Появилась рубрика «Простые научные эксперименты», которую мы создали совместно с каналом Наука 2.0 . Вместе со мной рубрику ведет Антон Войцеховский , автор и ведущий программы EXперименты.

Начать мы решили с жидкого азота, как наиболее интересного и одновременно зрелищного компонента для многих опытов. Для экспериментов мы наполнили сосуд Дьюара жидким азотом, взяли несколько пластиковых бутылок, садовую пластиковую бочку и 5000 шариков для настольного тенниса. И со всем этим нехитрым скарбом вышли во двор.

Мы хотели выяснить

• Через какое время разорвет пластиковую бутылку, если в нее налить жидкий азот и плотно закрыть крышкой?
• В каком месте бутылка разрывается: у горлышка или само тело бутылки?
• Какую бутылку разорвет быстрее: наполненную жидким азотом наполовину или на четверть?
• А если бутылку с жидким азотом накрыть бочкой?
• Что будет, если в бочку поместить бутылку с жидким азотом и засыпать теннисными шариками?

Эксперимент №1: жидкий азот и пластиковая бутылка

В пластиковую бутылку из-под минеральной воды налили около 200 мл жидкого азота и плотно закрутили пробкой.

Бутылку разорвало через примерно через 4 минуты. Проводили 3 одинаковых эксперимента, время колебалось от 3:40 до 4:00 минут. Погрешности между опытами получились, вероятно, из-за разного количества азота и из-за разницы во времени, между наливанием азота и закручиванием крышки.

Эксперимент №2: две пластиковые бутылки и разное количества жидкого азота в каждой

Бутылку с большим количеством жидкого азота разорвало быстрее, но не на много. Вторая взорвалась буквально через несколько секунд. Возможно, вторую поторопила взрывная волна от первой бутылки.

Эксперимент №3: пластиковая бутылка с жидким азотом и садовая бочка сверху

В результате взрыва бутылки, бочка подскочила вверх и оторвалась от земли на несколько десятков сантиметров. При том, что бочка довольно тяжелая.

В будущем можно будет попробовать сделать картонную бочку в форме ракеты, обмотать ее скотчем (как советовал один из наших зрителей) и попробовать запустить эту конструкцию вверх.

Эксперимент №4: пластиковая бутылка с жидким азотом, бочка и 5000 шариков для пинг-понга

Из-за того, что бутылка была в бочке и вокруг нее были шарики, время до разрыва увеличилось более, чем в 2 раза и составило около 9 минут. Эксперимент проводился 2 раза подряд. В первом случае мы бутылку поставили на дно бочки, а во втором положили. Это повлияло на высоту подскока бочки:

• стоячая бутылка в бочке - 1 метр;
• лежачая бутылка в бочке - 3 метра.

Если у кого есть интересные идеи экспериментов для подобного рода сюжетов, пожалуйста, оставляйте их в комментариях!

Книга с детскими опытами

Теннисные мячи Wilson.

Пришло время обратить внимание на теннисные мячи (Tennis Balls ), с которыми выходишь на корты. Раньше подходил любой мяч. Лишь бы попасть по нему ракеткой. Дальше – больше. Иногда покупал коробку мячей и открывал её перед игрой на счет. Раз или два в месяц обновляли мячи. Старые – на тренировку, новые на игру. Начал обращать внимание на то, что если мяч новый, то и играть с ним сподручнее. У мячей оказался цвет – желтый, зелёныё, оранжевый, красный. Длина ворса разная. Если сткнишь им о корт, то он подскочет на различную высоте. Сами мячи имеют различные названия – Wilson , Penn , Dunlop , …, кроме названия обязательно указана цифра 1, 2, 3 или 4.

Теннисные мячи Penn

При покупке очередной коробки мячей обратил внимание, но то что указывается, для каких кортов подходит мяч. Для жестких, грунтовы, для любых. Решил купить коробку мячей Wilson 3 , так как на ней было указано, что подходят для любых кортов. На цифру не обратил внимание. Сама надпись была черного цвета. Когда начали играть с новыми мячами, то удары стали звучать помягче, сам мяч полетел послушнее, играть стало комфортнее. Это было для меня открытием. Очередным. Теннис дал мне много открытий. Возможно поэтому мне нравится заниматься этим видом спорта.

Теннисные мячи Dunlop

Когда я поделился своими новыми ощущения с моим партнером, то он меня “остудил”, сказав, что мячи, пригодные для любых кортов, на самом деле не годятся ни для одного из них. Если выходишь на жесткие (Hard) корты, то и покупать надо мячи, предназначенные для игры именно на жестких кортах, а не трявяных или грунтовых. И такими мячами являются теннисные мячи Penn . Я вспомнил, что накануне Нового 2017 года я подарис своему партнеру целую сумку теннисных мячей Penn , и, видимо, они ему понравились. Какой был номер, я не помню. От этого разнообразия мячей, и по названиям, и по номерам, и по дополнительным подписям на мячах, и по цвету, и по цене, … моя голова “пошла кругом”. И чтобы избавиться от этого “головокружения”, я решил поглубже разобраться с теннисными мячами. Нырнул в Интернет за разъяснением. Нашел много сайтов с противоречивой информацией. Отсеял, отфильтровал, подобрал. И вот, что получилось.

О теннисных мячах.

