Текст книги "Сказочная физика"

Алла Борисовна Казанцева
Сказочная физика

Посвящаю моим любимым внукам Алексу, Мише и Лизе

© Казанцева А.Б., 2024

© ООО «Издательство АСТ», 2024

От автора

Помню, лет в шесть я узнала, что Земля – это шар, и меня страшно волновал вопрос: как же «они», живущие снизу, не падают? Современные дети очень рано получают разнообразнейшую информацию обо всём на свете и к идее о шарообразности Земли привыкают чуть ли не с пелёнок. Но вопрос «Как же они не падают?» всё равно остаётся, и ответ на него не так уж прост для понимания.

Более 30 лет я учу физике студентов физического факультета Московского педагогического государственного университета. А ещё я рассказывала о физике своим маленьким дочерям, а теперь беседую с внуками, и мы обсуждаем с ними самые разные вопросы. И вот мне захотелось дополнить и записать наши беседы о физике для всех любознательных детей, у которых ещё нет предубеждения, что физика – это что-то сложное и нудное. Главные герои книжки – гномик Алекс и его младший брат Мишун. Иногда они проделывают простые опыты, используя подручные средства. Я выбрала в качестве героев сказочных существ, чтобы у них могли происходить недоступные нам чудеса – например, в доме может исчезнуть трение или может появиться невесомость…

В книжке 41 беседа. На первый взгляд может показаться, что их темы не связаны друг с другом. Тем не менее порядок повествования не случаен: я опираюсь на информацию из предыдущих бесед, иногда возвращаюсь к теме, добавляя к ней новые штрихи. Поэтому рекомендую читать книгу последовательно, с самого начала.

Моим гномикам удалось поговорить об очень многом: о фундаментальных силах Вселенной, о космосе и о строении вещества, о звуке и о свете, об энергии и теплоте… – в общем, о том, как устроен физический мир. А попутно мы узнаём нечто новое об окружающем мире: о том, как видят и слышат разные животные, как водомерке удаётся бегать по воде, как рождаются и умирают звёзды и как развивалась жизнь на Земле.

Работая над книгой, я читала её главы моим младшим внукам-первоклассникам и с радостью убеждалась, что они проявляют к ней живой интерес. 10-летний Алекс, любитель энциклопедий, тоже одобрил работу. Уверена, что и родителям книга поможет глубже понять физический мир.

Хочу выразить благодарность моему мужу и моим внукам – первым читателям книги и её вдохновителям.

Об авторе:

Казанцева Алла Борисовна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и экспериментальной физики МПГУ, лауреат конкурса РАН 2021 года за лучшие работы по популяризации науки.

Знакомство

В одном лесу недалеко от красивого озера стоит маленький уютный домик. Там живёт семейство гномов. Папа-гном, как и другие гномы, работает под землёй; мама-гном, как большинство мам, целыми днями чем-то занята, а гномики Мишун и Алекс в основном проводят время друг с другом. Это летом, в каникулы. Зимой они, как все дети, ходят в школу для гномов. Младший гномик Мишун очень любопытный, ему хочется узнать про всё на свете. Его старшего брата Алекса прозвали Знайкой, потому что он любит читать энциклопедии и умные книги. Мишун постоянно пристаёт к Алексу с вопросами, но тот от этого не устаёт, ему даже нравится всё объяснять. Такого умного и терпеливого гномика не часто встретишь.

Может быть, тебе удастся увидеть их домик на лесной опушке, а может, и нет – ведь гномы умеют оставаться невидимыми для людей.

А про некоторые беседы Мишуна и Алекса ты можешь прочитать в этой книжке, если тоже хочешь узнать побольше про мир, в котором живёшь.

Гравитация

В первый день каникул Алекс принёс домой большую коробку:

– Мишун, иди сюда! Будем рассматривать мой подарок.

– Ой, я знаю: это же глобус!

– А что такое глобус?

– Ну, это как бы наш земной шар, только маленький. Но мне всё равно непонятно, как же они ходят вниз головой и не падают – те, кто внизу?

– А мы, что ли, наверху?

– Ну конечно! Вот же Евразия, наверху. А внизу – Австралия.

