Очень часто игрушки поражают нас своими удивительными свойствами. Нет, мы говорим сейчас не о лазерных мечах или умных интерактивных игрушках. Простые с виду и знакомые предыдущим поколениям, даже сделанные из подручных материалов игрушки тоже могут поражать и, более того, служить наглядным пособием по занимательной физике.

В этой статье я рассмотрю несколько игрушек, на примере которых можно поговорить с детьми о важных законах физики.

Балансирующая птичка

Это игрушка с необыкновенными свойствами равновесия. Расположите носик птички на горизонтальной шероховатой поверхности и убедитесь в том, что игрушка «парит». Можно немного качнуть птичку за крыло, она всё равно удержит баланс и не упадёт. Предложите ребятам подумать, как достигается эффект, какие физические силы воздействуют на птичку. Конечно, одна из них – это сила тяжести. И если бы была только одна она, наша птичка падала вниз, соответственно закону Ньютона. Но на игрушку действует и сила реакции опоры, которая «находится» на кончике клюва. Если точка опоры выше центра тяжести возникает устойчивое равновесие.

Проведите дополнительный эксперимент. Нужно взять заточенный карандаш и воткнуть в него согнутый под прямым углом перочинный ножик. Вы наглядно убедитесь, что полученная конструкция будет устойчиво стоять на кончике пальца, несмотря на то, что карандаш «угрожающе» наклоняется.

Пьющая птичка или птичка Хоттабыча

Расположите птичку на подставке возле стакана с водой и окуните её голову в воду. Птичка начинает пить, и этот процесс, кажется, будет непрерывным. Почему? Вначале цикла, туловище птички находится в вертикальном положении. Видно, как по туловищу вверх поднимается жидкость. В результате центр тяжести конструкции оказывается выше точки опоры, конструкция становится неустойчивой. Туловище птички наклоняется, и него (трубочку), воздух из нижней части туловища проходит в голову птички – вверх. Поднявшаяся жидкость, стекает вниз. Птичка снова принимает вертикальное положение, и цикл возобновляется. Перед нами наглядная демонстрация сил давления.

Проведите следующий эксперимент. Возьмите два одинаковых комнатных термометра. Убедитесь, что они показывают одинаковую температуру. Один термометр поместите во влажную вату, другой оставьте на воздухе. Через некоторое время температура на первом термометре станет ниже на 2-3 градуса.

Картезианский водолаз

Возьмите пластиковую бутылку, заполненную почти полностью водой, в неё поместите картезианского водолаза. Нажимая рукой на пластиковую бутылку, можно наблюдать, как картезианский водолаз тонет. Как это происходит?

Внутри фигурки водолаза имеется заполненная воздухом полость. Если нажимать на бутылку с водой, внутри неё возрастает давление. Поскольку внутри картезианского водолаза находится воздушная пробка, внутри неё давление возрастает. И хотя сам картезианский водолаз в объеме не меняется (он сделан из твёрдого материала), объём воздуха внутри него уменьшается, а значит, средняя плотность всего картезианского водолаза увеличивается. И когда эта плотность становится больше плотности воды, картезианский водолаз начинает тонуть. Этот механизм встречается и в природе – внутри рыб находится воздушный пузырь. Сжимая его, рыбы погружаются на дно, и наоборот, расслабляя, всплывают.

Магнитная ручка

Покажите ребятам ручку, которая висит в воздухе, упираясь кончиком стержня в стекло. Напомните, что два магнита притягиваются друг к другу, если у них разноимённые полюса, и отталкиваются друг от друга, если у них разноимённые полюса. Предложите догадаться, как устроена ручка. Она удерживается в воздухе благодаря двум парам магнитов, расположенных так, чтобы север был расположен над севером, а юг – над югом. От падения ручку удерживает небольшое стекло.

Парореактивная лодка

Возьмите игрушку и продемонстрируйте ребятам. Это лодочка с плоским баком, в который входят две трубочки. Трубочки и бак наполняют водой и ставят лодку в воду. На подставку, которую помещают под плоский бак с водой в корпусе лодочки, помещают свечу. Приступаем к опыту, зажигаем свечу и предлагаем посмотреть, что будет происходить. Пока вода в баке нагревается, лодочка не движется. Затем, лодка начинает с тарахтением двигаться. Как же это происходит, откуда появляется звук?

Процесс, который происходит с лодочкой, можно поделить на следующие фазы. Вода нагревается в баке, превращается в пар. Объём пара увеличивается, он выходит из бака по трубочкам, толкая лодку. Свеча продолжает нагревать бак, его температура растёт. Стенки бака сделаны из тонких пластинок, размер которых при нагреве незначительно увеличивается. Увеличение размера и внутреннее давление в баке заставляет выгнуться эти пластинки наружу. Объём бака резко увеличивается. Холодная вода начинает поступать в бак, остужая пластинки бака. Их размер уменьшается, они «схлопываются» со звуком в исходное положение.

Владимир Хорт, преподаватель занимательной физики