Мячи для кортового тенниса можно классифицировать как тренировочные и турнирные . Их отличие состоит в том, что тренировочный мяч более износостойкий, жесткий (жестче как сама ворса, так внутреннее давление мяча) и обычно дешевле турнирного мяча. Мячи для тенниса могут отличаться между собой весом , диаметром , давлением , покрытием (ворсом) и цветом . Обычно уровень так называемой ворсистости и определяет пригодность теннисного мяча для того или иного типа покрытия (мячи с обычным уровнем ворсистости подходят для площадок с натуральным покрытием (трава, грунт), а с повышенным – для хардовых покрытий, и кортов из искусственных материалов). Но в основном, теннисные мячи
Современные теннисные мячи имеют ярко-желтый цвет с флуоресцентными свойствами. В 1999 году компания SLEZENGER представила мяч “Ultra Vis “, который на 17 % ярче, чем другие мячи.
Мячи изготавливаются из упругой резины с добавлением натурального каучука, обклеенного плотным ворсистым сукном из шерсти с добавлением износостойкого нейлона. Для сукна используется шерсть новозеландских или австралийских овец (не всегда). Сукно с большим содержанием шерсти имеет название “Melton Cloth ”, а на банках дешёвых мячей указывается “Needle Cloth ”, то есть в их сукне преобладают синтетические составляющие. Определяющим материалом в стоимости мяча является сукно .
Трение между ворсом и покрытием корта в момент отскока влияет на его скорость и высоту. В зависимости от плотности ворсового покрова мячи делятся на две категории:
1. “Стандарт” (Standard ), у которых ворс не очень плотный. Они предназначены для грунтовых (изнашиваются через 5‒6 часов) и закрытых кортов (10‒12 часов);
2. “Экстра” (Extra ) – ворс более густой и длинее. Благодаря густоте покрытие мячей менее подвергнуто износу (Long Life ). Эти мячи используются на кортах с покрытием хард (Hard ), где мячи “Стандарт” изнашиваются быстрее.

Более длинный ворс несколько уменьшает как скорость полёта мяча, так и его отскока. Изношенные мячи хуже контролируются во время удара.

Как правило, если надписи на мяче имеют красный цвет, то они предназначены для грунта, если чёрный – для харда, но это не обязательное условие.
Кроме этого, имеются мячи с повышенной водостойкостью ворсистого верха (Hydroguard , Water Resistant ). Изготовители утверждают, что их покрытие на 70% более водостойкое, чем у обычных мячей.
Большинство теннисных мячей имеют избыточное внутреннее давление (Pressured ) большее атмосферного на 20% . Такое давление создается за счёт закачки вовнутрь мяча инертного газа (азота, гексафторида серы, фреона) или технологического введения специальной таблетки неорганических солей, которая, разлагаясь при повышенной температуре во время вулканизации, создает избыточное давление. Если таблетки не полностью разложились, то если потрясти мяч, можно услышать стук постороннего предмета (остатка таблетки) о внутренние стенки.
Теннисные мячи довольно быстро теряют внутреннее давление. Один час игры уменьшает его на 2‒5%, что приводит к уменьшению скорости (Speed ) и отскока (Bounce ) мяча. После 3‒5 часов теннисными мячами нормально играть уже нельзя. Желательно каждую игру играть новыми мячами.
Мячи для “медленных” кортов (Slow Courts ) имеют меньший размер (диаметр 6.54 – 6.86 см), чем мячи для “быстрых” кортов (Fast Courts), в том числе с покрытием хард (Hard Courts) и закрытых (накрытых) кортах (Indoor Courts) (диаметр 6.98 – 7.30 см).

Упругость теннисного мяча.

На корте проверить мяч на упругость можно путём его сдавливания пальцами кисти руки. Если без особого усилия стенка мяча вдавливается более чем на один сантиметр, то такой мяч подходит, только для тренировок начинающих любителей тенниса или забав с собаками. Есть и другой более кардинальный способ определения упругости теннисного мяча, называемый “челюстной “, которым пользуются даже некоторые профессионалы (см. рисунок слева). Когда температура повышается, молекулы газа внутри теннисный мяч расширяться и давление повышается, а значит и мяч становится более “прыгучим”. И наоборот, низкие температуры приводят к снижению давления. Кроме того, при пониженных температурах ухудшаются и свойства упругости каучука. В результате “холодный” мячик имеет гораздо более низкий и медленный отскок. Из-за снижения внутреннего давления и износа ворса теннисные мячи начинают терять свои игровые характеристики после 4-6 часов энергичной игры, но они могут оставаться в норме и до полугода, в зависимости, как часто мячами играть.

Мячи без избыточного давления (Without Pressure ) изготавливаются, в основном шведской компанией Tretorn . Она разработала и запатентовала особую технологию изготовления резины «Micro Cell », имеющую повышенную упругость, которая обеспечивает необходимый отскок мяча. В 1998 году технология была усовершенствована и получила название «Micro X ». Главным преимуществом таких мячей − длительный срок хранения без использования специальной герметичной упаковки (банки) с избыточным давлением. Правда, шведские мячи имеют некоторую особенность. Из-за того, что они медленнее восстанавливают форму при контакте со струнной поверхностью, то кажутся тяжелее обычных мячей. Поэтому начинающим теннисистам было бы целесообразнее избегать игры такими мячами.

Начинающим теннисистам лучше осваивать азы тенниса мячами, которые, из-за продолжительного хранения, несколько потеряли упругость и за этого стали более медленными и менее прыгучими.

Номер на теннисном мяче.

На некоторых типах мячей, кроме логотипа производителя, стоит номер от 1 до 8 (чаще 1–5). Это сделано для того, чтобы, когда один или несколько из мячей, которыми играют на одном корте, случайно оказываются на соседнем корте, то по номеру можно определить, где, чей мяч. Например, если во время игры вы обнаружили у себя в руке Wilson 3 , а, выходя на корт, вынимали из банки Wilson 1 , то скорее всего, этот мяч закатился к вам с другого корта или остался от предыдущих игроков.

Но в Интернете бытует еще одно объяснение номеров теннисных мячей 1 , 2 и 3 :
– 1 – й номер, это быстрые мячи с высоким отскоком для медленных кортов типа грунт (clay);
– 3 – й номер, это медленные мячи с невысоким отскоком для быстрых кортов типа hard;
– 2 – й номер, это мячи со средними показателями.

Теннисные мячи для самых маленьких – детей.

Для детей 4-6 лет, делающих самые первые шаги в теннисе, изготавливаются мячи из упругого поролона (Sponge Balls ) и несколько большего размера. Для детей чуть старшего возраста для обучения (Easy Play ) имеются облегченные мячи (Mini Balls ), имеющие обычный размер и ворсистое покрытие, но меньшее внутреннее давление. Такие мячи дают возможность играть в замедленном темпе и наносить удары на уровне бедра, а не “шарахаться” от мяча, летящего на уровне головы.

Теннисные мячи различных производителей – как выбрать?

