Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

Пролетая ночью над землей на самолете, мы видим города, напоминающие россыпи огней, а между ними – промежутки темного пространства. Примерно так же, как эти огоньки в ночи, расположены звезды во Вселенной: они собираются в группы. Галактика – это самое крупное объединение звезд, состоящее из отдельных светил и звездных скоплений. Связаны эти объекты между собой силой гравитации.

Самая распространенная форма галактики – спираль, так выглядят более половины галактик во Вселенной, в том числе и та, в которой находится наша Солнечная система. Кроме того, существуют галактики в форме эллипса, линзы и так называемые неправильные галактики – неопределенной клочковатой формы.

Во Вселенной ничто не стоит на месте, все движется по кругу: планеты вокруг звезд, звезды вокруг ядра галактики, которое находится в ее центре. Основная масса звезд размещается в диске галактики, кроме того, у галактики (если она спиральная) могут быть рукава. Окружает галактику звездное гало – невидимое образование, имеющее сферическую форму и состоящее в основном из темной материи и газа.

В нашу галактику Млечный Путь входит около 200 миллиардов звезд. Это ее мы наблюдаем на ночном небе в виде ярко светящейся полосы. Она имеет форму диска с рукавами, закрученными в спирали, но так как Солнечная система находится на краю галактического диска, мы видим Млечный Путь в форме полосы. Кроме нашей, во Вселенной есть миллиарды других галактик, ближайшая из них – Туманность Андромеды, ее можно увидеть даже без помощи телескопа.

Представьте шесть пылинок на вокзале Ватерлоо – вот такая, и даже меньше, плотность звезд в космосе. – Джеймс Джинс

№ 79

Не слетать ли в созвездие Кентавра? О расстояниях во Вселенной

Стали бы мы измерять расстояние до соседнего города в миллиметрах? Конечно, нет, это же неудобно. Вот и астрономам неудобно иметь дело с привычными для нас километрами. Самая распространенная единица измерения в космосе – световой год, или расстояние, которое свет проходит за год. Он равен 9400 миллиардов километров.

Галактика Млечный Путь далеко не самая большая во Вселенной, ее диаметр всего 100 000 световых лет. Для сравнения, от Солнца до Земли свет доходит за 8 минут. От нашего светила до центра галактики можно добраться за 33 000 световых лет, до звезд созвездия Кентавра – за 17 000 световых лет. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды находится на расстоянии 2 000 000 световых лет. А если говорить об удаленных галактиках, то придется перейти к более масштабным единицам измерения – парсекам и мегапарсекам.

№ 80

Планету растрясло! Причины землетрясений

Под землей всегда неспокойно: литосферные плиты, составляющие поверхность планеты, плавают в полурасплавленной мантии, перемещаются, сталкиваются и т. п. Землетрясения происходят каждый день десятками и даже сотнями, но большую часть из них мы даже не замечаем, настолько они незначительны. Опасны сильные толчки, идущие из недр земли: они вызывают разломы и перемещения горных пород, что становится причиной серьезных разрушений на поверхности.

Такие толчки могут быть вызваны столкновением соседних плит, их трением или проникновением краев друг под друга. Иногда землетрясение происходит в центре тектонической плиты, из-за того, что она деформировалась от перепада температуры или давления. Бывает, что причиной землетрясения становится извержение вулкана: большое количество магмы выходит на поверхность, внутри образуется пустота и начинаются перемещения пород.

Некоторые землетрясения вызваны деятельностью человека. Откачивая нефть и газ, создавая искусственные водохранилища, проводя подземные ядерные испытания, люди нарушают внутренний баланс в недрах земли. Результатом часто становится повышенная сейсмическая активность.

Землетрясения страшны и опасны сами по себе, но они могут привести к не менее опасным явлениям, таким как цунами – огромные волны, сметающие все на своем пути. Оползни, сход лавин и разжижение грунта – тоже гибельные последствия землетрясений. Подобные стихийные бедствия ежегодно уносят множество человеческих жизней, и далеко не всегда ученые могут спрогнозировать их появление.

Выиграть войну так же невозможно, как невозможно выиграть землетрясение. – Джанет Рэнкин

№ 81

«Окна кузницы Гефеста»: почему извергается вулкан

Древние греки почитали бога огня и кузнечного дела по имени Гефест. Он, как были уверены эллины, постоянно ковал что-то в своей подземной кузнице. Иногда его мех раскалялся так, что жар от него выходил наружу, через жерла вулканов. Римляне переименовали Гефеста в Вулкана, это же имя получили геологические образования, выплевывающие из себя магму, обычно хранящуюся в недрах земли.

