Текст книги "99 секретов физики"

№ 16
Все относительно. Теория Альберта Эйнштейна

В начале ХХ столетия благодаря Альберту Эйнштейну (1879–1955) произошла очередная революция в науке: устоявшаяся картина мира, в которой время во всей Вселенной текло одинаково и пространство также измерялось по общим законам, претерпела значительные изменения.

Эйнштейн заявил: все относительно, пространство и время неразрывно связаны со скоростью. Чем быстрее вы будете двигаться, тем медленнее будет для вас тянуться время! Таким образом, космонавт, путешествовавший во Вселенной со скоростью, приближающейся к скорости света, по возвращении на землю будет моложе, чем его брат-близнец. Почему именно скорость света стала в теории относительности «точкой отсчета»? Установлено, что она одинакова в любой системе координат.

Получается, что если нам удастся достигнуть скорости, равной скорости света, то время для нас остановится совсем, а если превысить эту скорость, то оно повернет вспять! Насколько это реально?

E = mc²

Ответить на этот вопрос поможет самая известная в мире формула, также введенная в научный оборот Эйнштейном: E = mc², где Е – энергия движущегося объекта, m – его масса, а с – скорость света в вакууме. То есть чем быстрее движется объект, тем тяжелее он будет. Соответственно, энергия Е, необходимая для того, чтобы обеспечить движение, тоже будет возрастать. При достижении скорости света масса станет бесконечной и потребуется столь же бесконечная энергия. Следовательно, двигаться со скоростью света может только сам свет, так как массы он не имеет.

Основы теории относительности были изложены в статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», вышедшей в 1905 году

Физика макромира

№ 17
Приливы, отливы… Что их вызывает?

И Солнце, и Луна воздействуют на все находящееся на Земле согласно ньютоновскому закону всемирного тяготения. Чем ближе к небесному телу участок земной поверхности, тем сильнее действует на нем сила притяжения. Соответственно, на этом участке вода как бы «стремится» к Солнцу либо Луне и начинается прилив. На той стороне нашей планеты, которая в это время максимально удалена, соответственно, в это время идет отлив.

«Солнечный» и «лунный» приливы могут совпадать или не совпадать (в зависимости от расположения Луны и Солнца): в случае совпадения прилив получается наиболее высоким. Как ни странно, Луна, несмотря на свои небольшие размеры, оказывает большее влияние, чем Солнце, – ведь она находится ближе к Земле!

Высота прилива – величина непостоянная

№ 18
Маятник Фуко: и все – таки земля вертится!

В 1851 году в здании Пантеона в Париже появилось необычное сооружение. Член Парижской Академии наук, физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) подвесил к конструкциям купола маятник заостренной формы весом 28 килограммов. На пол был насыпан песок, а длину проволоки, на которой маятник был подвешен (67 метров), рассчитали так, чтобы острие оставляло на песке следы. Одно колебание маятник совершал за 16 секунд; было видно, что каждый новый след на песке смещается почти на 3 миллиметра по сравнению с предыдущим. Таким образом, плоскость колебания поворачивалась в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Но маятник совершал движения только в одной плоскости! Значит, поворачивался не он, а начерченный на полу круг – поворачивался вместе с планетой Земля.

Свет не имеет массы, но имеет вес. Это значит, что свет можно изогнуть под действием силы тяжести.

№ 19
Масса и вес: в чем разница?

В повседневных разговорах мы не делаем разницы между понятиями «масса» и «вес». «Торт массой 800 граммов» или «торт весом 800 граммов»? Не все ли равно? Для физика – нет.

С точки зрения науки масса неизменна: не зависит ни от скорости, ни от системы отсчета, ни от взаимодействия с другими телами. Измеряется масса в килограммах.

Весом же именуется сила, возникающая под влиянием притяжения Земли. Эту силу тело «прикладывает» по отношению к опоре или подвесу. Измеряется она в ньютонах и рассчитывается по формуле F = mg, где m – масса тела, а g – ускорение свободного падения (ускорение, которое придает телу сила притяжения), равное ок. 9,81 м/с².

Ну и, наконец, вес, в отличие от массы, зависит от расположения этого тела. Впрочем, о невесомости мы побеседуем отдельно.