Любой известный производитель выпускает как первоклассные мячи, так и мячи более низкого качества. Первые стоят на 1,5‒2 доллара дороже вторых. Gочти все производители имеют в своей номенклатуре продукции линейку “Championship ” (чемпионат), но такие мячи в действительности относятся к категории тренировочных, а не турнирных!
Большинство марок мячей, на банках которых имеется пометка о их сертификации ITF (International Tennis Federation ), ATP (Association of Tennis Professionals ), WTA (Women’s Tennis Association ) или USTA (United States Tennis Association ) – мячи хорошего качества. Пометки на этикетках банок: “ITF/USTA/ATP/WTA Approved ” – могут служить начальным критерием для выбора мячей. Но нужноиметь в виду, что более 200 брендов теннисных мячей прошли сертификацию ITF.

Выбор теннисных мячей в зависимости от типа покрытия корта.

Обычно уровень так называемой ворсистости и определяет пригодность теннисного мяча для того или иного типа покрытия (мячи с обычным уровнем ворсистости подходят для площадок с натуральным покрытием (трава, грунт), а с повышенным – для хардовых покрытий, и кортов из искусственных материалов). Но в основном, теннисные мячи являются универсальными, то есть подходят для любых типов покрытий.
Правильно подобрать мячи в зависимости от типа покрытия корта (Surface Court ) можно. На упаковочных банках, как правило, имеется информация о том, для какого покрытия мячи предназначены: глиняно-пещаного (грунтового) (Clay Court

About Олег Якупов

Я отношусь к той категории советских людей, которых называют "Ташкентскими русскими". Это эндемики, сохранившие в окружении инородной культуры своеобразную русскую, еще дореволюционную культуру, и прежде всего, язык. А так же впитавших в себя много хорошего из окружавшей нас по жизни восточной культуры. Еще нас называют "Совками". Но это относится не только к бывшим жителям гостеприимного Ташкента, но к жителям всего Советского Союза, сформировавшимся, как личности, во времена Советского Союза. Многих из нас судьба разбросала по всему Земному шару. Нам не хватает привычного общения. Наши дети и внуки, помимо своей воли, становятся "иностранцами". Блог – это то место, где я смогу выговориться, а если повезет, то и поговорить с людьми моего поколения. Спасибо Интернету, он предоставляет нам такую возможность.

··· VII Московский марафон учебных предметов. День физики ···

Г.Ф.ТУРКИНА , ГОУ ЦО «Технологии обучения.
Школа дистанционной поддержки образования детей-инвалидов», г. Москва

Физика на воздушных шариках

Инструкция физической лаборатории

Воздушные шарики – бесценный подручный материал для наблюдения физических явлений и постановки различных физических экспериментов.

1. Качественное сравнение плотностей воды: горячей и холодной, солёной и пресной – без ареометра.

Если вы исследуете не смешивающиеся и не вступающие в химическую реакцию жидкости, то достаточно слить их небольшие порции в один прозрачный сосуд, допустим, пробирку. Жидкости распределятся на слои. О плотности можно судить по очерёдности расположения слоёв: чем ниже слой, тем выше плотность. Одноцветные жидкости следует подкрасить пищевыми красителями.

Другое дело, если жидкости смешиваются, как, например, горячая и холодная вода, пресная и солёная. Тогда ставим эксперимент «Три поросёнка».

Три порции разной воды (горячей, холодной и солёной холодной) помещаем в три воздушных шарика, например, в красный, синий и жёлтый. Для этого натягиваем на водопроводный кран, например, синий шарик, и наполняем его холодной водой до размера чуть больше теннисного мяча.

Завязываем шарик ниткой. Это самый ответственный момент – внутри шарика не должно остаться и пузырька воздуха! синий «поросёнок» – с холодной водой.

В жёлтый шарик насыпаем столовую ложку соли и опять наполняем холодной водой. Смотрим, чтобы в шарике не оказалось воздушных пузырьков. Жёлтый «поросёнок» – солёный.

Третий, красный, «поросёнок» – с горячей водой. Чтобы вода в нём не остыла раньше времени, держим его в кастрюле с горячей водой.

Наливаем в большую ёмкость горячую воду и бросаем в неё шарики. Записываем, как ведёт себя каждый «поросёнок» в горячей воде (плавает на поверхности, посередине или тонет).

Заменяем горячую воду на холодную. Описываем поведение каждого шарика в холодной воде.

Крепко солим воду в ёмкости. Описываем поведение шариков в солёной воде.

ДЕЛАЕМ ВЫВОДЫ о плотности воды – горячей и холодной, пресной и солёной.

Примечания

– Если в шариках окажется пузырёк воздуха, то результат эксперимента будет ложным.

– Нельзя шарики долго держать как в холодной, так и в горячей воде – вода в них будет либо остывать, либо нагреваться.

– Плотность оболочки шарика чуть меньше плотности воды (проверьте, тонет или плавает ненадутый шарик и сделайте вывод). Этот факт следует учесть при выводах.

2. Изучение условий плавания тел

Итак, у нас в солёной воде плавает шарик с солёной водой. НО в зависимости от соотношения концентрации соли в шарике и кастрюле, этот «поросёнок» может плавать и внутри жидкости, и на поверхности, и даже пойти ко дну. Всегда тонут: шарик с холодной водой в горячей воде, шарик с солёной водой в холодной и горячей воде.

ДЕЛАЕМ ВЫВОДЫ о зависимости выталкивающей силы от соотношения плотностей жидкости и тела.

3. Изучение действия закона Архимеда в воде

А эти эксперименты лучше проводить на берегу водоёма летним днём в хорошую погоду или (на худой конец) в ванной комнате. Опыт веселее проходит в компании друзей. Вам понадобятся несколько шариков, желательно из толстой резины.

Надуйте шарики до разного размера. Они лёгкие и плавают на поверхности воды.

Попытайтесь утопить шарики. Это весёлое, но трудное задание. У вас может не хватить силёнок, чтобы утопить большой шар. Когда «победите» силу Архимеда (выталкивающую силу), проведите расчёт и оцените свою силу: F А = gV = g · 4/3 · R 3 , где F А – сила Архимеда, или выталкивающая сила, Н; – плотность воды (1000 кг/ м 3); g – ускорение свободного падения (9,8 м/с 2); = 3,14; R – радиус шарика, м. Оцените радиус – обхватите шарик ниткой и разделите полученную длину нити на 2 (длина окружности L = 2R ).

