Текст книги "Физика: парадоксальная и объяснимая. 100 открытых задач"

Подробнее, если захотите попробовать, ищите информацию по запросу «Программа тура «Полёт на невесомость».

Как же эффективно и относительно дёшево тренировать космонавтов?

Контрольный ответ

Вспомним закон Архимеда: «На тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости».

Средняя плотность тела человека близка к плотности воды. Поэтому сила Архимеда, действующая на него, приблизительно равна силе тяжести. Сила плавучести компенсирует силу тяготения, и вес тела оказывается равным нулю.

Обыкновенная вода частично имитирует условия, приближённые к невесомости. Навыки движения космонавтов можно отрабатывать под водой.

Хотите знать больше?

В 1980 г. в Центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина построили гидролабораторию, где в специальном бассейне будущие космонавты проводят сотни часов. Есть подобные лаборатории и в США, и в Китае.

Видео по теме см. по запросу «Погружение в невесомость. Тренировки космонавтов под водой».

Кстати…

Невесомость не означает отсутствие гравитации! Гравитация есть везде. Состояние невесомости сродни бесконечному падению. Представьте себе кабину лифта, летящего вниз. Он движется точно с такой же скоростью, как и все тела внутри него. Невозможно опереться на пол кабины. Если попробовать – оттолкнёшься и взлетишь к потолку. То же самое происходит внутри космического корабля.

ЗАДАЧА 15. СТАЛО ЛУЧШЕ, ДА ХУЖЕ…**

В 1813 г. в Англии построили первую консервную фабрику. В то время консервные банки изготавливались вручную из кованого железного листа, покрытого слоем олова толщиной 0,1 миллиметра. Один рабочий мог изготовить всего 5—6 банок в час. Банки были надёжными, но тяжёлыми и дорогими.

Во второй половине XIX века на смену кованому лужёному листу пришла тонкая, толщиной около 0,3 миллиметра, и прочная стальная жесть. Такие банки стало проще изготавливать и легче вскрывать. Но возникла неожиданная проблема. При термообработке консервируемых продуктов внутри закрытой банки повышалось давление. Дно и крышка выдавливались и становились выпуклыми. Банка как будто вздувалась изнутри. Именно так выглядят консервы, продукты внутри которых испортились. Продать вздутую банку невозможно.

Как добиться того, чтобы банка из тонкой жести не вздувалась при термообработке?

Контрольный ответ

На дно и крышку банок стали наносить рельеф в виде концентрических окружностей. Когда после термообработки банка остывала, рельефная поверхность банки пружинила, дно и крышка возвращались в первоначальное положение. Такой рельеф есть и на современных консервных банках.

Консервная банка из белой жести / Wikimedia, Rainer Zenz, CC BY-SA 3.0

Хотите знать больше?

Швы первых консервных банок запаивались оловянным припоем. Иногда в состав припоя входил и свинец. А свинец крайне вреден для человеческого организма. Правда, отравление свинцом происходит не мгновенно. Негативные последствия проявляются через некоторое время в результате накопительного эффекта.

Предположительно, из-за отравления свинцом в 1872 г. на Шпицбергене умерло 17 охотников за тюленями, все они питались консервами.

Пострадала и арктическая экспедиция Джона Франклина 1845—1847 гг. У всех членов экспедиции были серьёзные признаки отравления свинцом.

Проведённые позже исследования показали, что ещё одним потенциальным источником свинца могли быть корабельные опреснительные системы, а не только консервные банки.

Отравления консервами необязательно связаны со свинцом. Возможно, охотники за тюленями погибли не от ядовитого свинца, а из-за безобидного олова.

Олово – вещество, у которого есть разновидности (химики называют их аллотропные модификации). При температурах ниже 13° C и особенно интенсивно при – 40° C белое олово превращается в серое. А серое олово – крошащийся порошок.

Из-за такого превращения в 1912 г. погибла антарктическая экспедиция Роберта Скотта. На сильном морозе оловянный припой рассыпался, и экспедиция осталась без топлива, которое вытекло из баков.

Возможно, что припой в консервных банках охотников тоже частично разрушился на холоде, консервы потеряли герметичность, что привело к их порче…

От превращений олова пострадала и армия Наполеона во время холодной зимы 1812 г. в России. Пуговицы солдатских мундиров были сделаны из олова…

Подробнее о модификациях этого металла можно почитать по запросу «Олово».

