Праздничная пальба
«Во многих странах мира люди празднуют победы, дни рождения и другие праздники, торжествующе вскидывая оружие в воздух и стреляя из него. При этом они пренебрегают личной безопасностью и не думают об окружающих. Предположим, ствол ружья перпендикулярен земле при вылете из него пули. Какой высоты она достигнет и какую скорость (и потенциальную убойную силу) будет иметь, когда упадет обратно на землю?»Лео Келли Окленд, Новая Зеландия
Стрельба из ружей в воздух — обычное дело во многих странах мира — причина травм с непропорционально большой долей смертельных случаев. Пуля калибра 7,62 миллиметра вылетает из ствола вертикально вверх, на выходе имеет скорость около 840 метров в секунду и достигает высоты 2400 метров за 17 секунд. Ей требуется еще 40 секунд, чтобы вернуться на землю, как правило, с относительно низкой скоростью, приближающейся к конечной. Эту часть траектории полета пуля проделывает основанием вперед, так как обратное движение пули более стабильно, чем прямое.
Даже при вылете вертикально вверх пуля отклоняется в сторону на некоторое расстояние. Примерно 8 секунд она находится на высоте 2300-2400 метров, где движется с вертикальной скоростью менее 40 метров в секунду. В этот момент пуля особенно уязвима для боковых порывов ветра. Она возвращается на землю со скоростью 70 метров в секунду.
На первый взгляд кажется, что скорость невелика, но количество черепных травм, смертельных случаев и серьезных поражений изумляет. Как правило, травм при стрельбе в воздух в пять раз больше, чем при обычной стрельбе. Как и следовало ожидать, провести исследования в этих случаях затруднительно, а все вышеприведенные цифры получены благодаря смоделированному полету пули.
Сэм Эллис и Джерри Мосс Королевский военно-научный колледж, Суиндон, Уилтшир, Великобритания
Пули ведут себя по-разному. Пуля калибра .22LR достигает максимальной высоты 1179 метров и конечной скорости 60—43 метра в секунду в зависимости от того, летит она основанием вперед или переворачивается.
Пуля калибра .44 взлетает на высоту 1377 метров и имеет конечную скорость 76 метров в секунду, если летит основанием вперед. При калибре .30-06 высшая точка траектории находится на высоте 3080 метров над землей, конечная скорость 99 метров в секунду.
Общее время полета пули калибра .22LR 30—36 секунд, а калибра .30-06 — около 58 секунд. При вылете из ствола скорости разных пуль будут выше скоростей падения. Скорость вылета пули .22LR 383 метра в секунду, пули калибра .30-06 — 823 метра в секунду. Согласно испытаниям, проведенным Браунингом в начале XX века, а Л. С. Хаагом в недавнее время, чтобы пробить кожу пуле требуется скорость 45—60 метров в секунду, вполне достижимая для падающей сверху пули, разумеется, пуля, и не пробивая кожу, способна нанести серьезный ущерб, поэтому ответственный человек никогда не должен стрелять в воздух.
Автору вопроса можно порекомендовать статью «Падающие пули: конечные скорости и исследования пробивающей способности» (Haag L. С. Falling bullets: terminal velocities and penetration studies, Wound Ballistic Conference. Апрель 1994 года, Сакраменто, Калифорния).
Дэвид Мэддисон М ельбурн, Виктория, Австралия
Джон У Хикс в книге «Теория винтовки и стрельбы» (The Theory of the Rifle and Rifle Shooting) описывает эксперименты, которые в 1909 году проводил майор Хардкасл, стрелявший из винтовки калибра .303 вертикально в воздух у реки Стаур в Мэннингтри. Лодочник, сопровождавший его, вероятно, теоретик, незнакомый с влиянием ветра, прикрывал голову «Справочником Келли» — ранним аналогом «Желтых страниц».
Но ни одна пуля не приземлилась в радиусе 100 метров: некоторые отнесло на расстояние 400 метров, другие вообще были потеряны.
Джулиан С. Хэтчер проводил подобные эксперименты во Флориде сразу после Первой мировой войны. Пулемет калибра .30 был расположен на помосте площадью 3x3 метра в морской бухте со спокойной водой, чтобы возвращающиеся пули сразу было видно по брызгам. Лист стали над помостом должен был защищать экспериментаторов. Затем оружие поставили так, чтобы пули возвращались на помост.
Из более чем 500 пуль только четыре вернулись точно на помост. Остальные падали группами на расстоянии 20—25 метров.
Перед началом падения пули взлетали примерно на 4000 метров. Всего полет продолжался примерно минуту, ветер относил в сторону возвращающиеся пули.
Дик Филлери Лондон, Великобритания
Я собирал медные гильзы от авиационных пулеметов в юности» во время «битвы за Британию». Гильзы медленно падали с неба — думаю, потому что соотношение их массы к площади поверхности было низким. Но когда я подбирал их, они были еще теплыми.
Следовательно, если снаряд мал, как пуля калибра .303, при приземлении он никому не причинит особого вреда. Как мышкой в шахтном стволе, ее конечной скоростью можно пренебречь. Но если снаряд значительной массы имеет достаточную конечную скорость, он способен убить.
М. У. Эванс Инзивар, Файф, Великобритания
Торговые джунгли
«Два покупателя потеряли друг друга, бродя по проходам между стеллажами в большом супермаркете. Стеллажи настолько высоки, что заглянуть поверх полок невозможно. Один человек хочет найти другого. Надо ли ему прекратить блуждать по залу - лучше остаться на единственном видном месте, пока другой ходит по проходам? Или они быстрее найдут друг друга, если будут вместе двигаться между стеллажами?»Дэвид Кафкевиц Ньюарк, Нью-Джерси, США
Наилучшая стратегия — ждать у выхода из магазина на случай, если спутник наконец решит, что вы ушли домой или еще куда-нибудь. Максимальное время ожидания — от момента, когда вы потеряли друг друга, и до закрытия магазина.
Стратегия ожидания в зале работает лишь в том случае, если один человек не сходит с места. Если на месте решите оставаться вы оба, тогда ожидание затянется до бесконечности или до закрытия магазина.
Если один человек стоит на месте, а другой ищет его, тогда ему понадобится столько времени, сколько нужно для осмотра всего магазина. Оно во многом зависит от плана магазина: если все проходы видны с одного наблюдательного пункта, тогда поиски упрощаются. Подобную проблему решают при проектировании тюрем, где надзиратели должны видеть как можно больше коридоров сразу, или при строительстве крепостей, где защитники должны иметь максимальное прикрытие. Чтобы потерявшегося в магазине человека быстрее заметили, он должен стоять неподвижно на пересечении проходов.
