Физика на пластиковых бутылках

Тема: Давление жидкостей.

1. Брызгалка (закон Паскаля).

Проделайте шилом в пластиковой бутылке несколько отверстий. Заполните бутылку водой.

 Если отверстия небольшие, то при закрытой крышкой бутылке вода из них не вытекает. При надавливании на бутылку из отверстий брызжут одинаковые струйки (см. рис.).

По закону Паскаля давление, производимое на жидкость, передается без изменения в каждую точку объема жидкости.

2. Картезианский водолаз.

Водолаз - это небольшой сосуд (пузырек, пробирка, пипетка), помещенный в закрытую емкость с водой, который может передвигаться в ней по воле экспериментатора, но без видимого наблюдателям воздействия на него. Название этого опыта произошло от имени придумавшего его французского философа и математика Рене Декарта, который, как это было принято раньше среди ученых, носил латинизированное имя Ренатус Картезиус.

Водолаза можно сделать из короткой (7-10 сантиметров) пробирки и плотно закрывающей ее пробки, причем пробирка должна свободно проходить через бутылочное горлышко. В пробке высверливают сквозное отверстие диаметром 2 миллиметра. Бесцветную с ровными боковыми стенками бутылку емкостью 1.5-2 литра заполняют водой. В пробирку тоже наливают воду, но не полностью, закрывают ее пробкой и помещают в бутылку так, чтобы заткнутый пробкой конец располагался снизу.

Если пробирка тонет, то ее надо извлечь из бутылки, отлить из нее часть воды и снова проверить на плавучесть. Эту операцию, возможно, придется проделать несколько раз. При правильной настройке пробирка должна всплыть, но при этом находиться под поверхностью воды. Настроив водолаза, бутылку плотно закрывают.

Для перемещения водолаза вниз надо сдавить пальцами бутылку. Избыточное гидростатическое давление в ней загонит воду в пробирку через отверстие в ее пробке, причем затечет ее туда ровно столько, чтобы давление в пробирке и вне ее стало одинаковым. Вобрав же в себя дополнительную порцию воды, пробирка становится тяжелее и тонет.

Если же ослабить сдавливание, то давление воздуха внутри пробирки будет уже больше давления вне ее. Поэтому часть воды будет вытолкнута из пробирки наружу, в результате чего она станет легче и всплывет. Таким образом, регулируя силу сдавливания, можно управлять погружением и всплытием водолаза. Более того, бутылку можно сдавить так, чтобы он завис неподвижно на любой высоте.

Перед демонстрацией опыта водолаза надо настроить, подобрав необходимое соотношение объемов воды и воздуха в нем.

3. Гидростатическое давление (скорость истечения).

В 1 641 году итальянский физик и математик Торричелли установил, что скорость истечения всех жидкостей в одинаковых условиях из отверстия в открытом сосуде одинакова. Ее величина v зависит лишь от высоты h уровня жидкости в сосуде, отсчитанной от центра отверстия, и вычисляется по той же формуле, что и скорость свободно падающего с той же высоты тела: v=√(2*g*h) , где g- ускорение свободного падения.

Это соотношение в точности выполняется лишь для идеальной жидкости. Действительная же скорость истечения несколько отличается от скорости, рассчитанной по формуле Торричелли, и зависит от контура и размера отверстия, от вязкости жидкости и величины ее расхода.

   Чтобы различие скоростей истечения в начале и в конце опыта было более заметным, нужно сделать начальную высоту h столба жидкости достаточно большой. Необходимый для этого высокий сосуд можно изготовить из двух одинаковых бутылок. У одной из бутылок отрезают дно, а у другой - верхнюю часть. Бутылки стыкуют срезанными краями и скрепляют скотчем (липкой широкой лентой) - в результате получается одна длинная бутылка.

Сбоку бутылки близ ее дна нагретым в пламени шилом делают отверстие, диаметр которого затем расширяют тем же шилом до З миллиметров. На 8-12 сантиметров выше этого отверстия делают еще одно такое же отверстие. Также требуются широкий сосуд, куда будет сливаться вода, подставка под бутылку высотой около полуметра и ведро с водой.

Держа бутылку над ведром, заливают в нее воду через горлышко. По мере заполнения бутылки ее постепенно погружают в ведро с тем, чтобы налитая в нее вода не вытекала из боковых отверстий. После заполнения бутылки на нее плотно навинчивают крышку и устанавливают на подставку. Вода из бутылки через боковые отверстия вытекать не должна благодаря разности давлений воздуха внутри и вне ее.

Если немного отвинтить крышку, обеспечив наружному воздуху доступ в бутылку, то из боковых отверстий в ней потекут две горизонтальные струйки, которые, плавно изогнувшись от собственной тяжести, упадут в подставленный широкий сосуд, причем упадут они на разных удалениях.

Поскольку высота уровня воды над нижним отверстием больше, чем над верхним, то и скорость истечения воды из нижнего отверстия больше. Поэтому и удаляется эта струя от своего отверстия на большее расстояние. По мере вытекания высота водяного столба в бутылке убывает, скорость струй уменьшается, и места   их падений приближаются к отверстиям.

4. Сосуд Мариотта (закон Паскаля).

Демонстрацию этого опыта следует провести после показа зависимости скорости истечения жидкости от высоты ее уровня (см.«Скорость истечения»). В эксперименте с сосудом Мариотта демонстрируется простое техническое решение, обеспечивающее постоянство скорости истечения жидкости независимо от ее уровня. Конструкция опытной установки предложена французским физиком Мариоттом.

   В стенке бутылки, близ ее дна, как и в установке для предыдущего опыта, отверстие диаметром З миллиметра. В крышке просверливают отверстие, куда герметично вставляют стеклянную трубку с внутренним диаметром 3-6 миллиметров так, чтобы нижний ее конец при закрытой крышке возвышался над отверстием на 3-5 см.

   В бутылку наливают воду, прикрыв пальцем выходное отверстие; на горлышко навинчивают крышку с трубкой, и сосуд Мариотта готов. Его ставят на подставку, а на место предполагаемого падения струи - банку.

   Открыв отверстие, дают возможность воде свободно вытекать из сосуда. Напор струи с момента начала ее истечения вплоть до оголения нижнего конца трубки остается неизменным. Это видно по тому, что форма струи не изменяется, и она все время попадает в горлышко   банки,        что свидетельствует о постоянстве скорости ее истечения.

В сосуде Мариотта при этом происходят следующие процессы. С началом истечения уровень воды в трубке быстро опускается до ее нижнего конца. После этого высота водяного столба, определяющая начальную скорость струи, остается неизменной и равной расстоянию от уровня нижнего конца трубки до уровня центра выходного отверстия. Высвобождаемый от вытекшей воды объем в полости сосуда постепенно занимает атмосферный воздух, который проникает туда через трубку и толщу воды в виде цепочки пузырьков.

5. Стабильная струя.

Здесь так же, как и в предыдущем опыте, демонстрируется постоянство скорости истечения струи из сосуда с ограниченным количеством жидкости. Однако для этого используется иной, чем в сосуде Мариотта, принцип стабилизации (рис.). Опытную установку делают из двух одинаковой формы полуторалитровых пластиковых бутылок. Верхнюю половинку одной из бутылок отрезают, а в ее стенке так же, как и в сосуде Мариотта, делают сливное отверстие.

У второй бутылки, в ее донной части, также делают небольшое отверстие для прохода воздуха. Затем эту бутылку опрокидывают и вставляют в срез первой, причем ее горлышко должно располагаться выше сливного отверстия на 3-6 сантиметров. Стенки обеих бутылок должны плотно прилегать друг к другу. Для лучшей герметизации стыка его следует смочить водой.

Необрезанную бутылку заполняют водой и, опрокинув, вставляют в обрезанную. Часть воды из верхней бутылки быстро переливается вниз и заполняет полость нижней бутылки до уровня горлышка. Затем перелив прекращается, так как этому препятствует запертый между бутылками воздух. После этого из сливного отверстия начинает вытекать струя (рис.).

Скорость истечения этой струи определяется превышением уровня воды в нижнем сосуде (или уровня горлышка опрокинутой бутылки) над сливным отверстием. Поскольку в ходе эксперимента оно остается постоянным, то и скорость истечения струи стабильна.  

6. Сообщающиеся сосуды.

Для демонстрации уровня жидкости, находящейся в сообщающихся сосудах, нужны две бутылки, кусок шланга длиной 50-80 сантиметров и две стеклянные (или металлические) трубки с внутренним диаметром 5-8 миллиметров, длиной по 5-7 сантиметров.

Донышки обеих бутылок следует аккуратно срезать. В каждой из крышек высверливают по отверстию, в которое вставляют трубку, причем стык должен быть герметичным. На выступающие из крышек трубки также герметично надевают концы шланга, а крышки туго навинчивают на бутылки. Осталось налить в одну из бутылок воду и установка готова к демонстрации.

Опыт демонстрируют, держа бутылки за горлышки. Наклоняя и перемещая их относительно друг-друга на разные высоты,  показывают, что свободные поверхности воды, находящейся в равновесном состоянии, всегда располагаются на одном уровне (вода перетекает из одного сосуда в другой). Для лучшей убедительности опыта рекомендуется использовать бутылки, отличающиеся размерами и формой.

Если сделать в шланге отверстие, то мы продемонстрируем работу артезианской скважины.

Если один конец шланга будет заканчиваться трубочкой с уменьшающимся диаметром, то мы получим фонтан (см. рис.).

В опыте демонстрируется струя, фонтанирующая под действием гидростатического давления водяного столба, расположенного над соплом фонтана. Конструкция установки позволяет экспериментатору произвольно менять высоту фонтана в ходе демонстрации. Сопло фонтана делают из использованного толстого стержня от гелевой или шариковой ручки. Это сопло вставляют широкой частью во второй конец трубки.

При демонстрации бутылку держат за горлышко в опрокинутом положении в одной руке, а в другой руке держат сопло. Если уровень воды в бутылке превышает уровень сопла, то из последнего вытекает фонтанирующая струя. Перемещая бутылку и сопло относительно друг-друга вверх и вниз, можно регулировать высоту фонтана.

Длина фонтанирующей струи зависит от разницы уровней воды в бутылке и сопла. Чем эта разница больше, тем выше поднимается струя. Этот опыт можно использовать в качестве демонстрации превращения потенциальной энергии поднятой воды в кинетическую энергию ее поступательного движения.

Если бы из сопла вытекала идеальная жидкость, то фонтан поднимался бы до ее уровня в бутылке. Однако для реальной (вязкой) жидкости, а вода является таковой, этого быть не может, поскольку часть ее потенциальной энергии расходуется на преодоление трения внутри самой жидкости. Можно несколько уменьшить это трение, если использовать более короткую и широкую трубку.   

7. Сообщающиеся сосуды без сообщения.

Возьмите две пластиковые бутылки разного размера. Бутылку меньшего размера частично наполните водой и поместите в бутылку большего размера с предварительно отрезанной верхней частью. Налейте немного воды между бутылками. Пока внутренняя бутылка с водой плавает, уровни воды в обоих сосудах всегда будут одинаковыми, сколько бы и куда бы вы ее не подливали (см. рис.).

