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

Мы помним, как иголка плавала на воде в одном из наших опытов. Помогали ей плавать силы поверхностного натяжения. Но вот вопрос: можно ли почувствовать силу взаимодействия атомов, понять, насколько она велика? Давайте проделаем простой опыт, в котором мы буквально ощутим, насколько сильны атомарные силы, с какой мощью приходится сталкиваться, когда в действие вступают силы притяжения атомов между собой.

Для этого нам понадобятся два кусочка стекла. Чтобы не порезаться, лучше всего взять два маленьких зеркальца – у них края не такие острые и, кроме того, они достаточно толстые для опыта. Но могут подойти и просто два небольших кусочка оконного стекла, только надо аккуратно с ними обращаться. Стекла должны быть чистые, лучше всего их сначала промыть с мылом.

Намочим стекла обычной водопроводной водой. Положим одно стекло на другое. Теперь попробуем оторвать одно стекло от другого пальцами.

Оказывается, сдвинуть вбок стекло очень легко, а вот оторвать – для этого нужны довольно значительные усилия!

Дело в том, что плоскости стекол достаточно ровные и между ними пролегает тонкий слой воды. Вступают в действие силы сцепления – атомы притягивают друг друга, и возникает даже для двух небольших кусочков стекла очень большая сила сопротивления «отрыву»!

Ученые используют атомарные силы, подобные проявившимся в нашем опыте, для различных процессов. Например, есть метод холодной сварки металлов. Поверхности двух металлических деталей обрабатываются так, чтобы очень точно прилегать друг к другу. Делается эта обработка без доступа воздуха, чтобы поверхность металла не окислялась, то есть не возникала защитная пленка из окисленного металла на поверхности.

После этого достаточно приложить друг к другу две детали так, чтобы поверхности совпали, и плотно прижать – атомы двух поверхностей притягиваются с такой силой, что образуют практически единый кусок. Детали «свариваются» без всякого нагрева, клея, как бы сами собой!

Прямо как наши кусочки стекла – только наши хотя бы сдвинуть вбок можно, потому что жидкий слой воды между стеклами все-таки сохраняет свои свойства текучести.

84 Как отличить подделку, или О состоянии вещества

Для опыта нам потребуются: кусочек янтаря или канифоли, кусочек пластмассы, иголка.

Есть сложные способы отличить состав вещества, обычно это уже даже не физика, а химия. Определить, из чего состоит вещество, часто бывает нужно – в работе милиции, чтобы поймать преступника. В работе археолога, чтобы понять, из чего наши далекие предки делали свои вещи. В работе искусствоведа, чтобы понять, не подделка ли ему попалась… И еще антиквары и ювелиры часто должны определять, из чего состоит украшение.

Самый первый исторический анекдот про подобную задачу известен еще со времен великого физика Архимеда. Архимед, древний грек, по заданию царя пытался определить, не подмешали ли в золотую корону других сплавов – и открыл знаменитый закон Архимеда. Но про это много где написано.

А вот как определить, из янтаря ли сделано украшение или из пластмассы? Здесь нам на помощь тоже приходит физика. Дело в том, что отрезать от украшения достаточно большой кусок никто не даст. Это испортит саму вещь. Но мы знаем, что вещество может быть в нескольких физических состояниях – например, жидком, твердом, газообразном, плазменном… Например, вода в твердом состоянии – лед, а в газообразном – пар.

Так вот, вещество в твердом состоянии занимает сравнительно небольшой объем. Если же оно переходит в газообразное состояние (пар), то объем вещества стремится увеличиться до очень больших пределов.

Если газообразное вещество ничто не сдавливает (например, другой газ или стенки сосуда), то в принципе оно может расширяться до бесконечности. Причем отдельные молекулы газа летают со скоростью ружейной пули!

Если бы молекулы газов не стукались друг об друга и не тормозили из-за этого, мы бы чувствовали запах пролитых духов за двести метров через одну секунду!

Так вот, это самое свойство веществ находиться в разных состояниях используют иногда антиквары (специалисты по старым вещам) и ювелиры для определения, из янтаря сделано ли украшение или это подделка из пластмассы.

Как это делается? Накаляется тонкая иголочка, и этой раскаленной иголочкой слегка касаются янтаря там, где это незаметно на украшении (например, снизу, у металлического ободочка).

И нюхают!

Микроскопическое количество вещества переходит в газообразное состояние, расширяется и попадает в нос к ювелиру. Если это пластмасса, запах неприятный – все знают, как пахнет горелая пластмасса. А если янтарь – запах приятный, как от горящей смолы.

Мы можем заменить янтарь обычной канифолью. Она продается в магазинах для паяльников. Если нагретой иголкой (иголку можно нагреть на свечке, только брать ее надо щипцами, чтобы не обжечься) дотронуться до кусочка канифоли, то мы почувствуем приятный «смоляной» запах. А если до кусочка пластмассы, например от старой игрушки, – то неприятный. Так состояние вещества позволяет отличить один материал от другого!

85 Пуговица-жужжалка

Для опыта нам потребуются: большая пуговица, веревочка или длинный шнурок.

Это старинный забавный опыт, в котором работают силы инерции, силы упругости и даже аэродинамические силы – все вместе! А показывал мне его еще мой дедушка.

Сам опыт очень прост. Берется большая – чем больше, тем лучше – пуговица, и через ее дырочки продевается веревочка, которая завязывается так, чтобы получилось веревочное кольцо. Ниточку лучше взять подлиннее. Так лучше «жужжит».

На фотографии видно, что обычная веревочка просунута в дырочки пуговицы. Лучше брать пуговицу с двумя дырочками.

Теперь, собственно, как сделать из этого прибора жужжалку? Продеваем указательные пальцы в петли по бокам и закручиваем пуговицу так, чтобы веревочка свилась на много-много оборотов. Как на фотографии.

На фотографии я растягиваю и свожу руки, а пуговица жужжит и жужжит… пока нитка не порвется!

Теперь начинаем аккуратно тянуть веревку в стороны, плавно, без особых усилий. Пуговица начнет крутиться, все быстрее и быстрее. В тот момент, когда веревка раскрутится и начнет заворачиваться в другую сторону, перестанем тянуть, немножко сведем руки. Только не слишком сильно, чтобы веревка была все время чуть-чуть натянута (а то она просто спутается). Когда пуговица завернет веревочку в другую сторону и начнет останавливаться, опять потянем в разные стороны. Пуговица начнет раскручиваться в другую сторону. И так до бесконечности. Мы потихонечку то тянем в стороны, то ослабляем натяжение – а пуговица крутится туда-сюда.

Если веревочка достаточно длинная, а пуговица большая и тяжелая, то при вращении она издает приятный жужжащий звук, словно немножко фырчит! Вот и готова жужжалка.

Что же происходит?

Когда мы тянем закрученную веревку, мы заставляем ее раскручиваться, веревка передает свою энергию пуговице, и вся система начинает вращаться. Это работают силы упругости – помните закон Гука, который мы изучали на шарике? Когда веревка раскрутится, в действие вступают силы инерции. Пуговица продолжает движение и уже сама начинает работать как мотор, закручивая веревку в другую сторону.