Дайте мне точку опоры!

Дети очень любят фокусы, это общеизвестно. Впрочем, фокусы любят и взрослые. И все взрослые с детства знают, что в фокусах самое интересное – секрет. Но самый интересный фокус на свете – природа, созданная Творцом. Полная разгадка её секретов недоступна человеку. Но некоторые несложные тайны естества открываются пытливому уму. Дети пытливы. Иногда малыши 5-ти – 10-ти лет делают удивительные открытия, но всегда оказывается, что всё, что они открыли или изобрели, давно открыто и изобретено этими вредными взрослыми. Но взрослые имеют возможность несколько скомпенсировать свою вредность. Просто пытливым детским умам нужно давать знания. В раннем возрасте разум необычайно подвижен, но ещё мало способен к абстрактным рассуждениям. Поэтому знания, преподаваемые детям старшего дошкольного и младшего школьного возрастов должны быть предельно наглядны, материальны, ощутимы.
Два года я вёл у детей вышеозначенной возрастной группы кружок «Физика для малышей». Область естественных наук велика, и за два года мне не пришлось повторить ни одного занятия. Надеюсь, что моих познаний и фантазии достанет ещё хотя бы на один год оригинальных еженедельных опытов. Были в нашем курсе опыты эффектные на уровне фокусов, были и попроще. И вот, теперь авторитетно заявляю, что демонстрация даже самых элементарных физических явлений не оставляет детей равнодушными. Нужно немного: наглядность и обращение внимания ребёнка на сущность явления, на то удивительное, что присутствует в самых простых вещах.
Есть ещё одна составляющая полезности таких занятий. Не помню кто, но, видимо, кто-то очень умный сказал: «искусство быть скучным состоит в том, чтобы всё рассказывать до конца». Ах, как это верно! Никогда не вываливайте на детей голую информацию грубой глыбой! Перед началом любого занятия спрашивайте: что будет, если мы сделаем то-то? Выслушивайте и уважайте все версии, ни одна из них не глупа. Дети страшно логичны, все их версии вытекают из логики и имеющегося у них опыта, а он-то как раз пока невелик. Затем ставьте собственно опыт. Отмечайте результат. И спрашивайте: а почему получилось именно так, а не иначе? Такая метода не только поможет ребятам усвоить преподаваемый материал, о! гораздо больше, она научит их думать.
Что ж, до эффектных экспериментов мы ещё успеем с вами добраться. Пока покажем нашим малышам ещё несколько простейших механизмов, которыми человек пользуется практически повседневно.

Наклонная плоскость

В прошлый раз мы разговаривали о рычагах разного рода и о простых и сложных блоках. Теперь в самый раз поговорить о таком древнем и надёжном приспособлении как наклонная плоскость. Перед демонстрацией наклонной плоскости хорошо ещё раз показать работублока.

