Что такое физика?

Физики знают или, по крайней мере, делают вид, что знают, какая сила поднимает в воздух самолет; как парусный корабль может плыть против ветра; почему надо согнуть кисть, прежде чем запустить «летающую тарелку»; откуда берутся полярные сияния; как возникает радуга; что заставляет летать ракеты; как работает телевизор и другие загадочные вещи. Однако, в сущности, человек, как и прежде, живет в окружении таинственных сил. Загадочность мира нисколько не уменьшилась, наоборот...

Физиков интересует все, что занимает какое–то место и имеет вес. Вот эта книга, ты, я, то облако и этот диван могут быть изучены физически. Кроме того, все эти предметы могут перемещаться, изменять свое положение, то есть двигаться. Физика – наука о веществе и движении.

 

Как работает голова ученого?

Наука изменяет мир, в котором мы живем. Несколько лет назад мы звонили друг другу, поворачивая диск телефона, а те, кто родился сегодня, скорее всего будут не глядя нажимать на кнопки. Каждый год человек начинает пользоваться предметами, о существовании которых он не догадывался, привыкает к ним за пару дней и вскоре уже не может представить себе, как он жил, когда не было этих привычных удобств.

Каждый год приносит больше открытий, чем несколько предыдущих. Мир развивается все быстрее. За последние сто лет произошел мощный научный прорыв. Наша жизнь оставляет мало времени для раздумий о том, как развивается наука, что приносят нам те или иные открытия. Не будешь же, в самом деле, думать об этом по дороге в школу, тем более, домой.

Что ты делаешь, когда сталкиваешься с чем–то непонятным, но хочешь разобраться? Скорее всего, ты найдешь человека, который может тебе все объяснить. Мы доверяем мнению взрослых, родителей, тем, кто знает больше нас. Люди прошлого также искали ответов на свои вопросы у знающих людей, которые пользовались у них авторитетом.

Основываясь на наших знаниях, можно сделать какой–то вывод. Это называется умозаключением. Я делаю умозаключение, что ты человек, потому что ты читаешь, а, насколько мне известно, читать умеют только люди – вот пример умозаключения. Когда для того, чтобы сделать выводы, не хватает данных, мы широко открываем глаза и снова смотрим на то, что нас окружает. Мы наблюдаем.

Как и всякая другая естественная наука, физика осуществляет несбыточную мечту ученых найти ответы на все вопросы. Науки устроены похоже. Вначале человек задает вопрос. Это самый важный этап. От того, как и о чем ты думаешь, напрямую зависит ответ. Потом человек находит несколько возможных ответов, то есть выдвигает гипотезы. Чтобы решить, какая гипотеза выглядит правдоподобнее других, человек ставит опыты, другими словами, проводит эксперимент. Если эксперимент подтверждает одну из гипотез, она становится теорией, то есть более или менее доказанным научным объяснением каких–то событий.

 

Как измерить все на свете?

Физики, как никто, любят точность и любят измерять. Для измерения различных явлений используются различные величины. Время мы меряем в секундах, минутах, часах, днях и так далее; расстояние – в миллиметрах, метрах, километрах; скорость – в метрах в секунду, или, например, в километрах в час; массу – в килограммах.

Можно измерить длину крокодила в мобильных телефонах

Ты весишь столько же, сколько три собаки, или десять кошек, или сто тридцать мышек или пять тысяч жуков. Можно измерить длину коридора в спичечных коробках или мобильных телефонах, а можно улечься на пол самому и измерить ту же длину, используя в качестве единицы измерения свой рост.

Каков смысл фразы: «Рост Пети сто тридцать сантиметров»? Это значит, что тот, кто говорит эту фразу, и тот, кто ее слушает, знают, что такое сантиметр. Мы не знаем Петю и, тем более, не знаем его рост. Но все мы видели сантиметр, поэтому нам понятно, насколько высок этот загадочный Петя.

Для того чтобы измерять что–то неизвестное, мы должны узнать, сколько известных нам единиц, например сантиметров, укладывается в этом неизвестном (например Петином росте).

Чтобы понимать друг друга, ученые используют одни и те же единицы для измерения различных величин.

 

Что такое сила?

Кажется, на тропинке что–то лежит. Может быть, монетка, может быть, желудь или пуговица. Ты захотел поднять это и рассмотреть находку получше. Неожиданно прямо из–под ладони этот предмет начал двигаться прочь. Может ли так быть? Никаких ниток от него не тянется, и землетрясения нет. Значит, так быть не может.

Мы знаем, что тело неподвижно, если на него не действует сила. Чтобы не дать собаке убежать, надо крепко держать поводок. Сила нужна и для того, чтобы остановить тело, находящееся в движении. Сила – это толчок или тяга, то есть то, что может начать или прекратить движение. Сила заставляет изменить направление движения, например удар ракеткой отправляет мяч в другую сторону; сила меняет форму, например сила руки изгибает палку.

 

Что такое вес?

Почему вода из океана не стекает вниз вместе со всеми рыбами, кораблями и купающимися людьми? Почему австралийцы и их соседи не летят вниз головой в далекие дали, хотя Земля круглая?

Те же люди, кто убедил тебя и меня в том, что Земля – это шар, утверждают, что все предметы держатся на Земле благодаря силе тяжести. Это не клей и не гвозди – силу тяжести, как ни жаль, увидеть нельзя. Мы притягиваемся к центру Земли, и прилетели бы туда, если бы нам не мешали пол, асфальт – словом, сама Земля.

В год, когда умер Галилей, бросавший, как известно, шарики с башни, родился Исаак Ньютон. Став старше, он понял, что притяжение двух тел зависит от их массы и расстояния между ними. Чем дальше одно тело находится от другого, тем слабее сила, притягивающая их друг к другу. Заберемся на гору высотой, скажем, 7 тысяч метров. Рюкзак внизу, в базовом лагере, весил 15 килограммов, теперь он весит меньше. Всего на несколько граммов. Мы ничего не вынимали. Просто мы удалили рюкзак от центра Земли, и он стал весить меньше, то есть стал слабее притягиваться к центру нашей планеты.

Каждый скажет, что железо тяжелее дерева, масло легче воды. Что же это значит? Возьмем линейку и два кубика, один деревянный, а другой железный. Измерим их – грани одинакового размера, десять на десять сантиметров, значит, кубики имеют одинаковый объем – каждый по одному литру. Но железный кубик тяжелый, а деревянный гораздо легче.

Плотность – это масса одного литра вещества. Литр железа, как ни странно звучит это словосочетание, имеет большую массу, чем литр дерева. Железо плотнее.

 

Что такое трение?

Если тянуть сани по снегу, а потом выйти на лед, их станет легче везти. Хотя в санях лежит Петя, утомленный экспериментом. Стоит въехать в город и начать тянуть сани по асфальту, станет тяжело. Трение санных полозьев об асфальт больше, чем о снег или лед.

Петя плотно пообедал и увеличил силу трения. А если бы он не сделал этого, а еще лучше, встал бы и пошел рядом, сани заскользили бы легче. Чем больше груз, который мы везем, тем больше трение.

Рифленая подошва скользит плохо, а гладкая хорошо. Шероховатые поверхности плохо скользят, значит, чем более гладкая поверхность, тем меньше сила трения при скольжении по ней.

Чтобы уменьшить силу трения, используют разнообразные смазки. Подшипники твоего велосипеда смазаны для того, чтобы он веселее катился. Если намылить руку, то кольцо будет гораздо легче снять с пальца.

Положим Петю в коляску и покатим ее. Везти стало легче, чем в санях. Древним тоже был известен этот способ. Чтобы уменьшить силу, необходимую для перемещения саней, под полозья можно положить круглые камни или бревна.

Трение санных полозьев об асфальт больше, чем о снег или лед

Если на скользкой дороге приходится резко тормозить, может получиться так, что колеса окажутся зафиксированными, а машина будет скользить вперед. Опытные водители знают, что если тормозить, не давая колесам остановится и скользить, то машина остановится раньше.

Чем сильнее накачаны шины велосипеда, тем меньше их трение о землю. Если ты собираешься прокатиться по лесной глинистой дороге, лучше приспустить камеры в колесах, тогда они не будут пробуксовывать в грязи, если же нужно развить большую скорость на твердой дороге, нужно, наоборот, подкачать колеса.

 

Кто быстрее падает?

Если ты, потеряв разум, залезешь на крышу пятиэтажного дома и прыгнешь оттуда, скорее всего, это будет твой последний поступок. Если то же самое сделает кошка, то, вероятно, она останется живой и здоровой. Мыши такой полет не причинит вреда, а жук может без последствий упасть с высокой башни.

Каждый знает, как медленно падают хлопья снега в тихий зимний день и как быстро несется к земле брошенный камень. Правда ли, что более тяжелые предметы падают быстрее легких? Древние, в том числе Аристотель, считали что если один шар в 2 раза тяжелее другого, то первый будет в 2 раза быстрее падать.

Люди думали так примерно 1800 лет, пока итальянец Галилео Галилей не решил проверить это и бросил с башни пушечное ядро и маленькую пулю. Они летели рядом и упали одновременно. Почему же тогда снежинка падает медленнее камня? Галилей считал, что дело в сопротивлении воздуха.

И правда, в вакууме, то есть безвоздушном пространстве, снег шел бы с такой же скоростью, с какой летели бы на Землю запущенные в небеса камни.

Опыт Галилея

Итак, экспериментальная физика началась при драматических обстоятельствах. Публичный эксперимент состоялся, и шары упали вместе.

Но этого было недостаточно, чтобы произвести переворот в умах. Авторитет оказывался сильнее даже собственного зрения. В результате число противников Галилея увеличилось. Но это не остановило его стремления изучать законы движения тел.

Предмет, летящий с высоты, каждую секунду летит все быстрее – он разгоняется. На языке физиков, это значит, что тело движется с ускорением. Увы, мы не можем поставить на падающий предмет устройство, которое, как спидометр в автомобиле, измеряло бы его скорость. Для того чтобы измерить, как меняется скорость падающего тела, нужно довольно сложное оборудование. Эта же проблема стояла перед Галилеем.

Галилей предположил,что если скатывать шарики по наклонным плоскостям,то они будут двигаться так же,как падающие тела,только медленнее

В результате долгих раздумий он предположил, что, если скатывать шарики по наклонным плоскостям, они будут двигаться так же, как падающие тела, только медленнее. Если сделать так, чтобы шарик катился почти без трения, он будет разгоняться до одной и той же скорости, независимо от угла наклона горки. Скорость, которая достигается внизу горки, зависит от высоты, с которой этот шарик был пущен. Если шарик бросить вверх, то его полет будет постепенно замедляться, а при полете вниз шарик снова разгонится.

 

Давление жидкости

Стремительные потоки обладают огромной энергией, которую люди научились превращать в электричество, создав гидроэлектростанции. Конечно, такая энергия довольно дешевая и позволяет не использовать для тех же целей, например, каменный уголь. Но для работы гидроэлектростанции нужно водохранилище, при создании которого затапливаются огромные территории, в результате чего очень сильно изменяется местность.

По морям и океанам, а также по рекам и озерам плавает множество кораблей. Большая часть судов сегодня сделаны из металла. Кусок железа не плавает, тонет. Как же плавает железный корабль? Попробуем разобраться.

Жидкость, помещенная в сосуд, давит на дно сосуда. Чем выше сила, которая давит на дно, тем больше давление. Давление – это сила, действующая на какую–то площадь, например квадратный метр или сантиметр.

Давление работает и вбок

Давление действует не только вниз, но и вверх, объект, попавший в жидкость, выталкивается ею наверх. По этой причине легче поднять камень, находящийся в воде, чем в воздухе. Это свойство жидкости учитывается при создании корпуса корабля.

Кроме того, давление работает и вбок. Попробуйте пробить бочонок сбоку. Из него начнет бить струя жидкости.

 

О чем кричал архимед

Как известно, царь Сиракуз Гиерон сомневался, что его корона действительно золотая. Ему стало казаться, что она сделана из сплава с медью, свинцом и другими металлами. Царь мечтал узнать, из чего все–таки сделана корона, но не разрешал ее пилить или повреждать как–то иначе.

Вероятно, Архимеду было известно, что золото в 19,3 раза тяжелее воды. Значит, нужно было узнать объем короны, потом определить, сколько весит такой же объем воды. Если вес короны окажется в 19,3 раза больше веса воды, то можно считать, что корона сделана из золота, без добавления примесей. Такие же измерения необходимо было произвести, чтобы понять, насколько вода легче меди, серебра, свинца и других металлов, которые могли быть использованы для изготовления короны.

Взвесить корону несложно, но как измерить ее объем, чтобы набрать столько же воды? Ведь корона – не куб, ее линейкой не измеришь. Вначале Архимед хотел расплавить корону и отлить заново в виде куба, цилиндра или любого другого тела, объем которого подсчитать несложно. Но, опасаясь гнева царя, он все–таки не сделал этого.

Если что–то не ладится, всегда неплохо сходить в баню. Это средство известно уже несколько сотен лет. Архимед, посетивший баню, решил погрузиться в ванну, полную воды. При этом часть воды выплеснулась, и тут его осенила идея, которая помогла решить задачу с короной. Архимед выскочил из ванны и понесся по улицам с криком «Эврика!», то есть «Нашел!».

Что же он нашел в ванной? Вероятно, его посетила мысль о том, что объем тела равен объему воды, которую оно вытесняет при погружении. Таким образом, погрузив корону в воду, Архимед смог определить ее объем, измерив, насколько поднялся уровень воды в этом сосуде.

Дерево, кусок пенопласта, надувной шарик или мяч плавают на поверхности воды. Железо, камень, стекло тонут. Мы видим, что предметы с большей плотностью погружаются на дно, а легкие, то есть обладающие меньшей плотностью, плавают.

Мы знаем, что на все тела, находящиеся на Земле, действует сила тяжести. Значит, если предмет плавает на поверхности, какая–то сила удерживает его там и не дает тонуть.

