Электростатическая игрушка своими руками
Учитель физики из Казани, Равиль Насырович Насыров, изобрел интересную и познавательную игру - запуск летающих фигурок и объемных моделей и управление ими при помощи электростатического поля. Выступления изобретателя на выставках и фестивалях неизменно пользовались успехом у детей и взрослых. Сделайте и вы летающую модель собственной конструкции, расскажите о ней и пришлите ее снимок в редакцию.
Простейшую летающую модель вырезают из папиросной бумаги в форме удлиненного треугольника высотой около 5 сантиметров и с длиной основания 1 сантиметр. У основания делают небольшую прорезь и отгибают лепестки в разные стороны.
Первоначальным толчком к изобретению моделей, летающих за счет использования электростатического поля, послужил эпизод на уроке физики. Объясняя тему "взаимодействие электрических зарядов", я рассказал своим ученикам, что на основе взаимного отталкивания двух одноименно заряженных тел, видимо, можно построить модель летающего аппарата. Впоследствии оказалось, что эту мысль я внушил не столько им, сколько себе. И в результате многочисленных экспериментов, проб и ошибок мне наконец удалось сделать летающую бабочку. Она была изготовлена из папиросной бумаги и летала несколько секунд на высоте 2-3 сантиметра над поверхностью наэлектризованной пластины из оргстекла. Вскоре высоту полета бабочки удалось довести до 10 сантиметров, а время полета - до получаса.
Дальнейшие опыты с полосками фольги и бумаги привели к созданию летающих моделей самолета, ракеты, космического корабля (с космонавтом на борту), НЛО, фигурки птиц и людей, танцующих в воздухе.
Для запуска игрушки и управления ею в полете можно использовать трубку, свернутую из листа лавсановой пленки (разноцветная пленка в листах продается в магазинах театральных принадлежностей - ее используют в качестве светофильтров, закрывающих софиты). Трубку электризуют, натирая сухой рукой, и кладут на нее модельку. Приобретая одноименный с трубкой заряд, моделька отталкивается от нее и взлетает в воздух. Перемещая трубу, управляют движением модели. Бумажный самолетик способен выполнять фигуры высшего пилотажа: "мертвую петлю", "бочку", "кобру", неподвижно зависать, вертикально взлетать и садиться.
Интересно наблюдать за фигуркой человечка, парящего в воздухе. Она может периодически резко подпрыгивать и плавно опускаться, не касаясь наэлектризованной трубки. Частота прыжков зависит от влажности воздуха и количества ионов в нем, от веса фигурки и ее размеров. В одном из опытов число таких прыжков достигло 149!
Неподдельный интерес вызывает летающая бабочка с размахом крыльев 15 сантиметров, несущая на спине сказочного героя. В полете бабочка машет крыльями.
Очень эффектно выглядит полет объемных моделей. Их склеивают из узких полосок тонкого металлизированного лавсана в виде ажурных сфер или торов (бубликов). До запуска они выглядят как бесформенные комки серебристых ленточек, но по мере электризации раздуваются, приобретают заданную форму и взлетают. Сфера диаметром 1 метр поднималась у меня до высокого потолка спортивного зала. А развернувшийся тор можно заставить вращаться вокруг центральной оси, наклоняться и двигаться под углом к горизонту.
Опыты с летающими игрушками следует проводить в сухом помещении. Руки и лавсановая трубка также непременно должны быть сухими - влага препятствует электризации. Для запуска трубку берут в правую руку, подбрасывают фигурку, резко проводят левой рукой вдоль всей трубки, натирая и электризуя ее, и подносят трубку к падающей игрушке снизу. Фигурка притягивается к трубке, приобретает одноименный заряд и отскакивает вверх, зависая на высоте 30-40 сантиметров. Управляют движением игрушки, смещая трубку в сторону, приближая и удаляя ее. Объемные модели запускают аналогичным образом, но при работе с ними трубку приходится натирать несколько раз, создавая заряд, достаточный для разворачивания комка лавсановых ленточек в сферу или тор.
