С помощью железных опилок, насыпанных на лист бумаги и поднесенных к полюсам магнита, можно увидеть направление силовых линий от одного полюса к другому. Получается как бы их портрет.
Приступим к опытам.
Возьмите иголку с вдетой в нее ниткой и поднесите к магниту, чтобы она притянулась к нему своим концом. Затем начните тянуть за нитку и, оторвав иголку от магнита, добейтесь, чтобы иголка повисла в воздухе на небольшом расстоянии от магнита.
Иголку удерживают в таком положении две нити. От притяжения к магниту с одной стороны — настоящая обыкновенная нить, а от падения на стол — невидимая магнитная нить (силовая линия).
Попытайтесь «перерезать» магнитную нить куском стекла, картона или расческой из пластмассы. Никакого результата. Иголка даже не дрогнет и будет по-прежнему висеть в воздухе. Но стоит провести между магнитом и кончиком иголки ножом, как магнитная силовая линия окажется «перерезанной» и иголка упадет. Магнитная линия, войдя в нож, изменяет свое направление и до иголки не доходит.
Магнитное поле, как известно, существует не только у магнита. Оно возникает вокруг любого провода, по которому течет электрический ток.
Подвесьте на нитке моточек изолированной проволоки и, присоединив концы проволоки к батарейке от карманного фонаря, поднесите к нему магнит. В зависимости от направления тока в витках проволоки произойдет либо притяжение моточка к магниту, либо отталкивание. В обоих этих случаях наблюдается взаимодействие силовых линий магнита и магнитных линий, созданных в мотке проволоки током батарейки.
А теперь сделаем самую простую модель электрического двигателя, на которой будет показан только принцип его работы.
Оголите медную проволоку и натяните два куска ее между двумя укрепленными карандашами.
На натянутые проволоки (расстояние между ними должно быть 3–4 сантиметра) положите кусочек такой же оголенной медной проволоки с загнутыми концами, чтобы она не соскакивала со своих «рельсов».
Натянутые проволочки-«рельсы» надо расположить немного наклонно внутри подковообразного магнита.
Когда вы подключите их концы к батарейке (возможно, что эти концы придется переставить местами), ток пройдет от одного ее полюса к другому через лежащую на «рельсах» проволочку. Подвижная проволочка начнет скользить по «рельсам», стремясь выйти из поля магнита. Это происходит от взаимодействия магнитного поля самого магнита и магнитного поля, возникающего вокруг проволочки, когда по ней идет ток.
Подобное же явление происходит и в электрическом двигателе. Благодаря взаимодействию магнитного поля неподвижных катушек— статора и магнитного поля обмотки вращающейся части двигателя — ротора, по которой также пропускается электрический ток, ротор начинает быстро вращаться, как бы стремясь убежать от магнитного поля статора.
НЕОБЫЧНАЯ КОЛЛЕКЦИЯ
Громоздкие трансмиссии, как уже говорилось, заменены отдельными электрическими двигателями. Но внутри самих машин механическую энергию необходимо передавать узлам, выполняющим работу, для которой и предназначена машина. Для этого служат валы, шестерни, ременные передачи и так далее. Их модели мы сейчас и построим.
Лучше всего для наглядности сделать стенд, на котором в виде коллекции будут собраны все основные механизмы для передачи движения.
Эту коллекцию вы сможете постепенно пополнять. Как только где-нибудь увидите новое устройство для передачи механической энергии, сразу же его упрощенную модель помещайте на стенд. Это такое же увлекательное занятие, как коллекционирование марок, монет, растений, насекомых и т. п.
Возьмите небольшой кусок фанеры, установите его вертикально, а на нем расположите, укрепив с помощью деревянных подставочек-подшипников, следующие приспособления для передачи энергии (на фанере можно сделать поясняющие надписи и схемы).
Обыкновенный вал
Сделайте из круглой палочки вал и укрепите его в подшипниках. К одному концу вала приделайте ручку.
Вал — самое простое устройство для передачи энергии от двигателя к исполнительному механизму.
Вал с муфтой
Часто бывает нужно, не останавливая двигатель, отключить от него исполнительный механизм. Сделайте такой же вал, как и в предыдущем случае, но укрепите его на четырех подшипниках. В середине, между вторым и третьим подшипниками, вал должен быть разрезан. В разрезе нужно поместить два фанерных кружка. Один кружок прикрепите гвоздиком и клеем к торцу левой половины вала, а другой укрепите на деревянной втулочке на конце второй половины вала. Втулочка может скользить по валу, но не должна проворачиваться на нем. Для этого сделайте вдоль ее сквозного отверстия желобок, а на валу приклейте соответствующий выступ, сделанный из кусочка дерева.
На втулочке вырежьте кольцевой паз, в который должна входить изготовленная из толстой проволоки вилка переключателя. Вилку укрепите на фанерном стенде так, чтобы она находилась над валом. Снабдите переключатель маленькой рукояткой. К фанерным кружкам в тех местах, где они должны соприкасаться, приклейте резиновые кружки, чтобы муфта не пробуксовывала.
