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

3. Теплота

3.1. Строение вещества

ЗАДАЧА 45. ЧЁРНЫЕ ТУЧИ, БЕЛЫЕ ОБЛАКА?**

Облака – это не только «белогривые лошадки»… Лошадки, барашки, динозаврики и прочие продукты нашего воображения бродят по небу раскрашенными во все цвета радуги. Розовые, жёлтые, фиолетовые… даже зелёное облако – вовсе не фантастика. Полярные сияния придают облакам зелёный цвет.

Но почему вообще видны облака? Ведь они образуются благодаря испарению воды, а водяной пар невидим!

Контрольный ответ

Водяной пар невидим. В этом легко убедиться, если понаблюдать за кипением воды. Над самой поверхностью не обнаруживается никакого пара. Но вот на некотором расстоянии от кипятка появляется белёсый туман. Но это уже не пар! Это крохотные капельки воды, образовавшиеся из сконденсированного пара.

Горячий пар, встретившись с холодным воздухом, остывает и снова превращается в воду – конденсируется. Сконденсированный пар и виден как облака.

И если капельки воды (или кристаллики льда) малы, то на небе образуется белое курчавое облако. Но если облако готово вот-вот пролиться на землю дождём, это значит, что капли сливаются вместе, тяжелеют – и тогда видна тёмная грозная туча, которая вот-вот прольётся дождём.

Кстати…

Уже более 60 тысяч человек со всего мира объединились в интернет-сообществе «Общество любителей облаков». Они любуются и изучают эти явления природы.

Подробнее об этой международной организации можно узнать по запросу «Общество любителей облаков».

ЗАДАЧА 46. НЕЗАМЕРЗАЮЩАЯ ВОДА***

Идеально чистая вода без примесей не замерзает при 0 °С. В экспериментах учёные получали жидкую воду с температурой до – 40 ℃.

Как это получилось? Почему вода может не превращаться в лёд при отрицательных температурах?

Контрольный ответ

Вода при охлаждении начинает превращаться в лёд вокруг мельчайших частиц – центров кристаллизации. В очищенной воде нет ни растворённых солей, ни воздуха – ничего, что даст ядро для образования ледяных кристаллов. Поэтому она может сильно переохлаждаться, не становясь льдом.

Хотите знать больше?

Для такого эксперимента потребуется не только химически чистая вода, но и колба с идеально гладкими стенками, а также полный покой – никаких толчков или колебаний.

Стóит немного толкнуть сосуд с переохлаждённой водой – и она быстро превратится в лёд. Стóит попасть в эту воду кристаллику соли – произойдёт то же самое.

Состояние переохлаждённой воды очень неустойчиво, и при появлении центров кристаллизации она быстро переходит в твёрдое состояние.

Видео по теме см. по запросу «Переохлаждённая вода при – 10 ℃ и простая физика».

ЗАДАЧА 47. САМЫЙ ДОЛГИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ***

Однажды профессор австралийского университета Томас Парнелл решил показать студентам, что есть вещества, которые кажутся твёрдыми, но на самом деле текут, как жидкость. Он заполнил воронку твёрдым битумом и установил на штативе в фойе института, чтобы все желающие могли наблюдать за экспериментом. Если битум жидкость, значит, он потечёт…

К сожалению, студенты не дождались результатов. Первая капля упала в стакан… через восемь лет – в 1938 г., вторая – в 1946. Следующие капли падали в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988, 2000, 2014 гг. С 1988 г. капли стали падать реже.

Подробнее о ходе эксперимента можно почитать по запросу «Опыт с капающим пеком».

Почему в последние годы перерыв между падением капель увеличивается?

Вид эксперимента в Квинслендском университете в 1990 г. во время формирования 8-й капли и его прошлый «хранитель» профессор Джон Мэйнстоун / Wikimedia, John Mainstone, CC BY-SA 3.0

Контрольный ответ

Можно предположить, что на скорость падения капель повлияло уменьшение давления битума. Ведь по мере вытекания вещества его количество в ёмкости уменьшается. (Помните задачу 29 с водяными часами?) Впрочем, трудно поверить, что несколько капель повлияли на этот процесс.