Игры с летающими игрушками увлекательны, способствуют развитию фантазии, помогают выработать координацию движений, будят воображение. И, наконец, играя в них, дети познают законы природы, законы физики.
Продолжаем делать поделки, в основе действия которых лежат законы равновесия. Я уже показывала в блоге наших белочку, бабочку, птичку из картошки и Ваньку-Встаньку. А теперь сделаем балерину из бумаги. Как и предыдущие игрушки, эта балерина не простая — она умеет грациозно балансировать на тонкой ниточке или на кончике пальца. А все из-за того, что у игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет балерине стоять и не падать.
Описание этой балерины мы нашли в старой, еще советской книге Л.А.Горева «Занимательные опыты по физике». И очень захотели попробовать сделать такую игрушку своими руками. Оказывается, это очень быстро и очень просто! Особенно если упростить конструкцию и воспользоваться подручными материалами. Дальше как обычно, небольшой мастер-класс.
На картоне рисуем фигуру балерины (или любую другую картинку на ваш вкус) высотой около 10-11 см. При желании можно скачать мой рисунок, распечатать его на обычной офисной бумаге и наклеить на картонную основу.
 |
| Шаблон для скачивания. Нажмите на картинку мышкой — она откроется в новом окне в полную величину. После этого скопируйте изображение к себе на компьютер и распечатайте. |
После этого делаем для нее балансир: на концах проволочки заворачиваем петельки и в них продеваем по три скрепки с каждого конца. После этого середину проволоки оборачиваем вокруг ног балерины так, чтобы концы свисали вниз. После надо будет чуть-чуть раздвинуть проволоку в стороны, опытным путем добиваясь большей устойчивости игрушки.
А теперь проводим эксперимент. Ставим балерину на какую-нибудь тонкую опору — нитку, проволоку, палочку, — она стоит и не падает!
Продолжаю выкладывать занятия, которые мы готовили для фестиваля «Мастерская чудес«. Еще одна забава, которая пользовалась успехом и у детей и у взрослых — самодельные волчки.
На первый взгляд — это просто игрушка. Распечатываешь (или рисуешь на бумаге) разноцветный кружок, протыкаешь его зубочисткой и можно запускать. Но на самом деле эти волчки очень интересны.
Во-первых, с их помощью можно демонстрировать оптические законы. Запуская волчки, мы видим, как при быстром вращении фигуры сливаются. Например, нарисованный треугольник или квадрат превращается в круг Это демонстрирует неспособность нашего глаза «ухватить» быструю смену картинки. На этом основан эффект анимации, применяемый для создания кино и мультфильмов.
Во-вторых, с помощью разноцветных вращающихся кругов можно увидеть слияние цветов. Части круга, окрашенные по-разному, во время вращения сливаются, и наш глаз фиксирует это как новый цвет. Желтый и синий дают зеленый, красный и синий — фиолетовый, красный и желтый — оранжевый и т.д. Заметьте, что окраска зависит не только от цветов исходных частей, но и их расположения: окрашенные половинки дают не совсем такой же цвет, как окрашенные в эти же цвета четвертинки.
В-третьих, для малышей запускать волчки — прекрасная тренировка мелкой моторики. Непослушным пальчикам трудно ловко закрутить зубочистку. Но на фестивале это удавалось даже некоторым двухлетним детям!
- Каждый игрок запускает свой волчок. Побеждает тот, у кого он прокрутится дольше.
- Игроки запускают каждый свой волчок на каким-то поле (например, на листе бумаги). Выигрывает тот, у кого волчок при вращении не выйдет за поле.
- Игроки запускают свои волчки по-очереди на одно поле. Если волчок при вращении задел уже стоящий там волчок, то игрок забирает его себе. Если нет — то волчок остается на поле. Выигрывает тот, кто соберет больше волчков.
- Игроки делятся на две команды и стараются запустить как можно больше волчков — у кого одновременно крутится большее их количество, тот выиграл.
