Владимир Антонец - Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию
Надувной мяч изобрели древние греки. По-видимому, он не был прыгучим, но был легким. В Европу же упругие каучуковые мячи завез из Америки Христофор Колумб.
В начале XIX века был изобретен современный надувной резиновый мяч. Со временем он улучшался и специализировался для самых разнообразных игр — футбола, волейбола, баскетбола, тенниса.
Во всех этих играх очень важен отскок. От чего же зависит, каким он получится? Это очень сложный вопрос с точки зрения механики. Практика подтверждает это необыкновенно большим количеством мячей разного типа, технологий их изготовления, а также всевозможных конструкций покрытий. Поэтому можно дать лишь качественный ответ.
Отскок характеризуется длительностью времени и высотой. Например, по этим параметрам теннисные травяные, земляные корты, корты с твердым и ковровым покрытиями отличаются настолько, что ни у кого из игроков не получается одинаково хорошо играть на всех.
Чтобы отскок мяча был высоким, необходимо, чтобы мяч не отдавал энергию при ударе о поверхность поля. Для этого он должен быть менее упругим, чем покрытие, и достаточно тяжелым. При этом чем больше отношение массы мяча к его упругости и чем мягче покрытие, тем медленнее отскок.
Упругость надувного мяча в основном зависит не от свойств материала оболочки, а от величины давления воздуха внутри него. В футбольном мяче внутреннее давление составляет 1,6–1,7 атмосферы. Для этого мяч подкачивают насосом, а судьи перед игрой проверяют давление манометром. В теннисном мяче внутреннее давление составляет 1,0–1,2 атмосферы. Такое давление в нем создается за счет того, что при изготовлении внутрь помещают таблетки нитрита натрия и хлорида аммония. Когда заготовку нагревают для вулканизации резины, эти вещества разлагаются с выделением азота, и давление внутри мяча повышается.
Упругость мяча для настольного тенниса в основном определяется упругостью оболочки, а не давлением воздуха внутри. Такой шарик может плохо отскакивать от тонкого стола, так как будет возбуждать в нем колебания. По этой причине проектировщики очень внимательно относятся к конструкции стола.
Конечно, когда мы смотрим футбол или теннис, вовсе не думаем о том, как отскакивает мяч, а получаем удовольствие от хорошей игры. Правда, когда мяч отскакивает плохо, хорошей игры не получается.
Почему вода мокрая?
Говорить про воду, что она мокрая, не совсем корректно. Правильнее говорить, что вода делает мокрым то, что смачивает или пропитывает. При этом бывают такие объекты, которые никак не намокают. Например, если вода попадает на поверхность, покрытую жиром или парафином, смачивания не происходит. Нельзя, скажем, смочить поверхность листа кувшинки или лотоса, хотя они и не покрыты никаким жиром. Как показали исследования, все дело в особой структуре их поверхности, поэтому к ним не липнет даже пыль и они всегда чистые. Сейчас пытаются создать такую автомобильную краску, которая давала бы поверхность с подобными свойствами, и тогда машины всегда будут чистыми.
Ну, да я отвлекся. Почему же вода в некоторых случаях смачивает поверхности, а в некоторых нет? Дело, оказывается, во взаимодействии молекул воды, воздуха и твердого вещества. Чтобы легче понять, что может произойти, сначала рассмотрим каплю воды в невесомости, когда взаимодействуют только вода и газ. В этих условиях капля примет форму шара. Дело в том, что среди всех тел одинакового объема наименьшую площадь поверхности имеет шар. Это обеспечивает то, что запас энергии в шарообразной капле оказывается меньшим, чем запас энергии в капле любой другой формы. А механические системы приходят в устойчивое равновесие именно при минимальной энергии.
Воссоздать условия невесомости я не могу, но если возьму тонкую пипетку и попробую сформировать небольшую нетяжелую каплю, то ее поверхность в основном будет окружена воздухом, как и в условиях невесомости, так как место контакта капли и пипетки имеет малую площадь. Капля, как и в невесомости, получится почти круглой. Запас ее энергии минимален. Чтобы изменить форму капли, надо придумать способ дополнительного уменьшения ее энергии. Для этого ее можно разместить на твердой поверхности. Если поверхность жирная, капля так и останется круглой. Значит, взаимодействие воды с жирной поверхностью приведет не к уменьшению, а к увеличению энергии капли. Поэтому капля не сможет растечься и останется шариком. Значит, жирная поверхность, например утиное перо, не намокнет.
