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

Среднее ухо и носоглотка связаны между собой через евстахиеву трубу. В обычном, нормальном состоянии евстахиева труба закрыта. При глотании и во время зевания мышцы шеи сокращаются и отверстие евстахиевой трубы приоткрывается. При этом выравнивается давление на барабанную перепонку изнутри и снаружи, и заложенность и неприятные ощущения в ушах исчезают. Некоторые люди, которые умеют шевелить ушами, могут произвольно сжимать нужные мышцы, чтобы выровнять давление. Также труба открывается и давление регулируется, если слегка приоткрыть челюсти и напрячь мышцы нижней челюсти.

Попробуйте понаблюдать, что происходит с ушами в момент глотания, зевания и напряжения мышц – вы удивитесь, если будете внимательны к своим ощущениям.

ЗАДАЧА 31. НА МЁРТВОМ МОРЕ НЕ «СГОРИШЬ»? ***

Чтобы загорать, не «обгорая», нужно беречь себя: принимать солнечные ванны в утренние часы, использовать солнцезащитный крем, увеличивать время пребывания на солнце постепенно…

Но всеми этими правилами можно пренебречь, если загораешь на берегу Мёртвого моря. Здесь можно находиться под солнечными лучами по 8 часов в день и при этом не «обгореть».

Почему солнце на пляжах Мёртвого моря менее опасно, чем на любых других пляжах нашей планеты?

Контрольный ответ

Мёртвое море находится на 430 м ниже уровня моря. Его побережье – самый низкий участок суши на Земле. Дополнительный слой воздуха толщиной 430 м, как фильтр, задерживает значительную часть солнечного ультрафиолетового излучения. Именно поэтому на побережье Мёртвого моря можно принимать солнечные ванны, не обгорая.

Кстати…

Пляж Мёртвого моря – это ещё и природная барокамера! Атмосферное давление здесь выше обычного на 5—7%, поэтому и концентрация кислорода больше, чем в любой другой точке Земного шара.

ЗАДАЧА 32. ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПРЕДЕЛ****

Приходилось ли вам ходить в горы? Подъём на большую высоту всегда связан с риском. И это не только риск сорваться со скалы или попасть под лавину или камнепад.

Высота опасна сама по себе! После покорения вершины альпинисты быстро спускаются вниз, несмотря на желание подольше полюбоваться пейзажами, открывающимися с «крыши мира».

Почему человек не может долго находиться на высоте более 6 тысяч метров?

Контрольный ответ

На выживаемость человека в горах влияет множество факторов. Например, переменчивость погоды. Только что был прекрасный солнечный день – и вот уже свирепые ветра шлифуют скалы, а заодно и альпинистов, которым негде укрыться в горах.

Возможно, вы слышали о кислородном голодании. Человек начинает задыхаться, как бы часто и глубоко он ни дышал. И ему не хватает кислорода не потому, что с организмом что-то не так. Содержание кислорода в воздухе на высоте меньше, чем нужно человеку для нормального дыхания. Больше всего от недостатка кислорода страдает мозг.

Но есть и более страшная причина, из-за которой временами гибнут альпинисты. На высоте атмосферное давление меньше, а значит, меньше и давление воздуха в лёгких. Но в капиллярах давление крови осталось прежним. То есть в сосудах возникает область повышенного давления, а в лёгких – пониженного. Вот плазма крови и выдавливается из сосудов в зону пониженного давления, в альвеолы лёгких. Альвеолы заполняются жидкостью, и человек как бы «захлёбывается» – начинается отёк лёгких…

Лёгочная альвеола

ЗАДАЧА 33. ГЛУБОКОВОДНЫЕ РЫБЫ*

Глубоководные рыбы живут под огромным давлением воды. Например, на глубине 500 м это давление примерно в 50 раз выше атмосферного!

Горбатая рыба-удильщик (лат. Melanocetus johnsonii) обитает на глубинах до 4,5 км

Почему громадное давление воды не убивает глубоководных рыб, но если поднять такую рыбу на поверхность, она погибнет?

