Помоги проекту - поделись книгой:
В абсолютной темноте кошки видеть не могут
№ 48
Все в шоколаде! Загар как физическое явление
Не будем рассуждать о пользе или вреде загара, поговорим исключительно о его физической составляющей. В начале XIX века физик Иоганн Риттер (1776–1810) занимался изучением спектра: этот термин был введен еще Ньютоном для обозначения эффекта, полученного при прохождении солнечного луча через треугольную призму. Вы уже догадались, что эффект этот визуально представлял собой разноцветную полосу, схожую с радугой. На протяжении десятилетий ученые занимались разложением света на различные цветные компоненты и изучали их свойства. Так, к началу XIX века уже были исследованы особенности инфракрасного излучения, а Риттер заинтересовался излучением с чуть более короткой, чем у фиолетового цвета, длиной волны. Вскоре он установил, что под воздействием этих лучей некоторые химические реакции ускоряются, например, хлорид серебра темнел быстрее. Ученый назвал ультрафиолетовый компонент «восстановительным».
Главным «поставщиком» ультрафиолетового излучения для нас является Солнце (правда, уже давно разработаны и активно используются ультрафиолетовые лампы).
Именно активность ультрафиолетового излучения, его способность вызывать и ускорять химические процессы лежит в основе такого явления, как загар. Лучи проникают в кожу и воздействуют на особый пигмент – меланин, который отвечает за окраску тканей. Он начинает активно накапливаться и вследствие этого кожа приобретает оттенок загара. У белокожих людей он красноватый, у смуглых южан – скорее оливковый.
В былые времена аристократы презирали загар, считая его уделом низших сословий, которые много времени проводили на полевых работах
Какой котел нельзя довести до белого каления? Наполненный водой! Вода не даст металлу нагреться выше температуры кипения.
№ 49
Докрасна или добела? Цвета каления
Слышали выражение «довели меня до белого каления!»? Так вот, это вполне научное выражение. В физике и химии «цветами каления» принято именовать цвета, которые приобретает металл, раскаленный до очень высоких температур. Причем определенным температурам соответствуют определенные цвета: так, «вишневый» означает, что сталь раскалена до 770 градусов Цельсия. Ярко-красный соответствует 900 градусам, а вот белый – 1300! И этот цвет находится на самом верху таблицы, которой пользуются металлурги, часто указывающие цвета вместо показателей температуры. Так что если вас довели до белого каления, это серьезно! Уточним еще, что сейчас при высокотемпературных работах с металлом применяется разнообразная бесконтактная аппаратура. А в старину умение разбираться в «цветах каления» было единственной возможностью оценить температуру.
№ 50
Радуга, откуда ты взялась? Секреты появления
Удивительное зрелище – радуга. Огромный многоцветный «мост», словно связывающий землю и небо! Но как возникает это явление?
Наверняка вы замечали, что в большинстве случаев радуга возникает во время дождя или после него, в то время, когда воздух насыщен микроскопическими водяными каплями. Солнечный свет преломляется в капельках, которые играют роль призмы: они разбивают белый солнечный свет на его составляющие – спектр, который мы и наблюдаем. Такое «разбивание» света в физике принято называть дисперсией.
Почему иногда мы видим две радуги, например, одну над другой? Она возникает, когда свет отражается капельками воды дважды. В этом случае цвета спектра второй радуги будут как бы зеркально отражать первую. Есть упоминания и о более многочисленных радугах, но это крайне редкое явление.
№ 51
Удивительные картины: мираж
Миражи восхищали, завораживали и пугали путешественников. Их можно понять! Каково это: устремиться по раскаленным пескам пустыни к прекрасному оазису с пальмами и родниками, а добежав до цели, увидеть, как она тает в воздухе… Так что же представляет собой мираж глазами физика?
Прежде всего это оптическое явление. Мираж возникает тогда, когда в атмосфере присутствуют слои воздуха, резко отличающиеся друг от друга температурой и плотностью. Пустыня – идеальный вариант: благодаря солнцу и горячему песку возникает слой разогретого воздуха. Его плотность по сравнению с другими слоями понижена. На границе этих слоев солнечные лучи преломляются, и на нижний слой воздуха как бы проецируется «отражение» голубого неба. В итоге нам кажется, что перед нами возникла водная гладь: колышущийся горячий воздух усиливает эффект. Но это, пожалуй, самый «примитивный», так называемый «нижний» мираж.
