Идет последний месяц весны. Солнце греет все сильнее, и синоптики обещают жаркое, солнечное лето. А пока благодатное время каникул и отпусков не наступило, проделаем несколько физических экспериментов, которые позволят со знанием дела подойти к летнему отдыху.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Зеркальная поверхность, хорошо отражающая свет, нагревается гораздо слабее, чем зачерненная.

Банка с горячей водой отдает тепло преимущественно через зачерненную стенку.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Свежее куриное яйцо тонет в пресной воде (а), всплывает в соленой (б) и повисает на границе между тяжелой соленой водой и легкой пресной (в).

Зависимость величины сухого (а) и жидкого (б) трения от скорости. При контакте двух сухих тел возникает сила трения покоя, препятствующая движению. Если внешняя сила больше ее по величине, тело начинает двигаться, причем сила трения практически не зависит

ЧЕРНОЕ ТЕЛО, ЗЕРКАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Несложный опыт позволит оценить, насколько сильнее нагревается черная поверхность относительно зеркальной. Для этого понадобятся банка из-под любого напитка и уличный (а лучше - лабораторный) термометр (а еще лучше - два одинаковых).

Разрежьте банку и распрямите получившийся тонкий металлический листок. Сверните из него две трубки длиной 3-5 сантиметров и такого диаметра, чтобы в них свободно входил термометр. Обе трубки нужно свернуть зеркальной стороной листка наружу и закрыть пробкой с одного конца. Поверхность одной из них после изготовления закоптите в пламени свечи.

Положите трубки с вставленными в них термометрами на солнце и посмотрите, до какой температуры они нагрелись. По разнице температур можно судить, насколько больше тепла получило черное тело относительно зеркального. Количество полученного в обоих случаях тепла можно также измерить, причем довольно точно. Для этого понадобятся две консервные банки из белой жести (например, от консервированного молока). Одну отполируйте до зеркального блеска, другую закоптите. Налейте в них одинаковое количество воды, закройте пенопластовыми крышками, пропустив сквозь них термометры, и выставьте калориметр на солнце.

Количество полученного телом тепла Q связывает с величиной его нагрева на ∆t градусов простая зависимость: Q = cm∆t, где c - удельная теплоемкость вещества тела, m - его масса. Теплоемкость воды хорошо известна, а ее массу можно найти взвешиванием или при помощи мензурки.

Убедиться, что черная поверхность не только сильнее нагревается, но и активнее отдает тепло, поможет давно известный несложный опыт. Возьмите большую консервную банку, закоптите только одну ее сторону и налейте в нее горячей воды. Поднесите к ней руки, не касаясь стенок, и вы явственно почувствуете, что от черной поверхности исходит гораздо больше тепла. Из этого можно сделать вывод: батареи центрального отопления и прочие нагревающие поверхности следует красить в темные цвета.

Погрузившись в воду, человек испытывает ни с чем несравнимое чувство легкости, доступное разве что космонавтам в условиях невесомости (кстати, во время тренировок на земле невесомость имитируют, погружая макеты блоков орбитальных станций и самих космонавтов в огромный бассейн). Чувство это появляется благодаря действию закона Архимеда - появлению выталкивающей силы со стороны жидкости на погруженное в нее тело. Ее величина равна весу жидкости в объеме погруженной части тела, а сама сила направлена вертикально вверх и приложена к центру тяжести объема. Возникает она из-за того, что нижняя и верхняя поверхности тела, расстояние между которыми ∆h, находятся на разной глубине и, следовательно, испытывают разное давление. Разность давлений ∆p = ρg∆h, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести (их произведение - удельный вес жидкости), умноженная на площадь горизонтальных поверхностей тела S, дает величину выталкивающей силы F = ∆pS = ρg∆hS. Это - математическое выражение сформулированного выше закона Архимеда, поскольку объем погруженной части тела V = ∆hS, умноженный на удельный вес жидкости, и есть ее полный вес в указанном объеме.