Скорее всего, существенное влияние на ход эксперимента оказала установка кондиционера в фойе института в 1988 г. Средняя температура воздуха понизилась, вязкость битума увеличилась – и капли стали падать реже.

Кстати…

Профессор умер, не дождавшись падения третьей капли. Наблюдение продолжили его ученики. Опыт вошёл в Книгу рекордов Гиннесса как самый длительный эксперимент в мире. Он продолжится ещё лет сто, пока не закончится вещество в воронке.

Присоединяйтесь к сообществу людей, которые ожидают десятую каплю, и наблюдайте за процессом онлайн, перейдя по запросу «the tenth watch»!

Кстати…

Такие вещества, которые проявляют одновременно свойства и жидких, и твёрдых тел, называются аморфными. Чем выше температура, тем в бóльшей степени это вещество – жидкость. Чем холоднее – тем больше проявляются свойства твёрдых тел. Смола, стекло, пластик, пластилин и многие другие вещества относятся к аморфным.

ЗАДАЧА 48. ВСЕ ЛЕДНИКИ ТЕКУТ…****

Десятая часть суши покрыта ледниками! Тысячелетиями снег выпадает на горных склонах и спрессовывается в ледники. Мы привыкли, что лёд твёрдый. И тем не менее ледники медленно и незаметно стекают вниз по каменному ложу скал, подчиняясь действию силы тяжести. Альпинист Франц Иосиф Хуги однажды соорудил на леднике хижину, а через год обнаружил её в другом месте! Так он впервые измерил скорость, с которой движется лёд. Но это была скорость одной «точки» ледника.

Как можно исследовать движение ледника по всей его ширине и глубине?

Контрольный ответ

Поперёк ледника можно установить ряд окрашенных камней от одного берега ледниковой долины до другого. А на самих берегах отметить неподвижные точки. Таким образом несложно установить скорость и траекторию движения различных точек поверхности льда.

Чтобы понять, как лёд движется в глубине, сверлят скважины, в которые опускают датчики. Самый простой датчик – прямая труба в створе скважины. По тому, как она изогнётся через некоторое время, можно понять, как слои льда движутся друг относительно друга по глубине.

Ледник Балторо длиной 62 километра – один из самых длинных ледников в мире / Wikimedia, Гильем Веллю, CC BY-SA 2.0

Хотите знать больше?

Такие эксперименты на ледниках в Швейцарских Альпах проводил учёный Луи Агассис. Результаты его измерений показали, что лёд течёт, как очень вязкая жидкость. Из-за трения у берегов и у дна движение ледника тормозится, а середина течёт быстрее со скоростью примерно 1 мeтр в нeдeлю.

3.2. Внутренняя энергия

ЗАДАЧА 49. КАК МОЖНО РАЗБОГАТЕТЬ?*

Мистер Твистер, бывший министр,

Мистер Твистер, делец и банкир,

Владелец заводов, газет, пароходов,

Решил на досуге объехать мир.

С. Я. Маршак

Решил мистер Твистер разбогатеть: «Зря ли я физику в школе учил? Куплю-ка я золото на экваторе, где сила гравитации наименьшая, а продам поближе к полюсу!»

Но поразмыслив о том, что ювелиры измеряют не вес, а массу золота, он понял, что так заработать не получится. Подумай на досуге, почему?

И тогда у мистера Твистера родилась другая идея – с бензином. Когда-то он прочитал в научном журнале о том, что бензин расширяется на 0,1% при повышении температуры на каждый градус Цельсия…

«Это же готовая бизнес-идея!» – решил предприимчивый мистер Твистер.

Как можно заработать на тепловом расширении жидкостей?

Контрольный ответ

Если купить бензин холодной зимой, а продать жарким летом, то благодаря разнице температур примерно в 40 °С его объём увеличится на 4%. Учитывая, что топливо традиционно продаётся заданными объёмами (литры, галлоны, баррели, кубические метры), предполагаемый доход от операции составит эти самые 4%.

Чем же всё-таки данный способ заработка нехорош?

Хотя бы тем, что это обыкновенный обман! Ведь бензина больше не становится.

Но есть и другая причина: зимнее топливо отличается от летнего по характеристикам.

Хотите знать больше?

