©Б.Л. Злотин, ©А.В. Зусман.
Изобретатель пришел на урок
иллюстрации: ©А.Д. Гладышев, ©Н.А. Асланова
ИЗ ЖИЗНИ МАЛЕНЬКИХ ЧЕЛОВЕЧКОВ
Разговор в учительской
ИГЗ: Фигуры не имеет
ЗАДАЧИ:
ИЗ ЖИЗНИ МАЛЕНЬКИХ ЧЕЛОВЕЧКОВ
Войдя в класс, Изобретатель остановился у стола, вынул из кармана карточку и прочитал: «Жидкость можно уподобить отряду солдат, ламинарное течение — четкому походному строю, турбулентное — беспорядочному движению. Скорость жидкости и диаметр трубы — это скорость и величина отряда. Вязкость — дисциплина, плотность — вооружение. Чем больше отряд, чем быстрее маневры и чем тяжелее вооружение, тем раньше расстраивается походный порядок. И так же в жидкости турбулентность возникает тем быстрее, чем она тяжелее, чем меньше вязкость и больше скорость и чем больше диаметр трубы».— Сначала ответьте, какой метод использовал, автор этого рассуждения?— возразил Изобретатель.
— Конечно, метод маленьких человечков!
— Это, наверное, кто-то из ваших коллег, специалистов по ТРИЗ!
— Не угадали,-— усмехнулся Изобретатель.— Это еще в прошлом веке написал Осборн Рейнольде, один из создателей теоретической гидродинамики, очень сложной науки.
— Сложной? Вроде все так просто!
— Это благодаря маленьким человечкам, — сказал Изобретатель и подошел к
большой магнитной доске, которую заметил еще во время первого урока.
Достав из коробочки шесть квадратиков с изображениями маленьких
человечков, он со звоном прилепил их к металлу. Затем прикрепил над
ними еще шесть вверх ногами. Новые человечки были другого цвета. Все
держались друг за друга. Изобретатель написал мелом В1, и В2 против
каждой группы человечков.
— Человечки В1 держатся друг за друга с силой F1,1 — сказал Изобретатель.— Человечки В2 — с силой F2,2. А с какой силой держатся человечки В1 и В2 между собой? Правильно, F1,2. А теперь давайте порассуждаем, какие значения может принимать сила F вообще?
— В твердом теле F большая, а в жидкости маленькая, почти ноль.
— А в газах?
— Может быть, отрицательная? Человечки в газах отталкиваются...
— Хорошо, пусть будет отрицательная. Смотрите, что у нас получается,— Изобретатель стал рисовать табличку:
| + | 0 | - | |
| F1,1 | x | ||
| F1,2 | x | ||
| F2,2 | x |
1 I Давайте посмотрим, что получится, если «поиграть» силой сцепления человечков. Каждая сила может принимать одно из трех значений: -(-, -г, 0. Изобразим это в виде крестиков: — Что получается?
— Сверху твердое тело, снизу жидкость,
— Жидкость не льется вниз, ее держит твердое тело. Разве так бывает?
— Давайте подумаем, бывает так или нет.
Ребята задумались. В кабинете было тихо. Изобретатель не торопил их, медленно прохаживаясь между рядами столов. Догадаются или нет? Ведь это явление они сотни раз наблюдали. Даже здесь, в кабинете, его можно увидеть!
— Да вот же! — вдруг воскликнул один из мальчиков, указывая на кран, под которым висела капля воды.
— Правильно, это явление называется смачиванием! — сказал Физик. — Правда, этот материал мы еще не проходили.
— Ничего страшного! — ответил Изобретатель.— Потом это все будет серьезно, с формулами, а сегодня мы просто разберемся, что к чему. Продолжаем. Пусть силы останутся прежними, а вот самих человечков мы сейчас перестроим.
Изобретатель развернул человечков на доске так, что теперь
граница раздела между В1 и В2 стала вертикальной. Что получилось?
Ребята молчали. Изобретатель понял, что схема оказалась слишком сложной. Он вынул из коробки еще кучку человечков и «достроил» картинку.
— Это стакан с водой! — теперь ребята догадались.— Человечки стакана окружили человечков воды и не дают им убежать.
