Từ kinh nghiệm cũ

Kvant 1989, số 7 tr. 56-62 Thẻ VNCD

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

Từ kinh nghiệm cũ

Dưới tiêu đề này, chúng tôi đã hơn một lần là nhà báo về những thí nghiệm cũ bị chiếm đóng và đồng thời được tôn kính (xem «Kvant»: 1982, Số 10; 1983, Số 5; 1984, Số 8; 1985, Số 7).

Để truyền cảm hứng theo mùa cho độc giả, chúng tôi cung cấp các đoạn trích từ cuốn sách “Thanh kéo quay” của J. Perry, xuất bản bằng tiếng Nga năm 1935. Cuốn sách này dựa trên bài giảng của tác giả, giáo sư vật lý người Anh John Perry, trước công chúng, bao gồm một bài trình bày phổ biến về lý thuyết Voluk và kèm theo những minh họa đẹp mắt. Tài liệu được xuất bản với những cắt giảm và thay đổi biên tập nhỏ.

khuôn quay

Hãy suy nghĩ kỹ - và bạn sẽ thừa nhận rằng hành vi của con sói thông thường là vô cùng đáng ngạc nhiên. Nếu anh ta không tin thì như bạn thấy đấy, anh ta sẽ ngã ngay lập tức và tôi không thể giữ anh ta thăng bằng trên đỉnh. Nhưng nó có những đặc tính hoàn toàn khác khi quay: nó không những không rơi mà ngược lại, khi tôi ấn nó, nó còn có lực cản đáng kinh ngạc và thậm chí còn có tư thế ngày càng thẳng đứng hơn.

Ngay khi chúng ta khơi dậy sự quan tâm đến quan sát khoa học, chúng ta sẽ nhận thấy rằng thiên nhiên sẽ khắc phục những hiện tượng thuộc loại này đối với chúng ta với số lượng lớn.

Những ai từng quay dây nhanh chóng đều biết rằng chuyển động nhanh tạo ra một loại “độ cứng” cho các vật thể mềm dẻo và thậm chí là chất lỏng. Ví dụ, đây là một hình tròn làm bằng giấy rất mỏng (hình 1); nếu tôi đưa nó vào vòng quay nhanh, nó sẽ chống lại bàn tay tôi hoặc cú đánh của nắm đấm của tôi, như thể nó là một vòng tròn bằng thép. Bạn có thể nghe thấy âm thanh như thế nào khi tôi dùng gậy đánh nó. Sự linh hoạt của anh ấy đã đi đâu?

Đây là một mục tiêu hình vòng khác, hoàn toàn linh hoạt (hình 2). Mọi người đều nghĩ rằng có thể làm cho nó đứng vững như một cái vòng cứng, nhưng trong khi đó, nếu

Tôi cho cô ấy một động tác xoay nhanh trên chiếc trống này và để cô ấy chạm sàn, cô ấy đập ngang qua toàn bộ bàn giống như đó là một cây cọc cứng, và khi sợi dây xích này rơi xuống sàn, nó bật lên như một chiếc vòng đồ chơi.

Nước bên trong bình thủy tinh (hình 3) ở trạng thái chuyển động nhanh, quay cùng với bình. Hãy nhìn vào một miếng parafin A chìm trong nước, bạn sẽ nhận thấy rằng nó sẽ run lên nếu tôi dùng một cây gậy đẩy vào, giống như thể nó được bao quanh bởi một lớp thạch dày. Bây giờ mới thấy kinh nghiệm này của William Thomson, do Giáo sư Fitzgerald đề xuất. Hãy gắn hình tròn B vào đầu que. Khi tôi trượt hình tròn B xuống nước, các bạn thấy nó tuy không chạm vào mảnh A nhưng vẫn đẩy mảnh A ra xa. Và sau đó bạn có thể nhận thấy rằng nếu tôi xoay nhanh vòng tròn B, nó có cảm giác giống như một miếng parafin A.

