Текст книги "Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга первая"

Двойное везение Бенджамина Франклина

Идея доказательства пришла в голову Франклину в 1752 году. Нужно соединить облака с землей и посмотреть, возникнет ли электрический разряд. Исследователь соорудил воздушный змей – не бумажный, а шелковый, потому что во время грозы бумага бы сразу промокла.

На одном конце змея он закрепил железный гвоздь, к другому концу привязал пеньковую веревку. И вот однажды в июле наступила подходящая погода. Когда собралась гроза, Франклин выбежал на улицу вместе с маленьким сыном и запустил змея. К концу веревки он привязал металлический ключ, чтобы увидеть, проходит ли по веревке электричество.

В этот день ему повезло вдвойне. Во-первых, очень скоро волоски пеньковой веревки встали дыбом, а вокруг ключа заискрило. Значит, по веревке проходил ток, то есть доказательство было получено. А во-вторых, в змей не ударила молния. А это вполне могло произойти и означало бы верную смерть Франклина. Он и не догадывался, как велико напряжение между облаками и землей и какой опасный эксперимент он проводит. Но риск Франклина был вознагражден: его опыт доказал, что молния возникает благодаря электрическому заряду облаков.

Но как заряжаются облака? Можно подумать, летом к ним то и дело поднимается великан Голиаф, чтобы потереть их тканью? Или где-нибудь есть гигантская розетка для облаков? Как это происходит в действительности, Франклин не знал, и, как ни странно, ученые до сих пор не до конца понимают этот процесс. Но большинство из них считает, что электрический заряд связан в первую очередь с движением внутри облаков. Более холодные и более теплые капли воды трутся друг о друга и создают таким образом заряд в разных частях облаков. При этом электроны собираются на нижнем крае облака, образуя отрицательный заряд, а положительный находится в верхней части.

С помощью теории дождевых капель можно объяснить, почему грозы чаще всего бывают летом, даже в безветренную погоду. Влажный воздух сильно нагревается у земли и быстро поднимается в верхние слои атмосферы, где температура ледяная, и вызывает там завихрения. Внутри облачного тумана словно постоянно движется лифт. Мельчайшие частицы льда и воды летают вверх и вниз и трутся друг о друга. От этого – как в случае с янтарем – и возникают электрические заряды и поля. Конечно, гроза бывает не только летом. Электрическое напряжение возникает также, когда ветром приносит воздух низкой температуры, и он сталкивается с областью высокой температуры. В этом случае частицы тоже интенсивно трутся друг о друга.

Мы уже знаем, что нижняя сторона облаков заряжена отрицательно. Теперь нужно представить себе, что этот заряд и его поле действуют на землю как гигантский магнит, заполняющий все пространство между небом и землей. Магнит может притягивать и отталкивать. В нашем случае отрицательный заряд нижней стороны облаков строго отталкивает отрицательно заряженные электроны на земле. В результате на земле увеличивается положительный заряд, то есть напряжение между небом и землей растет.

Со временем напряжение увеличивается до такой степени, что даже воздух, который обычно не проводит электрический ток, уже не препятствие для противоположных зарядов. Предполагают, что напряжение между облаками и землей может достигать ста миллионов вольт. Сравните: в обычной розетке напряжение 220 вольт, но и этот ток может убить человека. Правда, 220 вольт – недостаточное напряжение, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, поэтому между дырочками розетки и не сверкает молния. Но в грозу все иначе.

СМЕРТЬ РИХМАНА

Всего через год после эксперимента Франклина исследованием молнии занялся немецкий физик Георг Вильгельм Рихман. Он установил недалеко от своего дома металлический шест и экспериментировал, проводя молнии в землю. На свою беду он подошел слишком близко к шесту в тот момент, когда ударила молния. Она отклонилась и прошла через все тело Рихмана. На лбу у него осталось красное пятно, а внизу, на левом башмаке – большая обугленная дыра. Ученый погиб.

Когда напряжение между облаками и землей вырастает достаточно сильно, происходит внезапный выброс тока, мощный обмен энергией, похожий на взрыв, – это и есть молния. Взрыв при таком коротком замыкании нагревает воздух вокруг до тридцати тысяч градусов.