8. Гидростатический парадокс.

Для демонстрации гидростатического парадокса вам понадобятся несколько пластиковых бутылок разной формы. Отрежьте у них донышки и сделайте метки на одинаковой высоте от горлышка. Откидное донышко сделайте из пластиковой банки или крышки к ней. Для этого вырежьте круг чуть большего диаметра, чем горлышко бутылки. Скотчем прикрепите скрепку в вертикальном положении и привяжите для удобства к ней нитку (см. рис.). Сосудом для опыта может служить 5-литровая бутылка с отрезанным верхом.

Приставьте откидное донышко к горлышку бутылки и аккуратно погрузите в воду до метки. Затем налейте воду в бутылку. Донышко отвалится, когда уровни воды в бутылке и сосуде будут одинаковыми. Повтори те опыт с бутылкой другой формы. Результат будет тот же.

Тема: Давление газов.

1. Модель работы легких.

Отрежьте дно у пластиковой бутылки. Натяните на горлышко бутылки воздушный шарик и пропихните его внутрь бутылки. Отрезанную часть бутылки затяните пленкой от другого воздушного шарика. Пленку закрепите скотчем. При оттягивании пленки объем воздуха внутри бутылки увеличивается, давление уменьшается и становится меньше атмосферного: шар надувается. При надавливании на нижнюю пленку объем воздуха в бутылке уменьшается, давление становится больше атмосферного, шарик сдувается.

 Периодически повторяя движение, наблюдают работу легких. Резиновая пленка имитирует диафрагму, воздушный шарик — легкие. Диафрагма опускается — вдох, диафрагма поднимается — выдох.

2. Сжатие воздуха.

Возьмите воздушный шарик, наденьте его на горлышко бутылки и пропихните внутрь. Попробуйте надуть шарик. Это вам не удастся, т.к. внутри бутылки есть воздух, и заставить его сжиматься не так просто.

Повторите опыт, но предварительно отрежьте у бутылки дно. Теперь с этим заданием вы справитесь без проблем.

3. Тепловой фонтан.

В этом опыте демонстрируют водяную струю, фонтанирующую из бутылки под действием избыточного давления в ней.

 Мягкая пластиковая трубка плотно надета одним концом на отверстие маленького диаметра, а другой ее открытый конец располагается близ дна бутылки. Примерно треть объема бутылки занимает прохладная вода. Крышка на бутылке должна быть герметично закручена.

Для получения фонтана бутылку обливают  предварительно нагретой теплой водой. Заключенный в бутылке воздух при этом быстро прогревается, что приводит к повышению его давления. Под действием возросшего давления вода выталкивается наружу в виде фонтанчика, высота которого может достигать 80 сантиметров.

    Этот опыт можно использовать, во-первых, для демонстрации зависимости давления газа от его температуры, и, во-вторых, как демонстрацию работы по поднятию воды, совершаемой расширяющимся воздухом.

4. Всасывание воды в бутылку.

Налейте в глубокую тарелку воды не менее 300 мл. Ополосните пластиковую бутылку (лучше с коническим верхом) горячей водой и поставьте ее горлышком в воду. Вода начнет всасываться в бутылку. В 2-литровую бутылку всасывается более 250мл, в маленькую пол-литровую около 100 мл. Если подкрасить воду, то опыт будет более зрелищным.

5. Туман в бутылке.

Для проведения этого опыта нужна бесцветная бутылка и воздушный насос Комовского. Еще потребуются резиновая пробка, которая плотно затыкала бы горлышко бутылки, и гибкая медицинская трубка. По оси пробки просверливают сквозное отверстие, в которое вставляют один конец трубки. Трубка эта должна плотно обхватываться телом пробки и не выпадать из нее. Чтобы соединение было прочным, соединяемые поверхности предварительно следует смазать резиновым клеем.

 В бутылку наливают 50-100 миллилитров воды, плотно затыкают ее горлышко пробкой, затем закачивают в нее воздух.

 Опыт получается тем эффектнее, чем большее давление создано в ней. Бояться разрыва бутылки, при накачивании в нее воздуха, нет оснований, т. к. прочность ее стенок вполне достаточна для проведения этого опыта.

После закачивания воздуха внимание зрителей обращают на то, что полость бутылки осталась такой же прозрачной и бесцветной, как и до начала опыта. Затем быстрым движением выдергивают пробку из бутылки. Этот момент сопровождается характерным хлопком выходящего из бутылки сжатого воздуха и мгновенным помутнением ее полости вследствие образования там тумана, который через 5-10 секунд после этого постепенно рассеивается.

Образование тумана можно объяснить так. Предварительно налитая в бутылку вода, частично испарившись, образовала в ней насыщенный водяной пар. Накачав же воздух в бутылку, мы совершили работу по его сжатию, в результате чего внутренняя энергия паро-воздушной смеси в бутылке увеличилась.

После выдергивания пробки часть заключенной в бутылке газовой смеси из-за избыточного давления в ней вышла наружу. При этом была совершена работа по ее расширению. Работа эта была произведена за счет уменьшения внутренней энергии сжатой смеси, что должно сопровождаться падением ее температуры. Газы, вырвавшиеся наружу, сразу же прогрелись вследствие их перемешивания с теплым комнатным воздухом. А вот для оставшихся в бутылке газов дело обстоит иначе.

Быстрое понижение температуры газовой среды в полости бутылки привело к соответственно быстрой конденсации в ней водяных паров в капельки тумана. Этот туман существовал до тех пор, пока его капельки постепенно не испарились от тепла, проникшего через бутылочные стенки.

Процесс конденсации водяного пара в бутылке при выдергивании из нее пробки был настолько кратковременным, что количество теплоты, поступившей за это время через бутылочные стенки, было пренебрежимо мало. Поэтому образование тумана в этом опыте является процессом адиабатическим.

Появление тумана из насыщенного пара при его быстром расширении можно наблюдать при «выстреле» пробки из бутылки с шампанским или при откупоривании бутылки с газированным напитком.

6. Сосуд для сбора жидкости (клизма, шприц).

Если вам надо собрать разлившуюся жидкость, то возьмите тонкую гибкую трубочку (например, от капельницы) и вставьте ее герметично через пробку в пластиковую бутылку или воспользуйтесь крышкой с патрубком и резиновым шлангом. Сжав бутылку, выдавите из нее часть воздуха и опустите шланг в жидкость. Она всосется в бутылку.

7. Взрыв бутылки.

Этот опыт является, пожалуй, самым впечатляющим. Демонстрация его весьма проста и вместе с тем затруднена тем обстоятельством, что для его осуществления необходим жидкий азот. Последний представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, кипящую при температуре минус 195 градусов Цельсия. Хранить и транспортировать жидкий азот в незначительном количестве можно в термосе. Опыт следует проводить на открытом воздухе или большом просторном помещении, причем только с пластиковой бутылкой.

Итак, в полуторалитровую бутылку наливают примерно 100 миллилитров жидкого азота. На бутылке туго завинчивают крышку и оставляют ее в покое на расстоянии не ближе 5-7 метров от наблюдателей.

Находящийся в бутылке жидкий азот сразу же начинает интенсивно испаряться вследствие обильного притока к нему тепла сквозь стенки бутылки. По мере испарения азота давление его паров в бутылке возрастает, распирая ее стенки. По прошествии четырех- пяти минут это давление достигает величины, превышающей предел прочности стенок бутылки, в результате чего последняя разрушается, разрываясь на куски.

При этом в месте, где разорвалась бутылка, образуется зона высокого давления. Возникший там перепад давлений распространяется в пространстве в виде мощной звуковой волны, которая вызывает у наблюдателей ощущение оглушительного взрыва.

8. Воздушный колокол.

Вам понадобятся две пластиковые бутылки. 5-литровая, с отрезанным верхом, будет использоваться как сосуд с водой для наблюдения опыта. Коническая часть бутылки меньшего объема будет воздушным колоколом.

Положите на дно воздушного колокола бумажную салфетку и поместите его в большой сосуд с водой, опустив до дна (см. рис.). Вынув колокол из воды, вы обнаружите, что бумажная салфетка не намокла.

Этот опыт можно видоизменить. На поверхность воды положите крышку от бутылки, накройте ее воздушным колоколом. Вы увидите, что крышка от бутылки опускается вместе с колоколом почти до самого дна! Большую часть колокола занимает воздух, который и вытесняет воду.

Тема: Атмосферное давление.

 Атмосферное давление.

1 вариант: Все мы находимся на дне воздушного океана под прессом тяжести его многокилометровой толщи. Но силовое действие воздуха мы даже не замечаем подобно тому, как не задумываемся о необходимости периодически вдыхать и выдыхать этот воздух.

Для демонстрации воздействия атмосферного давления нужна горячая вода, но не кипяток, чтобы от соприкосновения с ним бутылка не деформировалась. Сто-двести граммов такой воды наливают в бутылку и несколько раз интенсивно встряхивают, прогревая тем самым находящийся в бутылке воздух. Затем воду выливают, а бутылку сразу же плотно закрывают крышкой и ставят на стол для обозрения.

В момент закупоривания бутылки давление в ней было одинаково с наружным атмосферным давлением. Со временем воздух в закупоренной бутылке остывает вследствие оттока тепла сквозь стенки, что означает уменьшение его внутренней энергии и, соответственно, падение давления в нем. Образовавшаяся в результате разница давлений по обе стороны стенок бутылки приводит к ее сдавливанию, которое сопровождается характерным хрустом.

 2 вариант: Для этого опыта вам понадобится вакуумный насос. Закройте пластиковую бутылку крышкой с патрубком и соедините ее шлангом с вакуумным насосом. После нескольких тактов откачивания бутылка с характерным звуком превращается в “лепешку”.

3 вариант: Возьмите пластиковую бутылку объемом 1.5 или 2 литра и легкую пластиковую банку из-под молочных продуктов. Отрежьте верх бутылки. Банка должна входить внутрь бутылки и закрывать ее как крышка (рис. а). Налейте в бутылку воды, закройте банкой и переверните, осторожно придерживая банку. Вода из бутылки выливаться не будет (рис. б).

Атмосферное давление, действующее на банку снизу, больше давления воды и воздуха, действующего на нее сверху. При перевертывании бутылки всегда небольшое количество воды из нее выливается, поэтому давление воздуха в бутылке меньше атмосферного. Большой объем воды в бутылке усиливает эффект.

Этот опыт  вызывает неизменный интерес.

Замечание. При проведении опыта требуется аккуратность. Пластиковые бутылки легко деформируются. Неосторожное нажатие на бутылку может привести к выливанию из нее воды. Поэтому опыт следует проводить над поддоном.

Присоски и вантузы работают по такому же принципу. Надавливая на присоску, мы уменьшаем давление воздуха в ней по сравнению с атмосферным давлением.      

Тема: Равновесие.

1. Неваляшка.

