Физика: парадоксальная и объяснимая. 100 открытых задач

Кстати…

Где азартная игра, там и обман! Нечестные игроки – шулеры – пользовались игральными костями со смещённым центром тяжести. Такой кубик повышает вероятность выпадения определённого числа и даёт обманщику преимущество в игре.

ЗАДАЧА 10. АНТАРКТИЧЕСКИЙ ЛЁД***

Летом в Антарктиде тает лёд, и вода ручьями стекает в океан.

Но талые воды антарктического льда ещё долго не перемешиваются с водой океана. Они скользят по поверхности океана своим потоком, как будто вода ледников и морская вода – это две разные жидкости, не желающие смешиваться.

Почему талая вода плохо перемешивается с водами океана?

Контрольный ответ

Вода от растаявшего ледника пресная, её плотность ниже плотности океанской воды. Поэтому при стекании в солёную воду океана пресная вода оказывается наверху, и перемешивание происходит медленно.

Верхний слой – пресный, он словно бы плывёт по более плотному нижнему солёному слою и не стремится вниз. Окажись солёная вода наверху, перемешивание пошло бы гораздо быстрее.

Хотите знать больше?

Плотность воды зависит не только от солёности, но и от температуры. Холодная вода имеет бóльшую плотность. Почему так, легко понять, если вспомнить, что жидкости при нагревании расширяются. Объём горячей жидкости будет чуть больше, чем объём холодной той же массы. А если объём тела при той же массе больше, то плотность этого тела меньше.

У воды, однако, есть одно необычное свойство: её плотность максимальна при температуре 4 ℃, а при дальнейшем понижении температуры плотность воды начинает уменьшаться. Также плотность льда меньше плотности воды, и лёд в воде не тонет. Это уникальное свойство воды делает возможной жизнь в реках и озёрах. Иначе зимой водоёмы неизбежно промерзали бы до дна, и это сделало бы жизнь в них невозможной для большинства организмов.

Когда плавится арктический лёд, образуется пресная вода. Но почему? Разве не из океанской воды когда-то возникли эти глыбы льда? Не совсем. Часть льда образовалась благодаря осадкам, а осадки состоят из пресной воды. Но дело даже не в этом. Вымораживание – это один из способов опреснения солёной воды. Когда солёная вода замерзает, кристаллы льда образуются из молекул воды, при этом молекулы соли вытесняются из кристалла наружу.

Подумайте…*

Вам понятно теперь, почему при замерзании больших объёмов солёной воды повышается солёность океана?

ЗАДАЧА 11. АНОМАЛИЯ НА ПЛОТИНЕ ГУВЕРА**

Плотина Гувера – одно из самых грандиозных сооружений в США. Некоторым туристам при посещении плотины демонстрируют гравитационную аномалию.

Человек, стоя на плотине, выливает из бутылки воду. Но вместо того чтобы течь вниз, вода, разбиваясь на капли, летит вверх!

Видео с этим фокусом см. по запросу «Вода из бутылки льётся вверх на плотине Гувера». Возможно, если вы будете смотреть внимательно, вы найдёте подсказку на вопрос задачи.

Как можно объяснить, что вода, вылитая из бутылки, течёт вверх?

Контрольный ответ

Ветра, дующие в глубоком каньоне реки Колорадо, встретив на пути высокую вертикальную стену плотины, изменяют направление движения. Снизу вверх вдоль стены плотины движется сильный воздушный поток. Он-то и заставляет брызги воды лететь вверх. (Если внимательно смотреть видео, то видно, что волосы девушки колышутся от ветра.)

Хотите знать больше?

Гравитационные аномалии действительно существуют, это не вымысел! Но их влияние на силу тяготения невелико. Из-за особенностей рельефа местности, из-за различной плотности пород, формирующих литосферу, сила тяжести, действующая на тело, может отличаться в разных точках Земли. Но лишь на несколько процентов. И, конечно, смена направления силы гравитации на противоположное – совершенно невозможное явление на нашей планете.

Аналоги

На Земле есть удивительные водопады, в которых потоки воды, оторвавшись от скалы, не падают на Землю, а летят вверх.

Воду вздымает ветер, который дует от подножия горы к вершине, образуя восходящий воздушный поток. Такие «перевёрнутые» водопады – явление редкое. Они встречаются в Австралии, Исландии, Ирландии, Шотландии, Великобритании, на Гавайских островах.

Видео, как сильные ветры переворачивают водопад с ног на голову, можно посмотреть по запросу «Водопад Вайпугия на Гавайях».