Это в пять раз больше, чем температура поверхности Солнца, и поэтому газы в воздухе загораются, как на пожаре, и мгновенно расширяются. Результат этого расширения вам хорошо известен – гремит гром. А так как звук распространяется гораздо медленнее света, гром слышно всегда на несколько секунд позже, чем видна молния.

Кстати, может показаться неожиданным, но молнии бьют не только сверху вниз, но и снизу вверх. Дело в том, что молнию обычно запускает «лидер молнии» – первопроходец, прокладывающий путь от тучи к земле. Как электрик, прокладывающий кабель, маленький «лидер молнии» создает в воздухе канал, связывающий отрицательный заряд в тучах с положительным на земле. Когда связь налажена, по каналу проскакивает главный разряд – собственно молния. Положительный заряд на земле притягивает электроны по каналу молнии, и таким образом канал разогревается снизу вверх.

ГРОЗОВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Напряженность электрического поля, созданного зарядом, – это сила, с которой поле действует на другие электрические заряды, окружающие его. Она измеряется в единицах «вольт на метр» (В/м). В обычный ясный день естественная напряженность электрического поля на земле – около 100 В/м, а перед грозой она может вырастать до 1000 В/м. Сравните: база беспроводного домашнего телефона создает вблизи себя поле напряженностью 3 В/м.

Но молнии в грозу ударяют не только между тучами и землей. Две трети молний – внутриоблачные разряды. Ведь напряжение существует и между верхними и нижними частями туч.

Молнии внутри облаков длиннее, чем молнии между небом и землей. Ученые наблюдали внутриоблачные молнии длиной более ста километров. А молнии между тучами и землей бывают не длиннее пяти километров и всего несколько сантиметров в ширину. Итак, молниевый канал мал, но за очень короткое время через него проходит ток огромной силы.

Если молния попадает в препятствие – предмет, который не сразу отведет электрический ток в землю (например дом с соломенной крышей), – ток может так сильно нагреть препятствие, что оно загорится. Поэтому, когда Бенджамин Франклин в Филадельфии не только выяснил, что молнии связаны с электричеством, но и придумал, как их обезвредить, это принесло огромную пользу всем домовладельцам.

ПОСЧИТАЕМ, ДАЛЕКО ЛИ ГРОЗА

Если вы хотите узнать, как далеко от вас гроза, засеките время между вспышкой молнии и раскатами грома. Поделив количество секунд на три, вы получите расстояние в километрах. Гром слышно только на расстоянии до двадцати километров, потому что звуковая волна затухает в атмосфере. Если время между вспышкой молнии и громом меньше трех секунд, то гроза находится на опасно близком расстоянии.

Почему молния не любит игроков в гольф?

Никто не может предсказать, куда ударит молния. Это зависит от того, как распределится заряд в тучах. Но можно с уверенностью сказать, что молния скорее ударит в высокий острый предмет, потому что электрическое поле на нем более напряженное и сильнее притягивает окружающие электроны. Поэтому Бенджамину Франклину пришло в голову нарочно предоставить в распоряжение молнии высокий предмет – металлический шест на крыше. Электроны легко проникают в атомы металла, поэтому металлический шест для них не препятствие, в отличие от соломенной крыши. Шест уводит молнию в землю, и она не причиняет дому вреда. Так с помощью очень простого изобретения, молниеотвода (чаще его называют «громоотвод», но это привычное название не совсем правильное), Бенджамин Франклин спас от пожара бесчисленное количество домов. Только в Германии в год ударяет около 750 000 молний, в Австрии и Швейцарии – примерно по 165 000 молний. Даже если бы малая часть этих молний попала в дома, за время с 1752 года до наших дней случилось бы огромное количество пожаров.

Сейчас молниеотводы установлены почти на всех домах, и пожаров от удара молнии почти не бывает. Современный молниеотвод – не просто острый металлический шест, а целая конструкция из металлических реек на крыше, которые отводят молнию в землю несколькими путями. И все равно каждый год от удара молнии в мире все еще гибнет около тысячи человек. Это происходит оттого, что не все люди с приближением грозы могут сразу же спрятаться в доме с молниеотводом.

