ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В КОНСТРУКЦИИ САМОЦЕНТРИРУЮЩЕЙСЯ ОПОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА Андреев А.Н.,Гуляева Т.В.

Запорожский национальній технический университет


Номер: 12-2
Год: 2014
Страницы: 35-42
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

демонстрационный физический эксперимент, опорный механизм, сухое и вязкое трение, поверхностное натяжение жидкости, demo physical experiment, support mechanism, dry and viscous friction, surface tension of liquids

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассматривается проблема повышения наглядности некоторых демонстраций по физике. Рассмотрены техническое описание жидкостной самоцентрирующейся опоры для поворотных частей физических приборов, принцип действия которой основан на явлении поверхностного натяжения жидкости. Приведен цикл учебных физических задач, связанных с исследованием этой опоры и с ее использованием в учебном процессе по физике.

Текст научной статьи

Постановка проблемы. В конструкции некоторых демонстрационных физических устройств (в том числе измерительных приборов), а также в ряде других технических устройств используются опорные механизмы. Как пример можно привести прибор для демонстрации правила Ленца, демонстрационный компас, сегнерово колесо и т.п. Одним из главных недостатков является наличие сухого трения в месте контакта (некоторые типы опор имеют еще и сложность в осуществлении самоцентрирования). Поэтому повышение чувствительности таких устройств за счет уменьшения сухого трения является важной проблемой техники физического эксперимента. Анализ последних исследований. В ходе анализа учебно-методической литературы по методике и технике школьного физического эксперимента было выявлено существующие конструкции опорных механизмов (таких, которые позволяют поворот части устройства относительно вертикальной оси) и выяснены их недостатки. Остановимся на следующих двух схемах опор. Так, широко известный прибор для демонстрации правила Ленца (“Кольца Ленца”) содержит опору, которая состоит из корпуса (в виде подставки и стойки) и опорного механизма, выполненного в виде иглы, закрепленной на стойке корпуса. Опора размещается на столе. На иглу опорного механизма устанавливают с помощью подпятника подвижную часть прибора для демонстрации правила Ленца - коромысло с двумя кольцами (одно из них сплошное, а другое разрезанное) (рис. 1, а). Следует отметить, что такую конструкцию прибора было предложено самим Э.Х. Ленцем (особенности использования этого прибора приведены, например, в [3, с. 130]). Такая же конструкция опоры используется в опытах с магнитной стрелкой (рис. 1, б). Рис. 1. Использование опорного механизма в виде иглы: а) “Кольца Ленца”; б) магнитная стрелка. К недостаткам описанной опоры следует отнести такие: • необходимость в горизонтальной поверхности при выполнении демонстрации; • наличие сухого трения в опоре, что уменьшает чувствительность самого прибора (например, прибора для демонстрации правила Ленца); • постепенный износ иглы и подпятника. Этих недостатков удается избежать при использовании жидкостной опоры. Соответствующий опорный механизм применен, например, в известном водном компасе [4, с. 459]. Последний состоит из корпуса (основание и стойка), цилиндрической емкости с водой и плавучего элемента, на котором размещают намагниченную иглу (рис. 2). Компас работает следующим образом. На плавучий элемент, который размещают на воде, устанавливают горизонтально заблаговременно намагниченную иглу. Намагниченная игла разворачивается под действием магнитного поля Земли и устанавливается вдоль магнитного меридиана. Рис. 2. Водный компас (действующая модель) Однако такая жидкостная опора имеет свои недостатки. Главным из них является невозможность самоцентрирования плавучего элемента. Так, в результате действия случайных сил (даже очень слабых) плавучий элемент компаса очень легко приближается к стенкам сосуда и словно “прилипает” к ним (что делает невозможным его дальнейшее использавание). Уменьшить проявление этого негативного эффекта можно в случае использования достаточно большой площади свободной поверхности воды. Однако для этого нужно использовать сосуды с диаметром, значительно больше диаметр плавучего элемента (см. рис. 2). Совместно с учащимися экспериментальной группы нами предложена конструкция жидкостной самоцентрирующейся опоры, которая лишена перечисленных выше недостатков. Цель статьи. В данной статье мы намерены рассмотреть техническое описание (конструкцию и принцип действия) предложенной жидкостной опоры и привести цикл учебных физических задач, связанных с исследованием и использованием на практике (в учебном процессе по физике). Изложение основного материала статьи. В основу технического решения была поставлена задача разработать такую конструкцию жидкостной опоры, которая путем использования плавучего объекта и