можно ли установить антенну на ветровом стекле?
76. Молния. Молния – настолько привычное для нас явление, что порой мы не замечаем ее красоты. Поэтому, прежде чем обращаться к странным или парадоксальным явлениям, связанным с молнией, попробуем выяснить несколько простых вопросов, касающихся ее общих свойств. Разряд молнии состоит, по меньшей мере, из двух разрядов: «лидера» и «обратного» разряда. Какой из них мы видим и почему не оба? Почему мы вообще видим молнию, что в этом процессе создает видимый свет? Как направлен видимый разряд: снизу вверх или сверху вниз? Почему он так сильно изломан? Каков ток разряда молнии? Какова яркость вспышки? Какова толщина видимого канала молнии: 100 м, 1 м или всего несколько миллиметров? Как долго длится вспышка молнии: несколько секунд, несколько миллисекунд или около микросекунды?
77. Электрическое поле Земли. Основной вопрос, конечно, состоит в том, почему вообще возникает молния. В результате чего создается электрическое поле между землей и облаками? На открытом воздухе разность потенциалов между кончиком вашего носа и ногами составляет 200 В. Почему же вы, несмотря на это, не получаете электрического удара? Может ли такое электрическое поле
питать электрический двигатель? (В некоторых случаях – может.)
78.Удар молнии в самолет. Удары молнии в самолет случаются довольно часто, однако лишь изредка они причиняют какие-либо серьезные повреждения – разве что несколько мелких отверстий в фюзеляже. Автомобили, автобусы и другие транспортные средства тоже не страдают от ударов молнии. Вскоре после старта в космический корабль «Аполлон12» ударили две молнии, не причинив никакого ущерба ни кораблю, ни его экипажу. Почему молния не причиняет вреда ни транспорту, ни пассажирам? Более того, пассажиры могут вовсе не заметить молнии.
79.Геофизическое «оружие». Китайская Народная Республика, возможно, обладает новым устрашающим видом «оружия» – геофизическим. Некоторые специалисты считают, что если все население Китая (свыше 1 млрд. человек) одновременно спрыгнет с двухметровых платформ, то в земле начнет распространяться ударная волна.
Прыгая снова всякий раз, как эта волна будет проходить через Китай, китайцы могут усилить ее до такой степени, что она может разрушить отдельные районы Соединенных Штатов, особенно в Калифорнии, нередко и сейчас страдающие от землетрясений. По какой траектории будет распространяться в земле такая волна? Как часто придется прыгать китайцам, чтобы усиливать эту волну, и насколько будет увеличиваться ее энергия при каждом таком прыжке? Сможет ли население другой страны каким-то образом защититься от воздействия геофизического «оружия», например с помощью аналогичных прыжков. Будет ли зависеть амплитуда такой волны от того, как именно станут прыгать китайцы? Кое-кто утверждает, что прыгать следует, не сгибая ног, так как прыжок на полусогнутых ногах вызовет гораздо меньшую волну. Что вы можете сказать по этому поводу?
80.Следы на песке. Если вам приходилось гулять по пляжу во время отлива, то, вероятно, вы заметили, что, как только нога ступает на мокрый твердый песок, он немедленно подсыхает и белеет вокруг вашего следа Обычно это объясняют тем, что под тяжестью тела вода выжимается из песка. Однако это не так, потому что песок не ведет себя подобно мочалке. Почему же белеет песок? Будет ли песок оставаться белым все время, пока вы стоите на месте?
81.Уровень радиации в самолете. Действительно ли солнечные вспышки и космическая радиация представляют реальную опасность для человека, находящегося в высоко летящем самолете? Почему, когда самолет взлетает и набирает высоту, общий уровень радиации сначала (примерно на первых 500 м подъема) уменьшается, а затем начинает возрастать? Если космическое излучение как-то меняется с высотой, то с чем это связано?
82.Светящийся шар при ядерном взрыве. Почему при взрыве атомной бомбы возникает огненный светящийся шар? Что именно излучает свет в данном случае? Как долго светится этот шар, и почему он, в конце концов, перестает светиться? Почему из красного или красно-коричневого вначале этот шар затем превращается в белый?