Контрольный ответ

Высокое наружное давление уравновешивается таким же внутренним давлением в организме рыбы.

При подъёме понижается давление воды, и высокое внутреннее давление разрывает рыбу изнутри.

ЗАДАЧА 34. ДЫМ-ПРЕДСКАЗАТЕЛЬ**

Дым, поднимающийся от печных труб, способен предсказывать погоду. Когда в безветрие дым из трубы идёт вертикально вверх, это означает, что в ближайший день будет сухо и ясно. И если дело происходит зимой, то назавтра стоит ожидать морозный солнечный день, а если летом – то солнечный жаркий. Если же дым идёт параллельно земле или даже опускается, стелется, значит, в ближайшие дни небо затянут тучи и вероятность осадков повысится. Дым-синоптик помогает предсказывать тёплые дни и снегопады зимой; дожди и прохладу – летом.

Почему при помощи дыма можно предсказать погоду? Как это работает?

Контрольный ответ

Печной дым состоит из продуктов сгорания топлива (углекислого газа и частичек золы), водяного пара и азота. Кислорода в нём очень мало, так как этот газ участвует в реакции горения.

Печной дым – это горячий газ. Он поднимается вверх, увлекая за собой частички золы. Чем выше атмосферное давление, тем больше плотность окружающего воздуха и тем больше архимедова сила, которая действует на дым, – в результате дым идёт вертикально вверх.

А вот при низком атмосферном давлении всё наоборот. Архимедова сила, действующая на дым, становится меньше, и он опускается вниз. Если вдобавок ещё и влажность воздуха высокая, то частицы золы тяжелеют, впитывая влагу, и дым буквально льнёт к земле.

Подумайте…***

Почему фотографий печного дыма, идущего вертикально вверх, в интернете гораздо больше, чем фото стелящегося дыма?

Контрольный ответ

В морозные дни все одновременно и подолгу топят печи. Кроме того, ясный зимний день – отличная ситуация для фотосъёмки. В такой день можно сфотографировать целую деревню, каждый дом в которой дымит, как паровоз!

А в дни с низким давлением температура выше, печи топят недолго и в разное время. Да и на улице пасмурно, красивые фото сделать труднее.

ЗАДАЧА 35. ЧУДЕСНОЕ ВОСКРЕШЕНИЕ***

В хрониках кораблекрушений есть удивительный случай, произошедший с английской шхуной «Миллс» (A. Ernest Mills). Это парусное судно перевозило различные грузы. На одном из островов шхуна выгрузила солонину и пресную воду. Трюмы заполнили мешками с солью и пустой тарой: бочками из-под солонины, закупоренными крышками. По пути на материк шхуна попала в жестокий шторм. Незакреплённый груз переместился, в результате чего корабль накренился на борт, стал постепенно набирать в трюм воду и тонуть. Судно медленно погружалось. Обречённых на гибель моряков подобрал проходивший мимо барк «Виджилент» (SV Vigilant), а шхуна затонула.

Утром спасённый экипаж толпился на палубе. Судно-спаситель поднимало паруса. Вдруг моряки с ужасом увидели, как из воды появляется их затонувшая шхуна…

Она полностью всплыла и стояла на ровном киле (т. е. ровно, без крена).

Что произошло, почему шхуна всплыла?

Контрольный ответ

Когда корабль затонул, соль в полотняных мешках растворилась и вместе с водой вышла из трюма в море. Груз уменьшился. Пустые бочки, внутри которых был воздух, как поплавки, подняли шхуну, и она всплыла на поверхность.

Кстати…

В 20-х гг. XX века в США был введён «сухой закон» – строгий запрет на производство и продажу алкогольных напитков. Конечно, немедленно нашлись люди, которые стали ввозить в страну алкоголь нелегально – контрабандой. Полиция ловила контрабандистов, наказывала, конфисковывала и уничтожала груз. Тогда некоторые ловкачи изобрели способ, как избежать неприятностей с законом.

