Болото – неньютоновская жидкость
Множество трагических историй и ужасных легенд связано с болотами! Человек или животное, плавая, свободно держатся на поверхности воды, но никакое умение, никакие действия не помогут им выбраться из трясины. Почему так коварно болото?
Для начала скажем несколько слов о том, какая жидкость является ньютоновской, а какая – неньютоновской. Ньютоновская жидкость (названа так в честь И. Ньютона) – это вязкая жидкость, подчиняющаяся в своем течении закону вязкого трения Ньютона. Для ньютоновской жидкости вязкость зависит от температуры и давления, а также от химического состава. Жидкость эта несжимаема! Например, вода – ньютоновская жидкость, ее свойства сохраняются вне зависимости от скорости перемешивания.
Неньютоновские жидкости – это жидкости сильно неоднородные, они состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
Вязкость неньютоновских жидкостей изменяется в зависимости от скорости тока жидкости, к примеру перемешивание может оставлять «дыру» позади, которая со временем понемногу заполняется. Такое поведение вещества можно наблюдать, например, в пудингах, суспензии крахмала (1 часть воды + 1 часть крахмала), сыпучих песках, красках.
По некоторым признакам болото напоминает жидкость, по крайней мере, оно может течь и в нем можно утонуть. В то же время топь ведет себя, как твердое тело, – довольно тяжелые предметы, например камни, способны держаться на ее поверхности, несмотря на то что их плотность больше плотности вещества, составляющего болото. Кстати, его плотность заметно превышает плотность воды, а плотность человека и животных незначительно выше плотности воды, и поэтому если бы для болота выполнялся только закон Архимеда, то в нем невозможно было бы утонуть.
Все-таки болото можно считать жидкостью, но особой – вести себя как жидкость трясина начинает только тогда, когда нагрузки превышают некую предельную величину Т. Поэтому тяжелый камень не обязательно утонет в болоте, сначала он будет погружаться, но при этом будет возрастать выталкивающая сила и в какой-то момент может оказаться, что вес камня, скомпенсированный частично силой Архимеда, уже не создает нагрузки, бо́льшие Т, и возникает состояние недопогружения.
Такое же состояние возникает, когда человек совершает первый шаг по трясине. В обычной жидкости нога погружается до тех пор, пока вес всего тела не уравновесится выталкивающей силой (или не достигнет дна).
В болоте же происходит недопогружение – процесс погружения останавливается тогда, когда разница между весом тела и вытесненного вещества болота станет равной величине Т. Так болото обманывает человека, завлекая его дальше и дальше вглубь трясины.
Второй шаг тоже вызовет недопогружение, создавая иллюзию того, что все в порядке. Она рассеется при попытке вытащить ногу из трясины. Основная проблема в том, что под ногой начнет образовываться пустота (вакуум). Обычная жидкость, сразу же следуя за ногой, не позволяет возникать такой пустоте, но грязь болота – не обычная жидкость. В результате разреженное пространство под ногой создает дополнительную силу, направленную вниз (засасывает).
Вспомните, как при ходьбе по неглубокой обычной грязи постоянно хлюпает под ногами – это с шумом всасывается воздух в освобождающееся пространство под поднимающейся ступней. Чтобы преодолеть эту силу, другую ногу придется погрузить несколько глубже. Каждая следующая попытка освободить ногу или какую-то часть тела из трясины будет вызывать все большее погружение. Теперь вы понимаете, почему лучше обходить болото стороной. Если же все-таки вам придется по нему идти, обязательно имейте при себе прочный шест, которым можно проверить, насколько надежен путь в сомнительных местах, и на который можно опереться, чтобы преодолеть всасывающую силу болота.
Как уже упоминалось выше, аналогичная ситуация складывается и в том случае, когда погрузившаяся подводная лодка ложится на дно с глинистым грунтом. Выдавливая при этом из-под себя воду, лодка лишается возможности использовать архимедову силу для всплытия и таким образом «присасывается» ко дну. Давление толщи воды сверху способствует ее медленному погружению в глинистый грунт, засасывающее действие которой не позволяет подводному судну вырваться из «вязкого плена».
Первые модели неньютоновских жидких сред были предложены во второй половине ХIХ в. Джеймсом Клерком Максвеллом и Уильямом Томпсоном. В ХХ в. благодаря работам Бингама и Рейнера этот раздел механики сплошных сред стал самостоятельной наукой, которая носит название «реология» (от греческого слова «реос» – течение, поток). Объектами изучения реологии являются такие материалы, как краски, лаки, битум, почвы, горные породы и т. п.