Bằng cách đập vào bề mặt đàn hồi của thành sau của hộp (hình 4), một lượng không khí nhỏ gần lỗ tròn ở mặt trước có thể được đưa vào chuyển động quay nhanh; để mắt thường có thể nhìn thấy không khí này, nó được trộn với khói và do đó thu được một dải khói. Phát bắn này di chuyển một khoảng cách đáng kể mà không thay đổi, gần giống như một vật thể rắn, và tôi không biết chắc liệu có thể bắn một phát khói độc lớn đến mức có thể tiêu diệt hoặc tiêu diệt một đội quân cách đó vài km hay không.

Đừng quên rằng trong suốt thời gian tồn tại của chiếc nhẫn, các hạt không khí tạo nên nó vẫn giữ nguyên. Bạn có thể nhận thấy hai vòng khói thoát ra từ hai hộp có tác dụng va chạm với nhau.

Từ những thí nghiệm đã được trình bày cho bạn, bạn sẽ thấy rằng chuyển động truyền đạt, với một lượng nhỏ chất lỏng, những đặc tính đáng kinh ngạc về độ đàn hồi, sự chấp nhận và lực đẩy; rằng mỗi bộ phận của một chất chống lại việc chia thành hai phần; rằng bạn thậm chí không thể đến gần làn khói-

một con dao và sự va chạm của hai vòng loại này không khác gì sự va chạm của hai vòng cao su.

Hãy nhìn phần trên nằm trên một tấm ván phẳng và tôi ném lên không trung (hình 5). Bạn thấy rằng rất khó để theo dõi chuyển động của nó, và không ai có thể đoán trước được, cho đến khi nó rơi xuống, nó sẽ quay trở lại bảng ở vị trí nào: với đầu nhọn tiến, lùi hay sang một bên. Nhưng nếu tôi gói nó lại và ném nó lên không trung thì chắc chắn nó sẽ quay trở lại vị trí nào. Trục quay vẫn song song với chính nó và tôi có thể ném phần trên nhiều lần liên tiếp mà không làm thay đổi chuyển động quay của nó.

Nếu tôi ném một chiếc bánh quy lên (hình 6), thì tôi không thể biết trước nó sẽ rơi trở lại như thế nào; nhưng nếu trước khi thả nó ra khỏi tay, tôi đặt nó vào chế độ quay thì sẽ không còn nghi ngờ gì nữa về điều này. Đây là chiếc mũ (hình 7); Tôi ném nó lên và không biết nó sẽ rơi lại ở vị trí nào, nhưng nếu tôi cho nó quay, thì trục mà nó quay xung quanh, giống như con sói và chiếc bánh quy, vẫn song song với chính nó, và bạn có thể chắc chắn rằng trong trường hợp này chiếc mũ sẽ rơi xuống đất với vành xuống.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một đặc tính cẩn thận của phần trên được đổi mới. Nó không quay và bạn thấy nó lật nhào ngay lập tức; nếu tôi đặt nó thẳng đứng trên sống lưng của nó, nó sẽ hoàn toàn không ổn định. Nhưng bây giờ hãy chú ý rằng khi nó quay, nó không chỉ giữ nguyên vị trí thẳng đứng mà ngay cả khi tôi va vào nó và do đó thay đổi trạng thái, nó bắt đầu quay theo một chuyển động tiến động, chuyển động này ngày càng trở nên nhỏ hơn cho đến khi đỉnh đạt đến vị trí thẳng đứng. *) Ở đây trước hết cần đưa ra hai nhận xét quan trọng.

