Электростатика в игрушках
Дети наших пращуров играли фигурками зверей. Едва научившись ходить, современный малыш тащит в песочницу автомобиль. Таков дух времени. Однако современный мир очень не прост, есть в нем, например, такая реалия, как электрическое поле. Его изучают в курсе физики восьмого класса. «Но это поздновато, — считают некоторые изобретатели. — Начинать знакомиться с электрическим полем можно уже в раннем детстве…»
Как? Вот их предложения.
По виду это обычная погремушка: пластмассовая прозрачная сфера на деревянной ручке, внутри пенопластовые шарики (рис. 1).
Погремушка — так себе, ничего особенного! Даже почти не гремит. Самое интересное начинается, когда ее потрясли и оставили в покое. Сначала шарики прилипли к стенке, а затем стали скакать, точно кто-то их все время подталкивает. Попрыгали — успокоились. Но как успокоились? Взлетели и парят в центре прозрачной сферы, не касаясь ее стенок. Силы тяжести нет и в помине! Проходит весьма длительное время, пока они опустятся на дно.
Вот что происходит в погремушке. Когда ребенок потряс ее, шарики потерлись о стенки, наэлектризовались. Знаки зарядов у шариков и у сферы разные, поэтому они к ней притянулись.
Но сфера по своим размерам больше шарика, потому и заряд она способна накопить больший. Через некоторое время противоположные заряды потекут навстречу друг другу и взаимно нейтрализуются, на сфере и шариках останутся заряды одинакового знака. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются— вот и начнутся прыжки.
Правда, тут есть хитрость. Компания шариков будет весело прыгать лишь в том случае, если сумма их диаметров намного больше или намного меньше диаметра сферы. В этом случае заряды нейтрализуются лишь частично, и в оставшемся электрическом поле найдется энергия для прыжков. Если же суммы равны, то шарики лишь прилипнут к сфере, а потом упадут на дно.
Но вернемся к случаю, когда все пропорции соблюдены. Шарики стали прыгать, заряды на сфере растекаются равномерным слоем, а дальше начинается любопытный эффект, который получить нелегко. Рассмотрим, какие силы действуют на шарик, находящийся внутри одноименно с ним заряженной сферы. Здесь возможны разные случаи, в зависимости от того, что внутри.
Если ничего — вакуум, то сумма сил, действующих на заряженное тело со стороны всех зарядов, расположенных на сфере, в любой точке внутри нее равна нулю.
Но если внутри газ — все иначе. Молекулы его, грубо говоря, электризуются и начинают создавать собственное электрическое поле. Теперь на заряженное тело (одноименного знака со сферой) действуют силы, направленные и центру. Чем ближе к центру, тем они слабее и в центре равны нулю.
Поэтому достаточно легкие заряженные тела в такой погремушке зависают и парят до тех пор, пока сфера не разрядится.
Такую игрушку можно сделать самостоятельно. Найдите любую прозрачную погремушку и поместите в нее пенопластовые шарики. Их делают следующим образом. Берут упаковочный пенопласт и варят его в кипятке. Через 20—30 минут он распадается на шарики. Раскройте погремушку, засыпьте туда шарики и заклейте ее клеем для пластмассовых моделей. Конечно, вам придется поэкспериментировать, чтобы добиться вышеописанных эффектов.
Принцип действия других игрушек гораздо проще. Здесь электростатические силы выполняют роль невидимых нитей, заставляющих двигаться отдельные предметы. Их устройство нарисовал художник.
На рисунке 2 показано, как электрическое поле заставляет парить в воздухе маленький самолет или птичку, которых совсем нетрудно сделать из алюминиевой фольги. Для управления таким самолетом вам понадобятся два эбонитовых стержня, один конец которых снабжен металлическим колпачком. Эбонитовые стержни натирают кусочком меха, после чего дотрагиваются металлическим колпачком до самолета. Теперь самолет и колпачок будут иметь одноименные заряды. А поскольку одноименно заряжённые предметы отталкиваются друг от друга, подбросив самолет вверх, нетрудно заставить его парить в воздухе, поднося к нему снизу эбонитовые стержни.
Можно усовершенствовать летающую игрушку (рис. 3). К металлическому колпачку прикрепите металлический диск. Он будет своего рода аэродромом, а на эбонитовый стержень установите подвижную деревянную рукоятку с закрепленными на ней кусочками меха. Переместив рукоятку несколько раз по стержню, вы зарядите его, после чего на диск устанавливают самолет. Через некоторое время самолет также зарядится. Теперь, подбросив его вверх, вы сможете удерживать самолет в полете, манипулируя под ним металлическим диском.
А вот еще одна игрушка.
Из тонкой бумаги вырезаются фигурки людей, домашних животных, домики, деревья… Нижние края у их основания загибаются и крепятся, например, приклеиваются, к деревянной дощечке или фанерке (рис. 3). Фигурки накрываются прозрачной пластмассовой полусферой, которая также крепится к дощечке по периметру. В нормальном состоянии фигурки будут находиться в горизонтальном положении. Но достаточно полусферу потереть кусочком меха или шерстяным лоскутком, словно лампу Аладдина, фигурки, как по волшебству, поднимутся. Они будут притягиваться к стенкам полусферы и удерживаться в электростатическом поле (рис. 4).
Прозрачную полусферу можно взять от коробочки для хранения шерстяных клубков. Впрочем, полусфера не обязательна, достаточно прозрачного колпака любой формы, главное, чтобы пластмасса хорошо электризовалась.
В прозрачном корпусе из такого материала можно разместить настоящий лабиринт, а в нем фигурки, шарики или другие подвижные элементы из пенопласта.
Теперь, натирая корпус куском ткани, можно заставить эти предметы двигаться (рис. 5).
Как видите, даже самые сложные принципы, положенные в основу электростатических игрушек, не так уж сложны. Может быть, и у вас появятся идеи новых оригинальных игрушек. Напишите нам.
Автор А. НИКИТИН
журнал “Юный техник”