№ 20
Хорошо висим! Явление невесомости

Мы только что выяснили, что такое масса и чем она отличается от веса. А что такое невесомость? Так принято именовать состояние, когда вес тела практически исчезает. Масса остается прежней – то есть если человек весил 70 килограммов, все килограммы останутся при нем. А вот вес…

Иногда можно услышать, что, например, на космонавтов МКС перестает действовать сила притяжения Земли, соответственно, возникает эффект невесомости. Это не совсем так.

Вспомните свои ощущения, когда лифт, в котором вы едете с верхних этажей вниз, трогается с места. Вам кажется, что вас как будто «приподнимает» над полом. Дело в том, что если тело вместе с опорой или подвесом движется вниз и при этом его ускорение направлено туда же, куда и ускорение свободного падения, то его вес уменьшается. Ускорение – это особая величина, которая показывает, насколько быстро изменяется скорость тела: отношение скорости ко времени. Если же ускорение тела стремится к ускорению свободного падения, которое, как мы помним, равняется ок. 9,81 м/с², то вес тела стремится к нулю!

У космонавтов в невесомости часто наблюдается синдром космической адаптации

Именно в таком состоянии пребывают космонавты на станции, которые движутся вокруг Земли с ускорением, равным ускорению свободного падения. Причем не только космонавты, но и все предметы, которые их окружают. Такое ускорение именуется центростремительным. Для большей наглядности приведем высказывание одного школьника: «космонавты как бы находятся в состоянии непрерывного падения, но… не падают».

Ускорение свободного падения на полюсах Земли чуть больше, чем на экваторе, но в приблизительных расчетах обычно используется число 9,81

№ 21
Разбросала нас жизнь… «Шутки» инерции

Всем доводилось ездить в автобусе, автомобиле или метро. И все хорошо знают, что происходит, когда транспортное средство резко тормозит. Багаж сыплется с полок, а пассажиры падают друг на друга… Но, согласитесь, в этом хаосе есть своя закономерность. Люди падают – или, если торможение было не слишком резкое, наклоняются – по направлению движения. Почему?

Для этого нам нужно вспомнить рассуждения Галилея об инерции, впоследствии закрепленные в законах Ньютона: если на тело не действуют никакие внешние силы, то оно будет находиться в состоянии покоя или равномерно прямолинейно двигаться.

Но ведь ни в одной точке Вселенной невозможно избавиться от воздействия самых разных сил. Значит, вечно двигаться или вечно находиться в покое относительно любой системы координат тело не может. Но тем не менее можно сказать, что объекты «стремятся» сохранять свое состояние покоя либо движение с постоянной скоростью. Это стремление и называется инерцией. Причем она напрямую зависит от массы объекта: согласитесь, что сдвинуть с места яблоко гораздо проще, чем многотонный валун.

Получается, что когда транспортное средство тормозит, находящихся в нем пассажиров и предметы инерция заставляет какое-то время «сохранять» свое движение вперед. А что происходит, когда машина трогается с места? Совершенно верно, инерция, действующая на все, что в ней находится, «толкает» людей и вещи – но на этот раз назад.

Именно в соответствии с законами инерции многотонные фуры на дороге опаснее, чем легковушки: их тормозной путь гораздо длиннее

№ 22
Как выпрыгну! Снова о транспорте

В фильмах мы видели, как герои выскакивают на полном ходу из движущегося вагона или автомобиля. А что скажут физики – как правильно это делать?

Прыгать вперед, по ходу движения? Но поскольку инерция и так толкает вас вперед, «прыгун» увеличит скорость и риск травмы. Тогда назад? С точки зрения физики это верно, но обезопасить себя сложнее, ведь упадете-то вы скорее всего на спину! Каскадеры часто прыгают назад относительно движения поезда и при этом располагаются спиной по направлению прыжка. Но для неопытного человека это из области фантастики. Так что специалисты рекомендуют все же прыгать вперед и вбок, стараясь сгруппироваться. А самое главное – не ставить экспериментов и совершать подобные прыжки только в случае крайней необходимости!

№ 23
Тихо! Я слушаю ультразвук!