Кстати…

Первое устройство для открывания консервных банок появилось только через полвека после изобретения самой банки. До этого консервы солдаты открывали штык-ножом, а домохозяйки… подручным слесарным инструментом.

ЗАДАЧА 16. ЖЕЛАТЬ ЛИ ПОПУТНОГО ВЕТРА?*

«Попутного ветра!» – так говорили морякам, отправлявшимся в плавание. Это пожелание возникло во времена парусного флота и прочно закрепилось в языке. Сегодня его может услышать выпускник школы, перед которым открываются дороги взрослой жизни, бизнесмен, начинающий новое предприятие, и любой другой человек, которому предстоит совершить большое дело.

Но не стоит желать попутного ветра прыгунам с трамплина! Для них это равносильно предречению неудачи! Им нужен не попутный, а встречный ветер!

Зачем прыгуну встречный ветер?

Контрольный ответ

Встречный ветер увеличивает подъёмную силу, которая действует на прыгуна в полёте. Благодаря ей увеличивается время и дальность полёта лыжника.

Аналоги

По этой же причине против ветра взлетают самолёты.

Видео по этой теме можно посмотреть по запросу «Почему самолёты взлетают и садятся против ветра».

Кстати…

Однажды известный конструктор автомобилей Генри Форд сказал: «Когда кажется, что весь мир настроен против тебя, помни, что самолёт взлетает против ветра!» Так что учтите: иногда вам нужен не попутный, а встречный ветер.

ЗАДАЧА 17. ТЕПЛОЛЮБИВЫЕ КОСМОДРОМЫ?**

Сегодня многие страны имеют собственные космические программы. Ракеты запускают не только крупные государственные корпорации, такие как «Роскосмос», «НАСА» или «Европейское космическое агентство», но и частные компании, самая крупная из которых «SpaceX» Илона Маска.

Но вот что может показаться странным: как правило, космодромы стараются разместить как можно ближе к экватору и так, чтобы рядом было море или океан.

Конструкторам космодромов хочется проводить лето вблизи тёплого моря? Или тепло нужно самим космодромам? Или?…

Почему космодромы располагают по возможности ближе к экватору и почему важно, чтобы рядом был океан? (Ну или в крайнем случае степь. В степи расположен космодром Байконур).

Контрольный ответ

Земля вращается вокруг своей оси. И чем ближе к экватору находится космодром, тем дальше он расположен от оси вращения планеты и, следовательно, тем больше его линейная скорость в направлении вращения.

Эта скорость добавляется к скорости ракеты при её запуске, что позволяет вывести на орбиту больше груза при меньшем расходе топлива. Именно поэтому ракеты обычно запускают в направлении с запада на восток.

Кроме того, сила тяжести на экваторе меньше, чем на полюсе (см. задачу 13). Это даёт выигрыш в грузоподъёмности ракеты.

Ответ на второй вопрос связан с безопасностью. После старта ракеты на землю падают отработанные нижние ступени ракет. Наиболее безопасно, если это происходит над океаном или в степи.

Хотите знать больше?

Нa ширoтe Мoсквы линейная скорость поверхности Земли вследствие её вращения вокруг оси составляет 264 м/с, a нa эквaтoрe – 465 м/с. На полюсе же эта скорость пренебрежимо мала. Поэтому никто и не строит космодромов в приполярных областях.

ЗАДАЧА 18. КАКАЯ ЛАВИНА БОЛЕЕ РАЗРУШИТЕЛЬНА?***

Лавина – это огромная масса снега, которая несётся с гор с высокой скоростью и сметает всё на своём пути. Лавины бывают сухие и мокрые.

Сухие лавины сходят при низких температурах. Они возникают, когда свежий снег выпадает на старую, покрытую ледяной коркой спрессованную снежную массу. Из-за этой корки недавно выпавший снег плохо сцепляется со старым и начинает сползать вниз, увлекая за собой всё бóльшие и бóльшие массы снега.

Мокрые лавины сходят при более высоких температурах. Из-за таяния снега между его слежавшимися пластами появляются прослойки воды. Пласты начинают скользить друг по другу и устремляются вниз…

Видео по теме можно посмотреть по запросу «Самые крупные снежные лавины, снятые на камеру».

