Чудеса в стакане чая

Возьмите стеклянный стакан и заварите в нем чай, но не в пакетике, а листовой. Обратите внимание, что при помешивании ложечкой в стакане форма поверхности воды представляет собой параболоид вращения. При этом на дне стакана происходят весьма занимательные и, можно сказать, парадоксальные явления. Намокшие чаинки имеют бо́льшую плотность, чем вода, в противном случае они бы не опускались на дно.

Соответственно, при вращении на них действует бо́льшая, чем на воду, сила инерции, и, казалось бы, она должна относить их подальше от центра вращения, но вопреки этому чаинки собираются именно в центре (рис. 74).

Слегка трансформировав опыт, можно сильно изменить результат. Поставьте стакан с чаем на свободно вращающуюся поверхность (рис. 75), например на диск здоровья или на два блюдца, как описывалось в опыте «Домашняя лотерея или кинозал». Если наполненный стакан вращать с постоянной угловой скоростью, то чаинки соберутся там, где положено, – у стенок стакана. Почему так происходит? И что изменяет в опыте с вращением стакана?

Рис. 74

Жидкость (в данном случае вода) в силу своей вязкости прилипает к поверхности твердых тел (в данном случае – к стенкам и дну стакана). Когда стакан покоится, элементы жидкости, которые непосредственно соприкасаются со стаканом, тоже покоятся, а элементы, соседние с ними, из-за вязкости тормозятся – скорость вблизи стенок плавно возрастает от нуля до скорости основного потока. Поэтому у стенок стакана поверхность жидкости теряет свою параболическую форму. Область, где стенки стакана замедляют движение воды и ее поверхность отклоняется от формы параболоида, относительно невелика.

Таким же образом и неподвижное дно стакана тормозит жидкость. Давление жидкости возрастает по мере удаления от оси вращения. Сила давления на элемент жидкости со стороны оси вращения меньше силы давления с противоположной стороны. Эта разность является причиной центростремительного ускорения элемента жидкости, из-за чего он движется по круговой траектории. Но когда элемент жидкости приближается ко дну стакана, скорость из-за эффекта прилипания уменьшается, а разность давлений остается прежней. Центробежная сила ее не компенсирует, и поэтому жидкость течет от большего давления к меньшему. Такое течение и увлекает за собой чаинки на дно, собирая их в центре.

Рис. 75

Исследование воздушных пузырьков в жидкости

На первый взгляд, процесс выдувания воздушных пузырьков в воде кажется настолько простым, что даже не заслуживает никакого внимания. На самом деле природа этого процесса весьма необычна и увлекательна. На рис. 76 изображен прибор для исследования физических процессов, происходящих во время образования воздушных пузырьков в жидкости. Для проведения данных опытов вам понадобиться соединить жидкостный манометр с наконечником резиновой груши. Проще всего это осуществить с помощью иглы от капельной системы.

Для удобства проведения эксперимента расположите установку на столе. Наполните чистый стакан или другую прозрачную емкость водой и погрузите наконечник груши в воду на небольшую глубину. Нажимая на грушу, вы создадите внутри трубки повышенное давление, регистрируемое жидкостным манометром. По мере увеличения давления в трубке радиус выдуваемого пузырька все уменьшается (рис. 77, а – в). Продолжая плавно увеличивать нажим на грушу, вы дойдете до такого положения, когда радиус пузырька начнет увеличиваться (рис. 77, г), а манометр при этом зафиксирует уменьшение давления. Этот опыт показывает, что изогнутость поверхности жидкости связана с добавочным давлением по ту сторону поверхности, куда она обращена своей вогнутостью, и что добавочное давление тем больше, чем меньше радиус кривизны поверхности.

Рис. 76

Рис. 77

Ели конец трубки окунуть не в воду, а в другую жидкость, например в спирт или подсолнечное масло, то манометр покажет иные максимальные давления. В случае спирта максимальное давление будет приблизительно в 3,5 раза меньше, чем в воде, так как поверхностное натяжение спирта меньше поверхностного натяжение воды тоже в 3,5 раза.

Какое значение имеет кривизна поверхности? Силы, связанные с наличием поверхностного натяжения и направленные по касательной к поверхности жидкости, в случае выпуклой поверхности дают результирующую силу, направленную внутрь жидкости (рис. 78, а). В случае вогнутой поверхности результирующая сила направлена, наоборот, в сторону газа, граничащего с жидкостью (рис. 78, б). Следовательно, давление жидкости, ограниченной выпуклой поверхностью, больше давления окружающего газа, а давление жидкости, ограниченной вогнутой поверхностью, наоборот, меньше давления окружающего газа.

Рис. 78

Исследование магнитных полей, создаваемых постоянными магнитами

Огромный круг явлений природы определяется магнитными силами. Магнитные силы – источник многих явлений микромира, т. е. поведения атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и пр.). Магнитные явления характерны и для огромных небесных тел, Солнце и Земля – это огромные магниты. Половина энергии электромагнитных волн (радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, рентгеновских и гамма-лучей) является магнитной.

Массивное железное ядро внутри Земли и мощные вихревые электрические токи, происходящие внутри нашей планеты, порождают электромагнитное поле, защищающее Землю от губительного космического излучения.

Для исследования магнитных полей в домашних условиях вам понадобится как минимум один постоянный магнит и железные опилки. Возьмите обычный большой гвоздь и с помощью крупного напильника настрогайте железных опилок – 2–3 столовые ложки. Затем насыпьте тонким равномерным слоем опилки на картон и поднесите с нижней стороны магнит. Под воздействием магнитного поля опилки займут четко определенное положение, соответствующее силовым линиям магнитного поля. На рис. 79 показано расположение опилок под воздействием плоского прямоугольного магнита. Четко просматривается направление силовых линий от северного полюса N к южному полюсу S.

Передвигая магнит, вы сможете наблюдать, как железные опилки будут переориентироваться в соответствии с изменением положения магнита.

Рис. 79

Проведите аналогичные опыты с магнитами подковообразной или круглой формы, а также с несколькими магнитами одновременно. При передвижении несколько магнитов одновременно у вас получатся весьма интересные и замысловато движущиеся картинки. Чем разнообразнее формы магнитов, тем сложнее и интереснее будет рисунок силовых линий создаваемого ими магнитного поля.