Камерой обычного мобильного телефона можно наблюдать некоторые физические процессы, которые заметить невооруженным глазом практически невозможно. Плюсы таких наблюдений очевидны - мобильник с камерой есть практически у всех. Поэтому, у нашего читателя не возникнет никаких трудностей, как для повторения наших опытов, так и для постановки собственных идей.

Пусть качество видео и фото будет невысоким, и вроде бы все можно посмотреть в Интернете, уже заснятое и сфотографированное в лучшем виде. Но здесь мы видим другой интерес - интерес исследователя, интерес в получении собственных данных.

Какие физические процессы мы можем наблюдать? Можно сделать фото очень быстрого физического взаимодействия или, наоборот, очень медленного, или проследить движение светил по небесной сфере, можно заняться азами астрофотографии. Последний вариант с Луной мы еще  продемонстрируем ниже, а сейчас посмотрим на движение светил. Самое заметное светило на нашем небе это, конечно же, Солнце. 

Включим камеру своего мобильника на запись и оставим на 1-2 часа неподвижно снимать обыкновенный закат за окном:

Проматывая затем видео на шестикратной скорости мы в явном виде получаем суточную параллель для Солнца. А вот как суточная параллель выглядит в учебнике астрономии:

Как видите, наш опыт по выявлению суточной параллели неплохо дополняет теорию.

музыка: Mozart "Rondo Alla Turca"

Редактор физического блога, правда, пытался направлять взор камеры мобильника на Луну:

Вышло размыто, но весьма забавно, видны даже крупные кратеры:

Естественно, для получения подобных фото Луны нам пришлось вооружить нашу мобильную камеру телескопом-рефрактором 20-40-кратного увеличения. Камера мобильного телефона располагалась в зоне построения изображения окуляра телескопа (или одной из труб бинокля).

На фотографии выше ясно видна синяя окантовка диска - это, так называемые, хроматические абберации. Что, впрочем, уже довольно далеко отходит от темы нашего сегодняшнего обсуждения.

"Буря в стакане воды" - знакомое выражение, означающее некий пустячный, не стоящий и выеденного яйца, повод, почти про наш сегодняшний опыт. Интересно, что не только смысл этого выражения подпадает под идеологию нашей демонстрации, но и сама суть: мы будем делать бурю, или "торнадо", как вам будет угодно, в небольшой стеклянной колбе.

Рассмотрим самодельную колбу из лампы накаливания, и наполним ее водой. Перевернем колбу над раковиной. Вода потечет вниз, спасибо, капитан, но не торопитесь особенно. Раскрутите колбу по/против часовой стрелки:

Что здесь произошло? Ну, во-первых, вода вылилась гораздо быстрее. Как-будто мы уравновесили давление воздуха в колбе другим отверстием. Но мы колбу не сверлили. Да и надобности особой в этом нет.

Физика процесса проста и по сути подобна по смыслу второму отверстию. В центре столба воды колбы создается разреженно-турбулентная среда, куда устремляется воздух, уравновешивая давления внутри и вне стеклянной преграды.

А только ли колба способна на такие фокусы. Редактору блога что-то неумолимо подсказывет, что любая пластиковая бутыль мечтает изобразить торнадо внутри себя. Следите за обновлениями!

Сегодня мы попытаемся самостоятельно изготовить колбу, которая является основной частью конструкции самодельного гелиографа Кэмпбелла-Стокса, или по-простому - гелиорегистратора.

Конечно, колбу можно приобрести в готовом и красивом виде набора "Юный физик" где-нибудь в магазине, но мы постараемся сделать этот вид химической посудины из подручных материалов. Первое, что напоминает по форме колбу, и везде встречается - это обыкновенная бытовая лампочка накаливания. Энергосберегающие экземпляры выживают ее, но найти сгоревшую вольфрамовую лампочку в настоящее время не составляет труда. Важно проследить, чтобы перегоревшая лампа была еще крепкой, железная часть не шаталась и плотно прилегала к стеклу, а внутренняя поверхность была прозрачной, без черного пятна нагара. Лучше взять экземпляр помощнее, мы используем перегоревшую лампу мощностью 200 Вт.