83.Трещины. Искусство гранения алмазов состоит в том, чтобы разделить кристалл именно так, как это требуется. Скульптор тоже должен умело скалывать материал, с которым он работает. Если вам приходилось резать стеклянные трубки, вы, наверное, делали это так: сначала на боко-
вой поверхности трубки делали небольшую насечку, а потом надламывали трубку; это предотвращало появление рваного края. Чем определяется направление трещин? Почему вообще они возникают и расползаются дальше? Можно разломить кусок стекла при гораздо меньшем усилии, чем это нужно для разрыва межатомных связей; но, тем не менее, эти связи разрываются. Как удается «оторвать» атом от атома, приложив относительно небольшую силу?
Ответы
1.Любое периодическое движение может вызывать звуковые волны. Периодический обрыв отдельных волокон при разрывании ткани порождает звуковые волны, и мы слышим, как рвется ткань.
2.Треск суставов обусловлен разрывом крохотных газовых пузырьков
вжидкости, смазывающей суставы пальцев, который происходит, когда палец растягивается, и давление в жидкости уменьшается. Требуется несколько минут, прежде чем жидкость снова поглотит газ и сустав опять щелкнет.
3.Поскольку резонансные частоты духовых инструментов пропорциональны скорости звука, они возрастают по мере того, как оркестрант своим дыханием согревает инструмент и тем самым увеличивает скорость звука. Струна же от трения нагревается и растягивается. Ее натяжение уменьшается и резонансная частота понижается.
4.Звук, от громкоговорителя воспринимается звукоснимателем электрогитары, усиливается и снова поступает в громкоговоритель. Частота возникающего при этом «звона» обратно пропорциональна интервалу времени между моментами возбуждения звукоснимателя струной и возникновения звука от громкоговорителя.
5.При увеличении скорости потока в местах сужений в трубах может возникать турбулентность, которая приводит к кавитации (образованию и разрыву пузырьков). Колебания пузырьков усиливаются трубами, а также стенами, полами, потолками, к которым трубы прикреплены. Иногда шум может быть вызван и периодическими ударами турбулентного потока о препятствия в трубе.
6.Окружающие звуки, в том числе и легкое дуновение ветра вблизи устья раковины, возбуждают в заключенном в ней объеме воздуха резонансные колебания. Возбуждение и затухание этих колебаний создает у
слушающего иллюзию звуков океанского прибоя.
7.Бокал имеет определенные резонансные частоты. Если певец на протяжении нескольких секунд будет петь на одной из этих частот, то колебания бокала могут усилиться до такой степени, что стекло треснет.
8.Если самолет летит со скоростью, большей скорости звука, то впереди него образуется ударная волна (скачок уплотнения воздуха) конической формы. Этот конус, расширяясь, достигает поверхности земли, где возникает скачок давления, воспринимаемый как звук хлопка или выстрела. Вторую ударную волну создает хвост самолета. Иногда эти два скачка давления неразличимы, иногда же они воспринимаются как два раздельных удара. Ударная волна может и не достигнуть поверхности земли, если она достаточно искривляется в теплом нижнем слое воздуха.
9.Если пренебречь тем, насколько может быть опасен для пассажиров удар автомобиля тем или другим бортом, и если стену объехать нельзя, то нужно двигаться прямо на нее, пытаясь затормозить как можно скорее. Расчет показывает, что при идеальном состоянии тормозов и дорожного покрытия избежать столкновения со стеной, двигаясь по дуге окружности, можно только в том случае, если сила трения между колесами и дорогой будет вдвое больше, чем при торможении, когда автомобиль движется прямо.
10.Если цель состоит в том, чтобы деформировать предмет (как, например, при ковке), то предпочтительней неупругий удар. При каждом таком ударе молоток теряет тем большую часть своей энергии, чем меньше его масса. Поэтому при ковке лучше пользоваться легким молотком. При забивании сваи желательно передать ей возможно большую кинетическую энергию и возможно меньшую энергию терять на деформацию. Следовательно, в этом случае лучше пользоваться тяжелым молотом.
11.Когда песок сыпется, вес песочных часов не меняется, несмотря на то, что часть песка находится в воздухе. Вес этой части компенсируется силой, с которой песок ударяет о донышко часов. Интересно, что будут показывать весы в тот момент, когда песок только начинает сыпаться или когда падает последняя крупинка?