Эта игрушка в виде куклы, известная также под названием «Ванька-встанька», занятна тем, что любые попытки повалить ее набок не достигают цели, так как она всегда возвращается в свое «излюбленное» стоячее положение. Такое поведение неваляшки будоражит любопытство у тех, кто не знаком с ее устройством, вызывает стремление понять причину «несгибаемого характера» и источник ее упрямства».

  Чтобы сделать неваляшку, нужна бутылка с дном в форме полусферы. Поскольку такая бутылка для устойчивости бывает снабжена подставкой, которая нам не нужна, то эту подставку следует убрать.

Основным элементом конструкции неваляшки является закрепленный к ее дну груз (см. рис). Груз этот должен располагаться симметрично относительно продольной оси игрушки. Сделать это можно так. Бутылку фиксируют в вертикальном положении и через вставленную в ее горлышко воронку засыпают внутрь 500-600 граммов охотничьей дроби, предварительно смешанной с каким-нибудь клеем, например, бустилатом или цементным раствором. Попав в бутылку, эта тестообразная масса растекается по дну, принимая необходимую симметричную форму. В зафиксированном положении бутылка должна находиться до полного затвердевания ее содержимого. Чтобы игрушка выглядела привлекательной, ей можно придать форму человечка.

Способность неваляшки самостоятельно вставать вызвана действием вращающего момента, возникающего каждый раз, как только ее валят набок. Величина этого момента определяется как произведение действующей на неваляшку силы тяжести на плечо этой силы: mgd.

Вертикальное положение игрушки соответствует состоянию ее устойчивого равновесия, при котором вращающий момент отсутствует. Энергетически такое положение для неваляшки является самым выгодным, поскольку ее потенциальная энергия при этом минимальна. Поэтому мнение о том, что «сидеть лучше, чем стоять, а лежать лучше, чем сидеть», оказывается не всегда верным.

2. Ванька-перевертыш.

Вам понадобится пластмассовый мяч. Наполните его песком, а отверстие заделайте скотчем. Возьмите две пластиковые бутылки такого размера, чтобы мяч свободно входил внутрь, обрежьте их. Поместите внутрь одной мяч и скрепите бутылки скотчем, чтобы получился цилиндр. Из двух досок или разрезанной трубы сделайте желоб. Кувыркаясь, Ванька-перевертыш забавно спускается по наклонному желобу. Такое поведение цилиндра объясняется изменением положения его центра тяжести.

3. Возьмите три одинаковые пластиковые бутылки. Одну оставьте пустой, вторую наполните водой на половину, а третью - полностью. По очереди подбросьте бутылки в воздух. Окажется, что бутылка, наполненная водой наполовину, сделает только один оборот, хотя она легче третьей бутылки. Такое поведение объясняется переливанием воды при перевертывании бутылки и изменением положения центра тяжести. На это требуется время, равное времени подъема и падения бутылки.  

  4. Возьмите большую пластиковую бутылку, желательно пятилитровую. Вырежьте из нее обруч. Изнутри скотчем прикрепите к нему на одном уровне одну – две тяжелые монеты (например, старые пятикопеечные) или кусочек пластилина.

Поставьте обруч на ребро. В каком бы изначальном положении ни была монета относительно стола, обруч покатится и остановится, когда монета окажется внизу. Если на его пути поставить наклонную плоскость, то обруч закатится на нее и остановится в неестественном положении – на горке. Чем больше диаметр бутылки, тем выше закатывается колесо.

Чтобы опыт заставил задуматься, замаскируйте место крепления монеты, например, оклейте колесо самоклеющейся бумагой.     

Тема: Вращение тел.

1. Водяная карусель.

В опыте демонстрируется вращение бутылки под действием реакции вытекающих из нее водяных струй. Дно у бутылки должно быть рельефным с симметричными выступами (см. рис.).

 В центре крышки шилом протыкают отверстие, в которое продевают леску. С внутренней стороны крышки на леске завязывают узелок, а к другому ее концу - привязывают колечко, за которое держат конструкцию во время опыта. В качестве колечка удобно использовать ободок, остающийся на горлышке бутылки после ее раскупоривания.

  В каждом из выступов с помощью шила делают по одному отверстию. Шило предварительно надо нагреть на пламени, чтобы края отверстий получились гладко оплавленными. Все эти отверстия должны располагаться с одной стороны выступов, чтобы вода из них вытекала в одну сторону, например, по ходу часовой стрелки.

  В центре дна бутылки надо сделать еще одно отверстие диаметром 1-1,5 сантиметра, через которое в нее заливают воду. Это отверстие, как и боковые, делают продавливанием через дно нагретого круглого металлического стержня соответствующего диаметра. Поскольку во время опыта это отверстие должно быть закрыто, то к нему надо подобрать пробку соответствующего размера.

Можно, впрочем, обойтись и без отверстия с пробкой, а воду заливать через горлышко. Однако в этом случае наливаемая в бутылку вода начинает сразу же вытекать через боковые отверстия, и к началу демонстрации значительная часть ее уже вытечет.

Итак, перед проведением опыта бутылку с навинченной на нее крышкой заполняют через отверстие в ее дне водой. Затем это отверстие затыкают пробкой, бутылку опрокидывают и немножко приоткрывают ее крышку, давая возможность воздуху проникнуть внутрь бутылки. Во время демонстрации бутылку удерживают за кольцо на вытянутой руке. Она при этом вращается, разбрасывая вокруг себя брызги вытекающей воды.

Известно, что при вытекании из сосуда струи жидкости или газа возникает реактивная сила, направленная противоположно скорости истечения. Поскольку силы реакции каждой из струй приложены к различным точкам бутылки, то возникает вращающий момент, под действием которого она и вращается. Вид симметричных, красиво изогнутых струй, истекающих из вращающегося сосуда, представляет собой весьма привлекательное зрелище.

2. Параболоид в бутылке.

Поверхность неподвижной жидкости горизонтальна. Строго говоря, свободная поверхность жидкости, покоящейся в достаточно большом сосуде на Земле, практически горизонтальна, если и сам сосуд либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно. Сосуд в этом случае представляет собой инерциальную систему отсчета. Если же жидкость пребывает в неинерциальной системе, то ее поверхность может сильно отличаться от горизонтальной плоскости. Демонстрируется это в опыте с вращающимися бутылками.

У двух бесцветных полуторалитровых бутылок с ровными цилиндрическими стенками надо отрезать донышки. Затем эти бутылки следует соединить, вставив их отрезанными местами одну в другую на 1-2 сантиметра. Внутрь бутылок перед их стыковкой можно поместить шарик для настольного тенниса. Для придания стыку прочности и герметичности его обматывают липкой прозрачной лентой.

Концы капроновой нити длиной 1-1,5 метра привязывают к горлышкам, а в середине нити делают петельку. На одно из горлышек навинчивают крышку, а через другое горлышко наливают 0,7 литра подкрашенной воды. После закупорки второго горлышка бутылки подвешивают за петлю к закрепленному в штативе штырю.

При правильной настройке бутылки должны располагаться горизонтально.

Обхватив кистью руки середину конструкции, толчком сообщают ей вращательное движение в горизонтальной плоскости. Вследствие вращения возникает центробежная сила F инерции, направленная от оси вращения к периферии, то есть в сторону горлышек. На  частицы воды при этом действуют одновременно две силы: центробежная сила F и сила тяжести Р , которые, складываясь, образуют результирующую силу R. Под воздействием этой силы R вода в сосуде перераспределяется и через несколько секунд после начала вращения устанавливается в показанном на рисунке положении. Свободная поверхность воды при этом имеет форму параболоида вращения. Характерно, что направление силы R всегда перпендикулярно к водной поверхности в месте ее действия.

Теннисный же шарик находится под воздействием одновременно трех сил: силы тяжести, выталкивающей силы Архимеда и центробежной силы, равнодействующая которых и удерживает его на водяном склоне.

3. Действие центробежной силы.

Возьмите две одинаковые пластиковые бутылки. Отрежьте у них донышки и вставьте одну в другую. Для надежности скрепите широким скотчем. Внутрь поместите два шарика или две бусинки. Попытайтесь загнать шарики в разные горлышки бутылок.

С заданием можно справиться лишь в том случае, если раскрутить бутылки в горизонтальной плоскости, например, на столе. Изначально шарики должны находится в центральной части бутылок – один правее, другой – левее центра. При вращении  на шарики действует центробежная сила, и они удаляются от центра вращения.

4. Разрежьте пластиковую бутылку на две части и сделайте два ведерка с достаточно длинными веревочными ручками. Заполните водой ведерко, сделанное из верхней части бутылки. Начните вращать его в вертикальной плоскости (рис. а). Вода при вращении не выливается даже тогда, когда ведерко опрокинуто вверх дном.

Сделайте в крышке шилом небольшое отверстие. Повторите опыт с вращающимся ведерком. Струя воды будет направлена по радиусу окружности вращения от ее центра. Даже когда ведерко находится в верхнем положении, вода брызжет вверх (рис. б).

Возьмите второе ведерко и сделайте в нем шилом боковое отверстие. Понаблюдайте за направлением струи при вращении ведерка с водой – она движется по инерции и всегда направлена по касательной к окружности (рис. в).

Из опытов следует, что при вращении ведерка вода давит на боковые стенки, которые препятствуют ее выливанию.

5. Возьмите две  пластиковые бутылки и привяжите их к концам бечевки, пропущенной через корпус шариковой ручки.

Одну бутылку частично наполните водой. Очевидно, что тяжелая бутылка перетянет. Раскрутите над головой легкую бутылку. Она будет вращаться по круговой спирали, вытягивая бечевку и поднимая тяжелую бутылку. 

Тема: Механическое движение.

1. Катание с горки.

Серию поучительных опытов, полезных для понимания некоторых закономерностей механического движения, можно получить, скатывая бутылки по наклонной плоскости.  Для этого нужны толстое прямоугольное оконное стекло 30х50 сантиметров и брусок размером 2 сантиметров. Подкладывая этот брусок разными гранями под разные стороны стекла можно регулировать наклон и длину ската.

Поскольку бутылка, скатившись горки, затем может продвинуться на значительное расстояние, то эти опыты надо проводить либо на длинном столе, либо на полу, причем их поверхности должны быть горизонтально ровными и гладкими. Бутылки же должны быть цилиндрической формы, чтобы катились они по прямой линии.

В первом опыте демонстрируют зависимость пути, проходимого бутылкой после скатывания, от ее начальной скорости и силы трения. Для этого заполненную водой бутылку спускают е горки и, наблюдая ее равнозамедленное продвижение по горизонтальной поверхности, отмечают место ее остановки. После скатывания бутылка по инерции может прокатиться 5-10 метров (у маленьких бутылок путь короче).

Затем 1,5-2 метра горизонтальной дорожки под горкой посыпают песком и снова скатывают ту же бутылку с прежней высоты. В этом случае расстояние, на которое продвинется бутылка до ее полной остановки, существенно сократится. Эффект быстрого торможения на песчаной дорожке обусловлен возросшей силой трения на ней, а используют его в гололед, посыпая песком тротуары и проезжую часть улиц.

