Опыт с парящим шариком делали многие. Кто-то использовал для этого фен, кто-то старый пылесос, где можно подключить шланг к «выходу». Наблюдать за кульбитами шарика или другого округлого предмета очень интересно. Вот и мы решили разнообразить свою коллекцию занимательных экспериментов специальным устройством для этого опыта.
Занимательные опыты всегда основаны на «вау-эффекте». В данном случае все, как завороженные, смотрят на парящий шарик. А потом кто-нибудь спрашивает – «почему он не падает»?
Левитация шарика в потоке воздуха объясняется законом Бернулли. Чем выше скорость потока, тем меньше в нем давление. На шарик с боков действуют силы, которые удерживают его в струе, а снизу — аэродинамическое давление, которое уравновешивает силу тяжести. Закон Бернулли очень многогранен – он объясняет множество явлений, применяется в аэродинамике, гидравлике и много где еще. Например, тот же шарик может удерживаться и струей воды в раковине.
Идея сделать специальный прибор для демонстрации опыта с шариком, появилась давно. Правда, сначала шарик был гораздо больше, и у вентилятора не хватило мощности, чтобы поднять его повыше. Кроме того, вентилятор закручивает поток воздуха, и сразу стало понятно, что нужно делать специальный «выпрямитель струи».
Под руку попался стакан от сметаны. Сделал в нем 8 прорезей, вставил в них листки бумаги и приклеил снаружи скотчем. Сам стакан прикрепил к вентилятору через толстый картон. Струя воздуха разрезается и не образует вихревого движения. Но шарик все равно крутится, только в горизонтальной плоскости. Об этом явлении напишем дальше.
В конструкции используется 12В вентилятор DELTA PFC0612DE от системы серверного охлаждения. Покупался на алиэкспресс.
Корпус делался на 3д принтере. В широкое коническое основание устанавливается вентилятор с прикрепленным к нему стаканом от сметаны. Сверху стакан фиксируется кольцом.
Снаружи стакан обклеил серебристо-серой пленкой под цвет корпуса. Получилось даже симпатично.
Управление скоростью вентилятора сделано помощью линейного регулятора LM317T. Эта микросхема требует минимум компонентов – один постоянный и один переменный резистор. Питание от адаптера 12В, 2А. Ввиду линейного принципа работы стабилизатора, на нем «падает» 2В, и до вентилятора доходит только 10В из 12. Но даже в таком варианте он дует отлично – шарик взлетает высоко, большего и не нужно.
Радиатор с микросхемой закреплен на картоне внутри стакана так, чтобы его обдувал воздух.
Как видим, устройство нехитрое. А теперь давайте попробуем объяснить некоторые явления, которые оно нам демонстрирует.
Во-первых, шарик не висит на одном месте. Он все время двигается в разные стороны, но не вылетает из потока. Кроме того, происходят периодические провалы вниз и подскоки вверх. Через некоторое время шарик начинает вращаться поперек струи воздуха – в горизонтальной плоскости, причем достигает большой скорости – рисунок сливается. Чем это объясняется?
Во всем виноваты завихрения воздуха, которые создаются мощной струей и окружают шарик. Поток нельзя назвать ламинарным. Он не вихревой, но и не равномерный. Попадая в области с более плотной структурой, шарик взлетает, и проваливается на разряженном участке. Это похоже на воздушные ямы, в которые проваливается самолет. Кстати, устройство крыла самолета имеет прямую связь с нашим опытом.
Благодаря форме крыла, воздух сверху движется с большей скоростью, чем снизу. А закон Бернулли говорит, что чем выше скорость жидкости или газа, тем ниже показатель давления. Получается, что вверху крыла образуется менее высокое давление, чем внизу, соответственно, оно стремится подняться вверх. Так воздушный транспорт преодолевает силу притяжения и поднимается в воздух, несмотря на значительный вес.
А почему шарик вращается? Как видно из опыта, завихрения воздуха периодически толкают шарик на край потока, но он тут же отскакивает обратно. Да, он натыкается на «стену» более плотного воздуха, как и крыло самолета. Но в момент приближения к этой стене он смещается от центра воздушной струи. И тут происходит закручивание, появляется вращение. Шарик как бы катится по воздушной стене сверху вниз – навстречу потоку.
Готовя эту статью я, конечно, наткнулся на публикацию «Шарик с дыркой в струе пылесоса» в журнале «Квант» за февраль 1993г.
Станислав Кузьмин, ученик 11 класса Новосибирской школы, провел глубокий научный разбор этого опыта. С формулами, рисунками и выкладками.
Он указывает, что если шарик вращается, то он обязательно будет смещен от центра потока к его краю. Процитируем:
«… вращающийся шарик должен быть смещен от центра струи, так как равенство скоростей с разных сторон от него возможно только в этом положении (скорость в струе убывает с удалением от центра, а это значит, что край, находящийся в центре струи, должен двигаться против потока, а противоположный край – по потоку)».
Все точно. Шарик приобретает вращение, смещаясь от центра к краю. По его совету я снабдил устройство модной прической – отрезками магнитофонной ленты, которые будут «визуализировать» воздушный поток. И поставил опыт с «дырявым» шариком.
Да, шарик с отверстием вращается гораздо «охотнее» сплошного шарика. Он раскручивается сразу и «прижимается к стенке» — это хорошо видно благодаря пленке, которая показывает края потока. Не будем углубляться в причину вращения шарика с отверстием, Станислав подробно описывает это в своей статье. Но о силе Магнуса нужно сказать отдельно, это очень интересный аспект.
Эффект Магнуса – частный случай закона Бернулли. Вращающееся в потоке тело с одной стороны замедляет, а с другой стороны ускоряет поток своим вращением. В результате возникает разность скоростей, и соответственно, разность давлений. Вспомнили крыло самолета? Вот и получается, что тело смещается в сторону с низким давлением – возникает сила, направленная перпендикулярно потоку.
Однако в нашем случае поток представляет собой струю, в которой скорость непостоянна — она убывает от центра. Поэтому можно сказать, что сила Магнуса выталкивает шарик от центра струи до тех пор, пока он не окажется в положении равновесия. Станислав сам об этом пишет – «равенство скоростей с разных сторон от него». Как только шарик оказывается в области равновесия, сила Магнуса исчезает.
Эксперимент с падающим цилиндром, на который действует сила Магнуса, показывают в Галилео:
И вот еще отличная демонстрация эффекта Магнуса:
В этих опытах предмет получает вращение извне, не от потока воздуха. Если мы предварительно раскрутим шарик и поместим его в струю от нашего устройства, он, скорее всего, вылетит из нее. Это зависит от начальной скорости шарика. Если его раскрутить слишком сильно, сила Магнуса вытолкнет шарик наружу, потому что в потоке не будет «зоны равновесия» для такого быстрого шарика. Экспериментально мне не удалось поместить крутящийся шарик в поток. Он срывался с минидрели, (на которой я его раскручивал), и летел куда угодно, только не в струю воздуха.
Вот как много всего происходит с шариком от пинг-понга, прыгающим над вентилятором. Тут и закон Бернулли, и эффект Магнуса, и турбулентность, и … Станислав Кузьмин. Да, он проделал очень большую интересную работу. Все последующие публикации ссылаются на его статью. Да и мы тоже. Надеемся, что Станислав пошел в жизни по «научной линии».
«Аэролевитрон» дополнит нашу коллекцию занимательных опытов, которые никого не оставят равнодушным.