Quan sát đầu tiên mà chúng tôi đưa ra là tại thời điểm đầu tiên, đỉnh sẽ không nghiêng theo hướng va chạm. Nếu mình hướng đòn về phía Nam thì phần trên sẽ nghiêng về phía Tây, còn nếu mình hướng đòn về phía Tây thì phần trên sẽ nghiêng về phía Bắc. Nguyên nhân của những hiện tượng này đều được những người có học thức biết đến và quy luật cơ bản của nó

*) Tuế sai là chuyển động của trục quay của một vật rắn, trong đó mô tả bề mặt cuối. (Ghi chú của biên tập viên)

hành vi của cấp trên, xét theo nhiều khía cạnh, là cực kỳ quan trọng. Thực tế thứ hai, rằng đỉnh dần dần đạt đến vị trí thẳng đứng, đã được nhiều người biết đến; nhưng không thể nói như vậy về nguyên nhân của sự việc này; tuy nhiên, tôi nghĩ rằng việc hiểu lý do này sẽ không còn gây khó khăn gì cho bạn nữa.

Mỗi vật thể đều có ba trục xung quanh và nó có thể quay ở trạng thái cân bằng mà không bộc lộ xu hướng tập trung theo các hướng khác nhau, nhưng trong hai trong ba trường hợp này, trạng thái cân bằng này vẫn không ổn định và chỉ có một trục xung quanh có thể diễn ra sự quay cân bằng và ổn định hoàn hảo. Ngoài ra, một vật quay, được để yên, sau một thời gian ít nhiều, cuối cùng bắt đầu quay quanh trục này, chỉ cần có ma sát để làm dịu chuyển động của nó.

Để làm rõ những gì đã nói ở trên, tôi sẽ đưa vật vào trạng thái quay theo cách cho phép nó lấy trục quay đó làm trục quay, phần trên có chuyển động quay ổn định nhất. Nhiều vật thể khác nhau có thể được treo trên một sợi chỉ và tôi có thể truyền chuyển động quay cho bánh xe mà sợi chỉ này được gắn vào (hình 8). Bạn thấy đường tròn (a) đầu tiên quay khá đều quanh trục AA; nhưng bạn sẽ sớm nhận thấy cách anh ấy bắt đầu thu dọn đồ đạc một chút. Các dao động đang dịu đi và vòng tròn quay một cách bình tĩnh và ổn định xung quanh BB, vì đây là trục quan trọng nhất trong ba trục chính của nó.

Hình nón (b) lúc đầu cũng quay lặng lẽ quanh trục AA; nhưng sau đó một cú xoay bắt đầu, nó ngày càng trở nên mạnh hơn và cuối cùng, hình nón bắt đầu quay bình tĩnh xung quanh BB theo cách tương tự - trục quan trọng nhất trong ba trục chính của nó.

Đây là một cây gậy (d) khác được treo ở cuối sợi chỉ. Nhưng có thể bạn sẽ quan tâm nhiều hơn đến chuỗi vòng linh hoạt (c). Bạn có thấy cô ấy thế nào không

Lúc đầu, nó treo thẳng đứng trên một sợi dây, và khi kết thúc dao động, nó biến thành một vòng hoàn toàn đều, nằm hoàn toàn trong mặt phẳng ngang. Thí nghiệm này cũng cung cấp một ví dụ rõ ràng về độ cứng biểu kiến, cái mang lại sự chuyển động nhanh chóng cho một vật thể mềm dẻo.

Mặc dù xu hướng phần trên đảm nhận vị trí thẳng đứng đã được nhiều người biết đến kể từ khi nó được ra mắt lần đầu tiên, nhưng tôi vẫn hỏi mọi người trong phòng này xem họ có biết lời giải thích cho hiện tượng này không, và tôi thậm chí còn nghi ngờ rằng có nhiều người ở bất cứ đâu biết điều đó. Bất kỳ nhà toán học nghiêm túc nào cũng sẽ nói với bạn rằng lời giải thích có thể được tìm thấy trong bản in của Routh (tác giả của một cuốn sách giáo khoa tiếng Anh rất nổi tiếng về cơ học) hoặc ít nhất ông ấy biết những người ở Cambridge, những người chắc chắn biết lời giải thích này. Có lẽ anh ấy cũng nghĩ rằng bản thân anh ấy đã từng biết điều đó, nhưng bây giờ anh ấy đã quên mất những chứng minh toán học khó khăn mà trước đây anh ấy đã rèn luyện tâm trí của mình. Vấn đề này thực tế đã được Ngài William Thomson và Giáo sư Blackburn giải quyết khi họ dành cả năm trên bờ biển để chuẩn bị cho kỳ thi toán. Có lẽ, bất cứ ai quan tâm đến công việc của Thomson sẽ bối rối khi biết rằng nhà khoa học này và bạn của ông đã dành kỳ nghỉ của họ trên bờ biển, tham gia vào việc tạo ra tất cả các loại đá tròn mà ông thu thập được trên bờ quay.