ЗАДАЧА 12. НАСТОЯЩИЙ КОСМОНАВТ – НЕ ХРАПИТ!***

Ни космонавты, ни астронавты, ни даже космические туристы, находящиеся на орбите, не храпят во сне. Этот факт был подтверждён исследованиями НАСА и Американским Национальным Институтом Здоровья.

Чтобы решить задачу, рассмотрите, как устроены воздухопроводящие пути человека.

Схема строения ротоглотки

Почему люди, храпящие на Земле, в космосе спят без храпа?

Контрольный ответ

Во сне у человека расслабляются мышцы ротовой полости. Под действием силы тяжести язык, миндалины и мягкое нёбо смещаются вниз и сужают дыхательные пути. Выдыхаемый воздух преодолевает эти препятствия и заставляет вибрировать мягкие ткани ротоглотки. Таков механизм возникновения храпа.

В условиях невесомости этого не происходит. Ведь там отсутствует сила, которая смещает ткани в просвет дыхательных путей.

Хотите знать больше?

От храпа страдает до 30% взрослого населения нашей планеты. Звук храпа человека может достигать 92 децибел, что соответствует уровню шума работающего перфоратора. Храп считается предвестником целого ряда проблем со здоровьем.

Астронавты и космонавты… Эти два слова вошли в привычный лексикон людей только в 60-х гг. XX века. Тогда сбылась головокружительная мечта человечества о полёте в космос.

В США пилотов космических кораблей назвали астронавтами, в СССР – космонавтами. Оба этих слова составлены из греческих корней: ἄστρον (астра) – звезда; κόσμος (космос) – мир, Вселенная; ναύτης (навт) – моряк. Несложно понять их смысл: астронавт – человек, плывущий к звёздам, а космонавт – в бескрайние просторы Вселенной. В Китае их называют «тайконавтами»: 太空 (тайко) переводится с китайского как «космос».

ЗАДАЧА 13. СОВРЕМЕННЫЕ ИЛИ СТАРИННЫЕ?..***

Представьте себе спор двух студентов-биологов, которым предстоит отправиться в долгую учебную экспедицию. Они побывают в разных уголках планеты, окажутся и на крайнем Севере, и на экваторе. Им предстоит провести много экспериментов, в ходе которых придётся измерять массу различных частей растений. Один студент предлагает для этой цели взять с собой самые современные электронные весы, а второй – старинные аптекарские с набором мелких гирь разной массы – разновесов.

А какие весы взяли бы вы?

Старинные весы / Wikimedia, ⠀⠀⠀⠀⠀Современные весы

Poussin jean, CC BY-SA 3

На каких весах можно более точно измерить массу в разных уголках планеты: на современных электронных или старинных рычажных?

Контрольный ответ

Масса измеряется с помощью весов. А весы работают благодаря силе тяжести, которая действует на тело. Величина этой силы немного различается в разных частях планеты. Но масса тела при этом не меняется, так как от силы тяжести она не зависит!

Поэтому электронные весы, настроенные так, чтобы показывать точное значение массы на экваторе Земли, будут неточны на её полюсах. Ведь на экваторе сила тяжести меньше примерно на 0,5%, и давить на весы тело будет с меньшей силой.

А вот с рычажными весами такой проблемы не возникнет. Ведь эти весы сравнивают массу тела с гирьками заданной массы. Изменение силы тяжести, действующей на тело, будет точно таким же, как изменение силы тяжести, действующей на разновесы. И показания таких весов окажутся верными в любой точке Земли.

Хотите знать больше?

Форма Земли – не совсем шар. Расстояние от центра Земли до её поверхности на экваторе больше, чем на полюсах.

Но в соответствии с законом всемирного тяготения сила притяжения между телами тем меньше, чем больше расстояние между ними. Поэтому на экваторе сила тяготения меньше и вес тела меньше.

Кроме того, уменьшение веса на экваторе обусловлено вращением Земли.

Кстати…

Земля имеет специфическую форму, которую принято называть «геоид».

Подробнее о конфигурации Земли можно почитать по запросу «Геоид».

ЗАДАЧА 14. ДОРОГАЯ НЕВЕСОМОСТЬ***

Космонавты работают в невесомости. А готовиться к полёту приходится на Земле, где в обычных условиях невесомости нет. Как же отрабатывать навыки, которые пригодятся космонавтам на орбите?

