Ряд опытов на летние деньки
Картинка Freepik
Лето постепенно вступает в свои права, температура на улице повышается, и думать о чём-то серьёзном совершенно не хочется. Тут нам как раз помогут немножко поразвлечься простые опыты, которые может проделать каждый.
Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!
▍ «Картезианский водолаз»
Изобретателем этой игрушки считается известный французский учёный Рене Декарт (говорят, что именно поэтому эта игрушка и получила своё название, так как «Декарт» на латыни звучит как «Картезиус»).
Суть этой игрушки заключается в том, что в ёмкости с водой плавает пузырёк, который может всплывать и тонуть по нашему желанию.
Для изготовления подобной игрушки требуется взять любой прозрачный сосуд (прозрачный — чтобы наблюдать за движениями нашего водолаза). Сосуд практически до краёв наполняется водой, после чего в него рукой погружается маленький пустой пластиковый или стеклянный пузырёк таким образом, чтобы при погружении он лежал на боку и наполнился водой. После чего этот пузырёк переворачивают кверху донышком, берут соломинку для напитков (наиболее хорошо подойдёт соломинка, содержащая «пружинку-колено», позволяющую изгибать соломинку).
Один конец этой соломинки помещается в горловину нашего маленького пузырька (в этот момент он находится перевёрнутым кверху дном), а во второй конец мы начинаем постепенно вдувать воздух, чтобы этот маленький пузырёк постепенно всё больше заполнялся им. Необходимо добиться того состояния, чтобы пузырёк содержал как воздух, так и воду, причём их соотношение должно позволять ему держаться на плаву, но при малейшем толчке — тонуть.
После того, как мы этого добились, необходимо доработать ту большую ёмкость, в которой плавает наш пузырёк: нужно на её горловину натянуть воздушный шарик, после чего перевязать горловину ниткой, чтобы натянутая плёнка шарика удерживалась надёжно на своём месте, полностью герметично закрывая горловину.
Теперь, если мы слегка надавим на плёнку, мы увидим, что плавающий внутри пузырёк пошёл ко дну. В то время как если мы перестанем давить на натянутую резину, тонущий пузырёк начнёт всплывать.
Принцип действия заключается в том, что когда мы давим на резиновую плёнку, давление внутри сосуда повышается, и вода больше вдавливается им внутрь плавающего пузырька, что приводит к увеличению её количества в пузырьке и он тонет. В обратном случае, если мы отпустим резину, давление внутри сосуда уменьшается, воздух внутри пузырька выдавливает воду из него наружу, пузырёк становится легче и всплывает. Такое объяснение обычно приводится в литературе, однако, на мой взгляд, здесь более корректно сказать, что увеличивается и уменьшается Архимедова выталкивающая сила, воздействующая на пузырёк, которая в первом случае становится меньше, чем вес самого пузырька, благодаря чему он и тонет;, а в обратном случае — больше, благодаря чему пузырёк и всплывает. Однако это уже частности, «слишком въедливый подход», но отметить это можно.
▍ «Ваза Тантала»
Эта игрушка была в прошлом не менее популярной, чем предыдущая, и принцип её действия построен на том, что используется явление сифона, то есть вытекание жидкости из сосуда через трубку, даже если конец этой трубки загнут и (или) находится гораздо выше уровня жидкости.
В основу этой игрушки была положена легенда о царе Тантале, который был наказан Зевсом и обречён на вечные муки: ему было предначертано испытывать страдания от голода и жажды, при этом вода почти доходила до его рта, но стоило ему наклониться в её сторону, как она моментально исчезала. То же самое можно сказать и о плодовых деревьях, которые расступались от его рук, не давая вкусить свои плоды.
Для изготовления подобной игрушки требуется взять какой-либо прозрачный сосуд, в его днище просверлить отверстие, через него пропустить гибкую трубку, которая должна быть согнута в петлю, чтобы конец этой трубки почти доходил до дна, но не касался его (лучше сделать так, чтобы этот конец был чуть приподнят над днищем, например, на 1–2 см).
Для большей эффектности эту трубку желательно скрыть внутри некой самодельной скалы, например, слепленной из пластилина, чтобы трубка полностью скрылась внутри неё, оставив только небольшое отверстие для конца трубки.
Также необходимо изготовить фигурку Тантала, лицо которого должно находиться выше уровня верхнего изгиба трубки (в наше время для целей изготовления фигурки отлично подойдёт 3D-печать). Для эффектности можно сделать скорбное лицо и наклонить его вниз, к будущей поверхности воды:
Картинка: Ф.Б. Рабиза — «Опыты без приборов»
Работает устройство следующим образом: если в сосуд начать наливать воду сверху, он будет наполняться водой, как и согнутая трубка внутри него (так как действует принцип сообщающихся сосудов).
Как только вода в сосуде поднимется выше верхнего уровня трубки, трубка также наполнится и вода начнёт вытекать из неё через отверстие в днище банки, из которого выпущен наружу нижний конец трубки.
