120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Почему лёд скользкий, а стекло – нет?

Встав на лёд в обычной обуви или на коньках, вы сразу покатитесь, но встав на гладкое стекло этого не случится. Почему же лёд скользкий, а стекло – нет?

Причина скольжения на льду очень проста: между поверхностью льда и скользящим по нему телом образуется тонкий слой воды, который выступает в роли смазки – она снижает коэффициент трения и делает лёд скользким. То же можно наблюдать и на мокром полу – поскользнуться на нём проще простого, даже если в сухом состоянии он не скользит!

Однако здесь же возникает вопрос – а откуда на льду появляется вода? Ведь лёд может существовать только на морозе, воде при такой температуре взяться неоткуда. Интересно, что этим вопросом учёные задаются почти два века, и явного ответа на него нет. Но есть кое-какие предположения.

Одна из причин появления воды на поверхности льда – давление. Оказывается, при повышении давления температура плавления льда снижается, а значит, при достаточном давлении со стороны коньков лёд начнёт плавиться даже на сильном морозе.

Но вот незадача: проведённые расчёты показывают, что давления от коньков не хватает для таяния льда! На выручку приходят некоторые особенности поверхности льда. Лёд не идеально гладкий – он покрыт большими и микроскопическими неровностями, поэтому фактическая площадь опоры конька в сотни раз меньше, чем геометрическая площадь пятна контакта. Значит, и давление в месте контакта каждой микронеровности льда с микронеровностью конька в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз выше расчётного. Этого более чем достаточно для плавления и образования водяной плёнки!

Теперь понятно, что на стекле или любой другой гладкой поверхности без смазки трение остаётся сухим, а на льду трение всегда «мокрое», и именно поэтому он скользкий.

Куда летит камень?

Возьмите кучу камней и ради удовольствия покидайте их. Желательно не в окно, а просто в чистом поле. Вскоре вы увидите, что камни летят примерно по одинаковому пути, а если вы произведёте вычисления, то установите: каждый камень, независимо от угла и силы первоначального броска, летит по одной траектории – параболе. И по параболической траектории движутся любые тела, брошенные в поле тяжести.

Но почему камень летит именно по параболе? Всё дело в так называемом принципе наименьшего действия (он также известен, как принцип Гамильтона или принцип стационарного действия).

Прежде, чем разобраться в существе этого принципа, нужно выяснить, что такое действие. В физике под действием понимают физическую величину, которая выступает мерой движения тела или физической системы. Если рассматривать окружающий нас макроскопический мир, за действие можно принять разность кинетической и потенциальной энергии тела за всё время его движения.

Поэтому под принципом наименьшего действия мы понимаем следующее: любое тело движется по такому пути, на котором разность кинетической и потенциальной энергии будет минимальной. И так уж вышло, что эта разность минимальна только при движении тела по параболической траектории.

Однако самое интересное здесь не сам принцип наименьшего действия, а тот факт, что тела «знают» о нем. В сущности, ничто не ограничивает свободу полёта брошенного камня, он может лететь сколь угодно сложными зигзагами, непредсказуемо меняя свою скорость и направление движения. Однако в реальности мы наблюдаем, что камень всегда «выбирает» параболическую траекторию с наименьшим действием. Этот вопрос имеет философский характер и на него нет однозначного ответа.

Принцип наименьшего действия универсален как для макромира, так и для микромира, в котором правит квантовая механика. Причём в квантовой механике (а точнее, в её копенгагенской интерпретации) считается, что любая движущаяся микрочастица «знает» о существовании всех возможных траекторий своего движения, и движется сразу по ним всем (а их может быть бесконечное количество!). Но при наблюдении с наибольшей вероятностью мы обнаружим эту частицу именно на той траектории, на которой соблюдается принцип наименьшего действия.

Как видите, простой полёт камня и микрочастицы – это на не так уж и просто. Несмотря на то, что нам известен принцип наименьшего действия, и мы можем производить сложные расчёты траекторий движения физических тел, мы не можем дать однозначного ответа, как эти тела «выбирают» именно эти траектории.

Существует ли центробежная сила?

Что за странный вопрос, скажете вы, конечно же центробежная сила существует! Иначе как можно объяснить поведение тел при вращении? Что прижимает вас к дверце автомобиля при резком повороте? А какая сила прижимает к стенкам жидкости в центробежных насосах? Все эти и многие другие примеры не оставляют нам никаких шансов усомниться в существовании центробежной силы.

Однако, несмотря на все свои проявления, центробежная сила считается фиктивной, или псевдосилой. А причина заключается в том, что действия этой силы видят не все наблюдатели. Понять это можно на простом примере.

Вы, двигаясь в машине, делаете резкий вираж – вас прижимает к дверце или с силой толкает в другую сторону. Вы, как наблюдатель, явно чувствуете центробежную силу и даже по известным формулам можете рассчитать её. Но пусть будет сторонний наблюдатель, неподвижно сидящий где-то рядом. Он видит несколько иную картину: при повороте автомобиля ваше тело по инерции продолжает двигаться прямо, что и приводит его к столкновению с дверцей.

