Ты когда-нибудь варил спагетти? Они часто не влезают в кастрюлю и их приходится ломать пополам. Как именно ломаются спагетти? И какое это имеет отношение к науке? Инженеры изучают, насколько материал прочный, когда он согнут, деформирован. Конечно, профессиональные инженеры и строители больше обеспокоены тем, как сгибаются и ломаются стальные прутья для возведения мостов, но кто мешает нам проверить, насколько прочным мог бы получиться мост из спагетти!
Что происходит, когда вы сгибаете пучок спагетти или любой другой материал?
Происходит следующее: некоторые части материала растягиваются, их как бы тянет в разные стороны. Другие же части находятся под давлением, сплющиваются. Некоторые материалы ломаются легче, некоторые сложнее. Ученые изучают, как это происходит. Это помогает им создавать прочные конструкции.
Мосты – отличный пример. Когда по мосту едут машины, они давят на него своей массой, в результате чего мост как бы немного выгибается. Материалы, используемые при строительстве мостов, подвергаются одновременно и растяжению, и сжатию. Ученые и архитекторы должны спроектировать мост таким образом, чтобы он выдерживал обе эти силы.
В этом опыте мы сделаем «строительную балку» из пучка спагетти. Когда мы будем подвешивать вес на нашу балку, часть спагетти подвергнется натяжению, часть – сжатию, компрессии. Какие из них сломаются первыми, зависит от физических характеристик спагетти. Как ты думаешь, спагетти скорее сломается от растяжения или сжатия? Давай выясним в нашем эксперименте!
Материалы
- Пачка спагетти
- Два предмета одинаковой высоты (две коробки, две табуретки, два стула)
- Ножницы (и помощь взрослого при их использовании)
- Веревка
- Скрепка
- Пластиковый или бумажный стаканчик
- Предметы, которые послужат грузом (например, монеты)
- Резинки
- Рекомендация: советуем надеть очки, чтобы не повредить глаза летящими осколками спагетти при проведении этого опасного эксперимента!
Подготовка
Установи два предмета равной высоты (коробки стулья и пр.); расстояние между ними – меньше, чем длина спагетти на несколько сантиметров.
Попроси взрослого помочь тебе вырезать дырочки в стакане, под верхним ободком друг напротив друга. За них мы подвесим наш стаканчик с грузом.
Сделайте стаканчику ручку из веревки, чтобы получилось маленькое ведерко. Согни скрепку в форме русской буквы «С» или английской «S», за этот крючок мы подвесим наше ведерко.
Опыт
- Помести одну штуку спагетти между двумя стульями (коробками, табуретами и пр). Подвесь «ведерко» на нее при помощи крючка из скрепки. Начинай понемногу увеличивать вес ведерка, добавляя по одной монетке.
Как ты думаешь, какой груз выдержит наша макаронная балка до того, как сломается?
- Продолжай медленно увеличивать вес. Если ты используешь тяжелые предметы (те же монетки), придерживай стаканчик рукой, когда бросаешь монетку, а потом медленно отпусти. Не бросай монетки, не придерживая стаканчик, иначе наша балка может легко сломаться! Продолжай добавлять монетки, пока она не надломится. (Если она прогнется и упадет с опор (стульев, коробок и пр), сделай расстояние между опорами меньше и продолжи).
- А теперь возьми 5 штук. Свяжи их концы резинками, чтобы оны были в «пучке».
Как ты думаешь, какой вес выдержит эта конструкция? Будет ли этот вес в 5 раз больше, чем в опыте с одной штукой? Или больше, чем в 5? Или меньше?
- Помести спагетти между опорами и увеличивай вес «ведерка». Не забывай придерживать его и аккуратно бросай монетки. Внимательно смотри и слушай, что происходит.
Слышишь, как ломаются отдельные макароны в «пучке» перед тем, как сломаются все? Первые из них ломаются в верхней или нижней части?
- Проделай то же самое с 10 штуками. Внимательно смотри, какие макароны ломаются первыми и в каком месте происходит надлом.
Как ты думаешь, они ломаются от натяжения или сжатия (компрессии)?
Дополнительно
- Влияет ли то, как ты связал спагетти на их прочность? Будет ли разница, если ты свяжешь их ниткой (просто, чтобы они не рассыпались) или же крепко затянешь резинкой?
- Продолжи эксперимент с большим количеством спагетти. Возможно, тебе потребуется стаканчик размером побольше. Можно даже попробовать использовать ведро, а в качестве груза использовать воду. Но это обязательно стоит делать там, где не страшно пролить воду (в ванной/на улице).
Наблюдения и результаты
- В результате этого опыта ты должен был обнаружить, что в пучке спагетти первыми начинают ломаться нижние макароны. Они как бы растягиваются в разные стороны. Сухие макароны очень хрупкие, они ломаются быстро вместо того, чтобы долго и медленно растягиваться (в отличие от других пластичных материалов, например, глины, которая может долго растягиваться, меняя форму). Поэтому, когда ломается первая из них, все остальные тоже вскоре начнут ломаться. Именно таких хрупких конструкций инженеры избегают при проектировании мостов и других построек. Конечно, это не единственный фактор, который приходится учитывать при строительстве мостов, чтобы они выдерживали ежедневный плотный поток машин.