Bây giờ tôi sẽ cho bạn thấy một hiện tượng đáng kinh ngạc mà Thomson đang bối rối vào thời điểm đó. Giả sử hình elip (hình 9) là một viên đá được đánh bóng bằng nước. Nó nằm trên bàn ở một vị trí rất ổn định. Tôi đưa anh ta vào một chuyển động quay nhanh. Bạn thấy rằng trong một hoặc hai giây, nó có xu hướng quay quanh trục AA, nhưng sau đó bắt đầu chao đảo dữ dội; khi những dao động này dừng lại sau một thời gian, thì nó quay nhẹ quanh trục BB, trục này lúc này đã ở vị trí thẳng đứng; nhưng sau đó lại bắt đầu một loạt những chuyển động nhẹ nhàng nhanh chóng; khi chúng dừng lại, bạn nhận thấy rằng hình elip cuối cùng cũng chuyển sang trạng thái quay ổn định, trở nên thẳng đứng đối với trục dài nhất của nó - CC. Dành cho mọi người

Bất cứ ai nghĩ rằng vật phải quay theo đúng hướng mà tôi đã quay ngay từ đầu sẽ thấy hiện tượng này thật phi thường. Trong khi đó, bạn có thể dễ dàng xác minh rằng hầu hết mọi viên đá tròn khi quay sẽ nổi lên theo cách này theo chiều dọc dọc theo trục dài nhất, chỉ cần chuyển động quay đủ nhanh; Theo cách tương tự, sợi quay cố gắng nâng lên càng nhiều càng tốt.

Tôi treo vài chiếc ly ở đây (xem phần giới thiệu của bài viết): một (a) chứa đầy cát, một (b) khác với xi-rô, một (c) thứ ba với dầu, bốn (d) với nước, và một thứ năm (e) cho phép. Bây giờ hãy nhìn xem: Tôi xoắn các sợi dây trên kính, sau đó tôi để chúng tự thiết lập - một chuyển động dao động bắt đầu, tương tự như con lắc lắc lư của đồng hồ bỏ túi. Bây giờ hãy chú ý rằng cốc nước chuyển động rất nhanh và thời gian dao động của cốc này và cốc rỗng gần như giống nhau, tức là nước dường như không chuyển động cùng với cốc. Bạn cũng sẽ nhận thấy rằng chiếc kính này tiếp tục dao động trong một khoảng thời gian đáng kể.

Ngược lại, một tấm kính chứa đầy cát dao động chậm; trong trường hợp này, cao độ và kính cùng đại diện cho một loại vật rắn và độ rung kéo dài rất lâu.

Trong cốc chứa đầy dầu và xi-rô, chu kỳ dao động sẽ dài hơn so với cốc có nước hoặc rỗng, nhưng sẽ ngắn hơn so với trường hợp các vật dao động hoàn toàn rắn, vì dầu hoặc xi-rô chỉ tham gia một phần vào chuyển động. Nhưng vì chất lỏng chỉ tham gia một phần vào các dao động, nên các chấn động xuất hiện bên trong chất lỏng, dẫn đến thực tế là các dao động sẽ tắt nhanh hơn so với khi kính rỗng hoặc chứa đầy cát.

