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

Знаете, что занимательно? Пока я придумывал опыты и писал эту книгу, я часто спрашивал у своих взрослых знакомых, знают ли они про то или про это, делали когда-нибудь в жизни опыты…

Выяснилось, что в детстве, кроме некоторых простейших стреляющих устройств (поджиг), почти никто ничего не делал. А девочки – те вообще практически ничего делать не пробовали. Но когда я делаю эти опыты, все с удовольствием участвуют. Одно дело где-то что-то слышать или прочитать и совсем другое – сделать своими руками.

Между прочим, даже на кухне можно сделать такие вещи, которые помогут, например, лучше понять, как устроена вселенная или наша галактика. Попробуем и мы сделать этот простой опыт.

Для него нам понадобится йод и обычный крахмал. Пакетики с крахмалом продаются почти в любом продовольственном магазине, причем недорого. Ну а йод вообще дома надо иметь, вдруг палец порежешь… Из школьной химии некоторые знают, что йод и крахмал в смеси дают реакцию и синий раствор.

Мы возьмем высокий стакан или банку, нальем обычной холодной воды (если теплой, крахмал может слипнуться комочками). Сыпанем крахмала – ну, скажем, чайную ложку на объем стакана, не больше. Размешаем ложечкой – вода станет мутноватой.

Возьмем, раскрутим воду с крахмалом – словно мы размешиваем сахар в чае. У нас получится небольшой водоворот в банке.

Теперь в самый центр водоворота капнем одну (всего одну!) каплю йода. В центре сначала «забурлит» на мгновение вода и образуется темное синее пятно, которое будет колебаться и вращаться, образуя постепенно довольно занятную спираль.

Эта спираль очень похожа на спираль нашей галактики. Представьте только, в далеком космическом пространстве вращаются колоссальные облака из космического вещества. Это газ, звезды, туманности, пылевые облака… Они словно раскручены какой-то невероятно гигантской чайной ложечкой – и от этого вращения образовался один из водоворотов, наша галактика. У нее есть такие же «рукава», которые получаются и у нас в опыте. Дело в том, что внутри водоворота в центре скорость вращения быстрее.

Это и понятно, ведь с краю надо частице пробежать по широкому кругу, а в центре – очень маленький кружок. Поэтому, если частица перемещается от центра к краям, она замедляет свой бег относительно центра и как бы отстает от центрального вращения. Поэтому «выбросы», «рукава» загибаются, и у вращающейся галактики (или нашей модели) появляются загнутые спиралью полосы.

Так в обычной чашке можно увидеть закономерности для целой галактики! Остается только один вопрос: кто же ее так раскрутил? Но об этом, наверное, я расскажу в другой книге.

Я долго ставил опыт с «галактикой», пока не удалось добиться только одного «рукава», – посмотрите, какая красивая белая спираль нарисовалась в центре банки (я фотографировал сверху).

70

Шутка со стаканом и водой

Для опыта нам потребуются: обычный стакан с водой, квадратный кусок плотной бумаги.

Это старинный опыт, не я его придумал, но, когда я спрашивал про него знакомых детей и их родителей, оказывается, его мало кто знает. Поэтому я решил тоже поместить его в этой книге. Опыт очень простой, но эффектный. Берем обычный стакан и наливаем его водой из-под крана до самых краев, чтобы не оставалось уже места, вода почти выливалась.

Теперь берем квадратный кусок плотной бумажки, только не газеты – лучше бумаги от принтера. Его размер должен быть таким, чтобы бумага полностью накрывала стакан и слегка торчала по краям.

Аккуратно накрываем стакан бумагой, слегка прижимаем к краям, накрыв сверху ладонью. Теперь берем и быстро переворачиваем стакан, полный воды, чтобы одна рука поддерживала ладонью лист бумаги, а другой мы держали перевернутый стакан за дно.

Если теперь убрать снизу ладонь, бумажка должна отвалиться под напором воды и вся вода вылиться?