Для воспроизведения условий невесомости созданы специальные самолёты. Такой самолёт поднимается на высоту около 10 км и затем начинает снижаться с ускорением свободного падения (говоря проще – падать). Время такого резкого снижения не может превышать 30 секунд, ведь запас высоты ограничен и его ещё должно хватить на манёвр выхода из пике. Этими 30 секундами и ограничивается время, в течение которого пассажиры испытывают невесомость. А для тренировки экипажа космического корабля требуются многие часы! К тому же полёт самолёта – совсем не дешёвое развлечение.

Подробнее, если захотите попробовать, ищите информацию по запросу «Программа тура «Полёт на невесомость».

Как же эффективно и относительно дёшево тренировать космонавтов?

Контрольный ответ

Вспомним закон Архимеда: «На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости».

Средняя плотность тела человека близка к плотности воды. Поэтому сила Архимеда, действующая на него, приблизительно равна силе тяжести. Сила плавучести компенсирует силу тяготения, и вес тела оказывается равным нулю.

Обыкновенная вода частично имитирует условия, приближённые к невесомости. Навыки движения космонавтов можно отрабатывать под водой.

Хотите знать больше?

В 1980 г. в Центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина построили гидролабораторию, где в специальном бассейне будущие космонавты проводят сотни часов. Есть подобные лаборатории и в США, и в Китае.

Видео по теме см. по запросу «Погружение в невесомость. Тренировки космонавтов под водой».

Кстати…

Невесомость не означает отсутствие гравитации! Гравитация есть везде. Состояние невесомости сродни бесконечному падению. Представьте себе кабину лифта, летящего вниз. Он движется точно с такой же скоростью, как и все тела внутри него. Невозможно опереться на пол кабины. Если попробовать – оттолкнёшься и взлетишь к потолку. То же самое происходит внутри космического корабля.

ЗАДАЧА 15. СТАЛО ЛУЧШЕ, ДА ХУЖЕ…**

В 1813 г. в Англии построили первую консервную фабрику. В то время консервные банки изготавливались вручную из кованого железного листа, покрытого слоем олова толщиной 0,1 миллиметра. Один рабочий мог изготовить всего 5—6 банок в час. Банки были надёжными, но тяжёлыми и дорогими.

Во второй половине XIX века на смену кованому лужёному листу пришла тонкая, толщиной около 0,3 миллиметра, и прочная стальная жесть. Такие банки стало проще изготавливать и легче вскрывать. Но возникла неожиданная проблема. При термообработке консервируемых продуктов внутри закрытой банки повышалось давление. Дно и крышка выдавливались и становились выпуклыми. Банка как будто вздувалась изнутри. Именно так выглядят консервы, продукты внутри которых испортились. Продать вздутую банку невозможно.

Как добиться того, чтобы банка из тонкой жести не вздувалась при термообработке?

Контрольный ответ

На дно и крышку банок стали наносить рельеф в виде концентрических окружностей. Когда после термообработки банка остывала, рельефная поверхность банки пружинила, дно и крышка возвращались в первоначальное положение. Такой рельеф есть и на современных консервных банках.

Консервная банка из белой жести / Wikimedia, Rainer Zenz, CC BY-SA 3.0

Хотите знать больше?

Швы первых консервных банок запаивались оловянным припоем. Иногда в состав припоя входил и свинец. А свинец крайне вреден для человеческого организма. Правда, отравление свинцом происходит не мгновенно. Негативные последствия проявляются через некоторое время в результате накопительного эффекта.

Предположительно, из-за отравления свинцом в 1872 г. на Шпицбергене умерло 17 охотников за тюленями, все они питались консервами.

Пострадала и арктическая экспедиция Джона Франклина 1845—1847 гг. У всех членов экспедиции были серьёзные признаки отравления свинцом.

Проведённые позже исследования показали, что ещё одним потенциальным источником свинца могли быть корабельные опреснительные системы, а не только консервные банки.

Отравления консервами необязательно связаны со свинцом. Возможно, охотники за тюленями погибли не от ядовитого свинца, а из-за безобидного олова.

Олово – вещество, у которого есть разновидности (химики называют их аллотропные модификации). При температурах ниже 13° C и особенно интенсивно при – 40° C белое олово превращается в серое. А серое олово – крошащийся порошок.

Из-за такого превращения в 1912 г. погибла антарктическая экспедиция Роберта Скотта. На сильном морозе оловянный припой рассыпался, и экспедиция осталась без топлива, которое вытекло из баков.

Возможно, что припой в консервных банках охотников тоже частично разрушился на холоде, консервы потеряли герметичность, что привело к их порче…

От превращений олова пострадала и армия Наполеона во время холодной зимы 1812 г. в России. Пуговицы солдатских мундиров были сделаны из олова…

Подробнее о модификациях этого металла можно почитать по запросу «Олово».

