Лаборатория юного физика

Рис. 16. Схема включения биметаллической спирали в цепь.

Помните только, что к спирали нельзя прикасаться, когда прибор включен в сеть. Лучше всего привинтите по бокам панели со спиралью два предохранительных щитка (рис. 15). Они не дадут коснуться спирали сбоку, а спереди спираль закрыта лампочкой.

Этот прибор можно использовать для управления освещением новогодней елки. Для этого гирлянду электрических лампочек включайте не прямо в сеть, а подключайте параллельно лампе прибора. Когда спираль включит основную лампу, загорится и гирлянда на елке. Погаснет лампа прибора— погаснет и гирлянда.

Если будете украшать большую елку в школе, можете сговориться с товарищами и изготовить несколько приборов с биметаллической спиралью.

Одни приборы будут зажигать свои гирлянды чаще, другие — реже. Поэтому все гирлянды будут вспыхивать в разное время и давать самые различные сочетания.

Абажур-турбина

Возле топящейся плиты, радиаторов отопления, горящей лампы и других источников тепла всегда образуются восходящие потоки нагретого воздуха.

Это явление легко обнаружить с помощью очень простой игрушки. Из листка чертежной бумаги или из почтовой открытки вырежьте спираль, показанную на рисунке 14. Она вычерчивается с помощью циркуля. Как чертить, объяснено на стр. 40. Только здесь расстояние между точками 1 и 2 нужно взять не 3, а 5 мм.

Вырезав спираль ножницами до одной из двух отмеченных точек, слегка вдавите другую точку концом мягкого карандаша. Только не проткните бумагу насквозь. Это углубление будет подпятником спирали.

Посадив спираль углублением на острие карандаша, поднесите ее к плите, лампе, радиатору отопления или другому источнику тепла. Под действием восходящего потока нагретого воздуха спираль начнет вертеться.

Используя это явление, можно сделать и более сложный прибор: воздушную турбину в виде абажура.

Общий вид и части абажура-турбины показаны на рисунке 17.

Рис. 17. Абажур-турбина.

Основание сделайте из чисто выстроганной доски размером 120x120 мм. Отшлифуйте его шкуркой и покройте морилкой или лаком.

Подставку вырежьте из жести, согните и спаяйте отогнутые ребра в углах верхней площадки. В отверстии площадки укрепите карболитовый висячий патрон для электрической лампочки.

Для этого головку патрона отверните и вставьте в отверстие снизу, а юбку патрона навинтите сверху. Может случиться при этом, что внутренняя часть патрона не зажмется плотно и будет болтаться. Дело в том, что юбка теперь не завинчивается до конца: мешает толщина площадки. Придется снова отвинтить юбку патрона и немного опилить ее торец напильником. После этого юбка сядет глубже и зажмет внутреннюю часть патрона.

Зарядите патрон шнуром и прикрепите этот шнур к подставке скобками. Только обязательно подложите под скобки плотный картон, чтобы не повредить шнур. На свободный конец шнура наденьте штепсельную вилку для включения в сеть.

Крестовину сделайте из голой медной проволоки диаметром 2–2,5 мм. Можете взять одножильный медный провод сечением 4 кв. мм (его называют «4 квадрат») и очистить от изоляции. Годится и стальная проволока диаметром 1–1,5 мм, из которой делают каркасы для абажуров.

Нижние концы ножек сверните петлями и прикрепите к подставке 4-миллиметровыми винтами с гайками. Изогните ножки так, чтобы между ними помещалась лампочка.

Верхние концы ножек отогните вертикально и сложите все вместе. Стяните их несколькими витками тонкой голой проволоки, а в середину вдвиньте патефонную иглу острием вверх. Острие должно выступать на 4–5 мм. После этого весь верхний узел крестовины пропаяйте.