При поисках наугад оба человека будут удаляться от начальной точки со скоростью, пропорциональной квадратному корню из времени. Зона поисков каждого из них будет представлять круг с центром в начальной точке. Если эти круги имеют значительную область пересечения, продолжительность поисков будет как минимум пропорциональна квадрату начального расстояния, разделяющего их. Если часть проходов между стеллажами во время поисков окажется блокированной, тогда скорость движения сократится и перед одним из потерявшихся встанет задача выйти в ту часть зала, где скорость пропорциональна некоему дробному показателю.
Стивен Мэсси Сент-Олбенс, Хартфордшир, Великобритания
Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала знать, согласовали ли эти люди заранее свои действия на случай, если они потеряются, — например, кто должен ждать, а кто вести поиски. Если они договорились вести поиски самостоятельно, проблема представляет собой асимметричный вариант проблемы со встречей (см. ниже), в противном случае это симметричный вариант.
Оба варианта проблемы рассматриваются в статье, которая будет опубликована в «Журнале управления и оптимизации Общества промышленной и прикладной математики» (Society for Industrial and Applied Mathematics Journal of Control and Optimization), в ней же анализируются некоторые специфические ситуации в конкретных районах поисков. Во всех случаях, когда были получены точные решения (с наименьшим ожидаемым или оптимальным временем), оба человека двигались все время с максимальной скоростью. При этом потерявшийся не должен останавливаться, пока второй продолжает поиски. Например, в упрощенной модели, в которой два человека разделены одним отделом, но ни один не знает, куда движется другой, тому, который ищет, понадобится время, равное (1 + 3):2 = 2, чтобы найти того, который стоит на месте (при условии нулевой видимости). Но при оптимальном движении это время можно сократить до 13/8.
Единственный известный мне случай, оптимальный для ищущего и для ждущего, — когда два человека произвольно размещены в пределах одного круга, и этот случай будет оптимальным лишь в отсутствие общего движения по часовой стрелке; наилучший вариант — когда один движется по часовой стрелке, другой — против.
Все эти результаты и вопросы подразумевают, что искатели найдут друг друга, только когда они сойдутся или окажутся в зоне слышимости. Ситуация применима к многолюдному супермаркету, когда видимость в проходах ограничена. Насколько мне известно, ситуацию с возможностью видеть вдаль по проходам никто не моделировал.
Если кто-то заинтересовался этими моделями, полная библиография по ним такова: С. Алперн «Проблема поиска и встречи» (The rendezvous search problem), С. Алперн и С. Гал «Линейные поиски в случае видимости участников» (Rendezvous search on the line with distinguishable players), Э. Андерсон и Э. Эссегайр «Линейные поиски в случае невидимости участников» (Rendezvous search on the line with indistinguishable players). Все три статьи опубликованы в «Журнале управления и оптимизации Общества промышленной и прикладной математики» в 1995 году.
Стив Алперн Лондонская школа экономики, Великобритания
Рекомендую вам пройти по краю зала супермаркета, вдоль касс, и заглянуть по очереди во все проходы. Если ничего не вышло, вернитесь обратно и еще раз осмотрите проходы и кассы. Если вы так и не нашлись, поищите прилавок с охлажденными мясными продуктами, где часто образуются очереди. Затем еще раз прогуляйтесь вдоль касс и проходов. Если вам и на этот раз не повезет, обратитесь в справочную службу и попросите объявить, что вы ждете потерявшегося. А если вам не к спеху, дождитесь его у выхода.
Оуэн Кроссби Аберистуит, Дивед, Великобритания
Ф-фактор
«Пожалуйста, прочтите это предложение и сосчитайте буквы "F":Рик Эрахо Клекхитон, Западный Йоркшир, Великобритания
FINISHED FILES ARE THE RESULT OF YEARS OF SCIENTIFIC STUDY COMBINED WITH THE EXPERIENCE OF YEARS ("Готовые файлы — результат многолетних научных исследований в сочетании с многолетним опытом").
Сколько букв F вы насчитали? При первом прочтении люди обычно видят только три. А на самом деле их шесть. В чем дело?»
Три найденные буквы «F» вместо шести — вполне предсказуемый результат при фонетическом чтении: смысл текста улавливается разными способами, самые распространенные из них никак не связаны с отдельными буквами и их звучанием.
Англоязычному читателю знаком внешний вид многих слов, особенно коротких и распространенных, таких как предлог of. Эти слова запечатлены в памяти, читателю незачем воспринимать их как наборы отдельных букв. Поэтому, читая предложение, он замечает только буквы «F» в более длинных и менее знакомых словах, а три предлога of просто пропускает.
Сэм Хилл Эксетер, Девон, Великобритания
Семилетний ребенок, умеющий читать, или корректор насчитают шесть букв «F», потому что они приучены придавать всем словам одинаковую ценность.
Когда мы учимся скорочтению, мы выбираем самые важные слова и предоставляем мозгу заполнять пробелы между ними. Чем быстрее мы хотим читать, тем больше слов приходится пропускать. Вполне возможно читать простой текст со скоростью 600 слов в минуту и понимать прочитанное. Очевидно, на чтение насыщенных фактами научных текстов уходит больше времени.
Бегло читающий сосредоточивает внимание на самых важных словах, обычно существительных и глаголах.
Следующее место по значимости отведено прилагательным и наречиям, затем - модальным глаголам, артиклям, местоимениям, предлогам и т.д. Опытные читатели почти не замечают наименее важные слова, которые в английском языке и большинстве других известных мне языков, как правило, бывают короткими. Поэтому все «маленькие слова» вроде of пропускаются, а вместе с ними — и буквы «F».
Можно только догадываться, какова скорость чтения на китайском или японском языке.
Валери Мойсес Банбери, Оксфордшир, Великобритания
Я проверил это утверждение на коллегах по работе, но выбрал другое предложение. Когда я переписал его, два предлога of оказались в конце строчек и мой знакомый сразу заметил их, но пропустил еще одну букву «F». Поэтому могу предположить, что от положения в строчке зависит, насколько заметным будет слово.
Очевидно, человек, не понимающий по-английски, без труда заметит буквы «F». Интересно было бы провести такой же опыт с человеком, для которого английский язык — второй.
Эндрю Маккормак Бристоль, Великобритания
Когда я читал об оптических иллюзиях в книге «Можете ли вы верить своим глазам?» (Can you Believe Your Eyes?) Дж. Ричарда Блока и Харольда Э. Юкера, я узнал, что большинство людей видят в этой фразе три F, потому что предлоги of не замечают. Все дело в том, что в предлогах F произносится как V, поэтому мозг не замечает эту букву.
