Птичка держит равновесие игрушка

Обновлено: 11.05.2024

Продолжаем делать поделки, в основе действия которых лежат законы равновесия. Я уже показывала в блоге наших белочку, бабочку, птичку из картошки и Ваньку-Встаньку. А теперь сделаем балерину из бумаги. Как и предыдущие игрушки, эта балерина не простая — она умеет грациозно балансировать на тонкой ниточке или на кончике пальца. А все из-за того, что у игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет балерине стоять и не падать.

Описание этой балерины мы нашли в старой, еще советской книге Л.А.Горева «Занимательные опыты по физике». И очень захотели попробовать сделать такую игрушку своими руками. Оказывается, это очень быстро и очень просто! Особенно если упростить конструкцию и воспользоваться подручными материалами. Дальше как обычно, небольшой мастер-класс.

На картоне рисуем фигуру балерины (или любую другую картинку на ваш вкус) высотой около 10-11 см. При желании можно скачать мой рисунок, распечатать его на обычной офисной бумаге и наклеить на картонную основу.

Шаблон для скачивания.
Нажмите на картинку мышкой — она откроется в новом окне в полную величину.
После этого скопируйте изображение к себе на компьютер и распечатайте.

После этого делаем для нее балансир: на концах проволочки заворачиваем петельки и в них продеваем по три скрепки с каждого конца. После этого середину проволоки оборачиваем вокруг ног балерины так, чтобы концы свисали вниз. После надо будет чуть-чуть раздвинуть проволоку в стороны, опытным путем добиваясь большей устойчивости игрушки.

А теперь проводим эксперимент. Ставим балерину на какую-нибудь тонкую опору — нитку, проволоку, палочку, — она стоит и не падает!

Гуляя сегодня по парку Челюскинцев, совершенно случайно набрел на киоск со всякой китайской всячиной, где обнаружил знаменитую игрушку, смотрящуюся как фокус, но на самом деле способную служить наглядным пособием по физике.

Сначала видео. Без него здесь не обойдешься:

Немного неторопливо, но одной рукой быстро не поорудуешь.

В свое время, в журналах публиковались и ходили по рукам схемы, как нечто похожее сделать своими руками, причем были даже варианты из картона или бумаги. Типа "занимательная физика".

Эта же игрушка сделана из легкого пластика.

"Вау-эффект" от птички весьма высокий. Одна единственная точка опоры и тело, расположенное перпендикулярно земле.

На первый взгляд кажется, что все это какой-то технический или визуальный фокус, и все это очень эфемерно, и рухнет сразу же, стоит только задеть. Но на самом деле, конструкция весьма надежна, может быстро вращаться вокруг собственной оси, да и сбросить птичку с постамента не так легко. Устойчивость потрясающая.

Моя жена подумала, что в пирамидке спрятаны магниты, и была очень удивлена, увидев, что это голимая пластмасса.

Пирамидка на самом деле не играет в этом трюке никакой роли. Птицу можно прицепить на палец, или на карандаш, да хоть куда угодно.

Все дело в физических законах. Кажется, что игрушка их нарушает. В действительности же, строго им следует. Центр тяжести птички приходится аккуратно на клюв. Сделана игрушка из легкого материала.

Впрочем, штука эта может использоваться не только как иллюстрация школьного курса физики, но и как пособие по философии и психологии человека. Реальный пример того, что суть вещей важнее их внешнего вида. Также, мы психологически всегда обращаем больше внимания на тело и голову, чем на крылья, так как считаем их более значимыми для живого существа. В дополнение, одна тоненькая точка опоры усугубляет иллюзию парения в воздухе. Кажется, что ее не должно быть достаточно для устойчивости.

Размах крыльев птички примерно 16 см. Длина от клюва до конца хвоста - 9 см. Расстояние от клюва до кончиков крыльев - 4 см.

Внутрь крыльев вставлены металлические утяжелители, которые и создают противовес телу птицы.

Можно даже не сомневаться, что игрушка известна, знаменита и на просторах интернета встречается в больших количествах.

Точно такую же модель, как у меня, можно найти в различных упаковках, и под разными названиями: "Balancing Bird", "Magic Eagle" и т. п. Расцветка тоже может быть разной.

Встречаются такие же птички, но с другими подставками. Есть и другие модели, более качественно сделанные, но и стоящие гораздо дороже.

Есть даже птички ручной работы.

Моя же игрушка стоила всего 2 с половиной бакса, а упакована была в пакетик дешевле воздуха.

Много радости и удовольствия за небольшие деньги. Положительные эмоции в наше время добыть не так-то просто.