Вот обычный стакан с водой, накрытый бумагой. Воды – до краев.

Как бы не так. Убираем ладонь – бумага словно прилипла к краям, вода в стакане не выливается! (Рекомендую, правда, для начала опыт делать над раковиной – иногда не получается, и тогда вода все-таки выливается прямо на пол.)

А вот я его перевернул – и вода не выливается!

Почему вода не выливается из стакана? Да потому, что воздух, наша атмосфера, давит с другой стороны на бумажку и не дает воде вылиться. Обычно мы не обращаем внимания на давление воздуха. А между прочим, с давлением связана работа огромного количества различных приборов.

71

Еще об атмосферном давлении, или Опыт в «Макдоналдсе»

Для опыта нам потребуется: напиток с соломинкой.

Мы помним опыт с перевернутым стаканом, из которого не выливалась вода. А подобный опыт, только упрощенный, можно проделать для своих друзей во время посещения любого кафе, например «Макдоналдса», где подают напитки с соломинкой. Возьмите соломинку, опустите в жидкость и заткните сверху пальцем. Теперь, не отпуская пальца, поднимите соломинку, держа ее над стаканом.

На фото я вытягиваю соломинку из банки с подкрашенной жидкостью. Внутри видно, что верхняя часть – желтая, а дальше содержится жидкость.

Понятно, что роль листочка бумаги, который не давал воде вылиться, прижимаемого атмосферным давлением в опыте с перевернутым стаканом, играют силы поверхностного натяжения жидкости. Они формируют упругую пленку, невидимую глазу, но достаточно крепкую. Воздух давит снизу на жидкость и не дает ей вылиться из соломинки.

Если мы уберем сверху палец, воздух начнет давить на жидкость одинаково с двух сторон – и под действием силы тяжести жидкость выльется обратно в стакан.

Этот опыт легко проделать в любом кафе и показать своим друзьям без всякой подготовки.

72

Яйцо-батискаф, или Вода из Мертвого моря

Для опыта нам потребуются: высокая стеклянная банка, соль, куриное яйцо.

Этот опыт описан у великого мастера опытов Я.И. Перельмана, но я включил его в свои опыты, немного изменив, потому что опыт очень простой и очень хороший. Он дает понимание того, что такое «плотность».

Мы все знаем, есть предметы более плотные (и обычно более тяжелые), а есть «рыхлые», или неплотные. Например, если положить рядом кусок пенопласта и кусок гранита одинаковых размеров, то пенопласт будет явно менее плотным материалом. Но с твердыми предметами это более-менее понятно, а вот как быть с жидкостями и газами?

Вода, например, является практически несжимаемой жидкостью. То есть если у нас будет один кубический метр воды (это кубик размерами метр на метр на метр), то сжать его даже огромным давлением до кубика, скажем, полметра на полметра на полметра, не удастся – или нужно применять усилия буквально в миллионы тонн.

Однако плотность воды может сильно различаться. В основном это зависит от содержания в воде различных примесей. Чаще всего такой примесью бывает обычная соль. Чем больше соли растворено в воде, тем плотнее вода. В далекой стране Израиль есть целое огромное озеро, вода в котором ужасно соленая – и очень плотная. Человек в этом озере (оно называется Мертвое море) не может даже нырнуть и лежит на воде без надувного матраса! Мы попробуем следующий простой опыт. Возьмем высокую стеклянную банку, нальем воды и положим туда обычное куриное яйцо.

Яйцо опустится на самое дно, потому что его плотность чуть меньше, чем плотность чистой водопроводной воды. Теперь будем бросать в банку столовые ложки соли и размешивать аккуратно – до тех пор, пока яйцо не начнет потихонечку всплывать. Можно добиться того, что яйцо зависнет посередине банки как настоящий глубоководный аппарат, не всплывая на поверхность и не опускаясь на дно! Вот как это выглядит в моем опыте (смотрите фотографию).

