Текст книги "Невероятные физические опыты"

Загадочный песок

Разнообразие свойств песка достойны удивления. Сухой, он текуч, подобно воде. Однако в отличие от жидкости без труда выдержит вес человека, прогуливающегося вдоль берега. Даже в состоянии покоя песок ведет себя странным образом. Кажется очевидным, что, оказавшись под 30-метровой кучей песка, человек испытывает гораздо большее давление, чем под 3-метровой. Однако это не так. Давление жидкости на дно сосуда возрастает пропорционально высоте ее уровня, давление же сыпучего вещества на основание сначала растет, потом достигает максимума и далее остается неизменным. Силы, действующие между частицами песка, переносят избыточное давление на стенки резервуара.

Проделайте эксперимент. Наберите две пригоршни сухого песка и медленно высыпайте его через щель между ладонями. Обратите внимание на то, что сначала высыпаются песчинки, лежащие непосредственно над отверстием. А затем песчинки из верхнего слоя песка, в котором образуется воронка. Наполните ладони. Воронка все равно образуется точно по вертикали над отверстием. Что мешает раньше высыпаться другим песчинкам, расположенным вокруг отверстия в нижних слоях, то есть ближе к нему?

Продолжим эксперимент. Возьмем лист бумаги, свернем его в трубку, положим горизонтально и засыплем снаружи сухим песком. Конструкция из бумаги будет выдерживать довольно большие нагрузки, прочность ей придает не только трубчатая форма; нужно, чтобы вокруг трубки и сверху толстым слоем лежал сухой песок.

Почему песок не расплющивает трубку, даже если сверху надавить на песок ладонью? Дело в том, что под давлением песчинки перестраиваются так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному перемещению. В науке это явление носит название «появление арочных структур». В арке каждый отдельный элемент не может переместиться в направлении действия внешней силы, так как он зажат враспор соседними элементами, которым и передает действующую нагрузку. В результате под внешним и внутренним давлением песок утрачивает подвижность и и приобретает свойства твердого тела. Этим объясняется прочность сводов туннелей метро, куполов соборов, арочных проемов.

По этой причине в песочных часах песок пересыпается равномерно, независимо от высоты его столба, в отличие от воды. И первыми высыпаются песчинки именно верхнего слоя, потому что они не связаны арочными структурами.

Как сделать яйцо послушным

Чтобы яйцо поставить в любом положении, необходимо в концах яйца проткнуть две дырочки величиной со спичечную головку, выдуть содержимое яйца и промыть его хорошенько водой. Скорлупа должна быть совершенно сухой, поэтому яйцо должно пару дней полежать, чтобы высохнуть. Затем одну дырочку заделывают гипсом или клеем с мелом или белилами так, чтобы она не была заметна.

После этого в скорлупу примерно на четверть насыпают чистый и сухой песок и вторую дырочку заделывают таким же образом, как и первую. Сделанное яйцо будет послушным, его можно поставить в любом положении. Следует только слегка встряхнуть яйцо, держа его в том положении, которое оно должно занять. При этом песчинки переместятся, и поставленное яйцо будет сохранять устойчивое равновесие.

Для того чтобы сделать яйцо непослушным, вместо песка нужно в него положить 35–40 самых мелких дробинок и кусочки стеарина от свечи. Дырочки в яйце нужно заделать. Затем яйцо следует поставить на один конец и подогреть. Стеарин растопится, а когда застынет, слепит дробинки между собой и приклеит к скорлупе. Вот и получилось непослушное яйцо. Такое яйцо невозможно уложить, оно похоже на ваньку-встаньку и будет стоять не только на столе, но и на горлышке бутылки, на краю стола, на ручке ножа. Если его разрисовать, раскрасить и приклеить к нему ножки, оно будет очень симпатично выглядеть.

Как образуются сосульки

Когда образовываются сосульки – в оттепель или в мороз? Если в оттепель, то как могла замерзнуть вода при температуре выше нуля? Если в мороз, то откуда могла взяться вода на крыше? Все не так просто, как кажется. Оказывается, чтобы могли образоваться ледяные сосульки, нужно в одно и то же время иметь две температуры: одну для таяния – выше нуля и другую для замерзания – ниже нуля. На самом деле так и происходит. Снег на склоне крыши тает, потому что солнечные лучи нагревают его до температуры выше нуля, а стекающие капли воды у края крыши замерзают, потому здесь температура ниже нуля.