Выходит, что для стороннего наблюдателя (который находится вне вашей системы отсчёта) никакой центробежной силы не существует!

Здесь есть один очень интересный момент. Несмотря на различные взгляды, оба наблюдателя (и внешний, и тот, что находится внутри движущейся системы) всё равно приходят к одним результатам вычислений величины действующей силы. Это называется принципом инвариантности физических законов, и он составляет одну из основ теории относительности.

Так что центробежная сила – это одна из фиктивных сил, которая упрощает расчёты, но в действительности не является силой в полном смысле этого слова.

Легко ли расплавить лёд?

Казалось бы, что за странный вопрос – лёд легко расплавить, просто взяв его в руки. Однако спешим удивить вас, сказав, что лёд расплавить сложнее, чем большинство металлов! Сейчас мы разберёмся, в чём тут дело, и вы больше не будете удивляться.

Для измерения способности веществ плавиться используется специальная физическая величина – удельная теплота плавления. Она говорит о том, сколько тепла следует передать единице массы вещества для полного его плавления (то есть, для разрушения его кристаллической решётки). Так вот, удельная теплота плавления льда составляет 335 кДж/кг, железа – 277 кДж/кг, чугуна – 100 кДж/кг, а свинца – и вовсе 25 кДж/кг. Выходит, что лёд расплавить сложнее, чем железо, а тем количеством теплоты, которое потребуется для плавления 1 кг льда можно расплавить больше 13 кг свинца!

Но, скажете вы, как же так? Почему лёд плавится просто в руках, а металлы приходится сильно нагревать? Даже свинец с трудом плавится на обычной кухонной плите, а железо и вовсе приходится нагревать почти до 1400 градусов.

Это не ошибка и не парадокс, а лишь путаница в понятиях удельной теплоты плавления и температуры плавления. Удельная теплота плавления учитывает только то количество теплоты, которое следует передать веществу для полного расплавления при температуре плавления. И в эту величину не входит теплота, необходимая для нагрева вещества до температуры плавления!

Теперь понятно, почему кусок железа не плавится в ваших руках – сначала его нужно нагреть до 1400 градусов, а уже затем передать 277 кДж на каждый килограмм для полного плавления. А температура плавления льда лежит на уровне 0 градусов, поэтому он начинает плавиться даже в ваших руках.

Но это нисколько не умоляет того факта, что разрушить кристаллическую решётку льда сложнее, чем железа и многих других металлов.

Легко ли добыть огонь трением?

Все мы знаем о возможности добывания огня трением – этим способом пользовались наши доисторические предки, распространён он и среди первобытных народов современности. Наверняка, и вы когда-нибудь пробовали зажечь две палочки энергичным трением друг о друга. И у вас, конечно же, ничего не получилось. Но почему мы не можем сделать то, что делали наши предки, и сегодня с лёгкостью делают многие народы, оторванные от цивилизации?

В сущности, они и не делали того, что пытались сделать вы: огонь добывается не простым трением, а сверлением. И несложный расчёт показывает, что простое трение деревяшек друг о друга силой рук в принципе не может дать огня.

Пусть у нас будут две плоские палки, нижняя из них неподвижна, а верхнюю, расположенную поперёк, мы с частотой 2 хода в секунду двигаем руками. При этом один ход пусть будет большим – 25 см, и мы давим на верхнюю палку с силой 2 кг. Так как коэффициент трения дерева о дерево составляет около 0,4, то действующая сила (2 кг умножаем на коэффициент трения) достигает около 8 Н, а на пути 50 см совершается работа всего 4 Дж (для нахождения работы следует умножить действующие силу на путь действия силы – 8 х 0,5). При этом объём нагреваемого дерева при ширине рабочей части палочки около 1 см составляет около 2,5 см3 (здесь мы принимаем, что дерево прогревается на толщину не более 0,5 мм), а масса – около 1,25 г.

При вышеописанном способе за одну секунду можно нагреть дерево на 1 градус (считается это разделением работы на произведение массы нагреваемого материала и его теплоёмкости – для древесины это 2,4). Однако в действительности этот нагрев мы не будем ощущать – из-за большой площади трущихся частей дерево будет тут же остывать. Чтобы наши палки при таких условиях загорелись, их нужно тереть с частотой и силой, раз в 20 – 30 большей, что превосходит возможности человека.

Всё меняется, если взять не две плоские палки, а заострённую круглую палочку, вставленную в лунку на доске. При вращении этой палочки с помощью простейшего устройства (это может быть лук или даже целая ручная дрель, но можно использовать и просто обмотанную вокруг палки верёвочку) секундное повышение температуры может составлять 20 – 25 градусов. И это тепло практически не покидает лунку, так что огонь можно получить за 10 – 12 секунд (температура возгорания наиболее подходящих пород дерева составляет около 250 °C). Такой результат достигается за счёт многократного уменьшения объёма нагреваемого дерева – при той же работе в 4 Дж и при диаметре палочки 1 см этот объем не превышает 0,16 см3, а масса дерева – 0,075 г.

