Флорентий Рабиза
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мы живем в век могучего расцвета науки и техники. Наши ученые, инженеры, рабочие, труженики полей непрестанно работают на благо любимой Родины. Это они двигают вперед науку и технику, во многом обгоняя капиталистические страны.
Они когда-то, как и вы, учились в школе, тоже увлекались физикой и техникой, мечтали об открытиях и изобретениях. И только впоследствии, накопив большой опыт и знания, многие из них сделали важные открытия и изобретения, которые дают нам власть над атомной энергией, прокладывают путь в Космос, удивляют весь мир как небывалые чудеса науки и техники.
Когда возникает какая-либо новая научная или техническая идея, ее обычно проверяют, производя многочисленные опыты в лабораториях, оборудованных самыми совершенными приборами.
Но не нужно забывать и того, что очень многие крупные открытия и изобретения сделаны в обыкновенной, простой обстановке, на обыкновенных столах, среди книг и самодельных приборов.
Мы с вами тоже займемся опытами. Наша цель — познакомиться на практике с различными областями техники. А поскольку у вас нет ни сложных приборов, ни лабораторного оборудования, то здесь будет рассказано, как поставить простые опыты с помощью имеющихся под рукой материалов и самых несложных инструментов.
Эти опыты можно делать и у себя дома, и в технических кружках, и на пионерских сборах во время бесед о технике.
Пусть их простота не смущает вас. Они помогут вам разобраться в очень сложных явлениях, продумать и проверить многое из того, с чем вы познакомились в учебниках, проверить, как говорится, теорию на практике. Кроме этого, вы научитесь лучше наблюдать и понимать физические явления, которые используются в технике.
А наблюдательность так необходима будущему исследователю и изобретателю! Без наблюдательности, без умения продумать и правильно оценить увиденное не обошлось ни одно открытие или изобретение.
Наблюдательность так же необходима исследователю и изобретателю, как и знания. И если знания можно получить в школе и в специальных учебных заведениях, то наблюдательность нужно развивать, зорко присматриваясь ко всему, что вас окружает.
Вполне возможно, что кое в чем и верны те увлекательные истории, которые биографы так любят рассказывать об известных ученых и изобретателях.
Очень может быть, что изобретение паровой машины действительно началось с того момента, когда наблюдательный человек, неоднократно видя, как пар приподнимает крышку на котелке, чайнике или кастрюльке, задумался над этим явлением.
В самом деле, разве этого было недостаточно, чтобы оценить силу пара?
Может быть, этот наблюдательный человек проделал и ряд опытов, проверяя силу пара: как бы плотно он ни закрывал сосуд с кипящей водой, пар вырывался наружу, подбрасывая и крышку и положенный на нее груз.
А ведь пар известен давно, и очень многие видели, как прыгает крышка у кипящей кастрюли. Но только тот, кто задумался над этим явлением, оценил его, проложил путь к созданию паровой машины.
На этом небольшом примере мы хотели показать, как полезно задумываться над незначительными, на первый взгляд, обыденными явлениями.
Простые опыты по технике, собранные в этой книге, познакомят вас на практике с принципами работы некоторых приборов и машин, с понятием прочности, с вредными и полезными явлениями в технике, с автоматикой и с управлением машинами на расстоянии.
Читая эту книгу и делая приведенные в ней опыты, вы убедитесь, как много значит в технике то, на что мы порой не обращаем внимания и незаслуженно называем пустяком.
Мы надеемся, что опыты увлекут вас и станут началом вашей самостоятельной творческой работы и что со временем вы сделаете не одно ценное изобретение или открытие.
Желаем вам успеха, друзья!
ПЕРВЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОМОЩНИКИ
Рычаги
Когда человек на заре своего существования первый раз взял в руки палку, он сделал ее своим оружием для защиты и нападения. Лишь много времени спустя она стала и орудием труда. На ней очень удобно вдвоем переносить груз. Пользуясь ею, можно легко поднимать и передвигать тяжести.
Обыкновенная палка стала рычагом — самым простым механизмом.
Проделайте такой опыт. Возьмите не очень длинную палку, просуньте ее под ручку чемодана и, пригласив на помощь товарища, приподнимите вдвоем чемодан.
Если чемодан находится точно посередине, то каждый из вас будет нагружен одинаково. Но сдвиньте чемодан к одному из концов палки, и сразу все изменится. Более легким груз покажется тому, кто держит длинный конец. Изменились плечи рычага, изменилось и соотношение сил, которые удерживают груз в поднятом положении.
Руки каждого из вас являются опорой рычага, и если расстояние до груза будет меньшим, то нагрузка на эту точку опоры будет большей.
А теперь проделайте другой опыт. Возьмите небольшую палку и около одного из ее концов сбоку вбейте гвоздь. Наденьте на этот конец утюг (гвоздь нужен для того, чтобы утюг не соскользнул на пол) и положите рычаг на спинку стула. Держа рычаг за свободный конец, двигайте его, то приближая точку опоры к грузу, то удаляя от него.