Брин Харт , 10 лет Келмскотт, Западная Австралия
Со стыдом признаюсь, что я не только насчитал всего три буквы «F», но и не нашел остальные три, когда прочел ответ. Тогда за дело взялась моя жена и объявила, что все шесть букв она увидела сразу же.
Я — учитель английского, а моя жена преподает математику, отсюда и разница. Читатель пытается понять смысл фразы и пропускает предлог of, повторенный трижды. А человек с математическим складом ума делает то, что его просят, — считает буквы «F». Моя жена видит буквы, а я вижу фразу и потому не могу выполнить задание.
Разделение слов по строкам тоже имеет значение, поскольку вынуждает читателя следить за ними и понимать смысл, отвлекаясь от задания.
Том Суитмен Хай-Пик, Дербишир, Великобритания
Автору ответа будет интересно узнать, что английский — мой второй язык (родной — тайский) и что этим летом мне предстоит сдавать экзамены на аттестат высшего уровня. При первом подсчете я нашел три буквы, и даже когда узнал ответ, все равно считал, что их три. Только когда я переписал фразу и прочел ее вслух, то понял, что еще три буквы «F» содержатся в предлогах of. Я сообразил это, когда писал второй предлог.
Я считаю, что результат поиска букв не зависит от того, какой язык у нас родной. Готовясь стать системным аналитиком, я мог бы сосредоточиться на задаче и подсчитать буквы. У меня есть только два объяснения, почему я их пропустил. Либо время было слишком позднее и я был не в состоянии решать сложные математические задачи, либо мне следует выбрать другую профессию.
Алекс Лю Эдинбург, Великобритания
В качестве постскриптума предлагаю еще одну задачу:
THE SILLIEST
MISTAKE IN
IN THE WORLD
(«Глупейшая ошибка в мире»)
Приучая семилетних школьников перечитывать написанное, я выписал на доске эту фразу. Мои отличники сразу же прочли ее: «The silliest mistake in the world», и я отозвался: «Вы только что допустили эту ошибку». Только когда вмешались ученики, читающие медленно, мы обнаружили лишний in. В этот момент в класс вошел директор, взглянул на доску и прочел фразу вслух, но неправильно. И целый хор голосов ответил ему: «Вы только что сделали эту ошибку, сэр».
Эту ошибку невозможно объяснить путаницей с F и V, на которую ссылался автор одного из предыдущих ответов.
Дуглас Бут Стокпорт, Чешир, Великобритания
Без шума
«В фильмах про Джеймса Бонда плохих (и хороших) персонажей убираюту стреляя в них из пистолета с глушителем. Как устроен глушитель?»Джереми Чарльз Чешем, Бакингемшир, Великобритания
Глушители было бы правильнее называть «устройствами шумоподавления». Охотники широко применяют их для снижения уровня шума при выстреле из ружей, особенно спортивных винтовок и воздушного оружия. Глушитель представляет собой не что иное, как ряд перегородок и расширительную камеру, которые находятся внутри трубчатой насадки, навинчивающейся на конец ствола огнестрельного оружия.
Шум, который издает при выстреле оружие, состоит из двух компонентов. Источник первого — быстрое расширение газов от взрывчатого вещества, вылетающих из ствола. Источник второго — сверхзвуковой свист пули. Приглушить звук пули невозможно, но глушитель позволяет значительно уменьшить шум, поскольку контролирует скорость расширения газов.
Глушитель наиболее эффективен, если применяется вместе с оружием, заряды в котором движутся со скоростью меньше звуковой. В таких случаях звук выстрела обычно почти не слышен и не похож на выстрел.
Подобрать глушитель к пистолету невозможно, потому что в зазор между стволом и передней частью барабана попадает примерно 5% газов, которые и создают основной шум при выстреле. Но для всех других видов огнестрельного оружия глушители существуют.
Однажды я видел пулемет системы Стена времен Второй мировой войны, снабженный большим цельным глушителем, из которого стреляли специальными дозвуковыми зарядами. Результаты впечатляли: единственный звук издавал затвор.
В глазах общественности глушители для огнестрельного оружия неизменно связаны с Джеймсом Бондом и бандитским миром. На самом деле они широко применяются охотниками, которые не желают портить пребывание на охоте шумом выстрелов.
Билл Харримен Британская ассоциация стрелкового спорта и охраны природы, Рексхем, Клуид, Великобритания
Первые эффективные глушители запатентовал в 1910 году американский изобретатель Хайрам П. Максим (сын Хайрама С. Максима, изобретателя пулемета «Максим»), Это были устройства перегородчатого типа, которые применяются и сегодня. Перегородчатый глушитель состоит из металлического цилиндра, обычно разделенного на две части, который крепится на стволе огнестрельного оружия.
Первая секция, как правило, занимающая треть длины глушителя, содержит расширительную камеру, в которую попадают горячие газы, после вылета пули из ствола расширяющиеся и рассеивающие энергию. Расширительная камера может быть снабжена проволочным цилиндром, задача которого — разбить столб газа и охладить его, выполняя роль поглотителя тепла.
Вторая секция состоит из ряда металлических перегородок с центральным отверстием для пули. Функция перегородок — постепенно отклонять и замедлять поток газа из расширительной камеры, чтобы к тому времени, как он вырвется из глушителя, поток был прохладным, имел низкую скорость и не издавал шума. Глушитель для мотоциклов действует по тому же принципу.
Существуют также разновидности: некоторые глушители целиком состоят из перегородок, другие представляют собой одну большую расширительную камеру. Пластмассовую бутылку для безалкогольных напитков можно превратить в эффективный глушитель, который выдержит несколько выстрелов, а потом развалится.
Глушители удобнее всего использовать вместе с дозвуковыми зарядами в гильзах, чтобы уменьшить звук, который издает обычно пуля, вылетающая из ствола со скоростью звука.
Глушители некоторых конструкций снижают скорость до дозвуковой посредством портов, проделанных в стволе. Секция с портами выходит в расширительную камеру. Эти порты выводят газ из-за пули, таким образом снижая давление и, следовательно, скорость пули. В глушителях других конструкций перегородки делают из эластичного материала с отверстием меньше пули. Эти отверстия растягиваются при прохождении пули, а потом опять сужаются, что замедляет выход газов. Неудивительно, что такие перегородки быстро изнашиваются и снижают точность выстрела.
Еще один, менее распространенный тип глушителя — проволочный. Обычно у таких глушителей есть расширительная камера, как у перегородчатых, но перегородки заменены плетеной проволочной сеткой с отверстием в центре для пули. Сетка разбивает поток газа и в то же время действует как теплопоглотитель, в котором охлаждаются и теряют скорость горячие газы. Известно, что преступники совершенствуют такие глушители, заменяя сетку проволочными мочалками для посуды.
