Сделайте дома сегнерово колесо: в шарике для настольного тенниса горячим гвоздём проткните три отверстия − два из них друг против друга по диаметру шарика, а третье между ними сверху.
В эти отверстия вставьте хлорвиниловые трубки, концы боковых трубок загните (рис. 268). Поставьте шарик на гладкую поверхность и подуйте в верхнюю трубку. Шарик начнёт вращаться. Почему? Какой физический закон здесь действует?
рис. 268
Вращение сегнерова колеса основано на принципе реактивного движения. Вырывающийся через трубку газ получает некоторый импульс. Тогда "шарик − трубки" представляют собой замкнутую систему, и её общий конечный импульс должен быть равен нулю. Поэтому и шарик получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению. Таким образом, воздух, выходящий из шарика через сообщающиеся с ним изогнутые трубки, вращает шарик в направлении, противоположном скорости струй воздуха.
Для решения данной задачи необходимо обратиться к законам механики, в частности к третьему закону Ньютона и закону сохранения момента импульса. Рассмотрим основные теоретические аспекты, которые помогут объяснить явление вращения сегнерова колеса.
Третьий закон Ньютона:
Согласно третьему закону Ньютона, всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие. Это означает, что если объект А действует на объект В с некоторой силой, то объект В в ответ действует на объект А с силой той же величины, но противоположного направления. В этом эксперименте воздушный поток, выходящий из трубок, создает реактивное действие, которое заставляет шарик вращаться.
Реактивное движение:
Реактивное движение — это движение объекта, возникающее в результате выброса массы в противоположном направлении. Примером реактивного движения является движение ракеты или струя из сопла двигателя. В данном случае, воздух, выходящий из загнутых трубок, создает реактивную силу, действующую на шарик. Это происходит потому, что молекулы воздуха, выбрасываемые из трубок, передают противоположный импульс шару. Таким образом, создается вращающий момент.
Закон сохранения момента импульса:
Согласно закону сохранения момента импульса, если на систему не действуют внешние моменты сил, то её полный момент импульса остается постоянным. В данном случае, когда воздух выдувается из загнутых трубок, создаются силы, которые вызывают вращение шара. Эти силы действуют на шар с некоторым моментом относительно его оси вращения. В результате шар начинает двигаться с угловой скоростью.
Строение сегнерова колеса:
Сегнерово колесо состоит из трубок, расположенных несимметрично (в данном случае две боковые трубки загнуты, а одна направлена вверх). Загнутые трубки служат для выброса воздуха, и именно благодаря их конструкции создается вращающий момент. Воздух, проходящий через трубки, приобретает определенную скорость, и согласно закону сохранения импульса, шарик начинает вращаться в противоположном направлении.
Момент силы:
Момент силы определяется как произведение силы на плечо силы (расстояние от точки приложения силы до оси вращения). В данной конструкции загнутые трубки обеспечивают плечо силы, благодаря чему создается вращающий момент. Направление вращения определяется направлением загиба трубок и направлением выброса воздуха.
Принцип работы:
1. Вы дуете в вертикально расположенную трубку, увеличивая давление воздуха внутри шарика.
2. Воздух выходит через боковые загнутые трубки, создавая реактивную силу.
3. Реактивная сила вызывает вращение шарика вокруг его оси.
Итог:
В данном эксперименте задействованы фундаментальные физические законы: третий закон Ньютона, закон сохранения момента импульса, а также концепция момента силы. Эти законы объясняют, почему шарик начинает вращаться, когда воздух выходит из трубок, создавая реактивное движение.
Пожауйста, оцените решение