Вулканы – это горы, частично или полностью созданные из продуктов извержений. Они образуются в местах, где в земной коре имеются трещины или каналы. По этим каналам и выходит наружу раскаленная лава, газы и обломки горных пород. Вулкан может быть действующим, уснувшим или потухшим навсегда – если внутренняя деятельность в этом месте земных недр прекратилась.

Уснувший вулкан просыпается, чаще всего, от небольшого внутреннего землетрясения. И сразу начинает выбрасывать из своего жерла горячий газ с кусками холодной лавы. Позже лава становится жидкой, раскаленный фонтан из газов, лавы и пепла может подниматься до нескольких километров вверх, а продукты жизнедеятельности вулкана могут разбрасываться на тысячи километров.

Что же становится причиной начала вулканической активности? Мантия, расположенная под относительно тонкой (толщиной 70–80 км) поверхностью Земли, напоминает горячую смолу, которая постоянно кипит и перемешивается. Плиты, из которых состоит поверхность, сталкиваются, наползают друг на друга, давление подземного газа увеличивается, что может привести к взрыву. Газы и расплавленная часть мантии вырываются наружу – это и есть извержение.

В горах нет ни честности, ни коварства. Они просто опасны. – Райнхольд Месснер

№ 82

Материк в отъезде. Движение плит земной коры

Когда слышишь словосочетание «земная кора», представляется нечто цельное, как скорлупа ореха. На самом деле поверхность нашей планеты напоминает лоскутное одеяло, состоящее из восьми крупных лоскутов (тектонических плит) и нескольких мелких. На границах плит находятся зоны повышенной сейсмической активности. Плиты движутся, сталкиваются, трутся, это вызывает землетрясения и извержения вулканов.

Плиты как бы плавают в океане раскаленной мантии, они постоянно перемещаются, но движение это незначительно, поэтому заметить его практически невозможно. Но ученые все же давно заметили, что края континентов на удивление подходят друг к другу, как кусочки пазла. Если сложить западный берег Африки с восточным берегом Южной Америки, а сверху добавить Северную Америку и присоединить Евразию с Австралией, то получится цельный континент.

Конечно, его края совпадут не идеально, и все же совпадение будет значительным – потому что когда-то давно, около 300 миллионов лет назад, все существующие ныне на Земле континенты были одним целым. Этот суперконтинент получил название Пангея. Впоследствии Пангея раскололась на две части, северную и южную. Из северной образовались Евразия и Северная Америка, из южной – остальные континенты.

Движение плит продолжается, медленно, по метру в год, но материки снова движутся навстречу друг другу. Ученые посчитали, что цикл схождения-расхождения континентов длится от 300 до 500 миллионов лет, они даже придумали название для нового суперконтинента, который образуется в далеком будущем – Пангея Ультима.

Земля – это огромный театр, в котором одна и та же трагедия играется под различными названиями. – Вольтер

№ 83

«Ветер, ветер, ты могуч…» Почему дует ветер?

Ветряная мельница – механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра

Для того чтобы понять, как перемещаются воздушные массы разной температуры, рекомендуется проделать такой опыт: зажечь две свечи и держать их возле приоткрытой двери на улицу, одну внизу, а другую вверху. По направлению пламени станет понятно, что более легкий теплый воздух (идущий из комнаты) поднимается вверх, а холодный (идущий с улицы) опускается вниз.

Днем солнце нагревает все поверхности нашей планеты, причем нагрев происходит неравномерно: суша прогревается быстрее, чем вода. Воздух над сушей поднимается вверх, на его место приходит более тяжелый и холодный воздух с моря. Вечером происходит обратное, воздух движется с берега к морю. Это и есть ветер. Подобные процессы происходят на поверхности всей Земли, теплый и холодный воздух постоянно меняются местами, поэтому и ветер дует постоянно.

Ветер есть и на Солнце. Это выбросы плазмы со скоростью 300–1200 км /с. Солнечный ветер порождает магнитные бури и полярные сияния.

№ 84

Калорийно, однако! Еда и энергия

Мы едим, чтобы получить энергию, которую потом тратим на самые разные действия, в том числе и на добывание новой пищи и новой энергии. Это бесконечный круговорот энергии в природе, в котором человек участвует наряду со всеми живыми и неживыми объектами.