Последнее новшество в мире наствольных глушителей — так называемые мокрые глушители. Они позволяют применять воду или смазку. При выстреле горячие газы охлаждаются и перестают издавать звуки благодаря теплообмену в жидкости. Мокрые глушители не такие громоздкие, как многие другие, и вдобавок более тихие.
Разработана новая конструкция глушителя, заметно отличающегося от наствольного. При этом подходе используются особые гильзы, из которых пули выталкивает поршень, приведенный в движение взрывчатым веществом. Поршень останавливается у шейки гильзы, в итоге горячий и шумный газ остается внутри оружия.
Стоит отметить, что в Голливуде глушители — предмет творческих вольностей. Большинство настоящих глушителей гораздо крупнее футляра от сигары, которые показывают в фильмах, и крепятся и снимаются они не так просто. Несмотря на все фильмы, приглушить выстрелы из пистолета практически невозможно, потому что газ вырывается в зазор между барабаном и стволом.
И наконец, забудьте характерный тихий «уф», который издает глушитель Джеймса Бонда. Настоящие глушители чаще всего издают приглушенный треск или звук, напоминающий хлопок автомобильной дверцы.
Хью Белларс По электронной почте, без обратного адреса
Гибкое решение
«Кассиры всего мира интенсивно трут о ближайший предмет одежды кредитную или дебетовую карточку, которая не проходит. Действительно ли это помогает?»Филлип Кливер Невромон, Бельгия
По моему опыту, карточка не проходит по одной из трех причин.
Во-первых, компьютер не может считать информацию с магнитной полоски карточки из-за того, что ее что-то закрывает или полоска повреждена. Кассиру приходится вводить код вручную, карточку скорее всего понадобится заказывать заново. Во-вторых, считывающее устройство неисправно.
И наконец, третья причина проблем с карточкой — самая распространенная. На магнитной полоске скопилась пыль или грязь, мешающая считывать информацию. Достаточно потереть карточку о рукав, чтобы очистить ее. В большинстве случаев такие карточки проходят со второй попытки.
В этом явлении нет ничего таинственного или научного, насколько мне известно. Если вы держите карточки в бумажнике или в кошельке, они остаются относительно чистыми и легко считываются с первой попытки. Этот же метод хранения устраняет и первую проблему — непоправимый ущерб, нанесенный магнитной полоске.
Шарлотта Дадсуэлл Петуорт, Западный Суссекс, Великобритания
У такого протирания магнитной полоски есть только один недостаток, с которым я часто сталкиваюсь в супермаркете. Потертую об одежду карточку труднее считать из-за статического электричества, которое затрудняет работу электронного считывающего устройства.
Протирание карточки в попытке убрать пыль может помочь один или два раза, но из-за статического электричества, которое при этом накапливается, после считывания на карточку налипнет еще больше пыли.
Сисси Азар Сидней, Австралия
С возвращением!
«Почему бумеранг возвращается?»Адам Лонгли Барри, Саут-Гламорган, Великобритания
Бумеранг похож на два изогнутых крыла самолета, соединенных посередине. Перед броском его держат почти вертикально. Поскольку он изогнут, верхнее крыло летит быстрее, чем нижнее. При этом создается боковое давление на верхнее крыло (как подъемная сила на крыло самолета), более сильное, чем на нижнее, бумеранг кренится, как накренились бы и вы, если бы кто-нибудь надавил вам на плечо, траектория движения бумеранга становится кривой.
Подобно этому, если ехать на велосипеде наклонившись, велосипед будет поворачивать и в конце концов опишет круг. Бумеранг делает то же самое.
Алан Честер Шеффилд, Южный Йоркшир, Великобритания
Возвращение бумеранга — сочетание аэродинамического и гироскопического эффектов. По сути дела, бумеранг — вращающееся крыло из двух и более лопастей аэродинамического профиля. Его бросают так, чтобы плоскость вращения находилась под углом 20° к вертикали и чтобы он быстро вращался (делал около 10 оборотов в секунду), чтобы верхние лопасти двигались в общем направлении движения. Поэтому верхняя часть бумеранга движется по воздуху быстрее нижней. Быстро движущиеся лопасти создают большую подъемную силу, чем медленно движущиеся. Возникает общая сила в направлении поворота плюс опрокидывающий вращающий момент.
Благодаря вращению бумеранг ведет себя как гироскоп. Когда возникает вращающий момент, гироскопический эффект заставляет бумеранг повернуться вокруг другой, почти вертикальной, оси. Таким образом меняется плоскость вращения бумеранга — он описывает дугу и возвращается к хозяину.
В движении бумеранга прослеживаются и другие эффекты — например, стремление к плоскому движению на обратном пути: вместо того чтобы двигаться под углом 20° к вертикали, он перемещается почти горизонтально. Это явление вызвано рядом аэродинамических эффек-тов в сочетании с гироскопической прецессией. Наиболее значительный эффект заключается в том, что лопасти на ведущей стороне вращающегося бумеранга создают подъемную силу большей величины, чем лопасти на ведомой стороне, из-за нарушения структуры воздушного
потока со стороны ведомых лопастей. Это вновь вызывает вращение, которое поворачивает бумеранг к горизонтальной плоскости. Подробно весь процесс объясняется в статье Феликса Гесса в ноябрьском номере Scientific American за 1968 год.
Ричард Келсо и Филип Катлер Университет Аделаиды, Южная Австралия
Если ограничиться простым ответом, большинство бумерангов не вернулись и возвращаться не собирались. Австралийские аборигены изготавливают бумеранги для охоты и сражений, а не для развлечения и игр, поэтому бумеранги, прилетающие обратно к хозяевам, известны далеко не на всем австралийском материке. Многим аборигенам улетевший бумеранг заменяют свежая пища или поверженный враг.
Я видел, как племя варлпири бросает бумеранг карли и поражает цель с расстояния более 100 метров. Наиболее опытные охотники мечут это смертоносное оружие с поразительной легкостью. Кроме того, варлпири в качестве оружия используют бумеранги вирлки (крючкообразные или в форме семерки).
Даже в тех районах Австралии, где летающие бумеранги не изготавливают, похожие на них парные лопасти используют в качестве ударных инструментов для церемоний. Такие бумеранги привозят для ритуальных целей за тысячи километров.
В Австралии делают множество самых разнообразных бумерангов. О них можно узнать в книге «Бумеранг: символ Австралии» (Boomerang: Behind an Australian Icon) Филипа Джонса, изданной Музеем Южной Австралии.
Чипе Маккинолти Найтклифф, Северная территория, Австралия!
