ЛАБОРАТОРИЯ КВАНТА
Я поведу тебя в музей
MС.ДВОРЯНИНОВ
АЛЕНЬКИЕ ДЕТИ ОЧЕНЬ ЛЮБЯТ книжки с картинками. Помните пословицу – лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать? Она как раз про книжные иллюстрации. Схемы, диаграммы рисунки, т.е. графические представления информации, присутствуют и в учебниках. Например, в учебнике физики для 7 класса показана комбинация подвижного и неподвижного блоков (рис. 1). Неподвижный блок служит для изменения направления действия силы (попросту говоря, для удобства), подвижный блок позволяет поднимать груз с силой, которая в два раза меньше веса груза. Такая комбинация блоков называется полиспастом. Чтобы увидеть модель той или иной машины или конструкции, можно пойти в Политехнический музей. В Москве такой музей хранит более 200 тысяч предметов. Во многих городах есть Музеи занимательной науки. Есть такой музей и в городе Нальчике – это Музей занимательных наук Энштейна. Все его экспонаты изготовлены мастерски и радуют глаз. Познакомимся с некоторыми из них. На рисунке 2 слева две одинаковые гири, соединенные нитью, находятся в равновесии. В центре рисунка масса левой гири в два раза
Рис. 1
Рис. 2
больше массы правой гири. В правой части рисунка мы видим три блока. Масса меньшей гири 1 кг. Вопрос: какова масса большей гири? Все гири на этом рисунке неподвижны, статичны. Такая модель демонстрирует явление равновесия и относится к разделу механики, который называется статикой. Экспонат на рисунке 3 относится к динамике и иллюстрирует закон сохранения энергии. На горизонтальную цилиндрическую ось слева и справ насажены две одинаковые катушки. Если мы начнем вращать ось по часовой стрелке, то обе ленты начнут наматываться на катушки, а ось будет подниматься вверх. В верхнем положении запас потенциальной энергии этой механической системы будет наибольшим. Если затем выпустить ось из рук, то ленты начнут сматываться с катушек. Центральный диск начнет вращаться против часовой стрелки, одновременно двигаясь вниз. Потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию вращающегося диска. В конце концов вся потенциальная энергия перейдет в кинетическую. Далее диск в самой нижней точке продолжит вращаться вокруг своей оси и, наматывая ленту на ось, начнет подниматься вверх. Процесс движения диска вверх-вниз будет периодически продолжаться. В итоге в результате рассеивания энергии движение, конечно, прекратится, и мы снова увидим статичную картину, показанную на рисунке. На рисунке 4 мы видим универсальную пробку, которой можно закрыть и треугольное, и круглое, и квадратное отверстие.
Рис. 3
30
КВАН T 2024/№9
Рис. 4
Диаметр круга равен стороне квадрата. Треугольник равнобедренный, его основание и высота равны стороне квадрата. На сайте «Математические этюды» (https: etudes.ru models universal-plug ) можно увидеть движение этой пробки в пространстве. А в музее Нальчика эту удивительную универсальную пробку можно взять в руки и с удивлением убедиться, как она одна может закрыть три разных отверстия. Всего в Музее занимательных наук Эйнштейна около 100 увлекательных экспонатов и 15 оптических иллюзий, которые воочию демонстрируют законы физики, математики, а также различные природные явления. Посетители могут прикоснуться к молнии, собрать мост без единого гвоздя, посидеть на гигантском стуле, создать облако своими руками, заглянуть в огромный калейдоскоп, увидеть мир глазами других и еще многоемногое другое. Экспериментировать и все трогать в музее разрешается! Некоторые экспонаты совсем простые, понятные первокласснику. Так, на рисунке 5 изображена цепочка последовательно сцепленных шестеренок. Если начать вращать концевую красную шестеренку по часовой стрелке, то в каком направлении будет вра-
Рис. 5
Рис. 6
щаться концевая синяя? А если шестеренок не 9, как нарисовано, а n? На рисунке 6 представлена модель посерьезнее. Взяв в руки довольно массивное велосипедной колесо и раскрутив его, мы почувствуем, как колесо сохраняет направление оси. При повороте оно, словно живое, так и пытается вырваться из рук. На следующих фотографиях показаны другие экспонаты Нальчикского музея. Вспомните или догадайтесь, что показывает каждый из них. К некоторым мы дадим краткие пояснения. Массивный маятник (рис. 7) может совершать колебания в различных плоскостях.
Рис. 7
31
ЛАБОРАТОРИЯ
«КВАНТА»
Рис. 8
При круговом движении его острие вычерчивает на поверхности песка разнообразные кривые. А вот модель арочного моста, построенного без единого гвоздя (рис. 8). По этому принципу в прежние времена, когда не было железобетонных перекрытий, делали полукруглые окна в домах и своды храмов. Посмотрим на горизонтально расположенные рельсы, которые (в отличие от обычных!) не параллельны (рис. 9). Каждое колесо насажено на цилиндрическую ось. Внимательно присмотревшись к осям, вы заметите, что радиусы осей непостоянны: ось большого колеса истончается к концам, а ось меньшего колеса наоборот утолщается. Под действием скатывающей силы большое левое колесо катится слева направо, меньшее правое колесо катится справа налево. Суть в том, что при движении каждого колеса по рельсам его центр масс в действительности опускается вниз. Это смещение практически неуловимо на глаз, так как изменение диа-
Рис. 9
Рис. 10
метра оси заметить трудно, и поэтому угол наклона наклонной плоскости для каждого колеса очень мал. Достаточная для движения скатывающая сила получается за счет большой массы колес. Парадокс: одно колесо катится от левого края рельс к правому, а другое – наоборот. Этот экспонат производит очень сильное впечатление. Как утверждают «Математические этюды», на рисунке 10 изображен наиболее завораживающий экспонат. Наклонный отрезок прикреплен к вертикальной оси с помощью двух соединений и может вращаться вокруг этой оси. В вертикальной плоскости имеется криволинейный разрез в виде гиперболы. При вращении отрезок проходит через разрез. Суть в том, что этот отрезок является частью прямолинейной образующей гиперболоида вращения. Надеемся, что теперь каждый читатель захочет побывать в таком интересном музее!