Повернув установленный под стеклом брусок, увеличивают высоту горки и снова спускают с нее бутылку, В этом случае она продвигается заметно дальше. Поскольку отправная точка при этом располагалась выше предыдущей, то и потенциальная энергия бутылки в начале ее движения была больше. А больший запас энергии в начале движения означает, что и  продвинуться бутылка может уже на большее расстояние.

Следующий опыт можно проделать, чтобы озадачить наблюдателей различием в поведении бутылок, скатывающихся с наклонной плоскости в одинаковых условиях. Нужны три идентичные бутылки. Одна из них доверху заполненная водой, другая - сухим песком, а третья остается пустой. Наблюдателям дают убедиться, что бутылка с песком тяжелее бутылки с водой. Поверхность стола должна быть чистой.

Вначале с горки скатывают пустую бутылку. Прокатившись по столешнице 50-70 сантиметров, бутылка останавливается. Затем по тому же пути пускают более тяжелую бутылку с водой. Она свободно докатывается до края стола, и, будь он длиннее, могла бы двигаться дальше. Наконец скатывают бутылку, заполненную песком, то есть самую тяжелую. Эта бутылка останавливается, прокатившись по столешнице всего 30-50 сантиметров.

Если из наблюдения двух первых скатываний можно сделать вывод, что более тяжелая бутылка катится дальше, то почему же тогда путь еще более тяжелой бутылки с песком наоборот короче?

Чтобы разобраться в этом, рассмотрим сначала первую пару скатываний. Масса бутылки с водой много больше массы пустой бутылки. Поэтому и запас кинетической энергии у бутылки с водой в момент схода с наклонной плоскости больше. Обладая большей энергией, она и продвигается на большее расстояние. Из этого сопоставления, казалось бы, можно сделать вывод, что еще более массивная бутылка с песком должна двинуться еще дальше. Однако путь бутылки с песком наоборот короче, а причина этого — в ее содержимом.

Дело в том, что песчинки в бутылке располагаются хаотично, причем между ними есть свободные промежутки, микропустоты. Во время движения песчинки под действием силы тяжести пересыпаются с места на место. А поскольку при этом они интенсивно трутся друг о друга, то часть запаса потенциальной энергии бутылки расходуется на преодоление этого внутреннего трения. Поэтому для продвижения по столешнице энергии у бутылки с песком остается мало.

При скатывании бутылки с водой внутреннее трение также имеет место и заключается оно во взаимном трении между частицами воды, а также между ними и внутренней поверхностью бутылки. Однако трение в воде много меньше трения в песке.

В этом опыте можно подобрать также условия, чтобы величина внутреннего трения в бутылке с песком возрастала по мере ее скатывания по наклонной плоскости. Для этого из бутылки надо высыпать часть песка; после чего он должен занимать около 70% ее объема. Также следует увеличить и длину наклонной плоскости. Для этого ее скат надо сделать из толстого оконного стекла длиной около 120 см, а шириной -40 см. Высота подставки — 10-15 см.

Держа бутылку в вертикальном положении, встряхивают ее с тем, чтобы свободная поверхность находящегося в ней песка расположилась горизонтально. Затем бутылку плавно наклоняют, кладут на вершину наклонной плоскости и отпускают. Под действием силы тяжести она начинает катиться вниз с некоторым ускорением. Но, докатившись до середины склона, бутылка вдруг без видимых причин замедляет свое движение и останавливается, так и не скатившись с него. На рисунке  такая бутылка изображена на наклонной плоскости в двух положениях: в начале движения и после остановки.

Для объяснения эффекта самопроизвольного торможения катящейся бутылки надо рассмотреть распределение в ней песчинок в начале движения и через некоторое время после этого. В момент, когда бутылку кладут наверх наклонной плоскости, песчинки в ней располагаются более или менее плотно друг к другу, поскольку их перед этим встряхнули. А так как пустот между песчинками немного, то в начале скатывания песок движется преимущественно как единое с бутылкой тело, почти не пересыпаясь. Это означает, что внутреннее трение в бутылке при этом относительно невелико, что позволяет ей свободно катиться вниз.

По мере скатывания бутылки вниз по склону песок в ней постепенно рассыпается вдоль бутылки. При этом количество одновременно пересыпающихся песчинок, длина их микроперемещений и размеры микропустот среди них увеличиваются, что в совокупности приводит к возрастанию силы внутреннего трения в бутылке. Можно так подобрать соотношение между наклоном ската, его протяженностью и долей занятого песком объема бутылки, чтобы сила внутреннего трения в ней к концу скатывания превысила скатывающую силу. Тогда катящаяся по склону бутылка без какого-либо внешнего воздействия останавливается.

2. Бегом в гору.

Демонстрация этого простого и занятного опыта вызывает поначалу у непосвященных наблюдателей недоумение и любопытство, а некоторых она может поставить в тупик, поскольку воспроизводимый в опыте эффект явно «противоречит» сложившимся стереотипам восприятия причин механического движения.

Для изготовления опытной установки нужны три двухлитровые бутылки определенной формы. Боковая стенка этих бутылок должна быть цилиндрической, а верхняя, суживающаяся к горлышку часть, - конической. Одну из бутылок не подвергают никаким переделкам, а из двух других делают двойной конус.

   Для этого с обеих бутылок срезают их верхние конические части, причем линия среза должна проходить на три-пять миллиметров ниже линии сопряжения конической и цилиндрической поверхностей. Получившиеся конусы соединяют основаниями. Для этого места срезов обмазывают клеем, и основание одного из конусов вставляют внутрь другого.

Из полоски металла шириной 3-4 сантиметра, длиной 80-90 сантиметров и толщиной 1-3 миллиметра делают расходящиеся рельсы. Для этого металлическую полоску надо согнуть в середине под углом приблизительно 40⁰ так, чтобы получилась фигура в форме буквы V.

Рельсы устанавливают на столе  наклонно, причем вверху должны быть их расходящиеся концы. Для этого под них подкладывают заранее подобранный по высоте деревянный брусок.

Сначала демонстрируют скатывание по наклоненным рельсам обычной цилиндрической бутылки. Для этого ее кладут на рельсы в горизонтальном положении в верхней части склона и отпускают. Под действием силы тяжести бутылка скатывается по рельсам вниз. Такое поведение бутылки для наблюдателей очевидно, предсказуемо и интереса не вызывает.

Однако двойной конус на этих же рельсах ведет себя совершенно иначе. Если эту фигуру положить на рельсы в нижней части образуемого ими склона и отпустить, то она, вопреки ожиданию наблюдателей, самостоятельно катится по рельсам вверх, пока не упрется в брусок!

В чем же причина столь необычного поведения двойного конуса? Ведь, казалось бы, при этом нарушается закон сохранения энергии, поскольку самопроизвольный «подъем» этого тела сопровождается кажущимся увеличением одновременно как его кинетической энергии, так и энергии потенциальной!

Чтобы разрешить этот физический казус, надо внимательно проследить за перемещением центра массы двойного конуса в процессе его движения по рельсам. Наблюдать движение следует с уровня расположения двойного конуса на рельсах, причем линия взора должна быть направлена вдоль его продольной оси, на которой и находится отслеживаемый центр массы.

Из этого положения заметно, что при перемещении двойного конуса от основания ската к его верхней части или, как показало на рисунке, справа налево, его центр массы, хоть и незначительно, но все же опускается на некоторую высоту h. Таким образом, демонстрируемый наблюдателям самопроизвольный подъем двойного конуса не более чем иллюзия, получившаяся благодаря искусно подобранному соотношению формы и размеров катящегося тела и рельсов.

Тема: Колебания.

1. Водяные часы.

Принцип работы этих часов такой же, как у часов песочных. Две не цветные бутылки соединяют горлышками друг с другом. Вообще-то соединяют не сами бутылки, а лишь их крышки, и делают это с помощью двух-трех винтов или заклепок. Для придания конструкции водяных часов жесткости на соединенные друг с другом крышки следует надеть кусок шланга, который должен туго обхватывать их. Полости обеих бутылок объединяют посредством двух тонких трубок разной длины, проходящих сквозь крышки. Трубки эти можно получить из использованных стержней шариковых ручек.

В одну из бутылок наливают воду, которую для привлекательности демонстрации можно подкрасить флуоресцеином или раствором хвойного экстракта.

   После навинчивания бутылок на соединенные крышки часы к работе готовы. Для запуска часов достаточно их установить так, чтобы бутылка с водой оказалась сверху. Тогда вода из верхней бутылки под действием силы тяжести будет перетекать через длинную    трубку отдельными каплями в нижнюю бутылку. Вытесняемый же при этом из нижней бутылки воздух по другой трубке будет порциями поступать в верхнюю бутылку.

   Количество воды и размеры трубок в конструкции часов следует подобрать опытным путем так, чтобы продолжительность одного цикла работы часов составляла 10-15 минут. И тогда эти часы можно использовать на уроках по назначению, например, для контроля времени по решению задач. Весьма удобно, когда в физическом кабинете имеется несколько подобных часов, изготовленных из различных по форме и размерам бутылок и рассчитанных на разные длительности циклов.

2. Автоколебания.

Механическое колебательное движение обычно изучают, рассматривая поведение какого-нибудь маятника: пружинного, математического или физического. Поскольку все они являются твердыми телами, то интересно создать устройство, с помощью которого можно продемонстрировать колебания жидких или газообразных тел.

   Для      этого можно воспользоваться идеей, заложенной в конструкции водяных часов, работающих по принципу взаимных периодических перемещений порций воды и воздуха. Две полуторалитровые бутылки соединяют так же, как и в водяных часах, скрепив крышки. Полости бутылок соединяют через одну стеклянную трубку длиной 15 сантиметров, внутренним диаметром 4-5 миллиметров. Боковые стенки бутылок должны быть ровными и нежесткими, легко сминаться при сдавливании.

Для запуска колебаний, бутылку с водой располагают сверху. Вода из нее начинает сразу же вытекать через трубку, падая в нижнюю бутылку. Примерно через секунду струя самопроизвольно перестает течь и уступает проход в трубке для встречного продвижения порции воздуха из нижней бутылки в верхнюю. Порядок прохождения встречных потоков воды и воздуха через соединительную трубку определяется разницей давлений в верхней и нижней бутылках  и регулируется автоматически.

О колебаниях давления в системе свидетельствует поведение боковых стенок верхней бутылки, которая в такт с выпуском воды и впуском воздуха периодически сдавливается и расширяется. Поскольку процесс является саморегулирующимся, то эту гидродинамическую систему можно назвать автоколебательной.

Физическая суть наблюдаемого явления заключается в следующем. Первоначально давление в верхней бутылке больше,  чем в нижней, поэтому вода по трубочке вытекает. С увеличением жидкости в нижней бутылке объем воздуха в ней уменьшается, и, следовательно, его давление увеличивается. Оно становится больше, чем в верхней бутылке, и препятствует вытеканию воды. Воздух  устремляется вверх по трубочке. Его масса, следовательно, и давление в верхней бутылке увеличиваются. Новая порция воды поступает в нижнюю бутылку. И все повторяется снова.

