Моделі міражу в повітрі

Міраж - грандіозне явище природи, яке в усі часи вражало уяву людей. Зрозумілий-но тому бажання побудувати модель цього явища, що дозволяє перевірити теорію міражу. Одним з перших, хто змоделював міраж в лабораторних умовах, був Роберт Вуд. Свою експериментальну установку він описав наступним чином.

«Три сталеві смуги, кожна довжиною в 1 м, ши-ріной в 20 см і товщиною в 3 або 4 мм, встановлюється-ються на залізних триногах і ретельно вивіряють-ся в одній площині так, щоб їх верхні поверх-ності здавалися однією плоскою поверхнею, в чому можна переконатися, дивлячись з одного з кінців (рис. 1). Щоб попередити відображення, яке

Мал. 1. Запропонована Р. Вудом модель міражу, в якій для нагрівання використані газові пальники.

може вийти при ковзному падінні, смуги посипають зверху піском. Шматок матового скла, ос-освітленні ззаду дугового лампою, представляє небо; замість скла можна взяти дзеркало, яке потрібно розташувати так, щоб при спостереженні з протидії положную кінця «пустелі» в ньому відбивалося небо. Штучне небо повинно доходити до рівня по-сипатися піском поверхні; на його тлі распола-гается ланцюг гір, вирізана з картону з вершинами від 1 до 2 см, долини повинні опускатися до самого піску. «Пустеля» нагрівається довгою газової го-Релком, зробленої з газової труби, в якій про-свер ряд невеликих отворів. Газ підводиться з обох кінців труби, висота полум'я повинна бути
близько 5 см. Якщо дивитися уздовж поверхні, поси-панною піском, тримаючи око від 3 до 5 см вище цієї поверхні, то при нагріванні «пустелі» можна побачити появу на піску блискучого ставка з по-дою, в якому видно перевернуті зображення гір і неба. Фотографії цього штучного міражу представлені на рис. 2.

Мал. 2. Такі фотографії міражу отримав на своїй установці Р. Вуд.

Установка Вуда дійсно дозволяє смоделі-ровать явище міражу, але робити її в тому вигляді, в якому свого часу (ще в 1899 році!) Зробив Вуд, зараз нерозумно. Головний недолік цієї установ-ки полягає в тому, що кожен раз перед прове-ням дослідів її довелося б збирати і настрающего-вать заново. З цим цілком можна було б миритися, якби збірка і налагодження установки вимагали невеликого часу, а це не так. Другий істотний ний недолік установки полягає в тому, що в ній використані газові пальники. Я не можу предста-вити собі вчителя, який був би спокійний, знаючи, що його учні самостійно працюють з газом. Це дуже небезпечно, та й зовсім не потрібно - ми су-Маємо запропонувати інші способи нагріву, забезпечують-вающие отримання міражу.

Критикуючи відомий прилад, ми одночасно виробляємо вимоги до нового приладу, свобод-ному від недоліків відомого. Ось деякі з таких вимог: прилад повинен бути абсолютно безпечний; він повинен бути завжди готовий до роботи; якщо прилад передбачається збирати перед роботою з ним, то конструкція його повинна бути такою, щоб збірка приладу не забирала надто багато време-ні (півгодини - максимальний термін), а сам прилад не вимагав налагодження. В цьому випадку можна з до-тнього упевненістю стверджувати, що прилад бу-дет застосовуватися на практиці; в інших умовах навіть дуже хороший прилад або експериментальну уста-новку ніхто використовувати не стане, надто велика плата часом за бажання подивитися фізичне явище. Правда, мене ніколи не зупиняли ча-менниє витрати в спробах задовольнити потреб-ність побачити нове явище. Думаю, і ви не долж-ни надто турбуватися про свій час: людина втрачає його даремно тільки тоді, коли нічого не робить. Але піклуватися про час своїх товаришів потрібно: робити прилади необхідно так, щоб їх застосування вимагало мінімального часу - тоді ви ви-звільніть час інших для того, щоб вони могли використовувати його з більшою користю, ну хоча б на розробку таких приладів і дослідів, які не вдалося зробити вам.

Шляхи вдосконалення моделі міражу, запропонованого-женной Вудом, майже очевидні: як нагрівання-теля необхідно використовувати нихромовую спіраль, розжарюється електричним струмом; спіраль потрібно

Рис.3 Ескіз електричного нагрівача для моделювання міражу в повітрі: це найпотужніший нагрівач з усіх, розглянутих у книзі.