 

Что такое давление газов?

Рыбы плавают и на глубине, и около самой поверхности. Если бы рыба имела постоянный объем, то она плавала бы все время на одной глубине. Если бы ей понадобилось подняться выше или опуститься ниже, ей пришлось бы бороться с силой тяжести, увлекающей ее на дно, или с силой Архимеда, выталкивающей тела на поверхность и обеспечивающей их плавучесть.

Между тем мы видим, как рыбки в аквариуме поднимаются и опускаются без особого напряжения, иногда даже не двигая плавниками. В этом им помогает плавательный пузырь, который может раздуваться, заставляя рыбу всплывать, или сжиматься и опускать ее ближе к дну. По тому же принципу поднимаются и опускаются на дно подводные лодки и аквалангисты. И у лодок, и у пловцов, опускающихся на значительную глубину, есть емкости, которые могут сжиматься, помогая опускаться, или увеличиваться в объеме, обеспечивая подъем к поверхности.

Рыбы, вероятнее всего, не чувствуют давление воды, которое испытываем мы, нырнув в воду, как мы не чувствуем воздуха, который давит на нас. Давление воздуха – привычное для каждого человека явление.

Давление воздуха заставляет вращаться крылья мельниц, благодаря этой силе летают самолеты. Давление газов обеспечивает взлет космического корабля. Ветер, возникающий благодаря этой силе, надувает паруса яхт, стирает с лица Земли дома, перемещает облака.

Разве может воздух оказывать давление? Мы не замечаем воздуха вокруг нас, он кажется таким легким, что мы чувствуем его, лишь

Давление газов обеспечивает взлет ракеты, давление воздуха заставляет вращаться лопасти мельницы, а ветер, возникающий благодаря этой силе, надувает паруса когда дует ветер или мы бежим изо всех сил. Воздух – не предмет. Есть ли у воздуха вес? Если воздух оказывает давление, как мы можем его измерить?

Что такое пустая чашка, пустая кастрюля, пустой бассейн? Мы говорим, что все это сосуды, где ничего нет – они ничем не заполнены. Воздух, заполняющий их, мы не учитываем. Но если погрузить стакан в воду, удерживая его вверх донышком, вода не поднимается внутрь стакана. Теперь, не вынимая руку из воды, перевернем стакан. Пузырь вырывается на поверхность, и только после этого стакан оказывается со всех сторон окруженным водой. Воздух занимает пространство вокруг нас, в том числе стакан, твою комнату, твой дом. Воздух имеет вес: если взвесить колбу с

воздухом, она окажется тяжелее, чем та же колба, из которой откачали воздух. Только откачав воздух, мы можем с уверенностью заявить – этот сосуд действительно пустой, в нем безвоздушное пространство – вакуум.

Опыт со стаканом

Существует ли на самом деле атмосферное давление, о котором часто говорят в прогнозах погоды? Ни я, ни ты не ощущаем, что над каждым из нас находится многокилометровый столб воздуха. Есть способ убедиться в том, что воздух оказывает давление на все предметы, находящиеся на Земле. При помощи стакана и емкости с водой можно обнаружить, что если стакан, заполненный водой, медленно вынимать из воды вверх донышком, вода не будет выливаться до тех пор, пока край стакана не покажется над водой.

Еще более удивительные вещи происходят, если накрыть бумагой стакан, заполненный до краев водой, и перевернуть его, аккуратно придерживая лист. Теперь бумагу можно не придерживать, она не упадет и вода не выльется. Если, опустошив через соломинку коробочку с соком или молоком, мы продолжаем втягивать в себя воздух, то мы таким образом откачиваем его из этой емкости. Под действием атмосферного давления стенки коробочки будут прогибаться внутрь, а сама она – сжиматься.

Эти эксперименты доказывают, что атмосферное давление существует и воздух имеет вес. Кроме того, путешествие на самолете, быстрая езда по горным дорогам или в скоростном лифте вызывает эффект «заложенных ушей». Каждый, кто испытывал это, может служить живым доказательством того, что давление не только существует, но и изменяется с глубиной или высотой.

Существует довольно много полезных приборов и механизмов, в которых используется давление: всевозможные насосы, пылесос, воздушные тормоза.

Если положить на край стола две книги, на них – лист бумаги, а потом подуть так, чтобы воздушный поток проходил между книгами, листом и поверхностью стола, можно обнаружить, что лист начинает прогибаться к столу. Чем больше скорость потока, тем меньше давление на стенки, поэтому чем сильнее ты дуешь, тем сильнее прогибается бумага.

У самолета есть двигатель, который разгоняет самолет. Это может быть пропеллер, турбина или реактивный двигатель. Почему же на взлетной полосе самолет в какой–то момент отрывается от земли и взлетает? Дело в том, что крылья самолета снизу более или менее плоские, а сверху – выпуклые. Воздух, набегающий на крыло рассекается его краем, часть воздуха обтекает крыло сверху, а часть снизу. Так как путь поверх крыла оказывается длиннее пути, который воздух должен пройти вдоль нижней более плоской поверхности, скорость воздуха, проносящегося над крылом больше, чем под ним. Значит, на крыло снизу оказывается большее давление, чем сверху. Эта сила поднимает самолет и удерживает его в воздухе.

Схема обтекания воздухом крыла самолета

Если положить на землю мешок, привязать к нему две веревки и тянуть за одну на север, а за другую на запад, то мешок начнет двигаться к северо–западу.

Если яхта движется благодаря ветру, надувающему ее паруса, кажется невероятным, что она может двигаться в сторону, откуда дует ветер. Тем не менее каждый, кто хотя бы раз плавал на парусном судне, знает, что это вполне возможно. Парус, прогибаемый ветром, действует подобно крылу самолета. Скорость движения воздуха с выпуклой стороны оказывается выше, чем со стороны вогнутой, и толкает парус, а значит лодку, в направлении выпуклости паруса. Длинный подводный киль не дает лодке смещаться вбок и обеспечивает движение яхты в сторону набегающего ветра, хотя, конечно, плыть под парусом прямо против ветра невозможно.

Схема движения яхты против ветра

 

Сила и победа

Каждый, кто начинает разбираться в физических явлениях, постоянно сталкивается со словом «сила». Мы знаем, что каждое действие имеет причину. Для объяснения причин тех или иных явлений мы используем слово «сила».

Силы разные, они всюду. Порой что–то можно сделать гораздо быстрее и с меньшими затратами сил, если прежде как следует подумать. Чем больше ты будешь знать об этом, тем больше у тебя шансов выиграть футбольный матч, доплыть до берега или не попасть в аварию.

Итак, сила – это толчок или тяга. Сила вызывает или прекращает движение, меняет скорость движения, меняет форму тела. Все вокруг находится под действием каких–то сил. Все, что находится на Земле, существует под действием силы тяжести. Если нет силы, которая могла бы удержать предмет над землей, он обязательно упадет вниз.

Часто на один и тот же предмет одновременно действует несколько сил. Это может привести к тому, что, несмотря на приложение сил, предмет никуда не двинется, что было доказано Лебедем, Раком и Щукой из басни Крылова. Если нужно тащить лодку вверх по течению вдвоем, можно привязать к носу лодки две веревки, и каждый возьмет себе одну из них. Если это небольшая речка среди лугов, и веревки не будут путаться, можно пойти по разным берегам. В результате действий каждого из бурлаков лодка должна была бы пристать к берегу, но так как ее тянут с двух сторон, лодка движется вперед. Чем длиннее веревки, тем меньше усилий будет потрачено впустую.

Так удобно тащить лодку вверх по течению

Другое полезное дело можно совершить с автомобилем, застрявшим в грязи. Если привязать машину к дереву и туго натянуть трос, можно добиться гораздо большего успеха, если прогибать трос, чем если просто толкать увязшую машину.

Чем туже натянут трос, тем легче его порвать. На провисшей веревке, прежде чем ока разорвется, можно повесить гораздо больший груз, чем на тугой. Иногда совсем небольшого количества льда оказывается достаточно, чтобы разорвать туго натянутые провода. По той лее причине тросы подвесного моста имеют большой провис – такой мост выдерживает больший вес.

Если мы решим перейти ручей по тонкой и длинной доске, посередине может произойти катастрофа, последствием которой будет купание. Можно было сделать мост из более толстых досок, но можно усовершенствовать и эту конструкцию. Для этого посредине доски нужно прибить брусок так, чтобы образовалось подобие буквы «т» с длинной перекладиной и короткой ножкой, обращенной вниз. Теперь возьмем проволоку и закрепим ее концы на краях доски, а середину на ножке. Теперь можно будет перейти ручей, не сломав доску. Такая система называется «фермой» и используется в строительстве мостов.

Так можно усовершенствовать небольшой мостик

Доска прогибается под весом человека и может переломиться. Ферма позволяет избежать прогиба, потому что проволока плохо растягивается и удерживает доску от изгибания.

 

Как не падать в автобусе

Как только мы появляемся на свет, мы начинаем бороться с силой тяжести, которая пытается нас уронить. Устойчивость – это мечта каждого. По дороге в школу, в коридоре с чашкой чая, на велосипеде, в автобусе мы стараемся сохранить равновесие и не рухнуть. Больно, обидно. И чай был горячий.

Люди, занятые разработкой новых автомобилей, кораблей, чашек и тарелок, телевизоров и стульев, должны сделать свое дело так, чтобы изобретенный ими предмет был устойчивым.

Устойчивость можно повысить разными способами. Например, увеличить массу. Телевизор, отлитый из чугуна, перевернуть гораздо труднее, чем обычный. Можно увеличить площадь основания. Настольная лампа обычно имеет довольно широкую подставку, как и многие другие предметы, которые лучше не переворачивать. Желательно сделать так, чтобы самые тяжелые детали, основная масса предмета была расположена над центром его основания.

Если в автобусе, который едет по неровной дороге, положить тяжелую сумку на плечо, при резком торможении шанс упасть становится гораздо больше, чем в том случае, когда сумку держат в руке. Чем ниже находится центр тяжести, тем устойчивее конструкция. Это полезно знать при укладывании рюкзака перед дальней дорогой. Если положить тяжелые вещи в верхнюю часть рюкзака, то при ходьбе возникнут неудобства, тяжелый верх будет все время стремиться к земле, качая владельца то влево, то вправо, и в результате можно–таки упасть. Известны случаи, когда человек, споткнувшийся с таким рюкзаком, быстро занимал положение «стоя на голове и ногах» и не мог подняться без посторонней помощи из–за рюкзака, съехавшего на затылок. На узкой тропе в горах это просто опасно.

 

Открытия ньютона

Кажется странным, что шар весом 1 килограмм падает так же быстро, как двухкилограммовый шар. Почему же тогда чем сильнее бросишь мяч, тем быстрее он летит? Это чем–то напоминает утверждение Аристотеля: чем тяжелее тело, тем быстрее оно должно упасть. Благодаря Галилею мы знаем, что это не так, но с трудом можем объяснить ситуацию с шарами и мячом.

Инерция – это стремление всех предметов оставаться в покое. Бревно или камень, о который ты споткнулся, не хочет начинать движение и, даже откатившись, довольно быстро останавливается.

В то же время тело, которое находится в движении по прямой линии, стремится продолжить движение. Именно поэтому резкая остановка автобуса вызывает смещение находящихся в нем людей в сторону кабины водителя –наши тела стремятся продолжить движение. Резкий старт автобуса вызывает падение пассажиров в сторону задней части салона. Это проявление инерции.

Если на велосипеде ехать с большой скоростью и резко затормозить, можно перелететь через руль. Именно поэтому езда на велосипеде, который может развивать большую скорость, без шлема – занятие довольно опасное.

Если бы Земля могла вдруг остановиться, то все, что находится бы на ней незакрепленным, оказалось бы сорванным с места силой инерции и улетело прочь. Если мы бросим из едущей машины огрызок в мусорный бак, с которым мы поравнялись, огрызок пролетит и упадет дальше благодаря инерции. Сначала, оторвавшись от руки, огрызок будет двигаться вперед со скоростью машины – так работает инерция.

Сила, с которой летящий футбольный мяч действует на вратаря, изменяется в зависимости от времени, которое нужно для того, чтобы мяч остановился. Если ты ловишь мяч жестко, напрягая мышцы, ты получишь сильный удар. Если же ловить мяч мягко, то есть немного сдвигать руки назад в момент, когда мяч попадает в руки, время остановки увеличивается и удар сильно смягчается.

По той же причине прыгают не на прямые ноги, а приземляются чуть согнув колени, чтобы, коснувшись земли, слегка продолжить движение за счет сгибания ног и смягчить удар. Если этого не сделать, можно сломать ногу. Также не стоит напрягать мышцы при падении, а в момент удара смещаться в ту сторону, куда направлена сила удара.

Для того чтобы ружье стреляло дальше, оно должно быть длинноствольным. Время движения пули в стволе увеличивается, и увеличивается время разгона, а, значит, и скорость пули. Чтобы дальше бросить камень, диск или метнуть копье, имеет смысл при броске разворачивать тело, продолжая рукой движение предмета. Так увеличивается путь, который предмет проходит, разгоняясь.

Чтобы дальше метнуть копье, нужно делать бросок, разворачивая тело, и продолжать рукой движение предмета

Тем, кто не знает законов движения, кажется странным, что можно раскрутить ведерко с водой, и, пока оно будет крутиться достаточно быстро, вода не выльется. Монетка, запущенная на столе, вращается в вертикальном положении, а волчок не падает до тех пор, пока не прекратит вращаться.

Когда автобус делает крутой поворот, пассажиры чувствуют, что на них действует сила, смещающая их к боковой стене. Эта сила называется центробежной. Она действует на все предметы, которые двигаются по окружности, стремясь отбросить предмет от центра окружности. Центробежная сила служит причиной того, что грязь летит с колес буксующего автомобиля, а искры – с точильного круга. Вода в стиральной машине в режиме отжима выходит через шланг под действием центробежной силы.