Понятие «волна» связано не только с водой. Волны могут распространяться и в газообразной среде, и даже в твердой.

Звук тоже распространяется в виде волн! Причем важен не только источник звука (то, что его вызвало), но и то, как его воспринимают (или не воспринимают) наши органы чувств. Чем выше частота колебаний, тем выше звук. Чем ниже частота – тем, соответственно, звук ниже. Но дело в том, что человеческое ухо способно слышать лишь звуки определенного диапазона. В среднем мы способны воспринимать волны, частота которых от 16 до 16 000–20 000 колебаний (герц) в секунду. Если частота выше – большинство из нас такой звук просто не услышит. Обычно к ультразвукам относят все те, частота которых превышает 20 000 колебаний. Чтобы услышать их, потребуется специальная аппаратура.

№ 24
Частоты, рождающие панику. Инфразвук

Если ультразвук – это звук высокочастотный, то инфразвуком принято называть звуковые волны, частота которых ниже, чем может воспринимать человек. Обычно это ниже 16 герц. В природе инфразвук возникает в коре планеты при землетрясениях, во время урагана; в условиях, далеких от природных, он может генерироваться тяжелой техникой: турбинами, двигателями, шахтным оборудованием. Инфразвук очень хорошо распространяется, а у крупных объектов вызывает вибрацию.

Его коварство в том, что, будучи неслышимым человеческим ухом, инфразвук в то же время может оказать сильное негативное воздействие: вызвать приступ страха, беспокойства, сбой сердечного ритма, а в особо серьезных случаях даже повреждения внутренних органов.

В воде инфразвук распространяется на сотни километров и помогает ориентироваться китам и другим животным.

№ 25
Иерихонская труба: правда или вымысел?

Выражение «Иерихонская труба» давно стало крылатым. В Ветхом Завете есть рассказ о взятии города Иерихона: «И вострубили в трубы, народ восклицал громким голосом, и от этого обрушилась стена до основания, и войско вошло в город, и взяли город». То есть, согласно легенде, стены рухнули из-за воздействия звука невиданной силы! Но возможно ли звуками труб – пусть даже очень больших – разрушить крепостную стену? С точки зрения исследователей, такой вариант был бы возможен, если бы благодаря звуку тысяч труб возник резонанс, из-за которого и обрушились укрепления. Но это маловероятно, так как стена слишком неоднородная. Возможно, Иерихон погиб в результате землетрясения – или нужно допустить, что древним израильтянам были доступны технологии, превосходящие современные…

№ 26
Он вернулся! Бумеранг и физика

То, что бумеранг – орудие охоты австралийских аборигенов – после броска возвращается к своему владельцу, всегда вызывало восхищение у всех, кто видел этот полет. (Справедливости ради, скажем, что подобные метательные орудия существуют не только в Австралии. А большинство современных бумерангов предназначены вовсе не для охоты – это скорее игрушки.) Так чем же объясняется особенность бумеранга?

Если он попадет к вам в руки, рассмотрите его «крылья». Вы наверняка обратите внимание, что по форме они напоминают крыло самолета – плоские снизу и чуть выпуклые сверху. Помимо этого, каждая лопасть бумеранга обычно толще в передней части и становится тоньше в задней. Это не единственный вариант, существует довольно много разновидностей! Но все объединяет одно: важна не только форма, но и то, как именно бросать бумеранг.

Аборигены перед броском держат его вертикально и с силой запускают вперед. Бумеранг полетит, вращаясь, и тут вступит в действие подъемная сила. Так называется сила, перпендикулярная направлению движения тела, которая возникает из-за того, что поток (воздуха, газа, жидкости) обтекает тело несимметрично. Кроме того, включается так называемый гироскопический эффект – устойчивость при вращении в пространстве. (Еще один пример простого гироскопа – юла, или волчок.) Сочетание этих замечательных факторов – вращения, гироскопического эффекта и подъемной силы – и заставляет бумеранг, описав круг, вернуться к тому, кто его запустил.