явления поверхностного натяжения жидкости позволяет использовать опору для поворотных частей физических приборов (при этом достигается повышение их чувствительности). Техническое описание жидкостной самоцентрирующейся опоры. Ее конструкция достаточно проста (рис. 3). Устройство содержит: подставку - 1; штангу - 2; цилиндрическую емкость - 3; жидкость - 4; плавучий элемент - 5. Рис. 3. Схема конструкции самоцентрирующейся жидкостной опоры Перед началом работы, для удобного использования, стойка устанавливается на подставке. На стойке размещается цилиндрическая емкость. Ее нужно заполнить жидкостью, которая не смачивает стенок самой емкости. На открытую поверхность жидкости устанавливают плавучий элемент. В отличие от стенок емкости, он должен смачиваться жидкостью. На плавучем элементе можно размещать поворотный механизм демонстрационного прибора, например, коромысло с кольцами прибора для демонстрации правила Ленца (рис. 4). Принцип действия опоры связан с явлением поверхностного натяжения жидкости. В частности, способность к самоцентрированию плавучего элемента обусловлена формами менисков, которые связаны со смачиванием жидкостью плавучего элемента и несмачиванием ею стенок емкости. При этом диаметр плавучего элемента должен иметь тот же порядок, что и внутренний диаметр емкости. Рис. 4. Применение жидкостной самоцентруюющейся опоры в приборе Ленца (действующая модель) Теоретическое обоснование принципа действия предложенной жидкостной опоры можно провести в виде рассмотрения цикла учебных физических задач (приведены ниже). Именно такой (задачный) метод мы используем для ознакомления учащихся с работой данного устройства. В нашей практике такое знакомство, как правило, происходит в 10 классе после изучения темы “Строение и свойства жидкостей” (в частности, содержательные блоки: поверхностное натяжение; поверхностно-активные вещества; смачивание; капиллярные явления; формула Лапласа для капиллярного давления). При этом наибольший учебный эффект от ознакомления с конструкцией и принципом действия жидкостной опоры можно достичь на уроках формирования практических умений и навыков, на уроках обобщения материала. Это связано с тем, что в процессе изучения учащимися этого устройства, они повторяют основные смысловые элементы учебного материала, а также видят практическое применение явления поверхностного натяжения. Наш опыт показывает, что домашнее задание, связанное с изготовлением и экспериментальным исследованием модели жидкостной опоры, выполняется учащимися с удовольствием. При этом к деятельности привлекаются даже те ученики, которые не обнаруживают на уроках особого интереса к изучению физики. Цикл задач, связанных с исследованием принципа действия жидкостной опоры (в данной статье мы приводим лишь некоторые примеры задач). Перед тем как непосредственно перейти к рассмотрению принципа действия жидкостной самоцентрующейся опоры целесообразно предложить учащимся решить следующие задачи (аналогичные задачи приведены в сборнике [1]). Задача 1. Две вертикальные параллельные пластинки частично погруженны в жидкость. Показать, что между ними будет наблюдаться притяжение, если обе пластинки или смачиваются, или не смачиваются жидкостью, и отталкивание, когда одна пластинка смачивается жидкостью, а другая нет. Решение. Рассмотрим сначала случай, когда обе пластинки смачиваются жидкостью. Если пластинки расположены достаточно близко друг от друга, то между ними жидкость поднимается (рис. 5, а). Давление жидкости на уровне АА′ между пластинками и за ними одинаково и равно атмосферному давлению р0. Выше уровня АА′ давление воды между пластинками меньше р0. Эта разница давлений и обусловливает притяжение пластинок. Если обе пластинки не смачиваются жидкостью, то между ними наблюдается опускания жидкости (рис. 5, б). На уровне ВВ′ (и ниже него) давление воды между пластинками и вне их одинаково. Выше этого уровня давление воды снаружи пластинок превышает атмосферное на величину гидростатического давления соответствующего слоя воды (расположенного выше уровня ВВ′). Поэтому и в этом случае разница давлений приводит к притяжения пластинок. Рис. 5. Притяжение пластинок в случае, когда они обе смачиваются жидкостью (а) или обе не смачиваются (б). Пусть теперь левая пластинка смачивается жидкостью, а права - не смачивается. Если эти пластинки расположены достаточно близко друг от друга, то поверхность жидкости между ними не будет иметь горизонтального участка (ее вид показан на рис. 6). При этом поверхность будет иметь точку перегиба в определенном месте между пластинами. В таком случае между пластинами жидкость поднимается вблизи левой пластинки меньше чем снаружи нее (поскольку радиус вогнутого мениска с внутренней стороны пластинки больше радиуса вогнутого мениске с внешней стороны левой пластинки). Возле правой же пластины жидкость опускается меньше с внутренней стороны, чем она опускается снаружи этой