Без затрат энергии жизнь невозможна. Энергия необходима организму для поддержания всех процессов: пищеварения, кровообращения, передачи импульсов в нервной системе, поддержания тонуса мышц, работы мозга и т. п. Это неконтролируемые затраты, наши клетки сами берут из запасников столько энергии, сколько им нужно. Кроме них существуют затраты контролируемые – физическая и умственная активность. Мы можем целый день бегать как белка в колесе или лежать на диване, как медведь в спячке. Затраты энергии в том и другом случае будут разными.

Вот тут самое время завести речь о калориях – единицах энергии, получаемой из пищи. Одна калория – это количество теплоты, которое нужно, чтобы нагреть один грамм воды на один градус Цельсия. Для определения калорийности того или иного пищевого продукта его сжигают в специальном приборе, калориметре, способном определить, сколько при этом выделяется тепла. Примерно так же продукт «сгорает» в пищеварительной системе человека.

В наше время многие озабочены подсчетом калорий и стараются употребить не больше энергии, чем будет потрачено. Потому что избытки калорий, остающиеся в организме, идут не на благое дело – они оседают на животе, боках и других частях тела, при этом портят фигуру и настроение ее владельцев.

Один из секретов успеха – ешь все, что нравится, и пусть в животе победит сильнейший. – Марк Твен

№ 85

Первая и вторая свежесть. Как выбрать яйцо на завтрак

Казалось бы, судить о свежести или несвежести яйца можно только после того, как оно разбито: в случае если продукт «залежался», он оповестит вас об этом ужасным запахом. Но можно попытаться избежать этой неприятности.

Положите сырое яйцо в воду. Если оно всплывет, то его лучше не употреблять в пищу. Дело в том, что скорлупа яйца негерметична (ведь когда в яйце находится цыпленок, ему необходимо поступление кислорода!) Через нее идет медленное, но постоянное испарение жидкости. Чем больше ее испарилось, тем, соответственно, больше будет внутренний воздушный мешок и выше вероятность того, что яйцо не просто несвежее, а откровенно тухлое. Оно может и не иметь неприятного запаха, но есть лучше все же свежие продукты… Приятного аппетита!

№ 86

Природный цвет. Удивительный хлорофилл

Хлорофилл окрашивает растения в зеленый цвет

Из-за него трава и листья имеют привычный зеленый цвет, благодаря ему на нашей планете постоянно пополняется запас кислорода, если бы не он, то мы с вами вряд ли появились бы на свет. Имя ему хлорофилл. Он содержится в клетках всех зеленых растений, а также водорослей, простейших и бактерий, питающихся при помощи фотосинтеза.

В процессе фотосинтеза участвует вода, добываемая растением из почвы, углекислый газ, поступающий из воздуха, и солнечный свет, поставляющий энергию. В результате многоступенчатых реакций, происходящих в клетках растений при участии хлорофилла, образуется кислород, необходимый для дыхания всех живых существ, и углеводы, из которых строятся клетки растений. А растения – это основа всех пищевых цепочек и фундамент эволюции, в том виде, в каком она сложилась на нашей планете.

№ 87

Полный отстой: почему воду надо «отстаивать»?

В последнее время все больше людей стараются оснастить свои кухни и ванные комнаты разнообразными фильтрами для очищения воды. Но в дополнение к фильтрации многие еще и «отстаивают» воду, предназначенную для питья. Зачем?

В воде из-под крана содержится множество различных химических добавок. Они попадают туда в виде осадка с внутренней поверхности водопроводных труб, возникают в ходе химических реакций, протекающих в системе водоснабжения, либо вносятся целенаправленно, к примеру для дезинфекции. Сразу после того как мы наполнили водой чайник или кастрюлю, эти элементы находятся во взвешенном состоянии. А через некоторое время, если дать воде постоять, они частично улетучатся (например, если вода хлорированная), частично осядут на дно (и образовавшийся осадок можно вылить), а частично… останутся. Ведь некоторые элементы не оседают и не улетучиваются, а значит, избавиться от них таким образом невозможно.

Природная вода содержит примеси: вещества органические и неорганические

Владельцы аквариумов знают, что меняя воду в своем комнатном водоеме, ее ни в коем случае нельзя заливать прямо из-под крана – нежные тропические рыбки просто не выдержат такой химической атаки. А как же мы? Многие считают, что «отстаивание воды» нужно в первую очередь для самоуспокоения, а хороший фильтр решит проблему с самыми опасными веществами. Но если вы живете в местности, где вода не отличается чистотой и применяются агрессивные способы ее очистки, лучше применять все доступные способы!