– Молодец, Мишун, в географии разбираешься. Но это просто традиция такая – поворачивать глобус так, что Северный полюс и наше полушарие оказываются сверху, а Южный полюс – снизу. Но можно было бы и наоборот сделать.

Алекс перевернул глобус вверх ногами:

– Тогда бы ты удивлялся, как мы ходим вниз головой и не падаем.

Мишун насупился:

– Глобус-то можно перевернуть, но земной шар – нет! Кто-то всё равно должен падать вниз головой: или мы, или те, кто в Австралии.

Алекс улыбнулся:

– Кстати, тех, кто на противоположной стороне Земли, называют антиподами. Но давай разберёмся, что такое «низ» и «верх».

Мишун задумался.

– Низ – это где мои ноги и земля, а верх – где небо, облака и птицы. Но у антиподов ноги тоже на земле, а небо и птицы над головой. Получается, у нас с ними низ и верх противоположны? А ещё низ – это то, куда падают яблоки с ветки и куда падаю я, когда спотыкаюсь. А у антиподов куда яблоки падают?

– Тоже на землю! Ты хорошо рассуждаешь, молодец. Нам осталось понять, почему яблоки падают именно на землю, а не улетают в небо – ни у нас, ни у антиподов. Дело в том, что Земля их притягивает, как магнит. Ты же видел, как магнит притягивает железные булавки? Но магнит не всё притягивает – вот на яблоки, к примеру, он не действует. А Земля притягивает всех и всё. Поэтому любой предмет на неё и падает. Это не магнитное притяжение (про магниты мы как-нибудь в другой раз поговорим), а совсем особое. По-научному его называют гравитацией, что в переводе с латинского языка значит тяготение.

– А почему именно у Земли есть это тяготение? Вот ко мне почему-то никто не притягивается.

Мишун вдруг рассмеялся:

– Вообще-то это хорошо, что ко мне никто не притягивается, а то как представлю, что на меня все яблоки сыплются!

– На самом деле к тебе тоже все притягиваются, и ко мне, и ко всем-всем-всем. Гравитация – это всеобщее взаимное тяготение (учёные называют его всемирным). Но мы с тобой маленькие, а Земля вон какая огромная! Чем больше тело, тем оно сильнее к себе притягивает. Наше с тобой притяжение совсем слабенькое и незаметное. А к земному шару притяжение очень заметное, мы буквально привязаны к нему. Вот попробуй, подпрыгни! Не получается в небо улететь? И у антиподов тоже не получается. Выходит, низ (куда мы падаем) – и для нас на поверхности Земли, и для них. Понятия «низ» и «верх» возникли из-за земного тяготения. Если бы оно вдруг исчезло, не было бы низа и верха, и на Земле вообще никого бы не осталось – все улетели бы в космос: и мы, и антиподы.

Мишун засмеялся:

– А я бы за дерево зацепился и не улетел!

– Зато воздух весь улетел бы, и чем бы ты дышал? Так что пусть уж лучше будет это всемирное тяготение.

– А что ещё случилось бы без тяготения?

– Да без него вообще ничего не было бы: ни Земли, ни Солнца, ни нас. Ведь именно всемирное тяготение собирало крохотные частички вещества (атомы), разбросанные по космосу, в огромные облака, из которых потом оно же «лепило» будущие звёзды и планеты. Оно же заставляло будущие звёзды сжиматься всё сильнее, пока внутри них не вспыхнул самый жаркий огонь… Но об этом как-нибудь в другой раз. А сейчас запомни: всемирное тяготение – главная сила, на которой держится весь космос, вся Вселенная.

Кто куда падает

Вечером Алекс и Мишун сидели на веранде своего домика, смотрели на звёзды и на луну. И вдруг Мишун спросил:

– А Луна почему не падает на Землю? Она, что ли, не притягивается к Земле этой гравитацией?

– И притягивается, и падает. Да только вот никак не упадёт, – улыбнулся Алекс.

Брови у Мишуна поползли наверх:

– А когда упадёт? Что тогда будет?

– Не бойся, никогда не упадёт. Она, наоборот, понемножку убегает всё дальше и дальше: совсем по чуть-чуть, по четыре сантиметра в год – на длину твоего пальца.

– Я не понял: так она падает или убегает?

– И то и другое: падает и понемножку убегает.