4. Изучение действия закона Архимеда в воздухе

Братьям Монгольфье в XVIII в. удалось изготовить большой шар, наполнить его лёгким газом (горячим воздухом) и отправиться в воздушное путешествие. Такие воздушные шары в честь братьев-изобретателей стали называть монгольфьерами . Вам понадобятся два шарика, один из которых наполнен гелием.

Привязываем к шарику с гелием маленькую лёгкую игрушку и отпускаем шарик.

Второй шарик надуваем воздухом и отпускаем.

Наблюдение. Шарик с гелием летит вверх, а шарик с воздухом опускается.

Объяснение. Плотность гелия меньше плотности воздуха. Выталкивающая сила, действующая на этот шарик, больше силы тяжести, и он устремляется вверх – «всплывает». Надутый шарик тяжелее вытесненного им воздуха. Он «тонет».

5. Испытание воздушного шарика на прочность

Попробуйте иголкой проткнуть воздушный шарик, чтобы он не лопнул с шумом.

Подсказка. Это можно сделать тремя способами: 1) с боков, где резина сильно растянута, приклеить кусочек скотча и проколоть шарик в этом месте – такой трюк проделывают клоуны в цирке; 2) там, где резина наиболее толстая, т.е. «на макушке»; 3) там, где резина не натянута – где нитка.

Примечание. Отверстие от иголки настолько маленькое, что шарик сдувает ся незаметно. После удачных экспериментов проколите шарик насквозь спицей или острой деревянной палочкой.

6. Изучение давления

Мы настолько привыкли к тому, что надутый шарик, попав на остриё, с шумом лопается, что шарик на гвоздях под тяжестью груза воспринимается нами как сверхъестественное явление. Тем не менее это факт… Вам понадобятся ипликатор (Кузнецова, Ляпко) или доска с равномерно набитыми гвоздями (через каждый сантиметр).

Надуваем воздушный шарик и кладём его на острия ипликатора Кузнецова.

Осторожно сверху надавливаем на шарик. Увеличиваем нажим. Хватит ли у вас сил нажать так, чтобы он лопнул?

Наблюдение. Самое удивительное, что шарик, лежащий на остриях, только сплющивается под нажимом, но не лопается!

Объяснение. Из-за большого количества остриёв, с которыми соприкасается шарик, давление на оболочку шарика оказывается незначительным, допустимым для тонкой резины. Воздушный шарик на гвоздях выдерживает 60 Н (груз массой 6 кг)!

7. Испытание резины на тепловую прочность

Резкий неприятный запах жжёной резины знаком каждому. Оказывается, не всегда в пламени резина горит. Вам понадобятся шарик и свеча.

Наливаем в шарик воды и вносим шарик с водой в пламя свечи.

Наблюдение. Резина только коптится.

Объяснение. Температура оболочки, пока в ней есть вода, не будет подниматься выше 100 °С, т.е. не достигнет температуры горения резины.

8. Изучение газовых законов

8.1. Закон Бойля–Мариотта

Газовый закон, независимо окрытый английским учёным Бойлем и французским учёным Мариоттом: при неизменной температуре и массе давление газа обратно пропорционально его объёму.

8.1.1. Как работают лёгкие?

Диафрагма опускается – вдох, поднимается – выдох. Сделаем модель лёгких и посмотрим на её работу глазами физика.

Отрезаем дно пластиковой бутылки.

Помещаем воздушный шарик внутрь бутылки и натягиваем его на горлышко.

Отрезанную часть бутылки затягиваем плёнкой от другого воздушного шарика (разрезаем его ножницами) и закрепляем скотчем.

Оттягиваем плёнку – шарик надувается, надавливаем на плёнку – шарик сдувается.

Объяснение. Объём воздуха внутри бутылки оказывается изолированным. При оттягивании плёнки этот объём увеличивается, давление уменьшается и становится меньше атмосферного. Шарик внутри бутылки надувается воздухом атмосферы. При надавливании на плёнку объём воздуха в бутылке уменьшается, давление становится больше атмосферного, шарик сдувается. Так же работают и наши лёгкие. Резиновая плёнка имитирует диафрагму, воздушный шарик – лёгкие. Резиновая плёнка-диафрагма опускается (оттягивается) – вдох, поднимается – выдох.

8.1.2. Шарик в бутылке

Помещаем шарик внутрь бутылки и натягиваем его на горловину.

Пробуем надуть шарик.

Наблюдение. Надуть шарик в бутылке невозможно!

Объяснение. При увеличении объёма шарика воздух, объём которого в бутылке изолирован, сжимается, давление увеличивается. Только человек с мощными лёгкими (певец, пловец) может отчасти справиться.

Делаем шилом отверстие в бутылке ближе ко дну.

Пытаемся ещё раз надуть шарик. Получается!

Когда шарик надуется, закрываем пальцем отверстие – шарик остаётся надутым!

Отрезаем донышко у пластиковой бутылки и пытаемся снова надуть шарик.

Наблюдение. Он легко надувается, если внутренний объём бутылки сообщается с атмосферой.

8.2. Закон Шарля

Газовый закон, открытый французским учёным Шарлем, утверждает: чем выше температура газа при постоянном давлении и неизменной массе, тем больший объём он занимает.

8.2.1. Шарик в банке

Надеваем шарик на водопроводный кран и наливаем в него воды так, чтобы размер шарика с водой стал немного больше горловины двух- или трёхлитровой стеклянной банки. Надёжно завязываем шарик.

Поджигаем листок бумаги и бросаем в банку.

Кладём шарик на горловину банки.

Наблюдение. Пламя в банке гаснет. Шарик втягивается в банку.

Наливаем в пустую банку горячей воды из чайника.

Выливаем воду и тут же кладём шарик с водой на горловину банки.

Наблюдение. Шарик забавно втягивается в банку.

Примечание. Этот опыт протекает медленнее первого.

