120 детских вопросов о физике и окружающем мире

В быту мы не думаем о физике и, тем более, об устройстве мира. Всё нам кажется привычным, а иногда даже неинтересным. Но стоит приглядеться, как в каждом обыденном явлении вы увидите «руку физики» – физические явления окружают нас везде и всегда, нужно только их увидеть.

«Просто разбить!» – ответите вы. И будете неправы! Потому что существует очень простой способ определить готовность яйца без вмешательства в его внутренности. Наверняка, многие из вас знают ответ на этот вопрос. Но кого-то, особенно наших юных читателей, эта задачка может поставить в тупик. А

Что это даст? А то, что знание простых законов механики позволит определить, какое яйцо мы взяли в руки – варёное или сырое. Вы сразу это поймёте по поведению продукта: если яйцо легко раскрутилось и долго вращается – оно варёное; если яйцо сделало один-два оборота и остановилось – оно сырое.

Но в чём же секрет? Всё довольно просто.

Что такое сырое яйцо? Это жидкость, заключённая в твёрдую скорлупу, и между этими частями действуют довольно слабые силы вязкого трения. При раскручивании яйца его скорлупа буквально «скользит» по белку, а нижние слои белка и желток остаются практически неподвижными. Также здесь вмешиваются и силы инерции, из-за которых желток и остаётся неподвижным при раскручивании яйца. К чему это приводит? К тому, что сырое яйцо никак не хочет вращаться – оно оказывает заметное сопротивление раскручиванию и через один-два оборота останавливается. Разумеется, здесь речь идёт о раскручивании яйца путём придания ему единичного импульса пальцами. Если же постоянно придавать импульс сырому яйцу, подталкивать его, то оно всё же будет вращаться.

А что такое варёное яйцо? Это практически цельное твёрдое тело, поэтому вращение от скорлупы без задержек передаётся внутренним частям. В результате варёное яйцо легко раскручивается и может долго вращаться на вашем столе (пока его не остановят силы трения о стол и о воздух).

Кстати, отличия между яйцами можно найти и по тому, как они останавливаются. Если вы всё-таки раскрутите сырое яйцо, то при попытке затормозить его пальцами оно окажет заметное сопротивление. А варёное яйцо остановится быстро и без особых усилий. Причина опять же заключается в инерции и силах вязкого трения: при остановке сырого яйца его внутренние жидкие части по инерции продолжат вращение – это и проявится в заметном толчке. При остановке варёного яйца усилие от скорлупы почти мгновенно передастся к внутренним частям, поэтому наш испытуемый эллипсоид остановится быстро.

Вот так законы механики помогают нам определить, с каким яйцом мы имеем дело, не разбивая его.

Принято считать, что мыльная плёнка очень тонка, а поэтому очень непрочна и практически невесома – это доказывают нам переливающиеся всеми цветами радуги, но такие недолговечные мыльные пузыри. Однако мало кто знает, насколько в действительности тонка мыльная плёнка! Не удивляйтесь, но это – одна из самых тонких вещей, существующих в природе, и которые легко может создать человек.

Надуйте мыльный пузырь и посмотрите на него – он переливается всеми цветами радуги, яркие пятна и полосы находятся в постоянном движении, они изменяются и постепенно сползают в нижнюю часть пузыря. В какой-то момент на пузыре появляются «дыры» – бесцветные пятна, которые кажутся дырами на цветном фоне. И спустя некоторое время пузырь лопается.

Оказывается, что цвет мыльного пузыря (то есть, мыльной плёнки) прямо зависит от толщины его стенок. Наиболее толсты сине-зелёные участки, среднюю толщину имеют синие и пурпурные, очень тонки золотисто-жёлтые, а самые тонкие – те самые бесцветные «дыры». Так вот, максимальная толщина мыльной плёнки составляет 120 – 200 нанометров, минимальная – 20 – 25 нанометров. А нанометр – это миллионная доля миллиметра!

Для сравнения: самая тонкая мыльная плёнка примерно в 4000 раз тоньше бумаги, в 3000 раз тоньше человеческого волоса, в 200 раз тоньше паутины, и примерна сравнима по размерам с бактериями и крупнейшими вирусами!

Кстати, а какие инструменты или приборы используются для измерения толщины плёнки? Самое интересное, что это можно сделать вовсе без инструментов. Ещё Роберт Гук и Исаак Ньютон в XVII и XVIII веках предположили, что окраска мыльной плёнки связана с её толщиной. Связь эта простая – в плёнке из-за её особого строения происходит интерференция света, в результате которой из белого света «вычитаются» различные цвета, что приводит к изменению окраски. А зная законы интерференции и цвет плёнки, можно рассчитать её толщину, для этого применяются несложные формулы – именно с их помощью мы и узнали, что мыльная плёнка является одной из тончайших вещей нашего мира.

У вас есть два стеклянных стакана – один с толстыми стенками, а второй тонкостенный. В какой из них наливать кипяток безопаснее? Бытует мнение, что чем толще стенки, тем они прочнее, а значит и к кипятку такой стакан более устойчив. Но это глубочайшее заблуждение – лучше наливать кипяток в тонкостенный стакан!

Парадокс? Ничуть. И это станет понятно, если подробнее посмотреть на те процессы, которые происходят в стенках посуды при её заполнении кипятком. Известно, что при нагревании все тела расширяются – это же происходит и со стенками стакана. Однако сначала от кипятка нагреваются внутренние слои стенок, и постепенно тепло передаётся к наружным слоям. То есть, стенка посуды прогревается неравномерно, а значит, и её расширение тоже происходит неравномерно.

Вот и выходит, что толстые стенки не успевают быстро прогреться во всём объёме, поэтому расширение начинается с внутренних слоёв. В результате возникают деформации, которые приводят к растрескиванию стекла, причём иногда к очень стремительному и опасному. Всё это мы наблюдаем и при остывании посуды – наружные слои стенок остывают быстрее внутренних, что опять приводит к деформациям и может стать причиной разрушения стакана.

Аналогичные процессы происходят и в тонких стенках, однако они очень быстро прогреваются во всём объёме, и возникшие было деформации исчезают, не успев нанести вреда. Но если у тонкостенного стакана толстое дно, то кипяток также может привести к печальному финалу. Это нужно всегда учитывать при выборе кружки или стакана.

Кстати: именно из-за описанных процессов вся стеклянная лабораторная посуда выполняется тонкостенной. Такую пробирку или колбу можно нагреть на огне и тут же охладить, не опасаясь за её целостность. Хотя для особо ответственных работ используется специальная посуда из кварцевого стекла, которое вследствие малого коэффициента расширения не растрескивается даже при нагреве до красного каления и мгновенного охлаждения в ледяной воде.

Чтобы согреться, мы одеваемся потеплее – в кофты, куртки, шубы, варежки. Поэтому мы привыкли считать, что все эти тёплые вещи нас согревают. Но дают ли они тепло? На первый взгляд может показаться, что дают, ведь когда мы их надеваем, то согреваемся! Но в действительности всё не так.

Прежде, чем ответить на этот вопрос, проведите несложный эксперимент: возьмите градусник, заверните его в тёплую вещь, и оставьте так на полчаса. И что вы увидите, когда достанете градусник? А то, что его показания никак не изменились! Можно пойти дальше, и взять два кубика льда, один оставить при комнатной температуре (просто положите его в тарелочку), а второй заверните в тёплую вещь (но предварительно положите его в пакет). Спустя полчаса вы увидите, что льдина в тарелке подтаяла намного сильнее, чем та, что «грелась»!