Когда вода не выливается из сосуда
“Уничтоженная” тяжесть
“Вода не выливается из сосуда, который вращается,- не выливается даже тогда, когда сосуд перевернут дном вверх, ибо этому мешает вращение”,- писал две тысячи лет назад Аристотель. На рис. 31 изображен этот эффектный опыт, который, без сомнения, многим знаком: вращая достаточно быстро ведерко с водой, вы достигаете того, что вода не выливается даже в той части пути, где ведерко опрокинуто вверх дном.
Обычно объясняют это явление “центробежной силой”, понимая под ней ту воображаемую силу, которая будто бы приложена к телу и обусловливает стремление его удалиться от центра вращения. Этой силы не существует: указанное стремление есть не что иное, как проявление инерции, а всякое движение по инерции осуществляется без участия силы. В физике под центробежной силой разумеют нечто иное, а именно – ту реальную силу, с какой вращающееся тело натягивает удерживающую его нить или давит на свой криволинейный путь. Сила эта приложена не к движущемуся телу, а к препятствию, мешающему ему двигаться прямолинейно: к нити, к рельсам на криволинейном участке пути и т. п.
Обращаясь к вращению ведерка, попытаемся разобраться в причине этого явления, не прибегая к двусмысленному понятию “центробежной силы”. Зададим себе вопрос: куда направится струя воды, если в стенке ведерка сделать отверстие? Не будь силы тяжести, водяная струя по инерции направилась бы по касательной АК к окружности АВ (рис.31). Сила же тяжести заставляет струю снижаться и описывать кривую (параболу) АР. Если круговая скорость достаточно велика, эта кривая расположится вне окружности АВ. Струя обнаруживает перед нами тот путь, по которому при вращении ведерка двигалась бы вода, если бы не препятствовало надавливающее на нее ведерко. Теперь понятно, что вода вовсе не стремится двигаться отвесно вниз, а потому и не выливается из ведерка. Она могла бы вылиться из него лишь в том случае, если бы ведерко было обращено отверстием в направлении его вращения.
Рис.31. Почему не выливается вода из вращаемого ведра?
Вычислите теперь, с какой скоростью надо в этом опыте вращать ведерко, чтобы вода из него не выливалась вниз.
Скорость эта должна быть такова, чтобы центростремительное ускорение вращающегося ведерка было не меньше ускорения свободного падения: тогда путь, по которому стремится двигаться вода, будет лежать вне окружности, описываемой ведерком, и вода нигде от ведерка не отстанет. Формула для вычисления центростремительного ускорения w такова:
где v – круговая скорость, R – радиус кругового пути. Так как ускорение свободного падения на земной поверхности g=9,8 м/с2, то имеем неравенство
Если положить R равным 70 см, то
Легко рассчитать, что для получения такой круговой скорости надо делать рукой около полутора оборотов в секунду. Подобная частота вращения вполне достижима, и опыт удается без труда.
Способностью жидкости прижиматься к стенкам сосуда, в котором она вращается вокруг горизонтальной оси, пользуются в технике для так называемого центробежного литья. При этом имеет существенное значение то, что неоднородная жидкость расслаивается по плотности: более тяжелые составные части располагаются дальше от оси вращения, легкие занимают места ближе к оси. Вследствие этого все газы, содержащиеся в расплавленном металле и образующие так называемые “раковины” в литье, выделяются из металла во внутреннюю, полую часть отливки. Изделия, изготовленные таким способом, получаются плотными и свободными от раковин. Центробежное литье дешевле обычного литья под давлением и не требует сложного оборудования.
Источник
Описываемый далее опыт — один из самых легких для исполнения. Это первый физический опыт, который я проделал в дни моей юности. Наполните стакан водой, покройте его почтовой карточкой или бумажкой и, слегка придерживая картонку пальцами, переверните стакан вверх дном. Теперь можете руку убрать: бумажка не отпадет, вода не выльется, если только бумажка совершенно горизонтальна.
В таком виде вы можете смело переносить стакан с места на место — даже, пожалуй, с большим удобством, чем при обычных условиях: вода не расплескивается. При случае вам нетрудно будет изумить ваших знакомых, принеся — в ответ на просьбу дать напиться — воду в опрокинутом стакане…
Что же удерживает карточку от падения, преодолевая вес стоящей над ней воды? Давление воздуха: оно действует на карточку снаружи с силой, которая, как легко рассчитать, гораздо больше, чем вес воды в стакане, то есть 200 г.
