| Эврика, или открытия рождаются в ванной |
Как гласит предание, древнегреческий ученый Архимед открыл свой известный закон... в ванне. Нежась в воде, он раздумывал над решением задачи, которую задал ему правитель Сиракуз Гиерон II. Дело в том, •что Гиерон II заказал известному золотых дел мастеру корону и дал на ее изготовление определенное количество золота. Корона получилась отменная, однако, правителю донесли, что ювелир сделал ее из серебра и только сверху покрыл золотом. Как проверить справедливость обвинения, не сломав короны? В этом и заключалась трудность задачи. Архимеду удалось найти ответ с помощью закона, открытого во время купания, и, говорят, что на радостях он выскочил из ванны чуть ли не нагишом и помчался через весь город к королевскому дворцу с восторженным криком: „Эврика! Эврика''! („Нашел! Нашел!").
Итак, экскурсия в ванную. Открой кран и пусти холодную воду тонкой струей. И тут сразу же возникнет несколько вопросов.
Вопрос 1. Почему по мере удаления от отверстия крана струя становится все тоньше?
Вопрос II. Почему на некотором расстоянии от отверстия струя разбивается на отдельные капли?
В связи с этим мне вспомнился один опыт, неизменно производящий на меня впечатление черной магии. И ты тоже можешь повторить его: сухой пластмассовой расческой энергично проведи по сухим волосам, а затем поднеси расческу к струе. Струя притянется к расческе!
Вопрос III. Почему расческа притягивает струю воды, текущей из крана? Могут ли притягивать ее другие предметы? Возьми столовую ложку. Поднеси её к струе. Течение не изменится, но если ложка соприкоснется со струей так, как показано на рисунке, то струя сразу же изогнется.
Вопрос IV. Почему, огибая ложку, вода изменяет направление своего движения?
По-моему, я задал тебе достаточно вопросов, над которыми стоит задуматься. А теперь приготовь ванну. Открой краны с холодной и горячей водой, отрегулируй температуру и налей немного пенообразующего средства или шампуня. Ванна наполнилась, пена стоит шапкой, все готово. Бултых в воду! Брр, а вода-то в ванне холодная! Чудеса, да и только: из крана течет совсем не такая горячая вода, как сначала, хотя ты ее так тщательно отрегулировал.
Вопрос V, Почему понизилась температура воды, текущей из кранов? Ты, наверное, заметил, что вода
показалась тебе холодной только после погружения. Пена была вполне теплая.
Вопрос VI. Почему пена в ванне с холодной водой кажется более теплой? (Кстати, в горячей ванне пена кажется холоднее воды. Почему?)
... Нужно спасать положение. Не замерзать же в холодной ванне. Поверни на полную мощность кран с горячей водой. Чувствуешь, как разливается приятное тепло? Конечно, чувствуешь, но не всем телом. Вода становится ощутимо теплее сверху, ближе к поверхности, а не всюду одновременно. Нужно ее перемешать.
Вопрос VII. Почему при добавлении горячей воды температура в ванне повышается прежде всего у поверхности?
Можно добавить горячую воду по-другому, так, чтобы она равномерно смешивалась с холодной. Для этого воспользуйся душем, только его надо поставить под правильным углом. Коль уж речь пошла о душе, сделай простой опыт. Погрузи душ в воду, направляя его слегка кверху. Струи воды, бьющие из душа, останутся под водой, но если душ поднять еще больше кверху, струи начнут бить гораздо выше, заливая стены и потолок ванной комнаты (поэтому при проведении опыта нужно быть осторожным).
Вопрос VIII. Почему в воде струи из душа движутся гораздо медленнее, чем в воздухе?
ОТВЕТЫ
Вопрос I. Сам факт существования струи объясняется взаимным притяжением молекул воды (так называемой силой сцепления). Если бы не действие этой силы, вода существовала бы исключительно в виде пара, не была бы в состоянии образовать жидкость. Силы сцепления удерживают молекулы воды вместе, при этом образуются капли, а в определенных условиях — струи. Вода из открытого крана падает вниз под действием силы притяжения Земли. Во время падения она приобретает ускорение, т.е. течет все быстрее. Один и тот же объем воды по мере удаления от крана проходит за единицу времени все больший путь, т.е. вытягивается в длину, а поскольку притяжение молекул не исчезает, и „держит" воду, то чем дальше от крана, тем тоньше становится струя.
Задача для любителей поломать голову: попытайтесь представить это явление более точно, т.е. Найдите уравнение, описывающее форму суживающейся струи. Это не так просто, но советую попробовать.