У наблюдателей при этом создается впечатление, что вся конструкция при этом как бы «дышит». Весь процесс сопровождается характерным журчанием стекающей воды, бульканьем пробивающегося вверх воздуха и хрустом периодически деформируемой верхней бутылки, что делает демонстрацию весьма занятной для наблюдения.

Тема: Невесомость и перегрузка.

Невесомость и перегрузка.

В земных условиях тело можно ввести в состояние невесомости, если лишить его опоры или подвеса. Поэтому любое свободно падающее тело вплоть до момента его приземления пребывает в невесомости. Напомним, что невесомость - это состояние тела, при котором действующие на него внешние силы или совершаемое им движение не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга. Для пребывающего в невесомости тела характерно отсутствие внешних сил, приложенных к его поверхности.

Предлагаемый способ демонстрации невесомости с помощью бутылки в реализации очень прост и убедителен.

В боку пластиковой бутылки близ ее дна делают отверстие диаметром 3-4 миллиметра. Вода из этого отверстия должна вытекать горизонтально. Бутылку заполняют водой и закрывают крышкой. При плотно закрытой крышке, вода из отверстия вытекать не должна.

Затем у бутылки чуть отвинчивают крышку, давая воздуху возможность проникать под нее. При этом из отверстия начинает течь струя.

Удерживая бутылку за горлышко подбрасывают ее вверх до высоты полтора-два метра так, чтобы в полете она сохраняла вертикальное положение. При этом хорошо видно, что все то время, пока бутылка находится в свободном полете, то есть пребывает в состоянии невесомости, вода из нее не вытекает. По возвращении бутылку надо подхватить.

Явление, обратное невесомости, - перегрузка. Тело испытывает состояние перегрузки, если все действующие на него внешние силы или совершаемое этим телом движение вызывают повышенное взаимное давление его частиц друг на друга. Продемонстрировать состояние перегрузки с помощью бутылки даже проще, чем невесомость.

   Ту же самую бутылку с отверстием заполняют водой, причем крышку в этот раз плотно завинчивают, исключив попадание наружного воздуха внутрь. При удерживании бутылки за крышку в неподвижном состоянии вода из отверстия вытекать не должна. Если она все же вытекает, а пузырьки воздуха через то же отверстие одновременно проникают внутрь, то эту бутылку надо заменить на другую с меньшим отверстием.

 Ученики должны понимать, почему вода не вытекает из открытого отверстия. А не течет она потому, что гидростатическое давление в бутылке на уровне отверстия уравновешено наружным атмосферным давлением.

Затем, держа бутылку за крышку, надо поднять ее вверх на вытянутую руку. Во время подъема из отверстия появляется струя, причем течет она тем сильнее, чем с большим ускорением производится подъем. Зафиксировав на мгновение бутылку вверху, ее плавно опускают вниз, в исходное положение. При этом струя появляется вновь. И так надо проделать несколько раз.

При подъемах и опусканиях бутылки, а точнее, в моменты ее ускоренного подъема и замедленного опускания, возникает сила инерции, которая направлена в ту же сторону, что и сила тяжести. А это значит, что частицы находящейся в бутылке воды в эти мгновения подвергаются воздействию не только силы тяжести, но еще и силы инерции, то есть испытывают перегрузку. В результате вес воды возрастает, соответственно увеличивается и гидростатическое давление в ней, превысив наружное атмосферное давление. Эта разница давлений и выталкивает воду наружу в виде упругой струи.

Тема: Акустика.

1. Свисток.

Чтобы смастерить один хороший свисток, надо заранее запастись пятью-шестью бутылками различного объема и формы. В крышках этих бутылок надо просверлить по одному отверстию, причем отверстия эти должны различаться своими диаметрами. Их величина должна находиться в пределах 4-10 миллиметров. У бутылок же надо отрезать их донную часть. Еще понадобится высокая банка с водой. В качестве такой банки удобно использовать двухлитровую цилиндрическую бутылку, срезав ее верхнюю, суживающуюся к горлышку, часть. Затем остается лишь настроить этот простейший «музыкальный инструмент».

Держа бутылку за горлышко, надо плавно погрузить ее в воду. При правильно подобранных условиях опыта (форма и размеры бутылки, диаметр отверстия и скорость погружения) возникает звук, похожий на свист. Если же бутылка не звучит или же звучит негромко, то надо либо сменить на ней крышку, либо к данной крышке подобрать другую бутылку. Пробуя таким образом различные сочетания бутылок и крышек, можно подобрать такую их комбинацию, чтобы издаваемый звук был «чистым» и достаточно хорошо слышен. Более того, можно добиться, чтобы бутылка звучала не только при погружении, но и при подъеме. При изготовлении музыкальных бутылок следует обратить внимание на то, что характер их звучания зависит еще и от конструкции крышек. На внутренней стороне некоторых крышек имеется мягкая прокладка, обеспечивающая герметичность укупорки, а на других вместо прокладки сделан выступающий ободок.

Почему же бутылка звучит? Дело в том, что при погружении бутылки в воду воздух из нее вытесняется наружу, а при подъеме, наоборот, воздух устремляется внутрь, причем эти воздушные потоки имеют наибольшую при прохождении через отверстие в крышке. За крышкой же скорость воздушной струи резко падает, что сопровождается образованием в этой области регулярно расположенных микротурбулентностей, то есть небольших периодических завихрений воздуха. Эти периодически возникающие в воздухе неоднородности и являются источником звуковых колебаний. Затем эти колебания усиливаются полостью бутылки, выполняющей функцию резонатора.

2. Поющая бутылка.

В предыдущем опыте бутылка служила инструментом для воспроизведения свистящего звука. Мелодичные звуки можно извлечь и ударяя по стенке бутылки, туго накачанной воздухом. Представленный здесь опыт также из серии акустических, причем техника его исполнения является, пожалуй, самой простой.

Горлышко открытой пустой бутылки надо приставить к нижней губе и слегка подуть над ним. При этом должен возникнуть гудящий утробный звук — бутылка «запоет». Тональность извлекаемого звука определяется в основном размерами бутылки. Звучание зависит и от ее формы, правда, в значительно меньшей степени. Почему же бутылка звучит при обдувании ее горлышка?

Воздушная струя сначала движется более или менее упорядоченно, почти ламинарно. После соударения струи с краем бутылочного горлышка в ней возникают периодические завихрения с локальными перепадами давления. Эта регулярная неоднородность в воздухе и является источником звука.

Возникшие у горлышка колебания затем распространяются вглубь бутылки в виде звуковых волн различной длины. Они являются первичными волнами, которые после многократных внутренних отражений от стенок порождают множество вторичных волн. Некоторые из этих вторичных волн, складываясь друг с другом, способны образовывать так называемую стоячую волну, мощную, и потому хорошо слышимую. Складываться же так могут лишь те волны, длина которых соответствует размерам бутылки. Поэтому и тональность звука из бутылки определяется ее размерами.

Такой процесс выборочного усиления колебаний называется резонансным усилением, а полое тело, в котором это происходит резонатором. Физические явления, определяющие «пение» бутылки, в полной мере проявляются в игре музыкальных духовых инструментов. Поскольку высота звучания оркестровых труб определяется размерами их резонатора, то для извлечения низких нот нужно, чтобы резонатор был весьма большим. Поэтому-то духовые инструменты среднего и нижнего регистров: тенора, баритоны, басы - представляют собой многометровую металлическую трубу, свернутую для удобства в компактную спираль.

Эффект поющей бутылки в старину использовали для озвучивания жилищ. Для этого в стены строящегося дома закладывали разные узкогорлые сосуды (горшки, банки, бутылки) так, чтобы их горлышки располагались заподлицо с наружной поверхностью стены. И стоило подуть ветру, как дом «оживал», наполняясь необычными протяжными звуками, причем со сменой направления ветра или при изменении его скорости изменялся и характер звучания. Подобным образом можно озвучить и дощатый садовый домик. Устанавливать же сосуды в стенах следует близ углов домика, поскольку там он обдувается сильнее.

3. Звенящая бутылка.

Опыт демонстрирует изменение характеристик звуковых колебаний в воздухе при изменении его плотности. Для его проведения нужны две идентичные бутылки емкостью по 1,5-2 литра, палочка (карандаш), а также насос Комовского.

Сначала демонстрируют одинаковость звуков, извлекаемых из обеих бутылок, при одинаковых условиях их получения. Для этого обе бутылки, держа за горлышки, берут в одну руку. Постучав палочкой по стенкам обеих бутылок, демонстрируют идентичность извлекаемых при этом из них звуков.

Затем бутылку со встроенным в крышке клапаном соединяют со шлангом насоса и закачивают в нее воздух. Эффект получается тем заметнее, чем большее давление создано в бутылке. Если постучать по обеим бутылкам, то разница в их звучаниях будет явной, причем звук от накачанной бутылки станет звонким, громким и продолжительным, как от барабана, а от контрольной, ненакачанной бутылки, по- прежнему «глухим».

   Для объяснения явления сначала рассмотрим причины происхождения звука. При нанесении удара по бутылке ее стенка деформируется, и в ней возникает сила упругой деформации, возвращающая деформированный участок в исходное положение, При этом стенка совершает несколько быстрых колебаний, которые передаются прилегающим к ней частицам воздуха, а точнее, молекулам азота, кислорода и прочих газов, входящих в его состав. Распространение этих колебаний от места их возникновения и означает образование звуковых волн.

Часть этих волн, испытав многократные отражения от стенок и складываясь (интерферируя) друг с другом, резонансно усиливается. Поэтому бутылка выполняет еще и роль звукового резонатора. Свойства такого резонатора определяются многими факторами: объемом и формой бутылки, материалом и упругостью ее стенок, составом, давлением и температурой газовой смеси в ней.

Закачав в бутылку воздух дополнительно к имевшемуся там ранее, то есть, создав в ней избыточное давление, мы изменили некоторые параметры резонатора. А именно, увеличив концентрацию (густоту) частиц воздуха в бутылке, мы сделали его более упругим, создав же механические напряжения в ее стенках, мы также повысили их упругость. В результате изменились условия возникновения, распространения, отражения и резонанса звуковых волн в бутылке. В звуке появились более высокие (более энергичные) частоты, придающие ему звонкий, мелодичный характер, увеличилась его громкость, возросла продолжительность звучания.

В акустических терминах это означает, что, во-первых, увеличилась энергия, доносимая звуковыми колебаниями до слушателей, во-вторых, возросла добротность бутылки, как резонатора. А это произошло благодаря внутренней энергии сжатого воздуха и энергии напряженных стенок бутылки. В конечном же счете источником энергии для акустических метаморфоз с бутылкой явилась работа, совершенная экспериментатором при закачке в нее воздуха.

4. Резонанс.

Понаблюдайте за тоненькой струйкой воды, вытекающей из отверстия в пластиковой бутылке. Струйка имеет два участка – верхний, прозрачный, и нижний, мутный. Непрозрачность второго участка связана с тем, что сплошная струя разбивается на капельки, рассеивающие свет.