Более интересны и сложны миражи верхние, когда в результате благоприятных условий в виде разнородных слоев воздуха лучи света многократно отражаются от них и перемещаются на большие расстояния, «неся» с собой изображение объекта, который может находиться за сотни километров от наблюдателя! Тогда-то и возникают перед ошеломленным путником дворцы, оазисы и стоящие прямо на песке парусные корабли… Сложные миражи, в которых подчас еще и искажены пропорции реальных объектов, принято именовать «фата-моргана».
Существуют также миражи боковые, когда в роли «теплового экрана» выступает нагретая стена.
Описаны случаи, когда человек, попавший в благоприятные для появления миража условия, видел неподалеку… самого себя
№ 52
Почему небо – голубое? Ответ физика на детский вопрос
А в самом деле, почему? Объяснений на протяжении многих веков изучения физики было дано немало. Но большинство из них впоследствии были признаны несостоятельными. Начнем с того, что во всем, что касается солнечного света и атмосферы, принимают участие явления дисперсии и преломления. Значит, какое-то влияние они оказывают и на цвет неба? Первоначально на этот вопрос отвечали так: мол, атмосфера, состоящая из газов, частиц воды и других микрочастиц, хорошо пропускает только синий цвет спектра. А красные и оранжевые задерживает. Но почему тогда небо не зеленое или фиолетовое, например? Было и такое объяснение: взвешенные в воздухе мелкие частицы пыли, цветочной пыльцы, золы и прочего рассеивают все лучи спектра, кроме синих. Но этот вариант тоже вызывал закономерные сомнения.
Более правдоподобное и обоснованное заключение сделал британский физик Джон Уильям Стретт (лорд Рэлей) (1842–1919). Он заявил: на цвет неба оказывают влияние в первую очередь не твердые частицы, а молекулы газа. Когда с ними «сталкивается» белый луч солнца, он разделяется на компоненты, которые впоследствии начинают рассеиваться. Из всех цветов спектра самые «длинные» волны у красного, оранжевого и желтого. А самые короткие – у синего и фиолетового. Длина волны влияет на рассеиваемость света, и в итоге в атмосфере остается в восемь раз больше элементов синего цвета, нежели любого другого.
Осталось только придумать, как доступно объяснить это ребенку…
Джон Уильям Стретт является обладателем Нобелевской премии по физике за открытие газа аргон
№ 53
Туманно… Что такое туман и почему он возникает
Туман, который выглядит так загадочно и романтично, с точки зрения физика или метеоролога представляет собой просто частички водяного пара, мельчайшие капельки, «взвешенные» в воздухе. Но при каких условиях он возникает?
Туманы бывают разных видов. Из числа наиболее часто встречающихся принято выделять туманы испарения и туманы охлаждения: в зависимости от того, каким путем они возникли. Первые появляются, когда водоем или сырой участок суши за некоторый период времени накопили тепло. И если воздух в этой местности в данное время по какой-то причине более холодный, чем водная поверхность или пропитанная водой земля, начинается испарение в виде тумана.
Туманы охлаждения представляют собой конденсат. Для их появления необходимо, чтобы воздух охладился ниже так называемой точки росы. «Точка росы» – это температура, при которой относительная влажность становится стопроцентной и начинается образование конденсата в воздухе.
Туманы наблюдаются чаще вечером, ночью и утром, но могут наблюдаться и днем
По «внешнему виду» туманы можно подразделить на поземные, сплошные, просвечивающие – по их названиям легко догадаться, каковы их особенности. Особо хотелось бы выделить необычное и очень красивое явление – ледяной туман. Он возникает в холодное время года и представляет собой не водяную взвесь, а мельчайшие кристаллики льда, парящие в атмосфере.
Специалисты также используют понятие «водность тумана» – оно служит для обозначения массы капелек воды, содержащихся в единице объема. Средняя «водность» туманов – 0,05–0,2 г/м3.
Рекордсменом по количеству туманных дней считается остров Ньюфаундленд. Их там около 120 в году
№ 54
Что-то падает с неба. Физическая основа дождя и снега
Задумывались ли вы, гуляя под теплым летним дождем, что вода, льющаяся с небес, возможно, совершает это «путешествие» не в первый раз? Давайте проследим, как возникают дождевые капли.