point_01_main

Наклонная плоскость. Рис. А. Анашкевича

Если к двум концам шнура привязать грузы разного веса, а шнур перекинуть через блок, более тяжёлый груз поползёт вниз, а более лёгкий поедет вверх. Но теперь те же самые грузы мы располагаем на наклонной плоскости. Её можно изготовить из обрезка доски, куска фанеры, оргалита, всего, что попадётся под руку. На краешке нашего приспособления мы укрепляем шкив от конструктора, или катушку от спиннинга, или что угодно, что даст возможность шнуру двигаться практически без трения. Мне не удалось удачно сфотографировать мою самодельную наклонную плоскость, и я попросил нашего художника нарисовать её. По-моему, получилось даже лучше.
Итак, массивный груз мы располагаем в тележке на наклонной плоскости, а лёгкий подвешиваем к свободному концу верёвочки. Не спешите привести устройство в действие! Сначала спросите у малыша – что перетянет? Пусть он подумает над этой задачей. Для него она не так проста, как для вас. Получив любой ответ, можно выпустить грузы из рук. Вот и начинается фокус, обещанный в самом начале: меньший вес, перемещаясь вниз, тащит вверх больший. Теперь самое время спросить: а почему так получается? И выслушать опять же любые ответы. Они могут вас удивить с одной стороны неправильностью, с другой стороны логикой. Ну, я предупреждал.
И теперь должно разъяснить человечку, в чём же дело, почему лёгкое идёт вниз, а тяжёлое – вверх, причём при этом они проходят равные пути. Всё дело только в высоте, на которую перемещаются наши грузы. Маленький опускается на гораздо большую высоту, чем та, на которую поднимается большой. Эти высоты можно наглядно измерить с помощью линейки или рулетки. Важно обратить внимание на то, что, перемещая изрядный груз не напрямую вверх, а по наклонной плоскости, мы можем затрачивать много меньшее усилие. Однако, нам придётся для этого пройти заметно большее расстояние. Тут можно рассказать о применении наклонной плоскости вообще. Я обычно рассказываю о строительстве пирамид. Как известно, пирамиды сложены из каменных брусов весом в несколько тонн. Предполагается, что их поднимали с помощью насыпных наклонных плоскостей, которые после окончания строительства были срыты. Если располагает обстановка, можно упомянуть и о том, что после привлечения огромных масс народа на строительство эффектных, но бесполезных пирамид, экономика Египта была подорвана.

Винт

От наклонной плоскости легко перейти к такому важнейшему техническому устройству как винту, винтовой спирали. Обычно я вырезаю из бумаги треугольник как схему наклонной плоскости, и предлагаю детишкам подумать, как сделать эту наклонную плоскость более

point_06_main

Так получается винт

компактной. Если ребёнок предложит просто сложить её вдвое, это будет просто замечательно, это будет, конечно, ещё не настоящее решение, но это будет громадный шаг маленького естествоиспытателя к верному решению. Разумнейшим же решением будет наматывание наклонной плоскости в спираль. Это легко демонстрируется.
А теперь эту наклонную плоскость, навитую в спираль, нужно использовать на практике. Моим кружковцам это занятие запомнилось надолго, потом что на него я принёс орехи. На дальних антресолях я нашёл уникальное приспособление, которое с точки зрения практикующего инженера представляет собой грибообразный ореходавительный винтовой пресс. Винт этого пресса представляет собой ту же нашу знакомую наклонную плоскость, только накрученную на ось.
Вот и видим мы ещё один фокус. Ни дети, ни даже многие взрослые усилием руки не могут расколоть грецкий орех. Но даже ребёнок, вращая шляпку этого волшебного гриба, без труда раскалывает даже самый крепкий орешек. Физика явления здесь та же абсолютно, что и у наклонной плоскости: вращая шляпку, приходится сделать много движений с небольшим усилием, зато винт перемещается вниз хоть и очень медленно, но с усилием, позволяющим расколоть любой орех.

point_02_main

Простейший винтовой пресс

У вас может не оказаться под рукой грибообразного ореходавителя. Это естественно. Такого рода устройства в своё время изготавливались одним секретным мастером и распространялись только в среде тайного общества Колотелей Всяческих Орехов. Но вы не отчаивайтесь. Любые слесарные тиски, даже самые миниатюрные, представляют из себя не что иное, как винтовой пресс. Для колки орехов они годятся не меньше, чем секретное изделие тайного мастера. Тут только важно обратить внимание ребёнка на присутствие в устройстве тисков всё того же винта и, конечно, не оставлять малыша с тисками наедине.
Вообще во время всех научных экспериментов необходимо строго придерживаться самых строгих правил техники безопасности.
Винтовые ручные прессы и по сей день применяются на производстве, только они, настоящие, имеют очень большой шаг спирали и используют момент приделанной к круговой рукоятке грузов.

