120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Почему тормозит автомобиль?

При необходимости остановить автомобиль водитель жмёт на педаль тормоза, и машина замедляет своё движение. А вы задавались когда-нибудь вопросом: почему вообще работают тормоза? Если разобраться в этом, то ответ может показаться несколько неожиданным.

Движущаяся машина имеет некоторую кинетическую энергию, и чем выше скорость, тем выше энергия. Для остановки следует уменьшить количество кинетической энергии – как это сделать? Самое простое – поставить перед движущимся телом препятствие, при ударе о которое вся кинетическая энергия перейдёт… А во что она перейдёт? По большей части – в тепло. Тело и препятствие в результате столкновения нагреются, а некоторая часть энергии перейдёт в деформации. Можно использовать и более щадящий способ: перед движущимся телом поместить поверхность с высоким коэффициентом трения или просто песок. В этом случае вся энергия за счёт сил трения тоже перейдёт в тепло и деформации.

Для транспорта эти способы не годятся, хотя последний из них представляет определённый интерес, но в изменённом виде – нужно поверхность с высоким коэффициентом трения возить с собой. Например, на колёса поставить подвижные и неподвижные детали, которые в нужный момент приводились бы в соприкосновение и испытывали трение. Именно так и устроены фрикционные тормоза – есть диски или барабаны, вращающиеся вместе с колёсами, и неподвижные тормозные колодки, которые в момент остановки плотно прижимаются к дискам.

Таким образом, автомобили, поезда и другие колёсные транспортные средства тормозят потому, что их кинетическая энергия с помощью силы трения переводится в тепло, которое просто-напросто рассеивается. Заметим, что автомобили обладают большой кинетической энергией, поэтому детали тормозов испытывают большой нагрев – нередко они раскаляются докрасна!

НЕОЧЕВИДНОЕ В ОЧЕВИДНОМ

Существуют вопросы, ответы на которые кажутся нам очевидными и само собой разумеющимися. Но стоит копнуть поглубже, как всё встаёт с ног на голову, и в очевидном обнаруживается неочевидное.

Сколько весит килограмм?

Что за странный вопрос? Ведь килограмм – он и есть килограмм! Но не спешите с выводами, ведь здесь мы путаем два хотя и связанных, но разных понятия – вес и массу.

Если говорить просто, то масса – это величина, определяющая количество материи в теле или меру его инертности. Масса является фундаментальной величиной, она присуща всем телам во Вселенной и почти всем частицам – массы лишены только фотоны, которые из-за этого всегда движутся со скоростью света.

Другое дело – вес. Это сила, с которой тело действует на опору или подвес. И самое интересное, что вес одного тела, оказавшегося в разных условиях, может изменяться от нуля до невообразимых величин (но не до бесконечности!). Мы всегда имеем дело с весом, возникающим в поле силы тяжести нашей родной планеты. Но и в обыденной жизни мы постоянно сталкиваемся с изменениями веса, хотя и с краткосрочными: при ускорении и торможении автомобиля, при начале движения лифта вверх и вниз, на каруселях и даже просто в прыжке.

Избавиться от массы невозможно, а лишиться веса – легко. Даже если вы просто подпрыгните, то на краткий миг не будете весить ровным счётом ничего! Ведь в этот момент вы не действуете на опору, а значит – нет силы, нет и веса. Ещё дольше этот эффект можно наблюдать при прыжке с парашютом. Но полная невесомость достигается в космических кораблях. И вы не раз видели кадры парящих космонавтов и необычное поведение предметов внутри космического корабля.

Однако в невесомости теряется только вес, но не масса. И именно в этих условиях масса полностью проявляет себя как мера инертности тел. Например, космонавту приходится прилагать немало усилий, чтобы сдвинуть с места тяжёлый предмет. Но как только этот предмет будет сдвинут – он по инерции продолжит движение, что и облегчает работы по переноске грузов из транспортного космического корабля на космическую станцию и наоборот.

Это «работает» и в обратную сторону: вес тела даже в обычных условиях может очень сильно увеличиваться. Например, в момент удара по мячу его вес и вес ноги на короткое мгновение может увеличиваться по меньшей мере в 20 – 30 раз. А снаряд в момент выстрела из орудия становится тяжелее в 30 000 – 40 000 раз.

Наконец, масса и вес измеряются в разных единицах. Масса – в привычных килограммах (кг), а вес – в ньютонах (Н). В условиях Земли вес в 1 ньютон имеет тело массой примерно 102 грамма. На Луне это значение в 6 раз меньше, на астероидах – в сотни и тысячи раз меньше, на Юпитере – в 2,5 раза больше, на Солнце – в 27,85 раз больше, а на нейтронной звезде – в 100 – 200 миллиардов раз больше.

И может показаться, что самый большой вес тела должны иметь у чёрных дыр – объектов, притяжение которых настолько велико, что даже свет не может вырваться из них. Но нет! У чёрной дыры нет поверхности, и ничто не может вырваться из неё, поэтому и о весе тел, оказавшихся рядом с ней, говорить в принципе невозможно.

Так что не везде во Вселенной килограмм весит одинаково!

Вечный вопрос: что тяжелее – тонна дерева или тонна железа?

Часто можно услышать вопрос: что тяжелее – тонна железа или тонна дерева? Иногда вместо дерева вес железа сравнивают с пухом, но суть от этого не меняется. Нередко люди отвечают, что тонна железа тяжелее, кто-то склонен считать, что железо и дерево весят одинаково, а кто-то делает выбор в пользу дерева. Однако здесь не всё так однозначно, и ответ зависит от того, с какой стороны посмотреть на эту задачку.

Для начала рассмотрим, что представляет собой тонна дерева и тонна железа. Плотность железа составляет почти 7,9 г/см³, плотность древесины зависит от породы, для примера возьмём нашу русскую берёзку с плотностью около 0,65 г/см³. Поэтому тонна дерева занимает примерно в 12 раз больший объем, чем тонна железа. Это имеет важные последствия.

Во-первых, куб железа весом в тонну оказывает большее давление на опору, чем куб дерева такой же массы. Поэтому железный куб будет сильнее проминать грунт или может сломать опору, а всё это выглядит так, будто железо тяжелее дерева.

Во-вторых, наши кубы погружены в воздушный океан, поэтому на них, как и на любые другие тела, действует выталкивающая сила Архимеда. За счёт этого тела теряют часть своего веса, и чем больше объём тела, тем больше выталкивающая сила. Значит, большой куб из дерева будет больше терять в своём весе (а именно – чуть больше 1,7 кг против 0,17 кг у железа), поэтому тонна железа будет весить больше.

Однако куда более интересно третье следствие. Предположим, что мы можем взвесить тонну железа и тонну дерева на Земле, и переместиться с этим добром на Луну или на гипотетическую планету без атмосферы и с силой притяжения 1g. Что мы увидим, если теперь произведём взвешивание при отсутствии силы Архимеда? А то, что тонна дерева окажется тяжелее! Причина проста: при взвешивании тонны железа и тонны дерева на Земле, мы вынуждены компенсировать выталкивающую силу Архимеда, добавляя уже указанную выше массу – 1,7 кг для дерева и 170 г для железа. Естественно, при взвешивании в безвоздушном пространстве на тела не действует выталкивающая сила, и тонна железа будет весить 1001,7 кг, а тонна железа – 1000,17 кг. Выходит, истинная тонна дерева, взвешенного в воздухе, выше истинного веса железа, взвешенного в воздухе!

Вот и выходит, что у простой задачи есть несколько решений, и каждый ответ – правильный.

Почему лёд скользкий, а стекло – нет?

Встав на лёд в обычной обуви или на коньках, вы сразу покатитесь, но встав на гладкое стекло этого не случится. Почему же лёд скользкий, а стекло – нет?

Причина скольжения на льду очень проста: между поверхностью льда и скользящим по нему телом образуется тонкий слой воды, который выступает в роли смазки – она снижает коэффициент трения и делает лёд скользким. То же можно наблюдать и на мокром полу – поскользнуться на нём проще простого, даже если в сухом состоянии он не скользит!

Однако здесь же возникает вопрос – а откуда на льду появляется вода? Ведь лёд может существовать только на морозе, воде при такой температуре взяться неоткуда. Интересно, что этим вопросом учёные задаются почти два века, и явного ответа на него нет. Но есть кое-какие предположения.