Зимнее топливо более летуче, оно легче испаряется и воспламеняется при меньшей температуре. Автомобиль, в баке которого находится зимнее топливо, не заведётся летом в жару, потому что топливо будет испаряться раньше, чем попадёт в камеру сгорания, а воспламенение топливной смеси произойдёт преждевременно, что вызовет детонацию (сбой в ритме работы) двигателя.

В зимнее дизельное топливо добавляют специальные вещества-присадки. Это не даёт топливу замерзать при отрицательных температурах. К тому же зимнее топливо более текучее.

ЗАДАЧА 50. ЕСЛИ НЕ УСПЕЛИ СЛИТЬ ВОДУ…**

На садовых участках часто устанавливают ёмкости для полива (бочки, цистерны…). В регионах, где зимой температура воздуха ниже 0, осенью перед наступлением заморозков воду сливают.

Зачем это делают (в чём проблема?). Можно ли решить проблему как-то иначе, не сливая воду?

Контрольный ответ

Ранние осенние заморозки могут наделать немало бед. Если в тот момент, когда ударит мороз, вода из цистерны для полива ещё не слита, вода в ней замёрзнет.

Лёд, как вы помните (например, из задачи 10), менее плотный, чем вода. Поэтому объём образовавшегося льда будет больше, чем объём воды, из которой он получился. Расширяющийся при замерзании лёд может разорвать цистерну, бочку, трубу садового водопровода.

Справиться с проблемой можно. Нужно заранее внутри цистерны создать дополнительный объём, куда сможет расширяться замерзающая вода.

Это можно сделать, положив внутрь пустую пластиковую бутылку, закрытую крышкой или накачанную автомобильную камеру. Лёд будет давить на эти ёмкости, воздух в них сожмётся и даст место расширяющейся при замерзании воде. Чем больше ёмкостей погрузить в цистерну, тем меньше будет давление льда на её стенки.

Конечно, придётся придумать какой-то «утяжелитель»: привязанный к камере камень или насыпанный на дно пластиковой бутылки песок. Иначе компенсатор избыточного давления всплывёт на поверхность и работать не будет.

ЗАДАЧА 51. КАК РАСКОЛОТЬ КАМЕННУЮ ГЛЫБУ?**

Люди с давних пор возводили каменные жилища. Строительные материалы для этого добывались в каменоломнях. Однако «ломать камни», то есть раскалывать большие глыбы на куски, – дело трудное.

И народы Севера нашли помощника – воду.

Как северные народы использовали воду для раскалывания камней?

Можно ли как-то воспользоваться аналогичным способом в тёплых странах?

Контрольный ответ

Перед заморозками заливали воду в расщелины скал, и вода при замерзании разрывала каменную глыбу.

В тёплом климате забивали в трещины скал деревянные клинья и также заливали воду. Дерево набухало и разрывало камень по трещине.

ЗАДАЧА 52. ДОЛЕТЕЛ? МЕТЕОРИТ!**

Каждый день из космоса в атмосферу Земли влетает множество «небесных пришельцев». Их общая масса около 20 тысяч тонн! Размеры сильно различаются: от огромного количества маленьких пылинок до массивных глыб. Обычно этот «космический дождь» не опасен для землян. Частицы сгорают в атмосфере, не долетев до поверхности нашей планеты.

Почему каменные и железные метеоры сгорают в атмосфере Земли?

Можно ли наблюдать это явление с поверхности Луны? Венеры?

Контрольный ответ

На высоте около 100 км над Землёй несущийся с огромной скоростью метеор встречается с воздушной средой. При этом перед ним формируется область сжатия воздуха, в которой резко увеличиваются плотность и давление.

Трение об этот сжатый воздух приводит к выделению тепла. Кроме того, резкое сжатие газа приводит к увеличению его температуры – это так называемый аэродинамический нагрев.

Таким образом, кинетическая энергия (энергия движения) метеора превращается во внутреннюю, тепловую энергию, его поверхность разогревается до тысяч градусов, а при очень высокой температуре горят и камень, и металл.

На Луне нет атмосферы, поэтому метеоры не будут там сгорать.

А на Венере слишком плотная атмосфера для того, чтобы была возможность наблюдать метеоры с поверхности.