Вы убедитесь, что, чем больше расстояние от руки до точки опоры, тем легче удержать груз. Тот же результат вы получите, если будете передвигать руку вдоль рычага к точке опоры, оставляя неизменным расстояние от опоры до груза.
Этот опыт можно и видоизменить.
Положите конец палки на спинку стула, отодвинув утюг немного дальше от конца. Держа палку за другой конец и двигая утюг, вы получите такой же результат, что и в первом опыте, когда с товарищем поднимали чемодан.
Рычаги разных видов встречаются в повседневной жизни на каждом шагу: тачку легче везти, если у нее длинные ручки; гвоздь выдернуть легче, если гвоздодер имеет большую длину; гайку завернуть значительно легче ключом с длинной рукояткой.
А вспомните описание строительства египетских пирамид. Какие глыбы камня египтяне передвигали с помощью рычагов!
Но рычаг, облегчая человеку работу, сам не является источником энергии.
Здесь действует один из замечательных законов механики, который упрощенно выглядит так: выигрыш в силе — проигрыш в пути. Иной раз стоит пожертвовать более коротким путем, чтобы выиграть в силе. Работа все равно будет одна и та же, но сделать ее легче потому, что увеличению пути соответствует и увеличение времени. А за больший промежуток времени работу сделать легче — это ясно каждому.
При конструировании машин бывает и наоборот, когда жертвовать приходится силой, чтобы выиграть в пути, выиграть во времени.
Это можно наблюдать на ременных и зубчатых передачах различных машин. Большое колесо, например, делает один оборот, а маленькое, связанное с ним, за это же время успевает сделать несколько оборотов.
Ворот
Вы, наверное, не раз убеждались, что ведро воды, когда вы его достаете из колодца с помощью ворота, кажется гораздо легче, чем когда вы его несете в руке. А ведь ведро одно и то же и воды в нем столько же.
Дело в том, что ворот — это тот же рычаг, только несколько видоизмененный. И здесь действует закон: выигрыш в силе — проигрыш в пути.
Чем длиннее плечо рукоятки по сравнению с радиусом самого вала, тем больше будет и выигрыш в силе. А проигрыш в пути легко подсчитать. Измерьте длину веревки, на которой из колодца поднимается ведро, и сравните ее с длиной окружности, которую описывает рука при вращении ворота, умноженной на количество оборотов рукоятки.
Ворот и его родственница лебедка с давних времен помогали и теперь помогают человеку при перетаскивании, подъеме и опускании тяжелых грузов.
Блоки
Далее в нашей галерее простейших механизмов почетное место занимают блоки.
Один блок — это, по сути дела, обыкновенный равноплечий рычаг с опорой в центре. Он не дает никакого облегчения в работе. Он только изменяет направление движения, что во многих случаях тоже имеет большое значение.
Но людей это не удовлетворяло, и механики додумались сделать так, чтобы и в работе блоков получался выигрыш в силе. Стали применять системы блоков, одну из которых, называемую полиспастом, мы и рассмотрим.
Возьмите толстую проволоку в виде прута, наденьте на нее четыре катушки из-под ниток и укрепите концы прута между неподвижными опорами. Между катушками надо проложить небольшие шайбочки, сделанные или из толстой проволоки, или из кусочков картона. Это нужно для того, чтобы уменьшить трение катушек между собой.
Из другого куска толстой проволоки, четырех катушек и шайбочек соберите подвижную часть полиспаста.
Концы проволоки с нанизанными на нее катушками загните по два раза под прямым углом, затем концы скрутите и сделайте из них крючок для груза. Получится проволочная рамка с катушками и с крючком.
Накиньте на одну из висящих катушек кусок шпагата и, привязав один конец к какому-нибудь грузу, например пресс-папье, потяните за другой. Выигрыша в силе не будет, потому что у вас получился обыкновенный блок. Чтобы как-то замерить усилие, которое вы прикладываете для подъема пресс-папье, к свободному концу веревки привяжите тугую резинку. Когда вы за нее потянете, она удлинится. Замерьте сантиметровой линейкой ее новую длину и сравните с прежней.
Теперь возьмите конец шпагата и привяжите к верхнему пруту, пропустите шпагат под первую катушку нижней, подвижной части полиспаста, перекиньте через первую катушку наверху, потом через вторую катушку подвижной части, и так далее, пока другой конец шпагата с привязанной к нему резинкой не будет перекинут через последнюю верхнюю катушку.
На крючок подвижной части полиспаста подвесьте то же самое пресс-папье. Потяните за резинку и измерьте ее растяжение теперь. Она растянулась значительно меньше, чем раньше. Теоретически выигрыш в силе должен быть восьмикратным. Но в вашем опыте он будет немного меньше из-за трения веревки и из-за несовершенства блоков.