Колесо турбины состоит из диска с лопастями и ободка. Диск расчертите на листе белой жести по нашему рисунку. Лопасти прорежьте до внутреннего круга. При этом все они немного повернутся в одну сторону. Изогните их в эту же сторону дальше, чтобы концы лопастей встали под углом примерно в 45°. Точнее отрегулируете после.

Для ободка заготовьте полоску из белой жести шириной 12 мм и длиной 450 мм. Если такой длинной полоски жести не подберете, спаяйте внакладку две одинаковые половины.

Оберните полоской диск. Полоска должна проходить возможно точнее через середины лопастей. Туго обвяжите ее проволокой или шнурком, чтобы она плотно прилегала к лопастям по всей окружности, и спаяйте концы полоски внакладку.

Теперь нужно припаять лопасти диска к ободку. Эта работа требует точности. Прежде всего оберните ободок бумажной ленточкой и обрежьте ее так, чтобы концы сходились точно в стык. Сняв эту ленточку, разделите ее на шесть равных частей поперечными линиями. Снова наденьте ленточку на ободок и перенесите на него точки деления.

В отмеченных на ободке шести точках проведите линии, перпендикулярные к краям. Через середины этих линий прочертите наклонные линии под углом 45°. Эти наклонные линии покажут направление концов лопастей.

Диск имеет восемнадцать лопастей. Шесть из них, то есть каждую третью, установите точно по сделанной разметке. Выступающие по краям ободка ребра этих лопастей должны продолжать наклонные линии. В таком положении сначала прихватите эти лопасти пайкой, а затем припаяйте как следует. После этого промежуточные лопасти легко будет припаять на глаз.

По готовому колесу турбины сверните и склейте абажур в виде цилиндра высотой 250 мм из чертежной бумаги. Он должен надеваться на колесо очень туго. Продвиньте колесо внутрь абажура так, чтобы верхний край ободка был утоплен на 40 мм.

Для усиления нижнего края абажура вставьте в него еще один ободок из жестяной полоски шириной 12 мм. Сначала сверните полоску в кольцо и вдвиньте его в абажур до половины. Расправив кольцо, как только позволит абажур, прихватите стык плоскогубцами за выступающий край. Вытяните кольцо и спаяйте его в найденном положении, а потом снова вдвиньте в абажур, но уже на всю ширину. Паять кольцо в абажуре не стоит: бумага будет пригорать.

Абажур-турбина готов. Вверните в патрон лампочку мощностью 75 или 96 вт и включите вилку прибора в штепсельную розетку. Лампочка, нагревшись, создаст в цилиндре восходящий поток воздуха. Этот поток, ударяясь в лопасти турбины, заставит абажур вращаться. Вращение будет продолжаться все время, пока горит лампочка.

Для украшения абажура можете нарисовать на нем разные фигуры или перевести на него переводные картинки. Еще интереснее прорезать в абажуре окошки и заклеить их разноцветным целлофаном. Тогда при работе турбины по стенам комнаты будет бежать хоровод цветных бликов.

Блоки

Для опытов с блоками прежде всего необходимо сделать стойку. Не жалейте труда на ее изготовление: стойка пригодится еще не один раз. Основные части стойки — основание, две вертикальные рейки и перекладина (рис. 18).

Рис. 18. Стойка.

Основание сделайте из доски толщиной 20–25 мм. Его размеры 140X200 мм. Слои древесины должны идти вдоль короткой стороны. Аккуратно обстрогайте основание и отполируйте его шкуркой.

Толщина реек и перекладины 15 мм, ширина 20–25 мм. Высота вертикальных реек по 500 мм. Перекладина должна быть длиной 200 мм, то есть точно по длине основания. Эти части также обстрогайте рубанком и отполируйте шкуркой.

Заготовив рейки, сделайте пазы для них точно в серединах узких сторон основания. Для этого поставьте рейки торцами на основание и аккуратно обчертите их твердым, остро заточенным карандашом. Пропилите пазы по бокам, а середину выберите стамеской.