Вода будет продолжать вытекать до тех пор, пока её уровень в сосуде не окажется ниже входного отверстия трубки над днищем, после чего процесс повторится снова и снова.
Струю воды, с помощью которой наполняется сосуд, необходимо отрегулировать таким образом, чтобы она была тоньше струи, которая образуется при вытекании воды из сосуда.
То есть по своей сути эта игрушка представляет собой автоматический сифон.
▍ Струи-световоды
Многие знают про световоды, использующиеся при оптической связи. Самый простой вариант подобного световода можно изготовить и самостоятельно, если в качестве него будет выступать обычная струя воды.
Для этого необходимо взять непрозрачную ёмкость, проделать в ней отверстия и наполнить водой, которая начнёт вытекать под напором из этих отверстий.
Теперь, если внутри этой ёмкости разместить источник света (прямо в воде), то свет от этого источника будет распространяться как по воде внутри ёмкости, так и по струям воды, вытекающим из неё. При этом будет наблюдаться интересный эффект — свет не сможет вырваться за пределы струй, отражаясь от внешних границ каждой струи даже в том случае, если струя идёт с изгибом.
При этом некоторое количество света всё-таки будет рассеиваться, и благодаря этому струя будет несколько светиться. Эффект будет тем сильнее, чем более непрозрачной является вода, например, если в ней растворён некий белый пигмент.
Подобный эффект может быть использован, например, для создания любопытного «лучевого» фонтанчика, работающего в полной темноте. К тому же, в наше время это может быть ещё более эффектно, если струйки подсвечивать лазерами. Если струек несколько, а основной сосуд с водой непрозрачный, то можно получить довольно инфернальное зрелище. Например, на видео ниже показан более простой вариант, но это просто как идея, которая может быть легко «апнута» ;-)
▍ Фонтан в сосуде
Ещё один любопытный опыт с жидкостями можно провести, организовав собственный маленький фонтан. Для этого необходимо взять небольшой пузырёк с плотно закрывающейся пробкой. Проткнув эту пробку, необходимо сквозь неё продеть небольшую трубочку, предварительно наполнив пузырёк водой примерно на ¾. При этом трубочка должна доходить почти до самого дна пузырька.
После чего пузырёк ставится на бумажную салфетку, промоченную водой, и сверху накрывается большим прозрачным сосудом (чтобы было видно, что происходит внутри), который перед этим предварительно подержали некоторое время над пламенем свечи, следствием чего станет то, что часть воздуха нагреется и выйдет из сосуда.
Если теперь этим сосудом накрыть пузырёк, плотно придавив его сверху к мокрой салфетке рукой (чтобы обеспечить герметичность системы), то, через какое-то время воздух начнёт остывать, сжиматься и внутри большой банки начнёт нарастать разрежение давления воздуха. И в какой-то момент окажется, что давление воздуха внутри пузырька станет существенно большим, чем давление внутри большого сосуда, и оно начнёт с силой вытеснять воду наружу пузырька — тогда из него забьёт фонтан!
▍ Меткий дротик
Если вы когда-нибудь решите задаться целью кинуть с размаху в мишень, размещённую на стене, обычную швейную иголку, с очень большой вероятностью у вас ничего не получится из этого, так как иголка прилетит к своей цели абсолютно непредсказуемым образом.
Однако всё кардинально изменится, если вы будете бросать иголку не саму по себе, а с небольшим куском вдетой в неё нитки, — иголка превратится в точный дротик, который горизонтально полетит к своей цели и точно воткнётся! Причиной этого будет являться то, что нитка будет выступать в роли стабилизатора полёта. В качестве мишени может выступить, например, подушка, подвешенная на стену или поставленная вертикально около неё (лично протестировал подобный способ с куском нитки длиной порядка 30 см — отлично работает!).
Картинка: Том Тит — «Научные забавы»
▍ Перо потерпевшего кораблекрушение
Если когда-нибудь судьба заставит вас выживать на необитаемом острове (параллельно пописывая свои мемуары :-), известен как минимум один способ создания письменных принадлежностей для этого, а именно пера. Один из самых простых способов изготовить его заключается в связывании между собой двух сосновых иголок между собой (тем более, они как будто специально предназначены для этих целей и растут парами) с использованием нити.
Связанные иглы следует затем разместить в небольшую трубку, которую можно взять, например, от бузины. Далее следует обмакнуть это перо в самодельные чернила (предоставляем вам подумать, как и из чего их нужно сделать), и можно начинать писать!
Картинка: Том Тит — «Научные забавы»
Благодаря капиллярному эффекту чернила поднимутся по каналу между иглами, и система сможет вобрать их в себя столько, что одним обмакиванием можно будет написать достаточно большое количество строк (в литературе озвучивается интервал 20–25).