Тот, кто впервые показал и объяснил мне этот опыт, обратил мое внимание также на то, что для успешности опыта вода должна наполнять стакан весь — от дна до краев. Если она занимает часть стакана, а остальное место занято воздухом, то опыт может не удаться: воздух внутри стакана будет давить на бумажку, уравновешивая давление наружного воздуха, и, следовательно, она должна отпасть.
Узнав это, я решил тотчас же проделать опыт с неполным стаканом, чтобы самому увидеть, как бумажка отпадает. Представьте же мое удивление, когда я увидел, что она и тогда не отпадает! Повторив опыт несколько раз, я убедился, что карточка держится так же хорошо, как и при полном стакане.
Это послужило для меня наглядным уроком того, как следует изучать явления природы. Высшим судьей в естествознании должен быть опыт. Каждую теорию, какой бы правдоподобной она ни казалась нашему уму, следует проверять опытом. «Поверяя и проверяя» — таково было правило первых исследователей природы (флорентийских академиков) в XVII веке; таково оно и для физика XX века. И если при поверке теории окажется, что опыт не подтверждает ее, то надо доискаться, в чем именно теория погрешает.
В нашем случае нетрудно найти ошибку рассуждения, на первый взгляд такого убедительного. Отогнем осторожно один угол бумажки в тот момент, когда она закрывает снизу отверстие незаполненного стакана. Мы увидим, что через воду пройдет воздушный пузырь. Что это показывает? Конечно, то, что воздух в стакане более разрежен, чем воздух снаружи: иначе наружный воздух не устремлялся бы в пространство над водой. В этом и вся разгадка: в стакане хотя и остается воздух, но менее плотный, чем наружный, а следовательно, слабее давящий. Очевидно, при опрокидывании стакана вода, опускаясь вниз, вытесняет из него часть воздуха; оставшаяся же часть, распространяясь в прежнем объеме, разрежается и давит слабее.
Вы видите, что даже простейшие физические опыты при внимательном к ним отношении могут навести на серьезные размышления. Это те малые вещи, которые поучают великому.
Искуснее Колумба
«Христофор Колумб был великий человек,— писал один школьник в своем классном сочинении,— он открыл Америку и поставил яйцо». Оба подвига казались юному школьнику одинаково достойными изумления. Напротив, американский юморист Марк Твен не видел ничего удивительного в том, что Колумб открыл Америку. «Было бы удивительно, если бы он не нашел ее на месте». А я…
Измерить яркость света
Свеча на двойном расстоянии светит, разумеется, слабее. Но во сколько раз? В два раза? Нет, если вы поставите на двойном расстоянии две свечи, они не дадут прежнего освещения. Чтобы получить освещение, одинаковое с прежним, надо на двойном расстоянии поставить не две, а дважды две — четыре свечи. На тройном расстоянии придется поставить не три, трижды…
Центробежная сила
Раскройте зонтик, уприте его концом в пол, закружите и одновременно бросьте внутрь мячик, скомканную бумагу, носовой платок — вообще какой-нибудь легкий и неломкий предмет. Произойдет нечто для вас неожиданное. Зонтик словно не пожелает принять подарка: мяч или бумажный ком сами выползут вверх до краев зонтика, а оттуда полетят по прямой линии. Силу, которая в…
Вниз головой
Если в вашей квартире или в квартире ваших знакомых имеется комната с окнами на солнечную сторону, то вы легко можете превратить ее в физический прибор, который носит старинное латинское название «камера-обскура» (по-русски это означает «темная комната»). Для этого понадобится закрыть окно щитом, например, из фанеры или картона, оклеенным темной бумагой, и в нем сделать…
Удар
Сталкиваются ли между собой две лодки, два трамвайных вагона или два крокетных шара, несчастный ли это случай или только очередной ход в игре, физик обозначает такое происшествие одним коротким словом: «удар». Удар длится краткий миг; но если ударяющиеся предметы, как обычно и бывает, упруги, то в это мгновение успевает совершиться весьма многое. В каждом упругом…
Перевернутая булавка
Сейчас мы беседовали о камере-обскуре, объясняли, как ее сделать, но не сообщили одной интересной вещи: каждый человек всегда носит в себе пару маленьких камер-обскур. Это наши глаза. Представьте, глаз устроен наподобие того ящика, который я предлагал вам изготовить. То, что называют «зрачком» глаза, есть не черный кружок на глазу, а отверстие, ведущее в темную внутренность…
Яйцо в стакане