пластины. Это и обуславливает отталкивания пластин. Рис. 6. Отталкивание пластинок в случае, когда одна из них смачивается жидкостью, а другая не смачивается Действительно, давление воды на уровне АА′ с обеих сторон левой пластинки является одинаковым (см. рис. 6). Однако выше этого уровня давление воды снаружи левой пластинки с высотой уменьшается, тогда как давление р0 (с другой стороны левой пластинки) практически не меняется с высотой. Следовательно, возникает сила, действующая на левую пластинку влево. На уровне ВВ′ (и ниже него) вблизи правой пластинки давление воды с разных ее сторон одинаково. Однако, выше уровня ВВ′ давление воды вблизи правой пластинки с внутренней ее стороны превышает р0 (поскольку соответствующий выпуклый мениск). Эта разница давлений и обусловливает силу, которая пытается переместить правую пластинку вправо. Задача 2. На рис. 7 приведена всемирно известная картина И.Ю. Репина “Бурлаки на Волге” (1873 г.). Какой существенный признак предложенной нами самоцентрирующейся жидкостной опоры можно усмотреть в этом произведении искусства? Дайте физическое объяснение этому признаку. Рис. 7. Картина И.Ю. Репина “Бурлаки на Волге” Решение. Этим существенным признаком является замена сухого трения на вязкое, под которым понимают трения между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями этой среды [2, с. 51]. Одной из особенностей силы вязкого трения является ее зависимость от скорости движения тела в среде. Так, модуль этой силы за малых значений скорости равна , а при больших . В этих формулах и - коэффициенты, зависящие от размеров и формы твердого тела, состояния его поверхности, а также от свойств среды. Важным свойством вязкого трения является отсутствие трения покоя (то есть сила вязкого трения равна нулю в случае неподвижного тела относительно среды). Это приводит к тому, что тело, которое держится на воде, можно сдвинуть с места даже очень малой силой. Так, человек может собственным усилиям оттолкнуть от причала корабль массой в сотни тонн (понятно, что с очень малым ускорением). Именно поэтому еще с древних времен люди переправляли большие грузы водой. Упомянутая картина И.Ю. Репина является очень наглядным примером этого. Именно использование жидкости позволило нам устранить в опоре вредное трение покоя, что снижает чувствительность приборов, в которых имеет место сухое трение. Кстати эта картина стала толчком к созданию нами описанной выше конструкции жидкостной опоры. Задача 3. В сосуде находится жидкость, которая смачивает стенки этого сосуда. На поверхности жидкости плавает тело, которое также смачивается жидкостью. Если подействовать на это тело даже довольно незначительной силой (например, подуть на него), оно, после приближения к стенкам сосуда, словно “прилипает” к ним. Наведите физическое объяснение этому явлению. Решение. Отметим сначала, что достаточно легкий сдвиг тела с места (что удается сделать даже через подув) объясняется свойствами вязкого трения, а именно отсутствием трения покоя - сила вязкого трения стремится к нулю вместе со скоростью тела (об этом уже шла речь в задаче 2). Объясним теперь явление “прилипания” тела к стенкам сосуда. Когда расстояние между стенкой сосуда и телом становится достаточно малым, в зазоре, образованном поверхностями стенки сосуда и тела, жидкость станет подниматься (рис. 8, а) (капиллярный подъем). Это повышение обусловлено тем, что в соответствии с условием задачи поверхности и стенок сосуда, и тела смачиваются жидкостью. Рис. 8. Притяжения тела к стенкам сосуда (стенки сосуда и тела смачиваются жидкостью): а) фрагмент сечения; б) фото опыта Давление воды на уровне (см. рис. 8, а) с разных сторон тела одинаково. Однако со ростом высоты над этим уровнем давление воды в малом зазоре между сосудом и телом будет уменьшаться, тогда как атмосферное давление практически не будет меняться. Эта разница давлений и обусловливает силу, действующую на тело в направлении стенки сосуда. В результате чего тело и прижимается к стенке (“прилипает” к ней) (рис. 8, б). Задача 4. Объяснить эффект самоцентрирования плавающего элемента в предложенной конструкции жидкостной опоры. Решение. В предложенной конструкции жидкостной самоцентрирующейся опоры предполагается, что плавающий элемент смачивается водой, а стенки сосуда не смачиваются, или наоборот. Для определенности примем первый вариант. Пусть вследствие кратковременного действия случайной силы (например, толчке) плавающий элемент перемещается к стенке сосуда. При приближении к стенке сосуда форма поверхности жидкости, окружающей плавающий элемент, будет меняться. Схематически это показано на рис. 9, а. Рис. 9. Самоцентрирование плавающего элемента в предложенной жидкостной опоре: а) фрагмент сечения; б) фото действующей модели Из-за того, что поверхность жидкости между стенкой сосуда и плавающим элементом не имеет горизонтального участка, радиус кривизны ее вогнутой