Физика для гуманитариев. Учебник для взрослых о невидимой архитектуре быта: от строения веществ до мощности и энергии

Что общего между марганцовкой в стакане, поездкой в маршрутке и крабовым салатом? Всё это подчиняется законам физики.

«Физика для гуманитариев» — не просто рассказ о законах природы. Это теплая и ироничная хроника жизни, где каждая бытовая сцена оборачивается наглядной иллюстрацией научного принципа: чайник напоминает о температуре, собачья шерсть в супе — о броуновском движении, а случай в столовой — о плотности вещества.

Для тех, кто боится физики — идеальное начало. Для тех, кто её любит — неожиданная перспектива. И отличное напоминание о том, что знание начинается с удивления.

Глава 1. Строение веществ

Зима. Шло 32 февраля, не предвещающее окончания холодов. Все предыдущее время жаркая ненависть к этому сезону согревала меня лучше всякой шапки и застегнутой куртки, но и ее запал иссяк к концу нескончаемой зимы. Простывшая, я сидела на кухне безучастным наблюдателем собственного лечения.

Мне посчастливилось родиться в глубоко верующей в народную медицину семье, поэтому, сидя за столом, я наблюдала, как марганцовка медленно растворяется в жидкости для полоскания горла. Удивительно, но крохотная капля окрасила в розоватый цвет все содержимое стакана. Много лет назад подобный процесс навел людей на мысль о том, что все вещества состоят из мелких частиц — молекул, а само явление было названо диффузией.

Диффузия — взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.

Пребывая в своих мыслях, я забыла включить чайник, поэтому теперь пакетик равнодушно плавал в едва ли поменявшей цвет холодной воде. Что ж, хорошее напоминание — скорость диффузии зависит от температуры вещества. Чем сильнее нагрето тело, тем быстрее молекулы перемещаются и взаимодействуют друг с другом.

День не задался. С градусником под мышкой я поплелась в постель, сопровождаемая запахом готовящегося супа, мгновенно распространившимся по всей квартире.

К этому моменту температура моего тела растолкала молекулы ртути в градуснике, что привело к тепловому расширению, то есть увеличению объема ртути до деления 37,7. Обессилевшая, я задремала.

Мне приснился сон. Люди в переполненной утренней маршрутке превратились в молекулы. Во время движения автобуса они были подобны твердому телу, сохраняющему форму и объем — все молекулы находились в плотном неподвижном строю, едва покачиваясь на своем месте. Чем ближе автобус приближался к остановке, тем более интенсивным становилось движение — молекулы начали перемещаться в пространстве, пропуская желающих выйти. Так, некогда неподвижное вещество превратился в текучую жидкость, а после и в газ, когда большой поток молекул вышел на остановке, более не скованный постоянным объемом… Видимо, сегодня я слишком много думала о молекулах.

Когда я проснулась, у кровати интенсивно почесывалась моя собака, а на тумбе стояла тарелка с плавающей в супе ‌. Ах да, вот и броуновское движение — еще одно доказательство молекулярного строения вещества.

Броуновское (тепловое) движение — беспорядочное перемещение микроскопических видимых частиц твёрдого вещества, плавающих в  жидкости или газе (молекулы жидкости перемещают частицу).

Итоги главы 1:

• Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном беспорядочном движении.
• Взаимное расположение молекул определяет агрегатное состояние вещества:
• твердые тела сохраняют форму и объем — молекулы колеблются в узлах кристаллической решетки;
• жидкости сохраняют объем, но не форму — молекулы прочно связаны между собой, но перемещаются в пространстве;
• газы не сохраняют ни формы, не объема — молекулы почти не связаны между собой и занимают весь предоставленный объем.
• Доказательства молекулярного строения — броуновское движение и диффузия.
• Броуновское (тепловое) движение — беспорядочное перемещение микроскопических видимых частиц твёрдого вещества, плавающих в жидкости или газе.
• Диффузия — взаимное проникновение молекул одного вещества межд молекулами другого.
• Скорость движения молекул определяет температуру тела (чем больше скорость, тем выше температура).

Объем тела зависит от температуры — при нагревании происходит тепловое расширение (увеличение объема).

Глава 2. Механическое движение

Пленительный аромат долгожданной весны пробудил во мне непреодолимое желание добраться до школы пешком. Нет, я не планировала пропускать уроки, бесцельно блуждая по городу в путанных романтических мыслях. Дело в том, что моя школа отделена от дома лесистой местностью. Таким образом, как перемещаясь пешком по прямой, так и проделывая петляющих путь на автобусе, мне приходилось добираться до точки назначения около часа.

Траектория — линия, по которой перемещается объект.

Путь — длина траектории.

Перемещение — кратчайшее расстояние между точками начала и конца движения.

Пока я уверенно двигалась по назначенной траектории, окружающие меня вечнозеленые сосны пробудили во мне детские воспоминания о живописной дороге в деревню, пролегающей сквозь леса и холмы. С непреодолимым любопытством я наблюдала за деревьями, которые все быстрее и быстрее убегали вдаль. «Как это возможно? Стоит ли вообще доверять своим глазам?» Эти вопросы не давали мне покоя.

Действительно, как мы понимаем, движется ли объект или находится на месте? Внезапно проснувшись в вагоне с опущенными занавесками, мы не всегда можем определить, стоит ли поезд или пробирается сквозь ночную мглу. И лишь мерное постукивание колес выдает себя.