Эта сила используется для разделения смесей жидкостей. Если быстро вращать сосуд с молоком вокруг своей оси, то сливки, как более плотная часть, будут смещаться наружу, а более легкое обезжиренное молоко – ближе к внутренней части. Аппараты, которые позволяют делать такие разделения, называются центрифугами. Центрифуги используются в медицине.

Чем тяжелее тело, тем большая центробежная сила будет действовать на него. Центробежная сила возрастает при увеличении скорости. То же происходит при более крутых поворотах.

 

Как летают брошенные тела

Брошенные тела называют так не потому, что они никому не нужны, а потому, что они летят некоторое время независимо от силы, толкнувшей их вперед. Брошенные тела – это копье, мяч, пуля, снаряд, яблоко, летящее через забор.

Долгое время людям было неважно, как именно летают брошенные тела. Проблемой заинтересовались, когда появились пушки, которые стреляли так далеко, что трудно было понять, насколько точно ведется огонь и что происходит со снарядом, когда он исчезает из вида.

Если мы будем считать, что трение о воздух не стоит брать в расчет, то, запустив мяч вертикально вверх, мы увидим перевернутое падение, то есть чем выше мяч будет взлетать, тем медленнее будет его полет, пока он не начнет разгоняться ближе к земле.

Траектории полета ядра

Под каким углом к земле нужно бросить мяч, чтобы он улетел дальше всего? Если бросим его слишком круто вверх, то он красиво взлетит к небесам, но упадет не так уж далеко. Если запустить мяч над самой землей, он довольно скоро начнет снижаться и тоже улетит не так далеко, как хотелось бы. Если точка старта и точка приземления лежат на одной высоте, то лучшие результаты даст угол около 45°.

Спортмены–прыгуны, а также атлеты, которые заняты метанием диска или копья, пытаются добиться наибольшей скорости в начале движения. От этого зависит дальность полета. Медлительный человек не может стать чемпионом в этих видах спорта, если только не обладает необыкновенной силой. Именно для того, чтобы достичь наибольшей начальной скорости, удар бейсбольной битой или клюшкой для гольфа делают с разворота.

Прыжки в высоту требуют другого угла. Если их выполнять с места, то прыгать придется почти вертикально, а для того чтобы успешно прыгнуть с разгона, нужно стартовать под углом около 70°. Ракета, которая стартует в космос, начинает полет строго вертикально.

 

Работа

Понятия «работа», «мощность» и «энергия» сходны. Попытаемся разобраться, что к чему. Мыть пол, сидеть в школе, убирать снег – это работа, но и играть в футбол – это тоже работа. Держать над головой тяжелую штангу, конечно, нелегко, но с точки зрения физики – это не работа. Даже если нам удастся простоять довольно долго, работой это занятие для физика не станет.

Для физиков работа – это приложение силы на каком–то пути, а не за какое–то время. Достаточно нам сделать шаг вперед со штангой над головой, как физики смогут с уверенностью сказать, что мы совершили работу. То же самое произойдет, если мы немного опустим или приподнимем штангу, потому что при этом она изменит свое положение, следовательно, пройдет какой–то путь.

Неважно, сколько времени будет дворник чистить от снега каток – два часа или два дня. Сколько бы он ни потратил времени, он сделает одну и ту же работу, ведь он уберет то же количество снега. Но дворник, как известно, дворнику рознь, и один управляется быстрее другого. Здесь работа уже связана со временем – мощность дворника, который работает быстрее, больше.

Долгое время угольные шахты Англии затапливались водой, и для откачки воды использовались лошади. Так продолжалось до тех пор, пока англичанин Джеймс Уатт не приспособил паровую машину для того же дела. После этого он, довольный результатом своей деятельности, стал рассуждать, сколько лошадей заменила одна его машина. С этого расчета в мире появилась традиция измерять мощность в лошадиных силах. Двигатель автомобиля имеет мощность от нескольких десятков до нескольких сотен лошадиных сил, а тепловоз – несколько тысяч. Человек среднего веса, который хочет, чтобы о нем сказали, что его мощность равна одной лошадиной силе, должен научиться залезать по канату на три метра за три секунды.

Энергия тяжелого предмета, упавшего нам на ногу, такова, что может получиться очень больно, и сломается нога или предмет. Если все время кидать камень на одно и то же место, получиться ямка. Предмет, падающий на ногу, или камень, брошенный на землю, пролетают какое–то расстояние и, упав, оказывают воздействие на нас или почву. Энергия – это способность совершать работу. Чем с большей высоты брошен камень, тем глубже ямка, которую он оставит.

 

Какая бывает энергия?

Некоторые тела могут быть готовы совершить работу. Человек, лежащий на диване, готов отправиться на работу, хотя он лежит неподвижно. Вода в пруду, сдерживаемая плотиной, готова ринуться вниз и смыть огороды ниже по течению, но пока плотина цела, вода лишь готова совершить работу, но, к счастью, ее не совершает. Значит, вода обладает энергией, которая может быть использована. Такая энергия называется потенциальной. Согнутый, готовый к выстрелу лук, сжатая пружина, сжатый в баллоне газ готовы совершить работу, если им будет позволено прийти в движение.

Если мяч летит, машина едет, корабль плывет, – они совершают работу. Мяч, лежащий в верхней точке горки, обладает потенциальной энергией: он готов скатиться вниз. Когда он катится, его потенциальная энергия расходуется и переходит в движение.

Натянутая тетива лука и сжатая пружина готовы совершить работу

 

Механизмы, которые придумал человек

На каждой кухне можно увидеть мясорубку, консервный нож. В доме найдутся и пылесос, и стиральная машина. На даче топор, лопата, грабли – самые обыденные инструменты.

Заводы заполнены всевозможными механизмами – от гигантских прессов, способных работать с толстыми листами металла, до небольших автоматов, которые сортируют мелкие детали, упаковывают товары, считают и взвешивают, варят и клеят. Сложно найти область современной жизни, в которой не применяются компьютеры.

Среди механизмов, которые использует человек, есть и очень сложные, и простые. Чаще других в простых механизмах человек использует рычаг, ворот, наклонную плоскость, клин, винт и блоки. Попытаем понять, как все это работает.

Простейший рычаг

Если ты хочешь перевернуть бревно, можно воспользоваться палкой, подложив под нее, например, камень. Твоя палка и будет рычагом, а подложенный камень – точкой опоры. Если расстояние от камня до бревна меньше, чем длина палки от камня до твоих рук, ты сможешь перевернуть дерево, которое без помощи рычага не смог бы даже сдвинуть с места.

Попробуем поднять бревно на веревке. На первый взгляд, если нам едва удалось перевернуть его при помощи рычага, то не то что поднять, даже приподнять его мы не можем. Здесь нам помогут блоки. Бревно поднимается, и, хотя нам приходится вытягивать в 2 раза больше веревки, мы удвоили наши усилия по подъему бревна, а ведь наши руки и спина не стали сильнее. Так устроен блок, который очень помогает в работе, когда нужно поднять что–то наверх. Например, блоки используются в подъемных кранах.

Система блоков

Ворот, с которым мы сталкиваемся несколько раз в день, – это дверная ручка. Убедиться в ее необходимости можно, если попытаться повернуть стержень замка вокруг своей оси, не используя ручку. Даже человек с очень сильными пальцами не сделает этого или будет прилагать неимоверные усилия. То же самое происходит при попытке повернуть сломанный ключ. Пальцы проскальзывают по стержню, но стоить зажать его пассатижами, то есть создать «временный ворот», как ключ повернется.

Другое применение ворота – заднее колесо велосипеда, соединенное со звездочкой. Воротом называют механизм подъема ведра из колодца, и в этом случае ручка, соединенная с вращающимся стержнем, конечно, тоже работает по этому принципу.

Предположим, ты хочешь отправить далеким друзьям на юг огромную глыбу льда, достаточно большую, чтобы к концу пути от нее хоть что–нибудь осталось. Ни обхватить ее руками, ни тем более оторвать от земли ты не можешь. Вот приехал грузовик, который отвезет ее на почту. Тут нам бы помог подъемный кран с его блоками, но крана нет. Зато есть доска, которую одним концом можно положить на кузов грузовика, а другим поставить на землю так, чтобы получился пологий скат. Теперь по этой доске можно задвинуть глыбу в грузовик. Несложное приспособление, но без него трудно обойтись.

Если совместить две наклонные плоскости, то получится клин. Для того чтобы поднять ту же ледяную глыбу на высоту борта грузовика, мы можем, не передвигая ее, забить под нее постепенно расширяющийся деревянный брусок, который называют клин. Клин удобно использовать для того, чтобы расколоть узловатое полено, и так действительно делают, когда колют дрова. Клин используется в плуге, который входит в землю, клин – это острие ножа, бритвы и других режущих инструментов.

Использование клина

Если наклонную плоскость обвить вокруг какого–нибудь цилиндра, то получится винт. Можно рассмотреть болт, шуруп, штопор, чтобы понять, что именно имеется в виду. Винт тоже используют для подъема тяжелых предметов, например в домкрате. Гайка делает довольно много оборотов, прежде чем сместится на заметную высоту. Таким образом, гайка или груз, который на нее опирается, проходит гораздо более длинный путь по спирали винта, чем если бы мы просто попытались поднять груз вверх. Мы как бы затаскиваем этот груз по длинной наклонной плоскости. Это позволяет сэкономить много сил, и самый слабый водитель оказывается способным поднять машину за один угол, что ему и приходится делать каждый раз, когда нужно заменить колесо.

 

Как работают ременная и зубчатая передачи?

Если взять велосипед и перевернуть его, получится прекрасный инструмент для изучения передач. Звездочка, которая закреплена вместе с педалями, больше, чем та, что установлена на оси заднего колеса.

Крутанем педали. Видно, что пока мы сделали один оборот педалями, маленькая звездочка, а с ней и колесо совершили больше оборотов. Это позволяет не крутить педали с такой же бешеной скоростью, как и вращающееся колесо, а поворачивать их плавно, даже при быстрой езде. Правда, чем больше разница между передней и задней звездочками, тем большее усилие нужно для того, чтобы прокрутить педали.

Шестеренки разного размера передают усилие от педалей к колесу

Чтобы решить эту проблему в современных велосипедах, например горных, ставят несколько звездочек и механизм, который позволяет переключать передачи, не слезая с велосипеда. Если дорога плохая, например песчаная или глинистая, нужно, чтобы разница между звездочками была маленькой, тогда мы двигаемся медленно, зато нам хватает сил провернуть даже увязшее в грязи колесо. Если же мы едем по асфальту и хорошенько разогнались, можно увеличить разницу между звездочками и медленно поворачивать педали, двигаясь с большой скоростью.

Коробка передач, то есть несколько шестеренок разного размера, передает усилие от двигателя на колеса, в зависимости от скорости и дороги. Именно для переключения передач нужна ручка между передними сиденьями автомобиля.

 

Как устроено вещество?

Несмотря на то что атомы как мельчайшие части вещества были известны довольно давно, долгое время их никто никогда не видел, и они относились к той части научных открытий, в которые приходится верить, не имея возможности посмотреть, как именно все это устроено.

Относительно недавно микроскопы достигли достаточной мощности для того, чтобы с их помохцыо можно было увидеть структуру вещества. Разные вещества нужны для разных целей. Известно, что Томас Эдисон потратил годы, чтобы отыскать материал, пригодный для изготовления спиралей электрических лампочек. Поиски материалов для разных целей постоянно продолжаются. Все время требуются новые металлы, сплавы, пластики. Для того чтобы делать ножи, ножницы или лезвия, нужны твердые, прочные металлы, а для производства матрасов и подушек – легкие и мягкие материалы. Окно должно быть прозрачным, фундамент – долговечным, а шоссе – способным выдерживать постоянное движение тяжелых машин. Важно хорошо знать, как устроены различные вещества, чтобы все работало как следует.

Вопрос, какова природа вещества, был задан около 2000 лет назад поэтом и философом Лукрецием. Правильным ответом он считал утверждение, что все: вода, камни, животные, деревья – состоит из крошечных частичек, которые он называл корпускулами, или атомами. Он полагал, что атом нельзя раздробить, сломать, разрезать или разделить каким–то другим способом. Лукреций считал, что если чашу воды разделить на несколько капель, а каждую каплю еще на множество капель, то, продолжая такое деление дальше и дальше, в конце концов можно добраться до атомов, которые разделить не удастся.

В те же времена была популярна и другая теория, согласно которой вещество представляет собой сплошную, ровную массу без свободных промежутков, независимо от того, золото это или вода. Но эти промежутки должны существовать, если все состоит из частиц. Сторонники теории непрерывных веществ утверждали, что каплю воды, какого бы размера она не была, всегда можно разделить на еще более мелкие части.

Согласно теории Лукреция, все вещества построены из небольшого количества атомов, подобно тому, как бесконечное множество слов может быть составлено из букв одного и того же алфавита. Считалось, что атомы – это крошечные кирпичи мира, поэтому для того, чтобы изучать свойства веществ, нужно хорошо представлять себе свойства атомов.

Идея хороша, но, как и всякая идея, она требует доказательств. По традиции, ученые должны доказать, почему они считают идею верной, даже если никто не оспаривает их мнений.

Если атомы существуют, то каковы их размеры? Если мы разольем какую–нибудь жидкость тонким слоем, то толщина этого слоя будет зависеть от размера атомов. Если на поверхность огромного озера капнуть каплю масла, она будет растекаться до определенных пределов – до тех пор, пока самые маленькие частицы масла не окажутся выстроенными в один слой. Если бы таких частиц не существовало, капля масла продолжила бы растекаться, а слои становились бы все тоньше и тоньше до тех пор, пока масло не уперлось бы в берега озера. Но этого не происходит.