части (на рис. 8, а этот мениск находится слева от плавающего элемента) будет больше радиуса кривизны вогнутого мениска, что переходит в горизонтальный участок (на рис. 9а он находится справа от плавающего элемента). Поэтому в зазоре между плавающим элементом и стенкой сосуда жидкость, смачивая боковую поверхность плавающего элемента, поднимется по ней на меньшую высоту, чем вдали от зазора (где вогнутый мениск переходит в горизонтальный участок) (рис. 9, б). На уровне АА′ (и ниже него) давление воды одинаковый по разные стороны от плавающего элемента (см. рис. 9, а). С ростом высоты над этим уровнем давление воды под правым мениском уменьшаться (так как вогнутый мениск), однако давление воздуха р0 слева от плавающего элемента практически не будет меняться. Разность давлений, возникающей при этом, и обусловливает силу, действующую на плавающий элемент в направлении от стенки сосуда. Поскольку сосуд с водой и плавающий элемент имеют цилиндрическую форму, то из-за симметрии, последний располагается в центре сосуда. Именно в этом случае мениск вокруг плавающего элемента будет иметь одинаковую форму. Задача 5. “Самодельный компас”. Изготовьте самодельный компас, который может пригодиться во время путешествия. Его конструкция достаточно проста: намагниченная швейная игла, плавающий элемент (например, крышка от бутылки) и емкость с водой (рис. 10). Намагнитить иглу достаточно просто. Для этого ее достаточно поднести к постоянному магниту. Если же его в наличии нет, можно намотать на иглу несколько витков (20 - 30) изолированного провода и подключить на короткое время ( 10 с) к батарейке. За счет чего таким способом намагничивается игла? Примечание. При изготовлении компаса целесообразно использовать описанную выше конструкцию самоцентрирующейся жидкостной опоры. Решение. Пример реализации самодельного компаса показано на рис. 10. С целью достижения эффекта самоцентрирования воду в стакан налито “с горкой”. Благодаря этому система “крышка - игла” располагается в центре открытой поверхности жидкости. Если вывести эту систему из состояния равновесия (например, приблизить ее к стенкам сосуда) и предоставить ее самой себе, то она самостоятельно вернется в исходное положение (в центр сосуда). Рис. 10. Самодельный компас на основе самоцентруючої жидкостной опоры Такой же результат можно получить, если внутреннюю поверхность стакана натереть веществом, которое вода не смачивает (например, парафином). В таком случае не нужно наполнять стакан водой полностью. Апробация устройства. На рассматриваемое в данной статье устройство нами в соавторстве с учениками экспериментальной группы был получен патент на полезную модель “Жидкостная самоцентрирующаяся опора” (патент Украины №82979 [5]). Приведем формулу данного технического решения. Формула полезной модели. Жидкостная самоцентрирующаяся опора, которая состоит из корпуса, который имеет подставку и стойку, и опорного механизма, который состоит из цилиндрической емкости с жидкостью и размещенного на ее открытой поверхности плавучего элемента, которая отличается тем, что жидкость не смачивает стенок емкости, а плавучий элемент выполнен цилиндрическим, смачивается жидкостью и имеет возможность двигаться и самоцентрироваться, а диаметр плавучего элемента имеет тот же порядок, что и внутренний диаметр емкости. Сравнивая предложенную нами конструкцию жидкостной опоры с известными устройствами аналогичного назначения (две из которых описано в начале статьи), можно выявить ее преимущества. Так, это техническое решение позволяет: • избегать сухого трения в опоре; • предотвратить износ контактных частей; • обеспечить самоцентрирование плавучего элемента. В конце статьи отметим, что рассматриваемое устройство прошло экспертную оценку на всеукраинских ученических конкурсах, где получило одобрение. В частности, разработка была представлена учащимися (ее разработчиками) на таких конкурсах: - Всеукраинский конкурс “Intel-Техно Украина” (Национальный этап Международного конкурса научно-технического творчества школьников Intel ISEF (Intel International Science and Engineering Fair)) (2013 г. г. Киев). - Всеукраинский конкурс-защита научно-исследовательских работ учеников - членов Малой академии наук (МАН) (государственный этап МАН, 2013 г., г. Киев). Выводы. Предложенная жидкостная самоцентрирующаяся опора для поворотных частей физических приборов может быть использована в учебном оборудовании физического эксперимента, в частности, там, где необходимо устранить (или по крайней мере уменьшить) сухое трение. При этом ее использование как наглядное демонстрационное устройство способствует повышению интереса к изучению учебного материала по физике. Дальнейшие исследования будут посвящены разработке новых физических демонстраций и экспериментальных задач, связанных с использованием предложенной жидкостной самоцентрирующейся опоры.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.