Падающая кошка
Все знают, что, как кошку ни бросить, она все равно приземлится на лапы. На первый взгляд, это кажется удивительным. Если кошку бросили, с самого начала не придав ей вращения, а значит, и момента импульса, то каким же образом она поворачивается лапами вниз? Ведь для этого ей нужно, падая, какое-то время вращаться, то есть приобрести угловую скорость, хотя ее суммарный момент импульса должен быть все время равен нулю. Как же кошка ухитряется получить угловую скорость, не имея стартового момента импульса?
Все объясняется необычной гибкостью кошки. Предположим, что сначала кошка, оттопырив задние лапы, поджав передние и вытянув шею вперед, станет, скручивая тело, поворачивать переднюю часть туловища. Момент импульса у кошки, конечно, не появиться, как его не было изначально. Но поскольку масса ее задних ног отодвинута далеко от оси вращения, то очень маленькая угловая скорость задней половины тела кошки сообщит такой же момент импульса, что и бо́льшая угловая скорость его передней половины, так как масса передних лап придвинута близко к оси вращения. Направления этих вращений противоположны, и оба момента импульса взаимно уничтожаются, давая нулевой суммарный момент. Однако при этом передняя половина туловища кошки поворачивается в одном направлении гораздо сильнее, чем задняя половина – в противоположном.
Затем кошка оттопыривает передние лапы, поджимает задние и перекручивается в обратную сторону. Теперь, с большей угловой скоростью движутся задние лапы, а передние с меньшей, так как задние лапы приближены к оси вращения, а передние наоборот, удалены. На этом втором этапе передняя часть тела кошки повернется, конечно, но намного меньше, чем ее задняя часть. Когда в конце этого этапа кошка снова оттопырит задние лапы и подожмет передние, ее положение будет тем же, что и в самом начале, только вся она окажется повернутой на заметный угол. Раз за разом, быстро повторяя такие движения, кошка правильно ориентирует свое тело в пространстве и приземляется на все четыре лапы.
Почему Земля не является шаром
Земля напоминает эллипсоид вращения – шар, приплюснутый сверху и снизу.
Такая форма Земли вполне объяснима – из-за ее вращения на экваторе возникают центробежные силы, в то время как на полюсах их нет. В результате вращения и центробежных сил по экватору Земля «располнела». Экваториальный диаметр планеты примерно на 42 км больше, чем полярный.
На форму Земли влияет также неоднородная плотность планеты: где-то сосредоточены тяжелые горные породы, а где-то есть пустоты, по всей поверхности разбросаны горы и впадины, моря и равнины.
Еще в XVII веке знаменитый физик и математик И. Ньютон сделал смелое предположение, что Земля – никакой не шар, вернее, не совсем шар. Предположил – и математически доказал.
Ньютон «пробурил» (разумеется, мысленно) до центра планеты два сообщающихся канала: один от Северного полюса, другой – от экватора. И «заполнил» их водой. Расчеты показали, что вода установилась на разных уровнях. Ведь в полярном колодце на воду действует только сила тяготения, а в экваториальном ей еще противостоит центробежная сила. Ученый утверждал: для того чтобы оба столба воды оказывали на центр Земли одинаковое давление, то есть чтобы они имели равный вес, уровень воды в экваториальном колодце должен быть выше, по подсчетам Ньютона, на 1/230 от среднего радиуса планеты. Иными словами, расстояние от центра до экватора больше, чем до полюса.
Чтобы проверить расчеты Ньютона, Парижская академия наук отправила в 1735–1737 гг. две экспедиции – в Перу и в Лапландию. Участники экспедиций должны были измерить дуги меридиана – по 1° каждая: одну в экваториальных широтах, в Перу, другую – в полярных, в Лапландии. После обработки полученных данных руководитель северной экспедиции, геодезист Пьер-Луи Мапертюи, объявил, что Ньютон прав – Земля сжата у полюсов.
Вопрос о форме нашей планеты вовсе не праздный – ее точное определение дает в руки ученым мощный инструмент для вычисления координат земных и небесных тел. Это важно для морской и космической навигаций, для проведения геодезических, строительных работ и для многих других областей деятельности человека.
