Текст книги "Почему у пингвинов не мерзнут лапы? И еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого"

Красное каление

«Чем вызвано появление разных цветов на чистой поверхности закаливаемого железа или стали после нагревания и охлаждения? Цвета варьируются от желтого при нагревании металла до 200 °C до золотистого, коричневого, лилового, синего и, наконец, черного при нагревании до 600 °C. И поскольку окисленная голубоватая или лиловая поверхность встречается у стальных часовых механизмов, прекрасно сохранившихся с XIX века, хотелось бы узнать, какова физическая природа этого прозрачного и очень стойкого цветного слоя?»

Джон Роуленд

Аллесири, Дербишир, Великобритания

Горячие печные газы, применяемые для тепловой обработки стали, окисляют элементы, содержащиеся в сплаве, например хром, чтобы образовать тонкую поверхностную пленку. Эта пленка искажает видимые световые волны и создает цветовые эффекты, о которых упоминает автор вопроса.

Толщина пленки определяет видимый цвет стали, поскольку она влияет на распространение света с разной длиной волны. Более тонкие пленки, образующиеся при низких температурах, кажутся желтыми или золотистыми. Толстые пленки на стали – светло-голубыми. Самые толстые пленки иссиня-черные или черные.

Цвета закалки на чистой стали нестойкие, обычно они пропадают, если от ржавчины увеличивается толщина поверхностной пленки, где образуются наслоения окислов железа. Многие детали часов, упомянутых в вопросе, обязаны стойкостью цветов закалки практике выдерживания закаливаемой стали в жире кашалота. Этот жир создает прозрачное восковое защитное покрытие на оксидных пленках и надолго сохраняет их цвет. Широкое применение этого метода имело один недостаток: оно стало причиной сокращения численности кашалотов.

Дейл Макинтайр

Дхаран, Саудовская Аравия

Воздушный пузырь

«Мы провели опыт, о котором нам рассказывали учителя естествознания: стоящую в воде свечу надо накрыть перевернутым стаканом. Когда свеча гаснет, уровень воды в стакане повышается.

Нам объяснили, что повышение уровня воды вызвано тем, что при горении свечи расходовался кислород. Но мы поставили под стакан четыре свечи вместо одной, а уровень воды поднялся гораздо выше. Почему?»

Эмма, Ребекка и Эндрю Фист

Норвуд, Тасмания, Австралия

Вопрос Эммы, Ребекки и Эндрю о вполне понятном эксперименте со одной свечой или несколькими свечами показывает, как молодые и пытливые умы опровергают ошибочные объяснения, которые школьные учителя физики повторяют десятилетиями.

Поглощение кислорода может отчасти быть причиной повышения уровня воды, потому что данный объем на моль кислорода сожжет углерод воска с образованием примерно такого же объема на моль углекислого газа и водород с образованием двух объемов на моль водяного пара соответственно.

Первый частично растворится в воде, а последний почти полностью конденсируется. Это приведет к чистому уменьшению объема пара.

Но все это – второстепенные детали, главное – тепло, созданное горящей свечой или свечами. К тому времени, как мы накрываем их перевернутым стаканом, свечи успевают повысить температуру вокруг них сильнее, чем сделала бы одна свеча.

Когда свеча или свечи гаснут, окружающий их воздух сжимается, поскольку остывает, а степень сжатия прямо пропорциональна начальной средней температуре объема воздуха под стаканом. Так что чем больше свечей, тем больше тепла, тем выше температура и выше уровень воды в стакане при охлаждении воздуха.

Вот наглядное доказательство того, что нельзя верить учителям на слово, не задав предварительно несколько вопросов по существу.

Леопольд Флатин

Вена, Австрия

Поздравляю детей, которые экспериментально опровергли хрестоматийное заблуждение насчет свечи, перевернутой банки, емкости с водой и предположительного выжигания всего кислорода из банки.

Увидев, как четыре горящие свечи заставили уровень воды в банке подняться еще выше, они поняли, что основная причина этого эффекта – тепло свечей, от которого воздух в банке расширяется. Они наверняка заметили, что при расширении воздух издавал булькающие звуки, выходя из-под края банки. После того как свечи потухли, наступила краткая пауза, и только потом уровень воды поднялся – когда оставшийся воздух остыл и снова сжался.

Пламя свечи сжигает лишь небольшую часть имеющегося в его распоряжении кислорода. Поэтому неверным будет утверждение, что этот эксперимент можно объяснить изменением количественного содержания кислорода в воздухе.

Иен Расселл

Interactive Science Limited,

Хай-Пик, Дербишир, Великобритания

Отчасти этот эффект вызван толщиной трех дополнительных свечей. Его можно добиться, используя одну свечу переменной толщины. Чем толще свеча, тем выше поднимается вода.