Объяснение. В первом опыте воздух в банке нагревает горящая бумага. Когда на банку кладут шарик, он перекрывает доступ кислорода, горение прекращается. Плотность горячего воздуха меньше плотности холодного. Воздух в ба нке быстро остывает, его плотность увеличивается, объём уменьшается – шарик втягивается в банку.

Во втором опыте горячая вода нагревает банку, а банка нагревает воздух. Банка с воздухом быстро остывает, и тяжёлый шарик засасывается внутрь. Опыт можно проводить с надутым шариком, но тогда он получается не таким ярким.

8.2.2. Шарик в парилке

Надуваем шарик до среднего размера и завязываем горловину узлом.

Измеряем ниткой размер шарика и делаем узелок-метку (нитку берём с запасом).

Кладём шарик в миску и обливаем его горячей водой (кипятком) из чайника.

Измеряем ниткой новый размер шарика. Сравниваем результаты.

Наблюдение. Шарик на глазах увеличивается в размерах – это подтверждает и проверка ниткой.

8.2.3. Шарик на морозе

Надуваем шарик и надёжно завязываем горловину узлом, но не ниткой (такой быстрее сдувается).

Измеряем ниткой длину окружности шарика и делаем узелок-метку.

Помещаем воздушный шарик на несколько часов в холодильник (луч ше в морозильную камеру) или выносим на мороз.

Спустя несколько часов сравниваем размеры шарика в начале опыта и в конце.

Наблюдение. Шарик на морозе изрядно «худеет» и «стареет» (сморщивается).

8.3. Воздушный парадокс

Этот опыт ставит многих в тупик. Понадобятся два одинаковых воздушных шарика, трубочка длиной 10–30 см и диаметром 15–20 мм (на неё должен туго надеваться шарик).

Несильно и НЕ ОДИНАКОВО надуваем шарики.

Натягиваем шарики на противоположные концы трубки. Чтобы шарики при этом не сдувались, перекручиваем их горловины.

Раскручиваем горловины – шарики свободно сообщаются между собой через трубку.

Наблюдение. Воздух перетекает из одного шарика в другой. Но… маленький шарик надувает большой!

Объяснение. Многие считают, что раз масса воздуха больше в шарике большего размера, то этот шарик будет сдуваться и надувать маленький шарик. Но такое рассуждение ошибочно. Причина наблюдаемого явления в давлении внутри шарика. Давление газа зависит от кривизны поверхности, т.е. от радиуса сферы: чем меньше радиус, тем больше давление. (Вспомним сообщающиеся сосуды – вода перетекает не из того сосуда, где меньше воды, а из того, где давление больше.) Кроме того, все знают, как трудно начинать надувать шарик, но когда «мёртвая» точка преодолена, дальше он надувается легко. Следовательно, и упругость резины играет немаловажную роль.

Примечание. Можно наблюдать и такой результат: маленький шарик «не хочет» сдуваться и надувать большой. По-видимому, в этом случае упругость резины играет ведущую роль. Трубочку можно сделать самим из тонкого картона. Главное, чтобы она была герметичной.

9. Изучаем закон Бернулли

9.1. Воздушный поцелуй

Один из основных законов гидро- и аэродинамики – закон Бернулли: чем выше скорость воздушного потока, тем меньше в нём давление.

Надуваем два воздушных шарика до одинакового размера и привязываем к каждому нитку длиной около метра.

Берём шарики за нитки правой и левой рукой так, чтобы они висели на одном уровне на некотором расстоянии друг от друга.

Не касаясь шариков руками, попробуйте соединить их.

Подсказка. Решение предельно простое, но не очевидное: подуйте между шариками сверху, снизу или сбоку – значения не имеет.

Объяснение. Из закона Бернулли следует, что давление в струе воздуха ниже, чем атмосферное. Сила атмосферного давления с боков сблизит шарики.

9.2. Шарик в струе

Надуваем шарик, включаем фен, подводим под шарик струю воздуха и отпускаем шарик.

Наблюдение. Струя воздуха поднимет шарик вверх, но он не улетает, а зависает на некоторой высоте.

Объяснение. Шарик устойчиво держится в воздушной струе, т.к. давление воздуха в струе ниже атмосферного. При любом отклонении шарика в сторону атмосферное давление возвращает шарик в центр струи, где давление меньше.

10. Изучаем реактивное движение

Реактивное движение – движение тела, обусловленное отделением от него с некоторой скоростью какой-то его части.

10.1. Реактивный шарик

Понадобятся воздушные шарики круглый и длинный, лента (шёлковая, бумажная или магнитная от видеокассеты), скотч.

Надуваем круглый шарик и, не завязывая его, выпускаем из рук.

Вновь надуваем круглый шарик, прикрепляем к нему хвост-стабилизатор из бумажной ленты и выпускаем шарик из рук. Сравниваем полёты шарика со стабилизатором и без стабилизатора

Надуваем длинный шарик и выпускаем его.

Вновь надуваем длинный шарик, слегка перекручиваем его (как будто выжимаем бельё) и выпускаем из рук. Сравниваем полёты шарика.

Надуваем круглый шарик, прижимаем его перпендикулярно к стене и отпускаем.

Вновь надуваем круглый шарик, прижимаем его боком к стене и отпускаем.

Наблюдение. Если круглый шарик выпустить из рук, он взметнётся и хаотично полетит, выбрасывая струю воздуха. Хвост-стабилизатор делает полёт шарика направленным.

Длинный шарик летит по прямой траектории. Перекрученный шарик при полёте вращается.

Круглый шарик, прижатый к стене перпендикулярно, остаётся на месте, не опускается и стремительно уменьшается в размерах. Шарик, прижатый к стене боком, разворачивается перпендикулярно к стене и быстро сдувается.

10.2–10.4. Полёт к звёздам. Игрушки на реактивной тяге. Водный реактивный транспорт

(Эти опыты эффектны, но достаточно известны, поэтому их не описываем.– Ред .)

11. Изучаем электрические явления

Опыты по электростатике с воздушными шариками ярки и зрелищны – резина является хорошим диэлектриком, легко электризуется, на шарике накапливается большой заряд.

