28
Струя воды и … движущий кораблик
Кандидат физико-математических наук
Л. В. ТАРАСОВ,
М. Л. ТАРАСОВ
Уже несколько раз на страницах «Лаборатории «Квант» рассказывалось об очень интересном и важном физическом явлении — о наличии реакции вытекающей струпи и об отсутствии реакции втекающей струпи жидкости (см. «Квант», 1978, № 9; 1980, № 9).
В этом номере публикуется еще одна статья на эту тему.
Начнем с рассказа об одной забытой детской игрушке, которая была достагоно популярной в 30-e годы. Называлась она «Самоходный катер». Сейчас эту игрушку в магазинах уже не продают, но ее нетрудно сделать своим рукам дома или в кружке «Умелы руки».
Устройство «Самоходного катера» изображено на рисунке 1. На лодочке 1 укреплена герметичная жесткая плоская коробочка 2, которая может подогреваться свечой 3 (в современных опытах вместе сечи лучше использовать таблетку сухого спирта). Из коробочки под доно лодки выходит изогнутая металлическая трубка 4 (плотность соединений обеспечивает пайкой 5). Для большого эффекта одну стороны коробочки можно изготовить в виде щелкаюшей_memбраны (см. «Юный техническ», 1983, № 8, с. 65).
Работа эта игрушка следующим образом. Жестная коробочка заполнялась водой (через отверстие с пробкой 6), и игрушка опускалась на поверхности воды. Затем зажигалась свеча. Через некоторое время лодка начинала двигаться — сначала медленно и плавно, потом рыбами,
29
издавая характерные звуки, имитирующие работу паровой машины. Идвигалась все время, пока горела свеча.
Попробуем теперь разобраться в том, почему же движется «самоходный катер».
Когда мы зажигаем свечу, вода в коробочке нагревается и закипает (рис. 2, а). При этом давление в коробочке повышается, вода начинает через трубку выходить наружу, а лодочка приходит в плавное и медленное движение. Эта, первая, фаза работы игрушки заканчивается, когда вода в коробочке выкипает.
Поскольку теплопроводность пара мала, пар практически не отбирает тепло от коробочки и не нагревается, а значит, и не распирается. Более того, он конденсируется в трубке (в месте контакта с водой), в результате чего давление в коробочке падает, и вода постепенно поднимается вверх по трубке (рис. 2, б). Это — вторая фаза работы игрушки.
Когда вода поднимается по трубке до самого верха и какое-то количество воды, перелившись через край, упадет на раскаленное до коробочки, произойдет моментальное испарение воды. При этом давление в коробочке подскочит, и неокторое количество воды из трубки вытолкнет наружу (рис. 2, с). Это — третья фаза работы игрушки.
В дальнейшем, пока горит свеча, вторая и третья фазы черезют. Когда же свеча потухнет, коробочка остынет, весь пар конденсируется, и коробочка вновь заполняется водой.
Может показаться непонятным, как перемешениями одного и того же количества воды — вытолкваемого из трубки в третьей фазе и всасываемого трубкой во второй фазе — можно добиться поступательного движения лодочки. Оказывается, все дело в существовании реакции вытолкшей струи и отсутствии реакции вытолкшей струи жидкости.
Для наглядной илистрации этого факта обратимся к другой любопытной самоделке (рис. 3) — «картезианскому водолазу» с пристроенным к нему сегнеровым колесом. (О том, как сделать эту игрушку, рассказывается в «Кванте» № 9 за 1980 год.) Если нажать на поршень 1, давление в сосуде 2 увеличивается, вода через