Эксперимент с воздушным шаром

Эластичная наука о воздушном шаре

Вступление

Воздушные шары забавны и бывают разных размеров, цветов и форм, что делает их хорошо подходящими для декораций, водных игр, моделирования и других творческих действий. Но воздушные шары также используются вне зоны отдыха: наблюдение за погодой, расширение засоренных артерий и обеспечение транспорта — вот лишь несколько примеров. Первые воздушные шары были сделаны из мочевого пузыря или кишечника животных .Это открыло дорогу для воздушных шаров из латекса, резины и нейлона, которые мы видим сегодня. Задумывались ли вы, что делает эти материалы отличными для воздушных шаров? Попробуйте это занятие, чтобы узнать!

Фон

Растяжимость воздушного шара основана на его материале. Большинство воздушных шаров сделаны из резины, латекса или нейлона, которые состоят из длинных частиц, называемых полимерами, которые похожи на пряди приготовленных спагетти, но намного меньше! Когда вы растягиваете эти материалы, полимеры в них распрямляются и скользят рядом друг с другом. Когда вы отпускаете, небольшие силы между полимерами сближают их, как пружина сжатия. Из-за этого эти материалы называют «упругими», что означает, что они самопроизвольно возвращаются к своей нормальной форме после того, как они растянуты или сжаты.

Когда вы накачиваете баллон, триллионы полимеров в его материале распрямляются и скользят друг над другом: первый поток воздуха выпрямляет их, и после этого каждый удар воздействует на толкание полимеров друг на друга, работая против сил, оттягивающих их назад. Если вы забудете задержать воздух внутри баллона, зажав его, полимеры снова сойдутся. Это выталкивает воздух из воздушного шара, и вам придется начинать все сначала!

Воздушные шары эластичны, но только в определенной степени. Когда вы их растягиваете, они, как правило, восстанавливают первоначальную форму после того, как вы выпустите воздух.Однако, если вы растянете их слишком сильно, они никогда не восстановят свою первоначальную форму. Если вы растянете их еще больше, вы в конечном итоге достигнете предела, и материал разорвется.

Температура материи является показателем того, сколько ее частиц движутся и вертятся. Поскольку более высокие температуры означают большее движение, полимеры в баллоне с комнатной температурой шевелятся и движутся больше, чем в холодном. Многие материалы становятся хрупкими и негибкими при охлаждении. Хороший пример — кусок хлеба: он гибкий и иногда эластичный при комнатной температуре, но теряет эти характеристики при замораживании. Будет ли холодный шар противостоять растяжению?

Материалы

• Несколько новых воздушных шаров, все одинакового размера и материала
• Перманентный маркер
• Морозилка
• Шило
• Бальзам для губ или вазелин

Подготовка

• Пометьте два не надутых воздушных шара постоянным маркером.
• Охладите два отмеченных шарика в морозильной камере не менее двух часов. Оставьте другие воздушные шары при комнатной температуре.

Процедура

• Возьмите воздушный шар комнатной температуры и вдохните в него глоток воздуха.
• Сделайте еще несколько вдохов в воздушный шар . Становится легче или труднее вдавливать воздух в воздушный шар? С чего бы это?
• Позвольте воздуху выйти из воздушного шара и сделайте несколько глубоких вдохов, прежде чем продолжить.
• Выньте воздушный шар из морозильника и повторите предыдущие три шага с этим воздушным шаром. Насколько сложно взорвать ледяной шар по сравнению с шаром при комнатной температуре?
• Чтобы провести справедливое сравнение, повторите предыдущие шаги, теперь сначала тестируйте другой ледяной шар, а затем шар комнатной температуры. Ваши результаты меняются? Почему один будет сложнее другого?
• Возьмите один из шаров комнатной температуры, который вы только что использовали, и надувайте его, пока не боитесь, что он лопнет, если вы в него еще дунете. Тогда позволь воздуху выйти.
• Положите новый шарик рядом с двумя другими использованными шариками комнатной температуры. Как эти три пустых шара выглядят похожими и разными?
• Натрите бальзам для губ на шило, начиная с кончика.
• Надуть один из воздушных шаров (любой из них в порядке), пока не наберется примерно две трети, и завязать его так, чтобы воздух не выходил. Как вы думаете, что произойдет, когда мы будем проталкивать шар шилом?

  

• Посмотри на свой лопнувший воздушный шар. Где бы ты ткнул шилом в шарик, чтобы быстро лопнуть шарик? Почему вы выбираете это место? Можете ли вы найти место, где вы могли бы ткнуть шар шилом, не ударяя его?
• Ткните шар, чтобы он лопнул. Это хлопок? Как вы думаете, что создает громкий звук хлопающего шара?
• Надуйте еще один шарик, пока он не наполнится примерно на две трети. Завяжите его и исследуйте. Если бы вы хотели засунуть шило в этот шарик, не нажимая на него, куда бы вы его ткнули?
• Попробуйте. У вас получилось?
• Если это не сработало, попробуйте другой шар. Обратите внимание, что резина возле узла или верхней части выглядит темнее и толще. Это признаки того, что резина еще может растягиваться. Попробуйте еще несколько раз, пока не добьетесь того, чтобы проткнуть шило через шар, не ударяя по нему. Как вы думаете, почему шило может проткнуть воздушный шар в этих местах, не лопнув его?
• Дополнительно: в этом упражнении сравниваются ледяные и комнатные воздушные шары. Добавьте подогретый воздушный шар к сравнению. Вы можете согреть воздушные шары в ванне с теплой водой.
• Дополнительно: надуйте два новых шарика до одинакового размера. Завяжите их осторожно, чтобы воздух не выходил. Охладите один шар в холодильнике, морозильной камере или на улице в морозный день, оставив другой шар при комнатной температуре. Примерно через час сравните два воздушных шара. Насколько они разные? Почему это происходит?

Наблюдения и результаты

Разве холодный шар требует больше усилий для взрыва по сравнению с шаром при комнатной температуре?

Частицы в холодном материале меньше двигаются и покачиваются и могут легче удерживать друг друга. В результате холодный шар сопротивляется растяжению больше, чем теплый. Вы приложили больше усилий, чтобы взорвать холодный шар. Вы могли заметить, что это сопротивление исчезает, когда шар нагревается.

Вы наблюдали, как воздушные шары, которые были надуты с помощью всего лишь нескольких вдохов, восстановили свои первоначальные формы и размеры, когда воздух был выпущен, но тот, который был надут «полностью», не совсем восстановил свой первоначальный размер? Это типично для эластичных материалов. Если бы вы накачали в воздушный шар еще больше воздуха, он бы в итоге лопнул.

Когда вы используете острый предмет, чтобы ткнуть в место, где материал все еще может растягиваться, например, близко к узлу или около вершины, вы можете проткнуть воздушный шар, не лопая его.Когда материал вокруг прокола не растягивается, он не тянет сделанное отверстие и, следовательно, не разрывает его. (Кроме того, жирный бальзам для губ, нанесенный на шило, помогает закрыть отверстие.)