— Все так считают? — спросил Изобретатель.
— Да! Да!
— А я думаю иначе. Вы забыли про силу F1,2 — смачивание. Ведь твердые человечки притягивают жидких. Что должно получиться? Кто исправит картинку?
К доске вышла девочка и решительно взялась за человечков. Вот как это выглядело.
— Человечки твердые, которые наверху, должны тянуть к себе человечков жидкости. И они поползут вверх по стенке!
— Но тогда они могут вылезти из стакана совсем! — засомневался кто-то из ребят.
— Нет, не вылезут! Ведь есть сила тяжести! Гравитационное поле, тяжелая.
— Хорошо! А как сделать, чтобы человечки воды поднимались выше?
— Нужно увеличить силу F1,2.
— Пусть твердых человечков будет намного больше, чем жидких, тогда их легче будет тащить вверх!
— Молодцы, ребята! —- похвалил своих учеников Физик. Он подошел к шкафу и достал из него несколько тонких трубок, блюдце и маленькую бутылочку с черными зернышками. Налил в блюдце воды, бросил туда зернышко марганцовки. Вода тут же окрасилась в розовый цвет. Физик опустил трубки в воду и пригласил ребят к столу посмотреть на эффект, который они только что сами открыли,-— Эти трубки называются капиллярными,— пояснил он.— Они очень тонкие, в них как раз и получается твердого вещества (стекла) много, а воды мало. А почему в этой трубке вода не только не поднимается вверх, ее уровень даже ниже, чем в блюдце?
Ребята обратили внимание на эту странную трубку. Да ничего странного! Просто человечки этой трубки не пускают человечков воды, отталкивают их! — Это явление называется несмачивание,— сказал Физик.— Разные вещества по-разному относятся к жидкостям: некоторые смачиваются, другие нет. Да и сами жидкости могут вести себя по-разному, одни смачивают чуть ли не все вещества, а другие очень и очень разборчивы. Например, все жирные вещества водой не смачиваются. Вот эту трубку я смазал маслом.
— Между прочим, как вы думаете, что будет, если на поверхность воды положить тонкую иголку, смазанную жиром?— спросил Изобретатель, доставая иглу. Он аккуратно опустил ее на воду.
— Плавает, Человечки стараются!
Ребята подталкивали друг друга, чтобы лучше рассмотреть. От одного неосторожного толчка стол качнулся и игла... утонула! — Как это объяснить? — спросил Изобретатель.-— Почему игла утонула?
— Маленькие человечки воды слабые, чуть-чуть друг за друга держатся. Они расступились от толчка, вот игла и утонула.
— Как на войне: если все твердо стоят, враг не пройдет! А если найдутся трусы, побегут — всем не устоять.
Ребята вернулись на свои места. А Изобретатель снова переставил человечков, Теперь человечки твердые были снизу, а жидкие — сверху.
— Новое условие. Человечки твердого тела не хотят иметь никаких дел с жидкими человечками. Сила F1,2 — отрицательная. Что будет с жидкостью?
— Твердые человечки отбросят жидких!
— Нет, вы учтите, что силы отталкивания действуют только на очень малых расстояниях. Эти силы имеют молекулярную природу. Как только человечек жидкости оторвался от твердой поверхности, сила отталкивания исчезнет.
— Тогда получится пирамидка вершиной вниз! — на
доске появилась новая картинка.— А пирамидка не рассыплется? — спросил Изобретатель.
— Может рассыпаться.
— А что сделать, чтобы не рассыпалась?
— Прижать их сверху другими человечками, Теперь картинка приняла вот такой вид.
— Получается шарик! Ртуть, когда выльется, тоже скачет шариками!
— Верно. Но мы забыли еще об одной силе, когда строили наши пирамидки. О какой?
— О силе тяжести!
— Да. А как она скажется на наших картинках? Ведь правильный шарик получается только тогда, когда капля в невесомости. А если сила тяжести есть?
— Верхние человечки будут стремиться вниз, капля немного сплющится.