В нижней стороне перекладины сделайте по концам выемки глубиной 5 мм. В них должны войти концы вертикальных реек.

Разведите столярный клей, приготовьте шурупы длиной 30–35 мм и приступайте к сборке. В нижних концах реек и в концах перекладины просверлите по отверстию под шуруп. Если шурупы с потайной головкой, не забудьте сделать выемку под нее. Приложив рейки к основанию, наколите шилом отверстия для завинчивания шурупов.

Смажьте нижние концы реек и пазы основания тонким слоем столярного клея. Поставьте рейки на место.

Смазав шурупы сухим мылом, заверните их пока не до самого конца. Шурупы будут держаться хорошо. Ведь вы специально заготовили основание так, чтобы они шли не вдоль слоев древесины, а поперек.

Если рейки у вас из крепкого дерева, перекладину можно тоже крепить шурупами. Если материал слабый, крупнослойный, придется прибить ее гвоздями. Смазав клеем верхние концы реек и пазы перекладины, поставьте перекладину на место и закрепите не совсем плотно.

Пока клей не схватился, выверьте по угольнику, правильно ли стоят рейки на основании. Если они наклонены или перекладина перекошена, выровняйте конструкцию легким нажимом и в таком положении окончательно затяните шурупы или забейте гвозди. Выступившие наружу капли клея аккуратно снимите стамеской. Еще раз убедившись в том, что все стоит ровно и прямо, поставьте стойку сохнуть.

На следующий день, когда клей хорошо высохнет, набейте на верхние углы стойки четыре косынки из фанеры. Они не дадут стойке расшатываться. В перекладине просверлите четыре отверстия под крючки: одно — в середине, одно — отступя на 30 мм в сторону и еще два — отступя по 45 мм в каждую сторону от среднего. В каждое отверстие вставьте сверху тонкий гвоздь, подложив под головку небольшую шайбу. Прошедшие насквозь концы гвоздей с помощью круглогубцев изогните в виде крючков.

Теперь, когда стойка готова, можно приступить к изготовлению блоков. Блок состоит из ролика, оси и обоймы с крюком.

Обойму сделайте из жести по размерам, указанным на рисунке 19. Заготовив полоску жести, сначала отогните ее края для того, чтобы увеличить прочность. Такие отогнутые края называются ребрами жесткости. Отгибать их лучше всего молотком на деревянной рейке подходящего размера. Наметив места сгибов обоймы, прорежьте против них ребра жесткости на всю глубину. Согните обойму, а торчащие уголки ребер срежьте наискосок.

В спинке обоймы просверлите отверстие, вставьте в него крюк, согнутый из гвоздя, и шляпку гвоздя припаяйте к спинке изнутри.

Ролики можно выточить из дерева, пластмассы или металла на токарном станке. Диаметр ролика 25 мм, толщина 10 мм. По окружности проточите полукруглую бороздку глубиной 2–3 мм для шнурка.

Если воспользоваться токарным станком нет возможности, сделайте ролик из катушки.

Подберите катушку из-под ниток, у которой диаметр щечек 26–28 мм. Наденьте ее на палочку и, постепенно поворачивая, прочертите карандашом на каждой щечке линию, отстоящую на 5 мм от наружного края. По этим линиям аккуратно отрежьте щечки от катушки перочинным ножом или лобзиком. Срезы получившихся кружков зачистите напильником или крупной шкуркой.

Насадите обе щечки на карандаш срезанными сторонами друг к другу. Если срезы прилегают один к другому неровно, нужно выступающие места отметить карандашом, а потом щечки снять и осторожно подровнять.

Когда все будет получаться правильно, смажьте срезы и карандаш, клеем, лучше всего столярным. С карандаша нужно предварительно счистить лак. Надев щечки, прижмите их крепко одну к другой. Склеенный ролик должен сохнуть не меньше часа.