Одна из причин появления воды на поверхности льда – давление. Оказывается, при повышении давления температура плавления льда снижается, а значит, при достаточном давлении со стороны коньков лёд начнёт плавиться даже на сильном морозе.

Но вот незадача: проведённые расчёты показывают, что давления от коньков не хватает для таяния льда! На выручку приходят некоторые особенности поверхности льда. Лёд не идеально гладкий – он покрыт большими и микроскопическими неровностями, поэтому фактическая площадь опоры конька в сотни раз меньше, чем геометрическая площадь пятна контакта. Значит, и давление в месте контакта каждой микронеровности льда с микронеровностью конька в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз выше расчётного. Этого более чем достаточно для плавления и образования водяной плёнки!

Теперь понятно, что на стекле или любой другой гладкой поверхности без смазки трение остаётся сухим, а на льду трение всегда «мокрое», и именно поэтому он скользкий.

Куда летит камень?

Возьмите кучу камней и ради удовольствия покидайте их. Желательно не в окно, а просто в чистом поле. Вскоре вы увидите, что камни летят примерно по одинаковому пути, а если вы произведёте вычисления, то установите: каждый камень, независимо от угла и силы первоначального броска, летит по одной траектории – параболе. И по параболической траектории движутся любые тела, брошенные в поле тяжести.

Но почему камень летит именно по параболе? Всё дело в так называемом принципе наименьшего действия (он также известен, как принцип Гамильтона или принцип стационарного действия).

Прежде, чем разобраться в существе этого принципа, нужно выяснить, что такое действие. В физике под действием понимают физическую величину, которая выступает мерой движения тела или физической системы. Если рассматривать окружающий нас макроскопический мир, за действие можно принять разность кинетической и потенциальной энергии тела за всё время его движения.

Поэтому под принципом наименьшего действия мы понимаем следующее: любое тело движется по такому пути, на котором разность кинетической и потенциальной энергии будет минимальной. И так уж вышло, что эта разность минимальна только при движении тела по параболической траектории.

Однако самое интересное здесь не сам принцип наименьшего действия, а тот факт, что тела «знают» о нем. В сущности, ничто не ограничивает свободу полёта брошенного камня, он может лететь сколь угодно сложными зигзагами, непредсказуемо меняя свою скорость и направление движения. Однако в реальности мы наблюдаем, что камень всегда «выбирает» параболическую траекторию с наименьшим действием. Этот вопрос имеет философский характер и на него нет однозначного ответа.

Принцип наименьшего действия универсален как для макромира, так и для микромира, в котором правит квантовая механика. Причём в квантовой механике (а точнее, в её копенгагенской интерпретации) считается, что любая движущаяся микрочастица «знает» о существовании всех возможных траекторий своего движения, и движется сразу по ним всем (а их может быть бесконечное количество!). Но при наблюдении с наибольшей вероятностью мы обнаружим эту частицу именно на той траектории, на которой соблюдается принцип наименьшего действия.

Как видите, простой полёт камня и микрочастицы – это на не так уж и просто. Несмотря на то, что нам известен принцип наименьшего действия, и мы можем производить сложные расчёты траекторий движения физических тел, мы не можем дать однозначного ответа, как эти тела «выбирают» именно эти траектории.

Существует ли центробежная сила?

Что за странный вопрос, скажете вы, конечно же центробежная сила существует! Иначе как можно объяснить поведение тел при вращении? Что прижимает вас к дверце автомобиля при резком повороте? А какая сила прижимает к стенкам жидкости в центробежных насосах? Все эти и многие другие примеры не оставляют нам никаких шансов усомниться в существовании центробежной силы.

Однако, несмотря на все свои проявления, центробежная сила считается фиктивной, или псевдосилой. А причина заключается в том, что действия этой силы видят не все наблюдатели. Понять это можно на простом примере.

Вы, двигаясь в машине, делаете резкий вираж – вас прижимает к дверце или с силой толкает в другую сторону. Вы, как наблюдатель, явно чувствуете центробежную силу и даже по известным формулам можете рассчитать её. Но пусть будет сторонний наблюдатель, неподвижно сидящий где-то рядом. Он видит несколько иную картину: при повороте автомобиля ваше тело по инерции продолжает двигаться прямо, что и приводит его к столкновению с дверцей.