Если же разместить каплю воды на чистом стекле, она растечется. Это значит, что взаимодействие молекул воды и стекла уменьшает энергию капли по сравнению с тем случаем, когда они взаимодействуют только с молекулами газов воздуха и между собой. Вот, собственно, и все объяснение: дело в молекулярных взаимодействиях. Это объяснение касается не только воды, но и любых других веществ в жидком состоянии.
Можно ли еще как-то повлиять на смачивание? Можно. Поскольку взаимодействие между молекулами зависит от температуры, то при нагреве могут произойти такие изменения, что поверхность станет смачиваемой. Например, если мы пытаемся спаять две медные проволочки оловянным припоем, его надо нагреть до высокой температуры. Нагретое олово начинает смачивать медную поверхность. Если его остудить, проволочки окажутся крепко спаянными.
Иногда со смачиванием приходится бороться. Например, покрывать ботинки кремом, чтобы они не промокали; пропитывать ткани, чтобы изготовить водоотталкивающую одежду. В производстве, например, важно, чтобы расплавленный металл не прилипал к стенкам форм для литья.
Замечательно, что вода смачивает нашу посуду и у нас есть возможность мыть ее дочиста. Смачивает она и нашу кожу, поэтому мы можем быть чисто вымытыми, а это так приятно!
Почему днем все хорошо видно?
Вопрос о том, почему днем все хорошо видно, может показаться странным: на то и день, чтобы было светло и все было хорошо видно. А между тем не все так просто. Хорошо видеть предметы можно двояко: либо когда они сами светятся, либо когда от них отражается свет, излучаемый другими источниками.
Древние греки называли первый случай коротким огнем, а второй — длинным. И их очень занимало то, как человеку удается видеть. Они даже обсуждали вопрос, не исходят ли из глаз некие невидимые щупальца, которыми обследуются предметы.
Сейчас мы знаем, что нам удается видеть благодаря рецепторам в сетчатке глаза, которые приспособлены для восприятия солнечного электромагнитного излучения в определенном диапазоне длин волн — 0,37–0,58 микрометра. Этот диапазон длин волн называется оптическим. Солнечная подсветка позволяет в отраженном свете увидеть все предметы. Казалось бы, больше и думать-то не о чем.
Но выясняется, что есть другие живые существа, которые видят плохо даже в том диапазоне, в котором видим мы. Это ночные животные. Их больше устраивает инфракрасный диапазон. Это несколько более длинные электромагнитные волны, чем у оптического диапазона. Но для этих животных картина мира такая же ясная, как и для нас. Они хорошо ориентируются, могут охотиться, обходить препятствия и т. д. Что важно, в этом случае излучение исходит от самих наблюдаемых объектов. Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение. И чем выше температура тела, тем более смещается к волнам с короткой длиной значение длины волны, на которой мощность излучения максимальна. Например, пока кусок железа нагрет не слишком сильно, мы чувствуем исходящее тепло, но не видим излучения. А если нагреть посильнее, то мы сначала увидим красное свечение, а потом и белое.
Но если есть животные с инфракрасным зрением, то существуют с такими рецепторами, которые реагируют на инфракрасное тепловое излучение, — почему бы не сделать прибор, предназначенный принимать инфракрасный свет и разглядывать, как излучают тепло разные предметы? И такая аппаратура уже изобретена. На этом принципе основаны военные приборы ночного видения: там все как в телевизоре. Инфракрасный датчик принимает тепловое излучение и преобразует его в электрический сигнал. Затем электрический сигнал преобразуется и поступает на телевизионный экран, формирующий оптическое изображение, которое человек и рассматривает. Вы сможете увидеть любые теплые объекты.
Существуют и такие мирные приборы — тепловизоры. Они применяются в медицинской диагностике, чтобы увидеть, какие части тела сильнее нагреты, какие слабее. А при разных нарушениях обмена карта нагрева получается разная. Это и позволяет ставить диагнозы.
Мы также можем смотреть через такой прибор на дом и видеть, где есть щели, откуда уходит тепло и хорошо ли оно удерживается крышей и окнами.
Но вернемся к тому, с чего начали. Получается, что днем нам все хорошо видно потому, что как раз в это время солнце освещает весь мир лучами, на восприятие которых рассчитаны рецепторы сетчатки наших глаз. Не могу не отметить, что смотреть на мир своими глазами гораздо приятнее, чем через тепловизор.