Когда клей хорошо высохнет и затвердеет, острым ножом срежьте выступающие концы карандаша вровень со щечками. Оставшийся внутри ролика обрезок графита вытолкните тонким гвоздиком. Канавку в ролике очистите от засохшего клея перочинным ножом. Затем аккуратно расширьте ее круглым надфилем.

Очень удобно расширять канавку с помощью сверлильного станка или хотя бы ручной дрели. В этом случае сначала срежьте только один конец карандаша, а другой конец зажмите в патрон вместо сверла. Когда ролик завертится, будет легко обработать его надфилем, а затем мелкой шкуркой. Ролик нужно обработать шкуркой и снаружи, чтобы он меньше цеплялся за обойму.

Для оси подберите кусок стальной проволоки или гвоздь длиной 20 мм и такой толщины, чтобы ролик мог свободно вращаться на нем. В щечках обоймы, отступя по 15 мм от спинки, просверлите отверстия для оси.

Вложите ролик внутрь обоймы. С каждой его стороны вложите еще по одной металлической шайбе или по колечку, согнутому круглогубцами из медной проволоки. Это нужно для того, чтобы ролик не терся об обойму всей поверхностью щечки. Вставив ось, закрепите ее в щечках пайкой.

Для опытов лучше заготовить сразу два таких ролика с обоймами. Каждый из них может быть использован и как подвижной блок, и как неподвижный. Еще для этих опытов необходим динамометр, изготовление которого описано выше.

Подвесьте один из роликов к среднему крюку стойки. Это у вас будет неподвижный блок. Подберите самый большой груз, который еще можно взвесить на вашем динамометре. Прикрепите к нему суровую, крученую шелковую или другую достаточно прочную нитку. Перекиньте конец нитки через блок и сделайте на нем петельку. За эту петельку зацепите крюк динамометра.

Вы увидите, что при подъеме груза через блок динамометр будет показывать примерно столько же, сколько он показывал при непосредственном взвешивании груза.

Возможная небольшая разница вызывается трением в блоке. Значит, неподвижный блок не дает выигрыша в силе. Зачем же тогда он нужен? Это легко понять, если попробовать менять положение динамометра. Можете тянуть нитку через блок прямо вниз, или горизонтально, или косо под любым углом. Во всех случаях груз будет подниматься прямо вверх, а показания динамометра не изменятся. Это значит, что неподвижный блок позволяет менять направление силы так, как нам удобно.

Снимите ролик с крюка стойки и прицепите его к грузу. Нитку закрепите одним концом за крюк стойки, а другой конец перекиньте через ролик и наденьте на крюк динамометра. Теперь уже ваш ролик стал подвижным блоком. Поднимая груз, вы увидите, что динамометр показывает чуть больше половины его веса. Он показывал бы точно половину, если бы не было трения в блоке, а сам блок ничего бы не весил. Значит, подвижной блок дает выигрыш в силе почти в два раза.

Правда, подъем груза при этом замедляется. Он ползет вверх вдвое медленнее, чем вы поднимаете динамометр. Поэтому выигрыша в работе не получается. Но все равно, выигрыш в силе в два раза — большое удобство. Плохо только, что тянуть приходится вверх. Это не всегда бывает удобно.

Впрочем, мы с вами уже знаем, как изменить направление силы. Для этого служит неподвижный блок. Подвесьте его на свободный крюк стойки и перекиньте через него конец нитки. Вы увидите, что динамометр при подъеме груза по-прежнему будет показывать около половины веса, зато тянуть можно будет и вниз и в сторону.

Рис. 19. Блоки.

Механизмы из блоков

Сочетание подвижного блока с неподвижным дает выигрыш в силе в два раза. Ну, а если нам этого мало? Как получить еще больший выигрыш?

Для этого можно соединять блоки в более сложные механизмы. Один из таких механизмов показан на рисунке 20.

Рис. 20. Механизмы из блоков.