Кроме того, поскольку между частицами вещества находятся промежутки, между ними могут уместиться частицы другого вещества, как сможет уместиться песок в корзину, доверху наполненную картошкой. Примерно так же частицы соли умещаются между частицами воды. Если мы возьмем стакан воды и наполним его до краев так, чтобы нельзя было больше прилить ни одной капли, и будем осторожно всыпать в него соль, нам удастся всыпать почти чайную ложку, прежде чем вода начнет переливаться через край. Нам не удалось бы сделать это, если бы между частицами воды не было промежутков.

Между частицами вещества находятся промежутки,в которые могут уместиться частицы другого вещества.Именно поэтому в полный стакан воды удается всыпать чайную ложку соли, не расплескав ни капли

Если взять литр спирта и литр воды и смешать их, итоговый объем окажется меньше двух литров. Это происходит потому, что частицы спирта заполняют пустые промежутки между частицами воды, так же, как в случае с солью.

Такие пустые промежутки между частицами есть не только в жидкостях и газах, но и в твердых телах. В этом можно убедиться, если знать, что под большим давлением вода проходит сквозь стенки металлического сосуда. Ядовитые газы проходят сквозь докрасна раскаленные стенки железных печей. Незнание этого факта стало причиной нескольких смертельных случаев.

 

Что такое элементы?

Вряд ли является тайной, что воду можно разделить на водород и кислород, а соединив их обратно, можно получить воду. Значит, самая маленькая частица воды может быть разделена на две части.

Попробуем разделить кислород и водород. Многие годы, с тех пор как были открыты эти газы, не было придумано способа разложить их на еще более простые вещества. Это послужило причиной того, что водород и кислород стали называться химическими элементами, или просто элементами, то есть «простыми». Считается, что химические элементы состоят из атомов. Английский химик Дальтон писал, что атомы неделимы, вечны и не могут быть уничтожены. Ньютон утверждал, что атомы так тверды, что не могут износиться или сломаться на куски.

Атомы одного элемента не отличаются друг от друга, но атомы другого элемента отличаются от них. Сегодня известно более 100 элементов, из которых в природе встречаются чуть меньше 90. Остальные были получены искусственно и существуют очень недолго.

 

Что такое молекулы?

Молекула – это самая маленькая частица вещества, которая сохраняет все его свойства. То есть молекула воды, например, все еще сохраняет свойства воды, но если ее разделить, то получатся атомы с другими свойствами – водород и кислород.

Молекулы бывают очень разными. Они могут состоять из одного, нескольких или очень большого количества атомов. Молекулу могут образовывать одинаковые или разные атомы. Например, молекула воды образуется при соединении двух атомов водорода и одного атома кислорода. Известны сотни тысяч химических соединений, и каждый год открывают все больше новых. Как и слово, которое может быть составлено из букв, химические соединения могут быть составлены из элементов в невероятных количествах и сочетаниях.

Молекулы: 1–водорода; 2–нафталина

В твердых и жидких телах молекулы удерживаются вместе. Между ними действуют силы притяжения. Эти силы удерживают атомы железа в куске металла, атомы углерода в куске алмаза и молекулы воды в куске льда или капле воды. Силы притяжения между молекулами в твердых телах самые сильные. Именно поэтому твердое тело трудно разломать на части. Оно сопротивляется дроблению, и его трудно сжать или разорвать. Трос толщиной всего несколько сантиметров может удержать тепловоз, поднятый в воздух. Силы притяжения между молекулами не дают молекулам в твердом теле двигаться так, как это происходит в жидкостях и газах. Они сохраняют свое положение более или менее постоянным.

В жидкостях молекулы связаны между собой, но не так сильно, как в твердых телах. Галилей обнаружил это свойство жидкости, когда смотрел на капли воды на капустных листьях и обнаружил, что вода не растекается по всему листу, а остается в виде компактной капли. Такие же капли образуются, если вода оказывается пролитой на жирную поверхность. Сцепление молекул в газах очень слабое.

Если молекулы одного вещества притягиваются к молекулам другого вещества, говорят, что произошло смачивание или слипание. Сила смачивания может быть очень большой, например, между клеем и деревом, водой и стеклом, маслом и металлом. Смазка удерживается в подшипниках машин, несмотря на большое давление. Если бы смачивания не было, руки никогда не стали бы грязными.

Вода поднимается вверх по кусочку сахара

Иногда важно, чтобы смачивание было низким. Например, чтобы ткань не промокала, ее покрывают водоотталкивающим раствором, который уменьшает смачивание ткани водой. Плохо смачиваются водой жирные и маслянистые поверхности.

Силы смачивания оказываются порой сильнее, чем силы притяжения между молекулами. Они бывают настолько велики, что могут заставить подниматься воду вверх по промокательной бумаге или губке, так же чай поднимается вверх по кусочку сахара, которым коснулись поверхности чая.

 

Как действует сила поверхностного натяжения?

Если смазать иглу жиром и аккуратно положить ее на поверхность воды в стакане, она не утонет, хотя сделана из металла. Если присмотреться к этой иголке повнимательнее, то можно заметить, что пленка воды под ней немного прогибается. Сила сцепления между молекулами на поверхности воды достаточна для того, чтобы не дать иголке прорваться сквозь поверхность. Сила, удерживающая иголку на воде, называется силой поверхностного натяжения.

Эта сила играет огромную роль в жизни мелких животных. Мы заходим в реку или озеро и спокойно выходим обратно, даже не вспоминая о том, что сила поверхностного натяжения существует. Это происходит потому, что по сравнению с нашей силой и размерами поверхностное натяжение ничтожно.

Бабочка, муха или жук, упавшие на поверхность воды, скорее всего, никогда не смогут подняться в воздух. Дело не в мокрых крыльях, которые могут и высохнуть, а в том, что сил насекомого недостаточно, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения воды.

Сила, удерживающая иголку на поверхности воды, называется силой поверхностного натяжения

Но есть животные, которые используют эту силу себе на пользу. Наиболее известны водомерки. Их лапки покрыты снизу несмачивающимися волосками, которые позволяют водомеркам скользить по водной глади, как на коньках, лишь слегка прогибая поверхностную пленку. Для них водная гладь водоема – огромная ловушка, которая бесперебойно обеспечивает водомерке, питающейся упавшими на поверхность воды насекомыми, поставку корма.

Некоторые водные беспозвоночные скользят по поверхностной пленке, подплывая к ней снизу, а жуки–вертячки рассекают ее, находясь наполовину в воде, а наполовину – в воздухе. Такой образ жизни стал причиной того, что глаз вертячки разделен на две половины: нижняя служит для подводного зрения, а верхняя – для воздушного. Эти приспособления обеспечивают вертячкам добрую охоту.

Кроме того, поверхностная пленка воды передает колебания, которые используются этими охотниками как сигнал, сообщающий о падении в воду жертвы или приближении другой водомерки или вертячки.

Вследствие поверхностного натяжения падающая капля принимает шарообразную форму. Зная это, можно приготовить дробь, если выливать расплавленный свинец в воду через маленькие отверстия. Капля жидкости стремится иметь как можно меньшую площадь поверхности, а при том же объеме это значит стать похожей на шар.

Формирование капли

Если аккуратно налить спирт поверх воды, то можно увидеть границу, разделяющую эти жидкости. Если теперь капнуть в этот сосуд масло, то будет видно, как оно не утонет в спирту, но будет плавать, расположившись между слоями спирта и воды в виде шара.

Галилей обнаружил, что почти невозможно заставить иголку плавать на поверхности спирта. Если добавить спирт в каплю росы, она растечется по листу, заняв большую площадь. Это происходит из–за того, что сцепление между молекулами спирта меньше, чем между молекулами воды, поэтому меньше сила, которая могла бы удержать на поверхности предмет. Если каплю спирта капнуть в воду, на которой уже плавает иголка, она утонет.

Итак, есть вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение воды. Кроме спирта, это, прежде всего, мыло и другие моющие средства. При этом вода получает способность проникать в трещины и щели, в которые раньше не могла бы проникнуть из–за силы поверхностного натяжения. Поэтому сухая ткань, брошенная в мыльную воду, тонет быстрее, чем в чистой воде, а утки и гуси, попав в мыльную воду, с трудом смогли бы держаться на поверхности. По тем же причинам раствор спирта в воде может проникнуть сквозь стенки сосуда, который в обычных условиях не пропускает воду.

Так как спирт и мыло уменьшают силу поверхностного натяжения, они увеличивают смачивание. Именно по этой причине руки гораздо легче отмыть с мылом, а одежду выстирать со стиральным порошком. Мыльная вода обволакивает капельки жира, а чистая вода просто скатывается с жирной поверхности. Смачивающие вещества нужны не только для мытья и стирки. Использование подобных веществ в фотографии позволяет сильно сократить время проявки и закрепления фотопленки и ускорить печать.

 

Привет участникам броуновского движении!

В начале XIX века англичанин Роберт Броун. рассматривал банку с водой. Мелкие нерастворимые частицы в банке находились в постоянной хаотической пляске без видимых причин. Это движение стало называться броуновским в честь человека, который совершил важное открытие, глядя в банку с водой.

Движение частиц происходило потому, что мелкие частицы постоянно толкают молекулы воды, ударяющие их то сверху, то сбоку. То же происходит с частичками табачного дыма, которые двигаются, потому что их толкают частицы воздуха.

Броуновское движение частиц: чем быстрее двигаются молекулы,тем выше температура жидкости

Броуновское движение можно увидеть самим, если растворить в воде краску, а потом посмотреть на нее в микроскоп. Можно увидеть, как частицы краски постоянно подскакивают от невидимых ударов молекул воды. Частички краски на самом деле огромны по сравнению с молекулами воды. Если поверх одной жидкости налить другую и оставить их на некоторое время, то можно будет увидеть, что граница между ними исчезла, и две жидкости перемешались. Это происходит благодаря движению молекул. Чем быстрее двигаются молекулы, тем выше температура вещества.

 

Откуда мы берем энергию?

Практически все источники энергии, которые мы используем для получения тепла, ведут свое начало от Солнца. В течение многих веков солнечная энергия накапливается в виде нефти, каменного угля и газа. Даже ветер, который в прошлом крутил мельницы и надувал паруса кораблей, обязан своим появлением Солнцу.

Запасы угля, нефти и газа подходят к концу, поэтому люди пытаются найти другие источники энергии – прямо использовать солнечные лучи. Существует мнение, что прямое использование солнечных лучей может стать даже более выгодным, чем использование атомной энергии.

Долгие годы считалось, что тепло – это вещество «теплород». Может быть, нагревание или охлаждение – это передача энергии? Хорошо бы узнать, что такое температура и как ее измеряют, и что происходит с телом, когда оно охлаждается или нагревается. Ученые прошлого считали, что тепло – это особая жидкость, которая может перетекать от одного тела к другому: при нагревании теплород проникает в тело, а при охлаждении покидает его.

Известно, что большинство тел при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается. Кажется, что это доказывает существование теплорода, который при нагревании как бы занимает место и заставляет тела расширяться, а при охлаждении покидает его.

Но есть вещества, которые при нагревании сжимаются, а при охлаждении расширяются. Если бы в тело проникало какое–то загадочное вещество, а потом покидало его, масса этого предмета должна была бы измениться, но этого не происходит.

Может быть, тепло – это энергия? Американский инженер Томсон наблюдал за тем, как сверлили металл, и заметил, что чем более тупыми были сверла, тем сильнее они нагревались. Что же вызывает разогрев? Видимо, само сверление, то есть тепло – это энергия.

К таким же выводам можно прийти, если тереть на морозе два куска льда. Несмотря на то, что лед холодный и воздух вокруг тоже, лед начнет плавиться. Единственным источником появления тепла на таком холоде может быть только само трение. Можно для тех же целей взять монетку и начать тереть ее о дерево или грубую ткань. Через несколько секунд монета разогреется так, что ее будет трудно удержать в руках.

 

Что происходит при нагреве и охлаждении?

Чем выше становится температура, тем активнее двигаются молекулы вещества (чем бы оно ни являлось – газом, жидкостью или твердым телом). Все молекулы находятся в постоянном движении, если только температура не опускается до минус 273°С. Эта температура, которая называется абсолютным нулем, достигается, когда всякое движение молекул полностью прекращается.

Если зимним вечером в трескучий мороз вынести на улицу чашку с кипящей водой, чашку с раскаленным до такой же температуры песком и большую бочку с теплой водой, через некоторое можно будет увидеть, что первым до 0°С остынет песок, потом замерзнет вода в чашке, а на бочке лед появится в последнюю очередь. На скорость остывания, кроме температуры, влияет и размер предмета.

Если нагревать емкость со льдом, температура не будет подниматься выше нуля, пока весь лед не растает. Лед тает при температуре 0°С, при этой же температуре вода начинает замерзать.

Иногда, выйдя из дому, думаешь, что на улице тепло, но, пройдя некоторое время, понимаешь, что на самом деле довольно холодно. Если жарким летним днем спуститься в подвал, то покажется, что там очень холодно, хотя температура там плюс 2СГС. Человеческие ощущения не самый лучший метод для измерения температуры.

Возьмем на кухне три кружки и нальем в одну горячую, но не обжигающую воду, в другую – теплую, а в третью – холодную. Теперь палец левой руки опустим в горячую воду, а правой – в холодную. Стоит подождать, пока пальцы привыкнут к температуре воды, в которую они опущены. Теперь одновременно вынем пальцы из чашек и засунем их в чашку с теплой водой. Оказывается пальцу, который был в горячей воде, стало холодно, а палец из холодной воды, наоборот, в теплой воде согрелся.

Температура теплой воды может быть точно измерена при помощи термометра, а наши ощущения сильно зависят от условий, в которых мы находились до опыта.

