Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты - Черепенчук Валерия
Жители пустыни носят одежду свободного покроя
Пишут и о том, что при нахождении на солнце с непокрытой головой брюнеты подвергаются большей опасности, чем блондины. Да, в какой-то мере это правильно. Темные волосы сильнее поглощают тепло и риск солнечного или теплового удара возрастает. Но находиться на солнце без головного убора не рекомендуется никому – вне зависимости от цвета волос.
Для оценки ощущений в жару имеет значение также влажность воздуха. Но главную роль все-таки играет состояние здоровья
Идеальные модели есть и в научном юморе: сферический конь в вакууме, кошка с маслом, бесконечные обезьяны, эффект Паули.
№ 57
Какой он, идеальный газ? И зачем он нужен?
Сначала давайте выясним, что означает «идеальный». В науке часто используется понятие «физическая модель». Так говорят, когда имеют в виду не какой-то реальный объект, лежащий на лабораторном столе или в пробирке, а скорее созданный учеными образ, пример, обладающий всеми характерными признаками и свойствами того или иного объекта. И идеальным газом принято называть физическую модель реального газа, созданную для понимания и исследования свойств и возможностей вещества. Идеальный газ – это такой газ, в котором взаимодействие между молекулами очень мало: так же, как мал их суммарный объем. А значит, их физическими «взаимоотношениями» при исследовании можно пренебречь.
Такие свойства газа, как подвижность, способность заполнять большие объемы, наличие собственной массы, – были изучены достаточно поздно. К числу первых важных исследований можно отнести открытие уже известного вам Торричелли, доказавшего, что воздух имеет массу и что существует атмосферное давление. Во второй половине XVII столетия был сформулирован закон Бойля-Мариотта, гласивший: «При постоянных температуре и массе газа произведение давления газа на его объем постоянно». То есть давление массы газа при постоянной температуре обратно пропорционально объему этого газа.
В начале XIX столетия Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) сформулировал законы расширения газов, а еще через полтора десятилетия ученые выяснили, что газ можно превращать в жидкость путем конденсации. Окончательно же понятие идеального газа и возможности научного «моделирования» с его участием сформулировал Рудольф Клаузиус (1822–1888).
Существует также понятие реального газа – в нем взаимодействие молекул достаточно сильно
№ 58
Тяжело дышать! Что происходит с воздухом в горах?
Существуют определения «высотная болезнь», или высотная гипоксия, развивающаяся из-за кислородного голодания высоко в горах или при полетах на дельтапланах и парапланах, и более узкое понятие «горная болезнь», когда к последствиям недостатка кислорода добавляются еще обезвоживание, переохлаждение, физическая и эмоциональная усталость. Почему же туристы и путешественники в горах подвергаются такой опасности?
Поднимаясь в горы, мы все больше удаляемся от земной поверхности. А значит, уменьшается плотность окружающего нас воздуха. Чем выше слой атмосферы, тем меньше в нем давление: ведь, как мы с вами уже выяснили, воздух тоже может давить! А значит, нижние слои подвергаются более сильному давлению, нежели верхние. И при увеличении высоты воздух становится все более разреженным, в нем все меньше молекул столь необходимого нам для дыхания кислорода.
На какой высоте человек начинает испытывать неприятные ощущения? Если вы поднялись в горы впервые, то дискомфорт начнете испытывать на высоте около 3000 метров.
К разреженному воздуху можно привыкнуть. Например, жители горных районов не страдают от недостатка кислорода. Но на больших высотах акклиматизация невозможна в принципе. Так, на высоте более 8000 метров даже очень тренированный альпинист способен находиться не более трех дней. При длительном нахождении в опасной зоне без специального оборудования последствия для организма станут необратимыми, и все может кончиться плохо.
Кстати, масса одного кубометра воздуха у поверхности земли – около 1,29 килограмма, а на высоте 11–12 километров – всего 319 граммов!
«Забирайся высоко, спи низко»
№ 59
Котелок не варит. Еще один сюрприз давления
Помимо разреженного воздуха и, следовательно, проблем со здоровьем, путешественника в горах может ожидать еще один сюрприз. Возникнут сложности с приготовлением пищи! Наверное, словосочетание «температура кипения» вам знакомо. Так вот, чем выше мы поднимаемся в горы, тем меньше будет температура кипения. Она тесно связана с атмосферным давлением, а ведь, как мы только что выяснили, на большой высоте давление понижается.
Если предположить, что мы с вами забрались на Эверест (высота его более 8800 метров над уровнем моря), то температура кипения воды там составит всего 70 градусов Цельсия. Это значит, что вода будет кипеть, но положенные в нее продукты останутся полусырыми! Что делать? Конечно, вряд ли кто-то будет варить мясо или яйца в котелке на вершине Эвереста, но даже спустившись чуть ниже и решив приготовить себе обед, мы будем очень долго ждать, пока пища сварится.
Эту проблему много лет назад научились решать пастухи, сторожившие свои стада на высокогорных пастбищах. Они плотно закрывали крышкой котелок с готовящейся пищей и укладывали на нее несколько тяжелых камней, чтобы пар не выходил свободно наружу, а увеличивал давление внутри посудины. Таким образом, температура кипения воды повышалась, и работники могли утолить голод значительно быстрее.
Но зато, как утверждают путешественники, приготовленная в горах пища обладает более выраженным и приятным вкусом. Ну и, конечно, фантастическая красота гор стоит того, чтобы ради нее пожертвовать некоторыми удобствами!
Многие исследователи отмечали, что высоко в горах меняются пищевые пристрастия – например, внезапно хочется кислого или соленого. Вероятно, это связано с химическими изменениями в организме
№ 60
Секреты кровотока и уравнение Бернулли
В XVIII столетии швейцарский математик и физик Даниил Бернулли (1700–1782) подарил миру закон гидравлики, названный впоследствии его именем. Этот закон (или уравнение, как его еще иногда называют) описывает закономерности потока идеальной жидкости, то есть такой, на которую не воздействует внутреннее трение. Выглядит он так:
Здесь ρ – плотность жидкости, V – скорость ее потока, h – высота, на которой она находится, p – давление в той точке, где расположен центр массы жидкости, а g – хорошо вам знакомое ускорение свободного падения. Эту закономерность применяют и к газам.
Бернулли установил, что давление жидкости, текущей по трубам, становится больше в тех сегментах трубы, где скорость жидкости становится меньше. А там, где скорость больше, давление уменьшается. Кроме того, он доказал: когда жидкость проходит через узкие участки, ее давление уменьшается! Но позвольте, почему же тогда врачи рекомендуют нам «снижать давление» и говорят об опасности закупорки сосудов? Дело в том, что кровеносная система человека сильно разветвлена и величина скорости крови зависима от количества капилляров и их, как говорится, «общего просвета». Кроме того, кровь в наших сосудах обладает вязкостью, подвержена трению, может образовывать сгустки, и, следовательно, в случае сужения сосудов опасность вполне реальна. То есть уравнение Бернулли к человеческим сосудам практически неприменимо!
(ρV2) + ρgh + p= const.