Прежде чем мы расскажем об итогах нашего опыта, небольшое предостережение:

Опыт является трудоемким и требует повышенной концентрации, специальных знаний и умений. Мы настоятельно просим вас быть внимательными, выполнять основы правил техники безопасности, никогда не выполнять опыт в одиночку.

Итак, расскажем, что же в итоге у нас получилось.

Внутри будущей колбы находятся посторонние элементы, которые необходимо удалить, не повредив при этом тонкое внешнее стекло:

Для начала кусачками либо крепкими ножницами снимаем бывший контакт лампы. Под контактом находится хрупкий стеклянный герметик. Используя отверстие для проводов, подходящей отверткой аккуратно расширяем его.

Стараясь действовать максимально осторожно, скалываем ненужные части стекла. Готова верхняя часть нашей будущей колбы:

Теперь дело за малым - высвободить внутренности лампы. Мы выбрали тактику заморозки воды. В расчете на расширение льда при замерзании жидкости и растрескивании внутренней полости в лампе, закапываем внутрь воду при помощи пипетки:

Важная деталь: нигде кроме нужной области воды быть не должно. Посторонние капли на морозе легко повредят внешнюю поверхность лампы. Ставим лампу за окно:

В теплое время года для этих целей отлично подойдет морозильная камера. В нашем случае морозилка оказалась за окном. После двух часов ожидания нас ждет первое разочарование. Расширения льда явно недостаточно для деформации стекла. Командование опыта решает добавить воды:

Проходят очередные два часа на морозе -18^оС. Вновь не удалось добиться деформации стекла расширением. Вероятно, лампа достаточно мощная и стекло не такое хрупкое.

Чтобы успешно завершить опыт, отверткой совершаем вращательные движения в полости. В результате лед медленно растрескивает стекло - цель достигнута:

На следующем этапе нужно удалить мусор из колбы. Для начала при помощи надфиля аккуратно и неспеша стачиваем внутренний верхний острый край у основания колбы. При помощи пинцета и потряхивания колбы с небольшим количеством воды, окончательно освобождаем ее от мусора.

Получается следующая картина. Колба, рабочее тело гелиографа, практически готова.Обратите внимание на красоту вольфрамовой нити:

Заполняем водой и проводим первые тестовые наблюдения:

Как вы считаете, какие пространственные масштабы характерны для обычной шариковой ручки? Почти каждый день мы держим ее в руках, пишем лекции на парах, делаем домашние задания по физике, решаем задачи. Ну, чтобы в руку умещалась, что-то около порядка дециметров, наверное.

Хорошо, ну а что касается линии, которую оставляет за собой авторучка. Если стержень пишет достаточно тонко, то ширина полосы из чернил чаще всего не превышает 0.7 мм. Обычная авторучка взаимодействует с бумагой на масшатабах менее одного миллиметра. Вот такой вот микромир у нас под боком. Что "видит" на таких масштабах шарик, находящийся в стержне? Какие взаимодействия с окружающим миром он испытывает? Это мы как раз и узнаем, добыв самую крошечную деталь самого привычного пишущего инструмента.

Для осуществления задуманного нам понадобится закончившийся стержень от авторучки, ножницы и немного ловкости и сноровки. При помощи ножниц, небольшим усилием, освобождаем шарик из плена. Будьте внимательны, размеры его настолько крошечны, что тут же потерять героя нашей статьи не составит труда.

Масштабы обыкновенной авторучки сравнимы с микроскопическими

В нашем случае, после всех действий по добыче шарика, получилась следующая картина:

Шарик от авторучки на листе белой офисной бумаги. Обратите внимание, что на близких к микроскопическим масштабах видна тонкая и неоднородная структура бумажного листа, всегда белого и гладкого на вид.