Они стали перевозить контрабанду – бутылки с алкоголем – морем и заранее привязывали к деревянным плотно заколоченным ящикам, в которых перевозились эти бутылки, холщовые мешки с солью. Если к судну приближался катер береговой охраны, они выбрасывали запрещённый груз за борт. Ящики тонули, судно благополучно проходило проверку и дожидалось, пока полиция уплывёт.

Тем временем соль в мешках растворялась, ящики всплывали, контрабандисты их вылавливали и продолжали путь.

Об этом ловком приёме нелегальных торговцев рассказывается в одном из эпизодов фильма «Однажды в Америке».

2.3. Колебания и волны

ЗАДАЧА 36. ХАЙ-ТЕК В ПУСТЫНЕ***

Пустыня – суровое место для жизни. Всем существам там приходится нелегко, в том числе и паукам. В пустыне невозможно ловить добычу паутиной: сильный ветер сразу рвёт её. Изобретательный паук королла из рода ариадна (лат. Ariadna Corolla) выходит из положения так. Он отбирает несколько округлых камушков и аккуратно выстраивает их вокруг норы. Затем паук протягивает от каждого камешка в норку тонкие нити паутины и кладёт на них лапки. Ловушка для ловли муравьёв готова. Как только муравей появляется, паук бросается к добыче.

Как паук узнаёт, что появился муравей?

Контрольный ответ

Камни и прикреплённые к ним нити паутины передают малейшие вибрации. Стóит только муравью задеть один из камней, как вибрация по нити тут же передаётся пауку.

Видео по этой теме можно посмотреть по запросу «Планета животных. Одураченные природой. Паук королла».

Подумайте…**

Сидящего в укрытии паука легко выманить, если рядом начать играть на скрипке.

Неужели пауки так любят музыку?

Контрольный ответ

Вряд ли паук поклонник скрипичной музыки. Но звуки скрипки вызывают колебания нитей паутины, паук считает, что добыча попалась в сеть, и выходит из норки, чтобы закусить.

ЗАДАЧА 37. ЕСТЬ ТАКИЕ ГОЛОСА…***

В фильме о Гарри Поттере «певица» пытается разбить бокал голосом, взяв высокую ноту.

Можно ли разбить таким образом стекло и если да, то при каких условиях?

Контрольный ответ

Голос – это звуковая волна. Если частота звуковых колебаний совпадёт с частотой собственных колебаний стенок бокала, возникнет резонанс, амплитуда колебаний стенок бокала резко увеличится, и он может разбиться.

Хотите знать больше?

Собственная резонансная частота стеклянного бокала примерно 500—600 герц. В музыке эти частоты соответствуют диапазону второй октавы, женскому сопрано. Чтобы разбить стекло, частота голоса должна быть такой же. Требуемая громкость – около 105 децибел. Сильный вокалист может разбить бокал голосом – доказано опытом.

Видео по теме можно посмотреть по запросу «Удивительные люди. Михаил Мелин. Сокрушительный голос».

ЗАДАЧА 38. ЗАЧЕМ СЛОНУ БАРАБАН?*

Слоны при опасности поднимают ногу и сильно ударяют ею по земле. Иногда даже бьют двумя ногами по земле, как по барабану.

Для чего они это делают?

Контрольный ответ

Ударяя ногами в землю, слоны передают членам стаи предупреждение об опасности или другую информацию. При ударе возникает сейсмическая44
  Сейсмическими волнами называют распространение упругих колебаний в твёрдых земных породах.


[Закрыть] волна, которую улавливает другое животное. Таким способом слоны могут общаться друг с другом на расстоянии до 30 км.

Хотите знать больше?

Скорость звука в граните в 10 раз выше, чем в воздухе. Дальность слышимости звука в плотных материалах тоже выше, чем в рыхлых. Поэтому земля передаёт звуковые колебания быстрее и дальше, чем воздух.