Щелкающий бич
«Почему конец кнута щелкает?»Дэвид Инне Ф арнхем, Суррей, Великобритания
Щелканье кнута — на самом деле звуковой удар, вызванный достижением звукового барьера. Это вполне возможно, потому что кнут суживается к кончику. При взмахе энергия, приданная ручке, волной проходит по всей длине кнута. Пока волна движется по суживающемуся кнуту, поперечное сечение и масса кнута на ее пути уменьшаются. Энергия этой волны — функция массы и скорости, и, поскольку она должна быть сохранена, при уменьшении массы скорость возрастает. Следовательно, волна распространяется все быстрее и быстрее, а к моменту достижения кончика кнута приобретает скорость звука.
Майк Капп Оксфорд, Великобритания
Когда волна достигает кончика кнута, ей предстоит рассеяться. Часть энергии уходит в воздух, часть — в отраженную волну, пробегающую по кнуту в обратном направлении. В тот момент, когда волна достигает кончика кнута и уже собирается в обратный путь, на краткое время она приобретает колоссальное ускорение. Результат этого ускорения имеет сверхзвуковую природу.
Эндрю Плант Лаймингтон, Гемпшир, Великобритания
Пролитый свет
«На лабораторной работе по физике наш учитель поставил зажженную свечу на вращающийся столик. Мы думали, что при вращении столика увидим, как кончик свечи отклонится наружу, а он вместо этого указывал внутрь круга. Это явление не смог объяснить даже директор школы. Может быть, вы сможете?»Рут Хейвленд Бетус-и-Коэд, Гуинет, Великобритания
Да, читатели смогли, но несмотря на то что ответов пришло много, понадобилось объединить их, чтобы составить ясное представление. Скажем сразу, что задача действительно серьезная. — Ред.
Моей первой реакцией было недоверие. Я поставил опыт сам — и действительно, пламя повело себя по-другому. Оно тянулось за свечой, которая вращалась по орбите вокруг центра столика. Точно так же пламя ведет себя, когда мы несем в руках зажженную свечу.
Гарет Келли Учитель физики,школа Пенглес, Аберистуит, Дивед, Великобритания
Прочитав вопрос, я нашел у себя на кухне свечу и поставил ее на вращающуюся доску для сыра. При скорости примерно 60 оборотов в минуту пламя просто тянулось за свечой и не отклонялось ни внутрь круга, ни наружу. Позднее в тот же день я повторил эксперимент с проигрывателем для пластинок, включенным на 78 оборотов в минуту, и результат оказался тем же. Или я что-то упустил?
Джон Эштон Монмут, Гуэнт, Великобритания
Да, читатели из Диведа и Гуэнта, вы действительно кое-что упустили, хотя ваша деятельность и честность достойны похвал. Итак, сначала... — Ред.
Чтобы увидеть этот эффект, свечу следует поместить в какой-нибудь сосуд, иначе пламя оттянется назад. Итак, свечу — в банку, банку — на край вращающегося столика.
Дэвид Мей Учитель физики, муниципальный колледж Хинд-Лейз, Шепшед, Лестершир, Великобритания
Причина, по которой пламя свечи направлено внутрь круга, — слабая центробежная сила, которую создает вращающийся столик.
Дэвид Блейк Стерлинг, Великобритания
По мере вращения воздуха в банке на центрифуге более плотный воздух выходит с предсказуемыми последствиями. — Ред.
Пламя свечи наклоняется к центру круга по тем же причинам, по которым пламя направлено вверх, а не вниз. Нагретый пламенем воздух не такой плотный, как окружающий, поэтому более плотный воздух выходит из банки, отклоняя пламя свечи внутрь.
Если бы я была придирой, то возразила бы, что движение менее плотного пламени свечи ускоряет та же центростремительная сила. Согласно известному закону Ньютона для одной и той же силы произведение массы и ускорения одинаково. Если же масса уменьшится, ускорение должно возрасти. А школьникам достаточно просто понять, что сила больше действует на плотный воздух.
Сью-Энн Боулинг Университет Аляски, Фэрбенкс, Аляска, США
Можно также перейти к системам координат и математике. — Ред.
Понять, почему пламя свечи указывает внутрь круга, гораздо легче, если рассмотреть эту задачу в линейной системе координат. Представим, что вы едете в машине и держите за веревочку шарик с гелием. Вы резко затормозили. Что случилось с шариком? Ремень безопасности врезался вам в тело, а шарик отнесло к заднему сиденью. Все потому, что воздуху в машине присуща инерция, он продолжает двигаться вперед вместе с вами, а шарик стремится в область самого низкого давления и низкой плотности воздуха — в заднюю часть салона.
Подобно этому, пламя свечи обладает «плавучестью», своей формой оно обязано сложному взаимодействию между горячим воском у фитиля и температурой окружающего воздуха. Поэтому пламя тоже уплывает в направлении самого низкого давления — к оси вращения. Закончим аналогию: свеча, как и машина, движется с ускорением по отношению к воздуху, окружающему пламя, поэтому воздух направлен из крута радиально по отношению к свече, а пламя — к центру круга.
Том Тралл Университет Тасмании, Австралия
В закрытой банке менее плотные газы пламени будут вытесняться к центру вращения под действием центростремительной силы. Можно определить арктангенс угла пламени (a/g) в плоскости с вертикалью (где а — центростремительное ускорение).
Тот же эффект можно продемонстрировать с помощью наполненного гелием шарика в машине. Шарик отклоняется вперед при ускорении, назад - при торможении применима та же формула. Для машины, которая обходит поворот дороги по дуге радиусом 20 метров со скоростью 50 километров в час отклонение должно составить около 44°.
Нил Хенриксон Ректор высшей школы Джеймса Янга, Эдинбург, Великобритания
И еще более простая демонстрация того же эффекта. — Ред.
Если поставить спиртовой уровень на вращающийся столик, расположив его как спицу в велосипедном колесе, а затем раскрутить столик, пузырек воздуха быстро придвинется внутрь круга. Более тяжелый спирт отталкивает к центру круга легкий пузырек.
Колин Сиддонс Брэдфорд, Западный Йоркшир, Великобритания
Мячи с отклонениями
«Я играю в разные игры с мячом и часто вижу эффект Магнуса, который заставляет мяч, вращающийся по часовой стрелке (если смотреть сверху), отклоняться вправо. Если мяч подкрутить в обратном направлении, его полет будет долгим, по плавной траектории. Такие эффекты можно продемонстрировать с помощью кожаных футбольных мячей, мячей для большого и настольного тенниса. Но если попробовать подкрутить пластмассовый футбольный мяч, какие продают на заправках и пляжах, наблюдается совсем другое явление: вращение по часовой стрелке создает отклонение влево, а подкручивание в обратном направлении завершается досадным падением. Эти мячи такие же, как для настольного тенниса, только побольше, на них нет ни впадинок, ни других отметок, почему же они по-другому реагируют на подкручивание?»Ричард Бриджуотер Уолсолл, Западный Мидлендс, Великобритания
Этот феномен подробно описывался в статье «Изнанка игры в мяч» (The seamy side of swing bowling), опубликованной на с. 21 журнала New Scientist от 21 августа 1993 года; его удобнее всего объяснять с точки зрения «отделения пограничного слоя».
Когда мяч летит по воздуху, его поверхность покрыта тонким слоем воздуха, который мяч гонит с собой. Далее располагается непотревоженный воздух. Между воздушной пленкой и спокойным воздухом можно выделить тонкий пограничный слой. Перед мячом этот слой двигается медленно. Но, обтекая мяч, он постепенно набирает скорость и оказывает меньше давления (согласно закону Бернулли, который гласит, что, чем быстрее течет жидкость, тем меньшее давление она оказывает).
В определенный момент пограничный слой отделяется от поверхности мяча. Если мяч круглый и не подкрученный, это происходит в один и тот же момент на всей поверхности мяча. Если мяч подкрученный, отделение пограничного слоя происходит асимметрично, поэтому на одной стороне мяча пограничный слой занимает большую площадь, чем на другой. В итоге с одной стороны от мяча образуется большая область низкого давления, которая толкает мяч вбок.
При сильном свинге (созданном эффектом Магнуса—Робинса) вращающийся мяч несет с собой очень тонкий слой воздуха. Он смещает точку отделения пограничного слоя к задней части мяча, где вращение происходит в том же направлении, что и в окружающем потоке воздуха, и к передней части бока мяча, который движется против движения воздушного потока. Итогом становится область низкого давления на боку мяча, где продолжается пограничный слой, заставляющий мяч вращаться в этом направлении. Вот почему вращение по часовой стрелке вызывает отклонение мяча вправо. (Еще один способ описания происходящего: сдвиг точки отделения пограничного слоя смещает линии воздушного тока вокруг мяча и за ним в одну сторону, поэтому мяч отклоняется в другую).
Все это означает, что поток в пограничном слое ламинарный, его гладкие слои движутся один по другому, не перемешиваясь. На практике часть потока может быть турбулентной, с перемешиванием слоев воздуха, именно в этом случае может произойти смена направления вращения. Эксперименты показали, что турбулентные потоки держатся у поверхности мяча дольше, чем ламинарные. Поэтому если пограничный слой является турбулентным с одной стороны и ламинарным с другой, давление будет ниже в зоне турбулентности и мяч повернется в эту сторону.
При определенных обстоятельствах турбулентность может развиться сначала на той стороне мяча, которая движется против воздушного потока, поэтому здесь пограничный слой отделится позднее. Результатом будет обратный поворот. Образование турбулентной зоны зависит от вида мяча, его скорости, размера и вращения, поэтому обратное вращение встречается в некоторых видах спорта чаще, чем в остальных (см. следующие ответы).
В таких играх, как крикет, в которых используются мячи со швами, у подающих есть дополнительные возможности создать прямое или обратное вращение с помощью турбулентности. Опытные игроки могут подать мяч так, что он закрутится швом к воздуху под определенным углом. Шов влияет на поток воздуха, вызывает турбулентность пограничного слоя только на той стороне, где есть этот шов. Когда позднее пограничный шов отделяется, мяч закручивается непредсказуемо.
При достаточно быстрой подаче можно закрутить мяч в обратную сторону. Если мяч летит с огромной скоростью (более 130 километров в час), как бывает при подаче игроков мирового класса, воздух движется настолько быстро, что пограничный слой становится турбулентным еще до того, как достигнет области шва на мяче. В этом случае шов отталкивает пограничный слой, способствует его отделению от мяча раньше со стороны шва. После этого мяч неожиданно отклоняется в противоположном направлении. Это и есть знаменитый крученый мяч.
Такого же эффекта могут добиться рядовые игроки в крикет, если у них заслуженный мяч: на шероховатой поверхности турбулентный пограничный слой образуется легче. Разумеется, умышленная порча мяча запрещена правилами. — Ред.
Обратное отклонение пластмассового футбольного мяча происходит из-за отделения пограничного слоя. Сбоку от мяча, где относительная скорость воздуха и мяча больше, поток воздуха в пограничном слое становится турбулентным. С другой стороны он остается ламинарным. Ламинарный пограничный слой отделяется от поверхности мяча сразу же, как только поток воздуха перестает прижимать его к поверхности. В отличие от него, турбулентный пограничный слой остается в контакте с поверхностью мяча дальше по его окружности. В итоге задняя по ходу движения часть мяча отклоняется в направлении, противоположном его вращению. Возникает сила, направленная к боку мяча, который движется в направлении, противоположном потоку воздуха (справа налево — для мяча, закрученного по часовой стрелке).
Эксперименты показывают, что основной фактор, управляющий отклонениями мяча, - отношение скорости вращения его поверхности к скорости прямолинейного движения. Обратное отклонение наблюдается, когда это соотношение мало (меньше 0,4), а эффект Магнуса проявляется при более высоких соотношениях. Этим объясняется, почему быстро крутящийся теннисный мяч вращается в направлении, противоположном футбольному.
Оливер Харлен Университет Лидса, Западный Йоркшир, Великобритания
Отклонение вращающегося мяча обычно приписывают эффекту Магнуса, но еще за 100 лет до Гейнриха Магнуса Бенджамин Робине изучал вращение пушечных ядер, а в 1742 году опубликовал подробное объяснение, почему ядра даже в безветренные дни отклоняются от траектории.
Брайан Уилкинс Веллингтон, Новая Зеландия
В настоящее время во многих публикациях эффект называется эффектом Магнуса—Робинса. Не следует забывать, что еще в 1672 году Исаак Ньютон писал о том, как вращение влияет на полет ядра. — Ред.
Красное каление
«Чем вызвано появление разных цветов на чистой поверхности закаливаемого железа или стали после нагревания и охлаждения? Цвета варьируются от желтого при нагревании металла до 200 °С до золотистого, коричневого, лилового, синего и, наконец, черного при нагревании до 600 °С. И поскольку окисленная голубоватая или лиловая поверхность встречается у стальных часовых механизмов, прекрасно сохранившихся с XIX века, хотелось бы узнать, какова физическая природа этого прозрачного и очень стойкого цветного слоя?»Джон Роуленд Аллесири, Дербишир, Великобритания
Горячие печные газы, применяемые для тепловой обработки стали, окисляют элементы, содержащиеся в сплаве, например хром, чтобы образовать тонкую поверхностную пленку. Эта пленка искажает видимые световые волны и создает цветовые эффекты, о которых упоминает автор вопроса.