Кстати…

Первое устройство для открывания консервных банок появилось только через полвека после изобретения самой банки. До этого консервы солдаты открывали штык-ножом, а домохозяйки… подручным слесарным инструментом.

ЗАДАЧА 16. ЖЕЛАТЬ ЛИ ПОПУТНОГО ВЕТРА?*

«Попутного ветра!» – так говорили морякам, отправлявшимся в плавание. Это пожелание возникло во времена парусного флота и прочно закрепилось в языке. Сегодня его может услышать выпускник школы, перед которым открываются дороги взрослой жизни, бизнесмен, начинающий новое предприятие, и любой другой человек, которому предстоит совершить большое дело.

Но не стоит желать попутного ветра прыгунам с трамплина! Для них это равносильно предречению неудачи! Им нужен не попутный, а встречный ветер!

Зачем прыгуну встречный ветер?

Контрольный ответ

Встречный ветер увеличивает подъёмную силу, которая действует на прыгуна в полёте. Благодаря ей увеличивается время и дальность полёта лыжника.

Аналоги

По этой же причине против ветра взлетают самолёты.

Видео по этой теме можно посмотреть по запросу «Почему самолёты взлетают и садятся против ветра».

Кстати…

Однажды известный конструктор автомобилей Генри Форд сказал: «Когда кажется, что весь мир настроен против тебя, помни, что самолёт взлетает против ветра!» Так что учтите: иногда вам нужен не попутный, а встречный ветер.

ЗАДАЧА 17. ТЕПЛОЛЮБИВЫЕ КОСМОДРОМЫ?**

Сегодня многие страны имеют собственные космические программы. Ракеты запускают не только крупные государственные корпорации, такие как «Роскосмос», «НАСА» или «Европейское космическое агентство», но и частные компании, самая крупная из которых «SpaceX» Илона Маска.

Но вот что может показаться странным: как правило, космодромы стараются разместить как можно ближе к экватору и так, чтобы рядом было море или океан.

Конструкторам космодромов хочется проводить лето вблизи тёплого моря? Или тепло нужно самим космодромам? Или?…

Почему космодромы располагают по возможности ближе к экватору и почему важно, чтобы рядом был океан? (Ну или в крайнем случае степь. В степи расположен космодром Байконур).

Контрольный ответ

Земля вращается вокруг своей оси. И чем ближе к экватору находится космодром, тем дальше он расположен от оси вращения планеты и, следовательно, тем больше его линейная скорость в направлении вращения.

Эта скорость добавляется к скорости ракеты при её запуске, что позволяет вывести на орбиту больше груза при меньшем расходе топлива. Именно поэтому ракеты обычно запускают в направлении с запада на восток.

Кроме того, сила тяжести на экваторе меньше, чем на полюсе (см. задачу 13). Это даёт выигрыш в грузоподъёмности ракеты.

Ответ на второй вопрос связан с безопасностью. После старта ракеты на землю падают отработанные нижние ступени ракет. Наиболее безопасно, если это происходит над океаном или в степи.

Хотите знать больше?

Нa ширoтe Мoсквы линейная скорость поверхности Земли вследствие её вращения вокруг оси составляет 264 м/с, a нa эквaтoрe – 465 м/с. На полюсе же эта скорость пренебрежимо мала. Поэтому никто и не строит космодромов в приполярных областях.

ЗАДАЧА 18. КАКАЯ ЛАВИНА БОЛЕЕ РАЗРУШИТЕЛЬНА?***

Лавина – это огромная масса снега, которая несётся с гор с высокой скоростью и сметает всё на своём пути. Лавины бывают сухие и мокрые.

Сухие лавины сходят при низких температурах. Они возникают, когда свежий снег выпадает на старую, покрытую ледяной коркой спрессованную снежную массу. Из-за этой корки недавно выпавший снег плохо сцепляется со старым и начинает сползать вниз, увлекая за собой всё бóльшие и бóльшие массы снега.

Мокрые лавины сходят при более высоких температурах. Из-за таяния снега между его слежавшимися пластами появляются прослойки воды. Пласты начинают скользить друг по другу и устремляются вниз…

Видео по теме можно посмотреть по запросу «Самые крупные снежные лавины, снятые на камеру».

Чем опасны лавины? Какие из них: мокрые или сухие – наиболее разрушительны и почему?

Контрольный ответ

Сухие лавины скользят по склонам, как по льду, с огромными скоростями, гоня перед собой ударную волну. Скорость этого потока может достигать 300 км/ч. Это приводит к значительным разрушениям.