Подставьте под верхнюю часть струи крышку от бутылки – вы ничего не услышите, а если подставите под нижнюю, услышите звук, напоминающий шум дождя. Источником звука являются те самые капельки воды, ударяющиеся о крышку. Изготовьте несколько резонаторов разного размера из цилиндрических частей пластиковых бутылок. Подставляя по очереди их под струю воды, вы услышите разные звуки.

5. Телефон.

Простейшим телефоном являются две пластиковые коробочки, соединенные нитью. Однако можно эту конструкцию усовершенствовать.

Возьмите сообщающийся сосуд и длинный шланг. Преимущество этого телефона в том, что шланг не обязательно должен быть натянут.

Тема: Сила Архимеда.

1. Уровень.

Этот прибор предназначен для определения горизонтальности плоских поверхностей. Им пользуются строители при закладке фундаментов, геодезисты - при картографических съемках, ювелиры и провизоры - при настройке чувствительных весов.

Принцип действия уровня основан на проявлении силы Архимеда, выталкивающей пузырек воздуха из жидкости вверх. Изготовить уровень очень просто. Для этого нужна бутылка с гладкими цилиндрическими стенками. В бутылку доверху наливают воду, плотно завинчивают на ней крышку - и уровень готов. В бутылке должен остаться маленький пузырек воздуха, который будет служить индикатором.

 Чтобы проверить горизонтальность, например, поверхности стола, надо положить на него эту бутылку и посмотреть на расположение воздушного пузырька в ней. Если он находится близ горлышка бутылки, то значит, край столешницы со стороны горлышка расположен выше. Если же пузырек при любой ориентации лежащей на столе бутылки неизменно располагается в ее середине, то значит, что поверхность стола горизонтальна.

2. Закон Архимеда для сыпучих веществ.

Поместите в бутылку несколько шариков или крупных бусин. Сверху засыпьте их толстым слоем гороха или крупы (рис. а). При легком встряхивании бутылки вы обнаружите, что шарики появились на поверхности, как бы всплыли из крупы (рис. б).

 В данном опыте сыпучее вещество выступает в роли жидкости. Отдельные крупинки под действием веса вышележащих слоев подталкивают шарики вверх. Сила давления крупы снизу вверх больше силы давления крупы сверху вниз. Из-за неравенства этих сил шарики «всплывают». 

3. Плавающая свеча.

Плотность воска меньше плотности воды. Чтобы свеча плавала как поплавок в воде, а верхний конец с фитилем чуть выступал над водой, необходимо прикрепить снизу к свечке кусочек пластилина. Подожгите свечу, плавающую в сосуде с водой (рис.). Она будет гореть почти до конца!

4. «Коктейль» из жидкостей.

Тело, которое тонет в одной жидкости, может плавать в другой. Например, в пресной воде тонет сырое яйцо, картофель. Однако стоит воду подсолить, т.е. увеличить ее плотность, яйцо, картофель всплывут.

Возьмите прозрачную пластиковую бутылку с отрезанным верхом. Налейте в нее воду, подсолнечное масло и машинное масло. Машинное масло имеет среди этих жидкостей наименьшую плотность и сочный вишневый цвет. Подберите тела, которые плавают в этих жидкостях (рис.). Получится красочная картина!

Тема: Оптические явления.

1. Фокус бутылки (Цилиндрическая линза).

Сразу же предупредим читателя, заинтригованного названием этого опыта, что он не найдет здесь описания занимательного трюка из числа тех, которые фокусники показывают с эстрады или на арене цирка. Речь здесь пойдет о фокусе оптической конструкции, изготовленной, как вы, наверное, уже догадались, из тех же пластиковых бутылок.

Для опыта нужна бесцветная полутора или двухлитровая бутылка с гладкой цилиндрической боковой поверхностью. Если бутылку наполнить чистой прозрачной водой, а лучше дистиллированной, то ее срединная часть будет являть собой толстую цилиндрическую линзу. Для демонстрации оптических свойств такой линзы нужна свеча длиной около 10 сантиметров; при такой длине язычок ее пламени будет располагаться в центральной части линзы. В опыте наблюдают вид изображения свечи в зависимости от расстояния между ней и бутылкой. Наблюдения следует проводить в темноте.

Бутылку с водой ставят на стол, а вплотную к ней – зажженную свечу. При рассматривании этой свечи сквозь бутылку с любого расстояния отчетливо просматриваются три ее изображения: одно центральное и два боковых. Если изображение, расположенное в середине, почти не искажено, то боковые - выглядят сплюснутыми по горизонтали и сливаются с краями бутылки (рис.а).

Центральное изображение получается подобно тому, как если бы на свечу смотрели сквозь прямоугольный аквариум или прозрачную плоскопараллельную пластину. Появление же боковых изображений объясняется внутренним отражением световых лучей от правого и левого боков бутылки (рис. б).

Если свечу плавно отодвигать от бутылки вдоль линии наблюдения, то можно найти такое положение, при котором ее изображение сильно исказится, размазавшись по всему промежутку между правым и левым краями. Для полуторалитровой бутылки расстояние между ее задней стенкой и фитилем свечи при этом равно 4 сантиметрам.

Отсутствие изображения в этом случае объясняется тем, что формирующие его световые лучи после прохождения сквозь толщу воды далее распространяются параллельным пучком, не пересекаясь друг с другом. Такая ситуация характерна для случая, когда источник света располагается в фокальной плоскости оптической системы.

Определив местоположение фокуса бутылки, можно вычислить ее фокусное расстояние. Оно приблизительно равно расстоянию от продольной оси бутылки до фитиля свечи. Учитывая толщину бутылки, у полуторалитровой она обычно равна 8 сантиметрам, и расстояние от нее до свечи, легко определить фокусное расстояние f, которое оказывается равным 0,08 метра. Отсюда можно определить и оптическую силу бутылки, которая исчисляется как величина, обратная ее фокусному расстоянию. В данном случае оптическая сила D бутылки с водой, исчисленная в диоптриях, составляет величину: D= 1\f = 1\0.08 = 12.5

Если же вместо воды в бутылку налить отфильтрованный раствор поваренной соли или сахара, или же иную жидкость, например, бензин, спирт, глицерин, то оптическая сила бутылки с ее содержимым будет уже иной.

Положение фокуса бутылки можно определить и другим способом. Надо расположить бутылку вдали (не менее З метров) от какого-нибудь источника света. Днем это может быть светлое окно, а вечером - потолочный светильник. Свет от источника, пройдя сквозь бутылку, собирается за ней в виде светлой полоски. Расположив там лист белой бумаги и, отодвигая или приближая его к бутылке, определяют положение, при котором световая полоска выглядит наиболее узкой и яркой. Положение листа при этом соответствует положению фокальной плоскости бутылки. Тогда фокусное расстояние будет равно расстоянию от листа до оси бутылки.

Поскольку источник света в этом варианте опыта расположен вдалеке, то световые лучи от них падают на бутылку почти параллельно. После того, как эти лучи пройдут сквозь бутылку, они собираются в ее фокальной плоскости. Их ход в этом случае противоположен тому, что изображен на рисунке.

Плавно отодвигая свечу от бутылки, можно наблюдать постепенную трансформацию ее изображения от значительно уширенного по горизонтали  до сильно сплюснутого по бокам.

Можно показать, что наблюдаемое изображение является обратным. Для этого вплотную к пламени подносят какой-нибудь светлый предмет, например, кусочек алюминиевой фольги. Если предмет поднесен справа от наблюдателя, то его изображение наблюдается слева и, наоборот, - при левом расположении предмета его изображение будет расположено справа.

2. Полное внутреннее отражение.

Для наблюдения полного внутреннего отражения вам понадобится пятилитровая пластиковая бутылка с отрезанной верхней частью, наполненная водой.

  Опустите в нее под углом пластиковую бутылку объемом 0.5 литра с карандашом внутри. Вы увидите, что бутылка стала серебристой, как зеркало, а карандаш в той части бутылки, которая оказалась в воде, стал невидимым. Налейте в бутылку немного воды и повторите опыт. Часть бутылки, в которой вода, стала видимой вместе с карандашом, остальная часть осталась блестящей.

 Полное внутреннее отражение можно наблюдать, используя коническую часть  пластиковой бутылки. Герметично закрутив на ней крышку, опустите конус в воду – он станет серебристым. Если предварительно положить на поверхность воды, под конус, еще одну крышку, то после его погружения в воду крышка станет невидимой. 

Тема: Тепловые явления.

1.       Теплопроводность.

Сделайте из пластиковой бутылки стакан. Наполните его водой и поставьте над пламенем. Он только закоптится, но не расплавится. Проведите аналогичный опыт с пустым стаканом и сравните результат.

2.       Конвекция.

  Из половины бутылки легко сделать вертушку, которая вращается в потоках поднимающегося теплового воздуха.  

Тема: Электрические явления.

1.       Электрическая струя.

При проведении электростатических опытов в качестве электризуемых объектов обычно используют твердые предметы. Представленный же здесь опыт призван показать, что жидкости также подвержены электростатическим взаимодействиям.

Сначала демонстрируют тонкую водяную струйку, вытекающую горизонтально из отверстия в боку бутылки. Отверстие это должно быть диаметром около двух миллиметров. Учащиеся видят, что струя по мере удаления от бутылки плавно изгибается под действием силы тяжести и падает по дуге вниз.

Пока струя течет, экспериментатор электризует стеклянную (или любую другую хорошо электризуемую пластмассовую) палочку, натирая ее о кусок сукна. При поднесении наэлектризованной палочки сверху к струе на расстоянии 3-5 сантиметров, траектория последней резко искривляется в этом месте кверху, а сама струя распадается на брызги (рис.). Этот момент всегда вызывает оживление у наблюдателей, поскольку выглядит как «желание» струи окропить палочку.

Это явление объясняется следующим образом. Электростатическое поле в окрестности положительно заряженной стеклянной палочки индуцирует в текущем поблизости от нее участке струи отрицательные заряды (свободные анионы растворенных в воде солей и связанные в молекулах воды ионы кислорода). То есть участок струи, текущий вблизи положительно заряженной палочки, под действием поля ее зарядов заряжается отрицательно. Силой Кулоновского взаимодействия разноименно заряженные палочка и струя затем притягиваются друг к другу.

2.       Электроскоп.

  Отрежьте верхнюю часть пластиковой бутылки. Оберните бутылку изнутри  пищевой фольгой, а снаружи закрепите на ней, например, с помощью резинки, полоски тонкой бумаги. Если поместить внутрь наэлектризованную палочку, то полоски бумаги поднимаются.

3.       Ванна для электролиза.

  Отрежьте от пластиковой бутылки нижнюю часть. Возьмите графитовые стержни от элементов питания. Проделайте отверстия для них в донышке бутылки и для герметичности закрепите их пластилином. У вас получилась ванна для электролиза. 

Тема: Превращение энергии из одного вида в другой.

