Маятник Максвелла

Все вы знаете, что такое маятник. Каждый видел его в стенных часах.

Но попробуйте сообразить, как и почему качается маятник. Ведь если остановить его в среднем положении, он сам по себе не начнет снова качаться. Маятник замрет неподвижно. Ну, а если отклонить его?

Отклонившийся маятник приподнимается вверх. Это особенно хорошо заметно, если отклонение большое. Для того чтобы отклонить маятник, нужно произвести работу. На что расходуется эта работа? Она превращается в потенциальную энергию поднятого маятника. А энергия, как вы знаете, — это способность совершать работу.

Маятник отклонен, он готов к действию. И, как только вы его отпустите, он немедленно придет в движение. Если бы не нитка, маятник упал бы прямо вниз. Но нитка не пускает, и маятник устремляется к среднему положению, к самому низкому положению, какое он может занять.

Все быстрее, быстрее движется маятник. И вот он уже в среднем положении. Что же теперь? Маятник остановится? Ничуть не бывало. Только недавно он висел в среднем положении совершенно неподвижно. Теперь же маятник проскакивает это положение и отклоняется в противоположную сторону.

Почему же маятник не остановился в середине? Ясно — он проскочил среднее положение с разгона. Потенциальной энергии у маятника уже не было. Зато была скорость. Значит, он имел кинетическую энергию, энергию движения. За счет этой энергии маятник отклонился в другую сторону и снова стал подниматься все выше. Тут скорость уменьшилась. Кинетическая энергия снова стала превращаться в потенциальную.

Отклонившись, маятник остановился. Скорости нет. Кинетическая энергия перешла в потенциальную. И эта энергия снова приводит маятник в движение.

Английский физик Максвелл предложил интересную разновидность маятника. Этот маятник не качается, а вращается. Он показан на рисунке 25.

Рис. 25. Маятник Максвелла.

Маятник Максвелла — тяжелое колесо, подвешенное за концы оси.

Сначала нужно поднять колесо повыше, накрутив нитки на ось. В этом положении маятник Максвелла имеет запас потенциальной энергии. Отпустим его — он станет падать. При этом сматывающиеся с оси нитки приведут колесо во вращение. Чем ниже опускается маятник, тем меньше у него остается потенциальной энергии. Зато тем быстрее вращается колесо. Потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию вращающегося колеса.

Когда нитки полностью раскрутятся и колесо достигнет нижнего положения, оно будет вращаться с наибольшей скоростью. Поэтому маятник не остановится. Продолжая вращаться, колесо накрутит нитки на ось и поднимется снова. При этом его кинетическая энергия опять перейдет в потенциальную.

Затем колесо снова начнет падать, вращаясь уже в обратную сторону. Так и работает этот маятник, пока вся его энергия не будет поглощена сопротивлением воздуха и трением ниток.

Колесо для маятника Максвелла должно быть небольшим, но тяжелым. И при этом основная тяжесть должна быть распределена по его окружности (см. разрез на рисунке 25). При такой форме колесо запасает наибольшее количество кинетической энергии. Может быть, вам удастся подобрать готовый шкив диаметром 50–60 мм.

Если готового колеса нет, его можно выточить на токарном станке или отлить. Точить шкив нужно из стали, чугуна, еще лучше — из латуни или меди. Алюминий не годится: он слишком легок, и такой маятник будет работать плохо.

Размеры точеного шкива даны на рисунке 25. Особой чистоты обработки здесь не требуется. Просверлив отверстие для оси, снимите готовый шкив со станка. В концах оси просверлите два сквозных отверстия. Шкив должен сидеть на оси туго. Если он проворачивается, выньте ось и залудите ее середину. Посадив шкив, опаяйте его в местах соединения с осью.

Если токарным станком воспользоваться не удастся, отлейте шкив из свинца. Это несколько сложнее, зато маятник с таким тяжелым шкивом будет работать очень хорошо.

Форму для отливки можно сделать из дерева. Аккуратно выпилите из 8-миллиметровой фанеры части формы, показанные на рисунке 25: обойму и четыре одинаковых вкладыша. Прибейте их к дощечке, чтобы получилось углубление по форме будущего колеса со спицами. В центр забейте гвоздь точно такой толщины, как подобранная вами ось.

Разведите в воде зубной порошок или мелко растертый мел и добавьте немного клея. Этой меловой массой замажьте все щели формы.

В коробочке от сапожной мази расплавьте пломбы или обрезки свинцовой оболочки кабеля. Налейте расплавленный свинец немного выше краев формы. Когда свинец остынет, вытряхните колесо. Засевший в нем гвоздь покрутите плоскогубцами и выдерните. Подровняйте колесо напильником.

В оси колеса по концам просверлите сквозные отверстия. Очень важно, чтобы отверстия были строго параллельны между собой. Когда просверлите одно из них, вставьте в него гвоздик. По нему удобно будет ориентироваться при сверлении другого отверстия. С одной стороны каждого отверстия сделайте глубокую фаску для узелка нитки. Середину оси залудите. Посадив колесо на ось, закрепите его пайкой.

Подвешивать маятник Максвелла удобно на стойку, изготовленную для опытов с блоками.

Концы двух отрезков суровой нитки пропустите через отверстия оси и завяжите узелками. Другие концы привяжите к двум крючкам стойки. Выберите крючки, расстояние между которыми равно расстоянию между отверстиями оси. Нитки привязывайте так, чтобы ось маятника в нижнем положении была горизонтальна.

Вращая колесо в одну сторону, туго наверните обе нитки на ось. Когда отпустите колесо, маятник Максвелла начнет «работать».