Кстати…

При помощи сейсмических волн информацию передают не только слоны, но и многие другие животные. Например, кенгуровая крыса использует такие сигналы, чтобы предупредить хищника о решимости сопротивляться, о готовности к бою.

А европейские серебристые чайки топают лапами, чтобы выманить на поверхность дождевых червей…

ЗАДАЧА 39. ОХОТА НА МОРЖА**

Моржи – крупные и сильные животные. Коренные жители Арктики охотятся на них зимой, добираясь до лежбищ животных по льду.

В книге Джона Р. Беннета «Укалураит. Устная история Нунавута» старик-эскимос рассказывает об этой охоте так: «Когда охотники замечают моржа, двое бегут к нему, но, когда морж опускает голову в воду, нужно остановиться…»

Морж (лат. Odobenus rosmarus) на льду, Аляска, Берингово море

Предположи, зачем охотники останавливаются, когда голова моржа под водой?

Контрольный ответ

«…иначе морж вас услышит…», – объясняет старик-эскимос. Главное в охоте – подобраться к зверю незаметно. Звук шагов человека, идущего по льду, передаётся воде, а в воде звук передаётся быстрее, и морж раньше успеет услышать звуки шагов охотников.

ЗАДАЧА 40. МЫШИ, МЫШИ… ЛЕТАЙТЕ ТИШЕ***

Летучие мыши ориентируются в пространстве с помощью эхолокации. Они посылают ультразвуковой сигнал, эти волны отражаются о препятствия, возвращаются назад и приносят мышам информацию о том, близко или далеко расположен объект.

Но некоторые летучие мыши рекордно быстры! Бразильский складчатогуб, например, развивает скорость горизонтального полёта до 44 м/с, что быстрее подобного полёта любой птицы! Но ведь и возможная добыча мыши тоже не остаётся на месте! Когда отражённый сигнал вернётся к летучей мыши, она сама и её добыча уже окажутся в других точках пространства…

Ушастая летучая мышь Таунсенда (лат. Corynorhinus townsendii)

Как этим удивительным летунам удаётся в движении точно определять расстояние до объекта, который тоже движется?

Контрольный ответ

Конечно, скорость 44 м/с – очень велика. Это ведь 160 км/ч! Но скорость ультразвука в воздухе выше в 7,5 раз! Она составляет около 330 м/с. Поэтому поправка в «расчёты» расстояний до объектов, которую вносит собственная скорость летучей мыши, невелика. Она тем меньше, чем медленнее летит мышь. Кроме того, рекордную скорость мышь развивает далеко не в каждый полёт!

Подумайте…****

Летучие мыши подковоносы (лат. Rhinolophus) издают ультразвук постоянной частоты. Какое преимущество это даёт при эхолокации?

Контрольный ответ

Подковоносы легко отличают подвижные объекты от неподвижных.

Если звучащий объект приближается, то частота звука возрастает (повышается тон), а если удаляется, то частота уменьшается (тон понижается). Это явление называется эффектом Доплера.

Если внимательно слушать звук, который издаёт проезжающий мимо автомобиль или поезд, то можно заметить, что по мере приближения источника звука его тон повышается, а когда источник звука начинает удаляться – тон становится ниже.

Так как подковоносы посылают сигналы на постоянной частоте, то малейшее её изменение говорит им о приближении или удалении объекта.

Хотите знать больше?

Подробнее по теме см. по запросу «Физика для всех. Эффект Доплера».

Эхолокация основана на том, что звук в воздухе распространяется с постоянной скоростью (около 330 м/с).

Если нужно определить расстояние до предмета, посылается звуковой сигнал и измеряется время до возвращения эха. Это время нужно разделить на 2 (звук идёт до предмета и обратно) и умножить на скорость распространения звука.

Аналоги

Эхолокацией пользуются не только летучие мыши. Такими способностями обладают дельфины, землеройки, тюлени и некоторые птицы.