В ясный день с небольшим морозцем в 1–2 градуса солнце заливает все своими лучами. Однако его косые лучи не нагревают землю настолько, чтобы снег мог таять. Но на склон крыши, обращенный к Солнцу, лучи падают не полого, как на землю, а круче, под углом, более близким к прямому. Освещение и нагревания лучами тем больше, чем больший угол составляют лучи с плоскостью, на которую падают.

Скат крыши нагревается сильнее и снег на нем может таять. Оттаявшая вода стекает и каплями свисает с края крыши. Но под крышей температура ниже нуля, и капля, охлаждаемая к тому же испарением, замерзает. На замерзающую каплю натекает следующая, также замерзающая, затем еще одна, и т. д. Постепенно образуется маленький ледяной бугорок. В другой раз при такой же погоде эти ледяные наплывы еще удлиняются, и в результате образуются сосульки.

Как кроит лазер

Луч лазера, строго следуя заложенной в компьютере программе, разрезал ткань. Точнее, выжег нужную конфигурацию, оставив гладкую, не требующую дальнейшей обработки кромку. Портальная конструкция с квантовым генератором двинулась дальше, вдоль раскройного стола. На нем, словно из-под пресса появляются элементы кроя: одинаковые, ничем не отличающиеся от эталона.

Так работает новое оборудование в современное швейной промышленности. Новая система, использующая луч лазера в качестве режущего инструмента, дала возможность сделать принципиально новый шаг в технологии создания любой одежды. Сейчас этот комплекс выкраивает изделия в 20 раз быстрее самого опытного специалиста.

Лазер оказался очень удобным и выгодным инструментом для раскройного комплекса. Дело в том, что световой резак раскраивает ткань по программе, запасенной в компьютере. Сменить программу – значит быстро сменить фасон или размер одежды. А это делает швейное производство более мобильным и гибким.

Новые профессии магнита

Магниты издавна пользовались медициной для облегчения страданий больных. В наше время еще не до конца выяснено благотворное влияние магнита на живые и неживые объекты, но каждый новый эксперимент, опыт, исследование, открытие позволяет все более широко использовать силы магнитных полей в биологии, медицине, сельском хозяйстве. Теперь ученые предлагают воздействовать на биологические объекты не магнитом, а магнитофорами.

Эластичные прямоугольники, в которых могут разместиться двадцать магнитных полюсов, оказывают более интенсивное биологическое воздействие при стыковке нескольких десятков пластинок. Так, в результате опытов и экспериментов был создан магнитофор площадью 250 × 250 миллиметров с более чем тысячью микрополюсов.

Технология изготовления этих пластинок проста. Минеральные или органические связующие вещества, например, смолы, каучук, шлак, цемент или гипс, смешивают в определенных пропорциях с порошкообразными ферромагнитными наполнителями. Полученный полуфабрикат намагничивают на специальном индукторе – магнитографе, который записывает на поверхности полуфабриката нужные параметры, превращая его тем самым в целебный элемент.

Из магнитофорных смесей можно приготавливать эмульсии, пасты, замазки и наносить их на различные точки человеческого тела: протезы и сосуды, шить костюмы и любую другую одежду, способную защитить человека от геомагнитных бурь. Магнитофорные материалы в виде листов, пластин, колец можно использовать для омагничивания воды, облицовки стен резервуаров, очистки сточных вод, защиты резервуаров от микробиологической коррозии. Магнитофорные гранулы несут в себе «замороженное» биологически активное магнитное поле, что с успехом может быть применено, и уже применяется, в сельском хозяйстве. Свои активные качества гранула сохраняет почти семь лет.

Так, магнитофорные элементы напряженностью 200–300 эрстед повышали урожайность огурцов. Опыты проводились на многих фирмах. Созданы генераторы на новой основе очень простой конструкции и легкие аппараты.