Вода в стакане или в банке втиснута в промежутки между свечами и стеклом. Чем у́же эти промежутки, тем выше поднимется вода.

Питер Макгрегор

Гринок, Стратклайд, Великобритания

Дутая величина

«Почему шарики с гелием так быстро сдуваются? Когда дети приносят из гостей домой шарики, то гелиевые уже на следующее утро становятся маленькими и сморщенными. Я понимаю, что гелий должен выходить из них, но, видимо, не только в этом дело, потому что обычные шарики, наполненные воздухом, остаются надутыми гораздо дольше».

Джон Сторр

Грейт-Корби, Камбрия, Великобритания

Гелий – легкий, одноатомный газ без вкуса, цвета и запаха. В итоге частицы гелия – самые маленькие по сравнению с частицами других газов. Его атомы имеют диаметр всего 0,1 нанометра и вполне способны в процессе диффузии проникать сквозь металлическую пленку. Поскольку гелий проникает даже сквозь мелкие поры, его используют для обнаружения утечек в промышленных и лабораторных вакуумных системах. Молекулы азота и кислорода гораздо крупнее, чем атомы гелия, а это значит, что они не могут проникнуть сквозь стенки шарика. Это все равно что просеивать через сито песок и мелкие камешки: песок утекает через него без труда, потому что он состоит из более мелких частиц.

Еще один фактор, который увеличивает потери на диффузию, – вязкоэластичный материал, из которого сделаны шарики. Он состоит из спутанной массы полимерных нитей, немного похожих на спагетти в тарелке. Полимерные нити не могут плотно прилегать друг к другу, между ними есть отверстия, через которые проходит гелий, поэтому даже при низком давлении происходит диффузия гелия через стенки шара. Когда шарик надут, полимер растягивается, стенки становятся тоньше, гелию легче проникнуть через них, молекулярная структура становится более открытой, что облегчает диффузию, а повышенное давление служит для нее движущей силой. Именно по этим причинам шарик быстро начинает сдуваться, а потом, когда он уменьшается в размерах, процесс замедляется.

Гелиевые шарики, имеющиеся в продаже, делают из непористых и неэластичных материалов с покрытием, уменьшающим потери гелия, хотя даже через них за день утекает много гелия – как раз столько, чтобы разочаровать детей и взрослых на следующее утро после покупки шарика.

Гэвин Уитейкер

Хериот, Бордерс, Великобритания

Атомы гелия очень маленькие и легкие. Они способны в процессе диффузии проникать сквозь тонкую растянутую резину шарика, пробираясь через поры размером с атом. Молекулы воздуха, в основном кислорода и азота, гораздо крупнее и тяжелее, диффузия в них происходит значительно медленнее. Вдобавок повышенное давление внутри шарика выталкивает гелий сквозь стенки – это еще один фактор, усиливающий вытекание гелия наружу.

Поскольку в воздухе почти нет гелия, изнутри шарика о стенки ударяется гораздо больше атомов гелия, чем снаружи; наблюдается вытекание гелия из шарика. Но обратите внимание: шарик сдувается не полностью. Это происходит потому, что внутрь проникает воздух, молекул которого на наружной поверхности шарика больше, чем на внутренней.

Неожиданный эффект будет достигнут, если наполнить шарик газом гексафторидом серы с крупными и очень тяжелыми молекулами, которые едва ли способны проникнуть сквозь резину. Но как и в случае с гелием, на наружной поверхности шарика по-прежнему много молекул воздуха, которые проникают внутрь. Поэтому шарик постепенно увеличивается в размерах.

Харви Ратт

Кафедра электроники и компьютерной техники,

Университет Саутгемптона, Великобритания

В шахте

«Если вдруг окажешься в свободно падающем лифте, каким образом можно смягчить падение? Может быть, поможет, если подпрыгнуть в тот момент, когда лифт ударится о дно шахты?»

Найджел Осборн

Амершем, Бэкингемшир, Великобритания

Несмотря на все голливудские клише, свободное падение лифта в шахту почти невозможно – благодаря запатентованному Элайшей Отисом в XIX веке автоматическому тормозу, реагирующему на ускорение. Как только кабина начинает падать, многочисленные пружинные рычаги срабатывают и удерживают ее в шахте.

Что касается борьбы за выживание, вероятно, лучшее, что можно сделать, – лечь на пол лицом вверх и подложить руки под голову, чтобы смягчить удар, хотя в свободном падении выполнить эту задачу нелегко.

Если подпрыгнуть перед ударом, вы просто отдалите его на несколько миллисекунд. И потом, как вы узнаете, когда уже пора подпрыгивать? Если вы поспешите всего на мгновение, то сначала ударитесь головой о потолок, а потом ногами о пол кабины.

