Министерство
образования и науки Российской Федерации
Муниципальное
образовательное учреждение
«Средняя
общеобразовательная школа № 4 г.Жирновска»
Проект
«Парадокс.
Чаинки Эйнштейна».
Подготовила ученица 11
класса
Шевченко Ксения.
Руководитель
– учитель
физики Немухина Е.С.
Жирновск
2013 г.
«Во всем виноват Эйнштейн. В
1905 году он заявил, что абсолютного покоя нет, и с тех пор его действительно
нет.»
Содержание:
1.Введение.
2.
Теоретическое изучение информации о парадоксальном поведении чаинок в жидкости.
3. Разработка и
воспроизведение физических опытов с чаинками.
4. Заключение.
1.Введение
Чай – самый распространенный напиток на сегодняшний
день практически в каждой российской семье. И наша семья не стала исключением,
но мы чаще употребляем байховый(рассыпной) чай, а не пакетированный. И при
заварке мы не раз наблюдали интересное поведение чаинок: они собираются на дне
стакана в центре, а не разлетаются к стенкам.
И мне захотелось узнать, почему это происходит, какие
физические свойства проявляются.
Итак, я сформулировала цель проекта: исследовать
поведение чаинок в воде. Выяснить, почему их поведение противоречит законам
центробежной
силы.
Объектом исследования являются законы
центробежной силы и законы разности давлений.
Предмет: постановка опытов по физике с
использованием чаинок.
В соответствии с целью, объектом и предметом
исследования были определены задачи проекта:
l сбор
информации;
l проведение
опыта;
l создание
программного продукта (мультимедийной презентации).
В
работе над проектом применялись следующие методы исследования:
1.теоретический
анализ
2.эксперимент
3.наблюдение
2. Теоретическое
изучение информации о парадоксальном поведении чаинок в жидкости.
Существует легенда, что
Альберт Эйнштейн, помешивая ложечкой чай, любил наблюдать за поведением
воды.
И в 1926 Эйнштейн опубликовал в журнале Die
Naturwissenschaften(Естественные науки) статью
о чаинках. Суть явления в том, что, когда мы мешаем чай, чаинки скапливаются в
центре, в то время, как законы физики, а именно закон спиральной центробежной
силы, подсказывают нам, что все должно быть с точностью, да наоборот.
В этом же году Эйнштейн сделал в Прусской Академии
доклад, где в качестве примера обсудил поведение чаинок
в стакане: «Представим себе чашку с плоским дном, полную чая. Пусть на дне ее
имеется несколько чаинок, которые остаются там, так как оказываются тяжелее
вытесняемой ими жидкости. Если с помощью ложки привести во вращение жидкость в
чашке, то чаинки быстро соберутся в центре дна чашки, т.к. вращение жидкости приводит к появлению центробежных
сил. Эти силы сами по себе не могли бы привести к изменению потока жидкости,
если бы последняя вращалась как твердое тело. Но слои жидкости, находящиеся по
соседству со стенками чашки, задерживаются благодаря трению,
так что угловая скорость, с которой они вращаются, оказывается меньше, чем в других местах, более близких к центру. Результатом
этого является круговое движение жидкости, которое возрастает до тех пор, пока
под влиянием трения не станет постоянным. Чаинки сносятся в центр круговым движением, чем и доказывают его существование».
Дадим более понятное объяснение опыту Эйнштейна:
Когда
мы раскручиваем ложечкой чай, центробежная сила
инерции пытается отодвинуть жидкость от оси вращения к краю чашки.
Избыток несжимаемой жидкости поднимается вдоль краев
сосуда, и ее свободная поверхность принимает вогнутую
форму. От этого давление вдоль горизонтальных слоев жидкости перестает
быть постоянным: оно возрастает с удалением от оси вращения, поскольку в этом
направлении возрастает высота столба жидкости над слоем. В
результате, из-за центробежной силы, у стенок сосуда давление оказывается
повышенным по отношению к давлению в центре, но этого не происходит у дна.