Выходит, что для стороннего наблюдателя (который находится вне вашей системы отсчёта) никакой центробежной силы не существует!

Здесь есть один очень интересный момент. Несмотря на различные взгляды, оба наблюдателя (и внешний, и тот, что находится внутри движущейся системы) всё равно приходят к одним результатам вычислений величины действующей силы. Это называется принципом инвариантности физических законов, и он составляет одну из основ теории относительности.

Так что центробежная сила – это одна из фиктивных сил, которая упрощает расчёты, но в действительности не является силой в полном смысле этого слова.

Легко ли расплавить лёд?

Казалось бы, что за странный вопрос – лёд легко расплавить, просто взяв его в руки. Однако спешим удивить вас, сказав, что лёд расплавить сложнее, чем большинство металлов! Сейчас мы разберёмся, в чём тут дело, и вы больше не будете удивляться.

Для измерения способности веществ плавиться используется специальная физическая величина – удельная теплота плавления. Она говорит о том, сколько тепла следует передать единице массы вещества для полного его плавления (то есть, для разрушения его кристаллической решётки). Так вот, удельная теплота плавления льда составляет 335 кДж/кг, железа – 277 кДж/кг, чугуна – 100 кДж/кг, а свинца – и вовсе 25 кДж/кг. Выходит, что лёд расплавить сложнее, чем железо, а тем количеством теплоты, которое потребуется для плавления 1 кг льда можно расплавить больше 13 кг свинца!

Но, скажете вы, как же так? Почему лёд плавится просто в руках, а металлы приходится сильно нагревать? Даже свинец с трудом плавится на обычной кухонной плите, а железо и вовсе приходится нагревать почти до 1400 градусов.

Это не ошибка и не парадокс, а лишь путаница в понятиях удельной теплоты плавления и температуры плавления. Удельная теплота плавления учитывает только то количество теплоты, которое следует передать веществу для полного расплавления при температуре плавления. И в эту величину не входит теплота, необходимая для нагрева вещества до температуры плавления!

Теперь понятно, почему кусок железа не плавится в ваших руках – сначала его нужно нагреть до 1400 градусов, а уже затем передать 277 кДж на каждый килограмм для полного плавления. А температура плавления льда лежит на уровне 0 градусов, поэтому он начинает плавиться даже в ваших руках.

Но это нисколько не умоляет того факта, что разрушить кристаллическую решётку льда сложнее, чем железа и многих других металлов.

Легко ли добыть огонь трением?

Все мы знаем о возможности добывания огня трением – этим способом пользовались наши доисторические предки, распространён он и среди первобытных народов современности. Наверняка, и вы когда-нибудь пробовали зажечь две палочки энергичным трением друг о друга. И у вас, конечно же, ничего не получилось. Но почему мы не можем сделать то, что делали наши предки, и сегодня с лёгкостью делают многие народы, оторванные от цивилизации?

В сущности, они и не делали того, что пытались сделать вы: огонь добывается не простым трением, а сверлением. И несложный расчёт показывает, что простое трение деревяшек друг о друга силой рук в принципе не может дать огня.

Пусть у нас будут две плоские палки, нижняя из них неподвижна, а верхнюю, расположенную поперёк, мы с частотой 2 хода в секунду двигаем руками. При этом один ход пусть будет большим – 25 см, и мы давим на верхнюю палку с силой 2 кг. Так как коэффициент трения дерева о дерево составляет около 0,4, то действующая сила (2 кг умножаем на коэффициент трения) достигает около 8 Н, а на пути 50 см совершается работа всего 4 Дж (для нахождения работы следует умножить действующие силу на путь действия силы – 8 х 0,5). При этом объём нагреваемого дерева при ширине рабочей части палочки около 1 см составляет около 2,5 см³ (здесь мы принимаем, что дерево прогревается на толщину не более 0,5 мм), а масса – около 1,25 г.

При вышеописанном способе за одну секунду можно нагреть дерево на 1 градус (считается это разделением работы на произведение массы нагреваемого материала и его теплоёмкости – для древесины это 2,4). Однако в действительности этот нагрев мы не будем ощущать – из-за большой площади трущихся частей дерево будет тут же остывать. Чтобы наши палки при таких условиях загорелись, их нужно тереть с частотой и силой, раз в 20 – 30 большей, что превосходит возможности человека.