— В принципе правильно. Здесь уже важно, каково соотношение между силой тяжести и силой сцепления между собой жидких частиц —F1,1. Если человечков жидкости мало, то капля будет более круглой. А если человечков жидкости много, тогда капля растечется. Хотя края ее все равно будут скругленными, несмачивание останется. А почему ртуть, несмотря на силу тяжести, становится шариком?
— У нее очень большие силы сцепления!
— Верно. Но если удается собрать большую каплю ртути, то она тоже сплющивается. А вообще эксперименты с ртутью опасны — испарения ртути ядовиты. Лучше работать с подкрашенной водой, маслом.
Мы познакомились с двумя вариантами взаимодействия В1 и В2. Рассмотрите другие варианты. Что интересного вы получите? Подумайте над этим.
ИЗ ЖИЗНИ МАЛЕНЬКИХ ЧЕЛОВЕЧКОВ
Разговор в учительской
ИГЗ: Фигуры не имеет
ЗАДАЧИ:
РАЗГОВОР В УЧИТЕЛЬСКОЙ
— Знаете, всегда считалось, что материал должен излагаться последовательно, по программе, иначе не будет прочных знаний, нарушится логика освоения науки. Да и непонятно будет. Не вредно ли все-таки забегать вперед?
— Вы же видели, они в материале разобрались, хотя, конечно, на примитивном уровне. Впрочем, может быть, и не стоит называть их понимание примитивным. Они разобрались в механизме действия молекулярных сил. Когда потом будут изучать его подробно, с математическими выкладками, понимание механизма поможет им. Я прочитал кое-что о педагогах-новаторах. Так вот, учительница С. Н. Лысенкова всегда «забегает» вперед, обучая малышей. Она решает с ними задачки на «будущие» правила, не рассказывая об этих правилах, не требуя, чтобы все решили. Но когда доходит очередь до этих правил, они усваиваются легко даже самыми слабыми ребятами, потому что они уже знакомы.
— Не верите?
— Я столько повидал ко всему равнодушных ребят.
— Советский психолог Р. М. Грановская как-то очень образно написала: «Традиционные методы передачи знаний иногда приводят к тому, что естественный процесс удовлетворения жажды познания превращается в хроническую травму для учащихся». Понимаете? Естественный процесс!
— Может быть, и так... Помню, как изводил меня вопросами мой трехлетний сын.
— А сегодня ему сколько?
Физик вздохнул:
— Пятнадцать. И вопросов он уже не задает.
— Да, это одно из самых тяжелых обвинений в адрес школы и традиционной системы обучения! Но, кроме инстинкта новизны, есть инстинкт узнавания: человеку всегда приятно опознать уже знакомое, известное. Сколько раз наблюдал: передают по радио музыку, в ней что-то знакомое. «Да это же увертюра Бетховена «Эгмонт»,— скажет кто-то. И радуется потом, когда после окончания диктор подтвердит: действительно, увертюра Бетховена. Приятно чувствовать, что ты знаешь. Вот на этот инстинкт и «работает» опережение программы. А насчет нарушения логики науки... Так ведь она создавалась далеко не логично. А как захватывающе интересна действительная история науки...
ИЗ ЖИЗНИ МАЛЕНЬКИХ ЧЕЛОВЕЧКОВ
Разговор в учительской
ИГЗ: Фигуры не имеет
ЗАДАЧИ:
ИГЗ: ФИГУРЫ НЕ ИМЕЕТ
"В XIX веке гидродинамики разделялись на инженеров-гидравликов, которые
наблюдали то, чего нельзя объяснить, и математиков, которые объясняли
то, чего нельзя было наблюдать..."Это насмешливое высказывание принадлежит английскому физику С. Н. Хиншелвуду, президенту Лондонского королевского общества (английской академии наук) в шестидесятых годах...
А чем, собственно, отличается жидкое от твердого? Жидкость занимает любой объем, принимает любую форму, своей «фигуры не имеет», течет, перемешивается, а твердое неизменно? Но за миллионы лет «течет» и земная кора, под высоким давле¬нием может «течь» очень твердая сталь, не говоря уже о мягком свинце или золоте. А если ударить очень быстро по воде — она будет твердой! Вода не успевает в этом случае расступиться. Изобретатель вспомнил один свой неудачный прыжок в воду с вышки — полгода о нем напоминала ушибленная спина. Между прочим, страх травмы очень мешает спортсменам. Противоречие: накануне ответственных соревнований очень нежелательно удариться о воду, но именно перед ними нужно постоянно тренироваться. Хорошая учебная задача, подумал Изобретатель: В1 — человек, В2 — вода, П — вредное поле взаимодействия. Вредный веполь. Можно разрушить его введением модификации В2 — «мягкой» воды. Для этого нужно воду насытить воздушными пузырьками. Под водой бассейна прокладывают трубы, по которым в зону прыжка подают воздух.
