Антон Олегович Малютин "120 детских вопросов о физике и окружающем мире"

120 детских вопросов о физике и окружающем мире
Антон Олегович Малютин

Физика – это, без преувеличения, наука об устройстве нашего мира. Мы окружены множеством физических явлений, но с какими-то из них мы сталкиваемся ежедневно, а какие-то можно наблюдать только в очень сложных экспериментах. Но все они показывают, насколько интересен, многообразен и сложен окружающий мир.Среди физических явлений есть такие, которые вызывают искреннее удивление. Но бывает иначе: с проявлениями каких-то физических законов мы сталкиваемся очень часто, но почти ничего о них не знаем, либо имеем ошибочные представления. Наконец, существуют и такие явления, о которых мы не задумываемся, но в действительности они играют важную роль не просто в нашей жизни, а в самом существовании Вселенной.Именно о таких физических явлениях и законах, управляющих ими – самых интересных, необычных и важных – рассказано в этой книге.

Антон Малютин

120 детских вопросов о физике и окружающем мире

УДИВИТЕЛЬНОЕ – РЯДОМ

В быту мы не думаем о физике и, тем более, об устройстве мира. Всё нам кажется привычным, а иногда даже неинтересным. Но стоит приглядеться, как в каждом обыденном явлении вы увидите «руку физики» – физические явления окружают нас везде и всегда, нужно только их увидеть.

Как отличить сырое яйцо от варёного?

«Просто разбить!» – ответите вы. И будете неправы! Потому что существует очень простой способ определить готовность яйца без вмешательства в его внутренности. Наверняка, многие из вас знают ответ на этот вопрос. Но кого-то, особенно наших юных читателей, эта задачка может поставить в тупик. А в действительности всё элементарно – нужно положить яйцо на ровную поверхность и попытаться его закрутить двумя пальцами.

Что это даст? А то, что знание простых законов механики позволит определить, какое яйцо мы взяли в руки – варёное или сырое. Вы сразу это поймёте по поведению продукта: если яйцо легко раскрутилось и долго вращается – оно варёное; если яйцо сделало один-два оборота и остановилось – оно сырое.

Но в чём же секрет? Всё довольно просто.

Что такое сырое яйцо? Это жидкость, заключённая в твёрдую скорлупу, и между этими частями действуют довольно слабые силы вязкого трения. При раскручивании яйца его скорлупа буквально «скользит» по белку, а нижние слои белка и желток остаются практически неподвижными. Также здесь вмешиваются и силы инерции, из-за которых желток и остаётся неподвижным при раскручивании яйца. К чему это приводит? К тому, что сырое яйцо никак не хочет вращаться – оно оказывает заметное сопротивление раскручиванию и через один-два оборота останавливается. Разумеется, здесь речь идёт о раскручивании яйца путём придания ему единичного импульса пальцами. Если же постоянно придавать импульс сырому яйцу, подталкивать его, то оно всё же будет вращаться.

А что такое варёное яйцо? Это практически цельное твёрдое тело, поэтому вращение от скорлупы без задержек передаётся внутренним частям. В результате варёное яйцо легко раскручивается и может долго вращаться на вашем столе (пока его не остановят силы трения о стол и о воздух).

Кстати, отличия между яйцами можно найти и по тому, как они останавливаются. Если вы всё-таки раскрутите сырое яйцо, то при попытке затормозить его пальцами оно окажет заметное сопротивление. А варёное яйцо остановится быстро и без особых усилий. Причина опять же заключается в инерции и силах вязкого трения: при остановке сырого яйца его внутренние жидкие части по инерции продолжат вращение – это и проявится в заметном толчке. При остановке варёного яйца усилие от скорлупы почти мгновенно передастся к внутренним частям, поэтому наш испытуемый эллипсоид остановится быстро.

Вот так законы механики помогают нам определить, с каким яйцом мы имеем дело, не разбивая его.

Насколько тонка мыльная плёнка?

Принято считать, что мыльная плёнка очень тонка, а поэтому очень непрочна и практически невесома – это доказывают нам переливающиеся всеми цветами радуги, но такие недолговечные мыльные пузыри. Однако мало кто знает, насколько в действительности тонка мыльная плёнка! Не удивляйтесь, но это – одна из самых тонких вещей, существующих в природе, и которые легко может создать человек.