Люди также используют эхолокацию, хотя природа и не наградила их способностью слышать ультразвук. Такие устройства как радары, дефектоскопы или аппараты УЗИ основаны на принципах эхолокации. Но и без использования приборов вполне возможно оценить размер помещения или расстояние до противоположного берега реки по эху, которое слышно после короткого громкого крика. Так моряки рыболовецких траулеров, занимавшихся промыслом вблизи скалистых берегов, во времена, когда ещё не было спутниковых систем навигации, ориентировались в тумане. Капитан давал короткий гудок и внимательно слушал эхо. По времени отклика опытный моряк мог на слух определить, как далеко от судна находятся скалы.

ЗАДАЧА 41. ШАНС НА СПАСЕНИЕ***

Птица зимородок высматривает рыбу, сидя в засаде на ветке над водой. Увидев добычу, он складывает крылья и камнем падает вниз. Рыба его из воды не видит. Но с того момента, как клюв птицы коснётся воды, у неё всё-таки есть доля секунды, чтобы спастись.

Что даёт рыбе шанс на спасение?

 
Контрольный ответ
 

Шанс на спасение даёт разница в скорости распространения звука в воде и скорости самого зимородка.

Клюв птицы при входе в воду создаёт ударную волну. Она распространяется со скоростью звука в воде – около 1 500 м/с. Это значительно выше скорости приближения зимородка к добыче. Рыба ощущает ударную волну чувствительными клетками боковой линии, а дальше её жизнь зависит только от быстроты реакции.

ЗАДАЧА 42. КАК ИСПРАВИТЬ ГОЛОС?***

Медвежонка Винни Пуха в мультфильме озвучивал знаменитый актёр Евгений Леонов. Его низкий баритон не совсем устраивал создателей мультфильма, а говорить более высоким тоном у актёра не получалось.

Вы можете послушать, как звучит голос Леонова в фильме, где он играет короля, по запросу «Добрый день, я – король. Фрагмент из к/ф «Обыкновенное чудо».

А вот так звучит голос Винни-Пуха, которого тоже озвучивает Леонов, запрос «Винни-Пух, Пятачок, Ослик Иа. Песни из мультиков».

Как создатели мультфильма добились такого эффекта?

Контрольный ответ

Голос Евгения Леонова записали (в те времена музыку и голос записывали на магнитную ленту), а при воспроизведении увеличили скорость прокручивания ленты – и актёр «заговорил» более высоким тоном.

Проверь этот способ экспериментально: послушай, как звучит сообщение в мессенджере на х2 скорости.

ЗАДАЧА 43. РАСКАТЫ ГРОМА**

«Люблю грозу в начале мая,

Когда весенний, первый гром,

Как бы резвяся и играя,

Грохочет в небе голубом…»

Ф. И. Тютчев

Весеннюю грозу любил не только русский поэт Фёдор Тютчев. Только представьте себе эту мощь, это грохотание и постепенно затухающий громовой гул во время грозы!

Почему раскаты грома слышны длительное время, хотя молния длится «всего мгновение»?

Контрольный ответ

Гром звучит раскатами продолжительное время по нескольким причинам:

• длина искрового разряда – молнии – несколько километров. Звук от разных её участков доходит до уха наблюдателя неодновременно;

• звук грома отражается от облаков и от поверхности Земли. Мы слышим гром и его многократные отражения (эхо);

• звуковые волны распространяются в неоднородной среде. На разных высотах воздух имеет различную температуру, влажность, скорость движения. В результате звуковая волна от молнии дробится на несколько отдельных волн, достигающих наших ушей разными путями за разные промежутки времени. Это и воспринимается нами как раскаты грома.

Хотите знать больше?

Гром слышен во время грозы. Но гром – это не электрическое явление, а звуковое (акустическое). Когда сверкает молния, мощнейший электрический искровой разряд за доли секунды нагревает воздух в её канале до нескольких тысяч градусов. Нагретый воздух расширяется с огромной скоростью – так возникает ударная волна. Когда она достигает ушей наблюдателя, он слышит гром.