Жидкости взаимодействуют с твердыми телами. Здесь много «хитростей». Пористое тело втягивает в себя воду или другую жидкость, набухает и увеличивается в размерах. При этом возникают достаточно большие распирающие усилия. Древние египтяне вбивали в щели камня клинья из виноградной лозы и смачивали их. Клинья разбухали и ломали камень!
Жидкость может «прилипать» к твердому телу — всем известное явление смачивания. А изобретатели его применили нестандартно: придумали инструмент для захвата очень мелких деталей, которые нельзя ухватить пинцетом. С виду он похож на обычную перьевую авторучку. Нажимаешь на колпачок, выступает капелька жидкости и «прихватывает» деталь.
Мчится вперед корабль, рассекая острым носом воду, расходятся в стороны волны — усы. На создание этих волн, к сожалению, тратится немалая доля топлива, сгорающего в машинах. И вот в начале тридцатых годов русский конструктор В. И. Юркевич предложил французской фирме «Пеноэ», строившей рекордно быстроходный трансатлантический лайнер, необычное усовершенствование. В его проекте на носу корабля ниже ватерлинии имелось странное утолщение, которое назвали «бульб» (в переводе с латыни — «луковица»). Это утолщение было рассчитано так, чтобы оно толкало находящиеся над ней слои воды вверх, туда, где должны были образовываться впадины боковой волны. Благодаря этому волны ослабевали, волновое сопротивление падало. Перед носом «Нормандии» — первого судна с «бульбом Юркевича», кипела водовоздушная эмульсия, пена засасывалась под воду и обволакивала корпус корабля, снижая трение о воду.
Паровой котел устроен просто: большая кастрюля, в которой кипит вода и неторопливо поднимаются вверх пузырьки пара. Только пар получается плохой, влажный — пузырьки увлекают за собой воду, его приходится осушать. Да и размеры котла очень велики. Увеличить выход пара тоже сложно, например, бессмысленно увеличивать подогрев — у поверхности стенок котла образуется паровая прослойка, резко снижающая теплопередачу от стенок воде. Советский инженер И. В. Котельников нашел принципиально новое решение парогенератора. Вода, перегретая под давлением до температуры 150—200 градусов, врывается по касательной в круглый барабан и закручивается с очень высокой скоростью. Сила инерции отжимает ее к стенкам и заставляет всплывать пузырьки во много раз быстрее, чем в обычных условиях. В центре барабана образуется сухой пар — ведь капли воды отброшены центробежной силой к стенкам. Выход пара с одного квадратного метра нового парогенератора в 25 раз больше, чем у котлов старого типа.
На виброплиту поставили стакан с обычной водой и включили вибрацию. В воде моментально появились отдельные мелкие воздушные пузырьки. Но вопреки закону Архимеда они не всплывают, а собираются на дне. Произошло мгновенное перемешивание воды с воздухом. Это явление, впервые обнаруженное советскими учеными, было названо вибротурбулизацией. Подбирая частоту вибраций, можно почти мгновенно перемешивать разные жидкости, жидкости с газами или твердыми включениями, сбивать кремь! или сливочное масло. А можно наоборот, разделять твердую, жидкие и газообразные фракции смеси. Удовлетворительного физического объяснения этого эффекта до сих пор нет.
