Почему при вращении ведра вода не выливается

Пусть в произвольный момент времени угол между вертикалью и осью OA оказался равен $\alpha$. На воду действует сила тяжести $m \vec$, силы реакции со стороны боковых стенок ведра, направленные перпендикулярно оси х (сумму этих последних сил обозначим через $\vec< \theta>$) и сила реакции $\vec$ со стороны дна.

Записываем закон Ньютона для воды в ведре:

$m \vec + \vec + \vec < \theta>= m \vec$

в проекции на ось х (при этом $\theta_ = 0$):

$N + mg \cos \alpha = ma$. (1)

Из кинематики вращательного движения имеем:

и, кроме того, ускорение воды направлено к центру вращения (см. рис.).

Вода не выливается до тех пор, пока есть взаимодействие с дном ведра, то есть:

причем $N = 0$ соответствует критической ситуации — вода и дно находятся на грани соприкосновения.

Из системы (1—3) находим:

$N = — mg \cos \alpha + ml \omega^ <2>\geq 0$

Поскольку соотношение (4) должно быть справедливо для всех $\alpha$, окончательно получаем:

Наиболее «опасный» участок движения соответствует $\alpha = 0$, то есть моменту времени, когда ведро находится в высшей точке своей траектории. При вращении с угловой скоростью $\omega = \omega_$ в высшей точке $N = 0$ (во всех других $N > 0$), однако вода проходит это состояние (с $\alpha = 0$) мгновенно и поэтому не успевает оторваться от дна (то есть вылиться).

Приведенное решение является приближенным, так как предполагалось, что все фрагменты воды имеют одинаковые ускорения. Иными словами, мы считали, что расстояние от поверхности воды до дна и диаметр дна много меньше $l$.

Источник

Весёлый эксперимент с крутящимся ведром

Что такое центростремительная сила и можно ли перевернуть ведро с водой над собой и не быть облитым с ног до головы?

Вы всегда думали, что если перевернуть ведро с водой над головой промокните до ниточки? Тогда этот эксперимент вам точно подойдёт. С его помощью можно не только отлично повеселиться, но и показать ребёнку особенности такого природного явления, как центростремительная сила.

Вам понадобятся:

1) Небольшое пластиковое или металическое ведро до 5 литров с крепкой ручкой. Очень важно, чтобы во время эксперимента она не оторвалась;

2) Прозрачная вода. Можно даже набрать тёплую, чтобы было не так неприятно, в случае если эксперимент с первого раза не удастся;

3) Длинная и крепкая верёвка, которая сможет выдержать вес вращающегося ведра.

Порядок действий:

1. Эксперимент стоит проводить на открытом пространстве. Очень не рекомендуется пробовать сделать опыт внутри дома ведь вода может разлиться и повредить мебель.

2. Крепко привяжите длинную верёвку к ручке ведра.

3. Наполните ведро водой на половину.

4. Возьмите конец верёвки в вытянутую руку и начинайте раскручивать ведро движениями влево и вправо пока не начнете крутить ведро по кругу. Старайтесь делать это быстро, так чтобы вся вода сохранялась внутри ведра. Будьте готовы к тому, что если скорость кручения будет недостаточно высока, вы разольёте всю воду на себя.

5. Когда рука устанет крутить, аккуратно в начале спуска после пиковой точки сбавьте скорость ведра и плавно остановите его так, чтобы вода не расплескалась.

Что происходит?

Всем телам свойственна инерция (с латинского бездеятельность) или, другими словами, явление сохранения скорости. Это значит, что когда вы раскручиваете ведро и оно оказывается в верхней точке, в которой вода должна была бы вылиться на вас, кроме силы притяжения действует сила сохранения скорости. Именно поэтому вода не выливается и остаётся в ведре, до тех пор, пока вы будете крутить верёвку с достаточной скоростью. Это и называется центростремительная сила, то есть такая, которая действует на объект движущийся по круговой траектории и направлена к её центру. Поэтому, до тех пор пока вы будете крутить ведро с достаточной скоростью ни одна капля воды не выльется из него.

Как ещё поэкспериментировать?

Возьмите простой стакан наполненный водой в одну руку и быстро двигайте его в сторону. Другой рукой резко остановите движение стакана. Часть воды из него выплеснется. Это ещё один отличный пример инерции. Вода продолжает двигаться с заданной скоростью даже после остановки стакана и поэтому выплёскивается наружу.

Факты

1. Основы нашего эксперимента с ведром описал в своём первом законе Ньютон: свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или прямолинейного движения.