Клоуны в цирках изумляют иногда публику тем, что сдергивают скатерть с накрытого стола, но вся столовая посуда — тарелки, стаканы, бутылки — невредимо остается на своих местах. Здесь нет ни чуда, ни обмана — это дело ловкости, которая изощряется продолжительным упражнением. Такого проворства рук вам, конечно, не достичь. Но проделать подобный же опыт в…
Зажигание льдом
Мальчиком я любил смотреть, как старший мой брат зажигал папироску увеличительным стеклом. Подставит стекло под лучи солнца, наведет яркое пятнышко на кончик папиросы, и она задымится синеватой струйкой, затлеет. — А знаешь,— сказал мне брат как-то зимой,— можно ведь и льдом зажечь папироску. — Льдом? — изумился я. — Зажигает, конечно, не лед, а…
Необычная поломка
На эстраде фокусники выполняют нередко красивый опыт, который кажется удивительным и необычным, хотя довольно просто объясняется. На двух бумажных кольцах подвешивается довольно длинная палка; она опирается на них своими концами, сами же кольца перекинуты: одно — через лезвие бритвы, другое — через хрупкую курительную трубку. Фокусник берет другую палку и со всего размаха ударяет…
Магнитная игла
Вы уже умеете заставить иглу плавать на поверхности воды. Воспользуйтесь здесь своим искусством для нового, более интересного опыта. Раздобудьте магнит — хотя бы маленький подковообразный магнит. Если приблизить его к блюдцу с плавающей в нем иглой, то иголка послушно подплывет к соответствующему краю блюдца. Она будет заметно проворнее делать это, если, прежде чем положить…
Источник
Главная
Случайная страница
Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать неотразимый комплимент
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
«Вода не выливается из сосуда, который вращается, — не выливается даже тогда, когда сосуд перевернут дном вверх, ибо этому мешает вращение», — писал две тысячи лет назад Аристотель. На рис. 32 изображен этот эффектный опыт, который, без сомнения, многим знаком: вращая достаточно быстро ведерко с водой, как показано на рисунке, вы достигаете того, что вода не выливается даже в той части пути, где ведерко опрокинуто вверх дном.
В обиходе принято объяснять это явление «центробежной силой», понимая под нею ту воображаемую силу, которая будто бы приложена к телу и обусловливает стремление его удалиться от центра вращения. Этой силы не существует: указанное стремление есть не что иное, как проявление инерции, а всякое движение по инерции осуществляется без участия силы. В физике под центробежной силой разумеют нечто иное, а именно — ту реальную силу, с какой вращающееся тело натягивает удерживающую его нить или давит на свой криволинейный путь. Сила эта приложена не к движущемуся телу, а к препятствию, мешающему ему двигаться прямолинейно: к нити, к рельсам на кривом участке пути и т. п.
Обращаясь к вращению ведерка, попытаемся разобраться в причине этого явления, не прибегая вовсе к двусмысленному понятию «центробежной силы». Зададим себе вопрос: куда направится струя воды, если в стенке ведерка сделать отверстие? Не будь силы тяжести, водяная струя по инерции направилась бы по касательной АК к окружности АВ (рис. 32). Тяжесть же заставляет струю снижаться и описывать кривую (параболу АР). Если окружная скорость достаточно велика, эта кривая расположится вне окружности АВ. Струя обнаруживает перед нами тот путь, по которому при вращении ведерка двигалась бы вода, если бы не препятствовало надавливающее на нее ведерко. Теперь понятно, что вода вовсе не стремится двигаться отвесно вниз, а потому и но выливается из ведерка. Она могла бы вылиться из него лишь в том случае, если бы ведерко было обращено отверстием в направлении его вращения.
Рисунок 32. Почему не выливается вода из вращаемого ведерка?
Вычислите теперь, с какой скоростью надо в этом опыте вращать ведерко, чтобы вода из него не выливалась вниз. Скорость эта должна быть такова, чтобы центростремительное ускорение вращающегося ведерка было не меньше ускорения силы тяжести: тогда путь, по которому стремится двигаться вода, будет лежать вне окружности, описываемой ведерком, и вода нигде от ведерка не отстанет. Формула для вычисления центростремительного ускорения W такова;
W=v2/R,
где v — окружная скорость, R — радиус кругового пути. Так как ускорение тяжести на земной поверхности g = 9,8 м/сек2, то имеем неравенство v2/R»= 9,8. Если положить R равным 70 см, то
и v»= 2,6 м/сек.
