СОНЦЕ, ПОВІТРЯ І ВОДА

Наука і життя // Ілюстрації

Дзеркальна поверхня, добре відбиває світло, нагрівається набагато слабкіше, ніж зачорнена.

Банку з гарячою водою віддає тепло переважно через зачерненого стінку.

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Свіже куряче яйце тоне в прісній воді (а), спливає в солоній (б) і повисає на кордоні між важкою солоною водою і легкої прісної (в).

Залежність величини сухого (а) і рідкого (б) тертя від швидкості. При контакті двох сухих тел виникає сила тертя спокою, що перешкоджає руху. Якщо зовнішня сила більше її за величиною, тіло починає рухатися, причому сила тертя практично не залежить

<

>

Йде останній місяць весни. Сонце гріє все сильніше, і синоптики обіцяють спекотне, сонячне літо. А поки благодатний час канікул і відпусток не настав, виконаємо кілька фізичних експериментів, які дозволять зі знанням справи підійти до літнього відпочинку.

ЧОРНЕ ТІЛО, дзеркальної Поверхность

Нескладний досвід дозволить оцінити, наскільки сильніше нагрівається чорна поверхня щодо дзеркальної. Для цього знадобляться банку з-під будь-якого напою і вуличний (а краще - лабораторний) термометр (а ще краще - два однакових).

Розріжте банку і вирівняйте вийшов тонкий металевий листок. Поверніть з нього дві трубки довжиною 3-5 сантиметрів і такого діаметру, щоб в них вільно входив термометр. Обидві трубки потрібно згорнути дзеркальної стороною листка назовні і закрити пробкою з одного кінця. Поверхня однієї з них після виготовлення закоптити в полум'я свічки.

Покладіть трубки з вставленими в них термометрами на сонці і подивіться, до якої температури вони нагрілися. За різницею температур можна судити, наскільки більше тепла отримало чорне тіло щодо дзеркального. Кількість отриманого в обох випадках тепла можна також виміряти, причому досить точно. Для цього знадобляться дві консервні банки з білої жерсті (наприклад, від консервованого молока). Одну відполіруйте до дзеркального блиску, іншу закоптити. Налийте в них однакова кількість води, закрийте пінопластовими кришками, пропустивши крізь них термометри, і виставте калориметр на сонці.

Кількість отриманого тілом тепла Q пов'язує з величиною його нагрівання на Δ t градусів проста залежність: Q = cm Δ t, де c - питома теплоємність речовини тіла, m - його маса. Теплоємність води добре відома, а її масу можна знайти зважуванням або за допомогою мензурки.

Переконатися, що чорна поверхня не тільки сильніше нагрівається, а й активніше віддає тепло, допоможе давно відомий нескладний досвід. Візьміть велику консервну банку, закоптити тільки одну її сторону і налийте в неї гарячої води. Піднесіть до неї руки, не торкаючись стінок, і ви виразно відчуєте, що від чорної поверхні виходить набагато більше тепла. З цього можна зробити висновок: батареї центрального опалення та інші нагрівальні поверхні слід фарбувати в темні кольори.

Занурившись у воду, людина відчуває ні з чим незрівняне відчуття легкості, доступне хіба що космонавтам в умовах невагомості (до речі, під час тренувань на землі невагомість імітують, занурюючи макети блоків орбітальних станцій і самих космонавтів в величезний басейн). Почуття це з'являється завдяки дії закону Архімеда - появи сили, що виштовхує з боку рідини на занурене в неї тіло. Її величина дорівнює вазі рідини в об'ємі зануреної частини тіла, а сама сила спрямована вертикально вгору і прикладена до центру тяжіння обсягу. Виникає вона через те, що нижня і верхня поверхні тіла, відстань між якими Δ h, знаходяться на різній глибині і, отже, відчувають різний тиск. Різниця тисків Δ p = ρ g Δ h, де ρ - щільність рідини, g - прискорення сили тяжіння (їх твір - питома вага рідини), помножена на площу горизонтальних поверхонь тіла S, дає величину сили, що виштовхує F = Δ pS = ρ g Δ hS. Це - математичний вираз сформульованого вище закону Архімеда, оскільки обсяг зануреної частини тіла V = Δ hS, помножений на питому вагу рідини, і є її повна вага в зазначеному обсязі.