2. Эффект инерции и центростремительной силы используют на аттракционах и спутниках, которые находятся на околоземной орбите.

3. В быту можно увидеть пример инерции и центростремительной силы просто сбивая резкими встрясками показания ртутного термометра перед использованием.

Источник

Почему при вращении ведра вода не выливается

КОГДА ВОДА НЕ ВЫЛИВАЕТСЯ ИЗ БУТЫЛКИ

Если налить воду в бутылку с широким горлышком, скажем в молочную, и бутылку перевернуть вверх дном, что произойдет?
Тут и опыта никакого не надо: ясно, что вода выльется, и очень быстро!

Ну, а нельзя ли все-таки перевернуть бутылку так, чтобы вода из открытого горлышка не выливалась?
Давай попробуем.

Только не в комнате, выйдем лучше во двор. Для нашего опыта нужно много места. Ведь мы не просто станем переворачивать бутылку, а поставим ее в хозяйственную сетку, с которой ходят за покупками.
Постепенно раскачай бутылку в сетке и —раз!
Бутылка делает полный оборот. второй. третий. деся­тый.

И каждый раз она переворачивается дном вверх, а горлышком книзу. Но ни одна капля воды не выливается!
Почему?
Что произошло с водой?
Может быть, она не выливается из-за вращения?

НЕМНОЖКО ЦИРКА

Мы в цирке, над головой у жонглера на легкой палочке вертится тарелка.
Узнаешь закон физики?
Волчок!
Тарелка подперта палочкой не в центре, а ближе к краю. Так удобнее раскручивать. И все же она держится на палочке. Держится, потому что сохраняет направление своей оси.

Продолжая вращать тарелку, жонглер умудряется перекувырнуться через голову или лечь на пол и перекатиться, перехватывая палочку из руки в руку. Потом он перебрасывает тарелку другому жонглеру. Тот подхватывает ее на свою палочку и продолжает вращать.

Иной раз жонглеры крутят не одну тарелку, а несколько, держа две палочки в руках, третью — на носке ноги, а на лбу удерживая шест, на котором вращается целое блюдо или поднос, уставленный рюмками.

Вот какие чудеса вытворяет в цирке волчок! Но конечно, одного только чудесного свойства волчка тут недостаточно. Чтобы стать жонглером, надо несколько лет учиться этому искусству. И, даже выучившись, артисты цирка каждый день тренируются, чтобы потом с замечательной легкостью, с беспечной улыбкой исполнить их на манеже.

Если очень хочется попробовать свои силы, вырежь из толстого картона или выпили из фанеры круг размером с тарелку. Он-то не разобьется! Но помни, что учиться жонглировать можно только в таком месте, где ты ничего не заденешь, не зацепишь, не опрокинешь.

Фокус с тарелкой едва ли у тебя получится. Гораздо легче другой фокус — с широкополой шляпой. Его часто проделывают цирковые клоуны, набрасывая шляпы на головы своим партнерам.
Попробуй и ты набросить шляпу на голову товарищу. Это не так уж трудно. Важно только, бросая шляпу, закрутить ее вокруг вертикальной оси. Тогда она не будет кувыркаться в воздухе. Ну, а остальное уже зависит от твоей меткости.

ОПЫТ С МОНЕТОЙ И ШАРИКОМ

Этот эксперимент — замечательный пример действия центробежной и центростремительной силы.
Для проведения опыта вам понадобятся: воздушный (достаточно прозрачный) шарик, монета и нитки.

Опустите монету внутрь шарика. Надуйте шарик и перевяжите его ниткой. Возьмите шарик одной рукой за тот конец, где нитка. Совершите несколько вращательных движений рукой. Через какое-то время монетка начнет вращаться по кругу внутри шарика. Теперь второй рукой зафиксируйте шарик снизу в неподвижном положении. Монетка будет продолжать вращаться еще секунд 30 или даже больше.

Как объяснить?
При вращении объекта возникает сила, называемая центробежной. Вы катались на карусели? Чувствовали силу, выбрасывающую вас наружу от оси вращения. Это центробежная сила. Когда вы вращаете шарик, на монетку действует центробежная сила, которая прижимает его к внутренней поверхности шара. В то же время на нее воздействует сам шарик, создавая центростремительную силу. Взаимодейстие этих двух сил заставляет вращаться монетку покругу.