Легко рассчитать, что для получения такой окружной скорости надо делать рукой около полутора оборотов в секунду. Подобная быстрота вращения вполне достижима, и опыт удается без труда.
Способностью жидкости прижиматься к стенкам сосуда, в котором она вращается вокруг горизонтальной оси, пользуются в технике для так называемого центробежного литья. При этом имеет существенное значение то, что неоднородная жидкость расслаивается по удельному весу: более тяжелые составные части располагаются дальше от оси вращения, легкие занимают место ближе к оси. Вследствие этого все газы, содержащиеся в расплавленном металле и образующие так называемые «раковины» в литье, выделяются из металла во внутреннюю, полую часть отливки. Изделия, изготовленные таким способом, получаются плотные и свободные от раковин. Центробежное литье дешевле обычного литья под давлением и не требует сложного оборудования.
Date: 2015-11-13; view: 237; Нарушение авторских прав
Источник
Возьмем в рот соломинку или стеклянную трубочку и, погрузив ее конец в воду, начнем втягивать в себя воздух. Вода начнет подниматься по трубочке; легко можно напиться через соломинку.
Вместо того чтобы втягивать воздух легкими, можно поднимать в трубке плотно притертый поршень. Мы увидим, что вода будет подниматься вслед за поршнем, заполняя трубку (рис. 282). Наполним бутылку водой, заткнем ее пробкой и, опрокинув бутылку в воду горлышком книзу, откроем пробку (рис. 283). Вода не будет выливаться из бутылки. Вместо бутылки можно взять трубку с краном в верхней части: пока кран закрыт, вода из нее также не будет выливаться (рис. 284). Достаточно, однако, открыть кран трубки, чтобы столб воды упал до общего уровня воды в сосуде; место столба воды займет воздух, пошедший через кран.
Рис. 282. Вода поднимается вслед за поршнем
Рис. 283. Вода не выливается из открытой бутылки, опрокинутой горлышком в воду
Рис. 284. Пока кран закрыт, вода из трубки не выливается. При открывании крана уровень воды в трубке падает до уровня воды в сосуде
Все эти опыты объясняются существованием атмосферного давления. В самом деле, что происходит, когда мы начинаем высасывать воздух из трубки, погруженной одним концом в чашку с водой? Воздух в трубке оказывается разреженным, вследствие чего давление производимое им на поверхность воды в трубке, становится меньше атмосферного. Но на поверхность воды в чашке продолжает действовать атмосферное давление; разность давлений и вгоняет воду в трубку. До какой высоты будет подниматься вода в трубке? Поднявшийся столб воды создает дополнительное давление; когда это давление в сумме с давлением оставшегося в трубке воздуха станет равным атмосферному, вода перестанет подниматься. При этом давление внутри трубки внизу, на уровне свободной поверхности воды в чашке, будет как раз равно атмосферному давлению, т. е. будет выполнено известное нам условие равновесия, жидкости: во всех точках, лежащих в одной горизонтальной плоскости, давление одно и то же (§ 152). Так как своими легкими мы не можем создать большое разрежение воздуха, то этим способом нам удастся поднять воду в трубке лишь на небольшую высоту — примерно на 30-50 см.
Так же ясно, почему не выливается вода из опрокинутой бутылки или трубки в описанных опытах: давлением воздуха на поверхность воды в сосуде вода прижата к дну бутылки или к крану трубки, так как сверху на воду в бутылке или в трубке давление воздуха не действует. Когда мы открываем кран трубки, атмосферное давление начинает действовать и на верхний конец столба воды в трубке — столб более не поддерживается разностью давлений и падает до уровня воды в сосуде.
172.1.
Разветвленная трубка присоединена к всасывающему насосу, а своими отростками погружена в чашки с различными жидкостями (рис. 285). В отростке, погруженном в керосин, высота столба жидкости равна 90 см. Определите высоту столба жидкости в других трубках. Плотность керосина равна
, ртути —
.
172.2.
В химических лабораториях для поддержания уровня жидкости в фильтровальной воронке на одной высоте употребляют устройство, изображенное на рис. 286. Уровень жидкости в фильтре все время держится на высоте около горлышка бутылки, и фильтр может работать без присмотра. Объясните действие прибора.
Рис. 285. К упражнению 172.1
Рис. 286. К упражнению 172.2
Источник