Хотите знать больше?

Астероид, метеор и метеорит – в чём же разница?

Когда космическое тело (это может быть и астероид, и небольшой камень, и обломок космического аппарата) попадает в атмосферу Земли, в небе виден огненный след от его падения. Это явление называется метеором, а само тело – метеорным телом или метеороидом.

Если метеорное тело достигнет поверхности планеты, его назовут метеоритом.

Астероиды – это космические тела размером от нескольких метров до десятков километров. Самый крупный из известных астероидов в Солнечной системе – карликовая планета, астероид Церера. Её размер порядка 450 км. По счастью, астероиды – очень редкие гости в нашем небе. Столкновение Земли с таким объектом приведёт к катастрофическим последствиям.

Подумайте…***

Во многих мультфильмах упавшие на Землю метеориты раскалены докрасна и дымятся. Но, оказывается, упавший метеорит совсем не раскалённый, а просто тёплый. Почему, ведь при падении метеоры сильно нагреваются и даже сгорают?

Контрольный ответ

Внешний слой метеора нагревается до огромных температур. Но само падение происходит очень быстро, а теплопроводность каменных метеоритов невелика. За несколько секунд, пока он летит в атмосфере, тепло от внешних слоёв не успевает передаться к внутренней части метеорита, и он в массе своей остаётся холодным. А раскалённая поверхность быстро остывает.

ЗАДАЧА 53. ВЕРБЛЮДЫ НЕ ПОТЕЮТ**

Для того чтобы охлаждать организм в жару, природа «изобрела» разные остроумные способы. Собаки, например, часто дышат, высунув язык. При этом активно испаряется влага с их языка. А в процессе испарения жидкости язык остужается. Язык пронизан кровеносными сосудами. Если охлаждается он, охлаждается кровь и, следовательно, всё тело.

Человеческое тело охлаждается с активным выделением пота. Пот испаряется и уносит излишки тепла.

Но для верблюдов хорошенько пропотеть – неподходящий способ охладиться. Верблюды обитают в самых сухих местах планеты, в пустыне, где влагу нужно беречь. Они даже рта зря не раскрывают, чтобы не испарялась вода из ротовой полости. Тем не менее в знойный полдень, когда верхний слой шерсти на спине верблюда нагревается до 80 °С, кожа под ней – только до 40 °С.

Почему верблюды не перегреваются?

Контрольный ответ

Кожу защищает от нагревания плотная шерсть. Воздух между густыми волосками – хороший теплоизолятор, он не пропускает тепло внутрь.

Хотите знать больше?

Благодаря «шубе» верблюды хорошо переносят и холода. Они выживают даже в суровых условиях вечной мерзлоты Горного Алтая на высоте 2 тысячи метров над уровнем моря, где зимой температура опускается ниже – 50 °С.

ЗАДАЧА 54. КОАЛЫ ЛЮБЯТ ДЕРЕВЬЯ?***

Коалы почти всю жизнь проводят в кронах эвкалиптов, поедая их листья и побеги. Исследователи наблюдали, как коалы часами сидят неподвижно, обхватив ветку или ствол дерева передними лапами. Интересно, что жарким летним днём коалы предпочитают спускаться ниже по стволу и именно там замирать в объятьях с деревом.

Коала (лат. Phascolarctos cinereus) на стволе эвкалипта

Почему коалы обнимаются с деревьями?

Контрольный ответ

Чтобы понять поведение животных, исследователи с помощью тепловизоров измерили температуру воздуха, стволов деревьев и коал. Оказалось, что коалы обнимают деревья для того, чтобы охладиться. Внизу, ближе к корням, ствол прохладнее, потому что по нему поднимается вверх из-под земли вода.

Хотите знать больше?

Учёные обнаружили, что при температуре воздуха 39 °С температура ствола эвкалипта примерно на 2 °С ниже окружающего воздуха, а ствола акации – на целых 7 °С! Поэтому в самую сильную жару коалы перебираются на стволы акаций.

Так выглядит коала в жару на тепловизоре (справа) / Sciencenews, Steve Griffiths, Biology Letters

ЗАДАЧА 55. ЗАЧЕМ ВЕНТИЛИРОВАТЬ СОН?**

Космонавты на орбите спят рядом с включённым вентилятором. Этим прибором в обязательном порядке оборудовано каждое место для сна (кроватью такое место назвать сложно).

