Когда дни становятся короче и рано темнеет, многие люди зажигают свечи. Свечи также служат отличным инструментом для науки. Так почему бы не добавить немного света в вашу науку? В этом опыте вы будете использовать свечи, чтобы исследовать баланс.
Качели - это классическое игровое оборудование для детей. Но это не только возможность весело провести время, но и отличный повод изучить простой тип машины, предназначенной для подъема тяжелых предметов (грузов).
Качели - это особый тип рычага; они состоят из длинного луча (перекладины), приложенного к оси - точке опоры. Как только вы кладете груз на одну сторону, или сами садитесь, эта сторона опускается на землю. Это происходит потому, что сила тяжести действует на вес вашего тела, притягивая его и перекладину вниз. Чтобы снова сбалансировать луч, вам нужно противодействующее усилие на другой стороне, то есть разместить другого человека с таким же весом на другой стороне перекладины.
Как вы знаете из опыта, важен не только вес, но и место, где люди сидят вдоль перекладины. Два человека с одинаковой массой тела, сидящие на противоположных сторонах луча, все еще могут изменить баланс и заставить качели вращаться, двигаясь дальше от центра луча или ближе к нему. Вращение перекладины вызвано силой поворота, также называемой крутящим моментом.
Согласно закону «рычага», качели перестают вращаться, как только силы поворота становятся равными с обеих сторон и компенсируют друг друга. Этот закон также объясняет, почему вы можете поднимать очень тяжелые предметы с помощью рычага. Когда объект на одной стороне слишком тяжел для того, чтобы вы могли его поднять, вам просто нужно отодвинуться дальше от центра балки, пока ваша сила поворота не станет больше, чем сила на другой стороне.
Кто бы мог подумать, что такие простые качели повлекут за собой такую сложную физику? Не волнуйтесь, если это звучит сложно; это станет более понятным после того, как вы попробуете сделать этот опыт, построив качели из свечей!
Для опыта понадобится:
Праздничные свечи для дня рождения
Точилка или нож
Длинная игла
Алюминиевая фольга
Два стакана одинаковой высоты
Зажигалка или спички
Взрослый помощник
Безопасное место и поверхность для использования свечей
Подготовка и проведение опыта:
Заточите праздничные свечи с одной стороны так, чтобы на одной свече получились два фитиля направленные в разные стороны.
Положите большой кусок алюминиевой фольги на рабочее место, чтобы защитить его от капелек воска.
Установите два стакана рядом друг с другом по центру алюминиевой фольги. Расстояние между стаканами должно быть достаточным, чтобы между ними помещалась игла.
Пусть взрослый помощник проткнет иглой свечу точно посередине. Если слишком трудно протолкнуть иглу через свечу, попробуйте перед этим нагреть иглу на огне.
Поместите свечу между стаканами, чтобы части иглы, выступающие с каждой стороны свечи, опирались на край каждого стакана. Что вы заметили, когда свеча оказалась между стаканами? Можете ли вы увидеть сходство между вашей экспериментальной установкой и качелями? Где находится точка опоры вашей свечи?
Если качели из вашей свечи не сбалансированы и не держат равновесия, измените расположение иглы. Как только игла окажется точно в центре свечи, качели должны быть сбалансированы.
Как только свеча уравновешена и не заваливается ни в одну, ни в другую сторону, попросите вашего взрослого помощника осторожно зажечь оба фитиля. Не зажигайте их одновременно - подождите пару секунд, прежде чем зажечь второй. Как вы думаете, будет ли разница, если оба фитиля зажечь одновременно?
Посмотрите, как горит свеча, и наблюдайте за ее движением. Свеча похожа на качели? Что происходит с качелями через некоторое время? Они остаются сбалансированным или начинают двигаться? Если вы видите движение, можете ли вы объяснить, почему качели из свечи движутся?
Убедитесь, что задули обе свечи, прежде чем они полностью сгорят.
Что можно сделать еще: повторите опыт, но на этот раз не помещайте иглу в середину свечи. Одна сторона должна быть длиннее и тяжелее. На этот раз зажгите свечу только на длинной стороне. Затем посмотрите, как горит свеча. Что происходит с качелями свечи на этот раз? Как они начинают двигаться? Можете ли вы объяснить свои наблюдения?
Наблюдения и результаты:
Вы заметили – то, что вы строили, напоминало качели? Свеча - длинный луч, прикрепленный к игле, которая действовала как точка опоры. Свечной луч мог свободно вращаться с одной стороны на другую, как настоящие качели. Поскольку вы не прилагаете никакого дополнительного веса к лучу свечи, как на качелях на игровой площадке, единственная сила, держащая его, - это вес самой свечи. Для уравновешивания качелей важно, чтобы обе силы, тянущие вниз с каждой стороны, были абсолютно равны. Это работает только в том случае, если игла находится точно по центру свечи. Если одна сторона немного длиннее, это сделает ее более тяжелой, и она упадет, как вы могли заметить. Однако если игла находится посередине, то качели сбалансированы.
Это изменилось, как только вы зажгли оба фитиля свечи. Когда свеча горит, происходит химическая реакция, которая превращает воск свечи в газ. Вы, вероятно, также заметили, что твердый воск превратился в жидкость и капнул на алюминиевую фольгу. Воск, потерянный при горении и капании, делает свечу короче и, следовательно, легче. Когда эта сторона луча свечи становится легче, она движется вверх, а другая, более тяжелая, опускается вниз. Вращение меняется, когда другая свеча теряет воск и снова становится легче. Ключом к этому колебательному движению является то, что оба фитиля свечи не сжигают одинаковое количество воска одновременно. Вот почему вы должны зажигать их один за другим. Если оба фитиля свечи зажечь одновременно, то они потеряют одинаковое количество воска, и качели из свечи останутся сбалансированными.