Большая часть термометров работают на основе простого свойства вещества расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. В самом первом термометре в качестве расширяющегося и сжимающегося вещества был взят обычный воздух. Изобрел этот термометр Галилей. Этот прибор представлял собой перевернутую колбу с воздухом, опущенную горлышком в сосуд с водой. Прибор был не точен, так как показания термометра зависели от изменчивой погоды, а именно, атмосферного давления. Но и это был важный шаг вперед. Термометр Галилея позволил измерить температуру у больного лихорадкой. Так, впервые, был «поставлен градусник».

Опыт с водой разной температуры

В следующих моделях термометров вместо воздуха стали использовать подкрашенную жидкость. Но и эти приборы работали плохо, потому что жидкость испарялась. По настоящему термометры вошли в жизнь человека, когда кто–то из учеников Галилея догадался запаять трубку с жидкостью.

Термометр Галилея. Рисунок из рукописи

Существуют разные термометры для разных целей. Большая часть термометров, которые можно встретить в доме человека, содержат спирт или ртуть. Спирт замерзает при минус 112°С, а кипит – при плюс 72°С. Это делает спирт удобным для уличных термометров. Ртуть замерзает при минус 39°С, поэтому ртутные термометры нельзя использовать в районах с очень низкими температурами, но зато кипит при 357°, поэтому очень удобна для измерения высоких температур. Так устроены химические и технические термометры для измерения высоких температур.

В медицинских термометрах тоже используется ртуть, что делает их более точными. Для того чтобы ртуть в термометре не опускалась, пока врач подносит термометр к глазам, отверстие в нижней части термометра, около шарика, очень маленькое. Поэтому, чтобы заставить ртуть пройти сквозь него перед тем, как мерить температуру тела, нужно термометр встряхнуть.

Одни из самых точных термометров – газовые. Они позволяют измерять температуру от абсолютного нуля до полутора тысяч градусов.

 

Расширение и сжатие

Если вещество нагреть, то оно расширяется, то есть увеличивается в объеме. Для некоторых сторон нашей жизни это довольно важное свойство, которое нужно учитывать при прокладке железных дорог, ведь в жаркий день горячий металл расширяется, а на морозе сжимается. Поэтому зимой расстояние между рельсами увеличивается, и сильнее стук колес.

Вода тоже расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, но с водой не все просто. При охлаждении вода продолжает сжиматься до температуры 4°С, а при дальнейшем охлаждении начинает расширяться. Когда замерзает пруд, вода в нем сжимается до тех пор, пока не достигнет 4°С. После этого те слои, которые продолжают охлаждаться, снова поднимаются вверх, потому что обладают меньшей плотностью, чем 4–градусная, самая плотная вода. Если по–прежнему холодно, верхние слои воды замерзают и расширяются еще сильнее. Поэтому лед плавает на поверхности, а не опускается на дно. В крупных водоемах вода никогда не промерзает до дна, потому что самые плотные слои воды опускаются на дно и всю зиму сохраняют температуру 4°С. Если бы этого не происходило, озера промерзали бы до дна, а за лето не успевали бы оттаивать, и жизнь в воде не смогла бы существовать.

 

Как сделать шкалу для термометра?

Как же добиться того, чтобы все термометры показывали температуру по единой шкале? Для того чтобы сделать такую шкалу, надо сверить термометр с двумя точками температуры, которая не меняется. Впервые за такие точки приняли температуру снега в холодный зимний день и температуру тела животного. Потом стали в качестве верхней точки брать температуру расплавленного масла. Но температуры снега, животного и растопленного масла не могут считаться точными. Температура снега зависит от того, насколько морозно на улице. Разные виды животных имеют различную температуру, которая, кроме того, меняется в зависимости от состояния животного, а масло плавится при разных температурах в зависимости от его состава.

В 1714 году в Америке Фаренгейт ввел новую шкалу температуры. Нижней точкой шкалы стала температура смеси льда, нашатыря и соли. Фаренгейт думал, что это самая низкая температура, которую можно получить искусственно, и обозначил ее за ноль, а температуру человеческого тела – 99°. По этой шкале вода замерзает при 32°F, а кипит при 212°F. Латинская буква F обозначает, что измерения проведены по шкале Фаренгейта.

В наши дни большая часть термометров наполняется ртутью, а за ноль принимают точку замерзания воды; 100° считают точкой кипения воды. Эту шкалу ввел в употребление шведский ученый Цельсий в 1742 году, и она называется стоградусной.

 

Что такое теплоемкость?

В конце весны и начале лета мы с нетерпением ждем дня, когда вода в озере нагреется, чтобы можно было купаться. Земля нагревается гораздо быстрее, чем вода. Ветер перемешивает воду, заставляя холодные глубинные слои воды подниматься на поверхность, и снова нужно тепло для их нагрева. Земля же нагревается с поверхности. Если вырыть достаточно глубокую яму, можно достичь слоя, в котором температура сохраняется постоянной.

Скорость нагрева различных веществ неодинакова. Она зависит от теплоемкости. Теплоемкость воды больше, чем теплоемкость земли, то есть при одном и том же объеме для нагрева воды нужно больше тепла, чем для нагрева земли. Для того чтобы нагрелось большое озеро, нужно больше времени, чем для нагрева маленького пруда или лужи; мелкие водоемы нагреваются быстрее глубоких.

Мелкие водоемы могут нагреваться и от дна. Солнечные лучи в таких озерцах проникают до дна и нагревают темный ил или песок, превращаясь в тепло. Нагретая от дна вода постепенно поднимается вверх.

Люди, которые живут вблизи больших озер, хорошо знают, что такое большая теплоемкость воды. Озера медленно нагреваются весной и долго остывают осенью, поэтому в таких местах хорошо вызревают плоды. Поскольку озера медленно нагреваются, теплая весна около больших озер наступает позже, и деревья не распускаются слишком рано и поэтому не страдают от заморозков. Осенью дольше держится теплая погода, поэтому плоды могут зреть дольше, не подвергаясь опасно

сти замерзания. Такие условия наблюдаются в так называемом «плодовом поясе» вблизи озера Мичиган. Близость больших масс воды обеспечивает мягкий климат многих земель, в том числе Гавайских и Британских островов, Норвегии, Флориды и Южной Калифорнии.

Мелкие водоемы могут нагреваться и от дна

 

Как испаряется вода?

Если налить воду в открытую посуду и оставить на несколько дней, вода исчезает. Это происходит благодаря испарению. Испарение происходит быстрее, если нагревать жидкость. Кроме того, можно вспомнить, что мок

рое белье быстрее высыхает на ветру, чем в тихую погоду. Вода из бутылки испаряется дольше, чем такое же количество воды, налитое в тарелку. Если же бутылку заткнуть пробкой, то вода вообще не будет испаряться. Если же мы нальем в тарелку не воду, а такое же количество спирта, то спирт испарится быстрее. Жидкости, которые быстро испаряются, называются летучими.

Если на берегу моря ветрено, то, выходя из воды, мы быстро замерзаем. Испарение требует затрат тепла, поэтому мы охлаждаемся. Жидкость испаряется благодаря тому, что молекулы двигаются, и некоторые из них оказываются быстрее остальных, они могут отрываться с поверхности и уноситься в пространство. Отправляясь в полет, молекула уносит с собой и часть энергии, поэтому жидкость при испарении охлаждается. Чем выше температура, тем быстрее носятся молекулы, и тем больше их может оторваться и отправиться в полет. Поэтому нагретая жидкость испаряется быстрее холодной.

Некоторые из улетевших молекул возвращаются обратно, но жидкость в сосуде продолжает убывать, если их улетает больше, чем возвращается. Если заткнуть бутылку пробкой, то вскоре количество улетевших с поверхности молекул за минуту станет равно количеству вернувшихся обратно за то же время. Воздух над жидкостью в заткнутой бутылке станет насыщенным паром. В таком паре количество молекул, одновременно находящихся в воздухе, не может увеличиться, и если с поверхности взлетит еще пять молекул, столько же упадет обратно в жидкость.

Жидкость испаряется благодаря тому, что некоторые молекулы могут оторваться от ее поверхности. Нагретая жидкость испаряется быстрее холодной

Если воздух разрежен, то улетающие с поверхности молекулы воды реже сталкиваются с молекулами воздуха. Становится меньше ударов, возвращающих улетевшие молекулы обратно в жидкость, и она начинает испаряться сильнее.

Испаряться могут и некоторые твердые вещества. Нафталин, который раньше использовали для отпугивания моли в шкафах с шерстяной одеждой, как раз относится к таким веществам. Молекулы этих веществ отрываются прямо с поверхности твердого тела, не превращаясь предварительно в жидкость. Этот процесс называется сублимацией, или возгонкой. Кроме нафталина такой способностью обладают кристаллы йода, лед, камфара. «Сухой лед», который используют в киосках с мороженым, испаряется очень быстро.

 

Как кипит вода?

Если взять чайник, налить в него воды, поставить на огонь и наблюдать за тем, что будет происходить с закипающей водой, можно увидеть, что вначале по всему чайнику появятся маленькие пузырьки. Это воздух, который был растворен в воде. Поскольку мы нагреваем воду снизу, пузырьки пара будут образовываться на дне чайника и всплывать вверх, чтобы в верхних более холодных слоях снова превратиться в воду. Когда температура поднимется еще выше, пузырьки пара начнут достигать поверхности, и из чайника пойдет пар.

Если поместить в кипящий чайник термометр, мы увидим, что как бы мы ни прибавляли огонь, температура кипения останется той же. Поэтому нет смысла прибавлять огонь, чтобы быстрее приготовить еду: потребуется то же время – важно, сколько продукты провели в воде с температурой 100°С, а не то, как бурно эта вода кипела. Так происходит потому, что все тепло, которое подходит к кипящему сосуду, идет на разрыв связей между молекулами, которые, освободившись, становятся частью пара.

 

Как работает холодильник?

Чтобы разобраться в этом тонком и полезном приборе, нужно понять, как газ превращается в жидкость. Для того чтобы превратить газ в жидкость, его нужно охладить или сжать. Быстро добиться успеха можно, проделав и то и другое. Если газ превратили в жидкость, выделилась теплота. Если наоборот, жидкость превратили в пар, все, что касается этого сосуда, охлаждается.

Именно это происходит в холодильнике. Жидкость попадает в испаритель, откуда насос откачивает газ, и охлаждает стенку холодильника. Образовавшийся газ поступает в насос и охлаждается. При этом задняя сторона холодильника нагревается.

 

Как путешествует тепло?

Теплая печь в доме обогревает воздух во всех помещениях, тепло распространяется по всем комнатам. Если помешать угли кочергой, то ручка, за которую мы держимся рукой, тоже постепенно нагреется. Тепло Солнца как–то добирается до Земли, несмотря на огромное расстояние, которое их разделяет.

В жидкости и газе тепло может распространяться вместе с движущимися молекулами. В твердых телах происходит нечто подобное, когда колебания одних молекул передаются соседним и так далее. Так нагревается ручка кочерги. В космосе, где нет молекул, теплота передается по–другому.

Дым, выходящий из печной трубы, может подниматься прямо вверх или стелиться по земле. По небу плывут кучевые облака. Вверх к потолку поднимается дым сигареты. Все это происходит потому, что воздух нагревается неравномерно. Когда какая–то часть воздуха нагревается сильнее, она расширяется и становится менее плотной. Более холодный и плотный воздух опускается вниз. Такое перемешивание называется конвекцией.

Конвекция может происходить и в жидкости. Зимой в нашем доме тепло благодаря тому, что нагретый батареей или печью воздух перемешивается с холодным, это происходит во всех отапливаемых помещениях. Именно конвекция служит причиной того, что на нашей планете дуют ветры. Ветер несет изменение погоды, от которой часто зависит многое в жизни людей.

В твердых предметах молекулы не могут двигаться, поэтому конвекция в них невозможна. Зато тепло может передаваться от одной молекулы к другой. Так нагревается сковорода. Пламя газа вызывает колебания молекул металла в сковороде, и она разогревается. Этот процесс называется теплопроводностью.

Конвекция в помещении

В быту есть немало примеров того, что одни тела нагреваются быстро, а другие медленно. Алюминиевая ложка в стакане чая очень быстро становится нестерпимо горячей, а стальная продолжает довольно долго оставаться теплой. По сравнению с металлической деревянная ложка вообще почти не нагревается. Значит, сталь лучше проводит тепло, чем дерево, а алюминий – лучше, чем сталь. Если, сидя на стуле, коснуться металлической и деревянной его частей, покажется, что металлическая холоднее. На самом деле весь стул был одинаковой температуры, просто металл быстрее отнимает тепло пальцев и поэтому кажется холодным.

Поэтому ручку сковороды обычно делают из материала, который плохо проводит тепло, иначе теплопроводность металла сковороды стала бы причиной ожога. Для того чтобы донести очень горячую чашку, мы берем подставку или поднос. Посуда обычно делается из материалов, которые плохо проводят тепло, поэтому мы не обжигаемся о край чашки или тарелки.

Светлая одежда из хлопка неплохо отражает солнечные лучи летом, когда лишнее тепло нам ни к чему, а зимой одежда из темной шерсти хорошо поглощает тепло. Кроме того, в шерстяной одежде задерживается много воздуха, который сам по себе отлично изолирует нас от холода.

Чтобы воздух сохранял тепло, он должен быть неподвижен. Поэтому в стенах домов, построенных в местах с холодным климатом, довольно много полостей, содержащих воздух. Отверстия в кирпиче, двойные стены и рамы – все это защита от холодов.

Один из самых лучших способов сохранить тепло используется в термосе. Поскольку термос затыкают пробкой, конвекция оказывается невозможной. Стенки колбы термоса покрыты изнутри серебристым напылением, и эта зеркальная поверхность отражает большую часть теплового излучения. Колба двойная: из пространства между внутренней и наружной стенками колбы воздух откачан. Поэтому там просто нет молекул, которые могли бы передать тепло путем теплопроводности. Так в термосе реализована защита от всех трех типов передачи тепла.

 

Как греет солнце?