Надуйте мыльный пузырь и посмотрите на него – он переливается всеми цветами радуги, яркие пятна и полосы находятся в постоянном движении, они изменяются и постепенно сползают в нижнюю часть пузыря. В какой-то момент на пузыре появляются «дыры» – бесцветные пятна, которые кажутся дырами на цветном фоне. И спустя некоторое время пузырь лопается.

Оказывается, что цвет мыльного пузыря (то есть, мыльной плёнки) прямо зависит от толщины его стенок. Наиболее толсты сине-зелёные участки, среднюю толщину имеют синие и пурпурные, очень тонки золотисто-жёлтые, а самые тонкие – те самые бесцветные «дыры». Так вот, максимальная толщина мыльной плёнки составляет 120 – 200 нанометров, минимальная – 20 – 25 нанометров. А нанометр – это миллионная доля миллиметра!

Для сравнения: самая тонкая мыльная плёнка примерно в 4000 раз тоньше бумаги, в 3000 раз тоньше человеческого волоса, в 200 раз тоньше паутины, и примерна сравнима по размерам с бактериями и крупнейшими вирусами!

Кстати, а какие инструменты или приборы используются для измерения толщины плёнки? Самое интересное, что это можно сделать вовсе без инструментов. Ещё Роберт Гук и Исаак Ньютон в XVII и XVIII веках предположили, что окраска мыльной плёнки связана с её толщиной. Связь эта простая – в плёнке из-за её особого строения происходит интерференция света, в результате которой из белого света «вычитаются» различные цвета, что приводит к изменению окраски. А зная законы интерференции и цвет плёнки, можно рассчитать её толщину, для этого применяются несложные формулы – именно с их помощью мы и узнали, что мыльная плёнка является одной из тончайших вещей нашего мира.

Какой стакан терпимее к кипятку – толстостенный или тонкостенный?

У вас есть два стеклянных стакана – один с толстыми стенками, а второй тонкостенный. В какой из них наливать кипяток безопаснее? Бытует мнение, что чем толще стенки, тем они прочнее, а значит и к кипятку такой стакан более устойчив. Но это глубочайшее заблуждение – лучше наливать кипяток в тонкостенный стакан!

Парадокс? Ничуть. И это станет понятно, если подробнее посмотреть на те процессы, которые происходят в стенках посуды при её заполнении кипятком. Известно, что при нагревании все тела расширяются – это же происходит и со стенками стакана. Однако сначала от кипятка нагреваются внутренние слои стенок, и постепенно тепло передаётся к наружным слоям. То есть, стенка посуды прогревается неравномерно, а значит, и её расширение тоже происходит неравномерно.

Вот и выходит, что толстые стенки не успевают быстро прогреться во всём объёме, поэтому расширение начинается с внутренних слоёв. В результате возникают деформации, которые приводят к растрескиванию стекла, причём иногда к очень стремительному и опасному. Всё это мы наблюдаем и при остывании посуды – наружные слои стенок остывают быстрее внутренних, что опять приводит к деформациям и может стать причиной разрушения стакана.

Аналогичные процессы происходят и в тонких стенках, однако они очень быстро прогреваются во всём объёме, и возникшие было деформации исчезают, не успев нанести вреда. Но если у тонкостенного стакана толстое дно, то кипяток также может привести к печальному финалу. Это нужно всегда учитывать при выборе кружки или стакана.

Кстати: именно из-за описанных процессов вся стеклянная лабораторная посуда выполняется тонкостенной. Такую пробирку или колбу можно нагреть на огне и тут же охладить, не опасаясь за её целостность. Хотя для особо ответственных работ используется специальная посуда из кварцевого стекла, которое вследствие малого коэффициента расширения не растрескивается даже при нагреве до красного каления и мгновенного охлаждения в ледяной воде.

Даёт ли шуба тепло?