Мишун надулся:

– Ты надо мной смеёшься, так не бывает!

– Не обижайся, я постараюсь всё объяснить.

Алекс поднял с пола веранды шишку и подбросил её вверх. Когда шишка упала, он спросил:

– Шишка сейчас что делала?

– Сначала вверх летела, потом падала.

– Да, она от Земли пыталась убежать, но Земля её обратно притянула. Но физики весь полёт шишки назвали бы свободным падением. Свободным – потому что ей никто не помогал и не мешал: никакого мотора ведь у неё нет. А падением – потому что как бы шишка ни летела, она всё равно упадёт. Вот так ещё могу бросить.

Теперь Алекс кинул шишку вперёд и вверх, так что она полетела по широкой дуге и упала на лужайку перед домом.

– Это тоже было свободное падение, хотя и по кривой траектории – физики её называют параболой. Если бы я мог бросить шишку ещё сильнее, она получила бы от моего толчка ещё большую начальную скорость и полетела бы ещё выше и дальше. Шишка летела бы дольше, но всё равно упала. Земное тяготение, как резинка, привязывает её к Земле и не даёт улететь.

– А можно бросить её так, чтобы она не упала?

– В принципе можно, но я так не смогу. И никакой силач не сможет, потому что для этого ей нужно придать невероятно большую скорость. Если бы удалось разогнать нашу шишку до скорости 11 километров в секунду, то, куда бы ты её ни направил – вверх или в сторону, – она смогла бы «разорвать» резинку-тяготение и улететь в космос. Но это ужасно большая скорость! Только представь: пока ты скажешь «раз», она уже должна долететь до самолёта, который летит выше облаков и кажется нам отсюда точкой. Такую скорость физики называют «скоростью убегания», или второй космической скоростью. Есть и другой вариант: бросить шишку горизонтально, вдоль земной поверхности, со скоростью 8 километров в секунду (такую скорость называют первой космической). Ты не успеешь сказать «раз», как она уже скроется за горизонтом.

Мишун глубокомысленно заметил:

– Тогда сначала надо поднять её выше деревьев, чтобы она по дороге не зацепилась за них.

– Точно. Но поднять её надо даже выше гор и облаков – туда, где кончается воздух. Иначе он будет её тормозить, шишка потеряет скорость и упадёт. И вот если наша шишка разгонится до первой космической скорости, она станет искусственным спутником Земли. Она будет лететь по круговой орбите вокруг Земли. Её путь будет искривляться, но ведь и земная поверхность под ней искривляется, так что шишка будет оставаться на одной высоте над Землёй. Так она будет всё время падать, но никогда не упадёт.

– Смотри, – сказал Мишун. – В небе маленькая звёздочка летит. Может, самолёт?

– Нет, это как раз искусственный спутник. У самолёта огни мигают, а спутник выглядит в небе как двигающаяся звезда. Примерно за час он успевает облететь вокруг всей Земли. Сначала ракета-носитель подняла его над атмосферой и разогнала до первой космической скорости, а потом он уже летит сам – находится в свободном падении – и в ракете не нуждается.

– А почему он светится? У него тоже бортовые огни, как у самолёта?

– Нет, это солнечный свет отражается от его поверхностей, словно от зеркал. Луна тоже солнечный свет отражает, поэтому и светится.

– Ладно, я понял: Луна летит по кругу вокруг Земли и всё время падает, но никогда не упадёт.

Алекс добавил:

– А размер этого круга – лунной орбиты – постепенно увеличивается, на длину пальца за год.

– А Земля никуда не падает? – спросил Мишун.

– Конечно же, падает! Земля вместе с Луной очень быстро летят по круговой орбите вокруг Солнца и всё время падают на него – Солнце же гораздо больше Земли и других планет. Оно удерживает их всех своим тяготением, словно верёвочками, и не даёт улететь. Вокруг Солнца вращаются планеты, а вокруг большинства планет вращаются их спутники. Вот такая получается у нас космическая семья – Солнечная система.

– А Солнце никуда не падает?

– Солнце тоже летит и падает на ядро Галактики. Как и все другие звёзды Галактики. Все они – наша галактическая семья.

– Почему ты всё знаешь, Алекс?

– Потому что я всегда был любопытный, как и ты, задавал много вопросов и искал на них ответы.

