Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Берут чайник, нагревают его. Дожидаются, когда из носика начинает бить струя пара. Потом держат письмо над паром так, чтобы он попадал на заклеенную полоску.
Мы уже знаем, что произойдет. Письмо относительно холодное, и пар, попадая на него, начинает превращаться в жидкость. Мельчайшие капельки пропитывают бумагу и разжижают клей. Письмо через некоторое время можно открыть, не порвав бумагу, прочитать – и потом заклеить по новой, незаметно.
Тысячи шпионов проделывали этот опыт… но знали ли они про физику и «точку росы», используя паровую баню для открывания секретных писем? Сомневаюсь… Так иногда люди физику не знают, а законы используют. А если применить этот принцип к более благородным вещам, чем открывание чужих писем, то можно придумать и другие полезные варианты. Например, если что-то клеили из бумаги и неправильно склеили, а портить (мочить водой) бумагу нельзя.
А вот еще вариант: если нужно протереть очки или стеклянную поверхность, мы обычно дышим на это стекло – пар изо рта превращается в тонкий слой воды, оседая на более холодной поверхности. И можно протереть стекло. Правда, лучше для этого пользоваться специальными жидкостями или просто промыть стекло с мылом и вытереть газетами, потому что иначе стекла можно испортить. А почему – в следующей маленькой главе…
88
Как протирать очки
Итак, когда мы дышим на очки, появляется тонкий слой воды. Берем тряпочку и протираем… И на стекле образуются мелкие царапины! Если так делать часто, то постепенно стекло портится и теряет прозрачность. Разберемся. Во-первых, почему от царапин стекло теряет прозрачность? Вопрос вроде бы простой, а на самом деле я проверял – немногие могут ответить точно. Давайте посмотрим на картинку.
Царапина, как видно на увеличенной картинке, представляет собой острое углубление в стекле. То есть образуется как бы канавка. (Кстати, стекло я обозначил на рисунке штришками – так настоящие инженеры обозначают стекло на чертежах.) Образуется царапина потому, что в воздухе плавает пыль, оседает на тряпочках и стеклах. А часто эти пылинки по своей твердости гораздо тверже стекла. И хотя они почти не заметны обычному глазу, работают как настоящий резец.
Так вот, на картинке изображены лучи света, падающие на поверхность стекла. Для простоты положим, что они падают перпендикулярно к поверхности. В таком случае они свободно проходят через стекло (немного, правда, отражаются, но это не влияет на тот путь, по которому идут лучи света) и попадают дальше нам в зрачок.
Но та часть света, тот луч, который упал на царапину, попадает на наклонную поверхность, то есть падает под углом к стеклу. Мы уже разбирали, что при изменении угла падения траектория луча изменяется, он отклоняется в сторону!
Значит, часть света будет проходить через целые участки стекла и создавать цельную картинку, а некоторая часть, попадающая на царапины, будет отклоняться, рассеиваться, портить изображение!
Поэтому настоящую рабочую оптику (стекла телескопов, биноклей, зрительных приборов) протирают очень аккуратно, специальными составами, часто спиртом. При этом используют мягчайшие кисточки. Главное, при протирке не нажимать сильно, чтобы, даже если пылинка и попала на поверхность, ее смыло потоком жидкости. Потому что иначе она «проскребет» поверхность и загубит технику!
Итак, каждая царапина работает как призма, отклоняющая лучи!
89
Полное внутреннее отражение, или Что такое оптический кабель
Для опыта нам потребуется: кусок стекла, лазерная указка или маленький фонарик.
В современных компьютерных системах устройства между собой «общаются» по оптическим кабелям. Световые сигналы летят по гибкому шнуру, неся информацию из одной точки в другую. При этом, как ни изгибай кабель, свет не «выскакивает» из шнура, а следует по любой извилистой траектории.
Как этого добиваются?
Мы знаем, что лучи поворачивают в сторону, если падают под углом на поверхность стекла (или другого прозрачного вещества). Причем этот угол зависит от разницы скорости движения света между тем веществом, откуда прилетел луч, и тем, в которое он входит.
Давайте рассмотрим картинку.
Луч, обозначенный цифрой 1, идет внутри стекла ровно перпендикулярно к поверхности. Он проходит, не изменяя направления. Луч 2 – немножко под углом. Он отклоняется немного в сторону. Луч 3 отклоняется еще сильнее… Так, если угол изменяется, то постепенно выходящий луч все ближе подходит к самой поверхности стекла. Наступает такой момент, что луч достигает критического угла и его продолжение, выходящее из стекла, уже практически «скользит» по поверхности. На нашем рисунке это черный луч 5.
Все! Все остальные лучи, идущие под еще большими углами, будут отражаться от внутренней поверхности стекла и уходить «внутрь»!
Посмотрим, что будет, если луч света войдет в тонкую стеклянную трубку или лист стекла «с торца».
Луч немножко изменит свой угол и пройдет через стекло некоторое расстояние, после чего наткнется на внутреннюю поверхность стекла. Он отразится внутрь и побежит, пока снова не наткнется на поверхность и тоже в соответствии с законами физики отразится внутрь, только уже в другую сторону! И так будет продолжаться, пока световой луч не затухнет. Понятно, что свет немножко «гасится», ослабляет свое свечение с расстоянием. Поэтому рано или поздно, конечно, свет затухнет. Но до тех пор так и будет бежать вперед и вперед.
Те, кто разрабатывал системы связи для передачи информации, воспользовались этим физическим законом и сделали очень простую (на первый взгляд) вещь: создали кабель, состоящий из огромного количества тонких и гибких стеклянных трубочек. Самое главное (и самое сложное в производстве таких кабелей), что каждая трубочка на обоих концах кабеля находится точно в том же месте и в начале, и в конце. Поэтому изображение не искажается. Чтобы пояснить, посмотрим на следующую картинку. Предположим, что мы положили в ряд пять трубочек, причем они не «перепутываются», а идут, изгибаясь, рядом до самого конца. Длина у них одинаковая. Будем светить разным светом (красным, зеленым, желтым и т. д.) в каждую из трубочек с одной стороны, в начале.
В конце каждая трубочка засветится тем светом, которым в него посветили в начале! И мы увидим точно такую же картинку, что и передали.
Если эти ряды трубочек положить друг на друга и создать «квадратик», то можно уже создавать целые картинки, как в телевизоре. Вот и вся хитрость. Именно так устроены современные оптические кабели, которые связывают компьютеры и другие устройства.
* * *А как увидеть это своими глазами? Для этого проделаем простой опыт. Возьмем любой кусок стекла, например оконного. И в темноте посветим узким лучом света с торца. Лучше всего для этого подходят лазерные указки, которые продаются в любом ларьке. Или даже маленький фонарик. Посмотрите на следующую фотографию.
Видно, как светится торец куска стекла, – это я свечу в него фонариком. Поверхность же стекла практически не светится. Свет не выходит наружу. На другой фотографии видно, что я свечу фонариком слева под довольно большим углом в торец стекла. Поскольку фонарик шире, чем стекло, верхняя его часть светит прямо на поверхность сверху. И луч освещает первую треть стекла. Потом идет темный кусок. Но вдруг мы видим, что слева из торца вырывается свет! Эта та часть луча, которая от фонарика вошла в торец и пробежала, отражаясь внутри от стенок, до самого выхода из стекла!
На фото: светится торец стекла, верхняя часть существенно темнее. Свет распространяется внутри.
На фотографии видно, как свет проходит лучом внутри стекла и вырывается наружу в дальнем торце. Подставкой служит ноутбук IBM – у него прекрасная черная поверхность, как раз для съемок.
90
Точка концентрации напряжений, или Как остановить трещину на стекле
Для опыта нам потребуются: две длинные палки.
Ну, раз уж начали про стекло, давайте подумаем над занятным вопросом. Часто бывает, что по стеклу начинает бежать трещина. Чаще всего это заметно на лобовых стеклах автомобилей. Такая трещина, однажды начавшись, начинает сама собой расти, удлиняться, и рано или поздно стекло лопается пополам.
Почему так происходит? Почему растет трещина в стекле?
Мы помним уже из закона Гука, что если к предмету прикладывается сила, то предмет сжимается или растягивается. На резиновом шарике это хорошо видно. Но и, казалось бы, твердые предметы, такие как дерево, стекло, камень, тоже сжимаются или растягиваются. Только сдвиги эти настолько маленькие, что их незаметно на глаз.
Поскольку почти на любой предмет действуют разные силы одновременно (ну, хотя бы сила притяжения Земли), то в любом предмете внутри существуют напряжения. Если мы начнем ломать толстую палку об колено, то мы ее, может быть, и не сломаем. Но пока мы давим посередине коленом и тянем двумя руками за концы, в палке возникают сильные внутренние напряжения.
