Ваш ребенок еще не начал изучать физику, но с удовольствием мастерит катапульты, пытается соорудить самодельный парашют и спустить на нем человечка из Лего, с увлечением уравновешивает различные предметы? Тогда эксперименты из книги «Опыты Тома Тита. Удивительная механика» — как раз для него. Сегодня речь пойдет о силе тяжести: домашние опыты для детей со складным ножом и вилками похожи на чудо — но всего лишь демонстрируют законы физики.
Самоуравновешивающийся ножик
Почти любое тело, расположенное достаточно неровно (не вертикально) по отношению к земле и ничем не поддерживаемое, стремится упасть в результате действия силы земного притяжения (силы тяжести). Ты легко в этом убедишься, если начнёшь наклонять вертикально стоящую бутылку или банку.
Сила, с которой тело действует на точку опоры, называется весом тела, а точка, к которой эта сила приложена, — центром тяжести тела. Чтобы предмет стоял устойчиво, у него должно быть широкое основание, а центр тяжести расположен как можно ниже. Например, доска, лежащая плашмя, гораздо устойчивее, чем стоящая торцом.
Однако неровно стоящий предмет можно заставить устойчиво стоять и без дополнительной опоры. Выполни опыт, чтобы узнать, как это сделать.
Что потребуется:
- складной нож
- черпак с крючком на конце рукоятки
- соль
- чайная ложка
Опыт. Раскрой складной нож, но не до конца — так, как показано на рисунке. Проверь, чтобы он не складывался и не раскладывался при небольших нажатиях. Если не получается зафиксировать нож в полураскрытом состоянии, его лезвие можно немного подклинить, поместив между ним и пазом в рукоятке кусочек спички.
Теперь установи нож на край стола и подвесь на него черпак — так, как показано на рисунке. При необходимости, чтобы конструкция легче собиралась, попроси взрослых отрегулировать изгиб крючка черпака с помощью пассатижей.
Результат. После нескольких колебаний полученная конструкция из ножа и черпака придёт в равновесие и будет стоять достаточно устойчиво. Без черпака нож на краю стола не смог бы устоять и секунды, а теперь его можно даже раскачивать!
Не прикасаясь к конструкции, измени её положение. Для этого утяжели черпак: чайной ложкой насыпь в его ковш немного соли. По мере подсыпания соли нож будет приподниматься всё выше и выше.
Объяснение. Конструкция из ножа и черпака находится в равновесии потому, что её основной вес расположен ниже края стола, то есть центр тяжести лежит ниже точки опоры. Такая конструкция сохранит равновесие, даже если её раскачать. Можно сказать, что система из ножа и черпака не стоит на столе, а, скорее, висит, придерживаясь за его край. А висящие тела достаточно устойчивы.
Когда ты насыпаешь соль в ковш черпака, его масса увеличивается, и центр тяжести всей конструкции смещается ниже. В результате ковш черпака выдвигается из-под стола, его рукоятка приподнимается, уменьшая наклон ножа, который, соответственно, приподнимается выше.
Как подвесить вилки на монету
Ты наверняка знаешь, что в цирке во время выступления канатоходцы используют длинный шест — он помогает им удерживать равновесие на канате, даже если он движется или немного раскачивается. Для того чтобы выполнять такие трюки, требуются долгие годы тренировок. Однако конструкцию, которая будет вести себя, как тренированный канатоходец, ты можешь смастерить дома из доступных предметов.
Что потребуется:
- две одинаковые металлические вилки с тяжёлыми ручками
- монета
- два стеклянных стакана
- вода
Опыт. Сложи вилки таким образом, чтобы зубья одной легли на зубья другой. В прорезь между средними зубьями ребром вставь подходящую по размеру монету — вилки должны хорошо на ней зафиксироваться.
Затем уравновесь полученное «коромысло», установив краешек монеты на край стакана, наполненного водой (вода нужна, чтобы сосуд не перевернулся), — так, как показано на рисунке. Если не получится сделать это с первого раза, немного подрегулируй положение вилок и монеты друг относительно друга.
Результат. При правильно отрегулированном положении вилок твоя конструкция — канатоходец — будет устойчиво балансировать на краю стакана. Не делая резких движений, перелей воду в другой сосуд: конструкция сохранит равновесие, даже когда ты наклонишь стакан.
Объяснение. Тело тем устойчивее, чем ниже расположен центр его тяжести относительно опоры. Канатоходцы держат шест в руках, вытянутых настолько низко, насколько это возможно. В данном опыте основная масса конструкции из вилок и монеты приходится на рукоятки вилок — из-за их формы центр тяжести смещён ниже точки опоры (края монеты). Вследствие этого конструкция находится в устойчивом равновесии. Именно поэтому чем массивнее и тяжелее ручки вилок, тем легче уравновесить конструкцию.
Поскольку точка опоры монеты на стенку стакана очень маленькая и трение между ними ничтожно мало, опора ведёт себя как подвижный шарнир. Это значит, что при наклоне стакана конструкция из вилок и монеты сохранит равновесие.
