- Мир глазами шариковой авторучки

kalser.ru Опыты по физике Мир глазами шариковой авторучки
21.11.2011 00:00

Мир глазами шариковой авторучки

pen_world_04Как 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 масштабах 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.

pen_world_01

Масштабы обыкновенной авторучки сравнимы с микроскопическими

 

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

pen_world_02

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:

pen_world_03

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.

(новое окно)

Как ввести формулу
Работает только для формы "Добавить комментарий" к материалу:
будет [img]http://latex.codecogs.com/gif.latex?t^2[/img]

YouTube-канал НИЯУ МИФИ >> YouTube-канал kalser.ru >>

Marvin and Milo Marvin and Milo
physics.org/marvinandmilo >>