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:

• сбор информации;

• проведение опыта;

• 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 (ru.wikipedia.org/wiki/)

2. Электронный учебник физики (physbook.ru/index.php/Kvant)

3. Класс!ная физика - (class-fizika.narod.ru/index.htm)

4. YouTube.ru - (youtube.com/)

4