Електричний нагрівач (рис. 3), вико-мий для моделювання міражу, являє собою алюмінієву трубу 1 прямокутного перетину розмі-ром 50 X 100 мм 2. довжина якої становить 1-2 м (ми випробували труби довжиною 1 і 2 м; обидві вони давали цілком задовільний міраж, але з більш довгою трубою результати ефектніше, хоча робота з нею менш приємна). У трубі розташований електрич-ний нагрівач 2, виконаний з ніхромового спіралі від електроплитки (діаметр спіралі 5 мм, діаметр ніхромового проводу 0,5 мм, спротив не нагрітої спіралі 30 Ом). Труба заповнена чистим річковим піском 3, який виконує роль ізолятора і на-полнітеля, що фіксує в трубі спіраль. Одне з отворів труби закрито текстолітової заглушкою 4, на якій розташовані клеми 5, з'єднані з кінцями спіралі. Друге отвір також закрито текстолітової заглушкою 6, в яку вкручені болти 7, з'єднані між собою мідною шин- кой 8. На одній зі стінок труби розташовані дер-жателі 9, що дозволяють закріплювати прилад в штати-вах.

Збірку і налагодження приладу проведіть в такій послідовності. До клем 5 підключіть кін-ці спіралі 2 обраної довжини. Знайдіть середину спіралі, прив'яжіть до неї міцну нитку, пропустіть нитку через трубу і, приставивши заглушку 4 з клема-ми 5 до одного отвору труби, за нитку розтягніть спіраль так, щоб середина її вийшла з другого отвору труби. Далі спіраль можна посередині розрізати; утворилися кінці її потрібно затиснути під болти 7, з'єднані мідної шинкою 8. заглушити-ку з цими болтами прикріпіть до труби, трубу рас-покладіть вертикально і, відтягнувши заглушку 4 з клем-мами, через отвір, що утворився потроху за-сипав в трубу пісок. Час від часу постукі-вайте по стінках труби, з тим щоб пісок ущільнювали-ся; засипку робите до тих пір, поки вся труба не заповниться піском. Після цього заглушку 4 за-кріпите на трубі. Про всяк випадок авометром про-вірте, чи не замикає чи спіраль на стінку труби (цього, звичайно, не повинно вийти - пісок на-надійно фіксує спіраль, але для власного УЗПО-Коен перевірити потрібно, більше того, якщо ви при по-становке дослідів з'єднайте трубу із заземленням, то отримаєте абсолютно безпечний прилад і повно-стю виключіть можливість ураження електричні-ським струмом). Три грані труби послідовно змасти-ті клеєм БФ-2 і рівномірно посипте тонким шаром піску. Після висихання клею прилад закріпіть в двох штативах і підключіть до автотрансформатора. Поступово підвищуйте напругу, що подається на нагрівач, і контролюйте температуру поверхонь-стей труби. Поспішати тут не слід: прилад обла-дає значною тепловою інерцією і потрібно так-вать йому певний час для прогріву. Підбери-ті таку напругу, при якому поверхня труби прогрівається до 100 ° С за 15-20 хв (в нашій кон-струкції це напруга склало 220 В).

Мені не хотілося б тут докладно описувати досліди з моделлю - сподіваюся, ви зможете поставити їх цілком самостійно. Але щоб полегшити вам роботу, слід коротко нагадати основні відомості про міражі.

Розрізняють три види міражів: нижній, верхній і бічний. З нижнім міражем кожен з вас багато-кратно зустрічався, спостерігаючи його над розігрітим асфальтовим або бетонним покриттям дороги. Ниж-ний міраж найчастіше описують в популярній літі-ратури, розповідаючи, як мандрівники, замучені в пустелі спрагою, раптом перед собою помічають озе-ро води; вони поспішають до озера, а воно віддаляється від них з тим більшою швидкістю, чим швидше рух вперед, поки не зникає зовсім. Нижній міраж обумовлений викривленням світлових променів в шарі бо-леї теплого повітря, розташованому внизу, тобто поблизу земної поверхні.

Верхній міраж спостерігається тоді, коли шар більш теплого повітря розташований зверху, а до по-поверхні землі прилягає холодне повітря. Найчастіше такі умови мають місце в полярних обла-стях: сонце прогріває повітря на деякій висоті, а знизу він виявляється охолодженим, наприклад, що тануть льодами.

Бічний міраж зустрічається у випадках, коли гра-ница між теплим і холодним повітрям вертикаль-на. Уявіть собі озеро з високими гористими берегами. Сонце, що сходить прогріває один берег озера, в той час як протилежний залишається хо-лодной. Так утворюються області теплого і холодного повітря, що стикаються з вертикальної межі.