Кстати…

Если молния сверкает, а грома не слышно, значит, гроза очень далеко. Гром слышен на расстоянии до 20 км.

Чтобы определить расстояние до грозы, нужно измерить время, прошедшее с момента вспышки молнии, до того, как послышался гром. Измеренное в секундах время надо умножить на 330 м/с (это приблизительная скорость распространения звука в воздухе). Полученное значение и есть расстояние от наблюдателя до грозы.

Если это 10 секунд? Можно ни о чём не беспокоиться – до центра грозы более 3 км. А вот если гром последовал за вспышкой менее чем через 3 секунды – гроза прямо над головой! Но и в этом случае беспокоиться не стóит. Стóит принять меры безопасности: зайти в здание, оборудованное молниеотводом, не прикасаться к высоким предметам, не стоять в луже, не звонить по мобильному телефону. Ну и, конечно, помнить о том, что нельзя прятаться от грозы под высокими деревьями!

Видео по теме см. по запросу «Молния ударила в дерево и разорвала его в щепки».

Кстати…

Молнии могут возникать не только в атмосфере, но и в клубах вулканического пепла во время извержений вулканов.

Подробнее об этом явлении можно почитать по запросу «Грязная гроза».

ЗАДАЧА 44. ПОЮЩАЯ СКАЛА**

Удивительное сооружение создала природа на острове Кунашир. Мыс Столбчатый не зря так называется: он состоит из множества столбов. Шестигранные колонны похожи на гигантские трубы органа. Тесно прижавшись друг к другу, они нависают над Охотским морем на высоте до 50 м. Но самое удивительное, что во время шторма «оргáн» звучит!

Что заставляет звучать эти каменные «трубы»?

Контрольный ответ

Когда в море бушует шторм, ветер задувает в расщелины между столбами и гудит в них, как гудит воздух в трубах оргáна. Эти скалы и внешне немного напоминают огромный оргáн.

Мыс Столбчатый на западном побережье острова Кунашир, Курильские острова. Автор фото: Илья Буяновский

Хотите знать больше?

Как же образовались такие правильные столбчатые структуры? Можно, конечно, всё свалить на инопланетян, которых хлебом не корми, дай только загадать человечеству каверзную загадку.

Неплохая версия связана с деятельностью древней цивилизации, от которой на острове Кунашир осталась доисторическая АЭС. Надо признать, что такие столбчатые шестигранные структуры действительно напоминают батарею топливных элементов атомной электростанции…

Но есть предложение получше: не мистифицировать природное явление, а разобраться в этом непростом вопросе.

Подобные геологические объекты – не редкость. Это явление называется «Столбчатая отдельность». Каков механизм её образования?

Когда жидкая лава остывает и начинает затвердевать, происходит это не мгновенно и не сразу во всём объёме. Сначала образуются центры кристаллизации – это такие твёрдые островки в расплавленной каменной лаве.

Чем медленнее остывает лава, тем больше таких островков и тем равномернее они распределены.

Затем они начинают расти. Всё больше лавы оказывается в твёрдом состоянии. Наконец жидкая фаза заканчивается, островки встречаются и начинают «толкать» друг друга.

Моделирование процесса показывает, что существует равновесная форма, при которой «толкотня» останавливается – это форма шестигранников.

Поэтому шестигранная «брусчатка» и видна на поверхности застывшего лавового потока. Но что происходит в глубине ещё жидкой лавы? Да всё то же самое! Такими шестигранными столбиками она и застывает на многие метры вниз.

В Северной Ирландии похожим образом образовалась «Мостовая Гигантов», в Шотландии – пещера «Фингал», в Исландии – водопад «Свартифосс», в США – столбчатый утёс «Башня Дьявола».

Подробнее читайте по запросу «Столбчатая отдельность».