Ясно видны шероховатости бумажного листа. Собственно, эти волокна и помогают нам оставлять след чернил на бумаге, создавая необходимое трение. Только вспомните попытки написать что-нибудь на гладкой глянцевой бумаге шариковой ручкой. Сами чернила из стержня оказываются на шарике из-за вязкости. В действии еще и капиллярный эффект, который удерживает чернила от вытекания из стержня. Впрочем, ручка у вас, тоже, вероятно, хоть раз, но "вытекала" - сила тяжести способна иногда победить капиллярные силы за несколько часов.

Характерные размеры шарика от авторучки

Если рассуждать о размере шарика, то за основу пространственной оценки следует взять ширину оставляемой авторучкой линии - 0,7 мм. Тогда, приняв диаметр шарика за 0,7 мм, а радиус R = 0.35 мм, мы получим оценку для его объема:

V = (4/3)·πR³ = 0.18 мм³

Определим примерную массу, взяв материал шарика, как нержавеющая сталь (ρ ≈ 7700 кг/м³ = 7.7 ·10^-3 г/мм³ ):

m = ρ·V = 7.7 ·10^-3·0.18 ≈1.4 ·10^-3г = 1.4 мг

Итак, для массы шарика от авторучки, мы получаем оценку примерно в полтора миллиграмма.

Опыт с поверхностным натяжением жидкости

Возьмем емкость с водой, и определим на водную поверхность небольшую каплю растительного масла:

Шарик от авторучки на капле растительного масла, расположенной на водной поверхности.

Шарик и не думает тонуть и спокойно держится на маслянистой поверхности. В этом случае, мы можем говорить о недостаточной силе тяжести, чтобы преодолеть вязкость растительного масла. Обратите внимание на форму капли масла - правильная окружность достигается все той же силой поверхностного натяжения.

Теперь внесем немного беспорядка в эту уравновешенную систему. Дотронемся кусочком хозяйственного мыла до поверхности с шариком:

Что мы получили в результате. К сожалению, по нашей задумке, поверхностно-активные вещества мыльного кусочка не успели повлиять на силы поверхностного натяжения масла, и, в результате нечаянного механического воздействия, шарик сваливается с масляного пятна и довольно быстро опускается на дно. Вязкость воды при этом почти не препятствует его движению.

Совершенно ненарочно мы получили немного другой по физике процесса опыт. Быть может наш читатель будет успешнее. В целом же, опыт с изменением сил поверхностного натяжения достаточно популярная демонстрация по физике на протяжение уже десятков лет. Чтобы убедиться в этом, смотрите, например, опыт о камфорной лодочке из нашего обзора книги Уилльяма Брэгга "О природе вещей" 1926 года выпуска.

В замечательной книге "Энциклопедический словарь юного астронома" составитель Н. П. Ерпылев, издательство Педагогика, 1986 года выпуска, есть статья, описывающая процесс создания самодельного гелиорегистратора - аналога прибора под названием Гелиограф для записи длины ясного дня.

Гелиограф Кэмпбелла — Стокса (источник: википедия)

Энциклопедический словарь юного астронома 1986 336с.djvu>>

За четверть века,что прошли со времени издания статьи многое изменилось. И если найти стеклянный шар для гелиографа совсем сложно, то и колбу отыскать сегодня тоже нелегко. В нашем физическом блоге мы рассмотрим альтернативную концепцию самодельного гелиорегистратора.

Загрузить эту анимацию по физике на свой компьютер >>

Основываясь на этой концепции, мы постараемся сконструировать собственную самодельную модель гелиорегистратора и провести с ее помощью пробные наблюдения солнечной активности.

Следите за обновлениями рубрики!