Молния может ударить прямо в человека или рядом с ним – а это тоже опасно. В обоих случаях удар молнии может оказаться смертельным. Но все же две трети людей, пострадавших от удара молнии, остаются в живых и даже не получают травм. Это связано с тем, что электрический ток не всегда проходит через тело насквозь, а прокладывает иногда путь по коже. Но все равно удар молнии очень опасен для здоровья. Он может привести к параличу рук и ног, остановке дыхания и сердца, может повредить мозг, вызвать нарушения зрения и ходьбы. А на тех местах, где молния вошла в тело и вышла из него, могут быть сильные ожоги.

Если гроза застала вас в пути, самое главное – не привлекать молнию. Специалисты советуют найти ямку или впадину, сесть в ней на корточки, ступни поставить вплотную друг к другу и обхватить ноги руками. Ложиться на землю не нужно. Очень важно не приближаться к отдельно стоящим высоким деревьям, потому что, когда молния ударяет в шест или в дерево, ток может распространяться по земле вокруг этого места. И совершенно не важно, каким будет это дерево.

ПЕРЕЖИВШИЙ СЕМЬ МОЛНИЙ

Рой С. Салливан, инспектор парковой охраны из американского штата Вирджиния, – мировой рекордсмен по ударам молнии. За сорок лет молния попадала в него семь раз. От ударов молнией он получал ожоги кожи и волос, молния срывала у него обувь с ног и повредила барабанную перепонку. Но смертельным ударом для него оказалась не молния: в 1983 году он покончил с собой – говорят, из-за того, что от него ушла жена.

Особенно рискуют в грозу игроки в гольф: установлено, что в Америке каждый пятый несчастный случай, произошедший от удара молнии, происходит на полях для гольфа. Может быть, молнии не любят игроков в гольф? Вряд ли, но вот поле для гольфа – прекрасная мишень для удара молнии. На нем бывает много отдельно стоящих деревьев, укрытий без молниеотвода, флажков – все это может притягивать молнии и распространять ток. Мокрые клюшки для гольфа и раскрытые зонтики – привлекательные цели для молний.

Если в грозу вы едете на машине, можете ни о чем не волноваться. Даже если молния ударит в автомобиль, ток стечет по металлическому корпусу и не проникнет внутрь. Самолеты тоже хорошо защищены от грозы металлической обшивкой. Правда, от удара молнии могут выйти из строя электронные приборы. Кстати, то же самое может случиться и с бытовой техникой дома. Даже если на крыше установлен молниеотвод, молния может пробежаться по электропроводке. Из-за этого напряжение в проводах может скачкообразно повыситься, а это повредит чувствительные приборы. Поэтому, если в сети не установлена релейная защита, в грозу нужно отключить от розетки радио, телевизор и компьютер и отсоединить антенну от телевизора.

Есть ли польза от грозы?

Как было бы удобно, если бы энергией молнии можно было заряжать наши электроприборы. При таком напряжении – сто миллионов вольт – одной молнии хватило бы, наверное, на несколько дней работы телевизора. Но, к сожалению, грозовая энергия совершенно не годится для электроснабжения. Во-первых, ее не так-то просто уловить, потому что своенравная молния никогда не бьет туда, куда нам надо. А во-вторых, энергия, которая высвобождается при ударе молнии, не так велика, как мы думаем. Хотя напряжение чрезвычайно высоко, ток течет всего несколько микросекунд. Поэтому в целом получается не так уж много электричества. Подсчеты показали, что обычная молния производит всего около 25 киловатт-часов электрического тока – столько расходует один нагреватель воздуха (тепловентилятор) за 12 часов работы.

В ПАЛАТКЕ

На туристической палатке нет ни молниеотвода, ни металлической обшивки. Поэтому палатка в грозу – убежище ненадежное. Особенно если она одна стоит на открытом поле. Лучше поставить палатку в кемпинге или в лесу (на расстоянии трех метров от ближайшего дерева). Во время грозы в палатке нужно сесть на сухой туристический коврик и не дотрагиваться ни до ткани палатки, ни до каркасных дуг.

