость в полете. Кто из вас не бросал камешки, чтобы они по нескольку раз отскакивали от воды. Эту игру называют «блинчики». Когда вы берете в руку плоский, желательно округленной формы, камешек и бросаете его наклонно к поверхности пруда или реки, чтобы он несколько раз отскочил от воды, то во время броска указательным пальцем вы ему сообщаете вращение, сами не подозревая об этом.
Теперь уже летит не просто камешек, а волчок.
Он не кувыркается, летит строго по заданному направлению. И когда он своей плоскостью ударяется о воду, то подскакивает, летит дальше, опять ударяется и снова подскакивает, и так далее, пока не исчерпается запас энергии, который вы сообщили ему своей рукой.
Свойство оси вращающегося волчка сохранять постоянство своего направления широко используется в так называемых автопилотах, применяемых в авиации. Летчик устанавливает определенный режим полета, и автопилот, основной частью которого является вращающийся волчок, строго следит за выполнением этого режима. Малейшие отклонения от курса он сейчас же устраняет с помощью рулей.
ПОЧЕМУ КРЫШИ ИНОГДА ЛЕТАЮТ
Для того чтобы закончить рассказ о явлениях природы, которые порой причиняют большие неприятности, но, будучи хорошо изучены, применяются на пользу человеку, расскажем еще об одном явлении.
Ветер подхватывает сухие листья и несет их высоко над землей. А когда бывает сильная буря, ветер даже срывает крыши с домов и поднимает в воздух такие предметы, которые никогда для летания не предназначались.
Неприятности бывают и на воде. Многие из вас слышали или читали о жалобах речных лоцманов на коварные мели, которые почему-то так и «притягивают» к себе пароходы. Происходит это даже в тихую погоду, когда река течет спокойно.
И движение струй воздуха, и движение струй воды имеют много общего.
Физик Даниил Бернулли, член Петербургской академии наук, вывел знаменитое уравнение, из которого видно, что если скорость потока жидкости или газа на каком-либо участке возрастает, то на этом участке давление уменьшается, если сравнивать его с давлением окружающей среды.
Мы проделаем серию опытов и убедимся, что это так. Нам станет понятно, почему крыша «подсосалась» к мчащимся с огромной скоростью струям воздуха и почему корабль вдруг «потянуло» на мель.
Возьмите две бумажные полоски, поместите их на расстоянии 1–2 сантиметров друг от друга и подуйте между ними. Полоски бумаги сблизятся.
Подуйте в трубку с загнутым кверху концом. Легкий шарик будет «танцевать» над кончиком трубки.
Возьмите пульверизатор и дуйте в его короткую трубку. Вода или одеколон поднимутся по вертикальной трубке вверх и в виде мелких брызг разлетятся веером.
И, наконец, сделайте небольшой прибор, состоящий из картонного кружка с отверстием посередине и прикрепленной к нему воском трубки.
Подуйте в трубку. Бумажка, приложенная к картонному кружку, не только не отскочит, но, наоборот, прижмется к нему еще сильнее.
Во всех этих опытах в струе давление по сравнению с окружающим воздухом понижалось. А наружное давление сближало бумажные полоски, удерживало шарик на воздушной струе, поднимало воду или одеколон в пульверизаторе, прижимало бумажку к картонному диску.
Уравнение Бернулли объясняет и полет самолета. Если плохо укрепленная крыша дома может подняться в воздух, когда над ней мчится мощный воздушный поток, то вполне естественно было заставить крылья самолета перемещаться по отношению к неподвижному воздуху. При этом возникает сила, которая поднимает и крылья и корпус самолета с пассажирами и грузом.
А теперь рассмотрим, почему мель «притягивает» пароход на реке. В течении, которое проходит между пароходом и мелью, давление понижено, и поэтому наружное давление, действуя на пароход, направляет его на мель.
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ, ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРОВЕРКИ
При заводах, фабриках, в научно-исследовательских институтах всегда есть лаборатории. В них тщательно изучают и проверяют продукцию, которую выпускает или собирается выпускать предприятие. Например, на электроламповом заводе проверяют, как долго может гореть лампочка, как она переносит сотрясения, перегрузки тока, сколько она потребляет электрической энергии. Все это нужно знать, чтобы выпускать лампочки еще лучшего качества.
Когда повар варит суп, он пробует, достаточно ли в нем соли, хорош ли суп на вкус, не надо ли в него еще чего-либо положить.
Нечто подобное происходит и при варке стали. На предприятиях, где варят сталь, существуют так называемые экспресс-лаборатории, которые по взятым пробам быстро определяют, правилен ли состав стали, не надо ли в нее добавить, пока не поздно, те вещества, которые делают ее тверже или, наоборот, мягче, в зависимости от будущего назначения.
Заводские лаборатории следят за тем, чтобы устранить все недостатки, какие могут быть обнаружены в производимых вещах.
Мы познакомимся с приборами, которые служат для различных измерений, необходимых в процессе производства. Познакомимся также и с некоторыми приборами, нужными для изучения уже готовых изделий.
Конечно, познакомиться сразу со всем, что есть на производстве, невозможно, поэтому рассмотрим только некоторые приборы, сделаем их модели и уясним принцип их работы.
Измерение размеров
Когда рабочий обрабатывает какую-нибудь деталь, ему обязательно надо ее измерять; если это круглая деталь, то, кроме других размеров, нужно знать диаметр. Ведь деталь должна точно соответствовать чертежу.
Есть несколько способов измерения круглых деталей в зависимости от их размеров. Мы рассмотрим только некоторые приборы. Они могут пригодиться вам при изготовлении моделей и в проведении опытов.
Для измерения больших диаметров существует прибор, называемый кронциркулем. Кронциркули применяют разных размеров в зависимости от измеряемых деталей. Это металлический циркуль с кривыми ножками. Его легко сделать из толстой 2—3-миллиметровой проволоки. Надо изогнуть два куска проволоки и заострить концы. Другие концы, которые должны быть соединены вместе, нужно с помощью плоскогубцев и тисков навернуть на толстый гвоздь. Затем надо обрезать ножовкой или напильником лишнюю часть гвоздя и расклепать его оставшуюся часть. Обе половинки должны туго раздвигаться, а острые концы находиться друг против друга. В сжатом состоянии концы кронциркуля должны соприкасаться. Измерив деталь кронциркулем и приложив его к линейке, легко узнать результат.