12.Сила трения между шиной и дорожным покрытием не зависит от площади контакта, так что широкие шины без протектора ничем не лучше
узких. Если колеса автомобиля пробуксовывают, когда он трогается с места (так во время гонок бывает на старте), то широкие шины имеют определенное преимущество, потому что у них нагрев распределяется по большей площади и, следовательно, снижается вероятность того, что шина расплавится (при плавлении шины сильно уменьшается коэффициент трения).
13.Существует некое максимальное угловое ускорение, которое можно сообщить автомобильному колесу. Чем больше диаметр шины, тем большее расстояние автомобиль проходит при каждом обороте колеса и тем больше его линейное ускорение. Однако при ограниченной мощности двигателя установка шин большего диаметра приведет к уменьшению углового ускорения, в результате линейное ускорение останется прежним.
14.Камень, скачущий по песку, обычно сначала ударяется задним концом. Возникающие при этом силы отбрасывают камень на небольшое расстояние и придают ему некоторое вращение, вследствие чего он ударяется теперь передним концом. После этого камень отлетает на большее расстояние. Когда же камень скачет по поверхности воды, то, судя по всему, он не делает коротких скачков. Вначале он также ударяется задним концом, но затем начинает скользить по воде, отклоняясь назад по мере того, как перед ним образуется волна. Это продолжается до тех пор, пока, наконец, камень не совершит относительно большой скачок. Можно попытаться более тщательно исследовать все действующие при этом силы и моменты путём скоростной съёмки.
15.Вы можете сами поэкспериментировать в этой области. Удар по ковру увеличивает площадь соприкосновения тела с полом в момент падения, в результате чего сила удара на единицу поверхности тела уменьшается, что особенно важно для грудной клетки. При ударе рукой туловище может также повернуться, что еще более смягчит падение.
16.Кориолисова сила вызывает небольшое отклонение реки: в северном полушарии вправо, а в южном – влево. Считается, что этим отклонением вызвана и повышенная эрозия соответствующих берегов.
17.В двойном маятнике, состоящем из соединенных в одной точке простых маятников (длина и масса у одного из которых меньше, чем у другого), оба маятника будут качаться синхронно вместе. Если такой двойной маятник образуют колокол и его язык, то колокол не будет зво-
нить. Устранить этот дефект можно, значительно удлинив язык колокола, что, судя по всему, и было сделано в Кёльнском соборе.
18.Странное поведение «кельтов» пока не нашло объяснения. Однако можно предположить следующее. Нижняя поверхность камней не строго эллипсоидальна, а чуть скошена к одному краю. Если вывести камень из равновесия, стукнув по его концу, то сила, действующая со стороны стола, создаст момент, заставляющий камень вращаться. Направление вращения каждого конкретного «кельта» зависит от того, в какую сторону скошена его нижняя поверхность.
19.У меньшего шарика радиус кривизны меньше, поэтому силы упругости, действующие на любой малый участок его поверхности, имеют большую равнодействующую, направленную, к центру, чем у шарика большего радиуса. Поскольку сила, направленная к центру, больше, то и давление внутри маленького шарика больше, чем внутри большого. Этим объясняется также, почему вначале шарик надувать трудно, а потом, по мере его расширения, постепенно становится легче: направленные к центру равнодействующие упругих сил уменьшаются. В случае резинового шарика не менее важно и то обстоятельство, что при раздувании шарика уменьшается толщина его стенок, а следовательно, и его упругость.
20.Если по ходу всплытия не выпускать непрерывно воздух, то можно порвать легкие, поскольку объем воздуха в них увеличивается с уменьшением внешнего давления. При всплытии парциальное давление углекислого газа в легких зависит от времени не линейно, так как вы все время выдыхаете часть газа. Глубина, на которой парциальное давление углекислого газа максимально, определяется следующим образом: от максимальной глубины погружения (на которой был сделан последний вдох в подводной лодке или из баллона), выраженной в футах, следует отнять 33 фута и результат разделить на 2.
21.Диаметр сужения так мал, что ртуть проходит через него только под давлением, которое возникает либо в результате теплового расширения ртути, либо под действием «центробежной» силы (она создается, когда градусник стряхивают, совершая им дугообразные движения). При остывании ртуть в месте сужения разрывается, так как молекулярные силы в ртути недостаточно сильны, чтобы втянуть верхнюю часть столбика обратно сквозь сужение трубки. Если опустить термометр в горячую воду, стеклянный кончик расширится быстрее, чем заключенная в нем ртуть.
22.Воздух, поднимающийся по склону горы, попадая в область более низкого атмосферного давления, расширяется и охлаждается.
23.В восходящих потоках теплый влажный воздух охлаждается, расширяясь по мере понижения атмосферного давления с высотой. Из-за понижения температуры водяной пар частично конденсируется, образуя облака, а воздух несколько согревается за счет скрытой теплоты испарения, высвобождаемой при конденсации. Поэтому все время происходит процесс образования новых облаков. Постарайтесь при случае понаблюдать, как возникают, изменяются и исчезают эти облака.
24.По-видимому, центрами образования пузырьков служат частицы
соли.
25.Воздух, согретый огнем, легче воздуха в комнате, поэтому он устремляется в трубу. Начавшаяся таким образом циркуляция воздуха продолжается даже в том случае, если огонь разложен не непосредственно под трубой. Чем выше труба, тем лучше в ней тяга, так как в более высокой трубе больше теплого легкого воздуха. Иногда дым из трубы выходит клубами. Это объясняется плохой тягой, вследствие чего в трубу сверху периодически затекает холодный воздух.
26.Прохладным вечером горячий дым и газы лучше поднимаются вверх, чем днем, когда достаточно тепло.
27.Вначале горячие газы от сигареты поднимаются относительно медленно, образуя ламинарный поток. Однако при подъеме выталкивающая сила, действующая на горячие газы в окружающем холодном воздухе, ускоряет их настолько, что поток начинает завихряться. Обычно турбулентность возникает на расстоянии примерно 2 см.
28.Определяющим фактором здесь является испарение. Если одинаковые массы горячей и холодной воды выставить на мороз в открытых сосудах, то более сильное испарение горячей воды приведет к тому, что
еемасса уменьшится скорее. В результате эта вода будет остывать быстрее, чем холодная, и соответственно скорее достигнет точки замерзания. В действительности скорость остывания также зависит частично от материала сосудов, циркуляции воздуха над поверхностью воды в сосудах и от циркуляции самой воды. Хотя еще Бэкон писал об этом явлении, хорошо
717
знакомом, в частности, жителям Канады, у людей, живущих в теплых странах, оно нередко вызывает удивление. Физические журналы лишь недавно «переоткрыли» этот эффект, после того как студенту из Танзании удалось убедить в его существовании своего скептически настроенного в этом отношении преподавателя.
29.Обычно вода, образующаяся при таянии льда, сразу стекает. Когда же лед завернут в мокрую газету, тепло извне должно пройти через слой «задержанной» газетой воды, поэтому его поступление ко льду уменьшается.
30.Коньки, как и лыжи, скользят по тонкому слою воды, но в этом случае таяние льда обусловлено давлением. Вес конькобежца, распределенный на площади двух узких полозьев коньков (точнее, на площади действительного соприкосновения коньков со льдом, а не полной площади их полозьев), создает давление на лед, достигающее более 48,3 МПа. Другие вещества в отличие ото льда не тают под давлением, поэтому кататься по ним на коньках нельзя.
31.Когда лепят снежок, комок снега сжимают. Под давлением снег (по крайней мере, поверхностный слой) растапливается; затем, замерзая, он и удерживает слепленный снежок.
32.Когда в воду добавляют соль, то количество тепла, которое необходимо отбирать у раствора при замораживании, возрастает, поэтому температура его замерзания понижается. Добавка соли также повышает температуру кипения воды. Чтобы преодолеть притяжение к молекулам соли, молекулам воды придется двигаться значительно скорее, только тогда они смогут оторваться и перейти в пар. Аналогичное понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения лежит в основе действия антифриза в автомобильном радиаторе.
33.Соляной раствор в глыбах льда заключен в своеобразные ячейки, которые перемещаются вниз под действием силы тяжести и в направлении, где вследствие постоянного подтаивания и подмерзания льда температура наиболее высокая. Обычно такую температуру имеет самая нижняя часть ледяной глыбы, так как она либо плавает в океане (а океан теплее окружающего воздуха), либо лежит на земле (земля также теплее окружающего воздуха). В результате перемещения ячеек соляного раствора последний постепенно выходит из льдины, и она примерно через год ста-
новится пригодной для получения питьевой воды, а через несколько лет почти совершенно лишается соли. Попробуем разобраться, как же происходит процесс «обессоливания» льда. Рассмотрим некую произвольную ячейку, вертикально расположенную внутри глыбы. Соленость раствора такова, что его температура примерно равна средней температуре окружающего льда. В нижней, более теплой части ячейки соленость велика, но в результате подтаивания льда она уменьшается. В верхней же, более холодной части ячейки соленость гораздо меньше, но она увеличивается вследствие замерзания льда. Поэтому ячейка постепенно перемещается в низ ледяной глыбы и со временем выходит из нее.
34.На испарение воды в кастрюле затрачивается значительное количество тепла. Если кастрюля открыта, то это тепло теряется, так как пар уносится воздушными потоками. Если же кастрюля накрыта крышкой, то пар остается в ней и тепло удерживается внутри кастрюли.
35.Если бы горы были выше некой критической высоты, которая составляет примерно 30 км, то давление у основания горы оказалось бы настолько велико, что породы там расплавились бы и высота горы уменьшилась до критического значения. Поэтому высота гор не может превышать 30 км. Поскольку сила тяжести на поверхности Марса меньше, чем на поверхности Земли, критическая высота марсианских гор больше, чем земных.
36.Когда капля попадает на раскаленную сковороду, ее нижняя часть мгновенно испаряется и образует паровую подушку между сковородой и оставшейся частью капли. Затем благодаря излучению тепла сквозь паровую подушку, конвекционным потокам внутри подушки и теплопроводности капля нагревается. Однако, чтобы она нагрелась таким образом до кипения, потребуется 1-2 мин. В течение этого времени паровая подушка предохраняет каплю от испарения, и та беспрепятственно «пляшет» и «скачет» по поверхности сковороды.
37.Матовая сторона фольги излучает и поглощает тепло лучше, чем блестящая. Поэтому если картофелину заворачивать так, что матовая сторона фольги оказывается снаружи, то картофелина быстрее испечется, но
искорее остынет на столе.
38.Ощущение холода, которое вызывает у вас тот или иной предмет, зависит не только от его температуры, но и от теплопроводности. Чем бы-
стрее холодный предмет отводит тепло от вашего пальца, тем более холодным он вам кажется.
39.У толстых массивных чугунных сковородок и кастрюль дно прогревается более равномерно, чем у современных, сделанных из тонкой стали. Те участки дна стальных сковородок, которые располагаются непосредственно над огнем, прогреваются особенно сильно, и на них пища часто пригорает.
40.Со стороны обращённой к Солнцу, скафандр астронавта поглощает тепловое излучение и нагревается. Излучение же тепла происходит со всей поверхности. Поэтому солнечная сторона скафандра оказывается теплой, а теневая – холодной. (В действительности скафандр снабжен системой кондиционирования воздуха.) Термометр, вынесенный в космическое пространство, будет нагреваться до тех пор, пока количества поглощаемого и излучаемого им тепла не сравняются. Если термометр находится от Солнца на расстоянии, равном расстоянию Земля – Солнце, то он должен показывать примерно «земную» температуру в зависимости от того, какая часть его обращена к Солнцу. Аналогичный эффект вы можете наблюдать, когда станете лицом к огню.
41.Пожары вызываются видимым и инфракрасным излучениями, возникающими при ядерном взрыве. В первую секунду после взрыва образующийся огненный шар так горяч, что большая часть излучаемых им электромагнитных волн приходится на ультрафиолетовую область спектра. Земная атмосфера хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение, поэтому оно не распространяется далеко за пределы непосредственной области взрыва. По мере расширения и охлаждения огненного шара максимум излучения смещается в сторону более длинных волн, в видимую и инфракрасную области. Через 2-3 с после взрыва интенсивность этого излучения оказывается достаточной, чтобы загорелись такие материалы, как дерево. Если человек хоть чем-то защищен от прямого излучения взрыва, вероятность получения им ожогов значительно уменьшается. Во время атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки были случаи, когда у людей незащищенные участки тела получали сильные ожоги, а соседние участки, прикрытые одеждой, оказывались совершенно неповрежденными.
42.В Прошлом веке считалось, что соки поднимаются по стволу дерева под действием атмосферного давления. Это неверно. Сейчас предпола-