На той же стойке, которая описана в предыдущей статье, подвешены три подвижных блока и один неподвижный. Попробуем разобраться, какой выигрыш в силе должен давать этот механизм. Самый левый блок у нас неподвижный. Дальше нить перекинута через подвижной блок и конец ее прикреплен к стойке. Этот механизм нам уже знаком. Он дает выигрыш в силе вдвое.

Удвоенная сила тянет вторую нить, перекинутую через подвижной блок (средний из трех) и опять-таки прикрепленную к стойке. Но мы уже знаем, что подвижной блок даже и без неподвижного дает выигрыш в силе в два раза. Значит, здесь сила еще раз удваивается. Таким образом, первоначальная сила увеличилась в четыре раза.

Но на этом дело не кончается. К обойме второго подвижного блока привязана еще одна нить, перекинутая через третий (крайний справа) подвижной блок. Конец этой нити снова прикреплен к стойке, а к обойме подвижного блока подвешен груз.

Третий подвижной блок должен давать выигрыш в силе еще в два раза. Значит, общий выигрыш в силе, даваемый всем механизмом, увеличится до восьми раз.

Это легко проверить, нагрузив механизм. Один грузик весом, скажем, в 10 г действительно уравновешивает целых восемь таких же грузиков, подвешенных к левому подвижному блоку.

Правда, на самом деле выигрыш в силе будет меньше.

К грузику в 10 г нужно еще добавить перегрузок, уравновешивающий вес всех подвижных блоков. На нашем рисунке этот перегрузок имеет вид шарика. Сверху в шарик вставлен крючок, снизу — петелька.

Шарик можно отлить из свинца, вложив внутрь крючок и петельку, согнутые из одного обрезка стальной проволоки (хотя бы от канцелярской скрепки). Вес шарика можно сначала взять с запасом, а потом подогнать, спиливая излишки напильником. Уменьшать вес нужно до тех пор, пока шарик, подвешенный без основного груза в 10 г, перестанет перетягивать вес самого механизма (разумеется, также ненагруженного).

Кстати, попробуем сообразить, какой нужен вес перегрузка? На первый взгляд кажется, что он должен быть равен весу всех трех подвижных блоков вместе. Но это только на первый взгляд. В нашем механизме перегрузок должен уравновесить: 1/2 веса первого подвижного блока, 1/4 веса второго подвижного блока, 1/8 веса третьего подвижного блока, то есть всего 7/8 веса подвижного блока, если вес всех трех блоков одинаков.

Это не так много, как казалось сначала. Тем не менее выигрыш в силе все же уменьшается довольно заметно. А ведь мы пока еще только уравновешивали груз, но не пытались его поднять. Что же будет, если вместо груза и перегрузка зацепить за правый конец нити крюк динамометра?

Потянув динамометр и приведя нижний груз в движение, вы увидите, что динамометр покажет силу, заметно превышающую вес верхнего груза с перегрузком. Ведь здесь, кроме веса блоков, прибавились еще потери на трение.

Значит, в действительности этот «хитрый» механизм дает выигрыш не в восемь раз, а гораздо меньше.

Вообще говоря, наш механизм можно было бы еще усложнить. Каждый добавленный к нему подвижной блок давал бы выигрыш в силе еще в два раза. Но это — только в теории. На самом деле увеличение потерь на трение становилось бы все более заметным. В конце концов при большом числе блоков механизм вообще перестал бы давать какой-либо выигрыш. При дальнейшем же добавлении блоков будет получаться не выигрыш в силе, а проигрыш.

Вот почему на практике обычно не применяют механизмы из блоков, дающие выигрыш более чем в шесть — восемь раз. Механизм, дающий выигрыш в восемь раз, мы с вами только что разобрали. Если убрать один подвижной блок, выигрыш в силе будет только в четыре раза. Но как получить выигрыш в шесть раз?

Для этого служат механизмы, показанные на рисунках 20 и 21.