Благодаря теплой погоде с поверхности рек, озер, прудов, да и просто с поверхности земли испаряется влага. Водяной пар с помощью воздушных потоков поднимается выше и выше, пока не достигает области низких температур. Там мелкие капельки воды обращаются в крошечные льдинки. Эта процедура, в ходе которой льдинки могут соединяться между собой и в результате становятся более тяжелыми, приводит к тому, что «бывшие капли» снова устремляются к земле. Пролетев часть пути, они встречаются с теплыми воздушными потоками, которые уже несут вверх «свежие» водяные капли. Благодаря теплу льдинки тают и проливаются на землю уже в виде дождя. Может случиться так, что из-за недостаточно низкой температуры мелкие капли, поднявшись вверх, не замерзают, а переносятся тучами на огромные расстояния. Они соединяются и, образовав более крупные капли, проливаются дождем.
Процесс образования снега почти не отличается от описанного выше – с той только разницей, что образовавшиеся кристаллики, направившись к земле, не тают благодаря низкой температуре. И до земной поверхности они долетают, сохранив форму, приобретенную в облаках. Что же касается формы снежинок, то считается, что двух полностью одинаковых в природе не существует! В 1889 году в Петербурге было зафиксировано выпадение странных снежинок, по форме напоминавших гантельки.
Самые крупные в истории снежинки выпали в 1887 году в штате Монтана. Отдельные «экземпляры» достигали размеров 25х36 сантиметров!
№ 55
Все пройдет гладко. Утюг как физический прибор
Физические явления окружают нас повсюду. Даже в быту, даже в таких, казалось бы, далеких от науки вещах, как стирка и глажка белья! Например, в процессе стирки «включаются» такие физические понятия, как смачивание и трение – без последнего добиться чистоты белья вообще невозможно. А что можно сказать про утюг?
Его работа основана на таких явлениях, как испарение и отчасти деформация. Почему рекомендуется гладить белье, пока оно еще чуть влажное? При контакте влажной ткани с раскаленной подошвой утюга мелкие капли воды превращаются в пар и проникают глубже в волокна ткани. И сами эти волокна в результате видоизменяются: скрученные и перепутанные после стирки, они расправляются и растягиваются, делая ткань более приятной на ощупь и на вид. Да и потом, при работе с влажной тканью меньше опасность «переборщить» с температурой и оставить на ткани отпечаток утюга.
№ 56
Черное и белое. Поговорим о поглощении тепла
Обычно рекомендуют летом не увлекаться темной одеждой – она активно поглощает тепло солнечных лучей и возникает риск перегрева. Светлая же, наоборот, отражает тепло. Но в этих утверждениях слишком многое нужно уточнять.
Во-первых, в жару имеет значение не только цвет одежды, но и состав ткани, из которой она сделана, и собственно покрой. В тесной белой одежде, сшитой из плотной синтетики, вы однозначно будете чувствовать себя хуже, чем ваш приятель, одетый в просторные вещи из черного льна или хлопка. Рубашки, брюки и юбки, которые не прилегают плотно к телу, способствуют дополнительному движению воздуха вокруг вас, что в жаркое время года очень кстати. Вы когда-нибудь видели жителя пустыни, одетого в обтягивающие брюки или тесную куртку?
Во-вторых, нужно учитывать вот что. Да, белое одеяние отражает солнечное тепло. Но от нашего тела тоже исходят «потоки» тепла. Получается, что, дойдя до белой футболки или рубашки, это тепло отражается от них и возвращается к нам снова? В таком случае черная одежда окажется предпочтительнее, так как поглотит не только тепло, исходящее от Солнца, но и наше собственное, которое в условиях жаркого лета нам не столь уж важно.
Жители пустыни носят одежду свободного покроя
Пишут и о том, что при нахождении на солнце с непокрытой головой брюнеты подвергаются большей опасности, чем блондины. Да, в какой-то мере это правильно. Темные волосы сильнее поглощают тепло и риск солнечного или теплового удара возрастает. Но находиться на солнце без головного убора не рекомендуется никому – вне зависимости от цвета волос.
Для оценки ощущений в жару имеет значение также влажность воздуха. Но главную роль все-таки играет состояние здоровья
Идеальные модели есть и в научном юморе: сферический конь в вакууме, кошка с маслом, бесконечные обезьяны, эффект Паули.
№ 57
Какой он, идеальный газ? И зачем он нужен?
Сначала давайте выясним, что означает «идеальный». В науке часто используется понятие «физическая модель». Так говорят, когда имеют в виду не какой-то реальный объект, лежащий на лабораторном столе или в пробирке, а скорее созданный учеными образ, пример, обладающий всеми характерными признаками и свойствами того или иного объекта. И идеальным газом принято называть физическую модель реального газа, созданную для понимания и исследования свойств и возможностей вещества. Идеальный газ – это такой газ, в котором взаимодействие между молекулами очень мало: так же, как мал их суммарный объем. А значит, их физическими «взаимоотношениями» при исследовании можно пренебречь.