У вас получилась так называемая фрикционная муфта, работа которой основана на трении.
Если вы повернете рычаг переключателя так, чтобы фанерные кружки соприкасались, то при вращении за ручку, заменяющую двигатель, весь вал будет вращаться, потому что вследствие большого трения фанерные кружки с наклеенной на них резиной будут как бы представлять собой одно целое. Если вы повернете переключающую рукоятку, диск на правой половине вала отойдет вправо — правая половина вала отключится и вращаться не будет.
Карданный вал
Очень часто приходится передавать вращение под некоторым углом. Например, у автомобилей вращение вала двигателя передается к задним колесам с помощью карданного вала.
Сделайте вал, состоящий из двух половинок, расположенных на четырех подшипниках. Соединяются половинки вала с помощью крестовины, состоящей из двух скрепленных между собой наглухо перекладин — толстых проволочек. Каждая из перекладин крестовины соединена со своей половиной вала через подшипники на дугообразной вилке.
Зубчатая передача
Из фанеры вырежьте лобзиком два зубчатых колеса разных размеров с одинаковыми по величине, но разными по количеству зубьями. Укрепите их на стенде и приделайте к одному из колес ручку. Чтобы колеса не выскакивали из зацепления друг с другом, нужно место зацепления зубьев прижать полоской плексигласа. А если у вас найдется большой кусок плексигласа, можно сделать прозрачную крышку, которая будет и украшать прибор, и прижимать шестеренки к фанерному стенду. Шестерни лучше покрасить в разные цвета.
Ременная передача
Вырежьте из фанеры лобзиком три кружка: два — одинаковых размеров, а один — немного меньшей величины.
Склейте их столярным клеем, поместив меньший кружок между двумя одинаковыми, чтобы их центры совпадали. Положите склеенные кружки под пресс и дайте клею высохнуть.
Затем вырежьте кружки другого размера и проделайте то же самое.
У вас будут два фанерных колеса — шкивы разной величины с желобками по их ободу.
Прикрепите к одному из шкивов такую же ручку, какую вы сделали к зубчатому колесу. Укрепите фанерные шкивы на стенде и соедините их веревочкой. Это будет модель ременной передачи.
Как уже говорилось, этот стенд можно дополнить еще и другими видами механических приспособлений для передачи энергии — например, сделать модели червячной передачи, конических шестерен, приспособления для передачи прерывистого движения (Мальтийский крест), гибкого вала, кулачкового устройства, преобразователя кругового движения в возвратно-поступательное и многих других устройств, взятых прямо из жизни.
РУДА ПРИНИМАЕТ ВАННУ
В старину некоторые машины делали из дерева.
Были такие мастера, что даже часы изготовляли из дерева. Но в наш век больших скоростей, в век мощных двигателей для изготовления машин применяется в основном только металл. Его получают из руды, добываемой в недрах Земли. Но у руды бывает очень много ненужных примесей, и поэтому нет никакого смысла перерабатывать всю добытую руду, в которой ненужных примесей слишком много. Надо заранее от них избавиться. Для этого и существуют различные способы так называемого обогащения руд.
Если руда способна притягиваться к магниту, то ее пропускают в размельченном виде через магнитный сепаратор.
Модель сепаратора можно построить следующим образом. От круглой палки отрежьте три валика длиной по 5–8 сантиметров. По концам каждого валика в центры вбейте по гвоздю. Это будут оси. Нужно добиться, чтобы они были хорошо отцентрированы, то есть соответствовали бы центрам валиков. Укрепите валики в подшипниках.
Затем возьмите полоску материи длиной 30–40 и шириной 5 сантиметров и сшейте ее концы, охватив матерчатой петлей все три валика, чтобы образовался равнобедренный треугольник. Материя должна быть хорошо натянута. В верхнем валике вместо одного из гвоздей укрепите проволочную ручку. Внутри треугольника подвесьте полюсами вниз подковообразный магнит. При этом нужно, чтобы он своими полюсами слегка касался материи.
Смешайте железные опилки с песком, насыпьте их на бумажку и подложите под материю по другую сторону от магнита. Начните вращать ручку верхнего валика. Материя придет в движение, и притянувшиеся к ней железные опилки будут передвигаться, пока не выйдут из-под влияния магнита. Тогда опилки начнут падать в специально подставленную для этого коробочку.
Лист бумаги надо слегка постукивать пальцем, чтобы облегчить железным опилкам возможность подскочить и прилипнуть к материи.
Но, как известно, не все металлы и их руды притягиваются к магниту.
Тогда отделение полезных частичек от ненужных примесей производят с помощью так называемой флотации руд.
Размельченную руду погружают в жидкость, через которую пропускают воздух. Полезные частички вместе с пузырьками воздуха всплывают на поверхность и идут на переработку, а пустая порода остается на дне обогатительного резервуара. Периодически ее собирают и выбрасывают.