Астронавт, спящий внутри герметичного модуля узла Harmony МКС, 2007 г.

Зачем космонавтам нужен вентилятор во время сна?

Контрольный ответ

В невесомости нет конвекции – естественного перемешивания воздушных масс. Без вентилятора вокруг спящих космонавтов скапливался бы выдыхаемый ими углекислый газ. После сна в таком газовом пузыре с пониженным содержанием кислорода сильнейшая головная боль гарантирована. А могут быть и более серьёзные последствия. Поэтому вентиляторы и перемешивают воздух жилых отсеков, обеспечивая принудительную конвекцию.

Хотите знать больше?

В обычных земных условиях тёплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз, так происходит его естественное перемешивание. Этот процесс происходит не только в газах, но и в жидкостях и называется конвекцией. Конвекцию обеспечивают 2 силы, действующие на жидкость или газ, – это сила тяжести и сила Архимеда. В невесомости эти силы не «работают» (смотри задачу 7). Поэтому и конвекции в невесомости нет.

ЗАДАЧА 56. СОЛНЕЧНЫЙ ПАРАДОКС****

Согласно стандартной модели развития звёзд в начале существования Земли, то есть около 4,5 миллиардов лет назад, Солнце испускало меньше энергии, чем теперь. Причём значительно меньше! Молодое Солнце было тусклее современного на 30%!

Но, как ни странно, по известным нам данным в те времена на Земле было даже теплее, чем сейчас.

Предположи, какие могут быть причины у такого странного эффекта?

Почему Земля не замёрзла, когда получала на 30% меньше солнечной энергии, чем сейчас?

Контрольный ответ

Гипотез несколько.

1. Не исключено, что за 4,5 миллиарда лет существования Солнечной системы орбита Земли менялась вследствие влияния на неё других планет. И, возможно, когда-то Земля была ближе к Солнцу.

2. Другая гипотеза заключается в том, что на начальном этапе существования сама Земля была теплее благодаря нагреву из-за гравитационного сжатия в процессе формирования планеты, а также из-за ядерного распада урана и тория в её ядре.

3. Возможно, что дело в парниковом эффекте. Первичная атмосфера Земли начала формироваться практически одновременно с формированием самой планеты. Учёные считают, что её плотность была выше, чем у современной. Состояла она в основном из азота. Азот задерживал тепло планеты, как плёнка на крыше теплицы.

4. Ну и наконец есть вероятность того, что проблема заключается в самой стандартной модели развития планет. Не исключено, что созданные учёными климатические модели не учитывают всё многообразие факторов, влияющих на глобальную температуру Земли.

ЗАДАЧА 57. СПУСТИТЬСЯ С НЕБЕС НА ЗЕМЛЮ…****

Когда спускаемый космический аппарат входит в плотные слои атмосферы, его кинетическая энергия превращается в тепловую из-за аэродинамического нагрева и трения обшивки аппарата о воздух (см. задачу 53). При этом лобовая поверхность корабля нагревается до 6 000 °С. Любой материал при такой температуре превращается в пар. Даже вольфрам, самый тугоплавкий из известных человеку материалов на Земле, при температуре 5 500° C кипит!

Спускаемый аппарат космического корабля «Аполлон»

Как защитить спускаемый аппарат от сгорания?

Контрольный ответ

Если плавления обшивки корпуса нельзя избежать, то надо его использовать!

Корпус спускаемого аппарата делают многослойным. Каждый слой «решает» определённую задачу.

Внешний слой принимает тепловой удар на себя – приносит себя в жертву. При нагревании материал этого слоя расплавляется. Раскалённая жидкость сдувается потоком набегающего воздуха, унося с собой тепло.

Следующий слой обшивки обладает низкой теплопроводностью, он не пропускает тепло внутрь корабля.

Основа всей конструкции – прочный титановый корпус – находится под теплоизолирующим слоем.