Итак, молнию нельзя использовать как источник энергии, но надо сказать, что в истории человечества она сыграла важную роль. В 1952 году студент физического факультета Чикагского университета провел знаменитый эксперимент (хотя и небесспорный с позиций современной науки), показавший, что органические вещества могут возникать из простых газов, таких как метан, аммиак и водород, если пропускать через них молнию. Предполагают, что из метана, аммиака и водорода состояла первая атмосфера нашей планеты. Поэтому молнии могли способствовать зарождению первых форм жизни на Земле четыре миллиарда лет назад.

МОЛНИЯ УДОБРЯЕТ РАСТЕНИЯ

Молния очень сильно нагревает воздух и поэтому производит оксиды азота – прямо как двигатель внутреннего сгорания. Правда, естественные оксиды азота гораздо полезнее искусственных. Сразу после образования их дождем смывает в почву, а там они становятся удобрением для растений.

А спустя миллиарды лет благодаря молнии наши предки, первобытные люди, приобрели очень важный и полезный опыт. Люди узнали, что огонь, полыхающий на дереве, в которое ударила молния, может приносить пользу. Если рискнуть подойти поближе и отломить от дерева небольшую горящую веточку, а потом разжечь свой собственный костер, можно замечательно согреться у огня. И мясо, которое раньше съедали сырым, оказалось гораздо вкуснее, если подержать его над пламенем. Поэтому первобытные люди старались поддерживать огонь как можно дольше. В итоге они научились сами разжигать огонь, который раньше получали от молнии.

Закрепить знания ты можешь на лекции «Почему гремит гром?» в Немецком детском онлайн-университете:

www.goethe.de/kinderuni

Почему мальчики дерутся, а девочки капризничают?

Эй, мальчишки, этот текст не для вас! Нет, совершенно точно он не для вас. Сами посудите, вы же мальчики, вам бы мячик погонять или подраться с кем-нибудь. Неужели не передумали? Ну а вы, девочки, – вам-то это зачем? Не лучше ли пошушукаться с подружками или покапризничать? Вы нас разочаровываете. Все-таки, прежде чем читать дальше, подумайте хорошенько. Если потом будете злиться – пеняйте на себя, мы тут ни при чем. Сами виноваты, что не повели себя так, как полагается заправским драчунам и капризулям.

О том, что мальчики чаще дерутся, а девочки капризничают, рассказал на своей лекции в Тюбингенском детском университете профессор психологии Михаэль Диль. Разумеется, его слушатели – и мальчики, и девочки – кое-что об этом знали и сами, из собственного опыта. И те и другие согласились с профессором, что девочки – более капризный народ; впрочем, мальчики признавали это охотнее. Ну а против того, что драка – по большей части мужское занятие, не возражали ни девочки, ни мальчики. Михаэль Диль побудил нас задуматься о том, почему это именно так.

«Это не мы, это они глупые», – говорят девочки о мальчиках. «Ничего подобного, девчонки глупые, а мы нет», – огрызаются мальчики. Что ж, по-своему правы и те, и другие: в возрасте от десяти до тринадцати лет и мальчики, и девочки выглядят не очень-то умными в глазах противоположного пола. Странно только, что они так много друг о друге знают. Как будто целыми днями только и делают, что наблюдают: мальчики – за девочками, а девочки – за мальчиками.

Если это так, то они, верно, давно должны были заметить, что мальчики любят зазнаваться и частенько пускают в дело кулаки, а девочки непрерывно хихикают, сплетничают или куксятся.

Интересно, а мальчики и девочки от природы такие, или на них что-то влияет? Между прочим, раньше считалось, что девочками не рождаются, а становятся благодаря воспитанию. И мальчиками тоже. Так, может, и тут родители виноваты, опять они не справились? Родители, вы почему не смогли воспитать хоть сколько-нибудь сносных детей? Чтобы находили язык с другими детьми, чтобы девочки не ссорились с мальчиками, а мальчики – с девочками. Но прежде чем взваливать всю вину на родителей, давайте-ка ответим на вопрос: а для чего вообще нужны оба пола? Почему существуют и девочки, и мальчики? Может быть, будь на свете один-единственный пол, никто бы не дрался и не капризничал и на Земле наступили бы мир и согласие?

