ОПЫТЫ С НЕВЕСОМОСТЬЮ
Осуществленная идея
О возможности создать искусственный спутник Земли высказался еще триста лет назад великий физик Исаак Ньютон.
Он доказал, что если вокруг Земли запустить «физическое тело» с достаточно большой скоростью и если это будет происходить в безвоздушном пространстве, то оно никогда не упадет на Землю и будет кружиться вокруг нее.
Бросьте несколько раз камень, и вы увидите, что чем сильнее вы его бросили, то есть чем большую скорость вы ему сообщили, тем дальше он полетит. Падает же он на землю благодаря земному притяжению.
Но если камню придать первую космическую скорость, примерно 7,9 километра в секунду, и сделать это в безвоздушном пространстве, в космосе, чтобы и атмосфера не мешала движению камня, то он уже не упадет на Землю. Он все время будет вращаться вокруг Земли. Это вращение вокруг Земли, по сути дела, тоже падение, но только оно происходит на такой большой скорости, что хотя Земля и притягивает камень к себе, его скорость не позволяет ему упасть.
Сейчас наши искусственные спутники, запущенные с первой космической скоростью, летают в околоземном космическом пространстве. Они выполняют самые разнообразные метеорологические и другие научные наблюдения и сообщают результаты этих наблюдений на Землю. Кроме этого, на искусственных спутниках устанавливают специальную аппаратуру, которая помогает передавать на большие расстояния телевизионную и радиопередачи.
То, что здесь говорилось о движении спутников, конечно, относится и к движению космических кораблей и орбитальных станций, запущенных вокруг Земли. Размеры у них значительно крупнее, да и назначение несколько другое. И приспособлены они для полета людей, которые ведут такие наблюдения и ставят такие эксперименты, которые автоматам не под силу.
Все, что находится на космических кораблях, космических орбитальных станциях и искусственных спутниках Земли, испытывает состояние невесомости, то есть такое состояние, когда предметы не давят на опоры.
В этой главе вы познакомитесь с невесомостью. Но не на себе. Дома такой опыт поставить нельзя. Проделаем несколько опытов, которые дадут представление о том, как пропадает вес и как ведут себя некоторые тела, например жидкости, при невесомости. Сначала вы познакомитесь с явлением частичной потери веса, а затем будете наблюдать и полную невесомость.
Но прежде чем приступить к основным опытам, проделаем ряд вспомогательных экспериментов.
Поиск наименьшей поверхности
Поставим себе задачу отыскать среди геометрических фигур, имеющих одинаковый объем, такую, у которой самая маленькая поверхность. Пользуясь приведенными здесь простыми формулами, вы сможете легко подсчитать поверхности нескольких геометрических фигур.
Возьмите кусок пластилина или глины (глина должна быть достаточно размятой, без комков).
Вылепите сначала куб. Поскольку у куба все стороны равны, измерьте у него одно ребро. Затем подсчитайте величину его поверхности по формуле: S = 6 l2, где S — поверхность куба в квадратных сантиметрах, l — длина его ребра в сантиметрах.
Полученный результат запишите. Затем из того же куска пластилина или глины вылепите цилиндр. Объем его будет точно такой же, какой был у куба (количество материала то же самое, только изменилась форма). Подсчитайте, чему равна поверхность цилиндра. Конечно, в эту величину должна входить величина боковой поверхности и площади обоих оснований. Для подсчетов измерьте радиус основания цилиндра и его высоту: S = 6,28 r(h + r), где S — поверхность цилиндра, выраженная в квадратных сантиметрах; r — радиус основания в сантиметрах; h — высота цилиндра в сантиметрах.
Запишите размер поверхности цилиндра и вылепите из того же самого куска пластилина или глины конус. Измерьте его образующую (длину его стороны) и радиус основания.
Поверхность конуса вы подсчитаете по формуле: S = 3,14 r(l + r), где r — радиус основания конуса; l — образующая конуса.
Записав результат, превратите конус в шар. Раскатав его в ладонях, можно добиться, что он будет совсем круглый.
Измерьте диаметр шара с помощью спицы или прямого кусочка толстой проволоки. Спицей или проволокой проткните шар так, чтобы она прошла через центр шара. Размер диаметра в сантиметрах разделите пополам, получите радиус шара.
Произведя вычисления по формуле S = 12,56r2, получите поверхность шара.
Когда вы сравните полученный результат с предыдущими, вы увидите, что наименьшей поверхностью из всех вылепленных из одного и того же куска пластилина или глины фигур обладает шар.
Конечно, при изготовлении геометрических фигур нужно проявлять максимальную аккуратность, чтобы фигуры получались правильные.
Пленка-невидимка
Прежде чем познакомиться с тем, как ведет себя жидкость в состоянии невесомости и проделать опыты с микроракетами, проделаем несколько опытов с явлением поверхностного натяжения.
Как известно из физики, на поверхности любой жидкости действуют так называемые силы поверхностного натяжения. Напомним, что они возникают благодаря взаимному притяжению молекул, расположенных на поверхности, и молекул, находящихся в глубине жидкости. При этом создаются силы, которые стремятся уменьшить поверхность жидкости.
Наполните стакан до краев водой и продолжайте пипеткой осторожно по капле добавлять воду. Вы увидите, как поверхность воды в стакане начнет подниматься над краями и вздуется, как бы удерживаемая незримой пленкой. Вы добавляете воду, «пленка» не выдерживает напора, и вода течет по краю стакана.
Вы, наверное, наблюдали летом, как по поверхности открытых водоемов со стоячей водой, а иногда и просто луж бегают насекомые — водомерки. Поверхность воды под их ножками хотя и вдавливается, но никогда не прорывается.
Даже тяжелые по сравнению с водой предметы, такие, как иголка и лезвие безопасной бритвы, могут лежать на ее поверхности. Нужно только предварительно смазать их очень тонким слоем жира, чтобы вода не могла их смочить. Положите осторожно лезвие на поверхность воды, и оно будет плавать; будет видно, что водная поверхность слегка вдавилась под его тяжестью.
Чтобы проследить, как ведут себя силы поверхностного натяжения, если их в одном каком-то месте ослабить, проделаем такой опыт.
Припудрим поверхность воды в стакане зубным порошком, хорошо перетирая его пальцами. Получится ровная белая поверхность. Наберите в пипетку мыльную воду (она имеет очень слабое поверхностное натяжение) и капните в центр белого круга одну каплю. На ваших глазах в месте падения капли образуется свободное от порошка темное круглое пространство. Мыльная капля ослабила в месте своего падения поверхностное натяжение, покрытой порошком воды, и поверхность воды передвинулась к краям стакана.
Частичная потеря веса
Когда вы купаетесь в бассейне, реке или море, вы чувствуете, что ваше тело стало легче, вы даже можете лежать на спине, затрачивая небольшие усилия, чтобы держаться на поверхности воды.
Проделаем опыт, который покажет, как физическое тело может стать легче.
Возьмите пружинные весы, а если их у вас нет, приспособьте для опыта тугую резиновую полоску, прикрепленную к верхнему концу дощечки, на которой карандашом можно будет сделать отметки при растяжении резины.
Прицепите к весам какой-либо груз, например камень. Допустим, вес его два килограмма. Если вы пользуетесь самодельным прибором, то отметьте карандашом, насколько растянулась резина.
Затем возьмите ведро, наполните его до краев водой и поставьте в таз. В ведро опустите груз, подвешенный к весам. Как только груз полностью опустится в воду, из ведра перестанет вытекать вода. Весы или натяжение резины покажут, что вес груза значительно уменьшился.
Но это уменьшение веса произошло за счет веса той воды, которую вытеснил из ведра груз. Если взвесить вылившуюся из ведра в таз воду, то окажется, что она весит как раз столько, на сколько легче стал груз, когда он очутился в воде.
Как вы уже догадались, этот опыт иллюстрирует закон Архимеда.
Описанным способом можно легко определить объем какого-либо предмета, если иначе его объем не определишь. Нужно только полностью погрузить этот предмет в воду (конечно, при условии, что вода его не испортит), а затем замерить объем вылившейся воды. Если предмет небольшой, то вода из сосуда может не выливаться. Измерив уровни воды до погружения предмета и после, можно подсчитать ее объем.
Жидкий шар
Вы знаете, что жидкости всегда принимают форму тех сосудов или водоемов, где они находятся. Большое количество воды под влиянием своего веса моментально растечется, если ее вылить из сосуда.
Ну, а если вода вдруг станет невесомой, какую форму она примет при удалении ее из сосуда, в котором она хранилась?
Рассмотрим сначала маленькие количества воды — капли. Капли очень легкие, вес почти не искажает их шарообразную форму или искажает мало, делая их чуть приплюснутыми. Водяные шарики — капли можно наблюдать на листьях растений или на материи, которая не впитывает воду. Чем меньше по размеру капля, тем она шарообразнее. В воздухе капли дождя почти шарики. Во время свободного падения они находятся в состоянии невесомости, а поверхностное натяжение, стремясь создать наименьшую поверхность, придает им почти шарообразную форму.
Проделаем интересный старинный опыт. Для жидкости будут созданы такие же условия, какие бывают при состоянии невесомости. Во время этого опыта вы сможете наблюдать естественную форму жидкости уже не на маленьких капельках, а на шарике около двух сантиметров в диаметре.
Для этого опыта нам понадобятся: денатурированный спирт, а если его нет, тройной одеколон, вода, немного подсолнечного или хлопкового масла, пипетка и небольшая рюмка.