Физика для чайников. Весёлые качели

Данная публикация предназначена для российской блог-платформы «Дзен» и для распространения на других платформах.

Из книги Л.Я.Гальперштейна «Забавная физика»:

«”Тихо и плавно качаясь” – так называется один старинный вальс.
В нём поётся о качелях, на которых так приятно качаться.

Но качаться любят не только живые люди. Вырежь из бумаги двух человечков по нашему рисунку. Эти человечки тоже большие любители качаться на качелях. Только сами они сделать качели не умеют. Придётся им помочь.

Мы сделаем для них качели не простые, а с двигателем, чтобы сами качались. И двигатель этот будет не электрический, не паровой, не бензиновый, а… стеариновый!
Не слыхал про такой? Сейчас услышишь! Главная часть стеаринового двигателя – это кусок обыкновенной стеариновой свечи длиной 10-12 см. если свеча у тебя длиннее, лишнее отрежь.

Посередине куска свечи воткни две булавки, одну против другой. Середину надо найти поточнее. Сделай это с помощью линейки с миллиметровыми делениями.
На большую сковороду или на противень поставь два одинаковых стакана и положи булавки на их края. Только сначала подстели лист плотной бумаги или картона, который не жаль закапать стеарином. Если стеарин попадёт на противень, пироги потом будут пахнуть свечкой.

Стеариновый двигатель готов, осталось приладить к нему человечков. Укрепи их с помощью тонкой проволоки, как показано на рисунке. Видишь, человечки сидят довольно далеко от концов свечи. Ведь они боятся огня.

Теперь зажги тот конец свечи, который окажется наклонённым вниз. Когда свеча качнётся и горящий конец подымется, зажги второй конец. Скоро стеариновый двигатель заработает вовсю, и человечки будут качаться в полное своё удовольствие. Присмотрись к работе двигателя и постарайся понять, почему свеча качается. А для чего нужен противень, ты, наверное, понял сразу. Это для того, чтобы не наделать пожара.»


Уважаемый читатель!

Казалось бы, это такой простенький опыт с весёлыми качелями, который может каждый желающий провести вместе со своими детьми и внуками. Почему свеча качается, понятно: в процессе “выгорания” стеарина меняется плечо у качели. То справа, то слева капают стеариновые капли на картонную подложку, тем самым постоянно нарушая равновесие.

Можно ли говорить здесь о нарушении «центра весомости»? Или в трактовке тех, кто знает, что такое «тяжесть», говорить о нарушении «центра тяжести»? Ясно, что стеариновая свеча теряет в весе с каждой упавшей вниз каплей. Но на работу всей простенькой системы оказывает влияние лишь нарушение равновесия. Это факт. Когда мы рассматриваем подобные опыты применительно к мирозданию, то обязаны, прежде всего, опираться на факты, а не на голословные размышления будь кого. Факты – это неумолимый помощник для любого здравомыслящего.

Помню, в моём детстве было множество различных игрушек. В плане познания мира мне несказанно повезло с родителями и родственниками. К тому же и время было в советские годы весьма благополучное. В СССР вряд ли можно было найти ребёнка в те мои детские годы, у которого не побывала в руках неваляшка. Мало кто знает, что выпускали игрушку «Ванька-встаньку» в Тамбовской области на пороховом военном заводе (город Котовск). Сперва использовали скопившиеся отходы горючего целлулоида, а позже заменили на прозрачный неокрашенный пластик. В лихие 90-е годы именно выпуск неваляшки спасло завод от краха и полного разорения. В благодарность данному факту воздвигнут памятник кукле.

Я показал ряд известных и распространённых в XIX-XX веках развивающих детей игрушек, взятых из свободного доступа в интернете. Ниже текста в отзыве даю ссылку на другие популярные источники с потрясающими игрушками XIX века. Но далеко не все из них были доступны по цене обывателям. С ними познакомитесь, кому интересно, самостоятельно.

Отдельно остановлюсь на игрушке «пьющая птичка». Может показаться, что всё-таки это “вечный двигатель”?
Раз только макни её носом в воду, а дальше всё повторяется само собой.
Принцип работы пьющей птички не так уж и нов, он был использован Иоганном Бернулли (1667-1748) в термометре для измерения максимальных температур.

Интересно, что птичка будет наклоняться и “пить” раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором, а облучение её светом или теплом также заставит птичку менять частоту своих движений…

В прошлом рассказе «Крутится, вертится» были продемонстрированы опыты с разнообразными волчками, и один рисунок из «Забавной физики» я перенёс сюда тоже. Это связано с любопытным фактом, о котором не описано у Гальперштейна. Да я и сам увидел такой эффект с варёным и сырым яйцом совсем недавно.