Применяют магнитофоры и в физиотерапии, особенно при лечении ожогов разных степеней. Специальные повязки прикладывают на пораженные поверхности. Срок заживления сократился на 6–7 дней. Установлено, что магнитофоры на 30 % сокращают время заживления ран и переломов, активизируют лечение гипертонической болезни и снижают артериальное давление.

Как работают рентгеновские лучи

Почти 110 лет прошло с тех пор, как были открыты рентгеновские лучи, названные по имени Вильгельма Рентгена, немецкого физика, который их открыл, исследовал и предложил конструкцию трубки для их получения. Вильгельм Рентген был первым в истории физики лауреатом Нобелевской премии. Его открытие послужило основой для создания новых методов исследования новых методов исследования вещества, поиска скрытых дефектов в изделиях, нового раздела астрономии. Широкое применение рентгеновские лучи нашли в медицине.

Осматривая, простукивая и прослушивая больного, врач, конечно, мог поставить правильный диагноз. Но далеко не все болезни можно обнаружить таким путем. Многие проблемы были решены с открытием рентгеновских лучей, которые, проникая сквозь мягкие ткани, высвечивают кости скелета и внутренние органы. На снимках, полученных с помощью рентгеновской аппаратуры, можно выявить болезнь еще на ранних стадиях, принять необходимые меры, а затем проследить насколько успешно проходит лечение.

Через двадцать лет после открытия новых лучей во время первой мировой войны ученая-физик Мария Склодовская-Кюри создала 220 передвижных и стационарных установок для быстрого и точного диагностирования ранений, что помогло излечить тысячи людей.

Как вынуть монету сухой из воды

Сделайте следующий опыт. Положите монету на большую плоскую тарелку, налейте столько воды, чтобы она покрывала монету и предложите взять ее прямо руками, не замочив пальцев.

Задача кажется невыполнимой. Однако ее решить довольно просто с помощью стакана и горячей бумажки. Зажгите бумажку, положите ее горящей внутрь стакана и быстро поставьте стакан на тарелку около монеты, дном вверх. Бумажка погаснет, стакан наполнится белым дымом, а затем под ним сама собой соберется вся вода с тарелки. Монета останется на месте, и через минуту, когда она обсохнет, вы сможете ее взять, не замочив пальцев.

Объяснение опыта. Какая сила вогнала в стакан воду и поддерживает ее на определенном уровне? Атмосферное давление. Горящая бумажка нагрела в стакане воздух, давление его от этого возросло, и часть газа вышла наружу. Когда бумажка погасла, воздух вновь остыл, но при охлаждении его давление ослабело и под стакан вошла вода, которую вогнало туда давление наружного воздуха.

Как поставить заостренную спичку

Как сделать, чтобы заостренная спичка стояла головкой вверх? Для этого есть простой способ. Необходимо взять картон и вырезать из него кружочек. В кружке точно в центре сделайте прокол и наденьте на спичку. Получился волчок. Теперь закрутите его между пальцами и поставьте на стол. Пока волчок крутится, он не падает, стоит. Дело в том, что вращающийся волчок сохраняет направление своей оси.

Какая пуля не страшна в перестрелке

Движутся ли снаряды и пули быстрее звука или звук перегоняет их, предупреждая жертву о приближении смертоностного снаряда? При выстреле современное оружие сообщает пулям скорость, почти втрое большую, чем скорость звука в воздухе – около 900 м в секунду (скорость звука при 0 градусах равна 332 метра в секунду). Правда, звук распространяется равномерно, пуля же летит, замедляя быстроту своего полета. Однако в течение большей части пути все же движется быстрее звука. Отсюда следует, что если во время перестрелки вы слышите звук выстрела или свист пули, то можете не беспокоится – эта пуля вам уже не страшна, она прошла мимо.

Пуля перегоняет звук выстрела, и если пуля поразит свою жертву, то жертва будет убита раньше, чем звук выстрела, которым послана эта пуля, достигнет ее уха.

Можно ли поймать пулю руками

Однажды во время войны французский летчик, пролетая на высоте двух километров, заметил, что вблизи его лица движется какой-то мелкий предмет. Думая, что это муха, летчик схватил ее рукой. Каково же было его удивление, когда оказалось, что он поймал немецкую пулю. Как это могло произойти?