Всё меняется, если взять не две плоские палки, а заострённую круглую палочку, вставленную в лунку на доске. При вращении этой палочки с помощью простейшего устройства (это может быть лук или даже целая ручная дрель, но можно использовать и просто обмотанную вокруг палки верёвочку) секундное повышение температуры может составлять 20 – 25 градусов. И это тепло практически не покидает лунку, так что огонь можно получить за 10 – 12 секунд (температура возгорания наиболее подходящих пород дерева составляет около 250 °C). Такой результат достигается за счёт многократного уменьшения объёма нагреваемого дерева – при той же работе в 4 Дж и при диаметре палочки 1 см этот объем не превышает 0,16 см³, а масса дерева – 0,075 г.

Один из способов добывания огня сверлением – тетива лука обёрнута вокруг палочки, при движении лука вперёд-назад палочка вращается

Таким образом, добывание огня трением – это вполне достижимая задача, нужно лишь знать наиболее выгодные с точки зрения физики способы трения деревянных палочек.

Почему щёлкает кнут?

Щелчок кнута в руках пастуха или дрессировщика всегда вызывает восхищение у зрителей. Однако не каждый ковбой может сказать, как происходит этот хлёсткий щелчок. И несмотря на то, что кнут используется человеком не одно тысячелетие, механика его работы стала понятной лишь с развитием науки.

А причина возникновения щелчка проста. При замахе кнута его тонкая часть на самом конце, называемая фолом, разгоняется до огромной скорости, и в определённый момент даже может преодолеть звуковой барьер. А при достижении сверхзвуковой скорости возникает ударная волна – её мы и слышим, как характерный щелчок.

Кстати, кнут имеет не такое уж и простое устройство, как может показаться. Его основу составляет толстое плетёное кнутовище большой длины, которое завершается тонким и не слишком длинным фолом, а на самом конце фола крепится крекер – пучок конского волоса, лески или другого лёгкого волокна. При замахе кнута кнутовище движется вперёд, а более лёгкие фол и крекер тянутся за ним. При полном вытягивании кнутовища фол и крекер за счёт инерции продолжают своё движение, и как раз в этот момент они на коротком участке своего пути могут достигать сверхзвуковой скорости.

Так что щелчок кнута – это ни что иное, как преодоление отдельными его частями звукового барьера.

Что такое трение?

Окружающий нас мир – это, без преувеличения, мир трения. Посмотрите сами – даже сейчас вы можете сидеть на месте только благодаря трению, из-за трения книга не выскальзывает из рук, ваша одежда не спадает (а самом она не распадается на отдельные нити), и даже ваш дом удерживается на земле трением. А сама Земля превратилась бы в идеально круглый шар, так как все горы развалились бы, и пыль от них плавно «растеклась» бы под действием сил тяжести.

А что такое трение? Казалось бы, мы все знаем ответ – это взаимодействие тел, возникающее при их соприкосновении. Причём трение характерно и для твёрдых тел, и для жидкостей, и для газов. Всё это так, но в чём заключается физическая природа трения?

Оказывается, трение имеет электромагнитную природу! Да, именно так, трение возникает вследствие взаимодействия электронных оболочек атомов и молекул, составляющих все тела нашего мира. При соприкосновении тел между их атомами и молекулами возникают разнообразные электромагнитные воздействия – силы Ван-дер-Ваальса, дисперсионные силы (силы электростатического притяжения между электронами, имеющие квантовую природу) и другие. Притяжение атомов и молекул как бы «склеивает» взаимодействующие тела, мешая их относительному перемещению, чем и вызываются различные силы трения (силы трения скольжения, качения и покоя).

Большой вклад в возникновение сил трения делает и характер поверхности взаимодействующих тел. На поверхности всех тел имеются микронеровности, которые цепляются друг за друга (опять же за счёт электромагнитных сил) и затрудняют движение. Поэтому трение гладких тел меньше, чем шершавых.

Так что трение – это электромагнитная сила, которая присуща всем телам во Вселенной, и делает наш мир вполне пригодным для жизни.