Дело в том, что в моём хозяйстве куры несут разные по величине яйца. Известно и то, что у молодых кур яйца плотные, а у старых они больше по размеру, но содержимое столь рыхлое, что вес их меньше, чем у молодых кур. Оказалось, что в опыте с вращением сырого яйца при его остановке на мгновение рукой, всякое яйцо продолжает вращение, увлекаемое жидким содержимым под скорлупой, но в разные стороны! Если яйцо плотное или наводнённое внутри жидким белком, то оно продолжает вращение по ходу закрутки. А вот яйцо лёгкое, где воздушная полость внутри большая, после останова начинает вращение в обратную сторону. Это столь удивительно и, казалось бы, необъяснимо. Мне же как физику сдаётся, что причиной обратного вращения лёгкого яйца является упругость (сжимаемость) воздушной среды внутри яйца при его резкой закрутке. Когда останавливаю его на мгновение рукой, помимо инерционного движения жидкости, в действие вступает вторая составляющая – газовая. Почувствовав мгновенную «свободу» воздух в яйце растянулся словно пружина и дал ту составляющую, которая заставила его вращаться в обратную сторону относительно исходной закрутки.

Но вернёмся к пьющей птичке. Она вроде не совершает вращательные движения, хотя СТОП! Птичка качается как маятник! Я поместил рисунок маятника с часами для наглядности и вращающуюся Землю. Посмотрите повнимательней. Давно известно, что частота качания маятника в часах не зависит от «массы» стержня с лёгким или весомым «утяжелителем», – зависит только от длины его подвеса (от плеча качания). Качание подвеса происходит по касательной к окружности; таким образом, этот вид движения относится к вращательному.    

Пьющая птичка тоже является таким же маятником! Медленно опускает свой клюв в стоящий перед ней стакан с водой, затем выпрямляется, покачивается слегка туда-сюда, будто собирается остановиться, а через некоторое время наклоняется вновь и макает своё клюв в воду. Так птичка может пить до бесконечности, пока при наклоне под её клювом будет вода.

Кстати, есть ещё одно тело вращения, на которое мы мало обращаем внимание. Это – Земля, на которой мы все обитаем. И вертится наша планета вокруг своей оси вечно. Она будто «птичка» из данного опыта покачивается как бы на волнах, огребая своей поверхностью океанские воды и, распрямляясь в движении, таким образом получает очередной «заряд бодрости» или импульс вращению. Понятно, что в этом процессе ей помогает естественный спутник – Луна – таким образом два небесных тела связаны воедино в движении вокруг их общего барицентра.

Эта тема детально рассмотрена в совместных публикациях с Юрием Крутовым на страничках платформы «Проза.ру». Рекомендую заглянуть.

Здесь лишний раз подчёркиваю, что Земля пульсирует, те есть имеет постоянно толчок или страгивание (импульс), передаваемый энергетическим каналом от Луны дважды в сутки – вместе с приливами и отливами. Ниже я даю ссылку на видео, с подтверждением на приборе данного зарегистрированного события, как факта. Желающим рекомендую также посмотреть это короткое видео.   

Устройство игрушки “пьющая птичка”
Физическая игрушка “пьющая птичка” состоит из двух полых стеклянных шариков, соединённых узкой трубочкой. Причём, один из концов трубочки впаян в шарик так, что заканчивается недалеко от дна шарика. При изготовлении игрушки система заполняется жидкостью и запаивается. В качестве жидкости берётся легко испаряющаяся жидкость с низкой температурой кипения, например эфир или метанол. Да-да, эфир – это не только окружающая нас среда обитания, посредством которой передаются звуковые, световые, электрические и прочие сигналы в атмосфере, под водой, в ближнем и дальнем космосе. Эфиром нарекли учёные и химически летучую жидкость. Наши тела так же состоят из сегрегаций эфира, хотя об этом пока не догадываются биохимики. Каждая капля воды нашего организма опутана сегрегациями эфира. В этом можно убедиться, рассматривая внимательно свою кожу.