Для создания волчков можете воспользоваться вот этими рисунками, которые я создала в графическом редакторе.
 |
| Шаблоны волчков с оптическими иллюзиями (чтобы увеличить — щелкните мышкой и сохраните файл к себе на компьютер для распечатки) |
А можете поэкспериментировать и нарисовать собственные варианты, раскрасив их красками или фломастерами. Обратите внимание, что так как волчки крутятся очень быстро, то некоторые узоры рисовать на них бесполезно. Например, ничего не даст изображение спирали. Чтобы увидеть оптическую иллюзию, требуется вращать спираль медленно. Дети называют такую иллюзию «гипноз» 🙂 Для этого Антон сделал несложное устройство на основе старого СD-привода, которое можно увидеть ЗДЕСЬ.
Волчки лучше всего распечатывать (или рисовать) на очень плотной бумаге, а еще лучше наклеить их на картон. Оптимальный размер кружков от 4 до 6 см. Дырочку для зубочистки прокалывайте строго в центре круга.
А для того, чтобы они хорошо «сидели» на зубочистке, в качестве фиксатора я накручивала на нее тоненькую полоску бумаги, промазанную клеем ПВА.
Начнем с простого и дойдем до классики!
А не хотите ли Вы взять обычный тонкий полиэтиленовый пакет, обвязать его по середине ниткой и обрезать полиэтилен с двух сторон от нитки, соорудив бантик, привязанный к длинной ниточке.
Берем в руки школьную пластиковую линейку, трем ее о шерстяной шарф и подносим к бантику.
Теперь любуемся полетом бантика и стараемся как можно дольше удерживать его в воздухе.
Это самый простой опыт по электризации трением, он вызывает восторг зрителей, желание попробовать сделать тоже самое самому.
Ну, и пожалуйста, кто был бы против!
А теперь возьмем в руки то, что продается в магазине!
Просто-напросто берем волшебную палочку, поднимаем вверх вырезную фигурки из фольги и, как заправский фокусник, заставляем фигурку парит в воздухе над палочкой.
Ну это, скажу я вам, не бантик!
Фигурка распрямляется, становится объемной и вот она, полностью в вашей власти, выделывает в воздухе замысловатые кульбиты.
Где же скрыт секрет?
Чем «волшебна» эта волшебная палочка, и, как говорят малые дети, что там внутри?
Вспомните ваше первое знакомство с генератором статического электричества - это ваша кошка!
Погладь и «наслаждайся» затем дергающими нервы электрическими прикосновениями …. Пробовали?
Другой известный со школы генератор статического электричества – это электрофорная машина.
И вот еще одно воплощение устройства для накопления электрических зарядов: в волшебной палочке находится миниатюрный электростатический генератор Ван де Граафа.
Генератор в волшебной палочке работает на батарейках, которые также расположены внутри палочки. При нажатии на кнопку, генератор начинает создавать на конце волшебной палочки электростатический заряд. Когда конец палочки дотрагивается до фигурки из фольги, она приобретает часть электростатического заряда палочки. Палочка и фигурка получают одноименные заряды, а такие заряды должны отталкиваться. Фигурка и палочка теперь будут отталкиваться друг от друга.
Фигурка из фольги становится объемной потому, что все её части имеют заряды одного знака. Получается эффект, словно мы из вырезанной бумажной фигурки надуваем воздушный шарик.
Через некоторое время, заряд на фигурке и палочке ослабевает, и нужно снова нажать на кнопку на палочке, чтобы накопить новый заряд статического электричества.
А настоящий большой генератор Ван де Граафа был создан американским физиком Робертом Ван де Граафом для серьезных научных исследований элементарных частиц в области атомной физики.
Идея генератора была разработана автором в 1929 году, и сначала была создана и демонстрировалась небольшая по габаритам действующая модель генератора.
Большой мощный генератор Ван де Граафа был построен и установлен на рельсы в ангаре для дирижаблей.
Генератор состоял из двух столбов, на каждом из которых сверху были установлены полые алюминиевые, надежно изолированные от земли сферы диаметром 15 футов (1 фут равен 0, 3 м) каждая.