Количество теплоты, которое необходимо рассеять, зависит от времени спуска и поддаётся расчёту. Толщину внешнего плавящегося слоя выбирают такой, чтобы он разрушился в процессе спуска аппарата на Землю. После приземления на поверхности спускаемого аппарата можно увидеть похожие на сажу следы этого расплавившегося слоя.

Хотите знать больше?

Такой способ тепловой защиты с «уносящейся» обшивкой, поглощающей тепло, называется «теплозащитой за счёт уноса массы». Научное название этого процесса – абляция. А тепловая защита, которую обеспечивает абляция, называется «абляционной защитой».

Подумайте…***

Почему при старте космического аппарата через ту же атмосферу он не нагревается так же сильно, как при спуске?

Спускаемый аппарат космического корабля «Восток-1», РКК «Энергия» / Wikimedia, Errabee, CC BY-SA 2.5

Контрольный ответ

В момент старта космического корабля его скорость равна 0. Постепенно разгоняясь, ракета поднимается всё выше и выше над поверхностью, но там атмосфера обладает меньшей плотностью, и при трении о воздух выделяется меньше тепла.

3.3. Фазовые переходы

ЗАДАЧА 58. РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА НЕ ЖЕЛАЕТЕ?**

Такие представления можно было увидеть в цирке в XIX веке. Атлетически сложенный человек выходил на сцену и кланялся зрителям. Его помощница нагревала на жаровне большую ложку с кусочками металла. Продемонстрировав зрителям, что металл расплавился, она с глубоким поклоном подавала ложку атлету.

Маг – а кто же ещё это мог быть – резким движением выливал расплавленный металл в рот! Сейчас он упадёт замертво? Нет! Выдержав паузу, маг выплёвывал кусочки блестящего твёрдого металла, которые один за другим со стуком падали на подставленный ассистенткой поднос. Зрители в восторге рукоплескали!

В чём секрет жаростойкости мага?

Контрольный ответ

Да, фокусник действительно вливал в себя расплавленный металл. Но существуют металлы с очень низкой температурой плавления. Например, галлий плавится при температуре около 30 °С. Важно заметить, что многие легкоплавкие металлы токсичны или даже ядовиты. Так что атлетическое здоровье для мага необходимо.

Видео по теме можно посмотреть по запросу «Галлий – металл, который плавится в руке».

ЗАДАЧА 59. СНЕГ ГРЕЕТ?**

Приходит зима, а с ней и морозы. Выпадает снег – белый, пушистый, он укрывает замёрзшую землю белым одеялом. И тогда кажется, что становится теплее…

Учёные-метеорологи утверждают – не кажется. Когда выпадает снег, температура воздуха повышается.

Почему становится теплее в снегопад?

Контрольный ответ

В снегопад небо затянуто облаками. Они задерживают тёплый воздух, который поднимается от поверхности земли, и не выпускают его в более высокие и холодные слои атмосферы. Облака, как небесное покрывало, сохраняют тепло у поверхности Земли.

В самих же облаках происходит ещё более интересный процесс! Взвешенные в воздухе капельки воды замерзают, превращаются в кристаллики льда (снежинки). А процесс кристаллизации идёт с выделением тепла. Поэтому снежная туча становится этакой огромной атмосферной грелкой, висящей над землёй. Источник тепла в ней – процесс превращения крохотных капелек воды в снежинки.

⠀

ЗАДАЧА 60. ПАР – ЭТО ВОДА?*

В выдыхаемом воздухе содержится около 6% воды. Эта вода находится в парообразном состоянии и поэтому не видна.

Докажите, что в выдыхаемом воздухе есть водяной пар.

Контрольный ответ

Нужно поднести ко рту холодное зеркало. На его поверхности при выдохе образуется конденсат – хорошо заметные капельки воды.

Кстати…

Так медики в прежние времена проверяли, жив ли пациент. Если зеркало не запотевало – констатировали смерть.

ЗАДАЧА 61. КОНДИЦИОНЕР ДЛЯ ВЬЮРКОВ**

Вьюрки, певчие птички размером с воробья, сооружают гнёзда в форме бутылки на ветвях деревьев. Исследование с применением тепловизора показало, что в холодную погоду температура в гнезде на 10—13 °С выше, чем под открытым небом. А в жаркий день в таком гнезде прохладнее!

