Експериментальне з'ясування причини обертання вертушки

експериментальне з'ясування
причини обертання "вертушки"

Кузовкін Дмитро, Сухомесов Віктор, Тодишев Сергій, Карачі Олександр Юрійович
міський ліцей "Єдність"

"Ця вертушка була предметом
суперечок протягом двох століть. "
Дж. Уокер "Фізичний феєрверк".

Якщо зігнути дротик, як показано на малюнку, повісити на голку і підключити до Борну електрофорної машини, а машину привести в обертання, то і вертушка обертається. Причому, обертання відбувається при підключенні вертушки як до "мінуса", так і до "плюса". Досвід примхливий і погано відтворюється.
Коротка згадка цього досвіду і опис його механізму ми знайшли лише в книзі Дж. Уокера "Фізичний феєрверк". - М.: Мир, 1979.
На стор. 159 читаємо: "У навчальній фізичній лабораторії іноді демонструють вертушку, яка приводиться в рух підключенням її до високовольтного джерела постійної напруги."
На стор. 245: "Вертушка крутиться тому, що повітря поблизу її вістря іонізується. У сильному електричному полі іони, що утворилися і вістря виявляються заряджені однаково і відштовхуються."

Ми вирішили дослідити цей процес і дати йому аргументоване обгрунтування.

Вертушку зробили з мідного дроту діаметром 1 мм з лакової ізоляцією. Для кращої відтворюваності експерименту замінили електрофорна машину на високовольтний перетворювач "Розряд-1". На вертушку подавали 5000В.

1. Досвід показав, що швидкість обертання вертушки залежить від взаємного розташування вертушки й проведення, яким вона приєднана до перетворювача. При деякому їх взаємне розташування вертушка зовсім оберталася.

2. Поставили вертушку на середину дна відра, підвідний провід розташували впритул до його дну і стінці і за допомогою гальванометра спробували виміряти струм, поточний через вертушку. Величина струму при підключенні вертушки і до "-", і до "+" не перевищував 1 мкА. Виникало якийсь замикає ефект.

3. Вертушка починала обертатися, якщо її поставити на дно великої банки з-під оселедця. Отже, що замикає ефект слабшав.

4. Під'єднали відро і вертушку до різних борнам перетворювача. Незалежно від знаків на відрі і вертушці частота її обертання зросла до 35-40 об / с (вимірювали стробоскопом), різко зріс і струм, він виявився більш 20 мкА, гальванометр зашкалювало, і в залежності від знака на вертушці, гальванометр фіксував зміна напрямку струму .

Ці досліди ніби й підтверджували іонний механізм обертання вертушки, але в той же час (див. Досліди 1-3) і суперечили йому.

5. Ми вирішили провести досліди під дзвоном вакуумної тарілки. При зниженні тиску повинен з'явитися тліючий розряд за формою якого можна попитпться визначити характер руху електронів та іонів.
Від замикаючого ефекту ми позбулися так. Приліпили пластиліном до внутрішній стороні дзвони по його окружності алюмінієву фольгу, яку дротиком з'єднали з одним з електродів тарілки. Голку з вертушкою зміцнили на брусках на середині тарілки.
Викачували за допомогою вакуумного насоса повітря і при тиску близько 0.3 атм. з'явився тліючий розряд, почалося обертання вертушки.

Але на цьому ми не зупинилися.

6. Ми створили різко неоднорідне поле, прикріпивши пластиліном до фользі гвоздики по колу вістрями до її центру на висоті вертушки. Повторили весь експеримент. В цьому випадку вище описані ефекти виглядали ще переконливіше, а видовище - просто дивовижним!
7. Для більшої наочності ми пластилінових стовпчиком позбавили вертушку можливості обертатися, а самі отримали можливість розглядати форму каналу тліючого розряду.

Але і на цьому ми не зупинилися.

8. Повісили на голку пряму зволікання і знову повторили весь експеримент. Зволікання не обертається, хоча ми і намагалися вивести її зі стану спокою, різко повертаючи тарілку.
9. Була у нас думка, що обертання відбувається за рахунок електронних пучків.
Однак, коли під дзвоном тарілки було створено розрідження на межі можливостей насоса і були повторені досліди, виявилося, що вертушка не обертається! Невелике світіння залишків газу явно говорило про те, що електронні пучки як йшли, так і йдуть. Отже, її обертання відбувається не за рахунок електронних пучків.
10. Ми обережно почали впускати під дзвін повітря. При тиску близько 0.1-0.12 атм. обертання вертушки відновилося. Значить, змушують її обертатися іони? Але як же бути з дослідами 1-3? Невже в цих випадках іонізація повітря не виникає?
11. При наявності цвяхів на фользі і зміщення вертушки від центру тарілки її обертання починається при 0.8 атм.

12. І еше один досвід. Кінці зволікання загнули кільцями в протилежних напрямках, причому кінці кілець упиралися в зволікання.
При подачі на таку вертушку і "+", і "-" обертання відбувалося проти годинникової стрілки.
Але якщо кінці кілець не впираються в зволікання, то обертання, при будь-якому знаку, за годинниковою стрілкою.

Були проведені спостереження за поведінку вертушки в відрі, підключені до різних борнам перетворювача, але в відро заливали воду, а потім компресорне масло.

12. У воді вертушка не обертається.
Можливо, це пов'язано з тим, що відносна діелектрична проникність води 81 і 5000 В, що в повітрі, перетворюються в воді в 60 В.
13. Поставили вертушку в порожнє відро і подали на них 44У. Вертушка не обертається.
14. Відносна діелектрична проникність масла - 2.5. У маслі обертання досить повільне, т. К. Дуже великий опір руху. Поблизу решт вертушки виникало світіння, утворювався канал бульбашок (масло кипіло?) І спостерігався рух масла від кінців вертушки.

І тут з'явилася ідея.

Схоже, що механізм обертання вертушки той же, що і у пріямоточного повітряного реактивного двигуна. У ньому потік, що набігає повітря нагрівається в камері згоряння, отже з більшою швидкістю викидається з сопла і створює реактивну силу. У вертушки роль "камери згоряння" грає електричний струм, "розігріває" нейтральні молекули, їх імпульси біля кінців вертушки зростають, і вона обертається. Навколишнє середовище забезпечує приплив нових молекул.
Такий же механізм обертання і на патрубку радіометра, але у радіометра нагрівання повітря відбувається за рахунок випромінювання, а різниця швидкостей руху молекул виникає за рахунок різниці температур зачерненной і блискучою сторін крильчатки.

15. Торці вертушки оброблялися надфілем, що б вони не мали загострень. Вертушка обертається.
16. Чи подавали змінну напругу з вихідний обмотки трансформатора перетворювача. Вертушка обертається.

А як красиво виглядає цей досвід при виникненні тліючого розряду! Висновки.

1. Не є необхідною умовою обертання вертушки:

а) загострення її кінців;
б) підключення її до джерела постійної напруги.

2. Досить імовірно, що обертання вертушки відбувається за рахунок нескомпенсованого імпульсу молекул газу, що взаємодіють з вертушкою. Більший імпульс мають молекули газу, що нагрівається в каналі електричного розряду, поблизу кінців вертушки.
3. Електричний струм в цих дослідах виявляється необхідним і найбільш зручним засобом нагрівання середовища.
4. У дослідах 1-3, 12, 13 різниця потенціалів дуже мала, струму немає, немає нагрівання середовища, немає і обертання вертушки.

Примітка:
всі досліди відтворюються легко і надійно.

сумніви:
може бути при обертанні вертушки має місце і іонний, і теплової механізм? У якій пропорції?