В этом случае нет ничего невозможного. Дело в том, что пуля не все время движется со своей изначальной скоростью 800–900 м в секунду. Из-за сопротивления воздуха она постепенно замедляет свой полет и к концу пути – на излете – делает всего примерно около 40 м в секунду. А такую скорость и развивал самолет времен первой мировой войны. Значит, может легко случится, что и пуля и самолет будут иметь одинаковую скорость, тогда по отношению к летчику пуля будет неподвижна или будет двигаться еле заметно. Тогда ничего не будет стоить схватить ее рукой, если, конечно, она в перчатке, так как движущаяся в воздухе пуля, сильно нагревается.

Какие звуки безмолвны

Ухо человека воспринимает далеко не все звуки, происходящие вблизи нас. Если тело совершает в секунду менее 16 колебаний, мы звука не слышим. Если оно совершает более 15000-22000 колебаний, мы тоже не слышим его. Верхняя граница восприятия тонов у разных людей различна. У старых людей она обычно понижается до 6000 колебаний в секунду. Поэтому может происходить довольно странное явление, когда пронзительный высокий тон, который отчетливо слышит один человек, совершенно не слышит другой. Так, комар или сверчок издают звуки, тон которых отвечает 20000 колебаний в секунду. Для одних людей эти тона существуют, для других – нет. Нечувствительные к высоким тонам люди наслаждаются полной тишиной там, где другие слышат хаос пронзительных звуков.

В наше время физика и техника обладают средством создавать «беззвучные звуки». Как правило, они гораздо большей частоты, чем те, о которых шел разговор ранее. В этих сверхзвуках-ультразвуках число колебаний может достигать до 10 000 000 000 в секунду. Некоторые способы получения ультразвуковых колебаний основаны на свойстве пластинок, особым образом вырезанных из кристалла кварца, при сжатии электризоваться на своих поверхностях. Это свойство кристаллов называется пьезоэлектричеством. Если же, наоборот, заряжать периодически поверхности такой пластинки, то под действием электрических зарядов она попеременно сжимается и расширяется, то есть колеблется, издавая ультразвуковые колебания. Заряжают пластинку с помощью специального генератора, частота которого подбирается в соответствии с так называемым «собственным» периодом колебаний пластинки.

Несмотря на то, что ультразвуки для человека безмолвны, свое действие они обнаруживают другими, очень ощутимыми проявлениями. Так, если колеблющуюся пластинку погрузить в сосуд с маслом, то на поверхности жидкости, охваченной ультразвуковыми колебаниями, вспучивается горка в 10 см высоты, а масляные капельки разбрызгиваются до высоты 40 см. Погрузив в такую масляную ванну конец стеклянной трубки длиной в один метр, мы ощутим в руке, держащей другой конец, сильнейший ожог, оставляющий на коже следы. Соприкасаясь с деревом, конец трубки, находящейся в состоянии колебания, прожигает отверстие. Так энергия ультразвуков превращается в тепловую энергию.

Ультразвуковые колебания оказывают сильное влияние на живой организм. Животные клеточки от них лопаются, нити водорослей разрываются, кровяные тельца разрушаются. За одну-две минуты лягушки и мелкие рыбы ультразвуками умершвляются, температура тела испытуемых животных повышается (у мыши, например, до 45 градусов Цельсия).

Применяют ультразвуки в металлургии для обнаружения неоднородностей, трещин, раковин и других недостатков в толще металла. Ультразвуком можно «просветить» металлическую толщу в метр и более, при этом обнаружить неоднородности до одного миллиметра. Применяют ультразвуки в медицине и т. д.

Как ходят маятниковые часы

Во время исследований движения качающихся тел, физики выяснили, что время, за которое тело качнется вправо-влево и вернется в прежнее положение, остается всегда постоянным. Время это назвали периодом колебания. Каждое колебание – десятое и сотое и т. д. – занимает ровно столько времени, сколько заняло первое. Поэтому маятник и приспособили к часам. Он регулирует их ход.