Насыпая соль в банку и растворяя ее, мы изменяли такой важный параметр, как плотность. Все предметы, плотность которых больше плотности воды, будут в ней тонуть. Те предметы, плотность которых меньше, будут всплывать. А те, у которых плотность одинаковая с водой, будут занимать равновесное положение – ни тонуть, ни всплывать.

Яйцо-батискаф. Висит между дном и поверхностью воды.

Здесь есть одна маленькая хитрость. У дна, где больше соли, плотность раствора немного больше. На поверхности, куда соль доходит «с опозданием», – плотность меньше. Поэтому яйцо и зависает посередине, примерно на той границе, плотность воды у которой равна плотности яйца.

Фактически мы получили физический прибор – «плотностеметр», если можно так выразиться!

Теперь становится понятно, почему в море или океане с соленой водой плавать легче, чем в пресном озере. В пресном озере плотность воды меньше и тело не так сильно выталкивается на поверхность.

Некоторые могут сказать: а как же плавают корабли, сделанные из железа? Ведь железо гораздо плотнее воды!

Отвечу. Конечно, железо намного плотнее воды. Если мы возьмем кусок железа и бросим в воду, вряд ли он всплывет – это только в сказках волшебный топор из железа или золота всплывал на поверхность. Но корабли сделаны так, что железо опускается в воду вместе с огромным количеством воздуха (который внутри корабля). Если взять всю массу корабля и поделить на объем вместе с воздухом – то получится плотность, которая меньше плотности воды. Поэтому если в днище корабля образуется пробоина – корабль тонет.

Законы физики не обманешь.

73

Сила в сантиметрах, или Наглядно закон Гука

Для опыта нам потребуются: воздушный шарик, фломастер.

В школе проходят закон Гука. Жил такой знаменитый ученый, который изучал сжимаемость предметов и веществ и вывел свой закон. Закон этот очень простой: чем сильнее мы растягиваем или сжимаем предмет, тем сильнее изменяются его размеры. Или по-научному: изменение длины предмета прямо пропорционально приложенной к нему силе растяжения или сжатия.

Понятно, что разные предметы сжимаются и растягиваются по-разному. Резина легко тянется, а вот мрамор или кирпич почти не сжимаются, лопаются.

Можно ли как-нибудь наглядно «увидеть» действие закона Гука? Я приведу очень простой опыт, в котором мы сможем видеть сразу, как действует сила на предмет.

Возьмем обычный шарик и надуем его. На поверхности нарисуем фломастером клетку. (Я пробовал рисовать шариковой ручкой, и шарик лопнул, изрядно меня напугав.) Получилось как на фотографии.

Шарик с нарисованной клеткой.

Сдутый шарик с лозунгом.

Теперь «сдуем» шарик, и получится резиновая тряпочка с маленькой клеткой, нарисованной на нем. На фотографии видна даже надпись – «Физика – это интересно!».

Шарик растягивается – клетка деформируется. «Гукометр» в действии.

Если мы теперь будем растягивать шарик, прикладывая к нему силу растяжения, мы увидим, как изменяет свои размеры, деформируется наша клетка. Отлично видно, что где приложена сила – там и изменяются геометрические размеры шарика. Можно растягивать шарик в разные стороны сильнее или слабее, а наша нарисованная система координат будет сразу показывать, где и как приложена сила! Можно взять обычную линейку и замерить в сантиметрах размеры клетки, а потом – насколько эти размеры изменились, ровно в такой же степени меняется приложенная сила. Мы получили из шарика прибор, назовем его «гукометр». Прибор для демонстрации закона Гука «вживую»!

74

Капли в банке, или Ядерный взрыв вверх ногами

Для опыта нам потребуются: высокая стеклянная банка или ваза, черная тушь, пипетка.

Вода обычно прозрачная. Мы с трудом можем понять, как движется сама масса воды внутри, если только в воде что-нибудь не плавает. А ведь движение воды изучается очень многими учеными, целыми специальными институтами. Почему? Потому что это очень важно для хорошей работы многих приборов и устройств. Например, понимая, как движется вода, можно лучше управлять кораблями и избежать столкновений. Приведу один пример. Когда два очень больших океанских судна идут рядом друг с другом, а между ними остается узкая полоска воды, возникает особая сила, которая начинает притягивать корабли друг к другу. Пока этого не знали, случались катастрофы именно по этой причине.