Бумеранги применялись еще в позднем палеолите

Если бумеранг все же поразил цель, например птицу, он уже не полетит к владельцу, а упадет на землю

№ 27
Опасно! Болота и зыбучий песок

«Страшилки», связанные с таинственными болотами и песками, способными скрыть в своих глубинах животное, человека или даже автомобиль, известны каждому. Но чем объясняется это странное действие? Начнем с песка.

Как ни странно, в поведении зыбучего песка «виноват» не сам песок, а вода. Дело в том, что для появления засасывающего эффекта необходим источник воды, который находится в глубине. Если вода по какой-то причине просачивается к поверхности, она как бы обволакивает песчинки и образует рыхлую песочно-водяную «подушку», в которой прослойка воздуха между песчинками заменяется водой. При этом на поверхности песок может оставаться до поры до времени сухим.

Если же на этот песок что-то начинает давить, например ноги человека или лапы животного, вся неустойчивая масса приходит в движение и пытается «вернуть» на место перемешанные с водой песчинки, сдвинутые этим воздействием. Начинается засасывание. Выбраться крайне сложно, так как любое действие порождает еще большее противодействие…

Что же касается болот, то засасывающим эффектом обладают только болота трясинные – такие, на дне которых образовался слой гниющих органических отходов. Трясина относится к особому типу жидкости, которая становится тем более вязкой, чем сильнее на нее воздействовать. Если на этот слой попадает тело небольшого веса, оно не тонет. Относительно тяжелое – тонет. Ведь любое движение увеличивает давление на опору, в данном случае – трясину. Поэтому живое существо, попавшее туда, практически всегда обречено…

Считается, что песок может стать зыбучим и из – за электрических зарядов, вызванных трением песчинок. Будучи «заряженными», они отталкиваются друг от друга

№ 28
Друг и враг. Удивительное трение

Задумывались ли вы о том, что в нашей жизни многое зависит от такого замечательного явления, как трение? Мы идем зимой по улице – от «качества» трения наших подошв о скользкую дорогу зависит безопасность передвижения. Нам нужно развести костер – трение помогает нам зажечь спичку. От него зависит работа многих механизмов. Трение может помешать нашим целям, например, если требуется протащить тяжелый груз в санях по зимней дороге, посыпанной песком… То есть это явление может быть нам как врагом, так и другом. Чем является трение с точки зрения физики? В целом трением называют процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) или при движении тела в жидкой либо газообразной среде.

Существует несколько его видов.

Это, например, трение покоя – эту силу мы преодолеваем, когда нужно привести тела в движение относительно друг друга.

Это трение скольжения – оно проявляется при движении тела, при этом оно меньше, чем трение покоя.

И наконец, трение качения, когда тело катится по опоре, – самое слабое из всех.

Для улучшения (или, наоборот, уменьшения) трения используются различные смазки. Классический пример – машинное масло.

Впервые о закономерностях относительно трения заговорил Леонардо да Винчи. Выведенный им закон звучит так: «сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна силе прижатия, направлена против направления движения и не зависит от площади контакта соприкасающихся поверхностей».

В расчетах силы трения используется μ – коэффициент трения, его значение зависит от материалов, из которых изготовлены объекты

№ 29
Стоп, огонь. Гасим пламя «по науке»

Давайте рассмотрим некоторые известные способы потушить огонь: как они стыкуются с научными данными. Почему если на человеке загорелась одежда, рекомендуют набросить на него покрывало? По той же причине, по которой советуют плотно накрыть крышкой загоревшиеся на сковородке продукты. Это мешает кислороду, необходимому для процесса горения, «добраться» до очага возгорания.

Кстати, физики утверждают, что с огнем можно справиться быстрее, если тушить его не холодной, а горячей водой. Дело в том, что кипяток быстрее превратится в пар и, соответственно, также создаст преграду для поступления свежего воздуха к огню! Но, к сожалению, технически это очень сложно осуществить. И не тушите водой горящие электроприборы – помните, что вода отлично проводит электричество.

Гасить огонь быстрее кипятком

№ 30
Нырнуть не получится! Мертвое море

Есть на Земле море (вернее, соленое озеро), в водах которого крайне проблематично купаться так, как мы это делали бы в любом другом водоеме. Это Мертвое море, расположенное на территории Иордании и Израиля. Оно славится своей невероятной соленостью: содержание минеральных веществ в его водах в среднем в семь раз превышает аналогичные показатели в других морях. В одном литре воды Мертвого моря содержится около 270 граммов соли! Одна из причин этого – сильное испарение.