КОГДА ВОДА ВЫЛИВАЕТСЯ ВВЕРХ

Теперь вместо бутылки возьми жестяную банку от консервов. В ней легко пробивать дырки гвоздем. И если у тебя нет подходящей сетки, можешь пробить две дырки у верхнего края банки, пропустить в них концы веревки и завязать толстыми узлами, чтобы не вырвались. А за середину веревки вертеть. Можешь для проверки повторить предыдущий опыт с этой банкой, налив ее примерно на две трети. Вода и здесь не будет выливаться при вращении.

Ну, а теперь пробей в дне банки маленькую дырочку.
Пробил?
Наливай воды и раскручивай. Оборот. два. три.
Из дырочки в дне бьет струя воды. Бьет вниз —это понятно. Бьет вбок. Это уже странно. Бьет вверх!
Прямо вверх каждый раз, как банка, вращаясь, приближается к верхнему положению.

Отчего же так странно ведет себя вода в этой вращаю­щейся по кругу банке?
Почему из широкой, открытой верхней части не выливается ни капли, а из маленькой дырочки в дне бьет фонтан?
Ты, верно, уже понимаешь, что все дело именно во вращении. Ведь из неподвижной банки вода вверх не бьет ни через верхнюю часть, ни через дырочку.

Но когда банка движется, вода движется вместе с ней. Движется по инерции. А ведь ты, конечно, уже заметил, что тела, движущиеся по инерции, сами по себе не сворачивают в сторону. Веревка, которая удерживает банку, порядком тянет твою руку.

Банка стремится лететь прямо, лететь по инерции. А веревка не пускает, заворачивает по кругу. Банка сопротивляется, натягивает веревку.

Вода в банке тоже стремится двигаться по инерции, прямо. Но банка не пускает, заворачивает по кругу. Вода сопротивляется, давит на дно. И если в дне дырочка, из нее бьет фонтан.

ЗОНТИК И СЕПАРАТОР

Раскрой зонтик, упри его концом в пол и раскрути. Внутрь зонтика брось мячик. Пусть покатается на карусели! Но мячик не хочет кататься. Он ползет вверх, к краю зонтика. При сильном вращении он вылетает на пол. Ты уже знаешь почему. Мячик стремится двигаться прямо, он «не хочет» заворачивать.

Интересно, что на этом же явлении основано действие сепаратора для молока. Латинское слово «сепаратор» означает «отделитель». И он действительно очень хорошо отделяет от молока жирные сливки.
Впрочем, ты лучше поймешь действие сепаратора, если сделаешь сначала еще один опыт.

Для него придется изготовить специальное вращательное устройство. Не пугайся, оно не слишком сложное. Возьми крепкую палку длиной 15—20 см и у ее концов прорежь неглубокие кольцевые канавки. В этих местах прочно привяжи шнурки длиной 40 см каждый. Вот и все устройство.

Теперь подбери целый, непротекающий пакет из полиэтилена и наполни его на одну четверть растительным маслом и примерно еще на одну четверть подкрашенной водой. Подкрасить можно чернилами или синькой. Прочно завяжи пакет и привяжи его к середине палки. Более тяжелая вода соберется на дне пакета, а легкое масло будет плавать сверху.

Сам опыт лучше делать во дворе. Ведь полиэтиленовый пакет может прорваться, и из него ударит струя подкрашенной воды и масла.
Закрути шнурки и сильно потяни их концы в разные стороны. Палка и привязанный к ней пакет начнут вращаться все быстрее, быстрее. Смотри, жидкости в пакете переместились! Вода распределилась по окружности, а масло собралось в середине.
Почему?
Ты уже знаешь, что инерция зависит от массы. Вода плотнее масла. Иными словами, каждая капля воды имеет большую массу, чем такая же капля масла. Поэтому на воду инерция действует сильнее. Вот вода и отбрасывается к окружности пакета, вытесняя более легкое масло в середину.

А теперь вернемся к сепаратору.
Ты, конечно, знаешь, что в молоке есть жир. Он не смешивается с водянистой частью молока, он плавает в ней в виде крошечных капелек, которые можно увидеть только в микроскоп. Если дать молоку спокойно постоять несколько часов, более легкие капельки жира постепенно всплывут и соберутся в верхней части посуды. Если из этой верхней части жидкость слить, получим уже не молоко, а сливки. В них больше жира, чем в молоке. А внизу останется нежирное молоко-обрат.

Но на больших молочных фермах и заводах нужно перерабатывать слишком много молока. Некогда ждать, пока сливки сами отстоятся. Вот тут и нужен сепаратор. Это сосуд, который вращается очень быстро. Сосуд похож на бочонок. Под действием инерции молоко отбрасывается к его стенкам. Вспомни, как в опыте с вращающейся консервной банкой струйка воды била вбок.