Такие свойства газа, как подвижность, способность заполнять большие объемы, наличие собственной массы, – были изучены достаточно поздно. К числу первых важных исследований можно отнести открытие уже известного вам Торричелли, доказавшего, что воздух имеет массу и что существует атмосферное давление. Во второй половине XVII столетия был сформулирован закон Бойля-Мариотта, гласивший: «При постоянных температуре и массе газа произведение давления газа на его объем постоянно». То есть давление массы газа при постоянной температуре обратно пропорционально объему этого газа.
В начале XIX столетия Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) сформулировал законы расширения газов, а еще через полтора десятилетия ученые выяснили, что газ можно превращать в жидкость путем конденсации. Окончательно же понятие идеального газа и возможности научного «моделирования» с его участием сформулировал Рудольф Клаузиус (1822–1888).
Существует также понятие реального газа – в нем взаимодействие молекул достаточно сильно
№ 58
Тяжело дышать! Что происходит с воздухом в горах?
Существуют определения «высотная болезнь», или высотная гипоксия, развивающаяся из-за кислородного голодания высоко в горах или при полетах на дельтапланах и парапланах, и более узкое понятие «горная болезнь», когда к последствиям недостатка кислорода добавляются еще обезвоживание, переохлаждение, физическая и эмоциональная усталость. Почему же туристы и путешественники в горах подвергаются такой опасности?
Поднимаясь в горы, мы все больше удаляемся от земной поверхности. А значит, уменьшается плотность окружающего нас воздуха. Чем выше слой атмосферы, тем меньше в нем давление: ведь, как мы с вами уже выяснили, воздух тоже может давить! А значит, нижние слои подвергаются более сильному давлению, нежели верхние. И при увеличении высоты воздух становится все более разреженным, в нем все меньше молекул столь необходимого нам для дыхания кислорода.
На какой высоте человек начинает испытывать неприятные ощущения? Если вы поднялись в горы впервые, то дискомфорт начнете испытывать на высоте около 3000 метров.
К разреженному воздуху можно привыкнуть. Например, жители горных районов не страдают от недостатка кислорода. Но на больших высотах акклиматизация невозможна в принципе. Так, на высоте более 8000 метров даже очень тренированный альпинист способен находиться не более трех дней. При длительном нахождении в опасной зоне без специального оборудования последствия для организма станут необратимыми, и все может кончиться плохо.
Кстати, масса одного кубометра воздуха у поверхности земли – около 1,29 килограмма, а на высоте 11–12 километров – всего 319 граммов!
«Забирайся высоко, спи низко»
№ 59
Котелок не варит. Еще один сюрприз давления
Помимо разреженного воздуха и, следовательно, проблем со здоровьем, путешественника в горах может ожидать еще один сюрприз. Возникнут сложности с приготовлением пищи! Наверное, словосочетание «температура кипения» вам знакомо. Так вот, чем выше мы поднимаемся в горы, тем меньше будет температура кипения. Она тесно связана с атмосферным давлением, а ведь, как мы только что выяснили, на большой высоте давление понижается.
Если предположить, что мы с вами забрались на Эверест (высота его более 8800 метров над уровнем моря), то температура кипения воды там составит всего 70 градусов Цельсия. Это значит, что вода будет кипеть, но положенные в нее продукты останутся полусырыми! Что делать? Конечно, вряд ли кто-то будет варить мясо или яйца в котелке на вершине Эвереста, но даже спустившись чуть ниже и решив приготовить себе обед, мы будем очень долго ждать, пока пища сварится.
Эту проблему много лет назад научились решать пастухи, сторожившие свои стада на высокогорных пастбищах. Они плотно закрывали крышкой котелок с готовящейся пищей и укладывали на нее несколько тяжелых камней, чтобы пар не выходил свободно наружу, а увеличивал давление внутри посудины. Таким образом, температура кипения воды повышалась, и работники могли утолить голод значительно быстрее.
Но зато, как утверждают путешественники, приготовленная в горах пища обладает более выраженным и приятным вкусом. Ну и, конечно, фантастическая красота гор стоит того, чтобы ради нее пожертвовать некоторыми удобствами!
