Но можно сделать и более совершенную модель ветряного двигателя. Начнем с того, что подберем для его вала ровную круглую палку. На одном из ее концов нужно укрепить крестовину из узких дощечек, а к ним приделать четыре фанерные лопасти, расположив их под некоторым углом к воображаемой плоскости крестовины. Вал должен легко вращаться в проволочных или вырезанных в деревянных дощечках отверстиях — подшипниках. Другой конец вала надо заострить и упереть в неподвижную дощечку — подпятник.
Это нужно для того, чтобы во время вращения вал не сдвигался с места под напором ветра, который будет давить на крылья ветряка.
Когда вы построите модель ветряка, отрегулируете ее, выбрав лучшее расположение лопастей и добившись наименьшего трения в подшипниках, можно подумать и об использовании вращения вала.
Конечно, энергия небольшого ветряка настолько мала, что ее не удастся применить для каких-нибудь хозяйственных целей, но вы можете к ветряку добавить механизм для демонстрации превращения кругового движения в возвратно-поступательное.
Вырежьте из середины вала кусок длиной в несколько сантиметров и соедините его с половинками вала с помощью двух дощечек такой же длины, как и вырезанный кусок. Получится так называемое колено. Серединка вала как бы съехала со своего места.
При этом надо позаботиться, чтобы вал сохранил свою первоначальную прочность, чтобы он остался таким же крепким, каким был раньше.
Вокруг колена оберните 2-миллиметровую проволоку и загните меньший конец несколько раз вокруг большего. Петля должна быть очень свободной. Такая деталь называется шатуном. Прикрепите к его свободному концу с помощью петелек прямой кусок такой же проволоки. Это будет шток. К его концу приделайте деревянный поршенек и поместите его в стеклянной трубке. Получилась модель насоса.
Шток должен двигаться только в вертикальном направлении. Поэтому при сборке просуньте его в расположенные друг над другом и укрепленные на неподвижной подставке две катушки.
Наша работа закончена. Дождитесь подходящего ветра — ветряк начнет вращаться, и шатун будет то поднимать поршень насоса, то опускать его.
Водяной двигатель
Из всех двигателей, широко использующих даровую природную энергию, водяной двигатель совершил самое сказочное развитие — от простых водяных колес мельниц на маленьких речках до мощных турбин гидроэлектростанций на крупнейших реках мира.
Сделайте небольшую модель водяного колеса.
Из четырех не очень широких тонких деревянных дощечек с вырезами в середине соберите восьмиконечную звездочку, если смотреть с торца. Это и будет водяное колесо. Из ровной длинной палочки изготовьте вал и укрепите на нем колесо. Вставьте вал в подшипники и установите колесо на ручейке или в специальном желобе, по которому течет вода. Можно устроить маленький водопад, чтобы на лопасти колеса падала струя воды, вытекающая из какого-нибудь водоема или из водопроводного крана.
Затем укрепите на валу под прямым углом друг к другу и на некотором расстоянии друг от друга две деревянные палочки с лопатообразными концами.
Такое приспособление называется кулачками. Кулачки должны по очереди нажимать на концы расположенных на оси рычагов. Ось должна проходить так, чтобы более короткая часть рычагов находилась со стороны вращающегося вала с кулачками. А на длинных концах рычагов нужно укрепить в виде молоточков толстые палочки с тупыми концами. Это исполнительные органы нашей машины.
При вращении водяного колеса кулачки будут по очереди нажимать на концы рычагов. Длинный конец одного из рычагов при этом будет подниматься, а когда кулачок соскользнет с короткого конца рычага, молоточек опустится и ударится о подложенную под него дощечку.
Удары будут ритмично повторяться все время, пака крутится колесо.
То, что мы с вами соорудили, — совсем не игрушка. Это довольно точная модель настоящей водяной машины, так называемой толчеи. Толчея еще в недавнее время широко применялась в Средней Азии для обмолота риса.
Сделайте еще одну модель — модель современной гидротурбины. Модель будет очень упрощенная, но тем не менее она даст некоторое представление о работе настоящих гигантских турбин наших гидроэлектростанций.
Для модели мы используем перевернутую горлышком вниз бутылку из-под молока, предварительно отрезав у нее дно. Ее надо установить на горлышко, отрезанное от другой такой же бутылки. Стык горлышек необходимо сделать водонепроницаемым с помощью прокладки из воска или пластилина. В самой узкой части разместится турбинная камера. Здесь будет находиться ротор, или рабочее колесо, водяной турбины.
Ротор делается так. Вырежьте из жести кружок, сделайте четыре прорези и загните края. Ротор надо надеть на ось — тонкий, толщиной в 3–4 миллиметра, металлический прут — и закрепить пайкой. Ось удерживается подшипником, установленным сверху, а нижний конец ее находится в подпятнике, помещенном внизу. Подшипник сделайте из катушки от ниток, а подпятник — из такой же катушки со вставленной до половины ее отверстия деревянной палочкой. Но это еще не все.