На влажный снег действуют бóльшие силы сопротивления движению, что притормаживает сход мокрых лавин. Скорость мокрых лавин не превышает 50 км/ч. Это делает их немного менее разрушительными, чем лавины сухие.

Кстати…

Говоря о потенциальной опасности лавин, нужно помнить о том, что во вспененном снеге сухой лавины содержится много воздуха и у засыпанного лавинным снегом пострадавшего есть возможность дышать в ожидании помощи спасателей. Человека, попавшего в сухую лавину, ещё можно спасти. Попасть же под мокрую лавину и оказаться засыпанным мокрым снегом – это верная гибель. После остановки снег быстро «схватывается» и застывает. Внутри такой лавины нечем дышать.

ЗАДАЧА 19. КТО АРХИТЕКТОР?**

На нашей планете немало песчаных пустынь. И все они очень разные. Пустыни различаются размерами и цветом песка, климатическими условиями и биологическим разнообразием. И только форма песчаных барханов во всех пустынях почти одинакова.

Один склон бархана пологий (уклон около 16º), а другой крутой (30—34º).

Барханы снежных пустынь Арктики очень похожи на песчаные барханы Сахары

Кто же задаёт образец единообразным формам барханов, почему они имеют такую форму?

Контрольный ответ

Архитектор песчаных барханов – ветер. Он переносит миллионы миллионов песчинок, выравнивая пологий наветренный склон.

Песчинки, достигшие гребня, срываются вниз под действием силы тяжести и образуют крутой склон. Угол его наклона зависит только от свойств сыпучего материала и составляет около 32º.

Хотите знать больше?

Видео о том, как сыплется песок с бархана, см. по запросу «Сахара. Как сыплется песок с бархана».

Любой сыпучий материал, если его равномерно сыпать сверху, всегда формирует правильный конус. Угол наклона конуса не зависит от его высоты и различен для разных материалов. Например, склоны кучи зерна будут более пологими, чем кучи с песком.

Модель формирования песчаного конуса описывается несколькими разделами математики! Но если не вдаваться в сложности, то устойчивость песчинки на склоне определяется двумя силами: силой тяжести и силой трения, действующей на песчинку со стороны других таких же песчинок.

Подумайте…****

Сколько песчинок в этой куче песка?

Оцените порядок величины (миллионы, миллиарды…).

Контрольный ответ

Объём этой кучи около 5 м3. Это можно понять, сравнив её с человеком на фото. В одном кубическом метре миллиард кубических миллиметров. Сколько же песчинок в кубическом миллиметре?

Конечно, это зависит от размеров песчинок, а они бывают разные. Песком считаются каменистые фракции с размером частиц от 0,1 до 1 мм. Для приблизительной оценки можно считать песчинку кубиком со стороной 0,25 мм. Тогда в 1 мм3 содержится 64 песчинки. Округлим до 50.

Объединяя всё вышесказанное, произведём вычисления:

N = 5 х 1 000 000 000 х 50 = 250 000 000 000.

Четверть триллиона… Да, примерно столько.

Но если бы куча состояла из самых маленьких песчинок размером 0,1 мм, их было бы 5 триллионов штук.

Подумайте…**

В Забайкальском крае есть удивительное место: самая компактная пустыня в мире – Чарские пески. Среди тайги и болот на несколько километров тянутся сыпучие пески с дюнами и барханами высотой до 80 м. Все склоны барханов, обращённые на юго-запад, пологие, а противоположные – более крутые.

Вы догадались, в каком направлении здесь дуют господствующие ветры?

Чарские пески. Юго-западный (пологий) и северо-восточный (крутой) склоны бархана. Автор фото: Александр Леснянский

Контрольный ответ

Ветры в Чарской котловине дуют в основном с юго-запада на северо-восток.

ЗАДАЧА 20. БЕЗОПАСНОСТЬ ПРЕЖДЕ ВСЕГО**

Олуши охотятся на рыбу, ныряя в море с высоты более 30 м. Они входят в воду со скоростью почти 100 км/ч. Удар о воду при такой скорости очень опасен!

Видео по теме см. по запросу «Олуши Атлантики».

Какие системы безопасности должна была предусмотреть природа, чтобы птицы не травмировались при ударе о воду?

Контрольный ответ

Силу удара уменьшает обтекаемая форма тела. Непосредственно перед входом в воду птица складывает крылья так, чтобы ни одно пёрышко не выпирало в сторону. Особым образом у неё напрягаются мышцы шеи. В этот момент форма олуша больше всего напоминает остриё летящей стрелы.