Когда вы находитесь в метро, относительно людей в вагоне ваше тело неподвижно, для ожидающих на платформе вы движетесь со скоростью поезда, а в космических масштабах вы летите со скоростью 230 километров в секунду, вращаясь вокруг центра Галактики. Верно и обратное: относительно вашего неподвижного тела как стоящие на платформе люди, так и Галактика совершают движение.

Поглощенная своими размышлениями, я сбилась с маршрута. Теперь мне понадобилась помощь навигатора, который бестактно сообщил мне, что я опаздываю.

С чего бы? Откуда он вообще знает? Карта хранит данные не только о длинах маршрутов, но и информацию о средней скорости ходьбы или езды. Несмотря на неравномерность нашего движения (по пути мы где-то идем быстрей, где-то вынуждены притормозить на светофоре или постоять в пробке), навигатор достаточно точно рассчитывает время в пути именно благодаря тому, что усредненная скорость учитывает все особенности нашего маршрута. И благодаря увеличению количества информации, с каждым годом предсказание времени в пути становится все лучше ‌.

Врожденный дух противоречия не позволил мне пойти на поводу у навигатора — едва переведя дыхание, я все же пришла в класс вовремя.

Итоги главы 2:

• Механическое движение — изменение положения одного объекта‌ относительно других. Тело может двигаться относительно одних тел, но стоять по отношению к другим.
• Траектория — линия, по которой движется тело.
• Путь — длина траектории.
• Перемещение — кратчайшее расстояние между точками начала и конца движения.
• Неравномерное движение — движение с изменяющейся скоростью, т. е. за равные промежутки времени тело проходит разные пути.
• Равномерное движение — движение с одной и той же скоростью на всем участке пути, т. е. за равные промежутки времени тело проходит равные пути.
• Скорость — быстрота движения; путь, деленный на время.
• Средняя скорость — скорость неравномерного движения, учитывающая остановки и изменения быстроты в течение пути.
• Мгновенная скорость — скорость в данный момент времени.

Глава 3. Инерция и масса

Влетев в класс, я не смогла сманеврировать и из-за инерции врезалась в учителя, который от неожиданности по инерции вскрикнул. К счастью, на этом цепная реакция завершилась.

Вы можете со мной не согласиться, но подобная игра слов показалась мне весьма забавной, раскрывающей суть термина. Как бы я ни хотела затормозить, сделать это мгновенно не получилось — мое тело, как и преподаватель, не успело «сообразить» и отреагировало «по привычке».

Инерция — способность объектов сохранять свою скорость, то есть состояние покоя или движения.

После утреннего фиаско мне нужен был реванш. Я решила бросить вызов инерции, удерживая равновесие на поворотах автобуса и при его торможении. По плану мне предстояло встретить стихию с распростертыми объятиями, пренебрегая помощью поручня — наклоны тела в противоположную сторону должны были нейтрализовать влияние инерции… к счастью, в момент падения под боком оказался прекрасный амортизатор в виде недовольного кондуктора.

Жутко несправедливая вещь эта инерция. Мне вспомнилась детская досада во время катания на ледяных горках — взрослые уезжали невероятно далеко, а я останавливалась, едва оказавшись на пологой части. Чем тяжелее объект, тем сильнее он желает сохранить свою скорость. Едва ли кому-то удавалось столкнуть отца с горы без его помощи, но, когда он набирал скорость, его невозможно было остановить.

Впрочем, во всем есть свои преимущества. В противном случае, покидая пристанище угрюмого кондуктора, я бы оттолкнула автобус ногой, как это происходит с легкой лодкой, причалившей к берегу.

Итак, тяжесть предмета, то есть его масса, определяет его способность сохранять скорость. Но что определяет саму массу?

В лукавости массы я убедилась в столовой бассейна, когда заказала 200 граммов салата. Неделю назад я пожалела, что взяла так много. В этот раз тарелка выглядела пустовато. Возможно, причина в том, что предыдущий салат был овощной. И в чем же принципиальная разница? Как оказалось, масса зависит от объема, то есть занимаемого объектом пространства, а также плотности. Плотность разных веществ различна. Она показывает, на сколько в одном и том же объеме одного вещества содержится больше молекул, чем в том же объеме другого. В быту мы прибегаем к понятию плотности, когда выбираем одежду или анализируем плотность автомобильного потока, прокладывая оптимальный маршрут.

Итак, по сравнению с овощами, крабовые палочки и яйца оказались более плотными, поэтому при той же массе я получила меньший объем салата. Кто бы мог подумать… Думаете, лучше было поесть дома?

Итоги главы 3:

• Инерция — способность тела сохранять свою скорость (нулевая скорость — тоже скорость).
• Масса — мера инертности тела. Чем больше тело, тем сильнее стремится сохранить скорость.
• Плотность — отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму, ρ=m/V, m — масса, V — объем.

Глава 4. Силы и векторы

Толкнув со всей силы дверь подъезда, я порядочно ушибла руку. Да, силы возникают парами — с какой интенсивностью я выместила свое недовольство на двери, с той же отозвалось и оно на моей наивной руке, надеявшейся избежать последствий своих действий.

Сила — мера взаимного действия тел. Сила обозначается как F (force), единица измерения ньютон. Например, F = 5Н.

Что характерно для подобных ситуаций, несмотря на сильный удар, дверь открылась нехотя, едва ли выпустив меня наружу. Да-да, на ней стоял доводчик, но дело не только в этом. Удар пришелся ближе к креплению. Так я убедилась, что действие силы зависит не только от ее величины, но и от точки, к которой эта сила приложена. Конечно, важную роль играет также и направление. Возможно, факт достаточно очевидный. Однако из него вытекает множество комичных последствий — например, мой фееричный удар в свои ворота на уроке физкультуры… К счастью, объединив усилия, мы все же победили. Или нет. По крайней мере, мне хочется в это верить.

Физические величины, которые зависят не только от величины, но и от направления и точки приложения называются векторными. Сила — векторная величина.

Звучит красиво — объединить усилия. В переводе с русского на физический можно сказать также «сложить силы». Почему же тогда этот положительный процесс иногда имеет отрицательный результат? Почему же сумма сил, или равнодействующая, может быть равна нулю? Успех в любом деле возможен только в случае совместно выбранной цели — когда силы действуют в одном направлении. В противоположном случае почти невозможно прийти к нужному результату.

Итоги главы 4:

• Сила — мера взаимного действия тел. Сила обозначается как F (force), единица измерения ньютон. Например, F = 5 Н. Сила — причина изменения скорости.
• Прибор для измерения силы — динамометр.
• Векторы — физические величины, которые зависят не только от величины, но и от направления и точки приложения. Сила — векторная величина.

Глава 5. Гравитация. Сила упругости.

Вопреки всем известным законам физики авторитетно утверждаю — сила гравитации особенно сильна по утрам. Более того, ее могут усиливать мысль о предстоящей контрольной и дождь за окном. Я просто не могла найти в себе силы встать с кровати. К великому счастью, моя младшая сестра пришла ко мне на помощь. Пока она прыгала по кровати, сила упругости сделала свое дело. Недовольный матрас отпружинивал в ответ на бесстыдное нарушение покоя. Я поплелась в ванну с мыслью, что спать на твердом неупругом полу — не такая уж и плохая идея.

Включенный фоном телевизор бесновался в отчаянных попытках привлечь к себе внимание: «…в результате аварии был сильно помят кузов легкового автомобиля, пострадавших нет». Мда, было бы неплохо, если бы сила упругости явила себя и таком случае. Но нет, далеко не все материалы находятся под ее надежной защитой.

Сила упругости возникает в результате деформации эластичных тел — сжимая или растягивая предмет, мы заставляем молекулы оказаться в непривычно близком или далеком друг от друга положении. При сжатии силы отталкивания молекул интровертов стремятся вернуть предмету исходную форму. Во время растяжения эти же молекулы обнаруживают в себе также и черты экстравертов, заставляя с помощью межмолекулярных сил притяжения вернуться в первоначальное состояние. Возвращающая сила зависит от того, на сколько сантиметров деформация изменила длину тела, а также от коэффициента жесткости самого вещества. Важно помнить! У всего есть предел, даже у упругих тел. При превышении предела прочности молекулы будут уже не в силах помочь предмету вернуть исходную форму. Другое дело — пластичные вещества. Податливый пластилин невозможно сломить, но легко безвозвратно изменить его форму. В общем, как говорится: каждый выбирает для себя.

Пока мои мысли занимали размышления о пластилине, телевизор продолжал вещать. На этот раз речь шла о неприятных последствиях закона Всемирного тяготения: «прилив застал туристов в пещере, отрезав их от „большой земли“». В целом, не все так страшно — спустя шесть часов от начала прилива наступает и отлив. Но, в любом случае, помощь спасателей не помешает.

Постойте, мы ушли от темы — при чем здесь всемирное тяготение? Это закон гласит, что все тела притягиваются друг к другу — Земля притягивает Луну, а Луна — Землю. В первом случае все понятно: за счет притяжения Земли Луна вращается на ее орбите. Размеры Луны намного меньше нашей планеты, поэтому ее притяжение влияет не так значительно, как в первом случае. И все же её силы, называемой гравитационной, достаточно, чтобы по мере вращения притягивать воду на различных участках Земли.

Гравитационная сила действует повсюду, но она очень слаба. Ее величины не хватает, чтобы лежащая рядом ручка притянулась к вам. Влияние гравитации заметно лишь при действии объектов космических размеров. Так, заметное действие на нас оказывает лишь сила притяжения Земли, которую мы называем силой тяжести.

Завершение новостной программы напомнило мне о необходимости покинуть кухню во избежание неприятных последствий.

Итоги главы 5:

• Всемирное тяготение — притяжение всех тел во Вселенной друг к другу.
• Сила тяжести — сила, с которой тело притягивается Землей.
• Сила упругости — сила, возникающая в результате деформации, направленная так, чтобы вернуть тело в исходное состояние.
• Формула для определения силы упругости (закон Гука): F = kΔx, k — жесткость, Δx — изменение длины (величина деформации).

Глава 6. Вес. Масса. И сила тяжести.

Не желая показаться невеждой, в овощной лавке вместо привычного «сколько это будет весить?», я спросила «чему равна масса этого товара?». Показная эрудиция разбилась о стену безразличия, не желающего внимать непривычной формулировке. Мне пришлось повторить вопрос, но уже в стандартном виде.

Все дело в том, что в физике вес — сила, с которой объект давит на опору или подвес. В отличие от массы, вес может меняться в зависимости от разных обстоятельств. Например, когда лифт начинает движение вниз, ваш вес становится немного меньше, так как пол уходит из-под ног немного быстрее, чем наше тело успевает на это отреагировать. Мои мечты о непостижимой невесомости были развеяны приятелем из старшего класса, который предложил мне просто подпрыгнуть. Обидно, но с этим не поспоришь — в момент прыжка мы действительно находимся в состоянии невесомости — опоры под нами нет.

Чтобы загладить свою вину, друг предложил мне более интересное развлечение — парк аттракционов. Во время спусков на американских горках вес нашего тела может увеличиваться в 5 раз — это называется перегрузкой. Наконец это слово, которое многозначительно произносили в новом парке развлечений, обрело смысл.

И все же меня волновал вопрос: случайна ли путаница с массой и весом? Не думаю. Как оказалось, в момент, когда мы просто стоим на земле, наш вес равен силе тяжести, которая, в свою очередь зависит от массы нашего тела. Если быть точной, сила тяжести равна массе, умноженной на ускорение ‌. Последняя величина связана с интенсивностью притяжения предметов Землей и примерно равна 9,8 м/с^2. Почему примерно? Земля имеет форму эллипсоида — приплюснутого шара. Расстояние до центра Земли различно в разных точках, поэтому различно и ускорение. Сильнее всего нас притягивает к планете на полюсах, так как в этих местах мы ближе всего находимся к центру Земли. Так что соревнования по прыжкам с шестом лучше проводить где-нибудь ближе к экватору.

Придя домой, я обнаружила приход гостей. «…Очередной провал! Впрочем, выше головы не прыгнешь…», — раздался незнакомый голос. «Что Вы? На Луне сила притяжения в шесть раз слабее Земли. Значит, возможно подпрыгнуть даже в два раза выше своего роста!» Быть может, мой комментарий был не совсем уместен, но мысль не лишена смысла — при должных усилиях мы способны на многое!

Итоги главы 6:

• Вес — сила, с которой тело давит на опору или подвес в связи с притяжением.
• Невесомость — отсутствие действия на опору или подвес.
• Сила тяжести определяется формулой: F=mg, где m — масса, g — ускорение свободного падения (g=9,8м/с^2).
• Перегрузка показывает, во сколько раз вес больше силы тяжести.

Глава 7. Сила трения

Я лежала на полу в тяжелых раздумьях о предстоящем дне. Не знаю, с чем это связано, но я всегда находила прохладу паркета благоприятной для мыслительных процессов. Я решила заняться танцами, и мысль о новом коллективе меня невероятно пугала.

Говоря начистоту, по природе я достаточно робкий человек. Прежде чем взяться за новое дело, проявить инициативу при знакомстве с новыми людьми или просто позвонить по телефону, я веду внутреннюю борьбу с собой. Однако я часто напоминаю себе — стоит только начать действовать, и все становится намного легче: диалог идёт как по маслу, а новое занятие полностью захватывает.

Подобные чувства мне нравится сравнивать с явлением застоя. Прежде чем сдвинуть шкаф с места, нужно приложить бóльшую силу, а после дело продвигается лучше. Здесь стоит вспомнить о наших друзьях-молекулах. В местах соприкосновения пола и шкафа молекулы притягиваются друг к другу, и для преодоления притяжения требуется приложить определенные усилия. Явление застоя вызывает ряд интересных последствий: от скрипа дверных петель до звучания скрипки.

Раз уж я решила проводить аналогию с эмоциональным состоянием, попробую довести ее до конца и рассмотреть картину в целом: явление застоя возникает на стыке двух сил: трения покоя и трения скольжения, как и эмоциональный застой возникает в преддверии чего-то нового после выхода из рутинного состояния. Как бы подчас не хотелось находиться в вечном движении, каждый период имеет место быть. При отсутствии силы трения покоя вокруг нас творился бы хаос — уносимые дуновением ветра, шкафы вальяжно проплывали мимо нас по комнате, а мы не могли бы сдвинуться с места, потому что ноги пробуксовывали по земле, как колёса машины, застрявшей в грязи. Да, бывает необходимо смазать петли или очистить каток. Но совсем без трения покоя жизнь была бы невозможна.

Сила трения покоя возникает в противовес внешней силе, призванной вызвать движения. Силы равны, но противоположны по направлению.

Когда внешняя сила нарастает, достигает определенного значения и преодолевает точку застоя, возникает трение скольжения, зависящее от шероховатости поверхности.

Выходит, явление застоя, да и сила трения в целом приносит пользу, если научиться ее правильно использовать. А что касается психологического «явления застоя» … я решила использовать его, чтобы продумать подходящие слова, прежде чем заговорить с новыми людьми.

Должна признать, не всегда все протекает как по маслу. Первый день в танцевальной студии был похож скорее на силу трения в жидкостях, которая становится больше по мере увеличения скорости. Подобно тому, как при попытке вбежать в море, я спотыкаюсь о воду, мои активные усилия произвести положительное впечатление привели к противоположным результатам. Хороший урок: несмотря на усилия, не всегда все идет по накатанной. Иногда стоит просто отпустить ситуацию, ведь в случае качения сила трения меньше, чем в результате скольжения.

Итоги главы 7:

• Сила трения — величина, характеризующая взаимодействие двух соприкасающихся тел.
• Сила трения всегда направлена в сторону, противоположную движению. Эта сила забирает энергию тела — объект со временем останавливается, если нет другой силы, восполняющей запасы энергии для движения.
• Откуда берётся трение:
• — все тела имеют шероховатости;
• — между молекулами поверхностей тел возникают силы притяжения и отталкивания
• Разновидности: сухое трение (покоя, скольжения, качения); вязкое трение.

Глава 8. Давление

Знание физики заставляет смотреть на мир с определенной долей скептицизма. Наступили летние каникулы, и мы всей семьей поехали на море. Сезонные трудяги развлекали публику на набережной, когда я с ухмылкой прошла мимо фокусника, лежащего на лезвиях ножей под оглушающие аплодисменты публики.

«Я бы скорее была впечатлена, если бы он лежал на одном кинжале. Чем больше лезвий, тем проще сделать этот трюк».

«О чем Вы говорите?» — раздался голос из толпы (мои родственники предусмотрительно решили воздержаться от комментариев по поводу моей реплики).

«Позвольте задать Вам встречный вопрос: на чем удобнее сидеть — на диване или стуле? Или для чего Вы затачиваете ножи на кухне? В основе всех этих на первый взгляд несвязанных процессов лежит один и тот же принцип — связь давления с площадью».

На время оставлю без внимания участников диалога и поясню некоторые моменты:

1. Давление — это сила, с которой объект или вещество давит на единицу площади.
2. Чем больше сила, которая оказывает действие, тем больше давление. Чем больше площадь действия этой силы, тем давление меньше.
3. Формула выглядит так: p= F/S, где p — давление (pressure), F — сила, S — площадь.
4. Единица измерения давления — паскаль.
5. Что такое 1 Паскаль? Это давление, оказываемое альбомным листом бумаги на стол.

«Итак, подведем черту нашему диалогу. Проваливаясь на мягком диване, вы распределяете силу тяжести своего тела по большей площади, что делает оказываемое давление несколько меньше по сравнению с давлением на твердый стул, не принимающий форму вашего тела.

По той же причине острый нож оказывает большее давление и легко разрезает продукты, ведь наточив его, мы уменьшили его площадь. Вернемся к уличному артисту. Хотя площадь одного ножа мала и способна прорезать кожу, когда он лежит на таком большом количестве лезвий, что площадь, по которой распределен вес его тела, становится достаточно большой. Это и позволяет ему совершить данный трюк».

Такой диалог (монолог) я феерично произнесла в своем воображении, так как на самом деле на мое восклицание в сторону трюка никто не обратил внимание. Пожалуй, подчас чудо оказывается привлекательней его сухого разоблачения.

Итоги главы 8:

• Давление — сила, оказываемая на единицу площади.
• Формула: p= F/S, где p — давление (pressure), F — сила, S — площадь.
• Единица измерения давления — паскаль.
• 1 Па — давление альбомного листа на стол.

Глава 9. Давление газа. Атмосферное давление

За соседним столиком шумной компании разливали игристое, пробка которого мгновение назад едва ли не попала в глаз участнику веселья. Непокорный газ, насильно заточенный в бутылке, со стремительной силой вырвался наружу при первой же возможности. В этом прекрасном и яростном мире давление может принимать неожиданные формы, не пренебрегая ничем в попытках развлечь свою публику.

В этот раз на арену вышло давление газа. Из 1 главы мы знаем, что, в отличие от твердых тел, в газах молекулы не имеют определенного места в пространстве и хаотично перемещаются по всему пространству. Вследствие этого давление газов проявляет себя совсем иначе — давление газа вызвано ударами молекул. Внутри газированных напитков находится большое количество углекислого газа. Молекул так много, что они создают очень большое давление. В определенный момент давление преодолевает силу, удерживающую пробку в бутылке — раздается хлопок и происходит эффектный выстрел. Кстати, мы можем помочь газу и путем нагревания увеличить его давление.

Возникает справедливый вопрос: почему мы не замечаем эти удары молекул вокруг нас, ведь мы окружены молекулами воздуха? Несмотря на то, что вокруг нас находится действительно необъятное количество молекул, удары на окружающие предметы распределены достаточно равномерно — в среднем количество ударов, приходящееся на одну сторону оконной шторы, уравновешивается ударами с противоположной стороны. В противном случае мы замечаем различие в давлениях. Например, ветер — это движение воздуха из области высокого давления в область низкого давления.

И все же мы все испытываем давление. Да, атмосферное давление меньше, чем давление любых бутылках с газировкой. И все же оно достаточно велико. Только на одном кончике вашего мизинца содержится число молекул, сравнимое с численностью всех насекомых на нашей планете.

Подумайте: над вашей головой находятся километры воздуха. Вы не замечаете, но прямо сейчас на вас давит ноша в 10 000 кг. Значение внешнего давление огромно — 101 325 Па (760 мм. рт. ст.‌). Подобное давление мы испытали бы, если решили унести взрослого слона. Однако наш организм устроен так уникально, что мы не ощущаем этой огромной ноши, поскольку она уравновешивается внутренним давлением человека, создаваемым различными газами и жидкостями, содержащимися в теле.

Что происходит, если мы оказываемся в непривычной для нашего организма среде? Во время взлета и приземления самолета многие ощущают заложенность в ушах, что происходит из-за резкого изменения давления. Наш гениальный организм способен приспосабливаться к изменениям, но не так быстро. Замечали ли вы, что еще защитный костюм аквалангиста можно было перепутать с костюмом космонавта (так, я перепутала скульптуру Водолаз маяк на набережной Москвы-реки с астронавтом). И в том, и в другом случае одна из целей костюма —защитить организм как от воздействия непривычно большого (в случае подводных исследований), так и в случае пренебрежительно малого (в космосе) давлений. Без такой защиты с нашими отважными исследователями произошло бы то же, что и с печально известной рыбой-каплей, которая из привычного ей сильнейшего глубоководного давления попала на поверхность земли и, раздутая огромным внутренним давлением, стала источником всевозможных мемов в интернете.

Итоги главы 9:

• Давление газа вызвано ударами молекул. Давление зависит от массы газа, объема и температуры. Чем больше газа (молекул) и\или чем выше температура, тем давление больше. Чем больше объем, тем меньше давление.
• Ветер — это движение воздуха из области высокого в область низкого давления.
• Атмосферное давление — сила, с которой воздух давит на земную поверхность.
• Нормальное атмосферное давление — 101 325 Па (760 мм. рт. ст.).

Глава 10. Закон Паскаля. Давление жидкостей

Говорят, утро не бывает добрым. А знание физики не всегда спасает от ее последствий — закон Паскаля испортил мое платье. Точнее, он действовал заодно с томатом черри, который пыталась проткнуть ни в чем не повинная вилка. Именно в этот момент помидор брызнул во все стороны, хотя в тот момент я была уверена, что он целился именно в меня.

Почему это произошло? Закон Паскаля предупреждает: Давление, производимое на жидкость или газ, передается без изменений во всех направлениях. Это звучит логично, если вспомнить о молекулярном строении жидкостей и газов, где молекулы не имеют конкретного местоположения, и, как следствие, имеют возможность разбежаться во все стороны при внешнем напоре. Итак, на завтрак лучше выбирать что-то более стойкое, точнее, твердое — безропотно переносящее давление, распространяя его только в направлении его действия. Возможно, стоило начать утро с десерта.

По всей видимости, мысль об окончании поездки вогнала меня в несколько меланхоличное настроение. И чем глубже я погружалась в свои мысли, тем сильнее я обнаруживала груз их давления на себе. Забавно, тот же принцип работает для жидкостей — их давление зависит от глубины, то есть высоты столба рассматриваемой жидкости, а также плотности этой самой жидкости. Мои странные жидкие мысли…

Давление жидкости: p = ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — высота столба жидкости.

Если задуматься, то же самое справедливо для атмосферного давления: чем выше мы поднимаемся, тем меньше становится столб жидкости над нами (например, на вершине Эвереста давление равно 265 мм. рт. ст., что почти в 3 раза меньше нормального атмосферного давления). Можем ли мы в таком случае сказать, что и давление газа зависит от высоты? Не совсем. Дело в том, что причина давления жидкости — это тяжесть ее собственной массы. Газ намного легче воды. Например, столб воды высотой 1 метр над нашей головой равен 1000 кг, а вот столб воздуха около 1,3 кг. Воздух почти в 1000 раз легче воды. Подобное соотношение справедливо и для других газов. Поэтому зависимость от высоты наблюдается только в случае атмосферного давления (над нами 100 км‌атмосферы массой 10 тонн).

Итоги главы 10:

• Закон Паскаля — производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
• Давление жидкости (собственное) зависит от ее плотности и высоты столба жидкости.
• Формула: p = ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — высота столба жидкости.

Глава 11. Сообщающиеся сосуды. Гидростатический пресс

Легкая прохлада витала в воздухе, предвещая окончание лета. По этому случаю мы с подругой решили провести последние свободные беззаботные дни в парке, наслаждаясь приветливыми солнечными лучами, уже не обжигающими, но окутывающими уютной теплотой.

В такую погоду единственным недостающим звеном был лимонад, который мы и купили на двоих. Как часто бывает в таких случаях, возникает вопрос деления желанного напитка поровну. Мы решили воспользоваться силой атмосферного давления, применив закон сообщающихся сосудов. Когда я соединила трубочкой стаканы, лимонад без посторонней помощи начал перетекать в пустой стакан. Процесс продолжался до тех пор, пока уровни жидкости не сравнялись. Важный момент для желающих повторить трюк: в трубочке должна быть эта жидкость или вакуум, чтобы процесс перетекает в действительно произошел.

В чем секрет фокуса? На поверхность жидкости в стаканах действует одинаковое атмосферное давление. Трубочка — это тоннель, по которому жидкость может перетекать, пока давление слева не уравновесит давление справа. Важный момент: в трубочке не должно быть воздуха, иначе его давление будет препятствовать перетеканию.

Сосуды, между которыми может свободно перетекать жидкость, называются сообщающимися. Если в них находится одна и та же жидкость, ее  уровень в каждом сосуде (колене) будет одинаковым. Если жидкости разные, их уровни зависит от различия в плотностях. Главное условие: давления жидкости в каждом колене сосуда должны быть равны.

На самом деле, с сообщающимися сосудами вы встречаемся каждый день. Например, носик чайника располагается в верхней части, так как уровень воды в основном резервуаре и носике совпадают. Иными словами, вместимость чайника определяется не его объемом, а местоположением конца носика.

Как часто бывает в таких случаях, меня настиг феномен Баадера — теперь сообщающиеся сосуды я видела повсеместно. На этот раз передо мной возник образ мужчины, который легким движением руки поднимал тяжелую машину. Точнее, образом был его домкрат, который и сделал мужчину супергероем. Домкрат — это гидравлическая машина. В основе ее работы лежит принцип сообщающихся сосудов и закон Паскаля. Гидравлическая машина состоит из широкого и узкого цилиндров, соединенных между собой и заполненных жидкостью.

Когда мужчина давит на ручку домкрата, он создает давление на поршень узкого цилиндра. По закону Паскаля давление в жидкости передается во всех направлениях равномерно. Соответственно, возникшее давление передалось к широкому поршню второго цилиндра и подняло машину с силой, во столько раз большей, во сколько раз площадь второго цилиндра больше первого. Так, если площадь первого цилиндра 1 см^2, а второго 40 см^2 (размер апельсина в разрезе), то выталкивающая сила будет в 40 раз больше приложенной. Еще один пример применения — гидравлический пресс, предназначенный для сдавливания предметов. Он нередко привлекает туристов, желающих отчеканить монетку со своим именем.

Итоги главы 11:

• Сосуды, между которыми может свободно перетекать жидкость, называются сообщающимися. Если в них находится одна и та же жидкость, ее уровень в каждом сосуде (колене) будет одинаковым. Если жидкости разные, их уровни зависят от различия в плотностях. Главное условие: давления жидкости в каждом колене сосуда должны быть равны.
• Формула сообщающихся сосудов: ρ1gh1=ρ2gh2, где ρ1 и ρ2 — плотность жидкости (ей) в первом и втором колене сосуда соответственно, h1 и h2 — высоты этих жидкостей, g — ускорение свободного падения.
• Гидравлическая машина (пресс) состоит из широкого и узкого цилиндров, соединенных между собой и заполненных жидкостью. В основе ее работы лежит принцип сообщающихся сосудов и закон Паскаля.
• Формула гидравлической машины: F1/F2=S1/S2, F1 — сила, действующая на первый поршень, F2 — сила, возникающая во втором. S1 и S2 — площади первого и второго поршней соответственно.

Глава 12. Сила Архимеда

В воздухе повисла напряженная тишина. На этот раз моя неуклюжесть сыграла на руку. Изюминка, упавшая в стакан газировки, пустилась в пляс, приковывая к себе все больше любопытных взглядов. Почему в этот момент я вспомнила про «Титаник»?

Мы привыкли, что на всё, что нас окружает, действует непобедимая сила притяжения, она же сила тяжести. Что ни говори, приятная стабильность в нашем нестабильном мире. Кто бы мог подумать, что может найтись сила, готовая восстать против притяжения? Сила, дающая возможность ребенку может поднять взрослого? На ринг выходит выталкивающая сила Архимеда. Исход боя зависит от соотношения плотности жидкости и средней плотности погруженного в эту жидкость тела. Если первая величина равна второй, тело плавает на поверхности, если плотность тела больше — тонет.

А теперь подробнее о средней плотности. Автомобиль, нырнувший с моста, непременно уйдёт под воду под звуки музыки с беспечно проплывающего мимо корабля. Дело в том, что корабль имеет такую конструкцию, что его объём включает в себя не только железяки, но и воздушные пространства, недоступные для воды. Средняя плотность корабля (масса металлического корпуса, деленная на объем всего судна) меньше плотности воды — сила Архимеда лидирует, железяка остаётся на плаву.

Что же происходит в стакане? Пузырьки газа облепляют кожуру изюминки, тем самым уменьшая ее плотность. Однако эти ненадежные попутчики лопаются, достигая поверхности жидкости, и бросают изюминку на произвол судьбы. И без того покалеченная виноградина остаётся на дне, пока там не найдётся достаточно самоуверенных кавалеров, чтобы снова поднять ее ввысь.

Иронично, что подобно изюминке затонул и «Титаник», непотопляемость которого обеспечивалась большими воздушными «карманами». Именно их разрушение и привело к печальному концу.

Конечно, в случае с лайнером важную роль сыграл тот факт, что 90% любого айсберга находятся под водой. Айсберг — это лед, плотность которого равна 900 кг/м^3. Плотность воды равна 1000 кг/м^3. Отношение этих плотностей 900:1000 = 0,9 — на такую часть своего объема лед погружен под воду. Именно при таком погружении сила Архимеда будет уравновешивать силу тяжести. А когда не будет?

Пока я витала в своих мыслях, моя младшая сестра успела бросить в стакан с соком малину и теперь пыталась ее потопить. Что не удивительно, ягода всегда всплывала, то есть сила Архимеда была больше силы тяжести. Однако это происходило только до тех пор, пока эти силы не уравновешивали друг друга — в этот момент малина останавливалась. Разберемся подробнее. Сила тяжести не меняется. Значит, меняется сила Архимеда? Логично, ведь выталкивающая сила должна действовать только на объект, находящийся в воде. Когда ягода всплывает, уменьшается ее объем погружения и, как следствие, сила Архимеда‌, которая зависит от объема погруженной части тела, плотности жидкости и ускорения свободного падения.

