TECHNOLOGY - познавательный журнал

Technology - Познавательный Журнал
2 марта 2015

Строим мотор из свечки и бокала

Этот классический опыт со свечой придумали как минимум два века назад. У него даже есть собственное имя — «Парафиновый мотор». Но от возраста он не теряет ни актуальности, ни красоты. С помощью обычной столовой свечи, двух булавок и двух бокалов можно наблюдать интереснейшую картину автоколебаний.

Представьте себе систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия. Сумма всех сил, действующих на каждый ее элемент, равна нулю, и сумма приложенных к ней моментов также равна нулю. Система находится в покое.

Теперь выведем систему из описанного состояния. Поскольку равновесие устойчиво, через некоторое время все возвратится к изначальному положению — например, висящие на турнике качели, если их толкнуть, за несколько минут вернутся в состояние покоя за счет затухания при трении в шарнире.

А парафиновый мотор — это изначально равновесная система, которая раскачивает сама себя, типичный пример автоколебаний.

Как построить мотор
Нам понадобится обычная столовая свеча — цилиндрической формы и равного диаметра по всей длине. Также потребуются две булавки (или одна длинная) и две подставки одинаковой высоты — например, прекрасно подойдут бокалы или стаканы. Чтобы не испортить поверхность стола капающим парафином, стоит что-нибудь подстелить.

Свече придаем симметричную форму с обоих концов — ее нижнюю часть аккуратно обрезаем так, чтобы не повредить фитиль. Точно посередине, перпендикулярно оси, свечу нужно проткнуть одной большой булавкой или двумя поменьше с двух сторон — они послужат осью вращения. Концы булавок должны выступать из цилиндрических боков свечи примерно на 12 см с каждой стороны.

Теперь аккуратно устанавливаем полученную конструкцию на концы булавок, уложив их на края бокалов, и быстро поджигаем фитили с обеих сторон. Сперва свеча будет просто гореть, но через некоторое время начнет медленно раскачиваться из стороны в сторону, причем амплитуда будет со временем увеличиваться.
Физическая интерпретация
Причина происходящего проста. Каждый раз, когда капля парафина падает с одного из концов (А), он становится легче, и противоположный конец (Б) перевешивает. Пламя начинает «лизать» парафин конца Б с большей интенсивностью, с него падает чуть бльшая капля — и тяжелее становится уже сторона А. С каждым разом амплитуда колебаний парафинового мотора увеличивается.

С точки зрения физики это звучит следующим образом. Изначально векторная сумма сил и моментов сил, действующих на систему, равна нулю. Когда с одного из концов падает первая капля парафина, его масса уменьшается; соответственно, вес P1 также становится меньше, чем вес противоположного конца P2, — это приводит к движению тяжелого конца вниз под действием силы тяжести. Колебания системы, которые в обычных условиях затухли бы, в данном случае поддерживаются за счет периодического изменения масс концов свечи.

Система колеблется вплоть до момента, когда пламя одного из концов доходит до оси вращения. Парафин плавится, и свеча падает. Какой из огней первым доберется до центра? Делайте ставки!