Особенности движения тел в воде и на воде
При движении тел в воде возникают силы, направленные противоположно движению тела. Если тело движется под водой (например, рыба, подводные лодки), то гидравлическое сопротивление вызывается теми же причинами, что и сопротивление воздуха: трением воды о поверхность тела и изменением потока, создающим дополнительное сопротивление. Быстро плавающие рыбы (акула, меч-рыба) и китообразные (дельфины, косатки) имеют обтекаемую форму, уменьшающую сопротивление воды при их движении. Обтекаемые формы придают и подводным лодкам. Вследствие большей плотности воды по сравнению с плотностью воздуха сопротивление движению данного тела в воде много больше сопротивления в воздухе при той же скорости движения.
Для обычных судов, идущих на поверхности воды, есть еще дополнительное волновое сопротивление: от идущего судна на поверхности воды расходятся волны, на создание которых непроизвольно затрачивается часть работы судовой машины (двигателя).
Корабль создает волны на поверхности воды при любой скорости хода, приводя в движение границу раздела между жидкостью и воздухом. Для уменьшения волнового сопротивления, которое для быстроходных судов может составлять свыше ¾ полного сопротивления, корпусу судна придают специальную форму. Нос судна в подводной части иногда делают «бульбообразной» формы, при этом образование волн на поверхности воды уменьшается, а значит, уменьшается и сопротивление.
От игрушки к вертолету
О способности вращающегося винта подниматься в воздух было известно еще древним китайцам. Примерно в I в. до н. э. в Китае появилась игрушка, дошедшая до наших дней практически в первозданном виде, – палочка с винтом на конце. Когда палочку раскручивали в ладонях, она взлетала. К ХII в. это устройство в Европе сильно модернизировали – механизм снабдили «двигателем», то есть это была трубка с пучком упругих жил внутри и двумя винтами по краям. Скрученные жилы, распрямляясь, вращали винты в разные стороны на обоих концах трубки. Этот вроде бы нехитрый механизм предвосхитил конструкцию современного вертолета одноосной схемы.
В 320 г. китайский ученый Го Хун предложил экипаж с вертикальным винтом для путешествий по воздуху. Это была одна из первых попыток использования машин с вертикальным винтом.
Считается, что первый проект вертолета разработал Леонардо да Винчи в 1489 г.
В 1754 г. М. В. Ломоносов продемонстрировал в Академии наук модель «аэродинамической машины», предназначенной для подъема в верхние слои атмосферы различной метеорологической аппаратуры.
Судя по сохранившимся документам, это был аппарат вертикального взлета с винтами, приводимыми в действие посредством пружины. Но дальше модельных испытаний «машинки маленькой» дело не пошло.
Со второй половины ХIХ в. неоднократно предпринимались попытки создания винтокрылой машины, но оторваться от земли смогли только аппараты французов Л. и Ж. Бреге и П. Корню в 1907 г. В 1912 г. русский ученый Б. Н. Юрьев развил теорию воздушного винта и предложил вертолетную схему, ставшую классической. Именно по ней в 1930-х гг. он сконструировал первый экспериментальный одновинтовой вертолет и заложил таким образом основы вертолетостроения.
Однако в виду сложностей конструкции вертолеты вошли в эксплуатацию гораздо позже самолетов. Произошло это в годы Второй мировой войны. Первыми серийными винтокрылыми машинами стали аппараты немецкого конструктора Генриха Фоке и американца русского происхождения И. И. Сикорского. В СССР наибольший вклад в вертолетостроение внесли конструкторы А. М.Черемухин, И. П. Братухин, М. Л. Миль и Н. И. Камов.
Конвертоплан – два в одном
Белл-Боинг V22 «Оспри» – конвертоплан, он объединяет отдельные возможности самолета и вертолета.
Эти винтокрылые летательные аппараты относятся к самолетам вертикального взлета и посадки, или к вертолетам-самолетам. Название конвертоплан происходит от английского слова «сonverter» – изменять, превращать. Благодаря особенностям конструкции они способны взлетать и приземляться вертикально, как вертолеты, а горизонтальный полет осуществлять, подобно самолетам, с большой скоростью. При взлете и посадке конвертоплана оси его поперечно размещенных винтов располагаются вертикально, а при переходе к поступательному движению горизонтального полета поворачиваются в горизонтальное положение, превращая несущие винты в тянущие. При этом V22 может достигать скорости 600 км/ч.
