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

Те, кто разрабатывал системы связи для передачи информации, воспользовались этим физическим законом и сделали очень простую (на первый взгляд) вещь: создали кабель, состоящий из огромного количества тонких и гибких стеклянных трубочек. Самое главное (и самое сложное в производстве таких кабелей), что каждая трубочка на обоих концах кабеля находится точно в том же месте и в начале, и в конце. Поэтому изображение не искажается. Чтобы пояснить, посмотрим на следующую картинку. Предположим, что мы положили в ряд пять трубочек, причем они не «перепутываются», а идут, изгибаясь, рядом до самого конца. Длина у них одинаковая. Будем светить разным светом (красным, зеленым, желтым и т. д.) в каждую из трубочек с одной стороны, в начале.

В конце каждая трубочка засветится тем светом, которым в него посветили в начале! И мы увидим точно такую же картинку, что и передали.

Если эти ряды трубочек положить друг на друга и создать «квадратик», то можно уже создавать целые картинки, как в телевизоре. Вот и вся хитрость. Именно так устроены современные оптические кабели, которые связывают компьютеры и другие устройства.

* * *

А как увидеть это своими глазами? Для этого проделаем простой опыт. Возьмем любой кусок стекла, например оконного. И в темноте посветим узким лучом света с торца. Лучше всего для этого подходят лазерные указки, которые продаются в любом ларьке. Или даже маленький фонарик. Посмотрите на следующую фотографию.

Видно, как светится торец куска стекла, – это я свечу в него фонариком. Поверхность же стекла практически не светится. Свет не выходит наружу. На другой фотографии видно, что я свечу фонариком слева под довольно большим углом в торец стекла. Поскольку фонарик шире, чем стекло, верхняя его часть светит прямо на поверхность сверху. И луч освещает первую треть стекла. Потом идет темный кусок. Но вдруг мы видим, что слева из торца вырывается свет! Эта та часть луча, которая от фонарика вошла в торец и пробежала, отражаясь внутри от стенок, до самого выхода из стекла!

На фото: светится торец стекла, верхняя часть существенно темнее. Свет распространяется внутри.

На фотографии видно, как свет проходит лучом внутри стекла и вырывается наружу в дальнем торце. Подставкой служит ноутбук IBM – у него прекрасная черная поверхность, как раз для съемок.

90 Точка концентрации напряжений, или Как остановить трещину на стекле

Для опыта нам потребуются: две длинные палки.

Ну, раз уж начали про стекло, давайте подумаем над занятным вопросом. Часто бывает, что по стеклу начинает бежать трещина. Чаще всего это заметно на лобовых стеклах автомобилей. Такая трещина, однажды начавшись, начинает сама собой расти, удлиняться, и рано или поздно стекло лопается пополам.

Почему так происходит? Почему растет трещина в стекле?

Мы помним уже из закона Гука, что если к предмету прикладывается сила, то предмет сжимается или растягивается. На резиновом шарике это хорошо видно. Но и, казалось бы, твердые предметы, такие как дерево, стекло, камень, тоже сжимаются или растягиваются. Только сдвиги эти настолько маленькие, что их незаметно на глаз.

Поскольку почти на любой предмет действуют разные силы одновременно (ну, хотя бы сила притяжения Земли), то в любом предмете внутри существуют напряжения. Если мы начнем ломать толстую палку об колено, то мы ее, может быть, и не сломаем. Но пока мы давим посередине коленом и тянем двумя руками за концы, в палке возникают сильные внутренние напряжения.

Так вот, что происходит, если в стекле возникла трещина? Внутри стекла всегда существуют напряжения. А трещина – это по сути своей ущелье с очень острым, невероятно острым дном.

Два края стекла, по сторонам трещины, чуть-чуть шевелятся и сдвигаются при воздействии разных сил. И вся мощь, вся сила этих краев словно два огромных рычага действуют на острие трещины, на ту точку, где эти два рычага сходятся.

Чтобы понять действие этих сил, проделаем очень простой опыт.

Возьмите две любые, достаточно длинные палки. Подойдут две швабры, например. Сядьте на стул, сдвиньте колени и засуньте между сжатыми коленями эти палки так, чтобы они уперлись в пол между ступнями. Теперь эти палки – боковые поверхности трещины в стекле, а ваши руки на них – действующие силы. Попробуйте развести палки в стороны и при этом, разводя их руками, старайтесь удержать их в прежнем положении коленями. Руки слабее ног, но вы легко раздвинете собственные колени этими палками. Удержать палки практически невозможно. Здесь работает правило рычага, выведенное еще великим Архимедом. Оба «рычага» сходятся в одной точке и создают невероятную силу, разрывающую стекло пополам. Теперь мы понимаем, что трещина буквально разрывается двумя рычагами под действием даже слабых сил, сотрясений, давления… Такие точки, как острие трещины, называются «концентраторы напряжений», и при конструировании приборов, деталей ученые стараются избежать возникновения таких точек.

Что же делать с трещинами?

Конечно, для стекол существуют разные клеи, которыми заливают трещину целиком… Но можно ли использовать законы физики, чтобы избежать распространения трещины?

Оказывается, запросто. Чтобы рычаги перестали работать, их надо развести в стороны, они перестанут рвать стекло в одной точке. Для этого в конце трещины просверливается маленькая дырочка. Она уничтожает острие, где сходятся боковые поверхности трещины, рычаги, и трещина перестает ползти дальше!

Единственное замечание, что для автомобильных стекол этот метод работает плохо. Дело в том, что стекла на лобовом стекле состоят из многих слоев. Трещины идут сразу по всем слоям, и просверлить дырочку так, чтобы попасть сразу во все трещины, обычно не удается. Приходится заклеивать клеем.

91 Поймать радугу на бумагу

Для опыта нам потребуются: миска с водой, бесцветный лак или укрепитель для ногтей, черная бумага или черный кусочек страницы из глянцевого журнала.

Мы уже встречались с пленками и радугой – в мыльных пузырях. Но хотелось бы чего-нибудь более устойчивого… Чтобы руками можно было потрогать. Возможно ли это?

На помощь приходят знания. Почему образуются радужные пленки? Дело в том, что световые волны могут взаимодействовать друг с другом. Точно так же, как на поверхности воды в стоячей волне.

Но световые волны очень короткие. Если на море расстояние между волнами может быть несколько метров или даже десятков метров, то расстояние между световыми волнами во много-много миллионов раз меньше миллиметра! А свет, проходя через прозрачную тонкую пленку, отражается от обеих поверхностей (и верхней, и нижней) и на обратном пути начинает взаимодействовать. Часть лучей складывается, часть вычитается… в результате получаются очень необычные радужные эффекты.

Но это уже довольно сложная оптика. Мы же делаем простые опыты. Для этого опыта возьмем просто миску с водой, как на фотографии, и бесцветный лак для ногтей (или укрепитель для ногтей). Такие можно попросить у мамы или сестры, ну или купить дешевый в магазине. На фото все приготовлено к опыту.

На фото: лак и подготовленная ванночка с водой. В качестве ванночки я позаимствовал на время стеклянную жаровню.

Теперь капнем одну каплю бесцветного лака (укрепителя) для ногтей в воду. Она как бы «закипит» и тут же растечется по поверхности. Дело в том, что спиртовая основа лака заставляет его бурно растекаться в воде и лак застывает на поверхности тончайшей пленкой!