Веселые научные опыты и эксперименты - Том Тит

Затем кошка оттопыривает передние лапы, поджимает задние и перекручивается в обратную сторону. Теперь, с большей угловой скоростью движутся задние лапы, а передние с меньшей, так как задние лапы приближены к оси вращения, а передние наоборот, удалены. На этом втором этапе передняя часть тела кошки повернется, конечно, но намного меньше, чем ее задняя часть. Когда в конце этого этапа кошка снова оттопырит задние лапы и подожмет передние, ее положение будет тем же, что и в самом начале, только вся она окажется повернутой на заметный угол. Раз за разом, быстро повторяя такие движения, кошка правильно ориентирует свое тело в пространстве и приземляется на все четыре лапы.

Почему Земля не является шаром

Земля напоминает эллипсоид вращения – шар, приплюснутый сверху и снизу.

Такая форма Земли вполне объяснима – из-за ее вращения на экваторе возникают центробежные силы, в то время как на полюсах их нет. В результате вращения и центробежных сил по экватору Земля «располнела». Экваториальный диаметр планеты примерно на 42 км больше, чем полярный.

На форму Земли влияет также неоднородная плотность планеты: где-то сосредоточены тяжелые горные породы, а где-то есть пустоты, по всей поверхности разбросаны горы и впадины, моря и равнины.

Еще в XVII веке знаменитый физик и математик И. Ньютон сделал смелое предположение, что Земля – никакой не шар, вернее, не совсем шар. Предположил – и математически доказал.

Ньютон «пробурил» (разумеется, мысленно) до центра планеты два сообщающихся канала: один от Северного полюса, другой – от экватора. И «заполнил» их водой. Расчеты показали, что вода установилась на разных уровнях. Ведь в полярном колодце на воду действует только сила тяготения, а в экваториальном ей еще противостоит центробежная сила. Ученый утверждал: для того чтобы оба столба воды оказывали на центр Земли одинаковое давление, то есть чтобы они имели равный вес, уровень воды в экваториальном колодце должен быть выше, по подсчетам Ньютона, на 1/230 от среднего радиуса планеты. Иными словами, расстояние от центра до экватора больше, чем до полюса.

Чтобы проверить расчеты Ньютона, Парижская академия наук отправила в 1735–1737 гг. две экспедиции – в Перу и в Лапландию. Участники экспедиций должны были измерить дуги меридиана – по 1° каждая: одну в экваториальных широтах, в Перу, другую – в полярных, в Лапландии. После обработки полученных данных руководитель северной экспедиции, геодезист Пьер-Луи Мапертюи, объявил, что Ньютон прав – Земля сжата у полюсов.

Вопрос о форме нашей планеты вовсе не праздный – ее точное определение дает в руки ученым мощный инструмент для вычисления координат земных и небесных тел. Это важно для морской и космической навигаций, для проведения геодезических, строительных работ и для многих других областей деятельности человека.

Особенности движения тел в воде и на воде

При движении тел в воде возникают силы, направленные противоположно движению тела. Если тело движется под водой (например, рыба, подводные лодки), то гидравлическое сопротивление вызывается теми же причинами, что и сопротивление воздуха: трением воды о поверхность тела и изменением потока, создающим дополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы (акула, меч-рыба) и китообразные (дельфины, косатки) имеют обтекаемую форму, уменьшающую сопротивление воды при их движении. Обтекаемые формы придают и подводным лодкам. Вследствие большей плотности воды по сравнению с плотностью воздуха сопротивление движению данного тела в воде много больше сопротивления в воздухе при той же скорости движения.

Для обычных судов, идущих на поверхности воды, есть еще дополнительное волновое сопротивление: от идущего судна на поверхности воды расходятся волны, на создание которых непроизвольно затрачивается часть работы судовой машины (двигателя).

Корабль создает волны на поверхности воды при любой скорости хода, приводя в движение границу раздела между жидкостью и воздухом. Для уменьшения волнового сопротивления, которое для быстроходных судов может составлять свыше ¾ полного сопротивления, корпусу судна придают специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают «бульбообразной» формы, при этом образование волн на поверхности воды уменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.

