Книга 99 секретов физики - Валерия Черепенчук

№ 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

№ 33

Языки и пасти: физика в живой природе

У вас есть собака? В таком случае вы наверняка видели, как в жару ваш пес открывает пасть и высовывает язык. А если вам доводилось наблюдать за крокодилами, то, возможно, вы обращали внимание, как часто они лежат с открытой пастью. При этом они вовсе не ждут, что туда случайно забредет добыча! Что же все это значит?

Когда нам жарко, мы потеем. Это естественный способ терморегуляции: испаряющаяся жидкость охлаждает тело. У собак нет таких потовых желез, как у нас. А если бы и были, то шерстный покров сделал бы их бессмысленными – ведь испарение было бы затруднено. Поэтому собака высовывает язык (кстати, он у нее довольно большой по сравнению с телом!), и испаряющаяся с него слюна способствует охлаждению. Аналогично поступает и крокодил, и некоторые другие животные.

Слюна способствует охлаждению

№ 34

То, чего нет. Вакуум

Слово «вакуум» происходит от латинского «vacuus» – «пустота». Казалось бы, чего проще: вакуум – это место, где ничего нет! Но насколько достижимо такое состояние? Ведь слово «ничего» означает полную пустоту: нет ничего, даже молекул и атомов! Но даже в абсолютно пустой комнате будут присутствовать, например, молекулы кислорода или частицы других газов. Техническим вакуумом обычно называют сильно разреженный газ – с давлением более низким, чем в атмосфере. Как видите, ученые осторожны в определениях. В больших объемах добиться абсолютного вакуума невозможно. В малых, в условиях лаборатории – вполне реально.

Иногда в качестве примера приводят космическое пространство с его крайне низкой плотностью; но даже там встречаются отдельные «блудные атомы», в частности водорода.

№ 35

Вечный двигатель: хотелось бы, но…

Не правда ли, заманчиво: создать двигатель, который будет работать вечно сам по себе? Ведь такое изобретение решило бы огромное количество проблем! Но, увы, до сих пор все попытки заявить, что создан вечный двигатель, на поверку оказывались мистификацией. Почему же это невозможно?

Давайте вспомним закон сохранения энергии, законы термодинамики. Энергия не появляется ниоткуда и не уходит в никуда! А значит, двигатель нужно постоянно чем-то «подпитывать» – в зависимости от того, что он предпочитает. Дрова, нефть, бензин… Или, на худой конец, просто человек, который будет приводить загадочную машину в движение. Большинство горе-изобретателей, объявлявших, что наконец-то они создали «Perpetuum Mobile», погорели как раз на том, что использовали помощника, который должен был дергать за веревочку, подавать уголь и так далее. А живой человек тоже не может работать вечно и непрерывно!

У некоторых рыб есть ткани, генерирующие разряд