Удивительных высот достигло искусство хождения под парусом на самом закате парусного судоходства. Клиперы (название произошло от английского слова и означает стричь, обрезать) резали волны со скоростями до 20 узлов (37 км/час), но в конце концов парус проиграл битву с паром. Бесплатная движущая сила ветра не компенсировала сложность управления парусами, необходимость держать для этого большую команду. Были попытки использовать ветер по-иному: в двадцатых годах нашего века немецкий инженер Антон Флеттнер установил на палубе небольшой шхуны, с которой были сняты мачты, два вращающихся цилиндра высотой 13 метров и диаметром 1,5 метра. Цилиндры вращались электромоторами. Когда на них набегал ветер, трение воздуха с той стороны, где направление вращения совпадало с направлением ветра, увеличивало скорость воздуха, а с противоположной уменьшало. А где выше скорость, там меньше давление (закон Бернулли). И на ротор начинает действовать сила, движущая судно. Этот эффект открыл в середине прошлого века немецкий физик Генрих Густав Магнус. Ротор Флеттнера может создавать при равных размерах значительно большую тягу, чем парус. Но в двадцатые годы идея его никого не заинтересовала. Топлива было достаточно, оно было дешево, возиться с новым типом судна никто не хотел. Сегодня же, когда человечество вплотную столкнулось с энергетическим кризисом, постепенно возрождаются парусные суда, ведутся работы и с роторными ветроходами.
Изучаются и другие возможности практического применения эффекта Магнуса: использование роторов вместо крыльев ветродвигателя и даже лопастей вертолетного винта. Просматривается принципиально новый двигатель для судов, лишь отдаленно напоминающий обычный винт,— вместо лопастей у него три ротора, а четвертый — вместо руля. Такая удивительная конструкция уже испытана и дала неплохие результаты. На небольших судах роторные рули (правда, пока с обычным винтом) уже используются.
Наверняка каждый слышал о роли науки аэродинамики в авиации. Как ни странно, на заре развития авиации роль эта была вредной, отрицательной. К сожалению, так бывает нередко — теория отрицает возможность создания принципиально нового устоойства, а энтузиасты, несмотря на это, его создают. Потом порой через много лет находится и теоретическое объяснение. Так было, например, с сверхдальней радиосвязью. Короткие волны «отдали» радиолюбителям, так как считалось, что они могут распространяться только на малое расстояние. А любители начали налаживать связи через континенты. Только тогда ученые всерьез исследовали вопрос и открыли ионизированные слои в земной атмосфере, отражающие радиоволны. Сегодня такое же положение с использованием омагниченной воды: ее уже лет тридцать применяют в разных областях техники, а в печати продолжают появляться статьи, утверждающие, что это невозможно, так как противоречит теории.
В аэродинамике со времен Ньютона господствовало убеждение, что крыло птицы в полете поддерживается давлением набегающего потока воздуха, создающего подъемную силу. Английский ученый Райли вывел формулы, позволяющие рассчитывать величину подъемной силы и лобового сопротивления полету. И из них следовала невозможность создания летательных аппаратов тяжелее воздуха. Но формулы загипнотизировали не всех. Немецкий инженер Отто Лилиенталь, занимаясь исследованием обтекания воздухом пластин разной формы, пришел к выводу, что изогнутые пластинки дают куда большую подъемную силу, чем это вытекает из расчетов. Он первым перешел от расчетов к экспериментальным полетам на самодельном планере. И погиб... Эстафету подхватили братья Уилбур и Орвилл Райт, велосипедные механики по профессии. Не доверяя формулам (а может быть, и не зная ничего о них), они сами изготовили аэродинамическую трубу из ящика и испытали в ней около 200 разных профилей крыльев. 17 декабря 1903 года их самолет совершил первый полет. Он длился 59 секунд и стал началом эры авиации.
Первое время аэродинамика «не замечала», что самолеты летают вопреки ее предсказаниям. Иногда указывала, что это — случайность, предельный вариант и будущего у самолетов нет. Но самолеты совершенствовались, опровергая высказывания скептиков. И тогда расчетами занялся наш великий соотечественник— Николай Егорович Жуковский. В ноябре 1905 года он сделал в Математическом обществе доклад «О присоединенных вихрях», в котором заложил основы теории обтекания изогнутого крыла. А в 1910—1911 годах появились одновременно работы Н. Е. Жуковского и другого выдающегося нашего аэродинамика Сергея Алексеевича Чаплыгина, позволяющие точно вычислить подъемную силу крыла. Между старыми и новыми формулами была значительная разница. По старой теории подъемная сила создавалась небольшим количеством воздуха, контактирующего с плоскостью. А по теории Жуковского в ней участвуют огромные массы воздуха, не примыкающие к крылу непосредственно. Теперь, когда полеты получили теоретическое обоснование, развитие авиации пошло намного быстрее.
К твердому телу может «прилипать» не только жидкость, но и газовая струя. Это явление открыл при весьма драматических обстоятельствах румынский ученый А. Коанда. В 1910 году (!) он испытал в полете первый в мире реактивный самолет собственной конструкции, с двумя двигателями по бокам фюзеляжа, После разбега самолет взлетел, пролетел несколько десятков метров и упал. Смелый пилот отделался ушибами, но его очень заинтересовало необычное явление: бившие из двигателей языки пламени присасывались, буквально прилипали к фюзеляжу, прикрытому стальными листами. Это прилипание сегодня позволяет создавать высокоэффективные сопла для горелок, улучшить работу аппаратов на воздушной подушке и судов на подводных крыльях.
С присасыванием струи к фюзеляжу пришлось столкнуться и А. Н. Туполеву при создании дальнего реактивного бомбардировщика ТУ-16 (впоследствии на его базе был создан пассажирский самолет ТУ-104). Реактивные двухмоторные самолеты уже строились вовсю, и обычно двигатели устанавливали на некотором удалении от фюзеляжа. Такое расположение двигателей затрудняло их крепление, утяжеляло самолет, ухудшало его аэродинамические качества. Но оказалось, что это и не нужно. Просто так делали по привычке, ведь на винтомоторных самолетах ставить двигатели близко к фюзеляжу нельзя, нужно место для вращения винтов. А. Н. Туполев преодолел сложившуюся инерцию и поставил двигатели прямо около фюзеляжа. Но для того, чтобы струя пламени не присасывалась, двигатели разместили под некоторым углом к направлению полета, струи при этом уходили в сторону. Провели первые испытания и удивились: скорость нового самолета оказалась выше расчетной, хотя обычно бывает наоборот. После проведенных исследований загадка была раскрыта — часть струи все-таки касалась фюзеляжа и «слизывала» с него приграничный слой воздуха, создающий повышенное сопротивление при полете.
Во время войны выяснилось, что стабилизатор бомбы, обеспечивающий строго вертикальное падение, плохо работает у бомб большого калибра (тонна и больше). Опыты показали, что для нормальной работы он должен быть существенно больше, но бомба с таким стабилизатором не помещалась в бомбовом отсеке самолета. И тогда было предложено надеть на бомбу тонкое кольцо в месте ее самого большого сечения. Это кольцо при падении «возмущало», турбулизировало воздух, а турбулентный поток лучше прижимался к корпусу бомбы и повышал эффективность стабилизатора.
За движущимся предметом возникает зона разрежения, тормозящая движение. С этим явлением борются, пытаясь создать такой профиль оконечности, чтобы линии потока воздуха или жидкости плавно обтекали предмет. А почему бы не повысить в зоне разрежения давление искусственно? Например, закрепить у артиллерийского снаряда сзади небольшую пороховую шашку, чтобы продукты ее сгорания заполняли пусготу. Оказалось, что такой снаряд летит существенно дальше. Интересно, не по этой ли причине у гоночных автомобилей и мотоциклов всегда задраны вверх выхлопные трубы?
Задача 18. Хорошо играть в настольный теннис мягкой ракеткой. После крученого удара шарик летит по весьма хитрой траектории. Впрочем, это бывает не только в пинг-понге. Известен коварный удар «сухой лист» в футболе, когда мяч летит совсем не туда, куда, казалось бы, должен. Несколько лет назад один футболист вдруг начал бить «сухим листом» постоянно. Оказалось, что он немного «усовершенствовал» свои бутсы. Правда, в награду за эту «рационализацию» его дисквалифицировали. Что он сделал?
Задача 19. Искусственные алмазы нередко получаются с трещинами. Такие кристаллы нельзя ставить в инструмент — развалятся во время работы. Пробовали их раскалывать по трещинам легкими ударами. Трещиноватые разваливались, но в осколках появлялись новые трещины. Как быть?