От игрушки к вертолету

О способности вращающегося винта подниматься в воздух было известно еще древним китайцам. Примерно в I в. до н. э. в Китае появилась игрушка, дошедшая до наших дней практически в первозданном виде, – палочка с винтом на конце. Когда палочку раскручивали в ладонях, она взлетала. К ХII в. это устройство в Европе сильно модернизировали – механизм снабдили «двигателем», то есть это была трубка с пучком упругих жил внутри и двумя винтами по краям. Скрученные жилы, распрямляясь, вращали винты в разные стороны на обоих концах трубки. Этот вроде бы нехитрый механизм предвосхитил конструкцию современного вертолета одноосной схемы.

В 320 г. китайский ученый Го Хун предложил экипаж с вертикальным винтом для путешествий по воздуху. Это была одна из первых попыток использования машин с вертикальным винтом.

Считается, что первый проект вертолета разработал Леонардо да Винчи в 1489 г.

В 1754 г. М. В. Ломоносов продемонстрировал в Академии наук модель «аэродинамической машины», предназначенной для подъема в верхние слои атмосферы различной метеорологической аппаратуры.

Судя по сохранившимся документам, это был аппарат вертикального взлета с винтами, приводимыми в действие посредством пружины. Но дальше модельных испытаний «машинки маленькой» дело не пошло.

Со второй половины ХIХ в. неоднократно предпринимались попытки создания винтокрылой машины, но оторваться от земли смогли только аппараты французов Л. и Ж. Бреге и П. Корню в 1907 г. В 1912 г. русский ученый Б. Н. Юрьев развил теорию воздушного винта и предложил вертолетную схему, ставшую классической. Именно по ней в 1930-х гг. он сконструировал первый экспериментальный одновинтовой вертолет и заложил таким образом основы вертолетостроения.

Однако в виду сложностей конструкции вертолеты вошли в эксплуатацию гораздо позже самолетов. Произошло это в годы Второй мировой войны. Первыми серийными винтокрылыми машинами стали аппараты немецкого конструктора Генриха Фоке и американца русского происхождения И. И. Сикорского. В СССР наибольший вклад в вертолетостроение внесли конструкторы А. М.Черемухин, И. П. Братухин, М. Л. Миль и Н. И. Камов.

Конвертоплан – два в одном

Белл-Боинг V22 «Оспри» – конвертоплан, он объединяет отдельные возможности самолета и вертолета.

Эти винтокрылые летательные аппараты относятся к самолетам вертикального взлета и посадки, или к вертолетам-самолетам. Название конвертоплан происходит от английского слова «сonverter» – изменять, превращать. Благодаря особенностям конструкции они способны взлетать и приземляться вертикально, как вертолеты, а горизонтальный полет осуществлять, подобно самолетам, с большой скоростью. При взлете и посадке конвертоплана оси его поперечно размещенных винтов располагаются вертикально, а при переходе к поступательному движению горизонтального полета поворачиваются в горизонтальное положение, превращая несущие винты в тянущие. При этом V22 может достигать скорости 600 км/ч.

Топливные элементы

Преобразование одного вида энергии в другой всегда сопровождалось различного вида потерями. Например, в паровозе тепловая энергия от сгорания топлива трансформировалась в механическую путем нескольких преобразований и с большими потерями. При сгорании в топке горючего часть выделенного им тепла безвозвратно терялась с дымом, часть – при перегреве воды в пар, не говоря уже о механических потерях в трущихся деталях. Не вдаваясь в подробности термодинамических процессов, приведем коэффициент полезного действия (КПД) паровоза – он не превышал 7 %, и это с учетом того, что паровоз считался весьма совершенной тепловой машиной по сравнению с более ранними паровыми двигателями.

В современных паровых турбинах КПД гораздо выше. Существуют тепловые двигатели внешнего и внутреннего сгорания. Двигатели внешнего сгорания – это паровые турбины, у которых топливо сгорает в отдельной топке (котле) для производства пара высокого давления, который непосредственно вращает ротор турбины. В двигателях внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных) горючее сгорает непосредственно внутри цилиндров, и продукты горения воздействуют непосредственно на поршни, сообщая им движущий момент. В настоящее время самым экономичным тепловым двигателем считается дизельный, его КПД превышает 60 %.

Самыми эффективными источниками механической энергии являются электрические двигатели с КПД более 90 %, но их основной недостаток – потребность в источнике электроэнергии.