11.1. Электричество из головы

Надуваем шарик и завязываем его.

Электризуем шарик, потерев его о волосы.

Приподнимаем шарик над головой.

Наблюдение. За шариком тянутся волосы, что хорошо чувствуется.

Электризуем шарик ещё раз.

Кладём шарик на письменный (деревянный) стол наэлектризованной стороной вверх.

Наблюдение. Шарик мгновенно перворачивается и ложится на стол заряженной стороной. При попытке вернуть его в прежнее положение он переворачивается снова.

Электризуем шарик ещё раз.

Прижимаем шарик наэлектризованной стороной к вертикальной стене или к потолку.

Наблюдение. Шарик прилипает к стене надолго – в сухую солнечную погоду он может провисеть час!

Объяснение. При натирании шарика о голову электроны переходят с волос на резиновую оболочку шарика. Шарик заряжается отрицательно, волосы – положительно. Разноименно заряженные тела притягиваются, поэтому волосы тянутся к шарику.

Заряженный шарик создает вокруг себя электрическое поле, которое воздействует на стол, стену, потолок, – наводит заряд противоположного знака. Мы наблюдаем электризацию через влияние. Разноимённо заряженные тела притягиваются, что мы и наблюдаем.

Примечание. Существенно, чтобы волосы были чистыми, без косметических средств (лака, геля). Опыты по электризации проводят в сухую погоду, т.к. влажный воздух хороший проводник, и заряд на шарике не будет накапливаться.

11.2. Электричество из разных источников

Надуваем оба шарика до одинакового размера и каждый завязываем ниткой длиной 40–50 см.

Электризуем шарики, потерев их о волосы или шерстяной лоскуток.

Наблюдение. Шарики разлетаются в разные стороны.

Кладём шарики на стол на небольшом расстоянии друг от друга наэлектризованной стороной вверх.

Наблюдение. Шарики разлетаются.

Снимаем с шариков заряд, проводя по ним рукой.

Снова электризуем шарики, но теперь – потерев их друг о друга.

Берём шарики за нитки в одну руку.

Наблюдение. Шарики прилипают друг к другу.

Кладём шарики на стол недалеко друг от друга наэлектризованной стороной вверх.

Наблюдение. Шарики устремляются друг к другу.

Повторяем опыт, но заряжаем только один шарик.

Наблюдение. Шарики устремляются друг к другу как разноимённо заряженные.

Объяснение. Шарики, потёртые о лоскуток или голову, заряжаются зарядом одного знака, а потёртые друг о друга – зарядами разного знака. Одноимённо заряженные тела притягиваются, разноимённо заряженные – отталкиваются.

Заряд в телах можно индуцировать, помещая тело в электрическое поле (поднося к телу заряженный шарик). Если тело металлическое, то явление называется электростатической индукцией , если диэлектрик, то – поляризацией диэлектрика.

11.3. Соляные столбики

Насыпаем на лист картона небольшую горку поваренной соли.

Надуваем и электризуем воздушный шарик.

Подносим наэлектризованный шарик к горке поваренной соли.

Наблюдение. Маленькие кристаллики соли выстраиваются в вертикальные столбики, тянутся «ниточками» к шарику.

Объяснение. Поваренная соль – полярный диэлектрик. Под действием электрического поля наэлектризованного шарика происходит смещение положительных и отрицательных связанных зарядов молекулы в противоположные стороны. Со стороны заряженного шарика в кристаллике соли всегда образуется противоположный по знаку заряд. Кристаллики соли притягиваются к шарику, пристраиваясь один к другому.

Примечание. Кристаллики сахарного песка внешне напоминают поваренную соль, но молекула сахара неполярная, поэтому слабее поляризуется. Кроме того, кристаллики сахара крупнее, более тяжёлые, что не позволяет получить хорошие столбики.

11.4. Попрыгунчики

Насыпаем на лист картона блестящее конфетти или мелко нарезанную металлическую фольгу.

Электризуем шарик и подносим к фольге, но не касаемся её.

Наблюдение. Блёстки ведут себя как живые кузнечики-попрыгунчики. Подскакивают, касаются шарика и тут же отлетают в сторону.

Объяснение. Металлические блёстки электризуются в поле шарика, но при этом остаются нейтральными. Блёстки притягиваются к шарику, подпрыгивают, при касании заряжаются и отскакивают как одноимённо заряженные.

11.5. Змея

Кладём на стол бумажную полоску.

Подносим к полоске наэлектризованный шарик.

Наблюдение. Полос ка под шариком выгибается и шевелится, словно змея.

Повторяем опыт с ёлочным дождём, магнитной лентой, ниткой.

Наблюдение. Хотя полоски из разного материала, но их поведение в электрическом поле шарика одинаковое.

11.6. Кораблики

Делаем бумажный кораблик и пускаем его на воду.

Электризуем шарик и подносим к кораблику.

Наблюдение. Кораблик последует за шариком.

Опускаем металлическую крышку на воду.

Наблюдение. Металлическая крышка плывёт в сторону шарика.

Опускаем на воду пластмассовую крышку.

Электризуем шарик и подносим к крышке, не касаясь её.

Наблюдение. Тяжёлая крышка плывёт за шариком.

Объяснение. В электрическом поле шарика бумага и пластмасса поляризуются и притягиваются к шарику. В металлической крышке также индуцируется заряд. Поскольку сила трения на воде незначительна, то кораблики легко приходят в движение.

11.7. Электрический компас

Вставляем иголку в ластик, сверху кладём бумажную стрелку.

Накрываем стрелку стеклянной банкой.

Электризуем шарик и подносим к стрелке.

Наблюдение. Стрелка поворачивается за шариком.

Объяснение. Бумага в электрическом поле шарика поляризуется. Стекло не экранирует электрическое поле.

12. Изучаем звуковые явления

12.1. Оркестр из воздушных шариков

12.1.1. Волынка

Понадобятся воздушные шарики и гофрированные шланги длиной около метра разного диаметра (гофр не должен быть спиральным). Шланг можно купить на строительном рынке.

Свёртываем гофрированный шланг в кольцо.

Надеваем воздушный шарик на один его конец.