Один из способов добывания огня сверлением – тетива лука обёрнута вокруг палочки, при движении лука вперёд-назад палочка вращается

Таким образом, добывание огня трением – это вполне достижимая задача, нужно лишь знать наиболее выгодные с точки зрения физики способы трения деревянных палочек.

Почему щёлкает кнут?

Щелчок кнута в руках пастуха или дрессировщика всегда вызывает восхищение у зрителей. Однако не каждый ковбой может сказать, как происходит этот хлёсткий щелчок. И несмотря на то, что кнут используется человеком не одно тысячелетие, механика его работы стала понятной лишь с развитием науки.

А причина возникновения щелчка проста. При замахе кнута его тонкая часть на самом конце, называемая фолом, разгоняется до огромной скорости, и в определённый момент даже может преодолеть звуковой барьер. А при достижении сверхзвуковой скорости возникает ударная волна – её мы и слышим, как характерный щелчок.

Кстати, кнут имеет не такое уж и простое устройство, как может показаться. Его основу составляет толстое плетёное кнутовище большой длины, которое завершается тонким и не слишком длинным фолом, а на самом конце фола крепится крекер – пучок конского волоса, лески или другого лёгкого волокна. При замахе кнута кнутовище движется вперёд, а более лёгкие фол и крекер тянутся за ним. При полном вытягивании кнутовища фол и крекер за счёт инерции продолжают своё движение, и как раз в этот момент они на коротком участке своего пути могут достигать сверхзвуковой скорости.

Так что щелчок кнута – это ни что иное, как преодоление отдельными его частями звукового барьера.

Что такое трение?

Окружающий нас мир – это, без преувеличения, мир трения. Посмотрите сами – даже сейчас вы можете сидеть на месте только благодаря трению, из-за трения книга не выскальзывает из рук, ваша одежда не спадает (а самом она не распадается на отдельные нити), и даже ваш дом удерживается на земле трением. А сама Земля превратилась бы в идеально круглый шар, так как все горы развалились бы, и пыль от них плавно «растеклась» бы под действием сил тяжести.

А что такое трение? Казалось бы, мы все знаем ответ – это взаимодействие тел, возникающее при их соприкосновении. Причём трение характерно и для твёрдых тел, и для жидкостей, и для газов. Всё это так, но в чём заключается физическая природа трения?

Оказывается, трение имеет электромагнитную природу! Да, именно так, трение возникает вследствие взаимодействия электронных оболочек атомов и молекул, составляющих все тела нашего мира. При соприкосновении тел между их атомами и молекулами возникают разнообразные электромагнитные воздействия – силы Ван-дер-Ваальса, дисперсионные силы (силы электростатического притяжения между электронами, имеющие квантовую природу) и другие. Притяжение атомов и молекул как бы «склеивает» взаимодействующие тела, мешая их относительному перемещению, чем и вызываются различные силы трения (силы трения скольжения, качения и покоя).

Большой вклад в возникновение сил трения делает и характер поверхности взаимодействующих тел. На поверхности всех тел имеются микронеровности, которые цепляются друг за друга (опять же за счёт электромагнитных сил) и затрудняют движение. Поэтому трение гладких тел меньше, чем шершавых.

Так что трение – это электромагнитная сила, которая присуща всем телам во Вселенной, и делает наш мир вполне пригодным для жизни.

Почему шумит закипающий чайник?

Кипячение воды в чайнике или в кастрюле – процесс для нас будничный и привычный, но сегодня, поставив чайник, не спешите уходить, а немного понаблюдайте. Какое-то время не будет происходить ровным счётом ничего, а через несколько минут вы услышите шум. Этот шум будет постепенно нарастать, перед самым кипением он пойдёт на спад, а при закипании воды сменится простым бульканьем. Вроде бы ничего необычного, но задумайтесь – почему шумит закипающий чайник? Откуда берётся этот звук, да ещё и такой громкий?

Всё дело – в пузырьках. Нижний слой воды, расположенный непосредственно у дна сосуда (чайника, кастрюли или любой другой ёмкости), довольно быстро нагревается до высокой температуры. За счёт нагрева в этом слое образуются микроскопические пузырьки, содержащие водяной пар и воздух (он выделяется из-за изменения способности воды поглощать газы). Эти пузырьки стремятся всплыть, и здесь начинается самое интересное. Несмотря на сильный нагрев самого нижнего слоя воды, вышележащие слои ещё холодные – здесь пузырёк охлаждается и пар внутри него конденсируется. Из-за конденсации пара давление внутри пузырька резко падает, и он за счёт давления воды резко сжимается – происходит схлопывание.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

1

В действительности этих слов сам Архимед не говорил, да и достоверно неизвестно, как он выразил свою мысль – мы лишь знаем со слов Плутарха о письме Архимеда царю Сиракуз Гиерону, в котором механик говорил о возможности поднять Землю рычагом. Допускаем, это просто легенда, но она очень красива и продолжает жить в наше время.