Физическая викторина. Механика. Движение газов
* Задачи, не требующие для решения эксперимента, отмечены звездочкой. Решая такие задачи, можно использовать рисунки (если они есть в задании), выводя их на экран
1. Сифон, «переливающий» воздух (рис.). Большую пробирку наполнить водой, заткнуть пальцем и погрузить вверх дном в сосуд с водой АВ. Палец убрать, а пробирку закрепить в лапке штатива. Закрыть пальцем конец D сифона COD и ввести его конец С в пробирку так, чтобы конец С был выше уровня воды в сосуде АВ. Открыть конец сифона D. Пузырьки воздуха будут стремительно входить через сифон в пробирку, и воздух заполнит ее. Объяснить явление.
2. Через резиновую трубку, надетую на конец стеклянной воронки, с силой продувать воздух (например, можно использовать пылесос) (рис.).
Конус, изготовленный из бумаги, установить основанием на ладони руки и ввести внутрь воронки. Если убрать руку, то конус втягивается в воронку и не выпадает, пока продувают воздух. Вместо бумажного конуса в воронку можно вводить шарик от настольного тенниса. Объяснить явление.
3. В шарике от настольного тенниса (рис.) сделать пять отверстий. Через отверстия 1 и 3 продеть резиновую трубку длиной 15—20 см с внутренним диаметром 4—5 мм, а в отверстия 2 и 4 вставить хлорвиниловые трубочки длиной по 10 мм и диаметром около 2 мм. Отверстием 5 шарик насадить на водопроводный кран. Места соединения трубок и шарика промазать Пластилином. Слегка приоткрыв кран, отрегулировать напор воды так, чтобы струи воды, вытекающие из трубок 2 и 4, не касались друг друга.
Что произойдет со струями, если через резиновую трубку сильно продувать воздух? Ответ проверить опытом и объяснить наблюдаемое явление.
4. Легкий целлулоидный шарик ввести в вертикальную струю воздуха от пылесоса (рис.). Шарик устойчиво «парит» в ней: он следует за струей, если медленно перемещать насадку пылесоса в горизонтальном направлении, и возвращается в струю после легкого нажима на него спицей и даже держится в слегка наклоненной к вертикали струе воздуха. Объяснить явление.
5. Приблизить сверху к шарику, парящему в наклонном потоке воздуха (см. предыдущую задачу), тонкостенный стеклянный стакан диаметром около 100 мм. Шарик будет периодически ударять по стакану, вызывая его звон. Объяснить явление.
6. Цилиндр Магнуса. Бумажный цилиндр длиной 25 см и диаметром 5 см скатывают по наклонной плоскости. Траектория полета имеет неожиданную форму (рис. а). Объяснить явление.
7. Явление Магнуса (см. задачу 5) используется в опытном судне, построенном Флетнером. Это судно приводится в движение ветром, однако вместо парусов на нем установлены большие вертикальные, быстро вращающиеся с помощью особой машины цилиндры. Судно может двигаться, если направление ветра перпендикулярно его курсу. Оно может двигаться, как и парусное судно, против ветра зигзагами. Разобраться, как движется судно Флетнера (рис.).
8. Диск Рэлея. Продемонстрировать диск из тонкого картона диаметром 25 см, подвешенный на двух тонких нитях (рис. а) и расположенный против вентилятора ребром к нему. При включении вентилятора диск поворачивается и устанавливается перпендикулярно к потоку. Объяснить явление.
9. Взяв в рот горлышко воронки, подуть на пламя свечи (рис.). Пламя отклонится в сторону воронки. Объяснить явление.
10. На горизонтально укрепленную спицу свободно насадить картонный круг. Если на круг направить струю воздуха слева, то круг скользит по спице вправо. Если поставить перед ним второй, неподвижно закрепленный круг, то подвижный скользит влево. Объяснить явление.
11*. Искусственный смерч. В одной из книг Н. Е. Жуковского описана следующая установка для получения искусственного смерча. На расстоянии 3 м над чаном с водой помещается полый шкив диаметром 1 м, имеющий несколько радиальных перегородок (рис.). При быстром вращении шкива навстречу ему поднимается из чана крутящийся водяной смерч. Объяснить явление. Какова причина образования смерча в природе?
12. Кольцевые вихри в воздухе. Изготовить из жести полый цилиндр длиной 40 см и диаметром 20 см. Одно из его оснований затянуть мембраной, а в другом сделать отверстие диаметром 8 см (рис.). Поставить на столе со стороны этого отверстия легкий бумажный цилиндр и резко ударить рукой по мембране. Бумажный цилиндр опрокинется. Объяснить явление.
13*. Почему при командных велогонках члены каждой команды движутся след в след, возможно ближе друг к другу и передние гонщики периодически переходят на место замыкающего?