И даже если вы точно рассчитаете время прыжка, вам понадобится приложить такую силу, чтобы подпрыгнуть на высоту, с которой упал лифт (например, если лифт упал с высоты 100 метров, с помощью прыжка спасется только тот, кто способен подпрыгнуть в воздух на 100 метров). Таким людям лифт ни к чему.

Кит Уолтерс

Скофилдс, Новый Южный Уэльс, Австралия

Если подпрыгнуть за мгновение до удара о дно шахты и придать себе начальную скорость, направленную вверх относительно движения лифта и равную ему по величине, сначала вы ударитесь головой о крышу кабины. Кроме того, подпрыгнуть будет сложно: при падении вы окажетесь невесомым, а ручки, за которые можно подтянуться к потолку, в кабине не предусмотрены.

К счастью, перед самым ударом крыша с ускорением отдалится от вас (при условии, что крыша сохранит форму после удара!) с той же относительной скоростью, с которой двигаетесь вы. Пол последует ее примеру, но двигаться будет в вашу сторону. При этом вы приземлитесь на пол с высоты нескольких сантиметров и окажетесь на полу, который будет двигаться вверх с той же относительной скоростью.

Но здесь возникает пара проблем. Чтобы развить такую скорость, у вас должна быть возможность подпрыгнуть на такую же высоту, с которой упал лифт. И даже если вы на это способны, ускорение для такого прыжка сравнимо с тем, которое возникает при ударе о дно.

В таком случае по уже понятным причинам можно считать, что даже невысокий прыжок смягчит удар.

Алекс Уилсон

Таффли, Глостершир, Великобритания

Я вижу три способа увеличить ваши шансы на выживание, хотя они и сомнительны. Первый уже упомянули – надо подпрыгнуть как можно энергичнее перед ударом, чтобы хоть немного смягчить его. Второй – прихватить с собой что-нибудь мягкое, например одежду, и подложить под себя перед ударом. При этом увеличится время замедления скорости перед столкновением и слегка уменьшится потенциальный ущерб. Если вам не дороги свои ноги, можно попробовать использовать их как зоны деформации, хотя это будет довольно болезненно. Третий способ едва ли достоин упоминания. Можно попробовать растянуться как можно шире и удерживаться в таком положении, чтобы увеличить площадь поверхности лифта. Таким образом можно на неопределенную величину снизить скорость на конечном участке пути.

Дэвид Фоул

Толлертон, Ноттингемшир, Великобритания

Черное и белое

«Когда я работал на заводе, где производили угольный порошок, я заметил черный отпечаток своего большого пальца на бутерброде. И задумался, почему хлеб, картофель, рис и сахар, состоящие в основном из углерода, не черные».

Дуглас Томпсон

Холиуэлл, Флинтшир, Великобритания

Удобнее всего объяснить это на примере. Натрий вступает в бурную реакцию с водой, хлор – ядовитый зеленовато-желтый газ. Но хлорид натрия, вещество, содержащее эти два элемента, – безобидная пищевая соль, обладающая свойствами, разительно отличающимися от свойств ее компонентов.

Черный порошок для копировальных аппаратов – измельченный углерод в его элементарной форме. Частицы очень малы и расположены беспорядочно. Падающий на них свет поглощается и не отражается, поэтому порошок кажется черным. Бутерброд, несомненно, содержит углерод, но не в элементарной форме. В данном случае он соединен с кислородом и водородом в составе углеводородов. У таких соединений есть свои свойства, не имеющие ничего общего со свойствами составляющих их элементов. Ломтики хлеба довольно хорошо отражают свет с разной длиной волны, поэтому, когда мы смотрим на хлеб при дневном свете, он выглядит белым.

Ричард Хани

Онтарио, Канада

Углерод обычно пребывает в твердой аморфной форме, это значит, что ему недостает упорядоченной кристаллической решетки. По этой причине, а также из-за положения отдельных электронов на внешней орбите атома углерода свет поглощается, а не отражается. Это значит, что атомы углерода в графите, копоти и черном угле кажутся черными.

Алмаз – тоже углерод, но обычно прозрачный, потому что в его кристаллической решетке электроны занимают другие положения и создают бесцветный кристалл. Алмазы могут иметь окраску, если в них присутствуют атомы других элементов, обычно – металлов, а связи с электронами меняются. Так появляются голубые, желтые, розовые и зеленые алмазы.

Г. Уильям Барнс

Уоррингтон, Пенсильвания, США

Углерод присутствует в таких продуктах, как хлеб и картофель, в форме гидратов, т. е. он химически связан с водой и потому не кажется черным. Чтобы он снова стал черным, необходимо удалить воду, обычно путем нагревания. Вот почему подгоревший тост черный.

Сахар – тоже углерод и вода. Но если добавить концентрированную серную кислоту, вы увидите, как она высосет из сахара воду, оставив один черный углерод.

Дункан Хогг

Фарнхем, Суррей, Великобритания