Важна форма посуды, в которой отстаивается вода. Чем больше площадь испарения, тем быстрее пойдет процесс

№ 88

Канат из паутины. Секреты прочности тончайшей нити

Прочность паутинной нити (то есть ее свойство сопротивляться разрушению) выше, чем у проволоки. Паутина может растянуться более чем на треть, прежде чем разорвется! Вспомните: паук, плетя свои сети, часто повисает на ниточке. Если бы нам удалось изготовить проволоку такого же сечения (толщина паутинки около 0,02 мм), то она не выдержала бы даже самого захудалого паучка…

В железах на брюшке паука содержится жидкость, состоящая в основном из белка, к которому «подмешаны» кислоты: глицин, серин, аланин. Это вещество выходит наружу через протоки паутинных желез и застывает на воздухе. В составе паутины есть как жесткие, так и эластичные белковые соединения: это придает упругость. Ну а «для надежности» паук скручивает несколько нитей в одну – более толстую.

№ 89

Съеденное железо. Эрозия и коррозия

Обычно считается, что ржавчина – вернее, процесс коррозии, в результате которого ржавчина «съедает» металл – явление из области чистой химии. Как это происходит?

Многие материалы, например алюминий, при взаимодействии с кислородом воздуха образуют плотную оксидную пленку, которая защищает их от коррозии. То есть кислород перестает действовать на поверхность металла, и повреждение не происходит. А некоторые материалы не способны образовывать такую пленку – или она у них получается «дырявая», слабая и не препятствует разрушительному действию кислорода и воды. Наверное, вы согласитесь, что содержание кислорода в воздухе и его влажность, которая тоже действует на металлы, во многом связаны с такими явлениями, как атмосферное давление, температура и многое другое. Так что в этом случае рассматривать химические реакции в отрыве от физических явлений невозможно. На скорость коррозии очень сильно влияет температура окружающей среды – при повышении температуры «ржавление» значительно ускоряется. Существует любопытная разновидность коррозии, возникающая под воздействием тока. Ее называют электрохимической.

Ржавеющие металлы назвали неблагородными, а химически стойкие – благородными, или драгоценными

В настоящее время нет единого мнения относительно того, стоит ли называть коррозией разрушение неметаллических материалов в результате химических реакций. Физики и химики предпочитают говорить о коррозии только применительно к металлам и сплавам. В отличие от коррозии, эрозия металла возникает вследствие механического воздействия. Например, металлические части какого-либо агрегата, постоянно подвергающиеся давлению или ударам, могут начать истончаться и терять свои свойства.

Наиболее действенным методом борьбы с коррозией является обработка поверхности антикоррозийными материалами. С эрозией же предпочтительнее бороться снижением «травмирующего» воздействия

№ 90

Восточная мудрость. Ватный халат – одежда для жаркого дня

Жители Средней Азии в сорокаградусную (и более) жару не спешат раздеваться, оставаясь в теплых халатах – иногда еще и «подбитых» ватой. Чем это объяснить?

Во-первых, плотная одежда защищает тело от раскаленного солнцем воздуха. Во-вторых, она создает между собой и телом человека определенный микроклимат, что помогает поддерживать температуру тела стабильной. Конечно, она будет повыше, чем 36,6, но не подпрыгнет до опасных высот. И наконец, в‐третьих: сняв одежду, на жарком солнце и в сухом климате вы буквально рискуете превратиться в головешку, так как испарение влаги с вашей кожи будет очень быстрым. Толстый халат предохраняет от этого. Да, потеть вы будете. Но под халатом сохранится уровень влажности, необходимый для нормального функционирования.

№ 91

Звуковая дорожка: почему снег поскрипывает?

Хруст снега слышен при температуре ниже -5 °C

Снежинки, из которых, собственно, снег и состоит, представляют собой ледяные кристаллики разнообразных форм. Когда снежинки покрывают землю, между ними благодаря их структуре появляется множество пустот. Когда мы наступаем на снег, он уплотняется, пустоты исчезают, а сами кристаллики начинают ломаться. Именно треск ломающихся снежинок мы и слышим. Но почему снег поскрипывает не всегда?

Причина в том, что если мороз несильный, каждая снежинка начинает «обволакиваться» слоем воды. Конечно, мы его не замечаем. И все же появившиеся водные прослойки заглушают звук ломающихся кристалликов, и поскрипывание снега под ногами прекращается. Если же погода морозная, а снег только-только выпал, мы можем не услышать хруста, потому что у «свежих» снежинок кристаллы совсем слабые и непрочные. Говоря обыденным языком, хрустеть там особо нечему!

