Демонстрационные эксперименты.

Физическая лаборатория у вас дома.

Выполнил: Иванов П. Е.

Г. Петрозаводск 2003 г.
1.1 Механика твердого тела. Гироскопы:

Для демонстрации сохранения направления оси вращения свободного гироскопа можно использовать уравновешенный гироскоп, установленный в кардановом подвесе, что позволяет ему вращаться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, или простой волчок. Гироскопы –массивные однородные тела, вращающиеся с большой угловой скоростью около своей оси симметрии, являющейся свободной осью. После их раскрутки при перемещениях и вращении ось гироскопа сохраняет неизменное направление в пространстве. Поскольку сохраняется момент количества движения вдоль оси гироскопа.

Волчок можно раскрутить на большом листе картона и если, взяв двумя руками картон, подбросить волчок вверх, то можно заметить, что ось волчка во время полета сохраняет неизменное направление в пространстве. После приземления волчок, как обычно, медленно прецессирует вокруг вертикали.

(“Механика твердого тела”. Лекционный эксперимент. М. В. Семенов. А. А. Якута с 22 – 23.)

Прецессия – вращение оси вращения гироскопа вокруг направления действия постоянной силы, приложенной к гироскопу.

Для демонстрации прецессии под действием силы тяжести можно использовать небольшое велосипедное колесо, подвешенное за конец оси. Для этой цели хорошо подходят массивные колеса от детских велосипедов, изготовленные из литой резины и обладающие большим моментом инерции. Пока колесо не раскручено, оно свободно висит на шнурке, а после раскрутки при горизонтальном положении оси – прецессирует под действием собственного веса вокруг вертикали. Если подтолкнуть ось в направлении прецессии, то она поднимется, приближаясь к вертикальному положению, а если задержать прецессию, то ось гироскопа опустится, поскольку появится прецессия вокруг горизонтальной оси, по которой направлена дополнительная сила, действующая на гироскоп. После резкого удара по оси вращающегося колеса появляются затухающие нутационные колебания.

(“Механика твердого тела”. Лекционный эксперимент. М. В. Семенов. А. А. Якута стр. 23 – 24).

Нутация – быстрые колебания оси гироскопа на фоне прецессии.

1.2 Закрученное яйцо:

Еще одним прекрасным примером сохранения оси вращения свободного гироскопа может послужить вареное яйцо. Всем прекрасно известно, как отличить сырое яйцо от вареного яйца. Вареное будет вращаться стоя, сырое - нет. Есть и другой способ отличить сырое от вареного яйца. Нужно запустить яйцо волчком, потом притормозить его пальцем и снова отпустить. Сырое продолжит вращаться, а вареное остановиться. Так как после остановки на мгновение сырого яйца жидкость внутри него продолжит вращение. И если палец отпустить, то яйцо продолжит вращение. Это же мешает раскрутить сырое яйцо.

(“Физический фейерверк”. Второе издание.

Под редакцией И. Ш. Слободецкого. М:.Мир 1989г. Стр. 48,189).


1.3 Волчок-перевертыш:

Этот волчок представляет собой шар со срезанным верхом. На поверхности среза закреплен штырек. Если поставить волчок срезанной частью вниз и, взяв за штырек, запустить его, то он тотчас перевернется и начнет крутиться на штырьке, тем самым, поднимаясь против силы тяжести. Объясняется это тем, что если запустить волчок на шероховатой поверхности, то момент силы трения в точке соприкосновения волчка с поверхностью вызывает его прецессию, которая, в конце концов, переворачивает волчок вверх ногами.

(“Физический фейерверк”. Второе издание.

Под редакцией И. Ш. Слободецкого. М:.Мир 1989г. Стр. 48,189).


1.4 Момент силы. Сохранение момента импульса: Падающая кошка.

Всем известно, что если бросить кошку вверх ногами, она все равно приземлится на лапы. Даже бесхвостые кошки обладают этой загадочной способностью. Но если момент внешних сил равен нулю, то момент импульса кошки должен сохраняться. А если это так, то каким образом кошка переворачивается в процессе падения на 180⁰?

Момент импульса кошки остается постоянным при свободном падении, так как моменты внешних сил отсутствуют. Однако, вытягивая или прижимая к телу задние или передние лапы, кошка может сделать так, что момент инерции передней части ее тела относительно центральной оси окажется отличным от момента инерции задней части тела. Например, если она вытягивает передние лапы и поджимает, а затем поворачивает заднюю часть тела, то передняя поворачивается в противоположном направлении, но не так быстро и на меньший угол. Поэтому все тело кошки несколько поворачивается в том направлении, в каком повернулась задняя часть ее тела. Затем кошка поджимает передние ноги и вытягивает задние. Далее все повторяется сначала, и поворот тела кошки в нужном направлении еще больше увеличивается. Наконец, поворот тела кошки становится достаточным, для того чтобы она могла упасть на лапы и полностью выпрямиться.

(“Физический фейерверк”. Второе издание.

Под редакцией И. Ш. Слободецкого. М:.Мир 1989г. Стр. 40,186).
2.1 Воздушный шар:

Соорудите из подручных материалов воздушный шар. Для этого вам понадобятся полиэтиленовый пакет большого объема (мусорный 30 л.), горелка (из фольги или жестяной банки). URL:http//www.tcp-ip.or.jp/

Но для того чтобы он взлетел нужно провести некоторые расчеты для максимальной массы самого пакета и горелки. Возьмем полиэтиленовый пакет объемом 30 литров. Предположим температура воздуха 300 К., температура нагретого внутри пакета воздуха 400 К., масса пакета m, масса горелки m₀ Тогда:

₀ Т₀=300 F_арх=m₀g+mg

 Т=400 PV=(m/µ)RT
=m/V=Pµ/(RT)
₀Vg=m₀g+Vg m₀=(-₀)V=
=P₀µ/R(1/T₀-1/T)V.

Для простоты возьмем µ воздуха и газа находящегося в пакете одинаковыми и равными 29*10^-3, а давление 10⁵Па, тогда:

m₀=(10⁵*29*10^-3)/8.31*(1/300-1/400)*30*10^-3=

=10*(1/3-1/4)*1/100=1/12*1/10=10^-2.

т. е. максимальная масса горелки должна быть порядка 10^-2кг. Что довольно мало.

Поэтому обьем шара должен быть как можно больше, а масса поднимаемого груза меньше. Основную сложность в конструировании такого шара составляет горелка. Нужно рассчитать на глаз расстояние от горелки до самого пакета, чтобы он не расплавился. Для самой горелки рекомендую использовать фольгу, желательно потолще, а в качестве горящего материала спирт. Можно и другое хорошее горючее. Если шар у вас все-таки полетит, то к нижнему концу горелки привяжите веревочку. Чтобы он совсем не улетел и не устроил где-нибудь пожар.

2.2 “Пьющий утенок”.

Прибор состоит из небольшой стеклянной запаянной ампулы на металлической оси и жестяной стойке с подставкой. Вставленная в подставку ампула может свободно качаться на оси. Нижний баллончик ампулы, внутри которого трубка доходит почти до дна, прозрачный, а верхний (голова утенка) покрыт сверху тонким слоем гигроскопической ваты. В ампулу налита легко испаряющаяся жидкость.

Приводят игрушку в действие. Наполняют небольшой стаканчик водой и ставят перед “утенком”. Затем наклоняют его так, чтобы клюв опустился в воду и слой ваты на голове слегка смочился. После этого “утенок” начнет самостоятельно через некоторые небольшие промежутки времени наклоняться к воде и снова выпрямляться. Он будет действовать столько времени пока клюв достает до воды в стаканчике. Как объяснить действие прибора?

Испарение воды со слоя ваты на верхнем баллончике ампулы вызывает охлаждение насыщающих паров жидкости внутри баллончика, при этом значительно понижается их давление. Давление же в нижнем баллончике остается прежним, вследствие чего жидкость из нижнего баллончика по трубке вытесняется вверх. Благодаря перемещению центра тяжести ампула наклоняется сначала немного, а затем настолько, что пары из нижнего баллончика пузырьком проскакивают через трубку в верхний баллончик. Тем самым давление насыщающих паров в обоих баллончиках выравнивается, жидкость вновь стекает вниз, и ампула принимает свое начальное положение. Далее весь цикл снова повторяется, причем каждое погружение клюва в воду сопровождается пополнением влаги, испаряющейся с головы “утенка”.

“Утёнок” будет пить чаще, если обдувать его голову вентилятором, и при большой влажности воздуха “утенок” работать не будет. Важно обратить внимание на регулировку максимального наклона ампулы.

(“Демонстрационный эксперимент по физике.” Т.1­­

под редакцией А. А. Покровского. Изд. 2-е переработанное.

М:.Просвещение 1971 г стр. 311-312.)

3.1 Подъемная сила крыла. Криволинейное движение: Бумеранги.

Возвращающийся бумеранг устроен так, что когда его бросают на большое расстояние, он возвращается обратно к тому, кто его бросил. Австралийские аборигены бросают бумеранг на 100 м, заставляя его при этом подниматься на 50 м и совершать в воздухе до пяти кругов. Невозвращающийся бумеранг, более удобный для охоты, летит обычно до 200 м. Обычный бумеранг по своей конструкции напоминает кривой банан. А вообще форм бумеранга много, от тройного до шестилопостного. Также бумеранги различаются на праворучные и леворучные. Праворучный бумеранг бросают в вертикальной плоскости, придавая ему вращение вокруг горизонтальной оси. Поскольку бумеранг имеет профиль крыла, на него действует направленная вбок “подъемная сила”, причем на верхнюю часть в большей степени, чем на нижнюю, так как верхняя часть движется в том же направлении, что и весь бумеранг, а нижняя в противоположном. В результате возникает момент сил, стремящийся наклонить бумеранг, однако он не наклоняется, а весь смещается вбок, сохраняя вертикальное положение. Если смещение будет достаточно большим, то бумеранг совершит полет по замкнутому кругу.

( “Физический фейерверк”. Второе издание.

Под редакцией И. Ш. Слободецкого. М:.Мир 1989г. Стр. 42,187,188)
3.2 Подъемная сила крыла самолета.

Для проведения эксперимента потребуются:

1. 
   модель крыла на подставке.
   
2. 
   Воздуходувка.
   
3. 
   Аэродинамические весы.
   

На аэродинамических весах устанавливают модель крыла. С помощью противовеса уравновешивают весы. Направляют воздушный поток на модель крыла и наблюдают, как она поднимается вверх. Демонстрацию подъемной силы полезно показать и при некоторых углах атаки, для чего во время опыта модель слегка поворачивают на держателе.

(“Демонстрационный эксперимент по физике.” Т.1­­.

под редакцией А. А. Покровского. Изд. 2-е переработанное.

М:.Просвещение 1971 г. Стр. 263-265.)