Надуваем шарик через шланг.

Наблюдение. Шарик сдувается, и воздух, проходя по гофрированной трубе, порождает звук. Чем не волынка?! Шланги разного диаметра и длины издают разные по высоте звуки – чем меньше диаметр шланга, тем выше звук.

12.1.2. Барабан

Надуваем шарики из толстой резины до разных размеров.

Удары ладонью по шарикам сопровождаются звуками, причём каждый шарик издаёт свой звук.

12.1.3. Пищалка

Надуваем шарик и растягиваем горловину двумя руками – воздух, выходящий через узкую щель, издаёт звук. Наловчившись, можно получать разные по высоте звуки.

Объяснение. Выходящий воздух заставляет вибрировать горловину шарика. Вибрации порождают звук. Опыт имитирует работу голосовых связок.

12.1.4. Звуковая линза

Прижимаем шарик к уху – вы услышите звуки, которые раньше не были слышны.

Прижимаем шарик к динамику радио, а к шарику – ухо. Слышен даже тихий зву к – шарик его усиливает. Если вас с другом будет разделять воздушный шарик, а друг будет что-то нашёптывать, то этот шёпот вы прекрасно услышите, стоит лишь прижать шарик к уху.

Помещаем шарик между телефонной трубкой и ухом. Подбираем такое положение, чтобы телефонный гудок был самым громким.

Наблюдение. Если убрать шарик, гудки становятся тише.

Теннисный мяч — предназначен для тенниса. Он примерно 6,7 см (2,63 дюйма) в диаметре. Теннисные мячи на крупных спортивных соревнованиях жёлтые, но могут быть практически любого цвета. Теннисные мячи покрыты войлоком, который модифицирует свои аэродинамические свойства, и имеют белую волнистую линию, которая охватывает снаряд.

История

До развития большого тенниса, в начале 1870-х, англичане играли в реал-теннис. Англия запретила ввоз теннисных мячей в 1463 году. В 1480 году Людовик XI запретил заполнение теннисных мячей мелом, песком, опилками или землей и заявил, что они должны быть сделаны из хорошей кожи. Другие ранние теннисные мячи были сделаны шотландскими мастерами из желудков овец или коз и перевязаны веревкой.

Самим своим возникновением современный теннис (исторически называвшийся «лаун-теннисом», то есть «теннисом для лужаек») обязан появлению мячей из вулканизированного каучука, способных высоко отскакивать даже от травяного газона. Вскоре после зарождения лаун-тенниса мячи для него стали обшивать фланелью, чтобы уменьшить износ и потерю игровых кондиций. В дальнейшем мячи стали шить из резиновых листов, вырезанных в форме трилистника, и наполнять газом. Эта технология в целом сохраняется до настоящего времени, однако в целях унификации оборудования мячи теперь шьют из двух полусферических половинок, а классическую фланель заменило особое покрытие, вплавляющееся в резиновую основу. В 1972 году впервые появились теннисные мячи жёлтого цвета, лучше заметные на телевизионном экране. На Уимблдонском турнире до 1986 года продолжали использовать белые мячи, но затем также перешли на жёлтые.

Разновидности

Выделяют две основные разновидности теннисных мячей:

• Мячи для тенниса под давлением. Широко распространены в продаже, пользуются большим спросом. Давление внутри мяча способствует лучшему отскоку. Но мячу свойственная потеря давления. Таким образом, для игры они оптимальны, но эксплуатация такого мяча профессионалами в основном ограничивается одной игрой.
• Теннисные мячи, внутренне давление которых отсутствует. Отскок обеспечивается особой структурой поверхности. У нового мяча такого типа отскок жёсткий. В процессе игры мяч изнашивается, а свойства его становятся оптимальными. Срок службы достаточно большой, так как необходимые свойства теряются лишь вследствие чрезмерного износа внешнего покрытия.

Так же мячи делят в зависимости от покрытия. Предпочтительное покрытие полностью зависит от корта, на котором осуществляется игра. Поэтому многие спортсмены подбирают мяч для тенниса в зависимости от этого покрытия.

• типичное покрытие. Подходит для применения на кортах грунтовых. Оно довольно тонкое и мягкое, что обеспечивает быстрый износ при эксплуатации в условиях корта, имеющего твёрдую основу;
• покрытие «экстра» - предназначено для кортов, оснащённых твёрдой поверхностью;
• покрытие для травы - особой разницы с обычными мячами нет. Различие лишь в материале, на котором не остаются пятна при контакте с газоном.

Ещё одна классификация зависит от предпочитаемой скорости игры. Начинающие игроки выбирают так называемые «медленные мячи». Опытные игроки предпочитают мячи обычной скорости. Мячи «быстрые» используются редко - преимущественно для грунтовых кортов.

Таким образом, основные аспекты выбора теннисного мяча зависят от следующих факторов:

• уровень мастерства игрока;
• тип корта.

Требования

Мяч должен иметь равномерную наружную поверхность и должен быть белым или желтым. Если есть соединение, он не должен быть шитым. Он должен иметь диаметр, превышающий 6,35 см и не более 6,67 см, а вес 58,5 г. Мяч должен иметь отскок от 135 см до 147 см при падении с высоты 254 см на твердую поверхность корта.

При давлении 8,165 кг мяч должен иметь большую деформацию, чем 0,56 см и менее 0,74 см, а возвратной деформации более 0,89 см и менее 1,08 см.

а) Теннисный мяч лежит неподвижно на баскетбольном, диаметр которого равен 25 см (рис. 1, слева). Масса баскетбольного мяча много больше массы теннисного. На какую высоту подскочит теннисный мяч после отскока от земли, если эту систему отпустить с высоты h = 1 м (высота считается от нижней кромки баскетбольного мяча)? Все соударения можно считать абсолютно упругими.

б) Теперь представим, что есть целая «башня» из n мячей, покоящихся друг на друге, причем каждый следующий мяч во много раз легче того, на котором он лежит (рис. 1, справа). Пусть нижняя кромка самого нижнего мяча находится на высоте h от земли, а нижняя кромка самого верхнего - на высоте h + l (причем l ≪h ). Сколько мячей должно быть в башне, чтобы после отскока от земли верхний подскочил на высоту 1 км? При каком n верхний мяч сможет покинуть поле тяготения Земли?