Как вьюркам удаётся настолько эффективно регулировать микроклимат в жилищах?

Контрольный ответ

В холодные дни гнездо обогревается теплом самих птиц. А форма перевёрнутой вниз горлышком бутылки позволяет это тепло эффективно сохранять.

В жару гнездо-бутылка работает, как аэродинамическая труба. Воздух продувает её и заставляет испаряться влагу, которая всегда присутствует в домике птиц – это жидкие продукты их жизнедеятельности. Испарение влаги и понижает температуру в гнезде.

⠀

ЗАДАЧА 62. ВЕЛИКИЙ ИСПАРИТЕЛЬ**

Один из важнейших процессов на Земле – круговорот воды в природе. Солнечный свет нагревает поверхность водоёмов, вода испаряется и таким образом переносится в атмосферу. Затем пар конденсируется и формирует облака. Облака проливаются на землю дождём, и цикл повторяется.

Но влага испаряется не только с поверхности водоёмов…

Что испаряет больше влаги: гектар леса или поверхность океана такой же площади? Обоснуйте своё мнение.

Красное море

Лиственный лес в Дании / Wikimedia, Malene Thyssen, CC BY-SA 3

Контрольный ответ

В океане испарение происходит с площади, равной площади поверхности воды.

А в лесу вода испаряется с каждого листа. А их очень много! Площадь поверхности всех листьев многократно превышает площадь самого леса. Испаряют влагу и травы, и лишайники, и грибы… поэтому лес – более мощный испаритель влаги, чем океан.

Хотите знать больше?

Проведите такой опыт.

Возьмите 2 одинаковых банки и налейте в них равное количество воды. В одну из банок поставьте срезанное растение – цветок или ветку с листьями.

Обе банки поместите в тёплое место и через 2—3 дня сравните уровень воды в них.

Что вы наблюдаете?

…и почему этот эксперимент – хорошая иллюстрация к данной задаче?

⠀

ЗАДАЧА 63. ГДЕ ЖАРА УЖАСНЕЕ?**

Исследователь природы и народов Дальнего Востока Владимир Арсеньев писал о путешествии по Уссурийскому краю в начале XX века: «Влажные жары сильно истомляют людей и животных. Влага оседает на лицо, руки и одежду, бумага… перестаёт шуршать, куски сахара рассыпаются, соль и мука слипаются в комки, табак не курится; на теле часто появляется тропическая сыпь». Действительно, во влажном климате или в тропических лесах жара невыносима. Переносить её тяжелее, чем даже в пустыне.

Почему во влажном климате жара переносится тяжелее?

Контрольный ответ

На жаре человек потеет. Если воздух сухой, пот быстро испаряется, охлаждает кожу и через кожу – весь организм. Но влажный воздух насыщен паром. При такой влажности испарения жидкости с поверхности кожи происходит значительно медленнее, тело перегревается.

Разницу между влажной и сухой жарой легко ощутить, если сравнить русскую баню и финскую сауну. В русской бане, в парилке, на раскалённые камни льют воду, горячий пар заполняет помещение, и даже самые стойкие любители пара способны выдержать этот жар лишь несколько минут. Но в сауне, где влажность воздуха невелика, при такой же температуре можно сидеть подолгу.

ЗАДАЧА 64. ТЕРМИТЫ-ИНЖЕНЕРЫ***

Термитники – грандиозные строения высотой до 12 м со сложной системой внутренних ходов и камер. Их строят маленькие обитатели – миллионы термитов (лат. Isoptera). Крупные термитники строятся десятки, а то и сотни лет.

Термитники устроены так хитроумно, что даже в раскалённой пустыне в них всегда прохладно и влажно. Важная часть термитника – система вентиляции. Воздуховоды пронизывают всё сооружение снизу доверху. Нагретый воздух поднимается вверх, а прохладный поступает снизу от земли – так термитник охлаждается.

Но иногда горячий ветер дует вдоль самой поверхности земли, и тогда система охлаждения перестаёт работать.

Термитник высотой 5 метров и возрастом более 50 лет, Национальный парк Личфилд, Северная территория, Австралия / Wikimedia, J Brew, CC BY-SA 2.0

Как термиты охлаждают «замок», когда дуют горячие ветра?