Проделайте такой опыт. Положите в стакан виноградину и налейте в него газированную воду или лимонад. Виноградину сейчас же окружат пузырьки углекислого газа, и она всплывет.
ЛИТЕЙНЫЙ ЦЕХ НА СТОЛЕ
Когда из руды получен металл, из него либо отливают болванки-заготовки для дальнейшей обработки на прокатных станах или металлообрабатывающих станках, либо отливают готовые детали, требующие после отливки лишь незначительной обработки.
Многие детали машин отливают из чугуна, бронзы, меди и других металлов.
Попытаемся и мы отлить какой-нибудь предмет. Только мы будем отливать не из металла, а из пластмассы для искусственных зубов — из акрилата — АКР-7 (его можно достать в аптеке). И отливать будем не совсем так, как это делается в промышленности.
«Отольем» для первого раза обыкновенную катушку из-под ниток.
При отливке какой-либо детали сначала изготовляют ее модель из дерева. Но для нашей отливки модель делать не нужно, воспользуемся пустой катушкой.
Начнем с формы. Возьмите коробочку из-под спичек и заполните ее тестом, приготовленным из размешанного в воде гипса. Ножом разровняйте поверхность гипса и, положив на нее смазанную тонким слоем масла или вазелина катушку, аккуратно вдавите ее наполовину в гипс и дайте ему затвердеть.
Проделайте то же самое и с другой коробочкой: наполните ее так же гипсом и вдавите в него вторую, свободную половину катушки, перевернув первую коробочку. Чтобы гипсовые поверхности двух коробочек не слиплись, между ними надо проложить тонкую промасленную бумажку с вырезом по форме катушки или смазать затвердевшую в первой коробочке поверхность гипса вазелином.
Когда гипс затвердеет и во второй коробочке, сделайте на коробочках метки, разнимите половинки формы и удалите оставшуюся в одной из половинок катушку.
Разведите порошок АКР-7 растворителем-мономером (он продается вместе с порошком) до тестообразного вида и, набив этим «тестом» обе половинки формы, соедините их по меткам и туго свяжите веревочкой.
Положите форму с «литьем» в кастрюлю с водой и поставьте ее на огонь. Пусть вода покипит минут сорок.
После этого разнимите аккуратно форму. У вас в руках будет пластмассовая катушка. В местах разъема формы на катушке получился «прилив», но его можно легко срезать ножом. У вашей новой катушки один недостаток — нет сквозного отверстия.
При отливке металлических изделий небольшого размера в подобных случаях отверстие сверлят на станке. Если нужно отлить большую деталь, в литейную форму, приготовленную из формовочной глины, вставляют глиняный стержень по форме будущего отверстия. А когда отливка готова, глину удаляют.
Подобным способом можно «отливать» разные мелкие предметы, например шахматную фигуру для замены потерянной. Когда фигура будет «отлита» и обработана, ее надо покрасить в соответствующий цвет и покрыть нитролаком. После этого вы и сами не отличите ее от других фигур.
ТАЙНА ПРОЧНОСТИ
Существует увлекательная наука, изучающая сопротивление материалов.
Увлекательная она потому, что раскрывает перед изучающими ее тайну прочности домов, башен, мостов, железнодорожных линий, различных машин, грандиозных плотин, туннелей, арок, самолетов, кораблей, подводных лодок и многого другого — всего не перечислишь.
Конечно, эта наука применяется не во всех случаях жизни. Например, когда строят небольшой пешеходный мостик, вряд ли кто делает его точный расчет. Берут материалы — балки и настил, достаточно прочные «на глаз», способные выдержать тех нескольких человек, которые могут одновременно пройти по такому мостику.
Другое дело, когда строится железнодорожный мост. Здесь надо подсчитать все возможные нагрузки, учесть все силы, какие могут действовать на готовый мост, вплоть до бокового давления ветра.
Но не только при постройке грандиозных сооружений нужно делать расчеты на прочность. Хорошо ли было бы, например, если поднятый за ручку стеклянный кувшин, наполненный водой, вдруг оторвался от ручки и разбился на мелкие куски?
Значит, при изготовлении кувшина надо было задуматься: а какой же толщины сделать ему ручку, чтобы получилось прочно, красиво и чтобы материал лишний не потратить.
Наука о сопротивлении материалов изучает все виды изгибов, поломок, разрывов, то есть все виды деформации, которые могут произойти с различными материалами, изучает способы расчетов, не допускающих появления этих деформаций.
На простых опытах мы познакомимся с теми случаями, когда прочность недостаточна и материалы не выдерживают нагрузок.
Но, прежде чем приступить к опытам, познакомимся с тем, что такое прочность.
Прочностью различных строительных материалов и деталей машин называют их способность противостоять воздействующим на них силам. Эта способность зависит и от того, хрупкий или эластичный взят материал, и от того, какой он толщины, длины, формы.