Чем опасны лавины? Какие из них: мокрые или сухие – наиболее разрушительны и почему?

Контрольный ответ

Сухие лавины скользят по склонам, как по льду, с огромными скоростями, гоня перед собой ударную волну. Скорость этого потока может достигать 300 км/ч. Это приводит к значительным разрушениям.

На влажный снег действуют бóльшие силы сопротивления движению, что притормаживает сход мокрых лавин. Скорость мокрых лавин не превышает 50 км/ч. Это делает их немного менее разрушительными, чем лавины сухие.

Кстати…

Говоря о потенциальной опасности лавин, нужно помнить о том, что во вспененном снеге сухой лавины содержится много воздуха и у засыпанного лавинным снегом пострадавшего есть возможность дышать в ожидании помощи спасателей. Человека, попавшего в сухую лавину, ещё можно спасти. Попасть же под мокрую лавину и оказаться засыпанным мокрым снегом – это верная гибель. После остановки снег быстро «схватывается» и застывает. Внутри такой лавины нечем дышать.

ЗАДАЧА 19. КТО АРХИТЕКТОР?**

На нашей планете немало песчаных пустынь. И все они очень разные. Пустыни различаются размерами и цветом песка, климатическими условиями и биологическим разнообразием. И только форма песчаных барханов во всех пустынях почти одинакова.

Один склон бархана пологий (уклон около 16º), а другой крутой (30—34º).

Барханы снежных пустынь Арктики очень похожи на песчаные барханы Сахары

Кто же задаёт образец единообразным формам барханов, почему они имеют такую форму?

Контрольный ответ

Архитектор песчаных барханов – ветер. Он переносит миллионы миллионов песчинок, выравнивая пологий наветренный склон.

Песчинки, достигшие гребня, срываются вниз под действием силы тяжести и образуют крутой склон. Угол его наклона зависит только от свойств сыпучего материала и составляет около 32º.

Хотите знать больше?

Видео о том, как сыплется песок с бархана, см. по запросу «Сахара. Как сыплется песок с бархана».

Любой сыпучий материал, если его равномерно сыпать сверху, всегда формирует правильный конус. Угол наклона конуса не зависит от его высоты и различен для разных материалов. Например, склоны кучи зерна будут более пологими, чем кучи с песком.

Модель формирования песчаного конуса описывается несколькими разделами математики! Но если не вдаваться в сложности, то устойчивость песчинки на склоне определяется двумя силами: силой тяжести и силой трения, действующей на песчинку со стороны других таких же песчинок.

Подумайте…****

Сколько песчинок в этой куче песка?

Оцените порядок величины (миллионы, миллиарды…).

Контрольный ответ

Объём этой кучи около 5 м³. Это можно понять, сравнив её с человеком на фото. В одном кубическом метре миллиард кубических миллиметров. Сколько же песчинок в кубическом миллиметре?

Конечно, это зависит от размеров песчинок, а они бывают разные. Песком считаются каменистые фракции с размером частиц от 0,1 до 1 мм. Для приблизительной оценки можно считать песчинку кубиком со стороной 0,25 мм. Тогда в 1 мм³ содержится 64 песчинки. Округлим до 50.

Объединяя всё вышесказанное, произведём вычисления:

N = 5 х 1 000 000 000 х 50 = 250 000 000 000.

Четверть триллиона… Да, примерно столько.

Но если бы куча состояла из самых маленьких песчинок размером 0,1 мм, их было бы 5 триллионов штук.

Подумайте…**

В Забайкальском крае есть удивительное место: самая компактная пустыня в мире – Чарские пески. Среди тайги и болот на несколько километров тянутся сыпучие пески с дюнами и барханами высотой до 80 м. Все склоны барханов, обращённые на юго-запад, пологие, а противоположные – более крутые.

Вы догадались, в каком направлении здесь дуют господствующие ветры?

Чарские пески. Юго-западный (пологий) и северо-восточный (крутой) склоны бархана. Автор фото: Александр Леснянский

Контрольный ответ

Ветры в Чарской котловине дуют в основном с юго-запада на северо-восток.