Чтобы согреться, мы одеваемся потеплее – в кофты, куртки, шубы, варежки. Поэтому мы привыкли считать, что все эти тёплые вещи нас согревают. Но дают ли они тепло? На первый взгляд может показаться, что дают, ведь когда мы их надеваем, то согреваемся! Но в действительности всё не так.

Прежде, чем ответить на этот вопрос, проведите несложный эксперимент: возьмите градусник, заверните его в тёплую вещь, и оставьте так на полчаса. И что вы увидите, когда достанете градусник? А то, что его показания никак не изменились! Можно пойти дальше, и взять два кубика льда, один оставить при комнатной температуре (просто положите его в тарелочку), а второй заверните в тёплую вещь (но предварительно положите его в пакет). Спустя полчаса вы увидите, что льдина в тарелке подтаяла намного сильнее, чем та, что «грелась»!

Как же так? Всё довольно просто: ни шуба, ни другие тёплые вещи не согревают, то есть – они не дают тепла. Но благодаря своей плотности они задерживают тепло, предотвращая его рассеивание в пространстве. Так что согревающий эффект тёплых вещей достигается тем, что они не выпускают наружу тепло вашего собственного тела. Точнее – задерживают поток тепла от нагретого тела. Эффект действует в обе стороны: тепло медленно проникает внутрь тёплой вещи, именно поэтому кусочек льда внутри шубы может долго не таять.

Такие материалы называются теплоизоляторами – они изолируют какой-либо объём воздуха или тело от внешней среды, сокращая теплообмен. Конечно, идеальных теплоизоляторов не существует, поэтому лёд в любом случае растает, а в очень сильные морозы даже в самой тёплой шубе можно замёрзнуть. Но, как бы то ни было, а сами эти материалы не создают тепло, поэтому привычный оборот «шуба греет» фактически не верный – тёплые вещи не создают тепло, а лишь не дают ему рассеяться.

Можно ли вскипятить воду в бумажной кастрюле?

Казалось бы, бумага – не лучший материал для кастрюли, она же просто сгорит на печи! Но не стоит делать преждевременные выводы. Сначала разберёмся, какие процессы происходят при нагревании и кипении воды. И тогда ответ на вопрос станет очевидным: вскипятить воду в бумажной кастрюле – можно!

Сделайте маленькую бумажную коробочку или кулёк, наполните эту «посуду» водой (хватит совсем немного), и поставьте над зажжённой свечой. И вы с удивлением увидите, как бумагу лижет огонь, но ничего страшного не происходит! А через какое-то время в воде появятся пузырьки, и она закипит. И всё это будет продолжаться до тех пор, пока наша бумажная кастрюля не размокнет и распадётся.

Почему бумага не загорелась? Всё дело в воде: при нагревании такой «посуды» всё тепло поглощается водой, что и не даёт бумаге чрезмерно нагреться. А так как вода кипит при 100 °C, то сильнее она нагреваться не будет – излишки тепла будут уходить с паром. Так что при желании (если взять бумагу поплотнее) в такой бумажной «кастрюле» можно не просто вскипятить воду, но даже и яйцо сварить!

Кстати, по этой же причине не будет гореть бумажная лента или нить, плотно накрученная на гвоздь – огонь будет лизать бумагу и нить, но все тепло будет отводиться гвоздём (так как металлы обладают высокой теплопроводностью). И загорится бумажная лента или нить только тогда, когда гвоздь сам нагреется до температуры воспламенения этих материалов.

Насколько быстро оседает пыль?

Наверняка, вы не раз наблюдали танец пылинок в солнечных лучах – кажется, в чистом воздухе из ниоткуда появляются мелкие частички, они то мирно парят, то куда-то бегут от слабого дуновения ветра, но никогда не останавливаются. В былые времена люди думали, что пылинки легче воздуха, а поэтому никогда не прекращают свой танец. Но в действительности всё совсем не так.

Что такое пыль? Это микроскопические частицы, образующиеся в самых разных физических и химических процессах – в ходе горения, при трении материальных тел (камней, металлических деталей машин, деревянных частей строений и многих других), в процессе жизнедеятельности организмом и т.д. Обычно к пыли относят частицы размером от сотни нанометров до нескольких сотен микрометров. То есть, самые крупные пылинки сравнимы по размерам с толщиной волоса, а самые мелкие – с бактериями.