Наклонная плоскость
Поднимите привязанный к резинке (резинка служит, как и раньше, измерителем силы — динамометром) утюг на какую-либо высоту. Заметьте, на сколько при этом растянулась резинка. А затем положите наклонно гладкую доску так, чтобы ее верхний конец был на той же высоте, на какую вы поднимали утюг.
Теперь с помощью той же резинки начните тащить вверх утюг, но уже по наклонной доске. Проделать это будет значительно легче, и ваш «динамометр» — резинка удлинится меньше.
Таким образом, за счет увеличения пути мы можем затратить меньшую силу для подъема груза на одну и ту же высоту. Кстати вспомните, что на крутую гору подниматься значительно труднее, чем на пологую.
К семейству наклонных плоскостей относятся колун для колки дров и винт. А простой автомобильный домкрат (винт, вращаемый длинной рукояткой) есть не что иное, как наклонная плоскость, как бы навернутая на стержень-ворот. В этом легко убедиться. Возьмите лист бумаги, вырежьте из нее прямоугольный треугольник — это наклонная плоскость.
Проведите по его гипотенузе красную черту и наверните его на карандаш, начав с самого маленького катета. Получится винтовая линия.
Когда мы вращаем рукояткой винт домкрата, он вывинчивается из своего корпуса — гайки, поднимая груз, положенный сверху. А ведь с помощью такого несложного приспособления можно одной рукой поднять груженый автомобиль — несколько тонн!
Существуют и другие винты, которые ввинчиваются не в гайку, а в воздух или в воду.
Воздушные винты (пропеллеры) применяются как движители самолетов и вертолетов, а гребные винты приводят в движение и крошечную моторную лодочку, и огромный океанский пароход.
Сделайте игрушку, которая будет летать наподобие вертолета.
Возьмите катушку, вбейте в ее торцовую часть (по обе стороны отверстия) по небольшому гвоздику без шляпок. Затем вырежьте из жести силуэт удлиненной восьмерки, загните в разные стороны его лопасти, проделайте в его середине два отверстия, чтобы в них свободно могли входить вбитые в торец катушки гвоздики без шляпок.
Наденьте катушку с пропеллером на толстый гвоздь, тоже без шляпки, вбитый в торцовую часть палочки, которая будет служить ручкой. Намотайте на катушку веревочку и сильно потяните ее за конец. Жестяной пропеллер взлетит высоко вверх.
Роликовые и шариковые катки
Если на косточки конторских счетов положить тяжелую книгу, то ее можно очень легко передвигать по ним, еле дотрагиваясь пальцем.
На металлургических заводах, на которых прокатывают раскаленные добела тяжелые стальные болванки, чтобы получить из них рельсы и различные виды стальных балок для строительства, широко применяют большие стальные ролики рольганги.
Рольганг — это стальная самодвижущая дорога. Он состоит из расположенных параллельно друг другу роликов, которые приводятся в движение электрическими двигателями.
Вращаясь, ролики легко перемещают нагретую стальную болванку к валкам клети прокатного стана.
Ролики и шарики с давних пор применяют для уменьшения трения при перетаскивании тяжелых предметов. В этом случае трение скольжения заменяется трением качения, которое значительно меньше, но об этом будет специальный разговор в главе с опытами по трению.
О катках мы упомянули для того, чтобы заключить краткий обзор простейших механизмов и приспособлений, которые человек придумал и постепенно совершенствовал для облегчения своего труда.
Все описанные выше простые механизмы и приспособления оказались настолько жизнеспособными, что применяются и в наши дни, а порою в видоизмененной форме встречаются в сложнейших современных машинах и приборах.
ВЕТЕР, ВОДА, СОЛНЦЕ — НЕУТОМИМЫЕ РАБОТНИКИ
Ветряной двигатель
Человек с древнейших времен пользуется энергией ветра. Когда еще не была изобретена паровая машина, наряду с ветряными двигателями, в основном на мельницах, существовали и водяные. Но в мореходстве ветер был совершенно незаменим: только парусные суда, начиная от небольших лодок и шхун и кончая тяжелыми фрегатами, бороздили моря и океаны.
И даже теперь, когда используется очень много разнообразных источников энергии, мы не пренебрегаем и энергией ветра. Огромным количеством ветряков различных конструкций вырабатывается электрический ток, приводятся в действие насосы и мельницы.
Маленькую простую модель ветряка можно сделать за пять минут. Это известная детская игрушка из куска бумаги, булавки и палочки. Разрежьте квадратный кусочек бумаги по его диагоналям, не доходя до центра. Загните поочередно к середине квадрата четыре конца бумаги, проткните их булавкой, укрепите булавку на палочке, и модель готова. Если нет ветра, то достаточно подуть, чтобы ветряк стал быстро вращаться.