ЗАДАЧА 20. БЕЗОПАСНОСТЬ ПРЕЖДЕ ВСЕГО**

Олуши охотятся на рыбу, ныряя в море с высоты более 30 м. Они входят в воду со скоростью почти 100 км/ч. Удар о воду при такой скорости очень опасен!

Видео по теме см. по запросу «Олуши Атлантики».

Какие системы безопасности должна была предусмотреть природа, чтобы птицы не травмировались при ударе о воду?

Контрольный ответ

Силу удара уменьшает обтекаемая форма тела. Непосредственно перед входом в воду птица складывает крылья так, чтобы ни одно пёрышко не выпирало в сторону. Особым образом у неё напрягаются мышцы шеи. В этот момент форма олуша больше всего напоминает остриё летящей стрелы.

Хотите знать больше?

Прочный череп олушей и толстая жировая подушка на голове защищают головной мозг. Жир играет роль амортизатора, который предохраняют мозг от сотрясения при ударах о внутреннюю поверхность черепа.

А роль подушек безопасности играют специальные кармашки на груди и шее, которые надуваются воздухом за мгновение перед ударом.

ЗАДАЧА 21. ВЫКРУТАСЫ БЕНТА**

Бент Миккелсен, трубочист из небольшого датского городка, был человеком креативным, со смекалкой и любил удивлять людей. Он соорудил на крыше дома трубу высотой 5 м, которая причудливым образом была закручена. Кроме того, он установил специальное устройство, которое выпускало дым аккуратными кольцами. Соседи в шутку говорили об этом изобретении: «Ох уж эти выкрутасы Бента!»

Увидеть, как выглядела удивительная труба Бента Миккелсена, можно по запросу «Выкрутасы Бента».

Как заставить дым идти из трубы «кольцами»?

Контрольный ответ

Кольца образуются, если выпускать дым порциями. Внутри трубы должен быть установлен клапан, который задерживает дым. При незначительном повышении давления печных газов клапан открывается и выпускает порцию дыма. При этом давление газов падает, клапан снова закрывается.

Хотите знать больше?

Полюбоваться колечками дыма можно с помощью пластиковой бутылки. Заполните её дымом и резко сожмите…

А если наполнить бутылку подкрашенной водой, опустить её под воду в ванну и затем резко ударить бутылку по донышку, можно увидеть кольцо из подкрашенной воды.

2.2. Давление

ЗАДАЧА 22. ТРАКТОР В ПОЛЕ**

Чтобы растения лучше росли, почва должна быть рыхлая. Для этого перед посевом землю пашут специальными плугами. Но тянет плуг трактор, колёса которого, наоборот, утрамбовывают почву, оставляя в ней глубокие колеи.

Как уменьшить давление, которое оказывают на почву колёса трактора? Предложи несколько решений.

Контрольные ответы

Уменьшить давление трактора на почву можно с помощью следующих приёмов:

а) сделать трактор более лёгким за счёт использования современных материалов. Но это обычно значительно удорожает конструкцию;

б) колёса можно сделать широкими. Чем шире – тем лучше. Например, сделать шины сдвоенными или строенными. Это распределяет вес трактора на бóльшую площадь и снижает давление на почву;

в) если снизить давление воздуха в шинах, то увеличится площадь соприкосновения колёс с почвой и, следовательно, уменьшится давление. Но это приведёт и к сокращению срока службы шин;

г) применение гусениц вместо колёс – отличный способ снизить давление трактора на землю. Правда, это решение увеличивает стоимость производства и обслуживания техники.

Хотите знать больше?

Решить проблему негативного воздействия трактора на почву можно и другими способами, например.

1. Увеличить полезное действие трактора:

а) проводить несколько сельскохозяйственных операций за один проход (например, боронование совместить с посевом). Это уменьшит количество проходов трактора по земле и снизит все связанные с этим негативные эффекты;

б) использовать широкие навесные плуги, бороны и сеялки. В этом случае за один проход обрабатывается более широкая полоса поля.

2. Устранить негативное воздействие:

а) можно вообще обойтись без тракторов! Например, подвесить над полем монорельс, вдоль которого станет перемещаться сельскохозяйственная техника. Или тащить её с помощью тросов, а двигатели расположить за пределами поля;

б) вернуться к немеханизированным способам обработки земли. Например, обрабатывать поля с использованием лошадей. Правда, при этом пострадает производительность.