1. Водяная мельница

Описанное здесь устройство предназначено для демонстрации превращения потенциальной энергии поднятой воды в кинетическую энергию вращательного движения колеса, а названо оно так потому, что является работающей моделью водяной мельницы.

Основным элементом мельницы является водяное колесо, которое делают из двух бутылочных крышек. В центре каждой крышки просверливают по одному отверстию, в которые вставляют колесную ось - использованный стержень от шариковой ручки. Крышки при этом должны прилегать друг к другу своими нижними частями.

Рабочие лопатки водяного колеса делают из ободка от крышки, остающегося обычно на горлышке бутылки после ее откупоривания. Для нашей модели потребуется шесть таких разноцветных ободков. Ободки эти надо снять с бутылок, вывернуть наизнанку и надеть вплотную друг к другу на колесо. Имеющиеся у ободков отростки при этом должны быть ориентированы наружу и в одном направлении. Отростки эти являются лопатками колеса, призванными воспринимать импульс от падающей на них водяной струи.

Колесо устанавливают внутри бутылки. Для этого на противоположных сторонах ее боковой стенки делают по отверстию, в которые может свободно проходить колесная ось. Для фиксации положения колеса на концы оси надо надеть по втулке, которые можно сделать из более толстого стержня от шариковой ручки. Кроме того, у этой бутылки отрезают верхнюю, суживающуюся часть, а в ее дне делают круглое отверстие с тем, чтобы в него можно было вставить горлышко другой бутылки, служащей подставкой.

Над колесом водружают еще одну бутылку — резервуар с водой. Для формирования струи, вращающей колесо, в крышке резервуара должно быть сделано отверстие в виде щели размером 1*10 миллиметров, а в его донной части резервуара — отверстие, обеспечивающее доступ воздуха на место вытекшей воды. Чтобы вращение колеса было заметнее, на его ось крепят кружок, например, крышку от пластикового стаканчика.

Тема: Двигатели внутреннего сгорания.

Этот опыт может служить иллюстрацией работы двигателя внутреннего сгорания, где можно наглядно продемонстрировать процессы карбюрации и впрыскивания в цилиндр горючей смеси, ее детонации и совершения работы по перемещению поршня расширяющимся газом – продуктом сгорания топлива.

В качестве горючего вещества используется этиловый спирт. Если опыт проводится вне помещения, то вместо спирта можно использовать бензин с октановым числом не ниже 93. Поскольку в опыте производится сгорание паров горючего, то проводить его надо с соблюдением правил пожарной безопасности.

Сначала надо сделать устройство для приготовления горючей газовой смеси. Для этого в верхней части стенки использованного флакона от туалетной воды со встроенным пульверизатором надо проточить наждаком небольшое отверстие для заливки в него топлива. Флакон будет являть собой модель топливного бака, а пульверизатор – модель карбюратора.

Для заправки бака предварительно набирают в шприц горючее, которое затем через это отверстие переливают внутрь. Чтобы горючее при длительном хранении не улетучивалось, отверстие заклеивают пластырем.

У цилиндрической бутылки емкостью 1.5 литра срезают верхнюю суживающуюся часть. В боку бутылки близ ее дна разогретым на пламени шилом проплавляют отверстие диаметром 5-6 миллиметров.

Получившийся сосуд является цилиндром, в котором будет сжигаться топливо. В качестве поршня удобно использовать также пластиковую тару, в которую фасуют некоторые молочные продукты. Она должна быть в форме широкого конического стакана, плотно вставляющегося в срез бутылки.

Держа цилиндр в одной руке в горизонтальном положении, второй рукой впрыскивают в него аэрозоли горючего вещества. Поскольку при первом-втором нажатиях на пульверизатор из него может брызнуть струйка, а не мелкодисперсные аэрозоли, то эту струйку следует направить куда-нибудь в сторону. В цилиндр же достаточно произвести три-пять последующих впрыска. Их количество следует подобрать экспериментально.

При недостатке топлива эффект выражен не ярко, а при избытке оно оседает на стенках цилиндра, в результате чего последний может загореться в ходе опыта. После впрыскивания топлива цилиндр сразу же закрывают поршнем и устанавливают на стол.

Для демонстрации высвобождения внутренней энергии горючей смеси, находящейся в цилиндре, ее надо воспламенить. Для этого горящую спичку просовывают в боковое отверстие цилиндра. Пары горючего воспламеняются от нее и быстро сгорают голубовато-желтым пламенем. Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, с хлопком выбрасывают поршень вверх, совершая тем самым механическую работу по его перемещению.

В другом варианте опыта можно достичь значительно большей скорости поршня и соответственно переместить его на большее расстояние. Для этого нужна бутылка емкостью 1-1.25 литра (с другими бутылками опыт получается несколько хуже). Так же, как и в предыдущем варианте, в бутылке делают отверстие для поджига топлива. Поршнем же будет служить половинка контейнера от «киндер-сюрприза», внутрь которого для его утяжеления прилеплен кусочек пластилина.

В бутылку впрыскивают аэрозоли горючего через ее горлышко, которое затем накрывают поршнем. При поджиге газовой смеси поршень буквально выстреливается и движется вверх со скоростью, значительно большей, чем в предыдущем варианте опыта.   

Тема: Поверхностное натяжение.

1. Водяная «косичка».

Сделайте в пластиковой бутылке ближе к донышку три маленьких отверстия на расстоянии 5 мм друг от друга. Наполните бутылку водой.

Из отверстий польется вода тремя струйками. Вращательным движением пальцев руки (как будто запускаете волчок) приведите струи в соприкосновение. Они сольются в одну большую струю, по виду напоминающую «косичку». Жидкость принимает форму, при которой площадь ее поверхности минимальна, следовательно, минимальна ее поверхностная энергия.

Тема: Реактивное движение.

1.       Сегнерово колесо.

Сделайте из пластиковой бутылки ведерко с веревочной ручкой. В нижней части симметрично проделайте 2 или 4 отверстия, в которые вставьте трубочки для коктейля и согните их в виде буквы «Г» в одном направлении.

Наполните ведерко водой и держите за ручку – получится сегнерово колесо: вода будет вытекать из лопастей, заставляя вращаться ведерко.

2.       Ракета.

1 вариант: Энергию, выделяющуюся при сгорании заключенной в цилиндре горючей смеси, можно использовать  для перемещения самого цилиндра. На этом принципе основана работа ракетного двигателя, относящегося к двигателям наружного сгорания.

В центре дна бутылки емкостью 1-1.25 литра делают отверстие диаметром приблизительно в 1 сантиметр, которое будет служить соплом. Через горлышко в бутылку впрыскивают аэрозоли горючего вещества. Оптимальное количество впрысков определяется экспериментально и зависит от объема бутылки, качества топлива и производительности пульверизатора. На горлышко навинчивают крышку, и ракета готова стартовать.

Ракету кладут на ладонь и, ориентируя ее под углом к горизонту, задают предполагаемую траекторию полета. Второй рукой к соплу ракеты подносят горящую зажигалку или свечу, от чего находящаяся в бутылке горючая смесь воспламеняется.

Образующиеся при этом газообразные продукты сгорания выбрасываются через сопло наружу. В силу закона сохранения импульса бутылка двигается в противоположном направлении. В результате она быстро взлетает с ладони, слегка обдав ее теплой газовой струей. При удачном запуске такая ракета может удалиться от места старта на расстояние 20-30 метров. Продолжительность активного участка траектории ракеты, то есть времени полета с работающим двигателем, примерно одна секунда.  

2 вариант: Закройте пластиковую бутылку резиновой пробкой с отверстием, в которое плотно входит трубочка. Соедините бутылку с насосом, и начните накачивать воздухом. При достижении некоторого давления пробка вылетит, а бутылка устремится в противоположную сторону.

Еще большего эффекта можно достичь, если наполовину заполнить бутылку водой. Этот эксперимент следует проводить только на открытом воздухе. Будьте осторожны, иначе окажетесь под струей! Оформите бутылку в виде ракеты. Она может пролететь метров 100!

Тема: Ламинарные и турбулентные потоки.

1. Кривой ветер.

На стол ставится бутылка, заполненная чем-нибудь для устойчивости. Вплотную к бутылке со стороны наблюдателей экспериментатор ставит зажженную свечу и объявляет, что сможет потушить эту свечу, подув на нее сквозь бутылку. Это утверждение вызывает у неосведомленных зрителей скепсис, поскольку им кажется, что широкая и высокая бутылка достаточно надежно укрывает своим телом маленький язычок пламени. Бутылку предпочтительно заполнить песком, чтобы усилить иллюзию надежности преграды. С расстояния 30-50 сантиметров экспериментатор дует на бутылку, не обязательно сильно, но резко, и пламя моментально гаснет.

Объяснение этого необычного способа тушения свечи таково. Создаваемый дуновением воздушный поток после встречи с бутылкой разбивается надвое, обтекая ее с обеих сторон. Так как у округлой бутылки лобовое сопротивление незначительно, то обтекающие ее воздушные потоки движутся почти ламинарно и с возросшей скоростью.

Обогнув бутылку, потоки сталкиваются, образуя в месте столкновения зону интенсивной турбулентности в виде беспорядочных вихрей, со свойственными им резкими перепадами скоростей и давления. Эти вихри и сбивают пламя свечи.

Критически настроенному наблюдателю приведенное объяснение может показаться не вполне очевидным, поскольку при проведении опыта он не видит воочию ни ламинарные, ни турбулентные потоки. Однако подобные сомнения можно легко развеять, если вслед за этим опытом провести другой, заменив хорошо обтекаемую бутылку на преграду с большим лобовым сопротивлением.

Для этого из картона надо вырезать фигуру, контур которой имеет форму и размеры используемой в опыте бутылки.

    Экспериментатор берет в одну руку горящую свечу, а другой рукой заслоняет ее от себя этой картонкой. Свеча при этом, как и в случае с реальной бутылкой, должна располагаться также вплотную к картонке. Однако попытки загасить пламя свечи, дуя в ее сторону с прежнего расстояния и с той же силой, на этот раз оказываются безуспешными.

В этом случае эффект объясняется тем, что воздушный поток от экспериментатора, встретив плоскую преграду, уже не обтекает ее, как прежде, ламинарно, а разбивается, образуя перед этой преградой множество беспорядочных завихрений. При этом в зоне размещения свечи наблюдается относительное затишье. Таким образом, если в опыте с настоящей бутылкой «опасная» для горящей свечи область турбулентности приходилась на место ее расположения, то в опыте с «бутылкой» картонной свеча оказалась надежно защищенной от гасящих ее вихрей.

2. Негаснущая свеча.

В предыдущем опыте с задуванием свечи значительная доля энергии воздушной струи шла на образование вихрей. Это обстоятельство позволяет поставить опыт, где можно предложить кому-нибудь из зрителей задуть свечу при отсутствии препятствия между ним и язычком пламени, наперед зная, что все его попытки окажутся безуспешными.