Подсказка

Для теннисного мяча при столкновении баскетбольный мяч будет как стенка. Иными словами, на движение баскетбольного мяча взаимодействие с теннисным никак не повлияет.

Также можно принять, что между мячами есть небольшое расстояние, и поэтому столкновения баскетбольного мяча с землей и мячей между собой можно рассматривать отдельно (на ответ это не повлияет).

Решение

а) Давайте для простоты предположим, что мячи изначально не соприкасаются, а находятся на некотором небольшом расстоянии друг от друга. Так как столкновения абсолютно упруги, на конечный ответ это не повлияет.

Непосредственно перед касанием с землей оба мяча будут двигаться вниз со скоростью \(v=\sqrt{2gh}\). Баскетбольный мяч отражается от земли и начинает двигаться вверх с той же скоростью v , теннисный мяч в этот момент все еще движется вниз со скоростью v . Столкновение баскетбольного мяча с теннисным - это как столкновение со стенкой, скорость баскетбольного мяча почти не изменится.

В системе отсчета, связанной с баскетбольным мячом, мы бы увидели, что сперва теннисный мяч приближался к нему со скоростью 2v , затем отразился и стал двигаться в противоположном направлении с той же скоростью 2v . Такое суждение можно проводить, только когда массы взаимодействующих тел очень сильно отличаются.

Перейдя обратно в лабораторную систему отсчета, заключаем, что теннисный мяч после столкновения будет иметь скорость 2v + v = 3v , направленную вверх. Таким образом, он отлетит на высоту

\[ H=d+\frac{(3v)^2}{2g}=d+9h=9{,}25~\text{м}. \]

Как видно, при условии, что массы мячей различаются достаточно сильно и что все столкновения абсолютно упругие, верхний мяч подлетит в 9 раз выше, чем был изначально. На рисунке 2 показан такой эксперимент. Из-за разных «неидеальных» эффектов, вроде неупругости столкновений и трения с воздухом, реальная высота получается несколько меньше.

б) Будем действовать индуктивно. Пусть мяч B i достигает скорости v i после столкновения с предыдущим (тем, который сразу под ним) мячом B i −1 . Какова будет скорость v i +1 мяча B i +1 после столкновения с мячом B i ?

Непосредственно перед столкновением мяч B i +1 падает вниз со скоростью v , а мяч B i движется вверх со скоростью v i . То есть относительная скорость мячей перед столкновением равна v i + v . Рассуждая аналогично пункту а) , получаем, что относительная скорость сохранится, и поэтому скорость мяча B i +1 будет равна

\[ v_{i+1} = (v_i+v)+v_i=2v_i+v. \]

С помощью этой рекуррентной формулы можно получить для скорости n -го мяча выражение

\[ v_n=(2^n-1)v.\]

Чтобы мяч подскочил на высоту H , его скорость у земли должна быть не меньше \(v_0=\sqrt{2gH}\). При H = 1 км скорость v 0 ≈ 140 м/с. Так как v ≈ 4,4 м/с, то v 0 /v + 1 ≈ 32,8 > 32. Значит, n должно быть не меньше 6. Тут не учтено, что самый верхний мяч начинает лететь вверх не у самой земли, а с высоты «башни», но несложно посчитать, что для того, чтобы хватило пяти мячей, высота «башни» должна быть порядка 75 метров. Большие должны быть мячи, в общем.

Если мы хотим, чтобы верхний мячик покинул Землю, то он должен набрать по крайней мере вторую космическую скорость (примерно 11160 м/с). Можно легко проверить, что если шариков 11, то скорость верхнего при отскоке равна примерно 9007 м/с, а если шариков 12, то - 18018 м/с.

Послесловие

Конечно, к реальности полученные цифры не имеют никакого отношения. Во-первых, мы полагали что масса каждого следующего мяча много меньше массы предыдущего. Так, если нижний мяч весит 1 кг, а каждый следующий хотя бы в 10 раз легче, то при n = 5 самый легкий мяч должен будет весить 0,1 грамм, что примерно равно массе песчинки. Про 12 шариков даже говорить излишне.

Мы также предполагали, что центры мячей идеально совпадают с общей осью «башни», что на практике реализовать почти невозможно, и поэтому скорости улетающих мячиков будут направлены в совершенно произвольных направлениях (рис. 3). Ввиду всего этого полученный результат, конечно же, лишь грубая математическая абстракция, далекая от реальности. Хотя она достаточно ярко демонстирует какие абсурдные физические результаты можно получить при излишней идеализации задачи.

Чуть подробнее рассмотрим эффект упругого столкновения тяжелого объекта с легким. В случае, когда тяжелый объект (стенка) бездвижен, скорости, с которыми легкий шарик ударяется о стенку и отскакивает от нее, равны. В случае же когда стенка движется, нужно сделать тот самый трюк с переходом в систему отсчета стенки, который мы сделали раннее: если стенка движется со скоростью u навстречу мячику, налетающему со скоростью v , то шарик отпрыгнет от нее со скоростью 2u + v , получив удвоенную скорость стенки.

Похожий подход используется в космических миссиях для совершения так называемого гравитационного маневра . Космический аппарат (мячик) движется со скоростью v относительно Солнца против орбитального движения планеты (стенка), у которой скорость u . Роль эластичного столкновения здесь играет гравитация, которая меняет направление движения корабля на противоположное: планета «не почувствует» присутствия корабля, а корабль получит скорость равную удвоенной орбитальной скорости планеты.

Такие гравитационные маневры (устроенные, конечно, немного сложнее) используются для бесплатного «разгона» космических кораблей. В частности, закончивший несколько дней назад свою миссию аппарат «Кассини» на пути к Сатурну сделал целых четыре гравитационных маневра: дважды у Венеры и по разу у Земли и Юпитера (см. также Большой финал «Кассини»). «Вояджер-1» - самый далекий от Солнца созданный человеком объект (сейчас находится на расстоянии 140 а. е.), также разгонялся с помощью гравитационных маневров у Юпитера и у Сатурна.