Вода —тяжелая часть молока. Поэтому она прижимается к стенкам сильнее, чем более легкий жир. Вода выжимает, вытесняет жир к середине бочонка. И там, в середине, собираются сливки, а на окружности — обрат.
Сепаратор устроен так, что молоко можно все время подливать, не останавливая вращения. А сливки и обрат все время вытекают по особым трубкам. Сливок получается меньше, их желтоватая струйка гораздо тоньше на вид. А голубоватый обрат льется толстой струей.

Источник: Ф. Рабиза, «Знай и умей. Опыты без приборов» и «Техника своими руками»; журн. «Юный техник»

Источник

Почему не выливается?

Почему не выливается?

Опыт, о котором сейчас будет рассказано, – один из самых легких для исполнения. Наполните стакан водой, покройте его почтовой карточкой и, слегка придерживая ее пальцами, переверните вверх дном. Теперь можете руку убрать: бумажка не отпадает, вода не выльется, если только вы не держите стакан косо.

В таком виде вы можете переносить стакан с места на место – но с большим удобством, чем при обычных условиях: вода не расплескивается. При случае вам нетрудно будет изумить товарища, принеся ему в ответ на просьбу дать напиться воду в опрокинутом стакане.

Что же удерживает карточку от падения? Давление воздуха: оно действует на карточку снизу с силою, которая, как легко рассчитать, гораздо больше, чем вес воды в стакане, т. е. чем 200 г.

Когда мне еще в детстве впервые показали и объяснили этот опыт, мне было сказано, что вода должна наполнять стакан весь, от дна до краев. Если она занимает только часть стакана, остальная же занята воздухом, то опыт не удастся: воздух изнутри стакана будет давить на бумажку, уравновешивая давление наружного воздуха; следовательно, она должна отпасть.

Я решил тотчас же проделать опыт с неполным стаканом, чтобы самому увидеть, как бумажка отпадает. Представьте же мое удивление, когда я убедился, что она и тогда не отпадает! Карточка держится не хуже, чем при полном стакане.

Это послужило для меня наглядным уроком того, как следует изучать явления природы. Высшим судьей в естествознании должен быть опыт. Каждую теорию, как бы правдоподобна она ни казалась нашему уму, следует проверять опытом. «Поверяя и проверяя» – таков был лозунг первых исследователей природы (флорентийских академиков) в XVII веке, таков он и для физика XX века. И если при проверке теории окажется, что опыт не подтверждает ее, то надо доискаться, в чем именно теория ошибается.

В нашем случае нетрудно найти ошибку объяснения, на первый взгляд вполне убедительного. Отогнем осторожно один угол бумажки в тот момент, когда она закрывает снизу отверстие незаполненного стакана. Мы увидим, что через воду пройдет воздушный пузырь. Что это показывает? То, что в стакане воздух более разрежен, чем снаружи: иначе наружный воздух не устремлялся бы в пространство над водой. В этом и вся разгадка: стакан хотя и содержит воздух, но менее плотный, чем наружный, а следовательно, слабее давящий. Очевидно, при опрокидывании стакана вода, опускаясь вниз, вытесняет из него часть воздуха; оставшаяся же часть, распространяясь в прежнем объеме, разрежается и давит слабее.

В сущности, и в том случае, когда вода заполняет стакан, казалось бы, целиком, – над бумажкой, кроме воды, имеется в небольшом количестве также воздух. Достаточно самого тонкого слоя воздуха нормальной плотности, чтобы уравновесить давление атмосферы снаружи. Но воздух в стакане немного разрежен по сравнению с наружным, и оттого бумажка прижимается к краям стакана. Если бы воздуха в стакане совсем не было, наружное давление прижимало бы бумажку с силою в 60–70 кг (соответственно площади отверстия стакана). Оторвать бумажку от краев стакана было бы очень трудно; между тем в действительности для этого достаточно самого слабого усилия.

Вы видите, что даже простейшие физические опыты при внимательном отношении могут навести на серьезные размышления.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Почему мы так говорим

Почему мы так говорим И невольно может возникнуть вопрос: друг или недруг человеку атомная энергия? И не сделало ли человечество ошибки, расковав «Прометея науки», как называют атомную энергию?Но никакой ошибки нет. И дело не в существе атомной энергии, а в том, кем и для

ПОЧЕМУ ВРЕМЯ ТЕЧЕТ И ПОЧЕМУ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ?