Раз только макни ее носом в воду, а дальше кажется, что все повторяется само собой . Принцип работы пьющей птички не так уж и нов, он был использован еще великим И. Бернулли в термометре для измерения максимальных температур. Интересно, что птичка будет наклоняться и "пить" раз в 5 чаще, если воду в стакане заменить каким-либо спиртовым раствором, а облучение ее светом или теплом также заставит птичку менять частоту своих движений .

Медленно опускает "пьющая птичка" свой клюв в стоящий перед ней стакан с водой, затем выпрямляется, покачивается слегка туда-сюда, как-будто собирается остановиться, но через некоторое время, как-будто набравшись сил, вновь наклоняется и макает свой клюв в воду. Так птичка может пить до бесконечности, пока при наклоне под ее клювом будет вода.

Познакомимся с устройством игрушки.

Физическая игрушка "пьющая птичка" состоит из двух полых стеклянных шариков соединенных узкой трубочкой. Причем один из концов трубочки впаян в шарик так, что заканчивается недалеко от дна шарика. При изготовлении игрушки система заполняется жидкостью и запаивается. В качестве жидкости берется легко испаряющаяся жидкость с низкой температурой кипения, например, эфир или метанол. Для большего эффекта жидкость подкрашивают. Наливают жидкости столько, чтобы выступающий в шарик конец трубочки, был в нее погружен.

Шарик с выступающей трубочкой - это "живот" птички, противоположный шарик - "головка". Сверху стекло разрисовывается и декорируется под птичку: перья, шляпка, хвостик. Обязательной частью птички является клюв достаточной длины, который часто обклеивают фетром. Игрушка закреплена чуть выше живота на вращающейся горизонтальной оси и опорах, в результате чего птичка может переворачиваться вниз, т.е. "клевать". Для приведения игрушки в действие перед игрушкой ставят стакан с водой и один раз наклоняют ее, чтобы намочить клюв. А дальше все происходит без остановки . Пока птичка сможет достать клювом воду в стакане об остановке игрушки можно не беспокоиться!

Каковы же причины "самопроизвольных" наклонов?

Изначально внутри замкнутого сосуда-птички есть легко испаряющаяся жидкость, между жидкостью и парами над ее поверхностью устанавливается термодинамическое равновесие. Пары в зависимости от температуры создают давление на жидкость.

Обмакнем клюв птички в поставленный перед ней сосуд с водой и отпустим. Центр тяжести лежит чуть ниже оси вращения(ближе к животу), таким образом, птичка вынуждена будет выпрямиться.

Вода с намокшего фетрового клюва начнет испаряется, при этом головка птички будет охлаждаться. При охлаждении головки термодинамическое равновесие нарушается. Понижение температуры паров в головке ведет к конденсации паров эфира на внутренних стенках головки. Давление паров эфира в головке упадет. Таким образом, давление паров в головке станет меньше, чем давлением паров над жидкостью в животе птички. Так как выравнивание давлений становится возможным только после того, как жидкость будет вытесняться более высоким давлением паров из нижнего сосуда вверх по трубочке, уровень жидкости в трубочке начнет повышаться. Это при ведет к поднятию точки центра тяжести над осью вращения. и птичка перевернется, снова макая клюв в воду.

При перевороте нижний конец трубочки поднимается над поверхностью жидкости, и жидкость из трубочки стекает опять вниз, а давление паров в верхнем и нижнем шарике выравниваются. Центр тяжести опускается, птичка возвращается в вертикальное положение. Но процесс повторяется, так как клюв уже опять мокрый . Вот Вам и сказка про бычка, у которой нет конца .

Если позаботиться, чтобы уровень жидкости в стакане оставался постоянным, то птичка может "пить" вечно!

Но, заметьте! В результате выравнивания давлений паров в верхней и нижней частях птички, давление пара в нижней части трубочки становится меньше первоначального. В нижней части начинается испарение жидкости, и температура жидкости при этом падает. Температура жидкости в нижней части птички становится ниже температуры окружающей среды, и начинается теплопередача от окружающей среды животу птички.

Вот Вам и итог: процессы в птичке можно сравнить с процессами, наблюдаемыми в тепловой машине: циклический процесс (abcd) за счет теплообмена с окружающей средой, при котором внутренняя энергия превращается в механическую,

где: ab - изотермическое расширение bc - адиабатический расширение cd - изотермическое сжатие da - адиабатическое сжатие.

Сложность:

Предлагаем вам сделать не простую поделку, а научную! Представляем вашему вниманию игрушку-балансир, которую очень просто и быстро можно сделать своими руками! Этот дрессированный попугайчик может сидеть у вас на пальце и не падать, даже если вы будете шевелить рукой или двигаться. Можно посадить его на кончик карандаша или даже на нос, он и не подумает упасть! Мы вас заинтриговали? Тогда скорее приступим к изготовлению поделки и расскроем все секреты дрессировки бумажных попугаев!