Из-за трения жидкость у дна покоится и здесь нет разницы давлений. В
результате, повышенное давление на верхнем слое у стенок выталкивает жидкость
вниз, а пониженное на верхнем слое в центре засасывает жидкость снизу. Тем
самым получается, что жидкость одновременно вращается по окружности,
параллельно дну сосуда, и перемешивается снизу вверх по осевому сечению. А
чаинки вовлекаются в это перемешивание и скапливаются на дне в центре сосуда.
Так же, не будем забывать, что постоянно, не останавливаясь, жидкость двигаться
не будет, а со временем она придет в состояние покоя. Теперь взгляните на
рис.1. При
уменьшении скорости вращения свободная поверхность L, имевшая форму
параболоида вращения, стремится стать снова плоской. Чаинки увлекаются придонным
потоком, направленным к оси сосуда.
Рис. 1
Рассмотрим 2 способ, когда жидкость покоится, а вращается сосуд
вокруг нее. В этом случае первыми во вращение будут вовлекаться придонные
слои, и тогда внизу будет возникать разница давлений (в центре будет
пониженное, а у стенок повышенное), а вверху разницы давлений не будет. В этом
случае поток будет направлен в обратную сторону, относительно 1 случая и
чаинки будут разлетаться к стенкам сосуда.
3. Разработка
и воспроизведение физических опытов с чаинками.
Чтобы убедиться в
правдивости суждений, я решила сделать опыты с чаинками в жидкости. Эти опыты с
легкостью можно воспроизвести в домашних условиях.
Оборудование
и материалы:
стакан, салатница,
ложка, вода, чаинки(байховый чай), веревка.
I случай. Для того,
чтобы наблюдать это явление, нужно в прозрачный стакан насыпать немного чаинок
и залить их горячей водой. Спустя 2-3 минуты, когда чаинки заварятся и
опустятся на дно, помешаем жидкость чайной ложкой.
II случай. Чтобы
посмотреть, как ведет себя покоящаяся жидкость с чаинками в движущемся сосуде,
нужно смастерить экспериментальную установку, состоящую из листа
картона, салатницы и веревки. Затем подвесить это устройство на мягкой
веревке, чтобы оно могло без труда вращаться. Закрутить его так, чтобы веревка
тоже скрутилась, и отпустить. Устройство будет стремиться вернуться в
первоначальное положение и начнет раскручиваться, а вместе с сосудом и жидкость
начнет раскручиваться. Мы увидим, что по мере возрастания скорости вращения,
чаинки разлетаются к стенкам, но, когда скорость установки начинает уменьшаться,
чаинки вновь собираются около центра(скорость устройства в определенный момент
равна нулю, а скорость жидкости нет) и мы наблюдаем 1 случай. Назовем этот
процесс одним полным колебанием. И эти колебания будут происходить до тех пор,
пока система не придет в состояние покоя.
4. Заключение
В ходе выполнения
проекта я проделала следующую работу:
1.Изучила статью
Эйнштейна в журнале Die Naturwissenschaften(Естественные
науки).
2. Изучила статьи
о центробежной силе, о поведении чаинок в жидкостях.
3. Провела опыт с
чаинками, вращающимися в жидкости.
На основании
проведенных опытов, я убедилась и разобралась в странном и интересном поведении
чаинок в жидкости. Еще я узнала, что это явление используют в медицине: таким
способом отделяют красные кровяные клетки из плазмы крови.
Список
использованных источников:
1. Википедия — свободная энциклопедия (http://ru.wikipedia.org/wiki/)
2. Электронный учебник физики (http://www.physbook.ru/index.php/Kvant)
3. Класс!ная физика -
(http://class-fizika.narod.ru/index.htm)
4. YouTube.ru –
(http://www.youtube.com/)
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.