120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Откуда берутся искры при трении кремня?

Мы часто в своей жизни встречаемся с искрами, возникающими при трении – целые снопы искр высекает наждачный круг из инструмента во время заточки, вылетают искры из-под колодок при торможении поезда, даже случайный удар металлических предметов или камней сопровождается несколькими слабыми искорками. И, конечно, появляются искры при трении кремня о кресало, причём эти искры способны зажечь легковоспламеняющиеся материалы, на чём основано действие огнива.

Но откуда возникают эти искры? И откуда, в частности, берутся искры в огниве? Оказывается, причина искр – вовсе не кремень, как принято считать, а металлическое кресало!

Мысленно «заглянем» внутрь любого металла – там мы увидим кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные ионы, а пространство между ионами заполнено свободными электронами (этим и объясняется электропроводность металлов). В кристаллической решётке ионы удерживаются довольно прочно, однако при механическом воздействии их относительно легко «оторвать» – именно поэтому металлы так легко поддаются разнообразной механической обработке.

И именно поэтому из металлов легко высекаются искры. При ударе о заострённые предметы или просто при трении от поверхности металла откалываются микроскопические частицы. Эти частицы за счёт трения разогреваются до очень высоких температур (вплоть до 1000 °C!) и загораются при контакте с кислородом воздуха – эти горящие частицы нам и представляются в виде искр.

А что же кремень? А то, что из этого камня (издревле в качестве кремня использовался оксид кремния SiO

) искры не высекаются. Точнее, при большом усилии и из куска кремня могут вылетать отдельные искры, но они очень редки, малы и не обладают воспламеняющей способностью. Потому что в минералах кристаллические решётки образованы целыми атомами, а не ионами, и связь между атомами очень часто оказывается более прочной – вспомните хотя бы алмаз. Зато на поверхности кремня много очень прочных заострённых граней, при трении о которые от металлического кресала легко откалываются кусочки – именно они загораются и становятся искрами. В общем-то, то же происходит при трении металла о наждачный круг, который состоит из мелких заострённых зёрен высокой прочности, и в других ситуациях.

Так что в огниве искры образуются из металла, и трением двух кремней друг о друга вы костёр не зажжёте.

Почему острые предметы колючи?

Почему иголка колется, острый нож режет, а хорошие гвозди легко входят в дерево? И почему эти же предметы, перевёрнутые обратной стороной, никак не хотят выполнять свою работу? Всё дело в такой физической величине, как удельное давление. Эта же величина позволяет нам кататься на лыжах, гусеничному трактору не утопать в заболоченном грунте, йогу лежать на гвоздях и происходить многим другим явлениям нашего мира.

Удельное давление – величина, показывающая, какое давление тело (либо среда – жидкость или газ) оказывает на единицу площади опоры (стенок сосуда для газов и жидкостей). Данная величина определяется по простой формуле p=F/S, где p – это удельное давление, F – сила давления, а S – площадь опоры. Внимательно посмотрев на формулу, мы найдём ответ на заданный в заголовке вопрос.

Дело в том, что тела с неодинаковой площадью опоры при приложении одинаковой силы создают разное удельное давление на свою опору. Яркий пример – лыжи и ботинки. Вес человека в лыжах распределяется по в 15 – 20 раз большей площади, чем в ботинках. Поэтому давление от подошв ботинок таково, что снег проваливается, а давления от лыж хватает лишь для деформирования верхнего слоя снега, поэтому лыжник свободно прокладывает себе путь по снежной целине.

У иголки площадь опоры очень мала (миллионные доли квадратного миллиметра), поэтому даже при небольшом усилии давление на её острие может достигать десятков, сотен, а то и тысяч атмосфер! Давление такого же порядка создаётся и на острие заточенного ножа. Неудивительно, что игла пронзает ткань и больно «кусается» при неосторожном обращении – такому давлению могут противостоять только материалы, прочнее самой иглы.

А как же йоги могут лежать на заострённых гвоздях? Здесь тоже всё просто – для демонстраций используются лежбища из гвоздей, расположенных очень близко друг к другу. В итоге йог ложится не на один гвоздь, а на целое поле гвоздей, благодаря чему площадь контакта тела йога с остриями гвоздей увеличивается в несколько сотен раз, а удельное давление, соответственно, падает. Такое ложе становится просто жёстким и неудобным, но не колючим, и при желании даже вы сможете лечь на него!

Можно ли проткнуть монету иглой?

Казалось бы, ответ очевиден – простой швейной иголкой проткнуть монету невозможно, игла разве только царапины оставит, но никак не отверстия. Но если разобраться, то мы придём совсем к другим выводам.

Сначала посмотрим на то, что такое игла и что такое монета. Современные иглы изготавливаются из специальной стали – инструментальной. Эта стать обладает высокой твёрдостью, поэтому из неё делают топоры, метчики, напильники и другой подобный инструмент. А монеты чаще всего изготавливаются из меди, латуни, медно-никелевых сплавов и нейзильбера (медно-никелевое сплава с цинком) – все эти металлы и сплавы значительно уступают стали по твёрдости. Разумеется, здесь есть и исключения, например – с 2009 года российские монеты достоинством 5 и 10 рублей чеканятся из специальных марок стали с медным и латунным покрытием. В любом случае, эти сплавы имеют меньшую твёрдость, чем инструментальная сталь.

То есть, игла прочнее монеты, и теоретически может её проткнуть. Но как это сделать? На самом деле это несложная задача, решение которой мы находим ещё у знаменитого французского популяризатора науки Тома Тита в его книге «Занимательная наука» 1890 года издания.

Итак, чтобы проткнуть монету, нам нужна хорошая швейная игла, винная пробка, пассатижи и молоток, также желательно иметь деревянную подставку. Порядок действий простой. Сначала нужно воткнуть иглу в пробку так, чтобы её острие выступало на 0,3 – 0,5 мм. При этом игла должна проходить строго по оси пробки, в противном случае опыт может не удаться. Оставшуюся часть иглы, торчащую сверху пробки, нужно откусить пассатижами. Очень важно, чтобы игла даже на миллиметр не выступала над пробкой, это может привести к неудаче. Теперь нужно поставить пробку на монету и нанести резкий и сильный удар по пробке, причём важно попасть точно в её центр. Если вы сделаете всё правильно, то увидите, как игла буквально прошила монету, выйдя остриём с обратной стороны.

Как правильно проткнуть монету иглой

Как же такое получилось? Если мы ударим по игле без пробки, то она просто согнётся или даже сломается, и ничего не получится. Пробка же предотвращает деформирование иглы, поэтому всё усилие от молотка передаётся на острие иглы, здесь возникает очень высокое давление (вспомните всё, что было сказано в «Почему острые предметы колючи?»), которого достаточно для прокалывания монеты насквозь. Как видите, эффект довольно простой, но он уже больше века не перестаёт удивлять и радовать людей.

УДИВИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА

Механика – древнейший раздел физики, её законы были открыты нашим далёкими предками, и во многом благодаря этим знаниям стало возможным развитие человеческой цивилизации. Однако механика не так проста, как может показаться на первый взгляд, эта наука и сейчас преподносит сюрпризы.

По какому пути падает камень?

Возьмите и бросьте камень так, как вам захочется (но желательно не в окно соседнего дома), и постарайтесь запомнить траекторию его полёта. Теперь задайте себе вопрос: а какой траектория камня виделась пешеходам, пассажирам проезжавшего мимо автомобиля, пролетающему над вашей головой космонавту или инопланетянину с далёкой планеты?

Кого бы вы ни спросили, все дадут разные ответы! С точки зрения пешехода картина почти не отличается от той, что наблюдали вы. Но для автомобилиста всё иначе: если он мчался по направлению полёта камня с такой же скоростью, камень проделал лишь вертикальный путь вверх и вниз. А если скорость была иной, то камень не просто поднимался вверх и вниз, но ещё догонял или отставал от автомобиля. Совсем движение камня увидит космонавт: булыжник за считанные секунды преодолеет несколько километров вместе с земной поверхностью, а изменение его высоты полёта будет практически неизменным. Наконец, инопланетянин увидит (предположим, у него есть приборы для такого наблюдения), как камень преодолевает многие километры вместе с вращением Земли, одновременно пролетая десятки километров вместе с Землёй по орбите вокруг Солнца, и, наконец, пролетает сотни километров вместе с движением Солнца в Галактике – траектория этого камня получится весьма замысловатой.

Один из примеров принципа относительности Галилея. Наблюдатель в вагоне видит отвесное падение камня. Внешний наблюдатель видит падение камня по параболе. Оба наблюдатели увидят одинаковую скорость падения камня по вертикали, но разные горизонтальные скорости и траектории

Все это – одно из следствий принципа относительности, сформулированного ещё в 1632 году Галилео Галилеем. Согласно этому принципу, физические явления для систем, движущихся прямолинейно и равномерно (такие системы называются инерциальными) будут одинаковыми, однако величины, характеризующие эти явления, могут отличаться. В нашем случае все наблюдатели видят падающий камень, однако для каждого из них координаты, скорость и ускорение (а следовательно – и траектория движения) этого камня будут разными.

Так что мы можем сделать простой, но шокирующий вывод: у летящего камня (как и у любого тела в нашей Вселенной) нет «истинной» траектории движения. И чтобы говорить о траектории и, тем более, производить её расчёт, нужно обязательно указывать, относительно какой системы отсчёта это выполняется.

Легко ли поднять Землю рычагом?

Широко известно выражение Архимеда «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!»[1 - В действительности этих слов сам Архимед не говорил, да и достоверно неизвестно, как он выразил свою мысль – мы лишь знаем со слов Плутарха о письме Архимеда царю Сиракуз Гиерону, в котором механик говорил о возможности поднять Землю рычагом. Допускаем, это просто легенда, но она очень красива и продолжает жить в наше время.], которое давно стало крылатым. Однако, если разобраться в вопросе, то станет понятно – поднять Землю гипотетически можно, но на практике ни Архимед, ни кто-либо другой сделать этого не сможет.

Для начала разберёмся, почему с помощью рычага можно перемещать тяжёлые предметы. Рычаг – это простейший механизм, в котором используется закон сохранения энергии. При перемещении рычага оба его плеча, независимо от их длины, должны совершать равную работу. А работа – это произведение силы, приложенной к рычагу, на путь (или перемещение). Понятно, что короткое плечо рычага может переместиться на меньшее расстояние, чем длинное плечо, но так как работа, совершаемая плечами одинакова, то на коротком плече возникает большее усилие. При этом длинное плечо совершает больший путь с приложением меньшей силы.

Теперь понятно, о чём думал Архимед – рычагом можно поднять любую массу, даже Землю, для этого достаточно найти рычаг достаточной длины и точку опоры для него. Но вот именно здесь-то Архимед и просчитался.

Простые расчёты приводят к весьма неожиданным результатам. Чтобы человек мог «поднять» Землю хотя бы на 1 см, потребуется рычаг, длина плеч которого отличается в 10

раз (число с 23 нулями)! Откуда такая разница? Всё просто: масса Земли составляет примерно 6х10

кг, а человек в среднем может поднять 60 кг, то есть – разница в те самые 10

раз. При такой длине рычага перемещение его короткого плеча на 1 см потребует перемещения длинного плеча на 10

(число с 18 нулями) километров или чуть более 100 тысяч световых лет!

При доступной для человека скорости перемещения рычага в 1 м/с весь процесс займёт колоссальное количество времени. При указанной скорости наш Архимед за час сможет сдвинуть рычаг на 3,6 км, за год (8760 часов) – на 31536 км. А чтобы сдвинуть рычаг на 10

км, потребуется около 31,8 триллионов лет – это примерно в 2200 раз больше текущего возраста Вселенной! Ну, а если пофантазировать и предположить, что Архимед нашёл способ двигать рычаг со скоростью света, то на всю работу потребуются те самые 100 000 лет.

Так что гипотетически сдвинуть Землю Архимед мог бы, но вы уже поняли, насколько это сложная и фантастическая по своей сути затея.

Как балансировать предметами?

Наверняка, вы не раз видели фокус с балансированием предметами: артист (который называется балансёром) держит на одном пальце трость, посуду, стул или даже своего коллегу, и удивляет публику мастерством. Однако балансирование предметами – это не так уж и сложно, как может показаться на первый взгляд. Чтобы понять это, нужно разобраться в некоторых законах механики.

Для начала давайте разберёмся, почему предметы устойчивы. Всё дело в расположении центра тяжести тела относительно его опоры. Для устойчивости должно соблюдаться простое правило: отвесная линия, проведённая из центра тяжести тела, должна проходить через площадь опоры. Как только центр тяжести оказывается вне опоры – тело опрокидывается.

Такой цилиндр опрокинется, так как его центр тяжести (ЦТ) выходит за пределы площади опоры

Теперь посмотрим на балансёра с тростью – он постоянно балансирует ею, двигает из стороны в сторону. Зачем он это делает? А затем, чтобы постоянно удерживать центр тяжести трости над её точкой опоры! При отклонении трости её центр тяжести выходит за границы опоры – балансёр тут же подводит опору под центр тяжести, и трость не падает.

Интересно, что важную роль в этом деле играет высота центра тяжести балансируемого предмета. Если он расположен слишком низко, то при отклонении тела быстро подвести опру под центр тяжести не получится. А если центр тяжести расположен достаточно высоко, то при его отклонении гораздо проще переместить опору в нужное место. Так что не удивляйтесь, когда артист балансирует тяжёлой вещью на тонкой ножке или трости – такой трюк выполнять гораздо проще, чем балансировать короткими и круглыми предметами.

Конечно, это нисколько не умаляет труда и таланта артистов – ведь они должны не просто знать законы физики, но и уметь применять их. А это достигается годами тренировок, проб и ошибок.

Насколько тесно тела контактируют друг с другом?

Возьмите (мысленно или реально) две железных пластины, и измерьте площадь их большой стороны – пусть она будет равной 10 см