Материалы:

белый картон или плотный лист бумаги;
ножницы;
фломастеры или карандаши;
кусочек пластилина;

Как сделать:

Распечатайте шаблон попугайчика, вырежьте и приклейте на лист картона.
Если нет возможности распечатать шаблон, обведите контур попугайчика через экран. Посмотрите пошаговые фото как нарисовать попугая и повторите все действия на белом картоне.
Раскрасьте попугайчика яркими фломастерами или карандашами. Чем ярче будет ваша птичка, тем эффектнее она будет выглядеть во время демонстрации игрушки.
Теперь пришла очередь раскрыть секрет дрессировки! Почему же попугайчик не падает, а уверенно балансирует на нашем пальце или другой опоре? На самый низ хвостика попугая надо приклеить небольшой кусочек пластилина. Таким образом мы смещаем центр тяжести попугайчика ниже точки опоры — когтя на котором сидит попугай. Это позволяет нашей бумажной птичке с лёгкостью балансировать или держать равновесие.

Теперь вы знаете, что секрет попугая-балансира в грузике, который расположен на хвостике птички. Покажите друзьям своего попугая, а затем незаметно уберите пластилин — пусть попробуют приручить непослушную птичку, которая будет падать и «не захочет» сидеть на пальце. А потом раскройте секрет дрессировки и вместе приручите попугайчиков!

Вот такая увлекательная и научная игрушка-балансир получилась у нас. Когда на уроке физики вам расскажут о балансирах, продемонстрируйте своего дрессированного попугайчика и получайте высокие отметки!

Только что я рассказывала о том, как мы проводили мастер-класс по изготовлению научных игрушек на фестивале «Мастерская чудес«. И одна из игрушек, которую мы показывали на празднике, была бабочка-балансир (видела эту идею у Сергея Пархоменко в ЖЖ). При всей простоте изготовления, бабочка эта не простая, а волшебная! Она умеет на лету держаться своим хоботком и не падать. Секрет такого ее поведения прост: как и у всех подобных игрушек-балансиров, центр тяжести этой конструкции находится под опорой, на которой стоит хоботок. Поэтому бабочку никуда не «перевешивает» и она легко удерживается в таком положении устойчивого равновесия. (что это такое я уже рассказывала, когда мы делали яйцо Ваньку-Встаньку).

1. Рисуем на бумаге бабочку (форма крыльев роли практически не играет), раскрашиваем ее и вырезаем по контуру.

Для простоты я выкладываю шаблоны нашей бабочки — вы можете сохранить рисунки к себе на компьютер и распечатать их. Первая бабочка-раскраска. А вторую можно раскрасить, проявив свою фантазию. Выбирайте, какая вам больше нравится 🙂

Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере)

Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере)

2. После того, как бабочка готова, делаем ей хоботок: берем одну из скрепок, разгибаем ее. С одного конца должен остаться «носик» в виде буквы «Г». С другого делаем петельку так, чтобы она оказалась в перпендикулярной плоскости по отношению к «носику». Петелька нужна затем, чтобы было легче приклеивать скрепку к бабочке и чтобы она не проворачивалась потом в процессе эксплуатации.

Фиксируем скрепку на изнаночной стороне бабочки скотчем

4. Большинство детей думают, что этого уже достаточно, чтобы бабочка сидела на пальце. Попросите на этом этапе ребенка попробовать удержать бабочку в равновесии. Это сделать невозможно — бабочка падает вниз. Надо что-то придумать, чтобы уравновесить бабочку. Для этого нам и понадобятся остальные скрепки (поэкспериментируйте с их количеством: у нас иногда хватало и по одной скрепки на каждое крыло, а иногда нужно было по две).

Когда мы прицепим скрепки на кончики крыльев, они отвиснут вниз — и бабочка теперь будет сидеть ровно. Это все равно, что уравновесить весы — теперь с обоих сторон от пальца, на который опирается кончик хоботка, вес равный. Поэтому бабочка и балансирует на опоре.

Теперь все получится — можно демонстрировать этот опыт в качестве самодельного фокуса, чтобы развлечь ребенка. Благо, делается бабочка очень быстро и просто — даже трехлетний малыш справится с заданием раскрасить ее и нацепить на крылышки скрепочки.

А вот тут можно посмотреть, как сделать еще другие игрушки-балансиры : Белочку, балерину и Птичку из картошки.

Другие самодельные игрушки, иллюстрирующие разные физические законы, можно увидеть в рубрике «Научные игрушки«.

Читайте также: