Даже самые обыденные предметы и явления могут предстать в непривычном свете, если знать научную подоплеку происходящего. Книга «Атомы у нас дома» позволяет взглянуть по-новому на окружающие нас вещи.
Уравнение непрерывности
Доводилось ли вам внимательно наблюдать за струей воды, вытекающей из крана? Откройте кран, чтобы вода текла широкой струей, а затем чуть подкрутите его в обратном направлении. Обратите внимание на то, что струя воды вверху шире, чем внизу. Задумывались ли вы, почему так происходит?
Вода практически несжимаема, поэтому такой же ее объем, который вытекает из крана за секунду, должен поступать за секунду и в слив. При падении вода ускоряет движение под действием силы земного притяжения, так что нижняя часть потока имеет более высокую скорость, чем верхняя. Чтобы количество воды в обеих точках было одинаковым, нижняя часть струи должна быть значительно тоньше верхней, иначе в слив будет попадать больше воды, чем покинуло кран. В науке это явление называется уравнением непрерывности. Оно означает, что количество воды, протекающее в данной точке за какой-то отрезок времени, всегда постоянно.
Сколько на входе, столько на выходе
Исходя из этого же принципа, если газ или жидкость начинают течь по более узкому руслу, их скорость должна возрасти. Если вы осторожно надавливаете на рукоятку шприца, жидкость фонтаном вырывается из его тонкой иглы. Если вы приладите к шприцу шланг с водой, то можете получить постоянную и дальнобойную струю жидкости. Так работают моющие машины. Шприцы и моющие машины не создают воду из воздуха: на входе толстого конца шланга ее поступает столько же, сколько на выходе из тонкого конца.
Ветер среди многоэтажек
Это также объясняет, почему ветер дует быстрее в обрамленных деревьями аллеях и на улицах с высокими домами. Они работают как шприцы, и ветер набирает скорость по мере того, как движется по узким проходам между деревьями и зданиями.
Иногда, на свою беду, архитекторы забывают об опасности этих явлений. Вихревые потоки не только быстро вращаются вокруг домов. Скоростной ветер может даже сбивать пешеходов с ног.
Эффект Вентури
Движущиеся жидкости, например воздух и вода, подчиняются всеобщему закону Вселенной — закону сохранения энергии. Более быстро движущиеся жидкости имеют бóльшую кинетическую энергию. Но энергия не возникает из ничего. Если жидкость неожиданно начинает двигаться быстрее, увеличивая кинетическую энергию, она теряет другой вид энергии. И это происходит в связи с уменьшением давления. В физике это называется эффектом Вентури, и он помогает объяснить различные явления с жидкостями, которые вы, возможно, наблюдали, не понимая их природу.
Баржи и храп
Например, если вы поднимаетесь вверх по каналу на одной барже, а рядом с вами плывет другая с такой же скоростью, два таких судна часто сталкиваются. Это происходит из-за того, что течение воды между ними ускоряется, а давление в нем падает, толкая баржи друг к другу.
А есть еще такое явление, как храп. Когда во сне воздух поступает в вашу глотку (верхнюю часть горла), то он ускоряется, и давление воздушного потока падает. Это заставляет глотку ненадолго смыкаться, а затем вновь открываться, что сопровождается неприятным звуком — храпом.
Почему же храпят не все? Словенский отоларинголог Игорь Фаждига попытался найти ответ на этот вопрос, обследовав 40 пациентов, которые храпели во сне громко, умеренно или совсем не храпели. Он обнаружил: когда храпящие люди вдыхают воздух во сне, их глотка сужается больше, чем у тех, кто не храпит. Чем больше сужается и вибрирует глотка, тем громче храп.
Много молекул
Но вернемся к воде. Вода обладает большой теплоемкостью. Чтобы нагреть литр воды на один градус, нужно больше энергии, чем для нагревания на ту же температуру любого другого вещества. Причина в том, что молекулы воды состоят из очень легких атомов (атомы водорода вообще самые легкие, а атомы кислорода занимают в периодической таблице восьмое место).
Каждая из них может поглотить определенное количество энергии, начав активные вибрации и движения. Так что большую теплоемкость воде придает именно огромное количество молекул.
Теплоемкость воды
И какова же она? Представьте себе, что вы наполнили чайник примерно литром воды, а затем отлили такой же чайник из цельного железа. Оба поставили на плиту и нагревали бы в течение какого-то времени, чтобы они поглотили одинаковое количество энергии.
Вода в первом чайнике закипит. А что станет со вторым? Он, конечно, не расплавится, но станет очень горячим! Его температура достигнет 700°C.
Температура и энергия
Инстинктивно мы полагаем, что горячие предметы содержат много тепловой энергии, но это не всегда верно. Есть принципиальная разница между температурой объекта и заключенной в ней тепловой энергией. Именно поэтому холодный айсберг может содержать много тепла.
Когда килограмм разогретого железа остывает на 10°С, он отдает в девять раз меньше тепловой энергии, чем когда на 10°С остывает литр воды.
О горячем
Вы можете обжечь губы о начинку горячего яблочного пирога, но не обожжетесь о корочку жареной вермишели, хотя оба эти лакомства одинаковой температуры. Дело в том, что сухая корочка содержит сравнительно мало влаги, поэтому в ней заключено меньше тепловой энергии, чем в жидкой яблочной начинке, которая в основном состоит из воды.
Когда ваш язык касается корочки вермишели, она быстро отдает тепло рту, но не обжигает его и быстро остывает. Когда то же происходит с яблочным пирогом, его жидковатая начинка отдает много тепловой энергии и может обжечь губы.
И снова в воду
После длительной нирваны в теплой воде кожа меняется. Поднесите свои пальцы к глазам, и вы увидите, что их избороздили глубокие морщины. Обычно это объясняют тем, что кожа становится морщинистой, поскольку впитывает воду и разбухает. Но последние исследования показывают, что дело здесь обстоит иначе.
Наша кожа в воде сжимается, потому что сужаются проходящие в ней кровеносные сосуды. Почему так происходит? Ученый из Университета Ньюкасла Том Смалдерс полагает, что кожа научилась покрываться морщинами в результате эволюции — чтобы человек мог лучше захватывать мокрые предметы.
Вода при стирке
Молекулы воды, которые состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, имеют небольшой положительный заряд со стороны атомов водорода и отрицательный — со стороны атома кислорода.
И, подобно магниту, молекула воды «приклеивается» к микроскопическим частицам грязи и убирает их. Вот почему вода является таким отличным чистящим средством — «универсальным растворителем».
Как работают отбеливатели
Солнечный свет содержит обычный видимый свет и невидимый ультрафиолет. Когда ваша белая футболка находится на солнце, она отражает видимый свет, но поглощает ультрафиолет. После того как футболка будет постирана с использованием стирального вещества, содержащего усилитель цвета (отбеливатель), на волокна ткани попадут и останутся там микрочастицы фосфорсодержащих химикатов (как на внутренней поверхности неоновых ламп).
Эти частицы улавливают ультрафиолет и превращают его в видимый свет (за счет изменения длины волны отраженного света и ее смещения в видимую область спектра). Так что постиранная с отбеливателем футболка будет отражать больше света и казаться ярче.
Подготовлено по книге «Атомы у нас дома».
Картинки поста: источник.