ПОЧЕМУ ВРЕМЯ ТЕЧЕТ И ПОЧЕМУ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ? Современная наука раскрыла связь времени с физическими процессами, позволила «прощупать» первые звенья цепи времени в прошлом и проследить за ее свойствами в далеком будущем.А что же говорит современная наука о том,

Почему три поколения?

Почему три поколения? Для объяснения, почему существуют три семейства частиц, используются, в частности, математические теоремы, накопленные математиками за прошедшее столетие. Как мы видели ранее, злополучная особенность теорий Великого объединения заключается в

4.5. Почему все же изобретают ppm?

4.5. Почему все же изобретают ppm? До сих пор мы занимались в основном научно-технической стороной истории вечного двигателя, касаясь лишь попутно личных особенностей людей, связанных с ним. Но человеческая сторона дела тоже заслуживает внимания. Более того, занимаясь

Решение головоломки: как, кто и почему?

Решение головоломки: как, кто и почему? Как. Рассмотрим с позиции научного метода две основные, допускающие проверку гипотезы о происхождении жизни на Земле.Гипотеза 1Панспермия Хойла — Викрамасингха.Предсказание: если бактерии обитают на ядрах комет, то жизнь или по

2. Почему небо голубое?

2. Почему небо голубое? Из того, что воздух явно прозрачен, далеко не очевидна причина того, что небо голубое!Объяснение тому, почему небо синее, было найдено в конце XIX в. английским физиком лордом Рэлеем (лауреат Нобелевской премии по физике 1904).Ключевой факт 1. Свет

36. Почему Солнце горячее?

36. Почему Солнце горячее? Солнце жаркое по одной простой причине. Оно обладает большой массой. Огромное количество вещества прессуется в ядро под действием силы тяжести, сжимающей его.Когда газ сжат, он становится горячим. Это известно любому, кто сжимал воздух в

49. Почему Марс красный?

49. Почему Марс красный? Марс был назван в честь римского бога войны из-за своего яркого красного цвета. Он обращается вокруг Солнца за 1,88 года.Марс, который находится в 228 млн км от Солнца, вращается за пределами орбиты Земли. Когда Земля обгоняет его (каждые 26 месяцев), Марс

67. Почему звезды мерцают?

67. Почему звезды мерцают? «Ты мигай, звезда ночная! Где ты, кто ты — я не знаю. Высоко ты надо мной, как алмаз во тьме ночной»[15], — написала Джейн Тэйлор в 1806.Древние люди заметили, что звезды мерцают, а планеты — нет. Они также заметили, что звезды кажутся неподвижными на

74. Почему звезды взрываются?

74. Почему звезды взрываются? Большинство звезд, подобных Солнцу, сжигают водород в гелий. Но они никогда не станут достаточно плотными/горячими, чтобы перейти к следующему шагу — сжиганию гелия в углерод.Таким образом, у большинства звезд, растративших Н-топливо,

32 Почему полз ледник

32 Почему полз ледник Для опыта нам потребуется: зонтик. Для этого опыта нам понадобится зонтик и несколько капель воды. А также несколько минут, чтобы разобраться с одной очень интересной теорией. В России почти два столетия назад жил человек по фамилии Кропоткин. Он

Почему не выливается?

Почему не выливается? Опыт, о котором сейчас будет рассказано, – один из самых легких для исполнения. Наполните стакан водой, покройте его почтовой карточкой и, слегка придерживая ее пальцами, переверните вверх дном. Теперь можете руку убрать: бумажка не отпадает, вода не

Почему поет самовар?

Почему поет самовар? Отчего происходит певучий звук, который издает самовар, перед тем как вода в нем закипит?Вода, непосредственно прилегающая к трубе самовара, превращается в пар, который образует в воде небольшие пузырьки. Как более легкие, пузырьки эти вытесняются

14. Почему цветы красивые?

14. Почему цветы красивые? Как-то моя дочь Джульет, тогда ей было шесть… обратила мое внимание на цветы, растущие на обочине. Я спросил ее, как она думает, зачем нужны дикие цветы. Она ответила весьма вдумчиво. «Во-первых, – сказала она, – чтобы украсить мир. А во-вторых,

ПОЧЕМУ?

ПОЧЕМУ? В октябре 1899 года сотрудничающий с Кюри Андре Дебьерн объявил об открытии актиния. Без сомнения, прогресс, произошедший за два года с момента изучения Марией лучей Беккереля, был значительным. Во-первых, прибор, разработанный Пьером и сконструированный в Школе

Источник