Зі сказаного ясно, що фізична суть нижнього, верхнього і бічного міражів єдина і спостережувані результати в загальному теж однакові: за рахунок криво-лінійного поширення світла в повітрі з изме-няющих оптичної щільністю спостерігач бачить не тільки самі предмети, а й їхні прямі або пере -повернутися (часто і деформовані) зображення. Тому для спостереження в лабораторних умовах всіх трьох видів міражів досить створити в воз-дух такий перепад температур, при якому кордону між теплим і холодним повітрям були б гори-зонтальним і вертикальні. Краще сказати так: потрібно створити такі розподілу температури в повітрі, при яких градієнти показника заломлення були б спрямовані вниз, вгору і вбік. Саме це дозволяє зробити описаний вище прилад, і ви ліг-ко переконайтеся в сказаному, приступивши до дослідів.

А робити їх потрібно так. Біля одного з кінців труби розташуйте невеликий предмет (якщо труба коротка, то предмет краще помістити на расстоя-ванні близько метра від її кінця).

Мал. 4. Так спотворюється зображення круглого предмета при наближені-ванні предмета до достатній-але довгому електричні-ському нагрівача.

Як предмет в найпростішому випадку можна використовувати лампочку нака-ливания, розраховану на на-напруга 6,5 В і забезпечену матовим ковпаком діаметром 25 -40 мм. Увімкніть нагріву-тель і почекайте до тих пір, поки температура поверхонь труби не стане близька до 100 ° С. Після цього нагрівання-тель можна вимкнути - при-бор буде охолоджуватися дуже повільно, і ви встигнете про-вести всі спостереження. Дивись-ті з другого кінця труби вздовж верхньої, нижньої або бо-кової її поверхонь на предмет і попросіть свого товари-ща повільно переміщати цей предмет в напрямку, пер-пендікулярном променю зору, наближаючи і видаляючи предмет від відповідної поверхні труби. Ви будете спостерігати відповідно нижній, верхній і бічний міражі. Послідовник-ність спотворень зображення круглого предмета при наближенні його до моделі, яка має більш високу температуру, ніж навколишнє повітря, схематично показана на рис. 4.

Ми розглянули так би мовити «грунтовну» модель міражу - прилад, який не потребує настройки, завжди готовий до використання, простий в обігу і безпечний. Зробивши такий прилад для школи, ви мо-жете бути впевнені, що він буде застосовуватися. Але не кожен з вас наважиться виготовити прилад, подібний до описаного, та й далеко не у всіх школах умови такі, що сприяють цьому. Мабуть, має сенс коротко розповісти тут і про таку модель ми-ража, яку ви зможете зробити навіть у себе вдома.

Прилад являє собою довгу вузьку кюве-ту з тонкого металу, в яку можна наливати

Мал. 5. Кювета з тонкої алюмінієвої фольги, наповнена гарячою водою, дозволяє змоделювати міраж навіть в домаш-них умовах.

окріп (рис. 5). З тонкого алюмінієвого куточка со-беріть каркас / розміром, наприклад, 70 X 80 X 100 мм 3. З листа алюмінієвої фольги 2 товщі-ной 0,1-0,2 мм за розмірами каркаса вигніть кюве-ту (подивіться як робляться паперові або картон-ні коробки для упаковок і зробіть щось подібне з фольги, тільки значно більших розмірів). Каркас введіть всередину кювети, і краї фольги обер-ните навколо нього для додання кюветі необхідної міцності. Перевірте якість вашої роботи, заливши в кювету воду, - бічні стінки кювети при цьому не повинні вигинатися занадто сильно. Одну зі стінок кювети 3 зовні покрийте клеєм БФ-2 і посипте піском.

Спостереження міражу проводите уздовж цієї стіни (очевидно, це буде бічний міраж). Якщо в кювету ви заллєте тільки що скипіла воду, то міраж можна буде спостерігати протягом принаймні півгодини, що цілком достатньо для початково-го ознайомлення з явищем.

Можливі й інші конструкції приладу для мо-делірованія міражу в повітрі. Ви зараз володієте всіма основними ідеями, тому мені досить зробити невеликий натяк. Чи бачили ви коли-небудь гнучкі електрогрілки? Запевняю вас, що це майже готова модель міражу. Спробуйте! Не забувайте, однак, що електрогрілки працюють від мережевого на-напруги 220 В, тому експериментувати з ними потрібно, дотримуючись обережності.