Гидравлический пресс

В технике используют три основных вида прессов: винтовой, ударный (его ещё именуют механическим), и гидравлический. Как сделать «на колене» модель механического пресса, я пока не придумал. Зато придумал и сделал гидравлический.
Для изготовления самого настоящего, только маленького гидравлического пресса вам понадобятся два шприца. Чем больше будет у них разница в диаметрах, тем лучше. У меня заработали шприцы один на 20 кубиков, другой на 2. Иглы мы выбрасываем сразу, они нам ни к чему. Носики шприцев нужно соединить трубкой.

point_03_main

Тиски — тоже винтовой пресс

Резиновая не очень подойдёт – слишком эластичная. Я использовал трубчатую ручку от большого пакета. Её внутренний диаметр превышает диаметр носика шприца. Но я обмазал носики эпоксидкой и вставил в трубку. Эпоксидка приклеилась к трубке, но не приклеилась к носикам. Самозаклинивание носика в эпоксидном обратном конусе не происходило: угол конуса носика значительно больше угла конуса Морзе, и самозаклинивание при таком угле возможно только со сравнительно эластичными материалами, как, скажем, полимерная часть шприцевой иглы. Поэтому пришлось промазывать носики циакриновым клеем и снова вставлять в полученные эпоксидные обратные конусы. Но теперь система надёжно держала давление.

point_04_main

Гидравлический пресс

Наполнить систему жидкостью проще всего так: вынимаем поршни из обоих цилиндров, и погружаем систему в ёмкость с водой. Выпускаем весь воздух из системы. Под водой вставляем большой поршень. Проталкиваем его вперёд по цилиндру. Меньший поршень слегка вправляем в его родной цилиндр, и тогда тянем большой поршень назад. Малый поршень втягивается в свой цилиндр, и система оказывается наполнена водой под завязку, практически без пузырьков воздуха, которые будут мешать работе механизма.
Следующее действие – укрепление большого цилиндра на станине, которую нетрудно сделать из металлического конструктора. Пресс готов.
Настоящие гидропрессы наполняют машинным маслом, но я не уверен, что резиновые поршни шприцев маслостойки, так что нам сойдёт и вода. В таком минигидропрессе можно получить соотношение ходов цилиндров 1:4,5. В идеале мы могли бы иметь увеличение силы в 4,5 раза. Но этого не будет из-за потерь на трение. По грубым прикидкам такой пресс даёт увеличение силы раза в 3. Немного. Но и немало! Усилием пальцев одной руки даже взрослый не сможет раздавить кусочек мела. А с помощью нашего игрушечного гидропресса с этим справляется и ребёнок! На фрагменте под №1 вы видите ещё целый кусочек мела, а на фрагменте №2 уже подвергшийся действию пресса.
Детям очень нравится этот фокус. Не поленитесь, сделайте свой маленький гидропресс, это поможет вашим детям лучше понять основные законы механики.

Некогда величайший из умов человечества, Архимед Сиракузский восклицал: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!» Спустя столетия не меньшие умы, уже зная массу Земли, подсчитали: если бы в распоряжении Архимеда была точка опоры и даже сверхпрочный рычаг, бедный античный учёный, двигая большое плечо рычага всю свою жизнь, не сдвинул бы Землю даже на волос.

point_05_main

Гидропресс в действии

Но мы не станем смеяться над самонадеянностью древнего мудреца. Мы попросту не будем ставить перед собой сверхзадач. Мы всего лишь постараемся дать нашим детям ещё одну точку опоры в их будущей жизни, если толково объясним им важнейшие принципы механических устройств.
У детей время ещё есть, так что, если мы будем действовать методически, мы сможем дать им не просто знания, но понимание закономерностей в нашем мире. Времени мало у нас с вами. Так что чем раньше мы начнём показывать нашим детям фокусы природы и открывать их секреты, тем большей силой знаний и ума они будут обладать в то время, когда им самим придётся помериться силой с непростой вещью, именуемой жизнь.