По определению, маятник Максвелла - это массивный диск, подвешенный за ось на две нити. При наматывании нитей на ось маятник поднимается вверх. Если маятник Максвелла отпустить, то он станет совершать возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости, вращаясь при этом вокруг горизонтальной оси.

На лабораторных работах по физике при помощи демонстрации маятника Максвелла показывают переход между потенциальной и кинетической энергиями, а также вычисляют момент инерции цилиндрического твердого тела относительно оси симметрии.

Опять же, в лаборатории физического кабинета есть превосходные модели маятника Максвелла. Мы, в свою очередь, изготовим сегодня простейшую модель, состоящую из подручных средств. Надо сказать, что у редактора физического блога на создание модели маятника Максвелла ушло 7 с половиной минут. Не верите? Тогда вам наверное стоит попробовать.

Набор вещей, необходимых для опыта.

Из листа делаем трубку и закрепляем в диск маятника. Прорези служат для фиксации нитей. На концах каждой нити необходимо оставить узелок.

Маятник Максвелла на старте!

Демонстрация маятника Максвелла, выполненная в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ:

Этот опыт расчитан на демонстрацию реактивного движения, а также на иллюстрацию закона сохранения импульса. Насколько скучной и сухой кажется теория нашего эксперимента, настолько мокрым и интересным будет настоящий запуск ракеты!

Ну а пока наберемся терпения и обратимся к теории, что именно мы должны знать о механизме полета ракеты.

Прежде всего кратко изобразим на рисунке схематичную модель ракеты. Нам неизвестна сила тяги F_тяги и ничего неясно о силе вылета воды из сопла, к тому же как измерить давление внутри ракеты? Что же здесь можно предпринять? Применим закон сохранения!

Уравнение закона сохранения импульса для нашей ракеты есть:

m₀·V - m_к·U = 0 (1)

здесь m_к - масса капли воды, которая отваливается из ракеты, m₀ - масса ракеты (оставшаяся вода + оболочка), V - итоговая скорость ракеты, U - скорость вылета капли из сопла.

Схема водяной ракеты

F_тяги должна существенно превышать силу тяжести, чтобы ракета смогла успешно стартовать.

Из формулы (1) становится понятным, что точно определить, какую скорость приобретет ракета, а затем какое время она пробудет в воздухе и на какую высоту поднимется, непросто из-за постепенной убыли массы (воды) через сопло. Поэтому мы не будем углубляться в теорию, а ограничимся лишь практическим интересом - взлететь выше деревьев, например.

Точное математическое описание скорости ракеты дает формула Циолковского:

Вывод формулы циолковского из закона сохранения импульса вы можете посмотреть в учебнике физкии.

Определение расстояния до грозы представлено иллюстрацией ниже:

Загрузить эту анимацию по физике на свой компьютер >>

Анимация может быть полезна школьникам на уроке физики по теме "Звуковые волны" и просто интересующимся физикой процесса.

Как упоминалось в прошлом выпуске опыта о бинокле и перископе, сегодня мы рассмотрим принцип работы калейдоскопа и попробуем сделать свой самодельный калейдоскоп.

Калейдоскоп был изобретен сэром Дэвидом Брюстером в 1816 году и запатентован в следующем 1817-ом.Устройство использует особеннности формирования изображений комбинированных наклонных зеркал. В зависимости от количества зеркал и угла между ними, калейдоскоп будет формировать несколько симметричных узоров.

Сэр Дэвид Брюстер (1781 - 1868)

С момента своего появления, калейдоскоп позиционировался, в первую очередь, как игрушка, но и практическое применение также нашел.

Простой калейдоскоп состоит из двух тонких клиновидных зеркальных полос, закрепленных на общем ребре, или из одного листа зеркального алюминия, согнутого под углом 45 или 60 градусов. Зеркала, помещены в трубку со смотровым глазком на одном конце. На другом конце находится плоская камера, которую можно вращать.

