СОЛНЦЕ, ВОЗДУХ И ВОДА

Идет последний месяц весны. Солнце греет все сильнее, и синоптики обещают жаркое, солнечное лето. А пока благодатное время каникул и отпусков не наступило, проделаем несколько физических экспериментов, которые позволят со знанием дела подойти к летнему отдыху.

ЧЕРНОЕ ТЕЛО, ЗЕРКАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Несложный опыт позволит оценить, насколько сильнее нагревается черная поверхность относительно зеркальной. Для этого понадобятся банка из-под любого напитка и уличный (а лучше - лабораторный) термометр (а еще лучше - два одинаковых).

Разрежьте банку и распрямите получившийся тонкий металлический листок. Сверните из него две трубки длиной 3-5 сантиметров и такого диаметра, чтобы в них свободно входил термометр. Обе трубки нужно свернуть зеркальной стороной листка наружу и закрыть пробкой с одного конца. Поверхность одной из них после изготовления закоптите в пламени свечи.

Положите трубки с вставленными в них термометрами на солнце и посмотрите, до какой температуры они нагрелись. По разнице температур можно судить, насколько больше тепла получило черное тело относительно зеркального. Количество полученного в обоих случаях тепла можно также измерить, причем довольно точно. Для этого понадобятся две консервные банки из белой жести (например, от консервированного молока). Одну отполируйте до зеркального блеска, другую закоптите. Налейте в них одинаковое количество воды, закройте пенопластовыми крышками, пропустив сквозь них термометры, и выставьте калориметр на солнце.

Количество полученного телом тепла Q связывает с величиной его нагрева на ∆t градусов простая зависимость: Q = cm∆t, где c - удельная теплоемкость вещества тела, m - его масса. Теплоемкость воды хорошо известна, а ее массу можно найти взвешиванием или при помощи мензурки.

Убедиться, что черная поверхность не только сильнее нагревается, но и активнее отдает тепло, поможет давно известный несложный опыт. Возьмите большую консервную банку, закоптите только одну ее сторону и налейте в нее горячей воды. Поднесите к ней руки, не касаясь стенок, и вы явственно почувствуете, что от черной поверхности исходит гораздо больше тепла. Из этого можно сделать вывод: батареи центрального отопления и прочие нагревающие поверхности следует красить в темные цвета.

Погрузившись в воду, человек испытывает ни с чем несравнимое чувство легкости, доступное разве что космонавтам в условиях невесомости (кстати, во время тренировок на земле невесомость имитируют, погружая макеты блоков орбитальных станций и самих космонавтов в огромный бассейн). Чувство это появляется благодаря действию закона Архимеда - появлению выталкивающей силы со стороны жидкости на погруженное в нее тело. Ее величина равна весу жидкости в объеме погруженной части тела, а сама сила направлена вертикально вверх и приложена к центру тяжести объема. Возникает она из-за того, что нижняя и верхняя поверхности тела, расстояние между которыми ∆h, находятся на разной глубине и, следовательно, испытывают разное давление. Разность давлений ∆p = ρg∆h, где ρ - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести (их произведение - удельный вес жидкости), умноженная на площадь горизонтальных поверхностей тела S, дает величину выталкивающей силы F = ∆pS = ρg∆hS. Это - математическое выражение сформулированного выше закона Архимеда, поскольку объем погруженной части тела V = ∆hS, умноженный на удельный вес жидкости, и есть ее полный вес в указанном объеме.

Приведенное определение закона Архимеда не приравнивает выталкивающую силу к весу вытесненной телом жидкости, и неслучайно - такое определение не вполне корректно. Давление столба жидкости определяется только его высотой и не зависит от веса жидкости в нем. В этом состоит так называемый гидростатический парадокс. И если, скажем, опустить тело правильной формы объемом порядка литра в сосуд, размеры которого лишь немного больше, оно станет там плавать, вытеснив всего лишь несколько десятков миллилитров воды, а то и меньше (см. "Наука и жизнь" № 6, 1983 г.).

За счет гидростатического парадокса архимедова сила будет действовать, пока между нижней поверхностью тела и дном остается хотя бы тонкий слой жидкости. Если же он исчезнет, сила гидростатического давления прижмет тело ко дну и не даст ему всплыть. В такой драматической ситуации изредка оказывались подводные лодки, ложась на вязкий глинистый грунт. Наглядно продемонстрировать ее можно на парафиновой модели лодки с плоской нижней поверхностью, "прилипающей" ко дну аквариума.

Величина выталкивающей силы возрастает с увеличением плотности жидкости. В соленой морской воде на плаву держаться немного легче, чем в пресной: ее плотность на несколько процентов больше. И смертельно опасно купаться возле водопадов, водосбросов больших плотин и в водоемах с выходом подземных газов. Вода там насыщена пузырьками воздуха, ее плотность сильно уменьшается, и удержаться на поверхности нет никакой возможности.

Как влияет плотность воды на плавание, можно показать с помощью куриного яйца. Свежее яйцо тонет в пресной воде и плавает в соленой. В сосуд с пресной водой осторожно, по стенке, тонкой струйкой налейте крепкий раствор поваренной соли. Более тяжелый, он опустится на дно. Опущенное в сосуд яйцо станет плавать на границе раздела жидкостей. Через какое-то время граница начнет размываться вследствие диффузии, и яйцо станет либо подниматься, либо опускаться, в зависимости от установившейся концентрации соли.

Посмотрим, как влияет движение воздуха на ощущение тепла и холода. Опустите руку в тазик с холодной водой и подержите ее там, пока рука не замерзнет. Если теперь на мокрую кожу слегка подышать, рука согреется, а если дунуть посильнее - охладится еще больше.

Причина столь разного ощущения от, казалось бы, одинакового воздействия проста. В холодной воде кожа может остыть градусов до 15-ти. А выдыхаемый воздух имеет температуру тела - почти 37 градусов и поэтому воспринимается как очень теплый. В сильной же воздушной струе идут сразу два процесса. Во-первых, давление в потоке воздуха падает (см. "Наука и жизнь" №12, 2002 г.) и в него засасывается прохладный воздух комнаты. И во-вторых, интенсивный обдув мокрой кожи усиливает испарение воды с ее поверхности. На превращение одного грамма воды в пар требуется энергия, и немалая - 539 калорий, или 2260 джоулей. Эту теплоту испарения отдает, охлаждаясь, тело. Отсюда следует полезный вывод: выйдя из воды, не стойте на ветру, чтобы не простудиться из-за сильного переохлаждения.

Двигаться в воде нелегко - она сопротивляется, причем характер ее сопротивления сильно отличается от законов сухого трения. Пока скорость невелика, сила сопротивления пропорциональна ее первой степени, и при уменьшении скорости до нуля сопротивление жидкости исчезает. Поэтому даже малая сила, воздействующая на плавающую в воде большую массу, способна не только сдвинуть ее с места, но и разогнать до вполне приличной скорости. Однако при этом сила сопротивления очень быстро начинает расти - как вторая степень скорости. Столь сложная зависимость объясняется тем, что при малых скоростях определяющую роль играет вязкость жидкости, а при больших - ее инерция. Жидкость перестает обтекать тело гладкими струями и не успевает смыкаться за ним, в потоке образуются вихри (см. "Наука и жизнь" № 12, 2002 г.). Кроме того, сила сопротивления жидкости сильно зависит от формы тела и площади его поперечного сечения: ладонь в воде гораздо легче вести, повернув ее ребром.