Наведене визначення закону Архімеда НЕ прирівнює виштовхуючу силу до вазі витісненої тілом рідини, і не випадково - таке визначення не цілком коректно. Тиск стовпа рідини визначається тільки його висотою і не залежить від ваги рідини в ньому. У цьому полягає так званий гідростатичний парадокс. І якщо, скажімо, опустити тіло правильної форми об'ємом близько літра в посудину, розміри якого лише трохи більше, воно стане там плавати, витіснивши всього лише кілька десятків мілілітрів води, а то і менше (див. "Наука і життя" № 6, 1983 м).

За рахунок гідростатичного парадоксу архимедова сила буде діяти, поки між нижньою поверхнею тіла і дном залишається хоча б тонкий шар рідини. Якщо ж він зникне, сила гідростатичного тиску притисне тіло на дно і не дасть йому спливти. У такій драматичній ситуації зрідка виявлялися підводні човни, лягаючи на в'язкий глинистий грунт. Наочно продемонструвати її можна на парафінової моделі човна з плоскою нижньою поверхнею, "прилипає" до дна акваріума.

Величина сили, що виштовхує зростає зі збільшенням щільності рідини. У солоній морській воді на плаву триматися трохи легше, ніж в прісній: її щільність на кілька відсотків більше. І смертельно небезпечно купатися біля водоспадів, водоскидів великих гребель і в водоймах з виходом підземних газів. Вода там насичена бульбашками повітря, її щільність сильно зменшується, і утриматися на поверхні немає ніякої можливості.

Як впливає щільність води на плавання, можна показати за допомогою курячого яйця. Свіже яйце тоне в прісній воді і плаває в солоній. У посудину з прісною водою обережно, по стінці, тонкою цівкою налийте міцний розчин кухонної солі. Більш важкий, він опуститься на дно. Опущене в посудину яйце стане плавати на кордоні розділу рідин. Через якийсь час межа почне розмиватися внаслідок дифузії, і яйце стане або підніматися, або опускатися, в залежності від звичної для концентрації солі.

Легке ДИХАННЯ І ВІТЕР

Подивимося, як впливає рух повітря на відчуття тепла і холоду. Опустіть руку в тазик з холодною водою і потримайте її там, поки рука не замерзне. Якщо тепер на мокру шкіру злегка подихати, рука зігріється, а якщо дути сильніше - охолоне ще більше.

Причина такого різного відчуття від, здавалося б, однакового впливу проста. У холодній воді шкіра може охолонути градусів до 15-ти. А повітря, що видихається має температуру тіла - майже 37 градусів і тому сприймається як дуже теплий. У сильної ж повітряному струмені йдуть відразу два процеси. По-перше, тиск в потоці повітря падає (див. "Наука і життя" №12, 2002 г.) і в нього засмоктується прохолодне повітря кімнати. І по-друге, інтенсивний обдув мокрої шкіри посилює випаровування води з її поверхні. На перетворення одного грама води в пар потрібна енергія, і чимала - 539 калорій, або 2260 джоулів. Цю теплоту випаровування віддає, охолоджуючись, тіло. Звідси випливає корисний висновок: вийшовши з води, не стійте на вітрі, щоб не застудитися через сильне переохолодження.

Рухатися в воді нелегко - вона чинить опір, причому характер її опору сильно відрізняється від законів сухого тертя. Поки швидкість невелика, сила опору пропорційна її першого ступеня, і при зменшенні швидкості до нуля опір рідини зникає. Тому навіть мала сила, що впливає на плаваючу у воді велику масу, здатна не тільки зрушити її з місця, але і розігнати до цілком пристойній швидкості. Однак при цьому сила опору дуже швидко починає рости - як друга ступінь швидкості. Настільки складна залежність пояснюється тим, що при малих швидкостях визначальну роль грає в'язкість рідини, а при великих - її інерція. Рідина перестає обтікати тіло гладкими струменями і не встигає замикатися за ним, в потоці утворюються вихори (див. "Наука і життя" № 12, 2002 р.) Крім того, сила опору рідини сильно залежить від форми тіла і площі його поперечного перерізу: долоню у воді набагато легше вести, повернувши її ребром.