Тот факт, что в Мертвое море практически невозможно нырнуть (а загорать можно, лежа на поверхности), обусловлен высокой плотностью его воды. Плотность рассчитывается по формуле,

ρ = m/V

где m – масса тела, а V – его объем. В Мертвом море этот показатель – 1,3–1,4 г/см³.

Человек может лежать на поверхности Мертвого моря

№ 31
По воде аки посуху. Поверхностное натяжение

Каждое лето на поверхности прудов, озер и болот можно увидеть забавных маленьких существ – клопов-водомерок. Они резво бегают по воде, перепрыгивая препятствия и закладывая головокружительные пируэты. Но что же позволяет водомерке оставаться на поверхности и не тонуть?

Во-первых, тело и лапки водомерки покрыты почти незаметными волосками, которые при помощи особых желез покрываются смазкой, препятствующей смачиванию. Они же увеличивают площадь каждой лапки – и соответственно, опору.

Но помимо этого в процесс включается интересная физическая величина – сила поверхностного натяжения. В любой жидкости молекулы взаимно притягиваются друг к другу. Те из них, которым «повезло» оказаться на поверхности, из-за отсутствия соседей большую часть силы направляют вовнутрь – точнее, вниз. Таким образом, на поверхность жидкости начинает действовать так называемая сила поверхностного натяжения, образующая нечто вроде невидимой упругой тонкой пленки. Так что водомерке помогают держаться на поверхности строгие законы физики! По воде умеют бегать и более крупные существа, например ящерицы-василиски. Но в этом случае играют роль также большая площадь лап и то, что ящерица перебирает ими с невероятной скоростью, поэтому «пленка» на поверхности воды просто не успевает нарушиться.

Особые железы вырабатывают водоотталкивающую смазку

Во многих учебниках физики описаны любопытные опыты, когда, например, монетка или булавка, аккуратно положенная на поверхность воды, не тонет: поверхностное натяжение не позволяет ей сделать это.

Именно из-за силы поверхностного натяжения капли жидкости приобретают круглую форму

Мыльный пузырь круглый, так как все его части имеют равное притяжение, будто тысячи маленьких паучков держатся ножками друг за друга.

№ 32
Упругость в природе и в науке. Закон Гука

Что произойдет с веткой дерева, на которую сели несколько птиц? Она прогнется. Вот прилетела еще одна птица, другая, третья… Ветка под их тяжестью прогибается все больше и больше. Но вот вся стайка вспорхнула и улетела. И ветка немедленно возвращается в первоначальное положение. На нее действует сила упругости. В физике упругостью принято называть свойство материала принимать первоначальную форму при деформации. Сила упругости сохраняет целостность предмета, к которому в данный момент прилагается некое воздействие. У этой силы есть предел? Конечно. Давайте представим, что на ветку вместе с воробьями сел упитанный гриф. Скорее всего, ветка просто сломается – то есть сила упругости «не справилась», приложенное усилие оказалось слишком большим. Поэтому в науке существует понятие «предел упругости»: это максимально возможное напряжение, после которого тот или иной материал окажется необратимо деформированным.

А модулем упругости принято называть то количество силы, которое нужно приложить, чтобы деформировать тот или иной материал. Например, у каучука низкий модуль, но высокий предел упругости. В 1660 году британский исследователь Роберт Гук (1635–1703) открыл закономерность, впоследствии названную его именем. Она гласит: деформация тела пропорциональна приложенной к этому телу силе. Данному закону соответствует множество формул, так как приходится рассматривать много различных вариантов и категорий исследуемых тел. Например, «закон Гука для тонкого стержня» будет выглядеть так:

F = kΔl,

где F – приложенная к стержню сила, Δl – изменение длины (удлинение, сжатие) стержня, а k – коэффициент упругости.

Коэффициент упругости зависит от свойств конкретного материала, поэтому в каждом случае рассматривается особо