Вопрос II. Чем дальше от отверстия крана, тем с большей скоростью движется данный объем воды. Струя истончается (см. ответ на первый вопрос). Может ли истончение продолжаться без конца? Силы сцепления, действующие между молекулами воды, имеют весьма ограниченный диапазон (дальность) действия. Иначе говоря, их влияние на большом расстоянии настолько мало, что им можно пренебречь. При сильном сужении струя в конце концов прерывается и тогда — именно из-за уменьшения силы сцепления — вместо нее появляются отдельные капли. Если ты в общих чертах понял это объяснение, то попробуй объяснить наблюдаемый эффект, пользуясь понятием „поверхностное натяжение".
Вопрос III. Сухая расческа, потертая о сухие волосы, электризуется и становится источником электрического поля. Под действием этого поля происходит незначительное смещение электрических зарядов в струе воды (так называемая диэлектрическая поляризация. Вблизи расчески собираются заряды с противоположным знаком, а в некотором удалении — с таким же, что и у нее. Сила взаимодействия между зарядами уменьшается пропорционально отделяющему их расстоянию, и расческа сильнее притягивает заряды, расположенные в непосредственной близости (с противоположным знаком), чем отталкивает одноименные заряды, на-ходящиется вдали от нее. Равнодействующая сила направлена к расческе, и потому струя изгибается в ее сторону. Кстати, на этом же принципе основано притяжение обрезков бумаги, соломы и т.п. любым наэлектризованным телом.
Вопрос IV. И данный эффект — результат взаимного притяжения молекул. На этот раз молекулы воды притягиваются атомами металла, а так как силы сцепления не позволяют воде распасться на капли, вся струя обтекает поверхность ложки, двигаясь криволинейно.
Вопрос V. Когда из остывшего крана начинает течь горячая вода, его части под воздействием нагревания расширяются (тепловое расширение). В результате отверстие, через которое поступает вода, уменьшается, и вода замедляет течение. Чтобы избежать этого, нужно переждать некоторое время после открытия крана, дать ему нагреться и лишь затем отрегулировать температуру воды.
Вопрос VI. Показания термометра не совпали бы с твоими ощущениями. Пена, состоящая главным образом из воздуха, обладает более низкой теплоемкостью, чем вода. Поэтому даже очень холодная пена способна отобрать у человеческого тела значительно меньше тепла, чем слегка охлажденная, вернее, прохладная жидкость (в особенности вода) которой свойственна сравнительно высокая удельная теплота. Таким образом, ощущение холода или тепла при соприкосновении нашего тела с телами, имеющими иную температуру, зависит от двух факторов: разницы температур и количества тепла, которым могут обменяться тела, приходящие в соприкосновение. Надо сказать, что с последним фактором связываются, в свою очередь, два механизма: первый — это упоминавшиеся выше различия в удельной теплоте, а второй — теплопроводность, т.е. скорость, с которой тело переносит внутрь тепловую энергию, полученную снаружи (или наоборот). И тут снова возникает вопрос: почему окружающие нас металлические предметы наощупь гораздо холоднее деревянных?
Интересно, не правда ли? Над всем этим стоит задуматься и провести соответствующие опыты.
Вопрос VII. На этот раз причина происходящего — тепловое расширение воды. Нагретая вода расширяется, становится менее плотной. Поэтому горячая вода легче холодной и поднимается кверху, а холодная, как более тяжелая, опускается вниз.
Вопрос VIII. И снова мы имеем дело с силами молекулярного взаимодействия. Ими объясняется внутреннее трение во всех жидкостях и газах — так называемая вязкость. Есть такая игра (к сожалению, я забыл, как она называется): водящий находится в кругу, он должен пробиться через заслон ребят, взявшихся за руки. Еедш бы ребята не держались за руки, задача была бы легче легкого: водящий мог бы пробежать между ними. Но крепко сплетенные руки преграждают путь, и о них разбиваются все усилия водящего. Очень похожая картина наблюдается в жидкостях и газах. В газах сцепление молекул слабое из-за того, что они находятся на большом расстоянии друг от друга. Поэтому струя воды легко преодолевает газовый заслон. А в воде расстояние между молекулами очень мало, сила сцепления велика, и струя, испытывая большее сопротивление, замедляет свое течение. Ты, наверное, обратил внимание летом на пляже, насколько труднее бежать по водг чем на открытом воздухе. И если тогда ты не задал себе вопрос: почему? — сделай это сейчас.
Вот какие вопросы задала тебе ванная комната. Почувствовал ли ты, что становишься умнее, отвечая на них?
|
|