Для чего нужны оба пола?

Рассмотрим этот вопрос с точки зрения биологии. Не будем долго ходить вокруг да около, а вспомним лишь несколько фактов, которые вам, возможно, уже известны. Может быть, в итоге нам удастся найти какой-то капризный ген или задиристую хромосому.

ХРОМОСОМА

Хромосомы столь малы, что их можно разглядеть только под сильным микроскопом. Они располагаются в клетках живых организмов. В норме в каждой клетке человека – двадцать три пары хромосом. В хромосомах содержатся гены, в которых хранится наследственная информация.

Девочки и мальчики отличаются друг от друга длиной волос, фасоном брюк, тем, что одни носят бикини, а другие не носят. Но главное их различие заключается в том, что у одних есть пенис и два яичка, а у других – влагалище. Мужские половые органы производят сперматозоиды, женские – яйцеклетки. Чтобы человечество не вымерло, должны существовать и женщины, и мужчины. Половой акт у животных мы называем спариванием, а про людей говорим, например, что они «вместе спят», хотя мужчина и женщина в этот момент спать и не думают, но находятся, как правило, в постели – там же, где спят.

Если мужчина введет свой пенис во влагалище и произойдет семяизвержение, а яйцеклетка, которая в женском организме созревает раз в 28 дней, будет в этот момент достаточно велика, может произойти оплодотворение. Но люди совсем не обязательно хотят, чтобы в результате полового акта наступила беременность. Конечно, будь половой акт для нас только средством продолжения рода, было бы проще. Но еще проще было бы, если б для рождения детей не требовались непременно мужчина и женщина, которые должны друг другу понравиться и захотеть общих детей. На Земле живут шесть миллиардов человек – представляете, сколько нужно времени, чтобы каждый нашел себе подходящую пару: любимую жену с самыми красивыми в мире веснушками или любимого лопоухого мужа. Не слишком ли это все сложно?

А что же происходит у других живых существ?

Возьмем, к примеру, рыб. У многих из них для размножения должно быть соблюдено куда меньше условий, чем у людей. Например, самка трески просто мечет икру в воду, после чего эту икру осеменяют самцы. Правда, и в этом случае для сохранения вида требуются и мужская, и женская особь, зато не нужно ни за кем ухаживать, клясться в вечной любви и верности. У некоторых червей и насекомых все устроено еще проще: сперматозоиды и яйцеклетки находятся внутри одной особи, в которой и происходит самооплодотворение.

ИНФУЗОРИЯ ТУФЕЛЬКА

Даже у одноклеточной инфузории туфельки имеется свой собственный способ обмена клетками. Бесполое размножение происходит у нее делением клетки, а это в конечном итоге может привести к генетическим «поломкам». Поэтому время от времени инфузория туфелька приближается к другой особи, и тогда обе инфузории как бы склеиваются друг с другом, чтобы обменяться клеточным материалом. Таким образом инфузория обновляет свою генетическую базу и улучшает наследственность.

Все-таки черви и рыбы – не столь сложные организмы, как люди и другие млекопитающие. На самом деле участие мужчины и женщины в процессе зачатия дает человеку как биологическому виду несомненные преимущества. При смешении генов двух людей получится значительно больше комбинаций, чем если бы в оплодотворении участвовал один человек. Кто-то из детей унаследует веснушки матери и торчащие уши отца, кто-то – смуглую кожу отца и плотно прилегающие уши мамы. Вот почему в мире людей значительно больше разнообразия, чем, скажем, у медуз или червей. И именно поэтому у одних и тех же родителей дети всегда разные (за исключением разве что однояйцевых близнецов). Но дело далеко не только во внешности: имея двух разных родителей, люди намного успешнее приспосабливаются к условиям обитания и к изменениям во внешней среде, поскольку это позволяет отбирать и закреплять качества, наилучшим образом способствующие выживанию.