Маятниковые часы приводит в движение опускающаяся гиря. Цепь, на которой висит эта гиря, перекинута через барабан, насаженный на главную ось. От главной оси движение через зубчатые колеса передается минутной и часовой стрелкам. Если бы в механизме часов больше ничего не было бы, то гиря пошла бы быстро вниз, быстро бы завертелись стрелки, и все движение остановилось. Чтобы с часами такого не происходило, ход их выравнивают. Для этого в них устроено ходовое колесо и скобка с маятником. Маятник – это груз, висящий на длинном стержне. Если стержень толкнуть, он начнет качаться вправо-влево, тик-так.

Вместе с маятником качается и скобка, в которую он продет. Два плечика этой скобки попеременно попадают между зубцами ходового колеса. Если маятник качнулся вправо, то левое плечико скобки застряло в колесе и остановило его. Качнулся влево – плечико поднялось, отпустило колесо. Но только колесо проскочило на один зубец – правое плечико вновь его останавливает. Маятник опять качнулся вправо – опять пропустил один зубец ходового колеса. Колесо немного повернулось, а за ним и весь механизм часов сделал следующий шаг. Но тут же плечико скобки опять останавливает колесо. Так и ходят часы: шаг за шагом, тик-так. Быстро идти не дает маятник.

Так как период колебания маятника всегда один и тот же, то и каждый шаг часов занимает одно и то же время. Так маятник регулирует ход часов и делает его точным. Примерно таким же образом устроены механические часы, карманные и наручные часы. Только вместо гири у них пружина, а вместо маятника колесико-балансир, соединенное с тоненькой спиральной пружинкой, которая то свивается, то развивается. Такие колебания называются крутильными. Период их так же неизменен, часы идут точно.

Какой лед более скользкий

На хорошо натертом паркетном полу гораздо легче поскользнуться, чем на обыкновенном. То же самое должно было происходить и на льду, то есть гладкий лед должен быть более скользок, нежели шероховатый, бугорчатый, однако на опыте нагруженные санки гораздо легче скользят по неровной, бугристой ледяной поверхности, чем по гладкой. Получается, что шероховатый лед является более скользким, чем зеркально гладкий.

Объясняется это тем, что скользкость льда главным образом зависит не от гладкости, а от того, что температура плавления льда понижается при увеличении давления. Стоя на коньках, человек опирается на очень маленькую площадь, всего в несколько квадратных миллиметров. И на эту небольшую площадь полностью давит вес тела. Под большим давлением лед тает при пониженной температуре, если, например, лед имеет температуру – 5 градусов, а давление коньков понизило точку плавления льда под коньками, более чем на 5 градусов, то эти части льда будут таять. Теперь между лезвиями коньков и льдом находится тонкий слой воды, по которой фигурист скользит. Как только он переместит ноги в другое место, там произойдет то же самое. Всюду под ногами фигуриста лед превращается в тонкий слой воды. Такими свойствами из всех существующих тел обладает только лед. Другие тела гладки, но не скользки.

Итак, какой же лед более скользкий, гладкий или шероховатый? Известно, что один и тот же груз давит тем сильнее, чем на меньшую площадь он опирается. В каком же случае человек оказывает на опору большее давление: когда он стоит на зеркально гладком или на шероховатом льду? Конечно, во втором случае, так как здесь он опирается лишь на немногие выступы и бугорки шероховатой поверхности. А чем больше давление на лед, тем сильнее плавление и, следовательно, лед тем более скользок, если только лезвие достаточно широко; для узкого лезвия коньков, врезающегося в бугорки, это неприложимо – энергия движения расходуется здесь на срезание бугорков.

Как пользоваться зеркалом

Очень часто, желая хорошо рассмотреть себя в зеркало, источник света размещают позади себя, чтобы «осветить свое отражение», вместо того, чтобы осветить самого себя. Кроме этого, многие убеждены, что зеркало можно видеть. Это ошибка. Хорошее зеркало невидимо. Можно видеть раму зеркала, его края, предметы, которые в нем отражаются, но самого зеркала, если только оно идеально чисто, видеть нельзя. Всякая отражающая поверхность, в отличие от отличие от поверхности рассеивающей, сама по себе невидима. Рассеивающей называется такая поверхность, которая разбрасывает лучи света по разным направлениям. Мы называем отражающие поверхности полированными, а рассеивающие – матовыми.