– Значит, когда-нибудь я тоже буду таким умным?

– Обязательно!

Далеко ли до космоса

– Мишун, мама велела спать ложиться! – позвал брата Алекс. Тот стоял возле открытого окна, глядя в звёздное небо.

– Я не хочу спать, я хочу смотреть на звёзды, – откликнулся Мишун. Мне кажется, что я растворяюсь в космосе… Алекс, а что это вообще такое – космос?

Алекс встал рядом и начал рассказывать, тоже глядя в окно:

– Слово «космос» пришло к нам из древнегреческого языка. В переводе оно означает порядок, гармонию. Наверно, древние греки, как и мы, любили любоваться звёздным небом. Они заметили, что все созвездия поворачиваются вокруг Земли как одно целое, словно нарисованы на большой сфере. А некоторые звёздочки – греки назвали их планетами, то есть странниками – передвигаются среди «неподвижных» звёзд, описывая странные петли. Но движения планет тоже повторяются, и древнегреческий учёный Птолемей смог предсказать их пути среди звёзд на две тысячи лет вперёд! Так что в небе, по мнению древних философов, царит полный порядок – космос. С тех давних времён космосом называют всё, что за пределами земной атмосферы.

– А космос и Вселенная – это одно и то же?

– В общем, да. Слово Вселенная – старославянское, оно означает «обитаемая, заселённая». Поначалу так называли только обитаемую часть космоса, а теперь и весь космос. Кто знает, кто там ещё возле других звёзд обитает…

– Алекс, а до космоса далеко?

– Как тебе сказать… С одной стороны, до космоса рукой подать: какие-то 80 или 100 километров – и земная атмосфера практически закончилась, начался космос. На машине ты бы проехал такое расстояние меньше чем за час. Но как же сложно было людям одолеть эти 80 километров и добраться до космоса!

– Потому что земное притяжение не пускает? – догадался Мишун.

– Не только поэтому. Ещё потому, что всё, на чём люди уже умели летать – воздушные шары, самолёты, – может летать только в воздухе. А в космосе ведь нет воздуха. Так что пока не придумали ракеты, космос оставался недоступен. Ракета разгоняется до первой космической скорости и добирается до космоса всего минут за десять. Люди впервые смогли построить такую ракету не так уж давно, в 1957 году, меньше 70 лет назад.

– Про ракеты потом расскажешь?

– Конечно, расскажу. Я ещё много о чём хочу тебе рассказать.

– А до Луны ракета сколько летит? – продолжал допытываться Мишун.

– Самая быстрая современная ракета домчится до Луны за восемь-девять часов. Машине понадобилось бы полгода, чтобы проехать такое расстояние, даже если ехать без остановок. До Марса (это следующая после Земли планета) самая быстрая ракета летит в лучшем случае два месяца, а машина тащилась бы 60 лет – мы бы успели состариться. Ну, а до самых дальних планет, Нептуна и Плутона, самый быстрый космический аппарат летел девять с половиной лет.

– Какая большая наша Солнечная система! – воскликнул Мишун. – Целых девять лет до конца лететь!

– Что ты, она гораздо больше! После Нептуна с Плутоном болтается ещё куча мелких тел, а потом огромное облако из ледяных комет. Пока что только два космических аппарата смогли достигнуть границ Солнечной системы, им понадобилось для этого больше сорока лет. Но до ближайших звёзд им ещё предстоит лететь много тысяч лет.

– Как долго! – огорчился Мишун. – А быстрее ракеты что-нибудь есть?

– Люди ничего такого пока не построили. Но в природе есть нечто гораздо более быстрое – это свет. Быстрее света вообще ничего не может быть. За секунду с хвостиком – ты успеешь сказать только «раз-два-три» – свет долетит до Луны, а за четыре часа, пока ты отсидишь в школе четыре урока, – до Нептуна с Плутоном. Но до ближайшей звезды даже свету приходится лететь целых четыре года! А от одного края нашего звёздного дома, Галактики, до другого – сотню тысяч лет. Во Вселенной такие огромные расстояния, что их неудобно измерять километрами – это как если бы мы измеряли земные расстояния какими-то пылинками. Так что космические расстояния измеряют световыми годами.

– Значит, мы никогда не долетим до звёзд и не узнаем, живёт ли кто-то в космосе на других планетах? – совсем сник Мишун.

– Почему же не узнаем? Долететь до наших звёздных соседей мы и правда ещё не можем, но мы могли бы отправить им сообщение и получить ответ с помощью световых сигналов или их близких родственников – радиосигналов. Люди уже пытаются это делать, но ответов ещё не получили. Я думаю, мы ещё много интересного и неожиданного узнаем о космосе.

– А весь космос очень большой?

– Сейчас учёные считают, что у него вообще нет конца.

Мишун смотрел на звёзды и пытался представить себе: как это – совсем нет конца? И ему казалось, что звёзды подмигивают и усмехаются.

Что такое звуковая волна

Ночью бушевала гроза. Мишун проснулся от раскатов грома и спрятался с головой под одеялом. Алекс успокаивал младшего брата:

– Не бойся, у нас громоотвод есть. И вообще, гроза уже уходит от нас.

– Откуда ты знаешь? Вон как сильно гремит!

– Я считаю, сколько секунд проходит от вспышки молнии до того, как мы услышим гром. Я говорю про себя: двадцать один, двадцать два, двадцать три… На произнесение двух слов как раз уходит секунда. Сначала гром приходил через три секунды, теперь через пять. Интервалы между молнией и громом увеличиваются – значит, гроза удаляется.

– При чём тут секунды? – заинтересовался Мишун и высунул голову из-под одеяла.

– При том, что свет от молнии доходит до нас почти мгновенно, а звуку требуется время – у него не такая уж большая скорость: 340 метров в секунду.

– Как у кого? Как у машины?

– Нет, машина за секунду проезжает метров 20 или 30. Звук гораздо быстрее, он даже быстрее авиалайнера раза в полтора. Ну так вот, я считаю: если звук шёл до нас три секунды, а за одну секунду он проходит 340 метров, значит, он прошёл три раза по 340, то есть около 1000 метров – одного километра. То есть от нас до грозовой тучи было такое расстояние. А если пять секунд, то уже больше полутора километров.

Мишун забыл, что боялся, и сел в кровати:

– А как это звук шёл? У него, что ли, ноги есть?

– Часы тоже без ног, но ходят, – парировал Алекс. – Просто мы так говорим. А физик бы сказал, что звук распространяется. Если он возник в одном месте, то побежит всё дальше и дальше во все стороны. Это похоже на то, как в воду бросили камень – и по воде кругами побежали волны. Звук – это тоже волна, но не в воде, а в воздухе. Впрочем, звук может и в воде распространяться – не по поверхности, а в толще воды: дельфины же переговариваются свистом под водой. И даже в земле может или, скажем, в железнодорожном рельсе. Вообще в любой среде.

– Я помню, в сказке Иван-царевич ухо к земле прикладывал, чтобы послушать, нет ли погони. А в космосе тоже может?

– Нет, там же нет никакой среды: ни воздуха, ни чего-нибудь ещё. Пустота. А звуку обязательно нужна среда. Её частицы толкают друг друга туда-сюда – вот и получается волна. Вот представь себе, что много-много гномиков выстроились в цепочку и взялись за руки. Это у нас будет модель среды. А теперь представь, что один гномик начал качаться туда-сюда, вправо-влево или вперёд-назад. Что будет с остальными?

– Он будет тянуть за руки своих соседей, а они – своих соседей, и так постепенно все гномики в цепочке станут качаться.

Мишун развеселился, вскочил на ноги и стал раскачиваться на кровати.

– Верно! У нас получилась модель бегущей волны. Каждый гномик, то есть каждая частица среды, остаётся возле своего места, но качается и заставляет качаться следующие за ней частицы. Так распространяется звуковая волна. Когда такие качания воздуха дойдут до твоих ушей, они раскачают внутри них тоненькую плёнку – барабанную перепонку. И ты услышишь звук. Помнишь, когда волны от катера доходят до нашей лодочки, она тоже начинает качаться, и мы даже с закрытыми глазами узнаём, что пришла волна.

– А почему мы от этих волн на воде звука не слышим?

– Знаешь, Мишун, ложись-ка ты лучше спать – гроза уже ушла. А про звуки я тебе ещё завтра расскажу.

Почему пищит комар

Алекс с Мишуном ели на веранде блинчики с вареньем, запивая чаем. Вокруг стола кружились мухи, привлечённые вкусными запахами. Мишун начал ворчать, отмахиваясь:

– И чего эти мухи всё жужжат и жужжат? Летали бы молча – меньше мешали.

– Да они не могут молча летать! Ты думаешь, они ртом жужжат?

– Конечно! А чем же ещё?

– А почему тогда муха, когда ползает, не жужжит?

– Ну, может, у неё рот едой занят.

– А давай-ка проведём научный эксперимент, – предложил Алекс. – Этот эксперимент придумал Леонардо да Винчи, итальянский учёный, лет 500 назад.

– Ой, а я видел в альбоме картины Леонардо да Винчи! – вспомнил Мишун.

– Верно, он ещё и великий художник был, и изобретатель.

Алекс достал свисавшую с потолка липкую ленту от мух, к которой уже прилипло несколько насекомых. Потом пошёл в дом и принёс кисточку для акварельных красок. Положил чуточку варенья на блюдце и добавил каплю чая. Затем обмакнул кисточку в получившийся сироп, выбрал одну муху, которая трепыхалась на ленте, и мазнул кисточкой по её крыльям. После чего отцепил муху от ленты и отпустил. Муха с трудом полетела, при этом жужжа низким басовитым звуком, словно это никакая не муха, а шмель.

– Слышишь, как изменился звук? Это из-за того, что крылья отяжелели от сиропа и наша муха уже не может так же быстро махать ими, как раньше. И какой мы можем сделать вывод? – спросил Алекс профессорским тоном.

– Что муха жужжит крыльями, когда ими машет?

– Совершенно верно. И чем реже махать, тем ниже получится звук, а чем чаще – тем звук выше, писклявее. Число взмахов в секунду задаёт частоту звука. Чем чаще махать, тем больше частота звука и больше высота тона. Муха успевает за секунду сделать около двухсот взмахов крыльями, а комары – гораздо больше: пятьсот или даже тысячу! Поэтому муха жужжит, а комар пищит.

– А почему тогда птицы не жужжат, когда летят и машут крыльями?

– Хороший вопрос! Дело в том, что птицы взмахивают крыльями слишком редко – всего несколько раз в секунду. И бабочки тоже. Но и они издают звук, только мы его не слышим. Наши уши способны слышать звуки лишь определённой частоты: не слишком малой и не слишком большой. Если за секунду будет сделано меньше 20 взмахов, то мы не услышим звука. Есть такая крохотная птичка, колибри-пчёлка, которая успевает делать 200 взмахов за секунду, поэтому она жужжит, как муха или пчела.

– Я такую птичку никогда не видел, – огорчился Мишун.

– Я тоже. Они живут на острове Куба, найдёшь его потом на нашем глобусе. Это самая крохотная птичка на всей планете.

– Ладно, про крылья, которые жужжат или пищат, я понял. А как я пою или говорю, я же ничем не машу?

– Не обязательно махать чем-то. Любые дрожащие предметы издают звуки. У тебя в горле, в гортани, есть две тонкие створки, как бы воротца, а между ними – щель. Это голосовые связки. Когда ты говоришь, воздух продувается через эту щель, заставляя связки дрожать. От этого получается звук. Положи-ка ладонь на горло и покричи, лучше всего низким голосом, – и ты почувствуешь их дрожание.

– Точно, я чувствую, как горло дрожит!

– Дрожащий предмет заставляет дрожать воздух вокруг себя, – продолжил Алекс, – и в воздухе бежит звуковая волна. А хочешь, сделаем с тобой пищалку из бумаги? Это будет похоже на наши голосовые связки.

Алекс принёс тетрадку и ножницы, отрезал от тетрадного листа поперечную полоску сантиметров пять шириной, сложил её пополам, а края загнул наружу. Потом на центральном сгибе вырезал узкую щель длиной около сантиметра:

– Вот и готово. Центральные части надо соединить, а края отвести в стороны.

Он начал сильно дуть в щёлочку между отогнутыми краями полоски – и пищалка громко запищала! Мишун обрадовался, схватил пищалку и с упоением пищал, пока Алекс доедал остывшие блинчики.