Но самое главное, что пыль состоит из твёрдых веществ, а потому она тяжелее воздуха и под действием гравитации должна оседать на землю. Однако пылинки настолько малы, что для них существенными становятся воздействия, на которые мало обращают внимание более крупные предметы – сопротивление воздух, движения воздушных масс и даже движения отдельных молекул газов, составляющих воздух. Пылинки из-за малого веса с большой неохотой «тонут» в воздушном океане, и даже самый слабый ветерок может оторвать их от пола. А для частиц размером от 0,5 микрометров (0,0005 мм) и меньше в дело вмешивается броуновское движение – их всегда «подталкивают» молекулы газов воздуха.

Итак, пыль всё же тяжелее воздуха, поэтому она должна оседать, но с какой скоростью? Наиболее крупные пылинки, которые мы видим невооружённым глазом, в закрытой непроветриваемой комнате оседают за несколько часов. Пылинкам размером в единицы и десятки микрометров на оседание нужны уже целые дни (до недели и более). А самые мелкие частички из-за броуновского движения могут парить в воздухе неделями и месяцами!

Именно из-за медленного оседания пыль может переноситься ветрами на сотни и тысячи километров от своего источника. Так что не удивляйтесь, но в вашем доме есть пыль и из далёкой сибирской тайги, и из африканских пустынь, и от уральских заводов, и из тундры, и даже с другого континента. И протирая пыль, вы совершаете путешествие почти по всему миру.

Можно ли убежать от дождя?

Существует поверье, что от дождя можно «убежать» – чтобы меньше намокнуть, нужно быстрее двигаться. Конечно, добираясь до укрытия бегом, вы намокнете меньше, чем пешком. Однако, если представить, что дождь застал вас в чистом поле, и укрыться негде, то как вы намокнете меньше – двигаясь бегом или пешком?

Чтобы решить эту задачку, нужно обратиться к геометрии, и заменить бегущего человека более удобным предметом – вагоном. Пусть вагон покоится на месте, а капли дождя падают строго вертикально – в этом случае за одну секунду на вагон падает столько капель, сколько заключено в параллелепипеде, основанием которого выступает крыша, а высотой – путь, который проходит капля за секунду.

Теперь рассмотрим ситуацию с движущимся вагоном – в этом случае можно представить, что дождь просто стал косым, его капли падают на крышу вагона под некоторым углом (чем выше скорость вагона, тем больше угол). За секунду на вагон будет падать столько капель, сколько заключено в наклонной призме с основанием в виде крыши вагона и наклонными боковыми рёбрами высотой, равной пути капель за секунду.

Простой расчёт показывает, что параллелепипед в первом случае и призма во втором случае имеют равные объёмы, а значит, в них содержится одинаковое число воды. Получается, что при движении под дождём с любой скоростью вы промокните одинаково!

Кажется, мы ответили на вопрос, и думать здесь больше не о чем. Однако всё не так просто. Дело в том, что эта задача, кажущаяся шутливой, довольно давно волнует умы учёных, и только в 1987 году было приведено точное её математические доказательство. Правда, расчёт проводился для идеальных условий – вертикального дождя с одинаковыми каплями и безветренной погоды. И был получен именно тот ответ, что мы нашли умозрительным путём.

Но в 2011 году появились расчёты для реальных условий, и оказалось, что во многих ситуациях наши выводы ошибочны. Особенно, если мы примем во внимание наличие ветра. Оказалось, что меньше шансов промокнуть, если бежать по направлению ветра и примерно с его скоростью. Оно и понятно: при движении по ветру на вас будет падать меньше капель, чем при движении против ветра, так как во втором случае их скорость выше, и за единицу времени через условную призму пройдёт значительно больше капель.

Хотя, когда ты уже промок до ниток, несколько лишних капель никак не изменят ситуацию.

Откуда берутся искры при трении кремня?

