Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Звук же «тащится» по сравнению со светом ужасно медленно. Он ползет со скоростью каких-то триста тридцать метров в секунду. То есть расстояние в три километра он будет ползти почти девять секунд!
Таким образом, если мы увидели вспышку молнии во время грозы, надо сразу же начать отсчитывать секунды (по секундомеру или просто спокойно считая «один, два, три, четыре»). Потом – как только услышали звук грома – прекращаем считать. И вот простая формула: количество секунд делим на три и получаем примерно расстояние до молнии, или до центра грозы. Три секунды – километр; шесть секунд – два километра; девять секунд – три километра; двенадцать секунд – четыре километра… и так далее.
Каждые новые три секунды дают еще один километр расстояния. Все просто!
Кстати, от Солнца до нас свет добегает примерно за восемь минут. То есть мы видим Солнце таким, каким оно было целых восемь минут назад! Мало кто об этом задумывается. Но это так. А вот от ближайшей к нам звезды свет летит аж целых четыре года. Можно примерно посчитать, сколько это будет в километрах.
В одной минуте шестьдесят секунд. В одном часе – шестьдесят минут, то есть 60 × 60 = 3600 секунд. В сутках 24 часа, то есть 3600 × 24 = 86 400 секунд. В году 365 дней, то есть 86 400 × 365 = 31 536 000 секунд. Умножаем на четыре года, получаем 126 144 000 секунд в четырех годах. Это сто двадцать шесть миллионов сто сорок четыре тысячи секунд. За каждую секунду свет пролетает триста тысяч километров. Перемножаем 126 144 000 × 300 000 и получаем 37 843 200 000 000 или тридцать семь биллионов восемьсот сорок три миллиарда двести миллионов километров!
Понятно теперь, почему ученые для звездных расстояний измеряют время не в километрах, а в световых годах. Удобнее сказать «четыре световых года», или то расстояние, которое свет пролетает за четыре года, чем выговаривать такое огромное число. А ведь есть звезды, от которых свет летит столетиями!
53
Дартс из иголки
Для опыта нам потребуется: нитка с иголкой.
Это старинный опыт, его придумали почти два столетия назад. Но он довольно забавный, и мы постараемся его проделать.
Если мы попробуем бросить иголку так, чтобы она воткнулась, например, в деревянную стену, то вряд ли что получится. Иголка кувыркается в воздухе, и рассчитать так, чтобы она воткнулась кончиком, не удастся ни за что.
Возьмем ниточку, вденем ее в иголку, оставим достаточно длинный хвостик (сантиметров десять). Если теперь бросить иголку, она полетит как дротик (или дартс, что по-английски как раз и означает «дротик»). И воткнется в дерево или подушечку.
Почему же с хвостом иголка летит прямо и втыкается, а без хвоста – никак?
На самом деле эту задачу решали наши далекие предки, которые изобрели лук. Мало было изобрести лук, надо было еще сконструировать стрелу. Все видели стрелу и знают, что на переднем конце у нее заостренный наконечник, а сзади – оперение. Перышки от птиц вставляли в обструганную палочку. Для чего?
Оказывается, именно хвост, или оперение, помогает стреле сохранять в воздухе свое положение и не кувыркаться. Вот что происходит. Центр тяжести стрелы находится примерно посередине. Законы физики таковы, что предметы обычно кувыркаются вокруг центра тяжести, если никакие другие силы не противодействуют этому. Значит, надо создать еще одну силу, которая бы мешала стреле кувыркаться. Что может оказывать воздействие на стрелу в полете? Воздух!
Если мы сделаем у стрелы пушистое оперение, то воздух, обтекая и почти не задевая гладкий деревянный ствол, будет «ударять» в пушистый хвост. И если стрела начнет кувыркаться, ее задний конец будет приподниматься или опускаться и «подставляться» под поток воздуха. Встречный поток воздуха будет усиленно давить на хвост и «возвращать» хвост назад. Таким образом, на стрелу все время действует набегающий поток, регулируя ее положение в пространстве. Тот центр, на который сильнее всего давит поток воздуха, называется центром аэродинамического (воздушного) давления.
Таким образом, чтобы летящая стрела не кувыркалась, надо, чтобы центр аэродинамического давления находился позади центра тяжести. Вот и все. А наша иголка с ниткой – это просто уменьшенная модель стрелы. Нитка играет роль оперения.
Кстати, теперь вы легко сами ответите на вопрос, зачем у воздушных змеев делают хвосты.
Да чтобы они не кувыркались в воздухе!
54
Как найти центр тяжести
Для опыта нам потребуется: обыкновенная палка.
Мы уже знаем правило: чтобы стабилизировать, выровнять полет предмета, надо, чтобы его центр аэродинамического давления находился сзади центра тяжести. Но как быстро найти центр тяжести у палки, стрелы? Для этого существует очень простой и старинный метод.