Многие исследователи отмечали, что высоко в горах меняются пищевые пристрастия – например, внезапно хочется кислого или соленого. Вероятно, это связано с химическими изменениями в организме
№ 60
Секреты кровотока и уравнение Бернулли
В XVIII столетии швейцарский математик и физик Даниил Бернулли (1700–1782) подарил миру закон гидравлики, названный впоследствии его именем. Этот закон (или уравнение, как его еще иногда называют) описывает закономерности потока идеальной жидкости, то есть такой, на которую не воздействует внутреннее трение. Выглядит он так:
Здесь ρ – плотность жидкости,
Бернулли установил, что давление жидкости, текущей по трубам, становится больше в тех сегментах трубы, где скорость жидкости становится меньше. А там, где скорость больше, давление уменьшается. Кроме того, он доказал: когда жидкость проходит через узкие участки, ее давление уменьшается! Но позвольте, почему же тогда врачи рекомендуют нам «снижать давление» и говорят об опасности закупорки сосудов? Дело в том, что кровеносная система человека сильно разветвлена и величина скорости крови зависима от количества капилляров и их, как говорится, «общего просвета». Кроме того, кровь в наших сосудах обладает вязкостью, подвержена трению, может образовывать сгустки, и, следовательно, в случае сужения сосудов опасность вполне реальна. То есть уравнение Бернулли к человеческим сосудам практически неприменимо!
(
2
Бернулли был почетным членом Парижской академии наук и Петербургской академии – в ее изданиях он опубликовал более 70 работ
Принцип Бернулли объясняет, почему самолет не падает. А явление подъемной силы открыл в 1904 году русский физик Николай Жуковский.
№ 61
Опасное сближение. О чем надо помнить пассажирам
Вспомните: наверняка многие в детстве, невзирая на запреты родных, играли поблизости от железной дороги. Что часто говорили нам мамы и бабушки? «Не подходи к движущемуся поезду – он может притянуть к себе!» Возможно, они были не в курсе закона Бернулли, но суть его передали достаточно верно.
Когда мы стоим возле железнодорожного полотна и мимо нас проносится поезд, он буквально обдает нас воздушным потоком. Этот «шлейф» возникает потому, что в воздухе тоже присутствует сила трения и под ее воздействием поезд увлекает за собой большую массу воздуха. Ее скорость достаточно высока. Но вспомните: чем выше скорость, тем меньше давление! Соответственно, если вы попали в этот воздушный поток, то вы почувствуете, как вас ощутимо толкнуло в сторону идущего поезда. Особенно реальна эта опасность в отношении скоростных поездов. Так что требования к пассажирам не стоять у края платформ имеют под собой вполне реальную основу.
Все вышесказанное справедливо и в отношении морских судов. Нередки были случаи, когда корабли, проходя в непосредственной близости друг от друга, создавали «тягу», и в итоге происходило столкновение. В итоге в морские уставы разных стран были внесены пункты относительно предельно допустимых расстояний при прохождении судов. Конечно, во время морского сражения подобные правила соблюдать было невозможно, и некоторые корабли погибали именно в результате возникшего «потока притяжения», которого в условиях боя было не избежать.
Запрет автомобилистам останавливаться на обочинах оживленных трасс объясняется в числе прочего и тем, что проходящие многотонные фуры создают опасность «притяжения»
Физика микромира
№ 62
Маленькая, да удаленькая: молекула
Слово «молекула» в переводе представляет собой уменьшительное от латинского moles – масса. Или, как шутят физики, «молекула» означает «массушка» или «массочка».
Согласно определению (а определения понятий молекулы и атома были закреплены на съезде ученых-химиков в Карлсруэ в 1860 году), молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми свойствами этого вещества. Другими словами, если мы ухитримся от куска сахара отломать одну молекулу и положить ее на язык, она будет сладкой. Более мелкие частицы, например, атомы, из которых в свою очередь состоит молекула, не обладают всей полнотой качеств изначального вещества. В физике также принято называть молекулами свободные атомы, например составляющие одноатомных газов.
Каковы размеры молекул? Обычно приводят такой пример. Если увеличить все тела в мире в миллион раз, то молекула станет размером примерно вполовину точки печатного текста. А человеческий палец после этого увеличения приобретет толщину около 9–10 километров! Есть и еще одно популярное сравнение: обычное яблоко во столько раз больше молекулы, во сколько раз яблоко меньше, чем планета Земля… Примерный размер «средненькой молекулы» – около 0,00000016 сантиметра.
Молекула феруловой кислоты
Хорошо всем известные химические формулы в большинстве случаев дают представление именно о молекулярном и атомарном строении веществ. Так, формула воды H2O говорит о том, что молекула воды состоит из трех атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Еще один пример: если из воздушного шарика, надутого тремя граммами водорода, выпускать по одному миллиону молекул водорода в секунду, то шарик опустеет через 30 миллиардов лет
Поделиться книгой: