Александр Китайгородский - Физика для всех. Движение. Теплота
Этот избыток давления и есть осмотическое давление. Как показывают опыты и расчет, осмотическое давление равняется давлению газа, состоящего из растворенного вещества, занимающего тот же объем. Неудивительно поэтому, что осмотическое давление измеряется внушительными числами.
Вычислим осмотическое давление, возникающее в 1 л воды при растворении 20 г сахара (концентрация сахара в стакане чая, наверное, больше). Молекулярный вес сахара, имеющего химическую формулу С12Н22О11, равен 342. В одном литре по условию задачи находится 20/342 долей моля сахара. Таким образом, на один моль сахара приходится объем 342/20 = 17,1 л. Но при «нормальных» условиях 0 °C и 1 атм давления один моль газа занимает 22,4 л. Соответственно законам идеальных газов давление рассматриваемого как газ сахара при 0° равнялось бы 22,4/17,1 атм, а при 20 °C (22,4/17,1)·(293/273) = 1,4 атм.
Это и есть осмотическое давление сахара. В опыте с полунепроницаемой пленкой это осмотическое давление уравновесило бы столб воды высотой в 14 м.
Рискуя возбудить у читателя неприятные воспоминания, разберем теперь, как связано с осмотическим давлением слабительное действие растворов некоторых солей. Стенки кишечника полупроницаемы для ряда растворов. Если соль через стенки кишечника не проходит (такова глауберова соль), то в кишечнике возникает осмотическое давление, которое отсасывает воду через ткани из организма в кишечник.
Почему очень соленая вода не утоляет жажды? Оказывается, и в этом виновато осмотическое давление. Почки не могут выделять мочу с осмотическим давлением, которое больше, чем давление в тканях организма. Поэтому организм, получивший соленую морскую воду, не только не отдает ее тканевым жидкостям, но, напротив, выделяет с мочой воду, отнятую у тканей.
XIV. Трение
Силы трения
Мы не в первый раз говорим о трении. И правда, как можно было, рассказывая о движении, обойтись без упоминания о трении? Почти любое движение окружающих нас тел сопровождается трением. Останавливается автомобиль, у которого водитель выключил мотор, останавливается после многих колебаний маятник, медленно погружается в банку с подсолнечным маслом брошенный туда маленький металлический шарик. Что заставляет тела, движущиеся по поверхности, останавливаться, в чем причина медленного падения шарика в масле? Мы отвечаем: это силы трения, возникающие при движении одних тел вдоль поверхности других.
Но силы трения возникают не только при движении.
Вам, наверное, приходилось передвигать мебель в комнате. Вы знаете, как трудно сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, противодействующая этому усилию, называется силой трения покоя.
Силы трения возникают и когда мы двигаем предмет, и когда мы катим его. Это два несколько отличных физических явления. Поэтому различают трение скольжения и трение качения. Трение качения в десятки раз меньше трения скольжения.
Конечно, в некоторых случаях и скольжение происходит с большой легкостью. Санки легко скользят по снегу, а коньки по льду – и еще легче.
От каких же причин зависят силы трения?
Сила трения между твердыми телами мало зависит от скорости движения и пропорциональна весу тела. Если вес тела возрастет вдвое, то сдвинуть его с места и тащить будет вдвое труднее. Мы выразились не вполне точно, важен не столько вес, сколько сила, прижимающая тело к поверхности. Если тело легкое, но мы крепко надавили на него рукой, то, конечно, это скажется на силе трения. Если обозначить силу, прижимающую тело к поверхности (большей частью это вес), через Р, то для силы трения Fтр будет справедлива такая простая формула:
Fтр = kP.
А как же учитываются свойства поверхностей? Ведь хорошо известно, что одни и те же сани, на тех же полозьях скользят совсем по-разному, смотря по тому, обиты полозья железом или нет. Эти свойства учитываются коэффициентом пропорциональности k. Он называется коэффициентом трения.
Коэффициент трения металла по дереву равен 1/2. Сдвинуть лежащую на деревянном гладком столе металлическую плиту весом в 2 кГ удастся лишь силой в 1 кГ. А вот коэффициент трения стали по льду равен всего лишь 0,027. Ту же плиту удастся сдвинуть силой, равной всего лишь 54 Г.
Площадь поверхности не входит в приведенную формулу: сила трения не зависит от площади поверхности соприкосновения трущихся тел. Нужна одинаковая сила, чтобы сдвинуть с места или тащить с неизменной скоростью широкий лист стали весом в килограмм и килограммовую гирю, опирающуюся на поверхность лишь малой площадью.
И еще одно замечание о силах трения при скольжении. Сдвинуть тело с места несколько труднее, чем тащить: сила трения, преодолеваемая в первое мгновение движения (трение покоя), больше последующих значений силы трения на 20–30 %.
Что можно сказать о силе трения при качении, например для колеса? Как и трение скольжения, она тем больше, чем больше сила, прижимающая колесо к поверхности. Кроме того, сила трения качения обратно пропорциональна радиусу колеса. Это и понятно: чем больше колесо, тем меньшее значение имеют для него неровности поверхности, по которой оно катится.
Если сравнивать силы, которые приходится преодолевать, заставляя тело скользить и катиться, то разница получается очень внушительная. Например, чтобы тянуть по асфальту стальную болванку весом в 1 Т, нужно приложить силу в 200 кГ – на это способны лишь атлеты. А катить на тележке эту же болванку сможет и ребенок, для этого нужна сила не более 10 кГ.
Немудрено, что трение качения «победило» трение скольжения. Недаром человечество уже очень давно перешло на колесный транспорт.
Замена полозьев колесами еще не есть полная победа над трением скольжения. Ведь колесо надо насадить на ось. На первый взгляд невозможно избежать трения осей о подшипники. Так думали на протяжении веков и старались уменьшить трение скольжения в подшипниках лишь различными смазками. Услуги, оказываемые смазкой, немалые – трение скольжения уменьшается в 8–10 раз. Но даже и при смазке трение скольжения в очень многих случаях столь значительно, что обходится чрезмерно дорого. В конце прошлого века это обстоятельство сильно тормозило техническое развитие. Тогда и возникла замечательная идея заменить в подшипниках трение скольжения трением качения. Эту замену осуществляет шариковый подшипник. Между осью и втулкой поместили шарики. При вращении колеса шарики покатились по втулке, а ось – по шарикам. На рис. 109 показано устройство этого механизма. Таким способом трение скольжения было заменено трением качения. Силы трения уменьшились при этом в десятки раз.
Роль подшипников качения в современной технике трудно переоценить. Их делают с шариками, с цилиндрическими роликами, с коническими роликами. Такими подшипниками снабжены все машины, большие и малые. Существуют шариковые подшипники размером в миллиметр; некоторые подшипники для больших машин весят более тонны. Шарики для подшипников (вы их видели, конечно, в витринах специальных магазинов) производят самых различных диаметров – от долей миллиметра до нескольких сантиметров.
Вязкое трение в жидкостях и газах
До сих пор мы говорили о «сухом» трении, т.е. о трении, возникающем при соприкосновении твердых предметов. Но и плавающие, и летающие тела также подвержены действию сил трения. Меняется источник трения – сухое трение заменяется «мокрым».
Сопротивление, которое испытывает движущееся в воде или воздухе тело, подчиняется иным закономерностям, существенно отличным от законов сухого трения, о которых мы говорили выше.
Правила поведения жидкости и газа в отношении трения не различаются. Поэтому все сказанное ниже относится в равной степени и к жидкостям, и к газам. Если мы для краткости будем говорить ниже о «жидкости», сказанное будет относиться в равной степени и к газам.
Одно из отличий «мокрого» трения от сухого заключается в отсутствии трения покоя – сдвинуть с места висящий в воде или воздухе предмет можно, вообще говоря, сколь угодно малой силой. Что же касается силы трения, испытываемой движущимся телом, то она зависит от скорости движения, от формы и размеров тела и от свойств жидкости (газа). Изучение движения тел в жидкостях и газах показало, что нет единого закона для «мокрого» трения, а имеются два разных закона: один – верный при малых, а другой – при больших скоростях движения. Наличие двух законов означает, что при больших и малых скоростях движения твердых тел в жидкостях и газах обтекание средой движущегося в ней тела происходит по-разному.
При малых скоростях движения сила сопротивления прямо пропорциональна скорости движения и размеру тела:
