120 детских вопросов о физике и окружающем мире
Шрифт:
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
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
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.
Почему шумит закипающий чайник?