▍ Измерение длины световой волны с использованием проволоки
И напоследок рассмотрим кое-что посложнее…
Картинка: Библиотечка «Квант», №4 — «Опыты в домашней лаборатории»
Для проведения этого эксперимента необходим точечный источник света, в качестве которого выступает карманный фонарь (или лампа от него), а также ширма (А) с маленьким отверстием (О) установленная прямо перед ним.
Теперь, если мы отойдём от этой лампочки на расстояние порядка 1–1,5 метров, посмотрим на неё, предварительно разместив перед глазом (Г) на расстоянии порядка 3 мм тоненькую проволочку диаметром 0,05–0,12 мм, то при взгляде, обращённом на источник света, мы сможем наблюдать справа и слева от него тонкие узкие светлые полоски — их причиной является дифракция света.
Если внимательно присмотреться к каждой из таких дифракционных полосок, то мы сможем в самом их центре обнаружить белый участок, окаймлённый красноватыми краями, который можно назвать нулевым максимумом. С обеих своих сторон он зажат между тёмными узкими промежутками — нулевыми минимумами. После них идут световые участки, где по мере удаления от центра их зеленовато-голубоватая окраска сменяется на красную. Далее опять следуют тёмные участки, и картина многократно повторяется, при этом минимумы начинают просматриваться всё хуже до тех пор, пока светлые участки не сольются в единую светлую полоску.
Далее попробуем немножко изменить эксперимент и возьмём кусок проволоки того же диаметра, с которым проводился первый эксперимент, только в отличие от него этот новый кусок должен иметь большую длину — от 2 до 3 м. Скрутим его в моток диаметром порядка 1 см (в литературе этот момент не конкретизируется, однако полагаю, что здесь подразумевается скручивание проволоки в «трубочку», где витки идут в один слой; целью является создать «трубочку», с толщиной стенок в диаметр проволоки — прим. автора статьи).
Также поместим этот моток перед одним глазом и посмотрим через него на точечный источник света. Мы сможем наблюдать так называемые «венцы», каждый из которых представляет собой белый круг в центре, окаймлённый красноватыми краями и окружённый цветными кольцами. Эти венцы также будут отделяться друг от друга тёмными кольцами-минимумами, где каждое такое тёмное кольцо будет следовать за красноватым краем предыдущего венца, при этом эти венцы тем более видимы, чем меньше диаметр проволоки.
Далее для упрощения расчётов нам понадобится простой вариант измерительного устройства, называемого эриометром.
Устройство представляет собой квадратный кусок картона с размером стороны 100–150 мм, где в центре этого квадрата очерчивается круг, имеющий радиус 20–30 мм. В центре окружности этого круга проделывается отверстие диаметром 2–3 мм, далее по очерченной окружности прокалывается ещё порядка 6–8 отверстий чуть меньшего диаметра (конкретный размер в литературе не указан, насколько я понимаю, они не так важны, их единственная цель — просто выступать «габаритными огнями», показывающими размер очерченного круга).
Во время проведения измерений эриометр устанавливается прямо перед лампочкой, вертикально. Наблюдатель должен отойти от устройства на дистанцию порядка 1–2 м, при этом необходимо встать таким образом, чтобы наблюдатель мог видеть через центральное отверстие в эриометре какой-либо участок нити накаливания лампочки (литература старая, поэтому там ещё используются лампочки с нитями накаливания, но, скорее всего, эксперимент будет корректным и при иных источниках света, например LED — прим. автора статьи).
После чего следует разместить перед глазом моток проволоки и, перемещая его перпендикулярно лучам от источника света, добиться хорошего наблюдения картинки венцов.
Далее, становясь ближе или дальше от эриометра, необходимо добиться такого положения, чтобы окружность эриометра с отверстиями совпала с серединой тёмного кольца, имеющего номер к (нумерация идёт от центра).
Вычисление длины волны производится по формуле:
В этой формуле:
- нам известен радиус окружности эриометра (
); - расстояние от мотка проволоки до эриометра (
) — его мы можем измерить; - номер тёмного кольца (
) определяется визуально, при наблюдении венцов; - диаметр проволоки (
) — измеряется с помощью микрометра (специальный инструмент, см. в хозмагах).
В случае, если измерения производятся при дневном свете, приведённая выше формула позволяет найти эффективную длину световой волны, к которой наиболее чувствителен человеческий глаз. Она будет смещена в зелёную часть спектра, что составляет примерно 0,56 мкм.
В природных условиях венцы можно наблюдать вокруг Солнца, Луны и других небесных тел при удачном стечении обстоятельств, когда воздух содержит множество взвешенных капелек воды или кристалликов. В некоторых случаях они могут быть видны даже сквозь оконное стекло, если оно покрыто тонким слоем льда или капелек воды.
▍ Список использованной литературы
- Ф.Б. Рабиза — «Опыты без приборов».
- Библиотечка «Квант», №4 — «Опыты в домашней лаборатории».
- Том Тит — «Научные забавы».