Толщина пленки определяет видимый цвет стали, поскольку она влияет на распространение света с разной длиной волны. Более тонкие пленки, образующиеся при низких температурах, кажутся желтыми или золотистыми. Толстые пленки на стали — светло-голубыми. Самые толстые пленки иссиня-черные или черные.
Цвета закалки на чистой стали нестойкие, обычно они пропадают, если от ржавчины увеличивается толщина поверхностной пленки, где образуются наслоения окислов железа. Многие детали часов, упомянутых в вопросе, обязаны стойкостью цветов закалки практике выдерживания закаливаемой стали в жире кашалота. Этот жир создает прозрачное восковое защитное покрытие на оксидных пленках и надолго сохраняет их цвет. Широкое применение этого метода имело один недостаток: оно стало причиной сокращения численности кашалотов.
Дейл Макинтайр Дхаран, Саудовская Аравия
Воздушный пузырь
«Мы провели опыт, о котором нам рассказывали учителя естествознания: стоящую в воде свечу надо накрыть перевернутым стаканом. Когда свеча гаснет, уровень воды в стакане повышается.Эмма, Ребекка и Эндрю Фист Норвуд, Тасмания, Австралия
Нам объяснили, что повышение уровня воды вызвано тем, что при горении свечи расходовался кислород. Но мы поставили под стакан четыре свечи вместо одной, а уровень воды поднялся гораздо выше. Почему?»
Вопрос Эммы, Ребекки и Эндрю о вполне понятном эксперименте со одной свечой или несколькими свечами показывает, как молодые и пытливые умы опровергают ошибочные объяснения, которые школьные учителя физики повторяют десятилетиями.
Поглощение кислорода может отчасти быть причиной повышения уровня воды, потому что данный объем на моль кислорода сожжет углерод воска с образованием примерно такого же объема на моль углекислого газа и водород с образованием двух объемов на моль водяного пара соответственно.
Первый частично растворится в воде, а последний почти полностью конденсируется. Это приведет к чистому уменьшению объема пара.
Но все это — второстепенные детали, главное — тепло, созданное горящей свечой или свечами. К тому времени, как мы накрываем их перевернутым стаканом, свечи успевают повысить температуру вокруг них сильнее, чем сделала бы одна свеча.
Когда свеча или свечи гаснут, окружающий их воздух сжимается, поскольку остывает, а степень сжатия прямо пропорциональна начальной средней температуре объема воздуха под стаканом. Так что чем больше свечей, тем больше тепла, тем выше температура и выше уровень воды в стакане при охлаждении воздуха.
Вот наглядное доказательство того, что нельзя верить учителям на слово, не задав предварительно несколько вопросов по существу.
Леопольд Флатин Вена, Австрия
Поздравляю детей, которые экспериментально опровергли хрестоматийное заблуждение насчет свечи, перевернутой банки, емкости с водой и предположительного выжигания всего кислорода из банки.
Увидев, как четыре горящие свечи заставили уровень воды в банке подняться еще выше, они поняли, что основная причина этого эффекта — тепло свечей, от которого воздух в банке расширяется. Они наверняка заметили, что при расширении воздух издавал булькающие звуки, выходя из-под края банки. После того как свечи потухли, наступила краткая пауза, и только потом уровень воды поднялся — когда оставшийся воздух остыл и снова сжался.
Пламя свечи сжигает лишь небольшую часть имеющегося в его распоряжении кислорода. Поэтому неверным будет утверждение, что этот эксперимент можно объяснить изменением количественного содержания кислорода в воздухе.
Иен Расселл Interactive Science Limited, Хай-Пик, Дербишир, Великобритания
Отчасти этот эффект вызван толщиной трех дополнительных свечей. Его можно добиться, используя одну свечу переменной толщины. Чем толще свеча, тем выше поднимается вода.
Вода в стакане или в банке втиснута в промежутки между свечами и стеклом. Чем уже эти промежутки, тем выше поднимется вода.
Питер Макгрегор Гринок, Стратклайд, Великобритания
Дутая величина
«Почему шарики с гелием так быстро сдуваются? Когда дети приносят из гостей домой шарики, то гелиевые уже на следующее утро становятся маленькими и сморщенными. Я понимаю, что гелий должен выходить из них, но, видимо, не только в этом дело, потому что обычные шарики, наполненные воздухом, остаются надутыми гораздо дольше».Джон Сторр Грейт-Корби, Камбрия, Великобритания
Гелий — легкий, одноатомный газ без вкуса, цвета и запаха. В итоге частицы гелия — самые маленькие по сравнению с частицами других газов. Его атомы имеют диаметр всего 0,1 нанометра и вполне способны в процессе диффузии проникать сквозь металлическую пленку. Поскольку гелий проникает даже сквозь мелкие поры, его используют для обнаружения утечек в промышленных и лабораторных вакуумных системах. Молекулы азота и кислорода гораздо крупнее, чем атомы гелия, а это значит, что они не могут проникнуть сквозь стенки шарика. Это все равно что просеивать через сито песок и мелкие камешки: песок утекает через него без труда, потому что он состоит из более мелких частиц.
Еще один фактор, который увеличивает потери на диффузию, — вязкоэластичный материал, из которого сделаны шарики. Он состоит из спутанной массы полимерных нитей, немного похожих на спагетти в тарелке. Полимерные нити не могут плотно прилегать друг к другу, между ними есть отверстия, через которые проходит гелий, поэтому даже при низком давлении происходит диффузия гелия через стенки шара. Когда шарик надут, полимер растягивается, стенки становятся тоньше, гелию легче проникнуть через них, молекулярная структуpa становится более открытой, что облегчает диффузию, а повышенное давление служит для нее движущей силой. Именно по этим причинам шарик быстро начинает сдуваться, а потом, когда он уменьшается в размерах, процесс замедляется.
Гелиевые шарики, имеющиеся в продаже, делают из непористых и неэластичных материалов с покрытием, уменьшающим потери гелия, хотя даже через них за день утекает много гелия — как раз столько, чтобы разочаровать детей и взрослых на следующее утро после покупки шарика.
Гэвин Уитейкер Хериот, Бордерс, Великобритания
Атомы гелия очень маленькие и легкие. Они способны в процессе диффузии проникать сквозь тонкую растянутую резину шарика, пробираясь через поры размером с атом. Молекулы воздуха, в основном кислорода и азота, гораздо крупнее и тяжелее, диффузия в них происходит значительно медленнее. Вдобавок повышенное давление внутри шарика выталкивает гелий сквозь стенки — это еще один фактор, усиливающий вытекание гелия наружу.
Поскольку в воздухе почти нет гелия, изнутри шарика о стенки ударяется гораздо больше атомов гелия, чем снаружи; наблюдается вытекание гелия из шарика. Но обратите внимание: шарик сдувается не полностью. Это происходит потому, что внутрь проникает воздух, молекул которого на наружной поверхности шарика больше, чем на внутренней.
Неожиданный эффект будет достигнут, если наполнить шарик газом гексафторидом серы с крупными и очень тяжелыми молекулами, которые едва ли способны проникнуть сквозь резину. Но как и в случае с гелием, на наружной поверхности шарика по-прежнему много молекул воздуха, которые проникают внутрь. Поэтому шарик постепенно увеличивается в размерах.
Харви Ратт Кафедра электроники и компьютерной техники, Университет Саутгемптона, Великобритания
В шахте
«Если вдруг окажешься в свободно падающем лифте, каким образом можно смягчить падение? Может быть, поможет, если подпрыгнуть в тот момент, когда лифт ударится о дно шахты?»Найджел Осборн Амершем, Бэкингемшир, Великобритания
Несмотря на все голливудские клише, свободное падение лифта в шахту почти невозможно — благодаря запатентованному Элайшей Отисом в XIX веке автоматическому тормозу, реагирующему на ускорение. Как только кабина начинает падать, многочисленные пружинные рычаги срабатывают и удерживают ее в шахте.
Что касается борьбы за выживание, вероятно, лучшее, что можно сделать, — лечь на пол лицом вверх и подложить руки под голову, чтобы смягчить удар, хотя в свободном падении выполнить эту задачу нелегко.
Если подпрыгнуть перед ударом, вы просто отдалите его на несколько миллисекунд. И потом, как вы узнаете, когда уже пора подпрыгивать? Если вы поспешите всего на мгновение, то сначала ударитесь головой о потолок, а потом ногами о пол кабины.
И даже если вы точно рассчитаете время прыжка, вам понадобится приложить такую силу, чтобы подпрыгнуть на высоту, с которой упал лифт (например, если лифт упал с высоты 100 метров, с помощью прыжка спасется только тот, кто способен подпрыгнуть в воздух на 100 метров). Таким людям лифт ни к чему.
Кит Уолтере Скофилдс, Новый Южный Уэльс, Австралия
Если подпрыгнуть за мгновение до удара о дно шахты и придать себе начальную скорость, направленную вверх относительно движения лифта и равную ему по величине, сначала вы ударитесь головой о крышу кабины. Кроме того, подпрыгнуть будет сложно: при падении вы окажетесь невесомым, а ручки, за которые можно подтянуться к потолку, в кабине не предусмотрены.
К счастью, перед самым ударом крыша с ускорением отдалится от вас (при условии, что крыша сохранит форму после удара!) с той же относительной скоростью, с которой двигаетесь вы. Пол последует ее примеру, но двигаться будет в вашу сторону. При этом вы приземлитесь на пол с высоты нескольких сантиметров и окажетесь на полу, который будет двигаться вверх с той же относительной скоростью.
Но здесь возникает пара проблем. Чтобы развить такую скорость, у вас должна быть возможность подпрыгнуть на такую же высоту, с которой упал лифт. И даже если вы на это способны, ускорение для такого прыжка сравнимо с тем, которое возникает при ударе о дно.
В таком случае по уже понятным причинам можно считать, что даже невысокий прыжок смягчит удар.
Алекс Уилсон Таффли, Глостершир, Великобритания
Я вижу три способа увеличить ваши шансы на выживание, хотя они и сомнительны. Первый уже упомянули надо подпрыгнуть как можно энергичнее перед ударом, чтобы хоть немного смягчить его. Второй - прихватить с собой что-нибудь мягкое, например одежду, и подложить под себя перед ударом. При этом увеличится время замедления скорости перед столкновением и слегка уменьшится потенциальный ущерб. Если вам не дороги свои ноги, можно попробовать использовать их как зоны деформации, хотя это будет довольно болезненно. Третий способ едва ли достоин упоминания. Можно попробовать растянуться как можно шире и удерживаться в таком положении, чтобы увеличить площадь поверхности лифта. Таким образом можно на неопределенную величину снизить скорость на конечном участке пути.
Дэвид Фоул Толлертон, Ноттингемшир, Великобритания
Черное и белое
«Когда я работал на заводе, где производили угольный порошок, я заметил черный отпечаток своего большого пальца на бутерброде. И задумался, почему хлеб, картофель, рис и сахар, состоящие в основном из углерода, не черные».Дуглас Томпсон Холиуэлл, Флинтшир, Великобритания
Удобнее всего объяснить это на примере. Натрий вступает в бурную реакцию с водой, хлор — ядовитый зеленовато-желтый газ. Но хлорид натрия, вещество, содержащее эти два элемента, — безобидная пищевая соль, обладающая свойствами, разительно отличающимися от свойств ее компонентов.
Черный порошок для копировальных аппаратов — измельченный углерод в его элементарной форме. Частицы очень малы и расположены беспорядочно. Падающий на них свет поглощается и не отражается, поэтому порошок кажется черным. Бутерброд, несомненно, содержит углерод, но не в элементарной форме. В данном случае он соединен с кислородом и водородом в составе углеводородов. У таких соединений есть свои свойства, не имеющие ничего общего со свойствами составляющих их элементов. Ломтики хлеба довольно хорошо отражают свет с разной длиной волны, поэтому, когда мы смотрим на хлеб при дневном свете, он выглядит белым.
Ричард Хани Онтарио, Канада
Углерод обычно пребывает в твердой аморфной форме, это значит, что ему недостает упорядоченной кристаллической решетки. По этой причине, а также из-за положения отдельных электронов на внешней орбите атома углерода свет поглощается, а не отражается. Это значит, что атомы углерода в графите, копоти и черном угле кажутся черными.
Алмаз — тоже углерод, но обычно прозрачный, потому что в его кристаллической решетке электроны занимают другие положения и создают бесцветный кристалл. Алмазы могут иметь окраску, если в них присутствуют атомы других элементов, обычно — металлов, а связи с электронами меняются. Так появляются голубые, желтые, розовые и зеленые алмазы.
Г.Уильям Барнс Уоррингтон, Пенсильвания, США
Углерод присутствует в таких продуктах, как хлеб и картофель, в форме гидратов, т. е. он химически связан с водой и потому не кажется черным. Чтобы он снова стал черным, необходимо удалить воду, обычно путем нагревания. Вот почему подгоревший тост черный.
Сахар — тоже углерод и вода. Но если добавить концентрированную серную кислоту, вы увидите, как она высосет из сахара воду, оставив один черный углерод.
Дункан Хогг Фарнхем, Суррей, Великобритания