Для демонстрации нужны две одинаковые, высокие бутылки с гладкими цилиндрическими боками. Чтобы бутылки стояли устойчиво, следует заполнить их водой или песком. Для убедительности опыта можно предложить кому-нибудь из числа наблюдателей поучаствовать в нем в качестве экспериментатора.

Вызвавшийся на эту роль сначала должен показать, что он может легко задуть свечу, подув на нее с расстояния около полуметра. Затем в середине промежутка между ним и свечой располагают бутылки так, чтобы между ними образовался вертикальный зазор шириной 7-10 миллиметров. Затем свечу снова зажигают и предлагают потушить, дуя в ее сторону с прежнего места. Хотя свеча при этом просматривается в зазоре между бутылками, но все попытки загасить ее прежним способом оказываются безуспешными.

Объяснить это можно так. Кинетическая энергия движущегося в сторону бутылок воздушного потока после их обтекания расходуется на образование с подветренной стороны вихрей, которые постепенно рассеиваются с удалением от места их образования. А поскольку свеча от этого места расположена достаточно далеко, то до нее доходят только ослабленные остатки этих вихрей, способные лишь беспорядочно колебать ее пламя.

Сомневающийся наблюдатель может возразить, что пламя не удается погасить потому, что большая часть направленного в его сторону воздушного потока попросту не проходит в зазоре между бутылками из-за его малой пропускной способности.

Чтобы показать, что это не так, на свечу надо подуть через узкую трубку, расположив ее выходной конец в зазоре. Хотя сечение воздушного потока в этом случае ограничено еще больше, но, тем не менее, пламя легко сбивается. Трубку же можно взять из описанного выше сосуда Мариотта.

Тема: Закон Бернулли. Гидро- и аэродинамика.

1. Выдуть шарик из воронки.

Воронку в этом опыте может заменить коническое горлышко пластиковой бутылки, а легкий пластмассовый шарик – небольшой бумажный колпачок.

Вставьте колпачок конической частью в воронку и попробуйте выдуть. Колпачок (или шарик) будет только вращаться, но выдуть его вам не удастся (рис.).

По закону Бернулли давление в струе воздуха меньше атмосферного, поэтому колпачок (шарик) прижимается к воронке.

2. Водоворот.

Возьмите две пластиковые бутылки с крышками и футляр от фотопленки. Отрежьте донышко от футляра. В крышках проделайте отверстия диаметром около 15 мм. Одну бутылку на одну треть заполните водой. Закройте бутылки крышками и соедините их с помощью футляра от фотопленки. Поставьте бутылки вертикально так, чтобы бутылка с водой оказалась сверху. Вода будет вытекать, образуя водоворот (рис.). Картина будет зрелищной, если воду подкрасить пищевым красителем и взять двухлитровые бутылки. Если водоворот не получается сразу, крутаните верхнюю бутылку.

Поместите в бутылку половину спички и понаблюдайте за ее поведением в водовороте. Давление воды в потоке меньше, чем в стоячей воде (закон Бернулли), поэтому все плавающие на поверхности предметы засасываются в воронку. Можно провести аналогию с человеком, оказавшимся рядом с водоворотом. Спастись в такой ситуации можно, только поднырнув под воронку и отплыв от нее по дну как можно дальше.

Поэкспериментируйте, меняя диаметр отверстия, уровень воды, размер бутылок и форму их верхней части.

3. Игра «Загони пробку в бутылку».

Вложите пробку в горлышко горизонтально лежащей бутылки. Пробка должна входить свободно, с небольшим зазором (рис.).

Подуйте на пробку. Она вылетит из бутылки, с какой бы силой вы не дули. Во время дуновения некоторое количество воздуха попадает в бутылку, воздух в бутылке сжимается и выталкивает пробку из горлышка.

4. Задуть свечу с помощью воронки.

Воронку сделайте из конуса пластиковой бутылки. Если дуть на пламя свечи через воронку, то пламя свечи будет отклоняться в сторону воронки!

 По закону Бернулли давление в потоке воздуха ниже, чем атмосферное. Поэтому пламя втягивается в воронку, но не гаснет. Чтобы загасить свечу, ее устанавливают не против воронки, а по образующей конуса (рис.).

5. Гидравлический удар.

Возьмите пластиковую бутылку, доверху наполненную водой. Уроните ее с небольшой высоты на жесткую поверхность стола. Вверх вытиснется тоненькая струйка воды, причем высота этой струйки будет существенно больше той, с которой упала бутылка. Подобное явление называется кумуляцией (от лат. cumulatio – скопление).

При ударе о стол наблюдается явление гидравлического удара. Дно бутылки останавливает вертикальное движение воды. До удара поверхность воды была вогнутой, наблюдался мениск, сила тяжести и сила поверхностного натяжения уравновешивали друг друга. При свободном падении сила тяжести уже не уравновешивает силу поверхностного натяжения, и жидкость начинает растекаться, кривизна мениска увеличивается. В момент удара о стол к силе тяжести добавляется инерция движения жидкости, и силы поверхностного натяжения не могут помешать стремительному выпрямлению поверхности. В результате возникшего течения жидкость движется от краев мениска к нижней его части на оси симметрии бутылки, и как следствие вверх устремляется тоненькая струйка воды.

Струйка жидкости поднимается на гораздо большую высоту, потому что при движении жидкости значительная часть энергии всей массы передается очень малой ее части, и по закону сохранения энергии тоненькая струйка приобретает большую скорость. Чем больше бутылка по объему, тем на большую высоту поднимается жидкость.    

Задание: «Предложите эффективные способы извлечения воды из бутылки, сохранив ее целой».

Как быстро опорожнить бутылку?

Содержание этого опыта понятно из названия, а проводить его лучше совместно с учениками. Но сначала перед ними ставится проблема: Как быстрее всего опорожнить заполненную водой бутылку? При этом допускается использование оборудования кабинета физики и подручных средств. После того, как от учеников поступят советы надо предложить двум-трем наиболее активным ребятам реализовать на практике свои предложения.

Поскольку в ходе эксперимента будут неоднократные попытки добиться рекордно короткого времени, то следует заранее приготовить несколько идентичных бутылок, ведро с водой, воронку и ковш. Вода в бутылке должна занимать около 90% ее объема. Еще нужен секундомер для объективного контроля времени.

1- простым и очевидным решением этой задачи является опрокидывание бутылки, в результате чего вода самопроизвольно вытекает из нее под действием силы тяжести. Однако этот способ малоэффективен, поскольку струя при этом вытекает неравномерно, порой полностью прерываясь, чтобы пропустить в бутылку воздух. То есть неупорядоченные встречные потоки воды и воздуха, мешают друг другу, замедляя опорожнение бутылки. Таким способом волу из нее можно извлечь за 18-20 секунд.

Процесс можно ускорить, если бутылку, после ее опрокидывания, резко дернуть вверх. Можно сделать подряд несколько подобных рывков. Время опорожнения при таком способе значительно сокращается и при некотором навыке бутылку можно освободить уже за 9-ю секунд.

Как же объяснить это? Вода, как и все физические тела, обладает инерцией, то есть способностью сохранять свое положение в пространстве. Когда экспериментатор рывком перемещает бутылку вверх, находящаяся в ней вода стремится остаться на прежнем месте. Это стремление иначе называют проявлением силы инерции. Если же учесть, что наряду с силой инерции, как и ранее, действует сила тяжести, то эффект быстрого опорожнения становится понятным.

Еще одно решение данной задачи связано с созданием в бутылке избыточного давления. Для этого нужно лишь бутылку сдавить после ее опрокидывания. В результате гидростатическое давление в ней возрастает, что вызывает увеличение скорости вытекающей из нее воды. Если же одновременно со сдавливанием бутылки еще и встряхивать ее, то время опорожнения можно уменьшить до 7-8 секунд. Отметим, что среди учеников всегда найдется такой, кто в «развитие» этого способа предложит прыгнуть на лежащую бутылку. Однако этот способ, во-первых, не обеспечивает полное опорожнение бутылки, во-вторых, его вряд ли можно признать корректным, поскольку бутылка после этого становится негодной.

Для развития технического мышления учащихся стоит предложить им придумать разнообразные способы решения этой задачи, которую можно сформулировать, например, так: «Предложите эффективные способы извлечения воды из бутылки, сохранив ее целой. Предполагается, что в своем распоряжении вы имеете разнообразные современные технические средства и оборудование. Под эффективностью подразумевается как быстрота опорожнения, так и простота, доступность и оригинальность способа».

При такой постановке задачи можно предложить достаточно много разнообразных способов ее решения. Приведем несколько способов опорожнения бутылки путем создания в ней повышенного давления. Например, в бутылку опускают конец шланга, другой конец которого соединен через кран с баллоном сжатого воздуха. После опрокидывания бутылки и одновременного открывания крана вода из бутылки вытолкнется давлением поступающего в нее через шланг воздуха. Можно еще упомянуть о возможности химического способа создания в бутылке повышенного давления. Если в бутылку с водой всыпать, к примеру, карбид кальция, закупорить бутылку, выждать некоторое время и, опрокинув, открыть крышку, то ее содержимое выплеснется наружу под давлением выделившегося ацетилена. Еще один экзотический вариант выдавливания воды из бутылки образующимся в ней газом теоретически можно осуществить с помощью жидкого азота. Поскольку эта жидкость кипит при температуре минус 195,8 градусов Цельсия, то она, будучи влитой в бутылку с водой, бурно испаряется. Затем бутылка должна быть закупорена, опрокинута и снова открыта. Испарившийся азот должен с силой вытолкнуть воду.

Описание двух последних способов не следует воспринимать как руководство к действию, ибо попытка воспроизвести их без соответствующих навыков и предосторожностей может окончиться крупными неприятностями. А упомянуты они здесь лишь для того, чтобы показать многообразие и нетривиальность способов решения одной экспериментальной задачи.

Вернемся, однако, к начальному условию задачи и приведем еще два, пожалуй, самых красивых решения. Первый из них заключается в том, что экспериментатор правой рукой берется за бутылку, а ладонью левой руки затыкает ее горлышко. Опрокинув бутылку, он интенсивно вращает ее вокруг вертикали с целью раскрутить воду.

После раскрутки он освобождает отверстие, и вода бурлящей струей выливается в течение 7-8 секунд. Лучше всего этот способ реализуется на полуторалитровой бутылке с вдавленным ободком. При таком способе опорожнения встречные потоки воды и воздуха становятся упорядоченными, и потому они не мешают друг другу продвигаться в своих направлениях. Эта упорядоченность обусловлена действием центробежной силы, прижимающей вращающуюся воду к стенкам бутылки. В результате область продольной оси бутылки оказывается свободной, и туда, на место уже вытекшей воды, устремляется наружный воздух.

Наконец, приведем еще один способ, основанный также на проявлении центробежной силы. Бутылку с водой берут за дно и быстро вращают на вытянутой руке в вертикальной плоскости. Хватает трех - четырех оборотов, чтобы полностью опорожнить ее, на что уходит около трех секунд при наличии навыка и решительности. Последняя нужна, поскольку по завершении опыта всё вокруг экспериментатора оказывается забрызганным водой.