В игрушке “пьющая птичка” жидкость подкрашивают – для большего эффекта. Наливают жидкости столько, чтобы выступающий в шарик конец трубочки, был в неё погружен. Шарик с выступающей трубочкой – это “живот” птички, противоположный шарик – “головка”. Сверху стекло разрисовывается и декорируется под птичку: перья, шляпка, хвостик. Обязательной частью птички является клюв достаточной длины, который часто обклеивают фетром. Игрушка закреплена чуть выше живота на вращающейся горизонтальной оси и опорах, в результате чего птичка может переворачиваться вниз, т.е. “клевать”/ для приведения игрушки в действие перед игрушкой ставят стакан с водой и один раз наклоняют её, чтобы намочить клюв. А дальше всё происходит без остановки… Пока птичка сможет достать клювом воду в стакане, об остановке игрушки можно не беспокоиться!

Каковы причины “самопроизвольных” наклонов?
Изначально внутри замкнутого сосуда-птички есть легко испаряющаяся жидкость, между жидкостью и парами над её поверхностью устанавливается термодинамическое равновесие. Пары в зависимости от температуры создают давление на жидкость.
Обмакнём клюв птички в поставленный перед ней сосуд с водой и отпустим. Центр равновесия лежит чуть ниже оси вращения (ближе к животу), таким образом, птичка вынуждена будет выпрямиться.

Вода с намокшего фетрового клюва начнёт испаряться, при этом головка птички будет охлаждаться. При охлаждении головки термодинамическое равновесие нарушается. Понижение температуры паров в головке ведёт к конденсации паров эфира на внутренних стенках головки. Давление паров эфира в головке упадёт. Таким образом, давление в головке станет меньше, чем давление паров над жидкостью в животе птички. Так как выравнивание давлений становится возможным только после того, как жидкость будет вытесняться более высоким давлением паров из нижнего сосуда вверх по трубочке, уровень жидкости в трубочке начнёт повышаться. Помните основной закон Природы?: ЭНЕРГИЯ ВСЕГДА ПЕРЕТЕКАЕТ ИЗ ЗОНЫ С ПОВЫШЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ К ЗОНАМ С ПОНИЖЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ.

Это приведёт к поднятию точки равновесия над осью вращения, и птичка перевернётся, снова макая клюв в воду, при перевороте нижний конец трубочки поднимется над поверхностью жидкости, и жидкость из трубочки стекает опять вниз, а давление паров в верхнем и нижнем шарике выравнивается.
Центр равновесия опускается, птичка возвращается в вертикальное положение. Но процесс повторяется, так как клюв уже опять мокрый… Вот вам и сказка про бычка, у которой нет конца…

Если позаботиться, чтобы уровень в стакане оставался постоянным, то птичка может “пить” вечно!

Но заметьте! В результате выравнивания давлений паров в верхней и нижней частях трубочки становится меньше первоначального. В нижней части начинается испарение жидкости, а температура жидкости при этом падает. Температура жидкости в нижней части птички становится ниже температуры окружающей среды, и начинается теплопередача от окружающей среды животу птички.

Итог здесь таков: процессы в птичке можно сравнить с процессами, наблюдаемыми в тепловой машине: циклический процесс термостабилизации (abcd) происходит за счёт теплообмена с окружающей средой, при котором внутренняя энергия превращается в механическую.
На графике: ab – изотермическое расширение; bc – адиабатическое расширение; cd – изотермическое сжатие; da – адиабатическое сжатие.

Интересно, что птичка будет наклоняться-“пить” раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором. Даже облучение её каким-нибудь образом светом или теплом заставляет птичку менять частоту своих движений. Она будет реагировать по-разному, если облучать, например, голову или живот. При облучении головы она замедляет, а затем и вовсе прекращает свои наклоны. Если же направить свет или источник тепла на живот птички, то она оживляется и кланяется чаще. Птичка замирает и тогда, когда её ставят под стеклянный колпак и откачивают воздух. Создаётся впечатление, что ей нужна не только вода в стакане, но и наличие воздуха вокруг. Можно даже убрать стакан с водой, но облучать теплом или светом живот птички. В этом случае птичка тоже будет совершать свои бесконечные наклоны.

По такому незамысловатому принципу происходит термодинамический круговорот в Природе – не только в замкнутых системах, но и в условно открытых. Ведь на самом деле и Вселенную можно рассматривать как условно замкнутую систему, в которой “бесконечность” определяется круговоротом циклически повторяющихся процессов и событий. Это тоже неоспоримый факт.

Когда мне кто-то говорит, что вечного двигателя невозможно создать, то я ему отвечаю: оглянись вокруг – Земля вращается вокруг своей оси вечно, Природа и Вселенная – вечны, Творец всего сущего и несущего создал вечный Мир, который и являет собой Вечную Истину.