Пол человека определяет его важнейшие биологические особенности. Поскольку оплодотворение происходит внутри женского организма, именно женщина вынашивает детей. Мужчина нужен лишь в момент оплодотворения, и на этом его участие в процессе в принципе может закончиться. Он дал свою сперму и вполне может отправляться к другой женщине, чтобы и она, в свою очередь, забеременела. С биологической точки зрения никакой проблемы здесь нет, чего, впрочем, не скажешь о моральной стороне дела. Женщина вынашивает ребенка в течение девяти месяцев, потом кормит его грудью и заботится о малыше, который еще не в состоянии выжить самостоятельно. К счастью, отцы, как правило, тоже испытывают чувство ответственности за детей, но если этого чувства у них нет, то, в отличие от женщины, они вполне могут отстраниться от воспитания, по крайней мере в первое время.

СМЕШНАЯ РАЗНИЦА

Гены девочки и мальчика различаются очень незначительно; правда, это небольшое отличие есть в каждой клетке организма. В клетке человека содержится 23 пары хромосом, в которых заложена вся генетическая информация, и только одна из этих пар определяет наш пол. У девочек эта пара состоит из двух Х-хромосом, а у мальчика – из Х-хромосомы и Y-хромосомы. Женская яйцеклетка может быть носителем только Х-хромосомы, в то время как половина мужских половых клеток (сперматозоидов) содержит Х-хромосомы, а половина – Y-хромосомы. Пол будущего ребенка зависит от того, какая именно половая клетка отца участвует в оплодотворении.

Вот мы и столкнулись с первым серьезным недочетом в том, как устроен процесс деторождения у людей. На женщину с самого начала возложена несравнимо большая ноша, чем на мужчину, и это очень несправедливо, правда? Почему вклад женщины в продолжение рода настолько больше, чем вклад мужчины? Мужчина ведь никогда не сможет узнать, каково это – быть беременным или кормить малыша грудью. Почему бы человеку не уподобиться растению, у которого есть одновременно и мужские, и женские половые признаки, тычинка и пестик? Было бы справедливо, если б любой человек мог вынашивать детей или не вынашивать, если не хочет. Однако в мире нет высокоразвитых организмов, которые бы размножались таким способом. С биологической точки зрения существование организма, сочетающего женские и мужские половые свойства, крайне нерационально, поскольку природе пришлось бы придумывать механизм защиты против самооплодотворения. Иначе рождалось бы много детей с генетическими отклонениями.

ДО РОЖДЕНИЯ

Мальчиком или девочкой человек становится задолго до момента рождения, когда радостным криком он оповещает мир о своем появлении на свет. Мужские половые органы начинают формироваться у плода на втором месяце беременности, женские – на третьем. На четвертом месяце у будущих мальчиков и девочек уже немного различается строение мозга. Например, по-разному функционирует гипоталамус – эта часть мозга регулирует выработку мужских и женских гормонов и оказывает влияние на наши чувства.

Что можно сказать наверняка, так это то, что человечеству никуда не деться от имеющегося у него способа размножения, если, конечно, оно не перейдет к клонированию. Пока же дети будут появляться на свет старым проверенным способом, хоть это и несправедливо. Женщины продолжат брать на себя львиную долю забот, связанных с рождением детей. А поскольку младенца можно держать и одной рукой, то другой вполне можно готовить, стирать, убирать, печь пироги. Но такая жизнь «в две руки» крайне изматывает, и поэтому женщины начинают ругаться, устраивать склоки, пилить мужчин. Дескать, от них один беспорядок, только и прибирай за ними целыми днями. Разумеется, мужчины, услышав такое, ждут не дождутся, как бы поскорей улизнуть в мир свободных мужчин, где можно ходить на медведя, чинить компьютеры или на худой конец затеять войну – все лучше, чем сидеть дома и слушать ругань недовольных женщин. Так, может, поэтому женщины с самого детства капризничают, а мужчины с младых ногтей любят драться? Да они просто готовят себя к исполнению будущих ролей, к тем задачам, которые на них возложены природой!

Но неужели это обидное объяснение – правда? И разве характер и свойства человека зависят только от того, какого он пола? Ведь в таком случае все женщины были бы одинаковы и мужчины походили бы друг на друга как две капли воды. Нет, конечно, поведение женщин и мужчин обусловлено не только биологией.