Как возникает подъемная сила? При ответе обычно ссылаются на уравнение Бернулли. Обычное объяснение сводится к тому, что скорость воздушного потока над крылом больше чем под крылом. В результате и возникает подъемная сила. Струи воздуха должны обогнуть крыло за одно и тоже время; значит, верхняя струя должна пройти больший путь, поэтому она движется быстрее. Но почему верхняя струя должна обогнуть крыло за тоже время, что и нижняя? Это объясняется редко. Кстати, в действительности верхний и нижний потоки огибают крыло за различное время. Откуда же берется подьемная сила? Из источников, на которые мы ссылаемся, не всегда можно понять, применимо ли в данном случае уравнение Бернулли или нет. Это уравнение вытекает непосредственно из закона сохранения энергии. Так как на воздушный поток, обтекающий крыло, влияют также адгезия (прилипание) и вязкость воздуха (оба эти эффекта сопровождаются совершением работы в воздушном потоке), то это уравнение, казалось бы, применять нельзя. Однако им все же воспользоваться можно, если учесть вязкость и адгезию, считая, что в дополнение к безвихревому обтеканию крыла воздушным потоком существует еще некий кольцевой поток, прилегающий к крылу (который направлен вперед под крылом и назад под ним). Такое наложение кольцевого и линейного потоков рассматривается в работах Кутты и Жуковского о подъемной силе крыла. Над крылом скорость линейного потока складывается со скоростью циркуляции, в результате скорость воздуха увеличивается. Под крылом скорость циркуляции направлена против линейного потока, и скорость потока уменьшается. Тогда в силу уравнения Бернулли давление над крылом оказывается меньше, чем под ним, поэтому возникает подъемная сила. Как видим, уравнение Бернулли в данном случае можно использовать только с определенными оговорками и уточнениями. Истинная подъемная сила крыла, согласно теории Кутты и Жуковского, рассчитывается путем определения изменения импульса воздушного потока при его отклонении циркуляционным потоком. В соответствии с законом Ньютона сила, необходимая для отклонения воздушного потока вниз, равна по модулю подъемной силе крыла.

(“Физический фейерверк”. Второе издание.

Под редакцией И. Ш. Слободецкого. М:.Мир 1989г. стр. 88,209,210)
3.3 Сила тяги воздушного винта.

Для демонстрации этого явления удобно воспользоваться распространенной игрушкой “летающий пропеллер”. Трехлопастной пропеллер с оградительным кольцом, изготовленный из пластмассы, свободно надевают сверху на вертикальную ось, которая с помощью шнурка вместе с пропеллером приводится в быстрое вращение. (Демонстрационный эксперимент по физике Т.1­­ М:.Просвещение1971 г. Стр.265-267.)

Лопасти пропеллера имеют специально выполненный профиль и расположены под некоторым положительным углом атаки. Благодаря этому при вращении развивается сила тяги, достаточная для подъема пропеллера на значительную высоту. По мере уменьшения вращения пропеллер плавно опускается. Вертикальный подъем пропеллера можно продемонстрировать и с помощь простого самодельного прибора. Материалом для изготовления служит легкое сухое дерево. Прибор запускается в воздух простым вращением рукояти (стерженька) между ладонями рук.

Объясняют это тем, что в сечении форма лопасти воздушного винта сходна с профилем крыла самолета. При вращении винта его лопасти обтекаются потоком воздуха, подобно тому, как обтекается потоком движущееся крыло самолета. И здесь возникает сила, приложенная со стороны воздуха к каждой лопасти. Составляющая этой силы, направленная вдоль оси винта, и является силой тяги. Сумма сил тяги отдельных лопастей дает общую силу тяги пропеллера. Воздушный винт используется в вертолетах. Сила тяги, направленная вверх, уравновешивает вес вертолета, заменяя подъемную силу крыла.

4. Электромагнетизм: Ружье Томпсона.

Устройство очень простое. Вам потребуется ученическая линейка с желобком по середине, несколько магнитиков одинаковых размеров прямоугольной формы, несколько, сравнимых с магнитиками по размерам , стальных шариков и скотч. Если вы все это дело расположите, как показано на рисунке и толкнете первый шарик, то последний вылетит с большей скоростью. (URL:http://homepage3.nifty.com/yoiidea/)

Два шарика используются для того, чтобы уменьшить силу притяжения к предыдущему магниту и облегчить притяжение к последующему. Объясняется принцип работы такого устройства очень просто. Первый шарик передает импульс магниту, а тот практически без потерь передает его последующим шарикам. Третий шарик отрывается, приобретая импульс первого шарика, и приобретает ускорение вследствие взаимодействия со вторым магнитом. Дальше все повторяется, и последний шарик приобретает значительно большую скорость, чем первый.