Надо из воска или пластилина сделать и поместить в узкой части турбинной камеры, над ротором, направляющий аппарат с косыми отверстиями. Эти отверстия создадут нужное направление потоку воды, который, попадая на лопатки ротора турбины, заставит его вращаться. В центре направляющего аппарата установите металлическую трубку, через которую свободно должна проходить ось турбины.
А теперь, когда все сделано, остается лить в модель воду и наблюдать ее работу.
Солнечная энергия
Каменный уголь, нефть и другие виды топлива обязаны накопленной в них энергией солнцу.
Но человек этим не довольствуется, он считает, что солнце можно заставить работать и без каких-либо посредников — прямо брать у него энергию.
Ученые много работают над этой проблемой и добились крупных успехов в создании солнечных котлов.
Чтобы убедиться в том, что солнце, если его лучи умело поймать, способно стать топкой парового котла, проделайте следующий очень простой и наглядный опыт.
В летний солнечный день возьмите большую двояковыпуклую линзу и расположите ее так, чтобы в ее фокусе появилось маленькое, в виде точки, изображение солнца. Если вы направите его на бумажку, она загорится.
А теперь проделайте другой опыт.
В плоскую круглую баночку из-под ваксы налейте воду. Закройте баночку крышкой и залепите края пластилином, чтобы вода не вытекала. Покрасьте крышку черной матовой краской. Затем возьмите глубокое блюдце или небольшую кювету для проявления фотографий, постелите на дно немного ваты, чтобы накопленное тепло не уходило, и положите на нее баночку с водой. Блюдце плотно накройте куском чистого стекла, но оно при этом не должно касаться баночки. Выставьте блюдце, накрытое стеклом, на солнце, подложите что-нибудь под блюдце, чтобы оно стояло наклонно и чтобы солнечные лучи падали на стеклянную крышку под углом 90°.
Лучи солнца проходят сквозь стекло, и принесенное ими тепло как бы застревает под этим стеклом. Вода в баночке сильно нагревается.
На этом принципе устроены большие нагревательные приспособления, которые нагревают воду для нужд сельского хозяйства, для бытовых целей и т. д. На этом же принципе устроены и парники для выращивания растений весной, когда наружный воздух еще недостаточно теплый.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
И сейчас еще порою встречаются горе-изобретатели, которые пытаются создать так называемый вечный двигатель.
Эти люди находятся явно в неладах с физикой. Они не понимают, что энергия никогда и никуда не исчезает и из ничего не возникает. Она лишь переходит из одного вида в другой.
Если взять кусок железной проволоки толщиной в 2–3 миллиметра и начать его быстро сгибать и разгибать, то через несколько мгновений место сгиба сильно нагреется. Механическое трение частичек металла друг о друга перешло в тепло.
При забивании гвоздя шляпка его от ударов молотка становится горячей.
Это мы имели дело с переходом механической энергии в тепловую.
А теперь рассмотрим случай перехода тепловой энергии в механическую.
Укрепите на острой, загнутой проволочке над горящей электрической лампочкой бумажный пропеллер со слегка загнутыми в разные стороны лопастями.
Лампочка нагревает воздух, и он, поднимаясь вверх, вращает нашу крыльчатку.
А если бы нам удалось замерить затраченную и вновь полученную энергию, мы бы убедились, что их количества равны.
На точных лабораторных приборах не раз с успехом доказывалось, что определенному количеству механической энергии соответствует точно такое же количество тепловой энергии, и наоборот.
Существует много разных видов энергии, и всегда, когда один ее вид переходит в другой, действует великий закон — закон сохранения энергии.
БОГАТЫРЬ В НАПЕРСТКЕ
Для того чтобы продемонстрировать могущество пара и показать, как его энергия давит на поршень паровой машины, проделайте такой опыт.
Укрепите на проволочной подставке наперсток. Налейте в него до половины воды и плотно заткните пробкой. Под наперсток подведите горящую свечу и отойдите в сторону. Вода закипит и вышибет пробку.
Поршневая паровая машина работает по тому же принципу, но отличается тем, что для получения пара существует специальный котел. Из котла пар поступает в цилиндр машины, давит на поршень; поршень, двигаясь то в одну, то в другую сторону, совершает возвратно-поступательные движения, приводит с помощью шатунно-кривошипного механизма во вращение вал с насаженным на него маховиком. А уж с вала механическую энергию можно брать для любой работы.
Но в нашей промышленности все больше и больше находит применение другой вид паровой машины — паровая турбина. Паровые турбины более выгодны, чем поршневые машины. В отличие от поршневых машин в турбинах получается только вращательное движение.
Очень упрощенную модель паровой турбины мы сейчас и сделаем.
Паровым котлом для нашей турбины будет служить обыкновенный чайник.