Приведенное определение закона Архимеда не приравнивает выталкивающую силу к весу вытесненной телом жидкости, и неслучайно - такое определение не вполне корректно. Давление столба жидкости определяется только его высотой и не зависит от веса жидкости в нем. В этом состоит так называемый гидростатический парадокс. И если, скажем, опустить тело правильной формы объемом порядка литра в сосуд, размеры которого лишь немного больше, оно станет там плавать, вытеснив всего лишь несколько десятков миллилитров воды, а то и меньше (см. "Наука и жизнь" № 6, 1983 г.).

За счет гидростатического парадокса архимедова сила будет действовать, пока между нижней поверхностью тела и дном остается хотя бы тонкий слой жидкости. Если же он исчезнет, сила гидростатического давления прижмет тело ко дну и не даст ему всплыть. В такой драматической ситуации изредка оказывались подводные лодки, ложась на вязкий глинистый грунт. Наглядно продемонстрировать ее можно на парафиновой модели лодки с плоской нижней поверхностью, "прилипающей" ко дну аквариума.

Величина выталкивающей силы возрастает с увеличением плотности жидкости. В соленой морской воде на плаву держаться немного легче, чем в пресной: ее плотность на несколько процентов больше. И смертельно опасно купаться возле водопадов, водосбросов больших плотин и в водоемах с выходом подземных газов. Вода там насыщена пузырьками воздуха, ее плотность сильно уменьшается, и удержаться на поверхности нет никакой возможности.

Как влияет плотность воды на плавание, можно показать с помощью куриного яйца. Свежее яйцо тонет в пресной воде и плавает в соленой. В сосуд с пресной водой осторожно, по стенке, тонкой струйкой налейте крепкий раствор поваренной соли. Более тяжелый, он опустится на дно. Опущенное в сосуд яйцо станет плавать на границе раздела жидкостей. Через какое-то время граница начнет размываться вследствие диффузии, и яйцо станет либо подниматься, либо опускаться, в зависимости от установившейся концентрации соли.

Посмотрим, как влияет движение воздуха на ощущение тепла и холода. Опустите руку в тазик с холодной водой и подержите ее там, пока рука не замерзнет. Если теперь на мокрую кожу слегка подышать, рука согреется, а если дунуть посильнее - охладится еще больше.

Причина столь разного ощущения от, казалось бы, одинакового воздействия проста. В холодной воде кожа может остыть градусов до 15-ти. А выдыхаемый воздух имеет температуру тела - почти 37 градусов и поэтому воспринимается как очень теплый. В сильной же воздушной струе идут сразу два процесса. Во-первых, давление в потоке воздуха падает (см. "Наука и жизнь" №12, 2002 г.) и в него засасывается прохладный воздух комнаты. И во-вторых, интенсивный обдув мокрой кожи усиливает испарение воды с ее поверхности. На превращение одного грамма воды в пар требуется энергия, и немалая - 539 калорий, или 2260 джоулей. Эту теплоту испарения отдает, охлаждаясь, тело. Отсюда следует полезный вывод: выйдя из воды, не стойте на ветру, чтобы не простудиться из-за сильного переохлаждения.

Двигаться в воде нелегко - она сопротивляется, причем характер ее сопротивления сильно отличается от законов сухого трения. Пока скорость невелика, сила сопротивления пропорциональна ее первой степени, и при уменьшении скорости до нуля сопротивление жидкости исчезает. Поэтому даже малая сила, воздействующая на плавающую в воде большую массу, способна не только сдвинуть ее с места, но и разогнать до вполне приличной скорости. Однако при этом сила сопротивления очень быстро начинает расти - как вторая степень скорости. Столь сложная зависимость объясняется тем, что при малых скоростях определяющую роль играет вязкость жидкости, а при больших - ее инерция. Жидкость перестает обтекать тело гладкими струями и не успевает смыкаться за ним, в потоке образуются вихри (см. "Наука и жизнь" № 12, 2002 г.). Кроме того, сила сопротивления жидкости сильно зависит от формы тела и площади его поперечного сечения: ладонь в воде гораздо легче вести, повернув ее ребром.

№5, 2003