И конвекция и теплопроводность действуют через частицы вещества. Огромные пространства космоса, разделяющее Землю и Солнце, почти не содержат молекул, тем не менее все знают, что Солнце греет. Такая передача теплоты называется излучением.

Благодаря излучению тепло костра можно ощутить, даже находясь довольно далеко от него. Но сразу ставится холодно, если кто–то закрывает от нас пламя. Значит, воздух был и остался холодным, а тепло доходило прямо от костра.

Считается, что тепло в таких случаях передается при помощи особых тепловых волн, испускаемых источником излучения, например Солнцем или костром.

Излучение есть у всех тел, температура которых выше абсолютного нуля. Эти волны особенно хорошо улавливаются темными телами. Мы можем видеть лишь часть этих волн, только те, которые испускают очень горячие тела, например Солнце, спираль лампочки, тлеющие угольки.

Разные поверхности могут отражать или поглощать эти волны. Если тело поглощает тепловые волны, оно нагревается так же, как нагревается в солнечный день черная куртка. Если в тот же день надеть серебристый костюм, то в нем будет холоднее, потому что серебристая поверхность отражает много тепловых волн. Все тела отражают и поглощают тепловые волны.

Не все вещества прозрачны для тепловых волн. Вода, например, не пропускает теплового излучения, зато хорошо пропускает свет, а раствор йода – наоборот. В оранжерее стекла действуют как ловушки тепла, пропуская свет солнца, но не выпуская тепло на улицу.

Количество тепла, которое мы получаем через излучение, зависит от расстояния. Земля получает гораздо больше солнечного тепла, чем, например, Плутон, самая далекая планета Солнечной системы. Даже Марс, следующая после Земли планета от Солнца, получает в 2 раза меньше тепла, чем Земля.

 

Как связаны тепло и работа?

Тепло можно превратить в работу. Доказательством этого может служить существование большего количества тепловых двигателей и тепловых электростанций. Горячий пар способен совершать работу, если ему предоставлена возможность расширяться. Это было использовано в первых паровых машинах и паровозе. Температура пара при этом понижается.

Для того чтобы превратить энергию, содержащуюся в органических веществах, в тепло, их, как правило, нужно сжечь. Мы делаем это, когда сжигаем стволы деревьев, каменный уголь, природный газ и нефть – все это примеры тел, которые хранят запасы энергии. Каждый, кому приходилось часто разводить костры, знает, что древесина некоторых деревьев горит жарче. Так и все остальные типы топлива выделяют разное количества тепла.

Пища, которую мы едим, используется в нашем организме, в том числе как топливо. Пища нужна для поддержания постоянной температуры тела, возобновления тканей и физической работы. Часть энергии пищи может быть запасена в виде жира и использована, например, во время болезни. Доказано, что лишь треть энергии, которую человек пополняет при помощи пищи, используется для работы мышц. Разная пища содержит разные вещества и запасы энергии. Жир и сахар дают нам больше энергии, чем сок или молоко.

 

Как устроена паровая машина?

Считается, что первой паровой машиной стала игрушка, которая была изобретена около 4000 лет назад Героном Александрийским.

Первая паровая машина Герона Александрийского

Она состояла из пустотелого шара и двух загнутых трубок. Если такой шар закрепляли над огнем, то пар, вырываясь из трубок, заставлял шар вращаться.

Несмотря на давность идеи, впервые с пользой применять пар стали в XVIII веке. Начало паровой эпохи связывают с именем английского кузнеца Томаса Ньюкомена, который придумал паровую машину для откачивания воды из угольных шахт.

 

Что такое влажность?

Если и есть на свете что–то, что интересно, безусловно, всем, то это, наверное, прогноз погоды. Ведь часто от погоды зависит, что именно мы решаем делать. Мы можем поехать за город и провести время на природе, а можем покататься на коньках, на лодке под парусом, поплавать или пробежаться на лыжах.

От климата зависят одежда и тип жилищ в данной местности. Каникулы могут из–за погоды превратиться в кошмар, а могут стать самым лучшим временем года. От погоды зависит, здоровы ли люди или болеют. Климат одной местности оказывается более или менее постоянным, а погода может полностью поменяться за один день. Что же вызывает изменение погоды?

Одним из самых важных свойств воздуха является влажность. Даже над пустыней воздух не бывает совсем сухим. Вода испаряется с поверхностей морей, океанов, рек и озер. Это приводит к тому, что в воздухе постоянно содержится около 4% воды.

Вода не может испаряться все время. Воздух на определенном этапе перестает принимать в себя водяные пары. Такая предельная влажность воздуха считается 100%. Если говорят, что относительная влажность воздуха 75%, это значит, что воздух на три четверти (75%) исчерпал свои возможности по насыщению водой.

От влажности часто зависит состояние людей. Если воздух сухой, испарение воздуха через выдыхание идет быстрее, чем во влажном воздухе. При таких условиях человек замерзает быстрее. Чем быстрее испарение, тем больше охлаждается тело. Для того чтобы человек чувствовал себя хорошо, нужно чтобы воздух был насыщен влагой на 40–60% от возможного, то есть его относительная влажность должна быть 40–60%. Однако зимой в наших домах, школах и других помещениях влажность редко бывает выше 20%. Такие условия не прибавляют здоровья людям.

В ясную, холодную ночь листья, трава и другие предметы охлаждаются так сильно, что воздух, который соприкасается с ними, уже не может удерживать содержащийся в нем пар, и часть его выпадает в виде капель воды, которые мы называем росой. Если температура совсем низкая, то замерзшая роса называется инеем.

 

Как солнце влияет на погоду?

Погода во всем мире постоянно меняется, и в этих изменениях участвуют солнечное излучение, влага и воздух. Солнце вызывает изменения во влажности воздуха и различия в атмосферном давлении в разных точках Земли. Поэтому возникают ветры, которые переносят над сушей водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана или озера.

Схема циркуляции атмосферы

Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, большая часть теплого воздуха поднималась бы в районе экватора, в самой жаркой части Земли. Причиной подъема более теплого воздуха, как мы уже знаем, служит его расширение при нагревании. Холодный воздух спускался бы к поверхности, в основном около полюсов.

Вращение планеты вызывает смещение поднявшегося над экватором воздуха, и через некоторое время он движется уже не на север, а почти точно на восток. В этих районах образуются области высокого давления, потому что там происходит накопление воздуха. Отсюда воздух начинает двигаться к северу, и это служит причиной возникновения западных ветров. А там воздух, который возвращается к экваторам, становится северо–восточным и юго–восточным пассатом. Эти два знаменитых ветра сталкиваются в районе экватора и вызывают штиль.

Воздух вблизи экватора нагревается в основном потому, что соприкасается с теплой водой. Это делает его очень влажным. По мере того как влажный воздух поднимается вверх, он расширяется и охлаждается, поэтому высоко в воздухе как бы выпадает роса. Образовавшиеся маленькие капельки воды мы видим как облака. Если воды накапливается слишком много, она проливается на землю в виде дождя. Часто в области экватора обрушиваются колоссальные ливни.

Вода из пара не может превратиться в капельки просто в воздухе. Для того чтобы это произошло, необходимо присутствие в воздухе маленьких частиц, например пыли. В качестве таких тел, вокруг которых формируются капельки росы, могут выступать бактерии, споры и пыльца растений или кристаллики соли.

Вода в облаках остается водой, даже если температура опускается до минус 50°С. Это странно, ведь вода замерзает при нуле. Вода не превращается в лед до тех пор, пока не появится какой–нибудь предмет, например самолет. Мгновенно эти переохлажденные капельки превращаются в лед и, накопившись в большом количестве, могут вызвать обледенение самолета, и он станет слишком тяжелым.

Воздух вблизи экватора нагревается в основном потому, что соприкасается с теплой водой

Обычно все же капельки воды превращаются в ледяные кристаллы при температуре около минус 30°С. Из таких кристаллов льда состоят перистые облака, которые, как правило, находятся на большой высоте. Если эти кристаллы падают вниз, они проходят сквозь слои с переохлажденными капельками воды. Это вызывает рост кристаллов льда, и они превращаются в шестилучевые снежинки.

Но этот рост происходит по–разному, поэтому, несмотря на огромное количество снега, в нем нет двух одинаковых снежинок.

В том случае, когда падающий дождь проходит через холодный слой воздуха, капли его замерзают и покрывают льдом дома, провода, растения, почву.

Часто в теплое время года можно попасть в грозу, которая бывает в жаркие, душные, влажные дни лета. Летом нагревающийся влажный воздух поднимается вверх, и в результате образуются высокие кучевые облака, которые могут принимать форму грибов, хлопьев или волн. В верхней части облака капельки воды превращаются в снежинки и облака превращаются в грозовые. Движущийся вниз поток увлекает снежинки, которые превращаются в дождь. Если эти капельки снова поднимаются вверх, они могут там замерзнуть и превратиться в град.

 

Как возникают бури?

Иногда воздух оказывается слоеным – в нем на разной высоте чередуются слои теплого и холодного воздуха. В таких условиях теплый воздух может подниматься с огромной скоростью и начать вращаться. Образуется облако, имеющее форму воронки. Такой шквал называется торнадо или смерч.

Так как торнадо вращается с огромной скоростью, в центре воронки давление сильно падает. Если центр торнадо пройдет над домом, в котором окна и двери закрыты, то строение словно взрывается. Несмотря на страшную силу, торнадо обычно существуют очень недолго и проходят по небольшой площади. Поэтому шанс пострадать от торнадо очень невелик.

Торнадо

В тихих солнечных местах океана рождаются ураганы. Влажность воздуха в таких местах очень высока, а испарение с поверхности океана огромно. Ураганы, рождающиеся в Тихом океане, обычно называют тайфунами.

Часть тропического воздуха нагревается быстрее, поднимается вверх, начиная вращаться и затягивать соседний воздух. Вихрь продолжает усиливаться и разгоняться вокруг центра, где совсем тихо. Ураганный ветер может дуть на полосе шириной от 50 до 150 километров и более, а сам ураган двигается со скоростью около 15 километров в час.

Много ураганов рождается в августе, сентябре и октябре в Карибском море, но большинство из них не достигает суши. Ураган, который достиг берега, начинает ослабевать. Во время урагана идут сильные ливни. Когда подходит центр шторма, ветер может совершенно стихнуть, может появиться солнце. Многие думают, что шторм прекратился. Но вслед за этим шторм приходит с противоположной стороны.

О приближении урагана можно узнать по облакам особой формы или по особым волнам, которые идут на расстоянии 700–1500 километров впереди урагана.

 

Что такое звук?

Попробуем разобраться в том, что такое звук, как меняется воздух, по которому проходит звук, и как все это может слышать ухо.

Звуки можно вызывать по–разному. Струны гитары мы дергаем пальцами, скрипичные струны звучат под смычком, духовые инструменты – флейта, труба, кларнет, – начинают звучать после того, как в них вдунут воздух. Барабан и колокол звучат, когда в них ударят. Трение, щелчок, стук – все это возможные причины возникновения звуков.

Если ударить по камертону и опустить его в стакан с водой, можно увидеть, как поверху пошли волны

Понятно, что для того, чтобы что–то звучало, нужно совершить какую–то работу и преодолеть сопротивление, например, натянутой струны. Скрипач работает, проводя смычком по струнам, преодолевая трение. Так же, вынимая пробку из бутылки, мы работаем и преодолеваем силу трения. Для того чтобы получить звук, нужна энергия.

Звук струны возникает благодаря тому, что она колеблется вверх–вниз. Может быть, для того, чтобы издавать звук необходимы колебания? Если положить на барабан листочки бумаги, то при ударе можно заметить их колебания. Если ударить по камертону и опустить его в стакан с водой, можно будет видеть, как поверху пошли волны.

Звуковые колебания передает воздух. Если часы, тиканье которых хорошо слышно, поместить в сосуд, откуда откачан воздух, тиканье не будет слышно. Звук передает не только воздух, но и жидкости, твердые тела. Часто приближение поезда можно определить, приложив ухо к рельсу, хотя поезда еще не видно и не слышно.

Звуковые волны могут отражаться. Это хорошо знает тот, кто хотя бы раз в жизни кричал в пустую бочку или колодец или аукал на опушке леса. Отраженный звук принято называть эхом. Если эхо возникает в узком ущелье с параллельными стенками, эхо может повторить звук несколько раз.

 

Что такое электричество?

Если причесать чистые и сухие волосы расческой, а потом поднести ее к клочкам бумаги, они притянутся к ней. Это было известно людям очень давно. Еще древние греки заметили, что если окаменевшую в море смолу с берегов Балтийского моря – янтарь – потереть о шерсть или мех, то к нему долго пристают волоски, листья и соломинки. Эта смола называлась у греков электроном. Заряженным назвали электрон, который мог притягивать другие тела. От слова «электрон» и происходит слово «электричество».

Сейчас словом электрон называют мельчайшую частицу, имеющую электрический заряд. Когда в каком–нибудь теле электронов много, говорят, что оно заряжено. Электроны могут перемещаться. Они двигаются от места, где их много, в точку, где их мало. На батарейках обозначают «–» и «+» – электроны двигаются от минуса к плюсу.

Если, пройдя по ковру, дотронуться до металла, можно почувствовать легкий щелчок. В грозу сверкает молния. Эти явления объясняются движением электронов, которое называется электрическим током.

 

Что находится внутри атомов?

Итак, мы знаем, что в природе можно найти 88 различных химических элементов, и еще несколько удается получить искусственно. Элемент – это множество одинаковых атомов. Многие годы считалось, что атомы неделимы и проникнуть внутрь атома или как–либо разломать его невозможно.

Вещества состоят из молекул, которые могут быть составлены из разных или одинаковых атомов. То, что одно тело можно зарядить, если в нем будет избыток или недостаток электронов, не очень хорошо сочетается с нашими рассуждениями об атомах и молекулах. Значит ли это, что на самом деле атом все же можно разбить на еще более мелкие части?

