Веселые научные опыты и эксперименты
Шрифт:
Количество принятой воды вы сможете регулировать, перекрывая клапан (8). В зависимости от количества воды, принятой лодкой, будет зависеть глубина ее погружения. При постоянно открытом клапане она будет опускаться все глубже и глубже, пока полностью не ляжет на дно. Для всплытия вам нужно ртом или насосом вдувать воздух внутрь субмарины. Воздух будет выдавливать воду за борт, и лодка всплывет.
Конечно, это не полная аналогия настоящей подлодки, поскольку у модели нет двигающего винта и рулей глубины. Но если вы проявите фантазию и изобретательность, то вполне сможете доработать и усовершенствовать предложенный вариант подводного корабля.
Распространение звука в упругой среде
Оборудование и принадлежности:
• наручные механические часы;
• гладкая деревянная поверхность (стол).
Звук – это упругие механические колебания, распространяющиеся в виде волн в какой-либо среде, воспринимаемые человеческим ухом (частоты от 16 до 20 000 Гц). Любые механические колебания могут распространятся только в упругих средах – в воздухе, воде, древесине, бетоне, металлах и т. п. Чем плотнее среда, тем лучше в ней распространяются механические волны. В древности, для того чтобы узнать о приближающейся вражеской кавалерии, стражники прикладывали ухо к земле. Земля намного плотнее воздуха, и топот копыт вражеских лошадей передавался по земле на многие десятки километров. Так дозорные заблаговременно узнавали о приближающейся опасности. Подобным же образом поступали грабители поездов на Диком Западе (США) – прикладывая ухо к рельсу, они узнавали о приближении поезда задолго до его появления.
Предлагаем вам убедиться в том, насколько эффективно распространяется звук в материалах плотнее воздуха. Возьмите обычные наручные механические часы и положите их на край стола (рис. 84). Обычно их тиканье можно услышать, только приложив часы к уху, а даже на маленьком расстоянии его уже не слышно. Приложите ухо к противоположному от часов краю стола – и вы четко услышите звук работы часового механизма. Воздух, конечно, достаточно упруг, но по сравнению с деревом его плотность очень мала, поэтому через древесину столешницы звуковые колебания распространяются гораздо эффективнее.
Еще одним примером этого явления может послужить сравнение шумового фона в деревянном, кирпичном и бетонном домах. Чем тверже и плотнее материал стен, тем хуже звукоизоляция помещений. Именно поэтому для борьбы с нежелательным шумом используют различные пористые материалы, которые препятствуют распространению звука и поглощают его.
Рис. 84
Занимательные факты
Болото – неньютоновская жидкость
Множество трагических историй и ужасных легенд связано с болотами! Человек или животное, плавая, свободно держатся на поверхности воды, но никакое умение, никакие действия не помогут им выбраться из трясины. Почему так коварно болото?
Для начала скажем несколько слов о том, какая жидкость является ньютоновской, а какая – неньютоновской. Ньютоновская жидкость (названа так в честь И. Ньютона) – это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своем течении закону вязкого трения Ньютона. Для ньютоновской жидкости вязкость зависит от температуры и давления, а также от химического состава. Жидкость эта несжимаема! Например, вода – ньютоновская жидкость, ее свойства сохраняются вне зависимости от скорости перемешивания.
Неньютоновские жидкости – это жидкости сильно неоднородные, они состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
Вязкость неньютоновских жидкостей изменяется в зависимости от скорости тока жидкости, к примеру перемешивание может оставлять «дыру» позади, которая со временем понемногу заполняется. Такое поведение вещества можно наблюдать, например, в пудингах, суспензии крахмала (1 часть воды + 1 часть крахмала), сыпучих песках, красках.
По некоторым признакам болото напоминает жидкость, по крайней мере, оно может течь и в нем можно утонуть. В то же время топь ведет себя, как твердое тело, – довольно тяжелые предметы, например камни, способны держаться на ее поверхности, несмотря на то что их плотность больше плотности вещества, составляющего болото. Кстати, его плотность заметно превышает плотность воды, а плотность человека и животных незначительно выше плотности воды, и поэтому если бы для болота выполнялся только закон Архимеда, то в нем невозможно было бы утонуть.
Все-таки болото можно считать жидкостью, но особой – вести себя как жидкость трясина начинает только тогда, когда нагрузки превышают некую предельную величину Т. Поэтому тяжелый камень не обязательно утонет в болоте, сначала он будет погружаться, но при этом будет возрастать выталкивающая сила и в какой-то момент может оказаться, что вес камня, скомпенсированный частично силой Архимеда, уже не создает нагрузки, большие Т, и возникает состояние недопогружения.
Такое же состояние возникает, когда человек совершает первый шаг по трясине. В обычной жидкости нога погружается до тех пор, пока вес всего тела не уравновесится выталкивающей силой (или не достигнет дна).
В болоте же происходит недопогружение – процесс погружения останавливается тогда, когда разница между весом тела и вытесненного вещества болота станет равной величине Т. Так болото обманывает человека, завлекая его дальше и дальше вглубь трясины.
Второй шаг тоже вызовет недопогружение, создавая иллюзию того, что все в порядке. Она рассеется при попытке вытащить ногу из трясины. Основная проблема в том, что под ногой начнет образовываться пустота (вакуум). Обычная жидкость, сразу же следуя за ногой, не позволяет возникать такой пустоте, но грязь болота – не обычная жидкость. В результате разреженное пространство под ногой создает дополнительную силу, направленную вниз (засасывает).
Вспомните, как при ходьбе по неглубокой обычной грязи постоянно хлюпает под ногами – это с шумом всасывается воздух в освобождающееся пространство под поднимающейся ступней. Чтобы преодолеть эту силу, другую ногу придется погрузить несколько глубже. Каждая следующая попытка освободить ногу или какую-то часть тела из трясины будет вызывать все большее погружение. Теперь вы понимаете, почему лучше обходить болото стороной. Если же все-таки вам придется по нему идти, обязательно имейте при себе прочный шест, которым можно проверить, насколько надежен путь в сомнительных местах, и на который можно опереться, чтобы преодолеть всасывающую силу болота.
Как уже упоминалось выше, аналогичная ситуация складывается и в том случае, когда погрузившаяся подводная лодка ложится на дно с глинистым грунтом. Выдавливая при этом из-под себя воду, лодка лишается возможности использовать архимедову силу для всплытия и таким образом «присасывается» ко дну. Давление толщи воды сверху способствует ее медленному погружению в глинистый грунт, засасывающее действие которой не позволяет подводному судну вырваться из «вязкого плена».
Первые модели неньютоновских жидких сред были предложены во второй половине ХIХ в. Джеймсом Клерком Максвеллом и Уильямом Томпсоном. В ХХ в. благодаря работам Бингама и Рейнера этот раздел механики сплошных сред стал самостоятельной наукой, которая носит название «реология» (от греческого слова «реос» – течение, поток). Объектами изучения реологии являются такие материалы, как краски, лаки, битум, почвы, горные породы и т. п.