Из круглой палочки изготовьте пробку-втулочку, укрепите в ней резиновую или металлическую тонкую трубку и вставьте втулочку в носик чайника как пробку (в случае надобности можно обмотать место соединения изоляционной лентой). Налейте в чайник воду с таким расчетом, чтобы она не перекрывала отверстия носика внутри чайника..
Котел готов.
Теперь из тонкой жести вырежьте кружок диаметром 5 сантиметров, прорежьте по направлению к центру 20–25 прорезей. До центра не доходите на расстояние 1 сантиметра. Получившиеся секторы поверните плоскогубцами. Их верхние края должны быть почти перпендикулярны к плоскости кружка, Это будет ротор нашей турбинки.
Наденьте ротор на тонкий гвоздь (ось) и закрепите его каплей олова.
Ось укрепите в подшипниках так, чтобы трение было ничтожным.
Конец трубки, идущей от носика чайника, установите около лопаток ротора. Когда чайник закипит, подложите под его крышку сложенный вдвое листок бумаги и нажмите через полотенце на крышку. Из трубки с силой начнет бить струя пара, и ротор будет быстро вращаться.
Выбрать лучшее положение струи пара по отношению к лопаткам ротора можно заранее: возьмите тонкую трубку и, дуя в нее, передвигайте ее под разными углами к лопаткам.
РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Двигатель обыкновенного автомобиля отличается от паровой машины тем, что источник энергии — топливо— сгорает не где-то отдельно в топке котла, а прямо в рабочем цилиндре. Такой двигатель называется двигателем внутреннего сгорания. Расширяющиеся в цилиндре газы давят на поршень, а он, как и в поршневой паровой машине, совершая возвратно-поступательное движение, заставляет вращаться вал с маховиком.
На смену поршневым двигателям внутреннего сгорания сейчас идут более выгодные газовые турбины. В газовой турбине, как и в паровой, нет надобности превращать один вид движения (возвратно-поступательное) в другой (вращательное).
Еще более просто устроены реактивные двигатели, в которых нет ни поршней, ни вращающихся турбин. Движется сам двигатель, увлекая за собой самолет или ракету, на которых он установлен.
Принцип реактивного двигателя можно понять, проделав следующий опыт.
Возьмите узкую консервную банку. Внизу, на стенках около дна, сделайте два отверстия с противоположных сторон и вставьте в них согнутые трубки, как показано на рисунке.
Налейте в банку воду, предварительно подвесив банку на суровой нитке. Получится Сегнерово колесо, названное так по имени венгерского физика Сегнера. Под действием давления, направленного противоположно вытеканию струй, банка будет вращаться.
Сделайте еще прибор, в котором реактивная сила создает не вращательное, а поступательное движение. На деревянном поплавке укрепите на стоечках запаянную маленькую металлическую баночку, наполненную водой. Сбоку у нее должно быть отверстие, заткнутое (не очень туго) деревянной пробкой. Под эту баночку подставьте маленькую жестянку со спиртом. Положите поплавок с этим устройством на воду и подожгите спирт. Вода в баночке закипит, вышибет пробку, и прибор устремится в противоположную сторону. Некоторые думают, что реактивное движение происходит в результате отталкивания от воздуха. Но это не так. Как известно, ракета может лететь и в безвоздушном пространстве. Она летит в противоположную «выхлопу» сторону благодаря силе, которая стремится уравновесить давление вырывающихся из двигателя раскаленных газов.
Там, где нет воздуха, воздушный винт бессилен. Если «земные» самолеты могут летать и при помощи обыкновенных, бензиновых двигателей и при помощи реактивных, то на ракетах, которые посылаются в безвоздушное космическое пространство к Луне, Венере и будут посылаться к другим планетам, могут быть установлены только реактивные двигатели.
ПОБЕДИТЕЛЬ ТРАНСМИССИЙ
Еще в недавние времена для приведения в движение станков от вала паровой или какой-либо другой машины применяли трансмиссии — сочетания валов, шкивов, муфт и ремней. Ремни тянулись от пола до потолка. Это было очень неудобно и часто небезопасно. В цехе, бывало, куда ни повернись, везде шумели бесчисленные длинные ремни…
Электрический двигатель все изменил. Он позволил как угодно «дробить» энергию, брать ее в любом месте, любыми порциями. Теперь у каждого станка свой электропривод — в цехах стало чисто, светло и менее шумно. Нажимом кнопки одинаково легко можно заставить вращаться и маленькое точильное колесо и валки мощного прокатного стана.
На каком принципе работает электрический двигатель? Об этом вы узнаете, проделав приведенные здесь опыты. Для этого нам понадобятся сильный подковообразный магнит, батарейка для карманного фонарика и немного медной изолированной проволоки диаметром около 0,3 миллиметра.
Как известно из физики, между полюсами магнита образуются так называемые магнитные силовые линии. Эти линии невидимы, но недаром их называют силовыми. Проходя через железные и стальные предметы, они притягивают их к магниту.