Вертикально установленная в колонне диэлектрическая бумажная лента, склееная в кольцо, вращалась на роликах. Верхний ролик был выполнен из диэлектрика, а нижний из металла и соединён с землёй. Нижний конец ленты получал электрические заряды от источника тока, а верхний конец находился внутри металлической сферы. Щеточный электрод внутри сферы касался ленты, снимал электрический заряд и подавал его на проводящую сферу, где он равномерно распределялся по всей внешней поверхности сферы.
Такие генераторы использовались для создания высокой разности потенциалов в линейных ускорителях частиц, поэтому требовались две сферы, накапливающие разноименные заряды. Одна сфера заряжалась положительно, другая отрицательно, при достаточном накоплении зарядов между шарами происходил электрический разряд, который и исследовался физиками.
Суммарное напряжение между сферами достигало миллионов вольт. Внутри каждой сферы огромного генератора располагались научные исследовательские лаборатории.
Первоначально такие генераторы использовались в линейных ускорителях. Диаметр купола достигал несколько метров, а создаваемая разность потенциалов несколько миллионов вольт.
В настоящее время генераторы Ван де Граафа применяются в основном для моделирования процессов, например, для имитации природных грозовых разрядов.
Теперь генератор Ван де Граафа можно увидеть и в школе, выпускается миниатюрный учебный демонстрационный генератор, предназначенный для проведения демонстрационных опытов по электростатике: электризации тел и показов искрового газового разряда в воздухе.
Здесь резиновая лента приводится в движение электродвигателем, она проходит между электрически заряженными пластинами. Возникшие на внешней стороне ленты заряды переносятся на сферу, создавая достаточно сильные электростатические поля (высокие напряжения) в окружающем пространстве, а заряды с внутренней стороны ленты противоположного знака отводятся через заземление.
Генератор Ван де Граафа – это генератор статического электричества, он дает очень высокие напряжения при очень малых токах в микроамперах. Благодаря этому, используя генератор Ван де Граафа, можно демонстрировать интересные опыты, например, электризацию человеческого тела, когда волосы «встают дыбом», и опыты в темноте, показывая электрические разряды в виде маленьких молний.
Если человек встанет на изолирующую подставку, и дотронется до заряженной сферы генератора Ван де Графа, то его телу сообщится большой электрический заряд, и все волосы, получившие одноименный заряд, будут отталкиваться друг от друга и встанут дыбом.
Но «не дай бог», если человек в таком состоянии коснется заземленной батареи отопления и ощутит на себе перераспределение зарядов!
ПРЫГАЮЩИЕ ШАРИКИ
По виду это обычная погремушка: пластмассовая прозрачная сфера на деревянной ручке, внутри пенопластовые шарики.
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.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ
Вставьте пробку с иголкой в горлышко бутылки, причем острие иглы должно быть сверху. На острие установите стакан, а на нем ножницы. Наэлектризуйте расческу и поднесите к концу ножниц.
Они будут притягиваться к расческе. Приведите расческу в движение по окружности. За ней будут двигаться ножницы.
Почему?
Когда подносим наэлектризованную расческу к ножницам, на них наводятся заряды, которые взаимодействуют с зарядами поднесенного тела.Опыт можно повторить, заменяя ножницы линейкой, ложкой, карандашом, расческой и т. д.
ПРИЛИПШИЙ ШАРИК
Потрите газетой детский воздушный шар, поднесите к потолку и отпустите. Шар остается висеть у потолка и может находиться в таком положении сутками. Почему?
Наэлектризуйте два шара о газету. Подвесьте их на длинных нитях рядом. Почему они отталкиваются?
Наэлектризуйте один шар о газету, а второй — о кусок шерстяной материи. Подвесьте их на некотором расстоянии друг от друга. Почему они притягиваются?
Особенно хорошо видно их взаимодействие, если один из шаров катить по поверхности стола, то за ним катится и другой. Почему?
Источник: журн. "Юный техник"; Ф. Рабиза "Опыты без приборов"; Л.А. Горев "Занимательные опыты по физике"; Л.Гальперштейн "Забавная физика"
Читайте также: