Страница 14 из 17
Отсюда вытекает золотое правило механики: приложенная сила F (например, усилие человека) во столько раз меньше веса поднимаемого тела Q, во сколько раз плечо А1О меньше плеча В1О.
То есть, говоря иначе, выигрывая в силе, мы проигрываем в расстоянии: груз будет двигать легче, но дальше. Иногда это целесообразно — если, например, надо выворотить валун из земли или приподнять один конец лежащего на земле бревна.
Рычаг второго рода — это, например, простенькая тачка. У нее точки приложения сил (А и В) находятся по одну сторону точки опоры О: колесо — точка опоры, груз давит вниз, прилагая силу Q в точке А, человек прилагает к рукояткам тачки силу F в точке В. Такой рычаг находится в равновесии или равномерном движении в том случае, если FB1О = QA1О.
То есть для подъема груза в Q килограммов надо приложить силу F, которая во столько раз меньше Q, во сколько раз А1О меньше В1О. То есть чем тяжелее груз, тем меньше должно быть расстояние между ним и колесом и тем длиннее рукоятки тачки.
Разобравшись немного в теории, давайте теперь перейдем к практике. И проиллюстрируем примеры использования рычагов в быту.
Представьте, что вы вдвоем с приятелем несете тяжелый чемодан или сумку, просунув под ручку палку. Кому нести тяжелее — тому, кто держится за короткий конец палки или за длинный? Проверьте ваши рассуждения на практике.
Что получилось?
Правильно, человеку, который держит длинный конец палки, нести груз легче. А его напарнику, держащему короткий конец палки, — тяжелее. Таким образом вы всегда можете перераспределить груз сообразно физической силе каждого. И если силы равны, то и концы палки должны быть одинаковы. То есть чемодан должен висеть ровно посредине.
Для следующего опыта с рычагом вам понадобятся утюг, стул и палка — лучше с крючком на конце или вбитым гвоздем, чтобы утюг не сваливался. Надо повесить утюг ручкой на палку, положить палку на спинку стула. Причем не забудьте придержать сиденье стула коленом или сядьте на него, чтобы стул не перевернулся.
Держа палку-рычаг за свободный от утюга конец, подвигайте ею по спинке стула. И вы убедитесь: чем ближе утюг к спинке стула и дальше рука — тем легче удержать груз. Чем меньше расстояние от руки до точки опоры — тем тяжелее. Ведь утюг давит своей тяжестью на длинное плечо рычага.
Теперь проведем опыт с самодельными весами, именуемыми коромысловыми. Выглядят они весьма просто. К перекладине-коромыслу на концах привязаны нити, на другом конце которых подвешены металлические или пластиковые чашки. На одну чашку кладут взвешиваемый груз, на другую гирьки. Как только чашки будут уравновешены, остается посмотреть, какое количество гирек пришлось положить на чашку. Значит, столько граммов и весит ваш груз.
Так работают лабораторные весы, на которых, например, взвешивают химикаты в лаборатории. Если же надо взвесить большой груз — например, 50-килограммовый мешок картошки, то удобнее использовать весы десятичные. Тогда мешок картошки можно будет уравновесить 5-килограммовой гирей.
Работают такие весы, опять-таки, на основе закона рычага. Проиллюстрировать его действие можно при помощи такого опыта. Возьмите деревянную линейку и разместите ее на опоре (скажем, толстом фломастере, положенном на стол плашмя) так, чтобы длина линейки с одной стороны была в десять раз больше, чем с другой. Например, с одной стороны 9 см, а с другой — 90 см. Еще один сантиметр метровой линейки придется как раз на опору. (Если не найдете длинной линейки, возьмите более короткую, но соблюдайте пропорции размещения плечей рычага над опоре.)
Если теперь вы положите на конец короткой стороны линейки груз в 500 г, то на длинный конец достаточно положить гирьку или иной груз в 50 г, чтобы наши импровизированные весы застыли в равновесии.
Обоснуйте, почему так получается.
И, наконец, еще один опыт мы вам советуем провести уже на улице. Подсуньте нижний конец прочной трубы под камень и попробуйте приподнять его край, двигая верхний длинный конец лома или трубы вверх.
А теперь попробуйте проделать то же самое, подложив под трубу у самого камня кусок твердого дерева или другой камень — поменьше и двигая длинный конец лома вниз.
В каком случае приподнять оказалось камень легче?
Подумайте почему…
Вполне может быть, что ваше мнение и мнение вашего приятеля окажутся не одинаковы. Попробуйте разобраться, почему так получилось.
Почему водомерка не тонет? Может ли плавать иголка? Зачем при стирке поверхностно-активные вещества? Все дело в поверхностном натяжении жидкости. Слово итальянскому популяризатору науки Дж. Карбони и американскому литератору Л. Стюарту.
Для начала несколько слов о том, что такое поверхностное натяжение. Молекула жидкости обладает свойством притягивать к себе молекулы, которые ее окружают. Для тех молекул, что находятся внутри жидкости, равнодействующая всех этих сил равна нулю, и все они находятся в равновесии.
А вот молекулы на поверхности воды испытывают притяжение снизу и сбоку, а сверху у них лишь воздух. Появляется некая сила, направленная внутрь жидкости. В свою очередь, сила сплоченности между молекулами дает некий вектор, направленный по касательной к поверхности.
Проще говоря, поверхность жидкости ведет себя, как упругая мембрана. По ней и бегают водомерки, которые настолько малы и легки, что вода держит их, словно лед. Что такое силы поверхностного натяжения, нам помогут понять эксперименты.
Благодаря поверхностному натяжению по воде бегают водомерки и ящерицы-василиски.
ПЛАВАЮЩАЯ ИГЛА
Если бросить в воду обычную швейную иглу, она тут же утонет. А вот если мы немного схитрим, то можем заставить стальную иголку плавать.
Для этого нужно положить на воду листок папиросной бумаги, а на него — иголку. Сначала она будет плавать на листке бумаги, словно на плоту. Но постепенно бумага намокнет и утонет. А вот иголка останется на поверхности.
Кроме иголки, можно заставить плавать и скрепки.
ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Ясно, что поверхностное натяжение имеет определенную величину, а потому и не может держать особо большой груз. Но какова эта сила?
Теория гласит, что поверхностное натяжение (Т) определяется силой (F), поделенной на удвоенную площадь (W) мембраны: T = F/2W. Двойка в этой формуле появляется потому, что поверхностный слой имеет две границы — верхнюю и нижнюю.
Практически силу поверхностного натяжения можно определить с помощью маленьких лабораторных весов, которые представляют собой две чашки, подвешенные на нитях к коромыслу.
Опустите одну чашу на поверхность воды в миске или чашке, а на другую осторожно начинайте помещать по одной малюсенькой гирьке до тех пор, пока другая чашка не оторвется от поверхности воды.