Не все предметы можно зарядить, натирая их руками или шелком. Это вполне удается со стеклом и резиной, но плохо получается с металлическими шариками. Есть вещества, по которым электрический ток движется свободно. Их называют проводниками и используют для передачи электричества. Это разнообразные металлы – железо, медь, алюминий. Лучше других проводят ток серебро и платина. Другие вещества, наоборот, проводят ток очень плохо и поэтому называются изоляторами. Их используют для того, чтобы защититься от возможного прохождения тока. Например, изоляторы на электрических столбах делают из фарфора или стекла.

Считается, что атомы все же имеют внутреннее строение. Самый простой атом имеет ядро с положительным зарядом, а вокруг него с огромной скоростью двигается отрицательно заряженный электрон. Если по веществу начинает идти ток, электроны снимаются с места и несутся в сторону положительного заряда, потому что разряженные частицы с разным знаком заряда (+ и –) притягиваются.

Схема строения простейшего атома

 

Как сохранить электричество?

Долгое время не было способа получить электрический заряд большой силы искусственно.

В 1650 году Отто фон Герике, известный также как изобретатель насоса, придумал машину, которая могла давать искры длиной несколько сантиметров. Он облил стеклянный шар изнутри расплавленной серой и, когда она затвердела, разбил стекло. После этого он укрепил серный шар на подставке так, чтобы его можно было вращать рукояткой. Теперь, вращая шар и прикладывая к нему кусок кожи, можно было добиться появления искры.

Это изобретение было важным шагом вперед, но не решало проблему запасания электричества. Переворот произошел с изобретением знаменитой Лейденской банки. Эта банка и бутылки для хранения электричества были использованы для разных целей. Для изоляции запасенного электричества использовали сосуды из стекла. Если сквозь пробку сосуда удавалось просунуть гвоздь и вращать его, через некоторое время можно было достичь определенных результатов. После вращения гвоздя достаточно было держать в одной руке бутылку, а другой коснуться гвоздя, как человек испытывал удар тока.

Опыты Отто фон Герике

Некоторые использовали емкости побольше и приходили в себя только через несколько дней. Удар тока доставлял людям новые ощущения. Весть о новых чудесах очень быстро разнеслась по Европе. Банку стали использовать и для того, чтобы неожиданно «ударить» знакомого.

Прошло еще некоторое время, и люди поняли, что можно запасти гораздо больший заряд, если банку выложить изнутри и снаружи материалом, который хорошо проводит ток, например, металлической фольгой. Еще позже было обнаружено, что если гвоздь и внутренняя стенка соединены хорошим проводником, то банка будет заряжаться. Прикосновение вызывало разрядку банки. Соединение нескольких банок давало еще лучшие результаты. Франклин использовал батарею из двух банок для того, чтобы убивать индюшек и другую птицу.

 

Что такое молния?

Древние римляне считали, что молнии – это стрелы бога Юпитера. Несмотря на то что сегодня этому дают другое объяснение, удивление и страх – обычные спутники людей во время грозы с сильными молниями. Это действительно величественное зрелище, поэтому, вероятно, вокруг молний возникло столько легенд.

Ученые некоторое время считали, что молния – это обыкновенная искра, проскакивающая между облаками и Землей. Однако чтобы проверить это, нужно было посадить молнию в Лейденскую банку. Для ловли молний исследователи пользовались металлическими шестами высотой несколько метров. Те, кто наблюдал за процессом, видели искры по 4 сантиметра. Это, конечно, был безрассудный и опасный эксперимент, который вряд ли кто–нибудь отважится повторить. Первые ловцы молний остались невредимы, но некоторые из их последователей были убиты молниями.

Однако Франклина не убедили результаты этих опытов, потому что шесты для ловли молний не доставали до облаков. Он решил достать до облака при помощи воздушного змея. Подождав грозовое облако, он запустил в него змея. Нить, намокшая от дождя, зарядилась, и разлохматившиеся волокна немедленно стали дыбом, когда нить зарядилась небесным электричеством. К шнуру змея был привязан металлический ключ. Как только Франклин поднес к нему палец, посыпались искры и раздались характерные щелчки, уже знакомые Франклину по Лейденским банкам. Так была доказана электрическая природа молнии. Этот опыт вполне мог закончиться смертью ученого. Ни в коем случае нельзя пытаться повторить это.

Облако с нижней стороны несет отрицательный заряд, а поверхность земли заряжена положительно. Когда разница в заряде становится достаточной большой, между облаками и землей проходит разряд, который мы называем молнией. Напряжение молнии измеряется миллионами вольт.

Молнии бьют по самому короткому пути, то есть чаще всего в высокие здания или вершины гор. Целью молнии может стать башня, колокольня, отдельно стоящее дерево, небоскреб или одинокий холм.

Франклин, позволявший себе опасные шутки с молниями, стал изобретателем громоотвода, который теперь устанавливают на каждый дом и обязательно – на высокие башни и трубы. На самом деле это приспособление следовало бы называть молниеотводом, так как оно действительно отводит молнии, а не их звук – гром.

Опыт Франклина

Первый громоотвод был металлическим стержнем, на верхнем конце которого была размещена метелка из тонких металлических прутьев. Этот стержень размещали довольно высоко над зданием, которое он должен был защитить. Стержень проходил вдоль стены здания и соединялся с зарытой в землю медной пластиной. Это обеспечивало заземление, и если в стержень попадала молния, она проходила по молниеотводу в землю, не причиняя вреда дому. Стержень служил также путем, по которому заряд здания медленно стекал в воздух. Такую утечку зарядов с заостренных предметов можно наблюдать ночью. Сотни лет мореплаватели видели, как во время гроз наверхушке мачты загорались странные огни, которые называли «огнями святого Эльма». Это свечение было вызвано стеканием заряда с вершины мачты.

Если в металлический, стержень попадала молния,она проходила по молниеотводу в землю, не причиняя вреда дому

С тех давних времен люди пытались создать управляемые молнии. В одном из опытов молния смертельной для человека силы ударила в крышу автомобиля, в котором сидел человек. Молния прошла по металлической обшивке, а человек остался невредим. Как это происходит? Когда какой–то предмет, например металлический шар или автомобиль, приобретают электрический заряд, электроны стремятся разбежаться по поверхности. Так же произошло в этом опыте. По корпусу машины электроны быстро ушли в землю. Поэтому если вы находитесь в здании с громоотводом и металлическим каркасом, можете считать себя надежно защищенными от молний.

Огни св. Эльма

Во время грозы не стоит укрываться под стогом сена, около забора, флагштока или под отдельно стоящим деревом. Спастись от дождя вряд ли удастся, зато есть шансы стать жертвой молнии. Лучше удалиться от металлических предметов и прекратить с работу с инструментами. Это правило заставляет альпинистов, которых гроза застигает около вершины горы, снять с себя карабины и оставить их поодаль, вместе с ледорубами, кошками и другими металлическими предметами, и попытаться переждать непогоду возможно дальше от вершины. Хорошо укрыться от грозы в лесу, пещере или у подножия высоких гор или скал.

 

Как работают магниты?

Как и электричество, магнитные явления были известны людям еще в глубокой древности. Существует множество легенд, в которых идет речь о магнитах. Греческие манускрипты содержат историю о странствующих мастерах, работавших с железом. Они называли себя «кабирами». Среди прочих умений, кабиры владели искусством подвешивать металлические кольца в воздухе, без всяких нитей. Их удерживал от падения «железный камень», который был не чем иным, как природным магнитом.

Каждый знает, что магнит притягивает иголки, булавки, железные опилки и другие стальные или железные предметы. При этом магнит никак не влияет на бумажки, соломинки, волоски, которые притягиваются наэлектризованными телами. Магнитное притяжение действует на металлы – кобальт и никель, а также на сплавы олова, марганца и кремния.

Если положить магнит в ящик с железными опилками, то можно будет заметить, что опилки соберутся около двух концов магнита, которые называются полюсами, а средняя часть останется свободной от них.

Если удлиненный магнит поместить так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, напоимер, положить его на кусок пенопласта, плавающий в тазу, то магнит повернется так, что его концы будут указывать на север и юг. Конец магнита, указывающий на север, был назван северным полюсом магнита, а противоположный – южным. Как и в компасе, северный полюс магнита обозначают буквой С или N, а южный – Ю или S.

Если взять два магнита и приблизить их друг к другу так, чтобы северный полюс одного был направлен на северный полюс другого, магниты будут отталкиваться. Противоположный, южный полюс, наоборот, будет притянут к северному.

Если магнит положить на кусок пенопласта, плавающий в тазу, то магнит повернется так, что его концы будут указывать на север и юг

Итак, свободно поворачивающийся магнит указывает на север и на юг. Значит, где–то есть точки, которые служат источником притяжения для магнита, мы называем их Северным и Южным полюсами. Долгое время считалось, что северный полюс магнита притягивается Полярной звездой. Но Полярная звезда движется относительно земной поверхности, а положение стрелки компаса не меняется.

То, что компас не указывает на Полярную звезду, было известно еще Колумбу. Отплыв из Испании, он заметил, что положение стрелки компаса изменилось. На корабле начинался мятеж, и перепуганные матросы, уверенные в том, что компас должен показывать направление на Полярную звезду, но не делает этого, решили повернуть обратно. Колумбу удалось усмирить экипаж лишь потому, что он обвинил в неправильном поведении звезду. Путешествие продолжилось, и в результате была открыта Америка.

Что же притягивает намагниченную стрелку компаса? Впервые ученые предположили, что магнитом является сама Земля, в конце XVI века. Английский ученый Джилберт построил из магнитного железа большой глобус, который он назвал «маленькой Землей», так что магнитные полюса шара стали на место северного и южного полюсов. Когда он поднес к шару компас, стрелка указала направление на магнитные полюса этого шара, как это и происходит на нашей планете.

Магнитное поле Земли

После открытия Америки путешественники XIX века установили, что стрелка компаса встает вертикально на севере Гудзонова залива. Южный магнитный полюс находится в Антарктиде. Таким образом, если пытаться достичь Северного полюса, ориентируясь только на компас, то придешь не на полюс, а в Гудзонов залив. Точки, вокруг которых вращается Земля, – Северный и Южный полюса – не совпадают с точками, в которых стрелка компаса встает вертикально, то есть с магнитными полюсами. Поэтому на картах указывается поправка, которую нужно сделать к показаниям компаса в данной местности, чтобы двигаться к северу, а не к магнитному полюсу.

 

Магниты и металлы

Если к магниту поднести металлический предмет, часть магнитных свойств перейдет в этот металл. В этом можно убедиться, перевернув намагниченный кусок металла. Одноименно заряженные полюса отталкиваются. Но в отличие от постоянных магнитов временные магниты быстро теряют свои свойства. Разные металлы теряют временный магнетизм с разной скоростью. Чтобы ускорить эту потерю, можно постучать по намагниченному предмету молотком или нагреть его.

Если иголку надолго оставить вблизи магнита, она останется намагниченной довольно долго. Если долго тереть стальной предмет одним из полюсов магнита в одном и том же направления, то сталь тоже намагнитится. Если же при этом сталь испытывает удары, то ее намагниченность увеличивается.

Может быть, удастся разделить заряд магнита, разрезав его пополам? Из этого ничего не получается. Две половинки становятся двумя магнитами, каждый из которых имеет северный и южный полюса. Так можно продолжать довольно долго. Каждая из новых, все более мелких частей станет магнитом. Это доказывает, что магнитные полюса существуют только парами, и один от другого отделить никогда не удастся.

Если продолжать делить магниты, вероятно, в конце концов, можно добраться до самой маленькой частицы, обладающей магнитными свойствами. Очевидно, это молекула. Обычно молекулы вещества располагаются хаотично. В намагниченном предмете молекулы выстраиваются одинаково, в результате их свойства складываются и служат причиной намагничивания всего предмета. Магнит действует на некотором расстоянии. Область, в которой магнитное влияние заметно, называется магнитным полем.

Если поместить магнит под бумажный лист и насыпать на бумагу железные опилки, то они все равно соберутся над магнитными полюсами. Используя вместо бумаги другой материал, легко заметить, что опилки станут выстраиваться быстрее или медленнее. Это означает, что разные вещества обладают разной магнитной проницаемостью, то есть способностью пропускать через себя магнитное поле.

Опыт с опилками

 

Как получить электричество?

Долгое время люди могли получать электричество только при помощи трения. Другие способы были открыты в XVIII веке итальянским ученым Луиджи Гальвани, несмотря на то что он был не физиком, а биологом.

Новые свойства электричества ему удалось обнаружить благодаря опытам с мышцами. Он обнаружил, что прикосновение металла к нерву вызывает сокращение мышцы, если мышца укреплена на предмете, изготовленном из другого металла.. Впервые эти свойства были обнаружены для железа и латуни, но впоследствии выяснилось, что наилучший эффект дает комбинация меди и цинка. Другие вещества, не металлы, не давали такого эффекта – ни смола, ни резина, ни камень, ни дерево.

Вслед за опытами Гальвани к исследованиям «животного электричества» приступил Алессандро Вольта. Он обнаружил, что в некоторых жидкостях эффект сокращения пропадает, например, он исчезает в чистой воде. Если же в воду добавляли кислоту или щелочь, то сокращение мышц при касании металлического контакта было хорошо заметно. Самым эффективным оказался раствор серной кислоты, в который погрузили медную и цинковую пластины. При этом на меди образовался положительный, а на цинке – отрицательный заряд.

Не все жидкости с одинаковой эффективностью участвуют в проведении тока от пластины к пластине. Например, спирт, глицерин, раствор сахара плохо проводят ток, а растворы кислот, щелочей и солей – хорошо. Таким образом, проводниками могут быть и растворы некоторых веществ. Они называются электролитами.

Эти открытия были использованы при разработке буквально всех типов батареек и аккумуляторов, которыми мы пользуемся.

 

Как ток идет по проводам?