Топливные элементы
Преобразование одного вида энергии в другой всегда сопровождалось различного вида потерями. Например, в паровозе тепловая энергия от сгорания топлива трансформировалась в механическую путем нескольких преобразований и с большими потерями. При сгорании в топке горючего часть выделенного им тепла безвозвратно терялась с дымом, часть – при перегреве воды в пар, не говоря уже о механических потерях в трущихся деталях. Не вдаваясь в подробности термодинамических процессов, приведем коэффициент полезного действия (КПД) паровоза – он не превышал 7 %, и это с учетом того, что паровоз считался весьма совершенной тепловой машиной по сравнению с более ранними паровыми двигателями.
В современных паровых турбинах КПД гораздо выше. Существуют тепловые двигатели внешнего и внутреннего сгорания. Двигатели внешнего сгорания – это паровые турбины, у которых топливо сгорает в отдельной топке (котле) для производства пара высокого давления, который непосредственно вращает ротор турбины. В двигателях внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных) горючее сгорает непосредственно внутри цилиндров, и продукты горения воздействуют непосредственно на поршни, сообщая им движущий момент. В настоящее время самым экономичным тепловым двигателем считается дизельный, его КПД превышает 60 %.
Самыми эффективными источниками механической энергии являются электрические двигатели с КПД более 90 %, но их основной недостаток – потребность в источнике электроэнергии.
Преобразование (конвертация) химической энергии топлива в электрическую на тепловых электростанциях сопровождается большими потерями: только треть первичной энергии становиться электрической. Так происходит из-за того, что, прежде чем стать электрической, химическая энергия, выделяющаяся в результате горения, не раз меняет свое «лицо». Вначале тепловая энергия топлива превращается в энергию пара. Затем энергия пара на роторе турбины преобразуется в механическую энергию вращения. И наконец, в обмотках генератора механическая энергия становится электрической. На каждом этапе неизбежны потери.
Электрическая энергия в плане конвертации самая удобная. Именно поэтому всегда проявлялся повышенный интерес к разработке различных более экологичных способов получения электроэнергии с минимальными потерями. Ветроэлектрогенераторы и солнечные элементы слишком зависимы от капризов погоды и не всегда могут выдать необходимую мощность, но, кроме них, весьма перспективным направлением преобразования химической энергии в электрическую являются топливные элементы.
В топливном элементе химическая энергия «горящего» топлива сразу конвертируется в электрическую. Необходимо пояснить, почему слово «горящий» поставлено в кавычки. Топливный элемент, или электрохимический генератор, – это устройство, в котором протекает реакция окисления топлива, в результате которой вырабатывается электроэнергия. Топливом могут служить водород, аммиак и различные углеводороды (спирты, природный газ, нефть и т. д.), а окислителем (горение есть процесс окисления) – кислород, азотная кислота и др. Чаще всего применяют водородно-кислородные топливные элементы.
Конструктивно топливный элемент не очень сложный, но для полного понимании природы его работы вам могут понадобится некоторые основы знаний по химии и физике. Итак, топливный элемент, или их еще называют топливными ячейками, – это емкость с электролитом (водным раствором кислоты или щелочи), двумя пористыми электродами (анодом и катодом, как в аккумуляторной батарее) и трубками для подачи топлива на анод и окислителя на катод. На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые теряют свои электроны, становятся положительными ионами и переходят в электролит. Потерявший ионы анод приобретает отрицательный заряд по отношению к другому электроду, и свободные электроны движутся к последнему по внешней цепи. Там они соединяются с атомами кислорода, образуя отрицательные ионы. Эти ионы, проходя через электролит, соединяются с положительными ионами водорода. В результате возникает замкнутая цепь, по которой идет электрический ток, и топливный элемент становится электрогенератором. Побочным продуктом работы такого устройства является дистиллированная вода.
Одиночный топливный элемент создает напряжение около 1,5 В. Для получения более высокого напряжения необходимо последовательно соединять друг с другом несколько таких элементов в батареи.
В виду невысокой мощности и достаточной дороговизны в настоящее время ведутся активные работы по совершенствованию батарей из топливных элементов. Сейчас такие источники энергии используют для обеспечения электричеством глубоководных аппаратов, околоземных космических станций и на некоторых экспериментальных электромобилях.