№ 92

Мечта домохозяйки: поможет ли физика избавиться от пыли?

То, что мы в своей квартире регулярно стираем с мебели и сметаем с пола, весьма разнообразно по своему составу! Частицы сажи и гари, залетевшие с улицы. Частицы песка, которые мы принесли на своей обуви. Даже вулканический пепел, способный перемещаться по воздуху на большие расстояния. В состав домашней пыли входят и частички отслоившегося кожного эпителия.

Отдельные «пылинки» висят в воздухе, а соединяясь друг с другом и становясь тяжелее, оседают на мебели и на полу, откуда нам приходится их регулярно вытирать, выметать и вымывать. Пыль вызывает аллергию, накапливает статическое электричество и, наконец, весьма неэстетично выглядит. Конечно, хорошие хозяева делают уборку регулярно. Но можно ли избавить свое жилище от пыли раз и навсегда? Как это было бы здорово!

Увы, полное избавление от пыли остается мечтой. Ведь для того, чтобы ее не было, нам нужно убрать частички пыли из окружающего нас воздуха (что невозможно в бытовых условиях) и сделать поверхности настолько гладкими, чтобы пылинки к ним не прилипали. А это нереально: ведь даже полированная поверхность, которая нам кажется совершенно гладкой, для микроскопической пылинки представляет собой нечто, напоминающее вспаханное поле!

Поэтому единственный выход – чаще делать влажную уборку (особенно в условиях мегаполиса), ставить фильтры на вентиляционные решетки, пользоваться антистатиками (по возможности более экологически нейтральными). Существуют в мире так называемые «пылеулавливающие системы», но в условиях небольшой квартиры применять их вряд ли реально.

Из небольшой двухкомнатной квартиры мы в среднем за год выбрасываем 20 килограммов пыли! Это не считая крупного мусора и бытовых отходов

№ 93

Страшилка века: чем опасен «парниковый эффект»?

О «парниковом эффекте» в последние несколько лет говорят во всем мире ученые, политики, экологи… Что это такое и насколько опасен этот эффект?

На земле работают тысячи заводов и фабрик, по улицам городов ездят миллионы автомобилей, количество отходов жизнедеятельности человека растет в геометрической прогрессии. Все это приводит к тому, что в земной атмосфере концентрируются так называемые парниковые газы. Они образуют своеобразную прослойку, которая задерживает тепловое излучение, исходящее с Земли, и, подобно отбивающему мяч вратарю, возвращают его обратно. Возникает климатический дисбаланс, растет количество осадков (вспомните: на стеклянных стенках огородного парника капли образуются почти постоянно – здесь эффект тот же самый!), увеличивается содержание в атмосфере вредных веществ.

К числу самых опасных последствий парникового эффекта относят глобальное потепление – правда, не все ученые согласны с тем, что изменения климата земли столь тесно связаны именно с наличием парниковых газов в атмосфере. Но даже если допустить, что изменения климата зависят от каких-то иных причин, воздействие парникового эффекта в целом резко негативно. Гибель множества видов животных и растений, рост заболеваний, загрязнение воды, земли и воздуха… Перечислять можно очень долго. Что же нам делать?

К числу необходимых мер ученые относят переход на новые виды топлива – углеродосодержащие, активно использующиеся сейчас, особо опасны. Нужно ограничить количество выхлопных газов, использовать фильтры, искать альтернативные источники энергии, сократить вырубку лесов, повышать «экологическую сознательность» населения… Но окажемся ли мы способны на это?

По некоторым подсчетам, за последние полтора столетия количество углекислого газа в воздухе увеличилось на 25%

№ 94

Солнце мое… Основы гелиобиологии

В конце XX – начале XXI века связь физики с другими науками становится все более прочной. Множество научных проблем и вопросов помогла решить биофизика – наука, изучающая физические процессы, протекающие в биосистемах, и это направление сейчас весьма популярно, особенно в свете многих экологических проблем.

Особым разделом в биофизике является гелиобиология, изучающая влияние изменений активности Солнца на различные организмы. Основоположником этой науки считается Александр Леонидович Чижевский (1897–1964). Все его заслуги сложно даже перечислить, но именно Чижевский сформулировал зависимость между солнечной активностью и разнообразными реакциями живых организмов. Он ввел понятие так называемого «Z-фактора», неопределимого физическими опытами, но имеющего определяющее значение для связей Солнца и Земли. Правда, ряд ученых считают, что этот таинственный фактор – не что иное, как проявление магнитного поля Земли, связь которого с солнечной активностью уже почти никто не подвергает сомнению.