На улицах, в лесах, вдоль дорог и рек тянется множество проводов. Большая часть нужна для того, чтобы доставить электричество из одной точки в другую. Ток по мере движения по проводнику преодолевает препятствия. Этот эффект называется сопротивлением. Сила сопротивления различна для разных материалов.

Вообще то, насколько хорошо или плохо идет ток, складывается из четырех причин – материала, длины провода, площади его поперечного сечения и температуры.

Обилие всевозможной домашней техники, такой, как утюг, электрический чайник, холодильник, пылесос, воздействует на проводку сильнее, чем допускают возможности старых проводов. Перегрузка может вызвать перегрев проводов и пожар.

Для защиты проводов используют предохранители, которые либо отключаются, если в сеть включают слишком много приборов, либо в предохранителе плавится проволока, и ток прерывается.

 

Что такое свет?

Ответ на этот вопрос находится у нас постоянно перед глазами, но трудно объяснить словами то, что кажется таким простым на вид. Над решением этой загадки бились Ньютон и Эйнштейн, причем Эйнштейн начал изучать свет в возрасте 16 лет. Их исследования помогают понять, что такое мираж, как избавиться от слепящего блеска, и почему два человека не могут видеть одну и ту же радугу. Исследования света позволяют создавать фары для поездок в тумане, маяки и множество других вещей.

Для физиков свет – одно из самых загадочных явлений. Свет привлекает человека с древних времен. Ни одно другое природное явление не было так долго окружено тайной, как свет. Хотя мы не очень хорошо понимаем, что такое свет, именно благодаря свету, который мы видим глазами, мы узнаем об окружающем нас мире больше, чем при помощи остальных органов чувств вместе взятых.

Есть ли у света вес? Занимает ли свет пространство? Ударяет ли по телу падающий на него луч света? Горячий он или холодный? С какой скоростью он распространяется? Почему свет не может пройти через тонкий картон, но проходит через толстое стекло?

Древние греки, пытаясь найти ответ на вопрос, что такое свет, выдвигали самые невероятные предположения. Согласно одной из идей, свет испускают наши глаза, и он течет из них, как вода из шланга. Поэтому, думали древние греки, мы видим вещи, когда направляем на них луч света из наших глаз. Считалось, что видим мы так же, как ощупываем предметы. Слепые не могут испускать из глаз свет, поэтому они не видят.

Древние греки полагали, что мы видим вещи, когда направляем на них луч света из глаз; слепые не могут испускать свет из глаз, поэтому они не видят

Такая точка зрения на свет господствовала в течение нескольких столетий, до тех пор пока новая теория света не была создана Исааком Ньютоном.

 

Ньютон и свет

Что же такое свет? Вещество? Или, может быть, энергия? Ныотон рассмотрел оба варианта. Ему было известно, что звуковые волны, как и волны на воде, могут завернуть за угол, а свет – нет, поэтому Ньютон решил, что свет – это вещество. Видимо, думал Ньютон, свет состоит из маленьких частичек, которые по прямым линиям – лучам – распространяются от источника света. Если такой луч попадает нам в глаз, мы видим источник света. Но тогда свет должен иметь вес?

Практически в то же время в Голландии над изучением света трудился Христиан Гюйгенс. Он предполагал, что волны света распространяются от источника света примерно так же, как расходятся волны по воде при падении камня. Гюйгенса не убеждало то, что свет не может огибать препятствия, как волны на поверхности воды.

Ньютон считал, что если свет – это волна, она должна по чему–то идти, как звук распространяется по воздуху, а волны по поверхности моря. Свет, как известно, распространяется и в пустоте, и поэтому, например, мы видим солнечный свет, дошедший до нас через космическое пространство.

Лучи света, падающие на зеркало под углом, отражаются от зеркала под тем же углом. Если поверхность неровная, то и отражение получается неправильным.

Когда свет переходит из одного вещества в другое, например из воздуха в воду, путь света изменяется, и мы видим искаженную картину. Это явление называется преломлением света. На этом основан старинный фокус: если смотреть в чашку сбоку и чуть сверху, дно чашки и лежащая на нем монетка не видны. Если же налить туда воду и взглянуть с той же точки зрения, то монетка станет видна.

Благодаря преломлению дно бассейна или бака с водой кажется ближе, чем на самом деле – это знает каждый. Для того чтобы попасть палкой в рыбу, глядя на нее из воздуха, нужно целиться ниже кажущегося положения рыбы, потому что изображение искажено границей между воздухом и водой. Если в стакан с водой положить ложку и посмотреть сбоку, то будет видно, что ложка как будто бы сломана границей воды и воздуха и подводная часть кажется сдвинутой назад.

Преломление света вызывает обман зрения

Нам кажется, что предмет под водой находится на прямой линии, продолжающей наш взгляд, но преломление вызывает обман. Разные прозрачные тела и жидкости вызывают преломление различной силы, если на них падает свет из воздуха. Алмаз очень сильно преломляет свет, и большая часть попавших на него лучей отражается, поэтому алмазы так сверкают.

Чередующиеся слои теплого и холодного воздуха также вызывают преломление, благодаря которому человек видит предметы, которых на самом деле нет либо они находятся очень далеко. Иногда на горизонте появляются висящие вниз вершиной деревья, а в небе плывут пароходы, не касаясь воды. На самом деле это всего лишь игра света. По мере того как мы приближаемся к миражам, они исчезают.

Простой мираж хорошо видно на шоссе в жаркий день. Свет над горизонтом, попадая в горячий воздух над раскаленным асфальтом, кажется нам лужей воды, растекшейся по шоссе.

Миражи мы видим дрожащими, искаженными, потому что слои воздуха, вызывающие их появление подвижны. Именно поэтому изображение лужи кажется совсем натуральным. Кроме того, благодаря этим оптическим эффектам, мы видим солнце на несколько минут раньше утром и на несколько минут дольше вечером, чем оно реально взошло или село.

Мираж

 

Хорошее зрение

Если, стоя на шумном перекрестке, представить себе, что все люди с проблемами зрения вдруг стали людьми с больными ногами, то больше половины пешеходов немедленно начали бы хромать. В университете такое превращение постигло бы четырех из десяти студентов, а на швейной фабрике лишь восемь из десяти рабочих.

Мы добились многих успехов, жизнь стала комфортнее, но мы многократно увеличили нагрузку на зрение. Около 95% младенцев рождается без дефектов зрения, но лишь немногие пожилые люди могут обходиться без очков.

Вероятнее всего, это произошло потому, что человек пользуется глазами в совершенно иных условиях, чем те, когда глаз первоначально развивался и приспосабливался. Первобытному человеку глаза были нужны почти исключительно на свежем воздухе и для того, чтобы смотреть вдаль при ярком солнечном свете. Это было нужно и на охоте, и на рыбной ловле, и в бою. С заходом солнца человек переставал полагаться на свои глаза.

Конечно, первобытный человек не рассматривал часами мелкие предметы, не шел после этого в огромный кинотеатр, не смотрел телевизор и не читал книг глубокой ночью. Вероятно, многие проблемы глаз возникают из–за того, какая на них приходится нагрузка.

Схема строения глаза человека

Глаз имеет хрусталик – особую линзу, которая позволяет четко видеть предметы, расположенные на разном расстоянии. Изображение воспринимает светочувствительная сетчатка, расположенная в глубине глаза. Для того, чтобы резко видеть предметы на разных расстояниях, хрусталик должен изменить свою форму. Это достигается при помощи мышц, которые и отвечают за эти изменения.

С возрастом способность хрусталика менять форму ухудшается. Например, самое близкое расстояние, на котором предметы выглядят четко для человека без очков в возрасте 60 лет, равно приблизительно двум метрам. Книгу на таком расстоянии читать уже невозможно, просто потому, что буквы слишком мелкие. Именно поэтому пожилые люди используют очки.

Близорукость также связана с неправильной работой хрусталика, но часто встречается и у молодых людей. Из–за неправильной кривизны хрусталика резкое изображение не достигает сетчатки, и человек видит все расплывчатым и туманным.

 

Расстояние и обзор

Для того чтобы успешно заниматься спортом, часто нужно уметь точно оценивать расстояние и глубину. Это особенно полезно в таких играх, как футбол или баскетбол, когда нужно оценить расстояние до участника своей команды и передать ему мяч. Глядя вперед, игрок должен смотреть и вбок, чтобы уклониться от подбегающих соперников. Хорошая способность оценивать расстояние может оказаться решающей для команды, в которой игроки могут точно попадать мячом в кольцо или совершать подобные действия в других видах спорта.

Способность видеть вперед и вбок одновременно очень важна на дороге, когда приходится следить за впереди идущими машинами, а также за тем, что происходит справа и слева от тебя. Не менее важно это для летчиков.

Если посмотреть на ряд телеграфных столбов, уходящих вдаль, можно заметить, что чем дальше от нас расположен столб, тем меньше его кажущиеся размеры. Это хорошо знают художники. Несмотря на то что деревья, растущие вдоль дороги, имеют примерно одинаковую высоту, мы можем добиться на нашем рисунке впечатления глубины, если будем изображать далекие предметы более мелкими, чем те, что расположены близко.

Чем дальше расположен предмет, тем меньше его кажущиеся размеры

 

Что такое цвет?

Несколько столетий поэты, художники и философы размышляли о природе цвета и, казалось, знали о цвете все, что можно. Так продолжалось до тех пор, пока в 1666 году Ньютон не поставил эксперимент, который настроил против него многих людей.

В темной комнате Ньютон оставил лишь маленькое отверстие в шторах, через которое в комнату проникал тонкий луч. В это время Ньютон экспериментировал со шлифовкой стекол, и в его распоряжении оказалась стеклянная призма – треугольный в сечении кусок стекла. Когда Ньютон поместил свою призму в солнечный луч, он обнаружил, что на стене засияли удивительные по яркости цвета. Долгое время знаменитый ученый просто наслаждался полученным эффектом. Белый свет, входивший в призму, выходил из нее разноцветным, в последовательности известной всем почти без исключения.

Итак, отныне «каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Первые буквы слов этой фразы обозначают цвета радуги, точнее цвета спектра – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Стало ясно, что белый свет состоит из нескольких цветов, и ученые снова принялись экспериментировать со светом. Выяснилось, что если из нескольких цветов радуги, образующих белый свет, загородить один, то общий итог изменится. Если из солнечного света удалить красный, то получится голубовато–зеленый свет, если изъять голубой, то свет будет желтым.

Вскоре было обнаружено, что все мыслимые цвета, включая белый и серый, можно получить разными сочетаниями всего трех цветов – красного, зеленого и синего. Сочетание этих цветов дает белый свет; красный и голубой дают пурпурный, синий и зеленый – желтый и так далее.

Опыт по разложению солнечного луча с помощью стеклянной призмы

Предметы кажутся нам разного цвета потому, что часть лучей солнечного света задерживается, поглощается ими, а часть отражается. Отраженные лучи и формируют тот цвет, который мы видим.

Так обстоит дело со светом, но если необходимо составить краски разных цветов, достаточно воспользоваться красной, синей и желтой. Их сочетания дадут бесконечно богатую палитру.

Некоторые предметы поглощают очень мало света. Поэтому стекло и лед кажутся нам прозрачными: почти весь свет свободно проходит сквозь них. Пена и снег кажутся белыми, несмотря на то, что они образованы прозрачной водой. Белый цвет в этом случае возникает потому, что свет рассеивается многочисленными поверхностями и не может проникнуть сквозь толщу снега или пены, как сквозь воду.

Свойства цветов могут быть использованы, например, в театре и при создании спецэффектов. Можно, например, человека в красном сделать практически неразличимым на черном фоне, если освещать его зеленым светом.

Если раскрасить лица красной краской, то в свете красного прожектора они будут казаться нормальными, а зеленый свет заставит нас думать, что лица черные. В красном свете желтая одежда становится малиновой.

Цвет может сделать одну и ту же вещь строгой, простой, смешной или глупой. Кроме того, цвета создают разное настроение. Лучше других это знают дизайнеры, модельеры, люди которые работают с рекламой.

Иногда правильное сочетание цветов позволяет добиться удивительного эффекта, несмотря на использование очень простых материалов.

Тона и оттенки одного и того же цвета гармонируют друг с другом, как в одежде, так и в отделке дома. Если добавить к ним немного белого, черного или оба эти цвета, то общий эффект станет ярче.

 

Что такое радуга?

Солнечный спектр хорошо виден, когда над землей стоит радуга. Утром радуга видна в облаках на западе, а по вечерам на востоке. Радугу бывает видно в брызгах фонтана или в воде, рассеивающейся при поливе из шланга. Радуга не видна, если солнце стоит достаточно высоко. Ее также трудно увидеть с самолета, если только он не летит на бреющем полете.

Радуга возникает из–за того, что солнечные лучи рассеиваются или отклоняются капельками в облаках. Красный цвет в радуге находится сверху, а фиолетовый снизу. В некоторых случаях возникает еще одна радуга, цвета в ней расположены в противоположном порядке. Радуга возникает не в одной капле воды в облаке или капле дождя, а в огромном количестве этих капель. Между полосами радуги нет четких границ, и один цвет плавно переходит в другой.

Раскаленные тела – твердые, жидкие или газообразные – начинают светиться. По окраске этого пламени можно определить, какие химические элементы входят в состав раскаленного тела. Изучая свет звезд можно определить, из каких газов они состоят. Гелий был впервые обнаружен как элемент, входящий в Солнце, и лишь потом его удалось получить на Земле и обнаружить в некоторых минералах. В очень малых количествах этот газ присутствует в земной атмосфере и в пещерах.

То, что при помощи изучения света Солнца можно изучить его химический состав, заставило людей задуматься, нет ли на Солнце золота. Эта красивая идея вскоре потеряла популярность, потому что даже если бы на Солнце и было золото, добыть его оттуда невозможно. Тем не менее исследования Солнца послужили развитию атомной физики и в конечном итоге приносят колоссальные деньги.