Камера изготавливается из двух стеклянных дисков, нижний диск служит в качестве рассеивающего экрана. В камеру помещают кусочки из цветного стекла или бусины. При повороте или встряхивании, кусочки внутри камеры падают в различных положениях и освещаются естественным или искусственным светом через рассеивающий экран. При этом возможны от шести до восьми различных симметричных изображений. Количество комбинаций и узоров, при этом практически бесконечно.

Существует пять различных типов калейдоскопов.

Камерный калейдоскоп имеет закрытую полость со свободно падающими цветными камнями, кусочками стекла, бисера или другими объектами.

У жидкого калейдоскопа камера заполнена, как правило, глицерином, в котором взвешены кусочки стекла и прочее.

Колесный калейдоскоп оснащен одним или несколькими колесами в конце смотровой трубы. В колесах расположены кусочки стекла, полупрозрачные породы, такие как агаты, прессованные цветы, бисер, драгоценные камни или другие предметы. Чтобы сменить узор в колесном калейдоскопе достаточно лишь повернуть колесо.

Многоразовый калейдоскоп со съемной камерой. Содержимое камеры может изменяться, и есть возможность экспериментировать с собственным набором цветов и объектов.

Теледоскоп использует зеркала и линзы таким образом, чтобы все рассматриваемые изображения только многократно умножались.

Чтобы сделать калейдоскоп

Необходимые материалы:

Банка из под картофельных чипсов, любая другая цилиндрическая емкость, шило, ножницы, скотч, черная бумага или темный ватман, карандаш с линейкой, ненужная мультифора, или другая прозрачная пленка, цветные кусочки (использованы дошкольные счетные палочки).

Отложим в сторону картофельные чипсы из банки и приступим к изготовлению макета простого камерного калейдоскопа.

Сначала нам нужно сделать отверстие в центре нижней части банки при помощи шила и расширить его до 1,5 см в диаметре толстой отверткой или чем-нибудь другим, подходящим для этих целей.

Это будет глазок калейдоскопа, важно, чтобы не было острых краев!

Вырезаем три черные полосы длиной на 1-2 см короче трубы калейдоскопа. В нашем случае это 6,5 см х 20,5 см . Нам повезло - обложка бумаги для черчения  уже оказалась черного цвета. Поэтому сразу же приступим к вырезанию:

Немного терпения, и...

Полосы готовы!

Нам нужно наклеить на черную сторону каждой из полос скотч.

Прозрачность скотча поверх черной бумаги обеспечит зеркальность поверхности.

Из полученных полос мы должны собрать трехгранную призму. Для этого сначала с тыльной (нечерной) стороны крепим полосы между собой все тем же скотчем:

Затем просто сгибаем полосы и наша полая призма готова:

Чтобы кусочки не попали внутрь, сверху мы накладываем прозрачную пленку. Крепим все скотчем в произвольном порядке:

Помещаем получившуюся призму в трубу калейдоскопа. Если призма неплотно сидит, можно как у нас, по краям трубы разместить 1-2 листа А4. Толщина листов не даст призме выпасть.

Кстати, уже проявляется зеркальность. Сколько отверстий вы здесь видите?

Остальные отверстия закрываем либо ватой, либо, как у нас, бумажными салфетками.

Взгляните на что-нибудь в глазок прибора.

Сразу четыре пары ножниц - мы уже получили теледоскоп! Но не будем останавливаться на достигнутом, продолжим дальше. Из счетных палочек делаем цветные кусочки:

Выходим на финишную прямую! Помещаем кусочки на призму с пленкой и салфетками. Закрываем это все полупрозрачной крышкой банки от чипсов. Прибор готов:

В нашем случае макет калейдоскопа выглядит так:

А теперь самое интересное - галерея изображений прибора.

Мало длинных кусочков, картина различима:

А вот здесь уже сложнее:

Загадочный фейерверк:

Здравствуйте, муравей:

Теплые тона:

Зеленый орнамент: