Текст книги "Все обо всем. Том 1"

Что такое цвет?

Пропуская луч света через стеклянную призму, Исаак Ньютон доказал, что солнечный свет состоит из различных цветов. Преломляясь в призме, он образует спектр.

Для большинства из нас спектр состоит из 6 или 7 цветов, но приборы выделяют более 100 оттенков. Белый цвет составляют три основных цвета, называемых «первичными цветами». Это – оранжево-красный, зеленый и фиолетово-синий.

В спектре представлены еще три смешанных цвета, которые видны невооруженным глазом. Они называются «второстепенные цвета». Это зеленовато-голубой, желтый и пурпурно-красный.

Второстепенные цвета можно получить при смешении других оттенков.

Цвета соответствуют длине волн, которые воспринимает человеческий глаз. Насекомые и животные воспринимают другие длины волн и видят другие цвета.

Световые или цветовые волны имеют очень короткую длину.

Для придания цвета в краску добавляют красители, которые не соответствуют цветам света. Второстепенные цвета света соответствуют первичным цветам в краске. То есть в краске первичными являются желтый, зеленовато-синий и красный, второстепенные – оранжево-красный, зеленый и фиолетово-синий.

Оттенок – это цвет без добавления черной или белой краски, например желтый, красный, синий, зеленый. При соединении с белым цветом и другими оттенками получается полутон, например розовый и слоновая кость. При соединении чистого оттенка, черного и белого получается тон. Это – желтовато-коричневый, бежевый, серый.

Красная краска в банке выглядит черной. Там, где нет световых лучей, нет цвета. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Цвет предмета зависит от материала, из которого создан данный предмет, и его освещения. Оранжево-красный свитер выглядит так потому, что краситель, который использовали для окраски шерсти, отражает оранжево-красную часть световых лучей и поглощает фиолетово-синюю и зеленую часть спектра.

Какова скорость звука?

Если мы слышим какой-либо звук, значит, поблизости должен находиться вибрирующий предмет, который колеблется. Звуки исходят от вибрирующих предметов.

Но звук должен где-то распространяться. Что-то должно его переносить от источника к приемнику. Это что-то называется «среда». Средой может служить что угодно – воздух, вода, предметы, даже земля. Индейцы прикладывали ухо к земле, чтобы услышать отдаленные звуки.

Нет среды – нет и звука. Если в каком-то объеме создать вакуум, звук в нем не сможет распространяться. Это связано с тем, что звук распространяется волнами. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам. Происходит передача движения от одной частички к другой, что приводит к появлению звуковой волны.

Средой распространения звуковых волн могут быть различные материалы – дерево, воздух, вода; следовательно, скорость распространения звуковых волн должна быть различной. Если мы говорим о скорости звука, мы должны спросить: а в какой среде?

Скорость звука в воздухе составляет около 335 м/сек. Но это при температуре 0° С. С повышением температуры скорость распространения звука также увеличивается.

В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. При температуре 8° С скорость его распространения составляет около 1435 м/сек, или около 6 тыс. км/час. В металле эта скорость достигает порядка 5000 м/сек, или 20 000 км/час.

Ты, наверное, думаешь, что сильный звук имеет более высокую скорость, чем слабый, но это не так. Его скорость не зависит и от его высоты (высокий или низкий). Скорость звука зависит от среды его распространения.

Ты можешь сам провести опыт по сравнению скорости звука в разных средах. Зайди в воду и ударь друг о друга двумя камнями. Теперь опустись под воду и снова постучи этими камнями. Ты удивишься тому, что звук распространяется в воде лучше, чем в воздухе.

Что такое звуковой барьер?

Термин «звуковой барьер» неверно описывает условия, которые возникают при движении самолета с определенной скоростью. Можно полагать, что при достижении самолетом скорости звука появляется что-то вроде «барьера» – но ничего подобного не происходит!

Чтобы понять все это, рассмотрим самолет, летящий с небольшой, обычной скоростью. При движении самолета вперед впереди самолета образуется волна сжатия. Она образуется движущимся вперед самолетом, который спрессовывает частички воздуха.

Эта волна движется впереди самолета со скоростью звука. И ее скорость выше скорости самолета, который, как мы уже сказали, летит с небольшой скоростью. Двигаясь впереди самолета, эта волна заставляет воздушные потоки обтекать плоскости самолета.

Теперь представим, что самолет летит со скоростью звука. Впереди самолета не образуется волны сжатия, так как и самолет, и волны имеют одну скорость. Поэтому волна образуется впереди крыльев.

В результате появляется ударная волна, которая создает большие нагрузки на крылья самолета. До того, как самолеты достигли звукового барьера и превысили его, считали, что такие ударные волны и перегрузки создадут для самолета что-то вроде барьера – «звуковой барьер». Однако звукового барьера не было, так как авиационные инженеры разработали специальную конструкцию самолета для этого.

Кстати, сильный «удар», который мы слышим при прохождении самолетом «звукового барьера», и есть ударная волна, о которой мы уже говорили – при равной скорости самолета и волны сжатия.

Почему мы слышим эхо?

В настоящее время, когда нас все интересует в природе, мы хотим получить правильный, научный ответ. В древности люди создавали легенды, чтобы объяснять всевозможные события. Древние греки придумали очень красивую легенду для объяснения эхо. Вот она.

Давным-давно жила прекрасная нимфа по имени Эхо. У нее был лишь один недостаток – она слишком много говорила. В наказание богиня Гера запретила ей говорить, если с ней не заговорят. Нимфа могла лишь повторять то, что ей говорили. Однажды Эхо увидала красивого молодого Нарцисса и сразу влюбилась в него. Однако Нарцисс не замечал ее. Нимфу охватила такая печаль, что Эхо растворилась в воздухе, оставив лишь свой голос. И мы слышим ее голос, который повторяет все, что мы говорим.

Конечно, эта печальная легенда не сможет нам объяснить природу эхо. Для того, чтобы получить ответ, нужно кое-что вспомнить о звуке. Звук движется в воздухе со скоростью 335 м/сек. Он переносится волнами наподобие того, как появляются волны в воде от брошенного туда камешка. Звуковые волны распространяются во все стороны, как и свет от электрической лампочки.

При встрече с препятствием звуковая волна отражается наподобие света. При этом мы слышим эхо. Итак, эхо – это отраженный звук.

Но не все препятствия создают эхо. Некоторые предметы поглощают, а не отражают звук. То есть звук не возвращается, эхо не слышно. Но обычно гладкие ровные поверхности, например стены, скалы, перекрытия, создают эхо.

А ты знаешь, что облака отражают звук и создают эхо? И действительно, когда мы слышим раскаты грома, это свидетельствует о том, что звук грома многократно отражается от облаков.

Что такое энергия?

Ты читал, наверное, в газетах, что самой главной задачей ученых является получение атомной энергии, которая служила бы человеку в мирных целях. То, что этого уже достигли, является величайшим достижением человеческого разума.

Альберт Эйнштейн выдвинул теорию о взаимосвязи материи и энергии. Другими словами, он доказал, что материя может превращаться в энергию. Это изменило наше восприятие окружающего мира. Материя оказалась вторичной: самым важным фактором в мире оказалась энергия.

Что же такое энергия? Энергия – это способность выполнять работу. Это то, что стоит за понятием силы, что дает возможность существовать силам. Для того чтобы понять это, возьмем автомобиль.

Для того чтобы привести в движение двигатель, необходимо применить силу. Ее надо откуда-то получить. Из энергии. А откуда берется энергия? Ее получают из бензина, во время его сгорания в цилиндрах. Эта энергия приводит в действие определенные силы, которые сообщают движение механизмам автомобиля. В результате – двигатель работает, и это стало возможным благодаря энергии.

Существует два вида энергии – потенциальная и кинетическая. Вначале рассмотрим потенциальную. В бензине электрические силы притягивают молекулы друг к другу. Энергия хранится в этих молекулах – это потенциальная энергия. При сжигании бензина эта потенциальная энергия высвобождается.

Другим примером потенциальной энергии может служить подвешенный груз. Энергия хранится в данном грузе, мы можем ее высвободить, когда груз начнет падать вниз. Вода на краю водопада или у гребня плотины также обладает потенциальной энергией.

Теперь отпустим груз или проследим за водой, падающей в водопаде. Они падают с определенной скоростью, совершая работу, эта энергия называется «кинетической энергией». Эта энергия, получаемая движущимся с определенной скоростью телом. Падающее тело теряет потенциальную энергию и приобретает кинетическую энергию. Величина двух видов энергии равнозначна. В действительности общий объем энергии во Вселенной всегда остается неизменным. Мы не можем уничтожить или создать заново энергию. При выработке энергии мы используем энергию падающей воды, угля, атома, превращая один вид энергии в другой.

Что такое тепло?

Когда-то считали, что тепло – это своего рода жидкость, которая переходит из одного тела в другое. Эту воображаемую жидкость назвали «теплота».

Сегодня мы знаем, что тепло – это постоянное движение атомов и молекул в предмете; например, в воздухе атомы и молекулы двигаются хаотично. При возрастании скорости перемещения этих атомов и молекул мы говорим, что температура воздуха высокая или что воздух горячий. Если их скорость низка, например в холодный день, мы ощущаем холодный воздух.

Атомы и молекулы в жидких и твердых телах не могут двигаться столь же свободно, как в воздухе, но тем не менее такое движение существует.

Даже при температуре таяния льда молекулы продолжают движение. Молекула водорода при данной температуре движется со скоростью 1950 м/сек. В 16 кубических сантиметрах воздуха каждую секунду происходит тысяча миллион-миллионов столкновений между молекулами.

Тепло и температура не одно и то же. Температура поверхности маленькой газовой горелки такая же, как и у большой горелки. Просто большая горелка дает больше тепла, так как сжигает больше газа. Тепло – это форма энергии, и когда мы измеряем тепло, мы измеряем энергию. Тепло измеряется в калориях. Калория – это величина тепловой энергии, необходимой для увеличения температуры одного грамма воды на 1° С. Температура тела отмечает уровень тепловой энергии, которую имеет данное тело. Температуру измеряют термометром, она выражается в градусах.

При соединении двух тел и при отсутствии передачи тепла от одного к другому мы говорим, что тела имеют одинаковую температуру. Но если одно тело потеряло часть тепловой энергии (молекулы замедлили свое движение), а второе тело получило дополнительно от него такую же часть тепла (его молекулы ускорили свое движение), мы говорим, что тепло перешло от более теплого тела к более холодному и что у первого тела температура была выше, чем у второго.

Что такое огонь?

Научный термин для обозначения сжигания – «горение». Известно множество видов горения, но в большинстве случаев все очень просто. Кислород воздуха должен вступить во взаимодействие с каким-либо материалом, который может гореть.

В результате выделяется тепло. Если процесс протекает быстро, мы наблюдаем пламя или тление или просто чувствуем, что происходит такая реакция – например, при взрыве. Когда дерево или бумага вступают в реакцию с кислородом, мы наблюдаем огонь. Но подобное сжигание происходит и в автомобильном двигателе. Бензин сгорает при соприкосновении с кислородом из окружающего воздуха.

В автомобильном двигателе сгорание происходит так быстро, что мы называем этот процесс взрывом. И наоборот, существует сгорание, которое протекает так медленно, что мы годами его не замечаем. Например, при ржавлении металла мы имеем дело с процессом горения!

При медленном горении, если выделяемое тепло не попадает в воздух, температура может достичь такого уровня, когда начнется возгорание. Это называется «спонтанным загоранием». Спонтанное возгорание может начаться в куче промасленных тряпок, оставленных в закрытом помещении. Масло будет медленно окисляться, что приведет к выделению тепла. Если для него не будет выхода, оно будет аккумулироваться. Постепенно его станет достаточно, чтобы загорелись тряпки.

Кислород, необходимый для горения, широко распространен в природе. В окружающем нас воздухе содержится примерно 21% кислорода. Кислород всегда готов начать процесс горения.

Тем не менее, для того, чтобы этот процесс начался, помимо кислорода, необходимо наличие «горючих» материалов. Горючие материалы, которые специально используются для сжигания, называются «топливо». Например, дерево, уголь, кокс, керосин, некоторые газы являются топливом, или горючим.

В процессе горения два атома кислорода из окружающего воздуха соединяются с одним атомом углерода топлива, в результате получается двуокись углерода. А тебе известно, что в результате процесса горения в нашем организме, необходимого для производства тепла и энергии, также выделяется двуокись углерода, который мы выдыхаем?

Почему горячие предметы вызывают ожоги?

Мы все испытали на себе, что огонь и горячие предметы вызывают болезненное ощущение. Ребенок этого не знает – и получает ожог. Мы получаем урок на собственном опыте.

В горячем утюге атомы вибрируют с огромной частотой – возможно, до миллиона колебаний в секунду! Если дотронуться до утюга кончиком пальца, мы почувствуем боль, так как быстро движущиеся частицы заставят молекулы нашей кожи также двигаться резко и быстро. Это быстрое движение вы почувствуете в виде боли – вот почему горячие предметы обжигают.

Можно себе представить, с какой скоростью должны двигаться молекулы, чтобы кожа получила такое ощущение. Приведем такое сравнение для примера. При температуре таяния льда, а это совсем не жарко, молекулы водорода движутся со скоростью более 1700 м/сек!

Что такое трение?

Трение – это сопротивление, оказываемое при движении одного объекта по поверхности другого. Это могут быть два любых предмета.

Многие виды работ, которые мы выполняем в жизни, были бы невозможны без трения. Без трения машинные ремни соскочили бы, не смогли бы удержаться гвозди и шурупы, мы не смогли бы двигаться по тротуарам, колеса вращались бы, не продвигаясь вперед! Вместе с тем во многих случаях, особенно в технике, мы стремимся максимально уменьшить трение.

Трение между твердыми телами вызвано в основном неровностями их поверхности. Чем ровнее эти поверхности, тем меньше трение. Интересно, что трение между однородными материалами больше, чем между разнородными. Когда мы смазываем поверхности (например, подшипники в двигателе), мы уменьшаем трение, заменяя трением жидкостей трение твердых поверхностей.

Трение между твердыми телами бывает двух типов. Это качение и скольжение. При качении трение меньше, чем при скольжении. Вот почему колесо является величайшим открытием человека. Это позволило заменить скольжение на качение и уменьшить трение во много раз, особенно при перемещении грузов.

Рассмотрим следующий пример. Возьмем и разместим на неровной поверхности большой камень. Потребуется десяток человек, чтобы передвинуть его. Если мы положим под такой камень катки, человек шесть смогут перевезти его. Разместив камень в тележку на двух колесах, нам потребуется только четыре человека. Здесь будет скольжение осей тележки и качение по неровной поверхности. Смажем оси тележки и сделаем гладкой поверхность – при этом потребуется всего два человека.

Если мы будем использовать подшипники в колесах, всего один человек спокойно перевезет этот самый камень!

Воздух и вода также создают трение. Мы придаем обтекаемую форму самолетам, чтобы уменьшить сопротивление воздуха. Корабли также имеют определенную форму, чтобы уменьшить сопротивление воды.

Как объекты передвигаются в космосе?

Гравитация – вот та сила, которая притягивает во Вселенной один объект к другому. Это та сила, которая заставляет космические объекты двигаться в сторону Земли.

Только во времена Галилео Галилея (1564—1642) были предприняты попытки определить величину гравитации. До этого времени считалось, что скорость, с которой падающий предмет ударяется о поверхность Земли, зависит только от веса этого объекта.

Галилей бросал различные по весу предметы с падающей башни в итальянском городе Пиза с целью изучения воздействия на них «силы» гравитации. Он доказал, что тяжелый и легкий предметы, брошенные вниз вместе, достигают поверхности Земли одновременно.

Он заставлял скатываться по склону шар, измеряя в определенные отрезки времени его положение. Галилей открыл, что увеличение скорости шара пропорционально его времени движения. Это значит, что к концу второй секунды он двигался в два раза быстрее, чем в конце первой, в конце третьей – в три раза быстрее, и так далее.

Он также вычислил, что пройденное шаром расстояние пропорционально квадрату времени его движения (квадрат числа получается при умножении этого числа на эту же величину), то есть к концу второй секунды шар проходил расстояние в четыре раза большее, чем в конце первой секунды, в конце третьей – в девять раз большее, и так далее.

Исаак Ньютон продолжил открытия в области гравитации. Он предположил, что сила, притягивающая предмет к Земле, уменьшается с увеличением расстояния между Землей и предметом. В результате опытов и наблюдений Ньютон вывел закон всемирного тяготения. Основное положение закона заключается в том, что если масса (количество вещества) одного из притягивающихся предметов удваивается, сила тяготения также удваивается, но если расстояние между предметами увеличивается в два раза, сила притяжения составит одну четвертую от первоначальной величины.

Альберт Эйнштейн попытался ответить на вопрос: «Что такое гравитация?», доказывая, что пространство-время имеет четыре измерения. Это очень сложная теория, требующая для своего понимания глубоких научных знаний. По его последней теории гравитационное поле связано электрическим, магнитным и электромагнитным полями. Однако следует отметить, что до настоящего времени никто еще не предложил определение гравитации, которое удовлетворило бы всех.

Тем не менее нам известно, что увеличение скорости, вызываемое гравитацией, составляет 10 м в каждую последующую секунду. Это значит, что скорость падающего предмета каждую секунду возрастает на 10 м/сек. В конце первой секунды скорость падения составляет 10 м/сек, в конце второй – 20 м/сек, и так далее. Если в конце первой секунды падающий объект пролетит 5 м, то в конце второй – 20 м, в конце третьей – 45 м.

Что такое теория относительности Эйнштейна?

Когда была опубликована эта теория, считалось, что во всем мире ее смогут понять не больше десятка ученых! Вот почему мы и не будем стараться представить ее технические особенности. Однако будет полезно понять, чем занимался Эйнштейн, какие исследовал проблемы.

Мы знаем, что любое движение «относительно». Это означает, что его можно измерить по отношению к чему-то. Например, мы находимся в вагоне поезда и смотрим в окно. Наблюдая за мелькающими за окном предметами, мы знаем, что поезд движется. Но по отношению к пассажиру, сидящему напротив вас, вы остаетесь на месте!

Поэтому наличие движения можно определить по отношению к чему-то неподвижному. Это первая часть теории Эйнштейна. Мы можем сформулировать его следующим образом: движение тела с постоянной скоростью в космическом пространстве невозможно зафиксировать безотносительно к другим объектам.

Вторым основным положением теории Эйнштейна является то, что единственно неизменным во Вселенной является скорость света. Нам известна его скорость – около 300 000 км/сек. Но нам трудно даже представить, что это неизменная величина. И вот почему: если автомобиль движется со скоростью 100 км/час, это означает, что его скорость по отношению к неподвижно стоящему наблюдателю, составляет 100 км/час. Если первый автомобиль обгоняет второй, движущийся со скоростью 60 км/час, это значит, что скорость первого на 40 км/час выше, чем второго. А если второй автомобиль едет навстречу, их суммарная скорость в точке встречи составит 160 км/час.

Итак, согласно теории Эйнштейна, если измерять скорость движения луча света таким же образом (например, мы движемся в одном направлении, а луч света – в противоположном), его скорость останется неизменной – порядка 300 тыс. км/сек. Это дает только общее представление о теории относительности Эйнштейна. Кроме этого, он исследовал вопросы, связанные с массой и энергией, способами перехода одного состояния в другое.