Контрольный ответ

Рабочие термиты по специальным ходам опускаются глубоко под землю – до водяного пласта. Там они набирают воду в рот, поднимаются с ней из подземелья и выплёскивают влагу на стенки воздуховодов. Вода испаряется, стенки термитника охлаждаются.

Аналоги

При проектировании торгового центра «Истгейт» в Хараре, столице Зимбабве, архитектор Мик Пирс применил такие же принципы охлаждения здания, какие применяют строители-термиты, возводя свои «замки». В результате здание торгового центра для охлаждения и вентиляции потребляет лишь 10% энергии, необходимой для кондиционирования сопоставимых по площади торговых центров.

Торговый центр «Истгейт» в Хараре с характерными вентиляционными трубами. Архитектор: Мик Пирс / Wikimedia, Дэвид Бразье, CC BY-SA 3.0

ЗАДАЧА 65. ДАЙТЕ КАКТУСУ НАПИТЬСЯ!***

Атакама – самая сухая пустыня мира. Пейзаж здесь выдержан в строгих тонах: камни, песок и растрескавшаяся корка высохших соляных озёр. Пустыня расположена в Южной Америке между высокими горами Андами и Тихим океаном. Дожди здесь не идут годами… Но и в таком месте есть жизнь! Например, в совершенно сухой земле растут кактусы!

Никакие корни не помогут достать воду, которой попросту нет под землёй. А любые растения не могут жить без воды.

Откуда кактусы добывают воду, необходимую для жизни?

Контрольный ответ

Пустыня расположена между горами и океаном. Солнце прогревает и землю, и океан. Но суша нагревается быстрее. Утром горячий воздух поднимается вверх над пустыней, а на его место устремляется прохладный атмосферный поток с океана. Это так называемый дневной бриз. Ветерок, дующий с моря, приносит необходимую влагу. Кактусы «научились» впитывать её из воздуха.

Подробнее о самой сухой неполярной пустыне мира можно почитать по запросу «Пустыня Атакама».

ЗАДАЧА 66. ГРИБЫ ВЫЗЫВАЮТ ДОЖДЬ?***

Речь пойдёт не о древних шаманских практиках… только о науке!

В джунглях Амазонии высокая влажность. При такой влажности дождь мог бы идти непрерывно, но этого не происходит! И тут на помощь приходят… грибы. В тропических лесах Амазонки растут грибы, которые вызывают дождь.

Это обнаружили учёные из университета в Майами.

Каким образом грибы могут становиться причиной дождя?

Контрольный ответ

Грибы размножаются спорами и выбрасывают эти мельчайшие лёгкие частицы в воздух. Для образования облаков необходимы центры конденсации водяного пара. Такими центрами и становятся споры грибов. Так грибы управляют погодой.

Кстати…

Споры, выпадая с дождём, расширяют ареал обитания грибов.

ЗАДАЧА 67. В ГОРЫ СО СВОЕЙ СКОРОВАРКОЙ…**

Устройство скороварки просто. Это та же самая кастрюля, но с герметично запираемой крышкой. Обычно конструкция предусматривает клапан для сброса избыточного давления. Иначе при очень бурном кипении воды скороварки бы взрывались.

Оказалось, что по статистике жители горных селений покупают скороварки гораздо чаще, чем жители равнинных местностей.

Бытовая скороварка / Wikimedia, Hustvedt, CC BY-SA 3.0

Почему жители гор покупают скороварки чаще?

Контрольный ответ

В горах воздух разрежён, давление воздуха меньше. Из-за этого вода закипает при более низкой температуре. Вода кипит, но она недостаточно горяча. В таких условиях продукты варятся очень долго.

Скороварки герметично закрываются, давление внутри них повышается в процессе приготовления пищи. Поэтому в такой посуде продукты варятся намного быстрее.

Кстати…

Некоторые продукты трудно и даже невозможно сварить высоко в горах. Например, куриные яйца придётся варить часами… потому что белок сворачивается при температуре 63 ℃, желток – при 68 ℃, а вода кипит на восьмитысячнике при 70 ℃. При таких условиях яйцо будет вариться очень долго и всё равно не свернётся.