Một quả trứng luộc (g) và một quả trứng chưa luộc (f), được treo giống nhau trên một sợi dây, sẽ thể hiện sự khác biệt giống nhau về tính chất của chuyển động dao động, cũng như hai vật thể, một vật rắn ở bên trong và vật kia ở chất lỏng; bạn thấy sự rung động của một quả trứng luộc chậm hơn bao nhiêu so với sự rung động của một quả trứng chưa luộc.

Hơn nữa, trên bàn này, bạn có thể dễ dàng phát hiện sự khác biệt giữa trứng luộc và trứng chưa luộc. Nếu bạn vặn cả hai quả trứng, bạn sẽ thấy rằng quả trứng chưa luộc dừng lại sớm hơn nhiều so với quả trứng đã luộc, vì quả trứng đầu tiên chuyển sang trạng thái nghỉ sớm hơn do chấn động bên trong.

Bây giờ hãy quan sát cẩn thận và hiểu dấu hiệu hoàn toàn còn thiếu để bạn có thể biết liệu một quả trứng đã được luộc hay chưa. Tôi vặn quả trứng hoặc xoay nó quanh một trục thẳng đứng, rồi dùng ngón tay giữ nó chỉ một lúc, đủ lâu để ngăn chuyển động của vỏ. Bạn thấy rằng quả trứng luộc chỉ thực hiện chuyển động của vỏ, nhưng chất lỏng bên trong không chỉ tiếp tục chuyển động mà thậm chí còn tiếp tục chuyển động của vỏ ngay khi tôi bỏ ngón tay ra khỏi nó.

Bây giờ bạn có thể tìm ra cách thứ tư để biết liệu một quả trứng có được kết nối hay không (hình 10); Phương pháp này dễ trình bày trước một cuộc tụ họp lớn hơn phương pháp cuối cùng được nêu ra.

Đây là một quả trứng chưa luộc (b). Tôi cố gắng hết sức để khiến anh ta quay trên mặt bàn, nhưng bạn thấy rằng tôi không thể bảo anh ta quay nhanh; trong trường hợp này, không có hiện tượng đặc biệt đáng chú ý nào được quan sát thấy. Ngược lại, bạn nhận thấy rằng một quả trứng luộc (a) rất dễ quay, và vì những lý do mà giờ đây bạn đã biết rất rõ, quả trứng này hoạt động giống như những viên đá quay Tomson trên bờ biển: nó ngay lập tức nổi lên dọc theo trục dài hơn của nó, mang lại độ chín dễ chịu cho con mắt đã sáng suốt của chúng ta.

vòi phun nước
vì lợi ích của nó

(Để bắt đầu, xem trang 54)

Ở đầu cột, chúng tôi muốn vữa hấp thụ độ ẩm từ không khí, độ ẩm này có thể thấp tới 20%. Do đó, dung dịch phải khá bão hòa: mức tăng tương đối của áp suất hơi bão hòa $p$ so với dung dịch (trong trường hợp của chúng tôi là 80%) tỷ lệ thuận với nồng độ của nó (định luật Raoult). Đó là lý do tại sao

$\frac{p}{p_0} = \frac{80}{100} \approx \frac{n}{(N+n)},$

trong đó $p_0$ là áp suất hơi bão hòa trên nước tinh khiết. Điều kiện này được thỏa mãn bắt đầu từ $n=4N$ , khi đó chiều cao tối thiểu của cột chất lỏng là

$h = \frac{RT}{g} \frac{4N}{(NM+4N\mu)} = \frac{4RT}{(M+4\mu)g}.$

Lấy $T=300$ K và tìm $h$ cho ba bố cục nêu trên. Khối lượng phân tử của nước là 18, tức là $M = 0,018$ kg/mol. Đối với axit sulfuric $\mu = 0,098$ kg/mol, đối với xi-rô đường $\mu = 0,342$ kg/mol, đối với oxit polyetylen lỏng $\mu = 5$ kg/mol. Chiều cao tương ứng của cột chất lỏng là 2430 m (axit sunfuric); 720 m (xi-rô đường), 50 m (polyethylene oxit). Rõ ràng là sự lựa chọn nên là bột nhão polyetylen oxit.