Но как разглядеть движение жидкости?

Попробуем проделать очень красивый и простой опыт. Для него нам будут нужны высокая стеклянная банка или ваза и баночка с черной тушью.

Нальем банку водой доверху (я взял высокую вазу, не пожалел для опыта). Поставим на стол (подстелив газетку) и подождем минут двадцать. Вода должна успокоиться и перестать двигаться.

Теперь обычной пипеткой капнем в воду капельку туши.

Поскольку плотность туши больше плотности воды, капля станет опускаться на дно под действием силы тяжести – и начнет образовывать очень занятные формы. Словно огромный осьминог выпускает щупальца! Посмотрите на фотографии.

Теперь внимательно рассмотрим, как именно опускается тушь в воде. Мы видим, что капля разбивается на отдельные струи, которые распространяются в разные стороны. На конце каждой струи формируется что-то вроде кольца или грибка. Это хорошо видно на следующей фотографии, которую я специально обработал так, чтобы лучше было видно форму капель. Если присмотреться, то видно, что многие капли образуют вокруг струи кольцо. Кольцо окружает основную струю, а верхняя часть капли начинает напоминать гриб.

Эта картина напоминает перевернутый ядерный взрыв. И неслучайно. Оказывается, что законы для жидкостей и газов в некоторых случаях очень похожи. Формирование струи газа при определенных условиях похоже на формирование струи воды.

Капля опускается, как щупальце.

Капли образуют кольца и грибы при опускании. Фотография перевернута вверх ногами.

Что происходит, когда взрывается атомная бомба? Огромная энергия выделяется из взрывающегося урана, и температура в месте взрыва становится почти такой же, как на поверхности Солнца. Воздух мгновенно раскаляется и расширяется. Расширяясь, воздух становится менее плотным и начинает подниматься вверх, в атмосферу. Посмотрим на фотографию настоящего ядерного взрыва, произведенного на атолле (коралловом острове) в 1968 году французским правительством.

По своей структуре, то есть по тому, как взрыв устроен, он очень напоминает наши капли. Почему? Потому что схожи условия, в которых происходят и один и другой «опыты» (наш опыт, правда, мирный).

Это фотография ядерного взрыва, сделанного французами в 1968 году на атолле Фанкватауфа.

Получается, как будто воздушную каплю «капнули» в банку с холодным воздухом. Эта «капля» начинает подниматься, образуя струю (ножка ядерного гриба) и формируя очень запоминающийся «гриб». Точно по тем же законам, по которым формируется «гриб» на нашей капле в банке воды. Отличается только направление движения: воздух легче и поднимается вверх, капля тяжелее – и опускается вниз.

Таким образом можно проследить движение жидкости и законы образования различных форм.

Мало того, если мы сравним наши капли с фотографиями астрономов, где они стараются запечатлеть далекие галактики, то мы обнаружим много сходства. В далеком космосе блуждают непомерно огромные облака космической пыли, газа. Эти облака иногда натыкаются друг на друга, через них пролетают звезды и галактики. Конечно, все это длится миллиарды лет, но законы остаются одинаковыми, что для капли в банке, что для звездного газа. И астрономы с удивлением обнаруживают почти такие же картинки, что мы получили в обычной банке с водой и каплями туши! Вот фотография взорвавшейся 20 000 лет назад сверхновой звезды, сделана телескопом Хаббл. Звезда выплеснула газовые облака – посмотрите, как похожи эти космические газовые «занавески» на то, что получается в нашей банке через несколько минут после «капания». Я специально поместил эти фотографии рядом – видно, что процессы, идущие в обоих опытах, одинаковы. Только один опыт ставим мы, а другой – Творец Вселенной, наверное.

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.