14*. На рисунке изображен прибор, с помощью которого можно обнаружить появление в воздухе какого-нибудь газа, более легкого, чем воздух (например, метана в шахтах). Прибор состоит их двух сообщающихся сосудов, в которых налита ртуть. Один сосуд оканчивается пористым цилиндром, а другой открыт. Прибор включен в электрическую цепь. Почему при появлении в воздухе метана или другого легкого газа звонок начинает звонить?
Ответы
1. Явление объясняется разностью давлений около точки С. Давление снизу вверх там равно атмосферному, а сверху вниз меньше атмосферного на величину давления, создаваемого силой тяжести столба воды высотой от уровня воды в сосуде АВ до точки С, поэтому воздух входит в пробирку, вытесняя воду.
2. Так как воздух в узкой щели между стенками воронки и конуса движется с большой скоростью, то его давление меньше атмосферного. Поэтому атмосферный воздух, действуя на внутренние стенки конуса, прижимает его к воронке и конус не выпадает.
3. Струи сольются; если прекратить продувание воздуха, вновь раздвинутся. Воздушная струя имеет большую скорость, благодаря чему давление воздуха между водяными струями понижается и давление воздуха с боков сближает струи.
4. Аэродинамическое давление воздушной струи уравновешивает силу тяжести шарика и поддерживает его в струе. Давление окружающего воздуха, которое больше давления внутри воздушной струи, при небольших боковых отклонениях шарика возвращает его внутрь струи.
5. Между шариком и стаканом скорость потока воздуха возрастает, а значит, уменьшается статическое давление. Поэтому шарик втягивается в поток, ударяет по стакану, поток прерывается, шарик начинает падать, однако процесс тут же повторяется вновь.
6. Физическая сущность явления не изменится, если ми представим себе, что цилиндр вращается по часовой стрелке, а воздушный поток обтекает его снизу вверх. Рисунок б показывает, что в этом случае воздушный поток сверху цилиндра направлен против его скорости вращения, а снизу — совпадает с ней. Поэтому скорость потока относительно цилиндра сверху меньше (а давление больше), чем снизу. Этой разностью давлений и объясняется форма траектории падающего цилиндра.
7. Вследствие вращения и трения цилиндров о воздух скорость воздушного потока около задней поверхности цилиндров меньше, чем около передней. Поэтому давление воздуха на цилиндры со стороны кормы судна больше, чем со стороны носа.
8. Если плоскость диска параллельна воздушному потоку, то он находится в неустойчивом равновесии. При случайном повороту диска скорость воздушного потека в точках А и А1 станет меньше, а давление больше, чем в точках В и В1, что приведет к появлению пары сил, вращающих диск по часовой стрелке (рис. б).
9. Образовавшиеся против раструба воронки вихри создают область пониженного давления, в которую втягивается пламя свечи.
10. Вихри, образующиеся сзади неподвижного круга, создают область пониженного давления, в которую стягивается другой круг.
11. 1. Шкив закручивает столб воздуха, внутри которого (т. е. внутри воздушных вихрей) давление понижено. Поэтому вода устремляется вверх и одновременно, благодаря трению о крутящийся воздух, приходит во вращательное движение.
2. В месте встречи двух воздушных масс с разными температурами и скоростями возникают вращающиеся столбы воздуха, поперечник которых достигает десятков и даже сотен метров. Столб вращается вокруг вертикальной оси и несется вперед. Скорость движения воздуха внутри достигает 100 м/с. Вследствие быстрого вращения воздух отбрасывается к периферии вихря и внутри него понижается давление. Когда такой столб приближается к воде, то засасывает ее в себя, образуя колоннообразную вращающуюся массу воды, представляющую большую опасность для судов.
12. Поток воздуха, выброшенный ударом из отверстия, тормозится у его краев, благодаря чему образуются воздушные вихревые кольца, движущиеся с большой скоростью. Удар такого кольца опрокидывает цилиндр. Кольца можно сделать видимыми, если наполнить жестяной цилиндр табачным дымом.
13. При таком построении команды основную часть силы сопротивления воздуха преодолевает ведущий гонщик, остальные члены команды стремятся двигаться вплотную за ним, чтобы команда образовывала как бы единое, возможно более обтекаемое тело. Переднему гонщику тяжелее всех вести гонку, и поэтому через некоторое Время он уступает свое место следующему за ним товарищу, сохранившему запас сил, для того чтобы вести гонку без снижения скорости.
14. Молекулы легкого газа диффундируют через стенки пористого цилиндра быстрее, чем из него выходят молекулы воздуха. Поэтому давление в цилиндре возрастает, ртуть вытесняется в правый сосуд и, касаясь иглы А, замыкает цепь.