Расставьте руки и положите палку, например от швабры, на вытянутые указательные пальцы. Единственное условие – палка должна быть достаточно гладкой. Теперь начните медленно сдвигать пальцы. Пусть палка просто лежит на пальцах, не надо ее ничем придерживать.
Ваши пальцы соединятся точно под центром тяжести палки!
Почему так происходит?
Все очень просто. Здесь работает закон, связанный с силой трения. Когда один предмет (палка) трется о палец, то сила тем больше, чем больше давление. То есть тяжелая палка будет двигаться с бо́льшим трудом, чем легкая. Мы все знаем, что тяжелый шкаф по паркету двигать тяжело, а легкий скользит легко. Кажется, это очевидно.
Так вот, когда мы начинаем сдвигать пальцы, один из пальцев сдвигается чуть ближе к центру тяжести палки. Поэтому давление на этот палец увеличивается (на нем как бы лежит больший кусок палки и, соответственно, более тяжелый). Ведь весь вес распределяется на два пальца.
Раз так, то и возрастает сила трения. Палка начинает «тормозить» об этот палец. Теперь уже скользит другой палец и, в свою очередь, придвигается ближе к центру тяжести. Сразу возрастают давление и сила трения – и уже этот палец «тормозит», а начинает передвигаться следующий палец. И так постепенно, шаг за шагом, оба пальца потихонечку придвигаются к центру тяжести! Вот такая самонастраивающаяся система, где регулятором выступают сила трения и сила тяжести.
55
Почему звезды мерцают, а планеты – нет?
Если посмотреть на ночное небо, выехав подальше от освещенных мест, – скажем, на даче или в походе, – то мы увидим тысячи и тысячи переливающихся звезд. Они то вспыхивают поярче, то тускнеют.
Почему так происходит?
Ответ на этот вопрос понял мой папа и рассказал мне. Во всех книжках дается такое объяснение: лучи от звезд проходят через воздушные слои атмосферы перед тем, как попасть к нам в глаза. Поскольку атмосферные слои движутся, имеют разную температуру, плотность, прозрачность, лучи от звезд проходят то более яркими, то более тусклыми – и звезды мерцают.
Это объяснение было бы правильным, если бы не одно «но». На небесном своде помимо звезд есть еще и планеты: Марс, Венера, Юпитер, Сатурн. Они видны невооруженным глазом, то есть без бинокля и подзорной трубы. Так вот, планеты НЕ мерцают.
Но как же так! Ведь лучи от планет должны проходить точно так же через такие же слои, так же отклоняться, терять и приобретать яркость… Но этого не происходит.
Значит, общепринятое объяснение неверно.
Чтобы понять, в чем дело, надо выяснить, чем с точки зрения наблюдателя отличаются планета и звезда. Оказывается, что звезда всегда, даже в самый сильный на планете телескоп видна как точка. А планета видна как диск, круг, пятнышко, будто маленькая луна или солнце. Конечно, глазами без бинокля этот диск не отличить от звезды, но тем не менее это отличие есть. Но наша атмосфера не совсем прозрачна. В воздухе плавает пыль, грязь, мелкие частицы. Причины этому разные, например извержение вулканов. Когда взрывается крупный вулкан, он выбрасывает высоко в атмосферу огромное количество мелкой вулканической пыли, причем может даже упасть температура на всей Земле!
Так вот, пылинка сама по себе очень маленькая и летает высоко в небе, может быть на высоте нескольких километров. Она почти ничего не может заслонить собой. Но поскольку звезда – это точка для наблюдателя на земле, когда пылинка пересекает луч звезды, она на мгновение заслоняет этот луч, и звезда «мигает».
А от планеты пылинка не может перегородить весь ее луч света, потому что планета – это кружок на небе, и пылинка только покажется маленьким пятнышком на фоне этого кружка!
Скорее всего, именно поэтому звезды мерцают, а планеты – нет.
Какой важный вывод можно из этого сделать? Чем более загрязнена атмосфера, тем сильнее мерцают звезды. Можно определять загрязненность атмосферы прямо с земли! Таким образом, понимание различия между звездами и планетами помогает следить за экологией нашей планеты.
56
Можно ли спичкой закрыть звезду?
Для опыта нам потребуется: спичка.
Раз уж мы заговорили про звезды, вспомним довольно старый, но очень занятный опыт. В темную ночь, когда небо ясное и хорошо видны звезды, выйдите на балкон или улицу и посмотрите на одну из самых ярких звезд. Как мы уже знаем, звезда для наблюдателя всегда будет виднеться как точка. Мы также знаем, что маленькая пылинка, плавающая в верхних слоях атмосферы, может перекрыть луч от звезды.
