Теперь оставьте кастрюлю на плиту и доведите воду до кипения. В результате вы будете наблюдать постепенный рост давления и температуры, то есть столбик жидкости в выходном плече манометра будет подыматься, а во входном – наоборот понижаться. По достижению кипения обозначьте положение жидкости отметкой 100. Осталось разбить отрезок между метками 0 и 100 на необходимое количество равных делений – термометр готов.

Нагреть или охладить

Если вам доводилось накачивать насосом автомобильную или велосипедную шину, то вы не могли не заметить, что при этом соединительный шланг насоса заметно нагревался (рис. 46). Это и понятно, ведь, сжимая газ внешней силой, вы производите работу, в результате которой внутренняя энергия газа увеличивается, а следовательно, повышается его температура, то есть происходит нагрев.

Рис. 46

Теперь предоставим возможность сжатому газу расшириться и произвести работу против сил внешнего давления. Для этого дадим некоторое время остыть накаченной шине, а затем приоткроем запорный ниппель и в струю выходящего расширяющегося газа поместим термометр (рис. 47). Вы непременно заметите, что столбик термометра несколько понизится, что укажет на понижение температуры в исходящем потоке расширяющегося воздуха. Это говорит о том, что при расширении газ совершает работу – он охлаждается и его внутренняя энергия убывает (этот процесс называют дросселированием). Нагревание газа при сжатии и охлаждение при расширении являются выражением закона сохранения энергии. Именно на основе этого явления работает большинство холодильных машин и кондиционеров.

Рис. 47

Рассмотрим эти процессы подробнее. Когда молекула газа ударяется о неподвижное препятствие и отскакивает от него, скорость, а следовательно, и кинетическая энергия в среднем не изменяются. Но если молекула ударяется и отскакивает от надвигающегося на нее поршня (например, насоса или компрессора), то ее скорость и кинетическая энергия возрастают (подобно тому, как возрастает скорость теннисного мяча при встречном ударе ракеткой). Надвигающийся поршень передает отражающейся от него молекуле дополнительную энергию, следовательно, внутренняя энергия газа при сжатии возрастает. При отскакивании от удаляющегося поршня скорость молекулы уменьшается, поскольку молекула совершает работу, толкая удаляющийся поршень. Поэтому расширение газа, связанное с отодвиганием поршня или слоев окружающего газа, сопровождается совершением работы и приводит к уменьшению внутренней энергии газа.

Итак, сжатие газа внешней силой вызывает его нагревание, а расширение газа сопровождается его охлаждением.

Воздушный пистолет

Из предыдущего опыта мы узнали, что при повышении давления повышается внутренняя энергия газа, следовательно, сжатый газ способен выполнять работу. Аналогично расширяющимся пороховым газам сжатый воздух может сообщать ускорение и метательному снаряду.

Давайте попробуем сделать примитивный однозарядный пневмопистолет. Для этой цели отрежьте от шприца емкостью 20 мл переднюю стенку, к которой присоединяется игла. В качестве снаряда будем использовать винную пробку. Кора пробкового дуба – материал мягкий и податливый, поэтому ее легко будет подогнать под необходимые формы. Отведите поршень шприца в крайнее положение, а со свободной стороны вставьте пробковый снаряд (рис. 48, а). Пробка должна входить плотно, но не слишком глубоко в ствол вашего импровизированного оружия.

Удерживая одной рукой тубу шприца, другой сильно и резко надавите на шток поршня шприца. Под действием сжатого, как пружина, воздуха пробка вылетит из шприца подобно снаряду или пуле (рис. 48, б).

Рис. 48

По такому же принципу работают все пневматические винтовки и пистолеты, разница заключается только в способе сжатия воздуха, длине ствола и удобстве пользования.

Паровая пушка

Перегретый пар содержит в себе гораздо больше внутренней энергии, чем сжатый воздух, и, соответственно, может выполнять бо́льшую работу. Проведите не сложный, но наглядный эксперимент. На платформе, построенной из детского конструктора, установите и закрепите стеклянную пробирку, заполненную наполовину водой и плотно закрытую пробкой (рис. 49). Под нижний край пробирки поместите источник тепловой энергии – кусочек сухого горючего или свечу. Установите на горизонтальной поверхности испытуемую установку и зажгите горючее. Через некоторое время вода закипит, и в какой-то момент пробка выстрелит из пробирки, а сама платформа откатится в противоположном направлении (рис. 50).

В данном эксперименте наблюдается выполнение нескольких физических законов: закона термодинамики, третьего закона Ньютона и закона сохранения импульса. Вначале испытуемая тележка покоится. Тепловая энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки, и тележка откатывается. Откат «пушки» – результат отдачи. Отдача – это не что иное, как противодействие со стороны снаряда (пробки). Согласно третьему закону Ньютона сила, действующая со стороны «пушки» тележки с пробиркой на «снаряд»-пробку, равна силе, действующей со стороны «снаряда» на «пушку».

Рис. 49

Рис. 50

Простые механизмы

Уже в древности возникли первые приспособления, при помощи которых, не используя никаких двигателей, передвигали и подымали большевесные грузы, приводили в действие осадные орудия (катапульты, баллисты, тараны) и т. д. Все эти устройства служили для того, чтобы получить выигрыш в развиваемом усилии. Для поднятия или перемещения предмета большой массы необходимо приложить к нему движущий момент сил, который превышает силы, противодействующие движению, то есть как минимум силу земного притяжения и силу трения. Подобные устройства принято называть простыми механизмами.

Рычаг

Одной из самых распространенных простых машин является обыкновенный рычаг (рис. 51). Равновесие рычага наступает при условии, что отношение приложенных к его концам параллельных, но разнонаправленных сил обратно отношению плеч. Поэтому, прикладывая небольшую силу к длинному концу рычага, можно уравновесить гораздо большую силу, приложенную к короткому концу рычага. Тяжелый груз массой 160 кг с помощью рычага может приподнять любой взрослый человек. При соотношении плеч ВО и ОА рычага 1 к 8 достаточно в точке А приложить груз массой, равной 20 кг, что соответствует силе 200 ньютон (рис. 51).