Мы часто в своей жизни встречаемся с искрами, возникающими при трении – целые снопы искр высекает наждачный круг из инструмента во время заточки, вылетают искры из-под колодок при торможении поезда, даже случайный удар металлических предметов или камней сопровождается несколькими слабыми искорками. И, конечно, появляются искры при трении кремня о кресало, причём эти искры способны зажечь легковоспламеняющиеся материалы, на чём основано действие огнива.

Но откуда возникают эти искры? И откуда, в частности, берутся искры в огниве? Оказывается, причина искр – вовсе не кремень, как принято считать, а металлическое кресало!

Мысленно «заглянем» внутрь любого металла – там мы увидим кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные ионы, а пространство между ионами заполнено свободными электронами (этим и объясняется электропроводность металлов). В кристаллической решётке ионы удерживаются довольно прочно, однако при механическом воздействии их относительно легко «оторвать» – именно поэтому металлы так легко поддаются разнообразной механической обработке.

И именно поэтому из металлов легко высекаются искры. При ударе о заострённые предметы или просто при трении от поверхности металла откалываются микроскопические частицы. Эти частицы за счёт трения разогреваются до очень высоких температур (вплоть до 1000 °C!) и загораются при контакте с кислородом воздуха – эти горящие частицы нам и представляются в виде искр.

А что же кремень? А то, что из этого камня (издревле в качестве кремня использовался оксид кремния SiO

) искры не высекаются. Точнее, при большом усилии и из куска кремня могут вылетать отдельные искры, но они очень редки, малы и не обладают воспламеняющей способностью. Потому что в минералах кристаллические решётки образованы целыми атомами, а не ионами, и связь между атомами очень часто оказывается более прочной – вспомните хотя бы алмаз. Зато на поверхности кремня много очень прочных заострённых граней, при трении о которые от металлического кресала легко откалываются кусочки – именно они загораются и становятся искрами. В общем-то, то же происходит при трении металла о наждачный круг, который состоит из мелких заострённых зёрен высокой прочности, и в других ситуациях.

Так что в огниве искры образуются из металла, и трением двух кремней друг о друга вы костёр не зажжёте.

Почему острые предметы колючи?

Почему иголка колется, острый нож режет, а хорошие гвозди легко входят в дерево? И почему эти же предметы, перевёрнутые обратной стороной, никак не хотят выполнять свою работу? Всё дело в такой физической величине, как удельное давление. Эта же величина позволяет нам кататься на лыжах, гусеничному трактору не утопать в заболоченном грунте, йогу лежать на гвоздях и происходить многим другим явлениям нашего мира.

Удельное давление – величина, показывающая, какое давление тело (либо среда – жидкость или газ) оказывает на единицу площади опоры (стенок сосуда для газов и жидкостей). Данная величина определяется по простой формуле p=F/S, где p – это удельное давление, F – сила давления, а S – площадь опоры. Внимательно посмотрев на формулу, мы найдём ответ на заданный в заголовке вопрос.

Дело в том, что тела с неодинаковой площадью опоры при приложении одинаковой силы создают разное удельное давление на свою опору. Яркий пример – лыжи и ботинки. Вес человека в лыжах распределяется по в 15 – 20 раз большей площади, чем в ботинках. Поэтому давление от подошв ботинок таково, что снег проваливается, а давления от лыж хватает лишь для деформирования верхнего слоя снега, поэтому лыжник свободно прокладывает себе путь по снежной целине.

У иголки площадь опоры очень мала (миллионные доли квадратного миллиметра), поэтому даже при небольшом усилии давление на её острие может достигать десятков, сотен, а то и тысяч атмосфер! Давление такого же порядка создаётся и на острие заточенного ножа. Неудивительно, что игла пронзает ткань и больно «кусается» при неосторожном обращении – такому давлению могут противостоять только материалы, прочнее самой иглы.

А как же йоги могут лежать на заострённых гвоздях? Здесь тоже всё просто – для демонстраций используются лежбища из гвоздей, расположенных очень близко друг к другу. В итоге йог ложится не на один гвоздь, а на целое поле гвоздей, благодаря чему площадь контакта тела йога с остриями гвоздей увеличивается в несколько сотен раз, а удельное давление, соответственно, падает. Такое ложе становится просто жёстким и неудобным, но не колючим, и при желании даже вы сможете лечь на него!