Семейная посиделка завершилась приятным сюрпризом — нам подарили небесный фонарик, который мы решили запустить, как только стемнеет. Как оказалось, архимедова сила действует и в воздухе, но ее влияние заметно только на предметы с очень маленькой плотностью. Горячий воздух над фитилем менее плотный, чем холодный вокруг, поэтому фонарик взлетает. Выглядит, конечно, очень эффектно.

Для тех, кто переживает за пожарную безопасность, предлагаю запускать в небо гелиевые шарики. Плотность гелия меньше плотности воздуха, поэтому шары не менее красиво воспарят вверх.

Итоги главы 12:

• Сила Архимеда — выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости (газе).
• Если сила Архимеда больше силы тяжести, тело всплывает; меньше — тонет. Если силы равны, тело плавает.
• Формула силы Архимеда: F = ρgV, где ρ — плотность жидкости (газа), g- ускорение свободного падения, V — объем погруженной части тела
• Отношение средней плотности тела к плотности среды показывает, какая часть объема тела погружена в воду.

Глава 13. Механическая работа и мощность

Где бы мы ни жили, сколько бы лет нам ни было, каждый из нас хоть раз слышал в свой адрес фразу о важности, даже необходимости плотного питания и его связи с наличием сил для совершения ежедневной деятельности. Говоря менее высокопарно, мы с подругой оказались на обеде у ее замечательной бабули. Несмотря на милейший вид этой женщины, из нее вышел бы прекрасный парламентер, так как она совершенно не поддавалась на уговоры.

Ситуация безвыходная, но, стоит сказать, что мысль не лишена смысла. Для того, чтобы произвести любую работу, необходима энергия, которую мы получаем из пищи. Калорийность — это и есть количество получаемой энергии. Если внимательно посмотреть на любую упаковку, можно увидеть, что энергетическая ценность измеряется не только в калориях, но и в джоулях. Последняя величина чаще всего и используется в физике. Так как работа напрямую связана с энергией, она тоже измеряется в джоулях.

От чего зависит количество необходимой энергии, для совершения работы? Чем большую мы прикладываем силу, тем более это энергозатратно. Логично. Однако с точки зрения физической интерпретации в механической работе есть подвох — она зависит как от силы, так и от перемещения, совершаемого этой силой. Поэтому если нет перемещения, работа не совершается. Верно и обратное: если тело перемещается без участия силы, то и в этом случае механическая работа равна нулю. То есть с точки зрения физики работа не совершается, а значит энергия не расходуется, если мы тренируемся на беговой дорожке. К счастью, в жизни это не так.

Работа — мера действия силы. A = F*S, F — сила, S — перемещение.

Количественно работа равна энергии, затраченной на ее совершение. Работа и энергия измеряются в джоулях.

Мы решили применить законы физики на практике и после плотного обеда подняться в первого на пятнадцатый этаж дома пешком. В результате подъема на 42 метра вверх, мы совершили работу по преодолению силы тяжести, равную 21 килоджоулю‌ энергии. Нет так уж и много… Для сравнения, энергетическая ценность яблока 370 килоджоулей (87 ккал). К счастью, наш организм устроен более сложно: только мозг потребляет более 20% энергии, не считая расходов на остальные внутренние процессы.

В общем, проведя подсчеты, мы пришли к выводу о бесполезности физических нагрузок и спустились на лифте — он, хотя и совершает такую же механическую работу, что и мы, делает это разы быстрее, так как его мощность намного больше мощности наших ног. Мы еле поднялись за семь минут. То есть наша мощность была равна около 0,05 киловатт (50 ватт), в то время как мощность лифта составляет 3 киловатта.

Мощность — скорость совершения работы. N=A/t. A — работа, t — время Мощность измеряется в ваттах.

Завершение главы звучит достаточно пессимистично, поэтому в защиту человека спешу добавить: у каждого механизма существует коэффициент полезного действия (КПД), который определяет, какой процент от затраченной работы был израсходован на достижение необходимого результата. В то время как КПД для любого механизма — достаточно статичная характеристика, КПД человеческого организма возможно увеличить. Например, путем тренировки выносливости.

Итоги главы 13:

• Работа — мера действия силы. A = F*S, F — сила, S — перемещение. Количественно работа равна энергии, потраченной на ее совершение. Работа и энергия измеряются в джоулях.
• Мощность — скорость совершения работы. N=A/t. A — работа, t — время Мощность измеряется в ваттах.
• КПД (коэффициент полезного действия) — отношение полезной (необходимой) работы к затраченной.

Глава 14. Простые механизмы. Рычаг. «Золотое правило» механики

«Я без нее никуда не пойду!» — прямо перед выходом сережка упала и предательски отскочила под тяжеленный диван.

В последний вечер перед школой старшеклассники решили устроить какое-то совместное мероприятие, а мы надеялись, что там удастся слиться с толпой и оказаться частью чего-то нереально интересного. Однако сейчас наш план оказался под угрозой, ведь главным было именно первое впечатление, которое мы должны были произвести. Сережки, конечно, играли одну из ключевых ролей.

К счастью, надежда на спасения предстала в виде швабры, которая с целью напоминания об уборке весь день стояла в углу комнаты, но бросилась в глаза только сейчас. Рукояткой швабры мы успешно загнали сережку еще дальше. Однако безвыходность ситуации не дала возможности сдаться, поэтому, сами того не осознавая, мы решили превратить швабру в простой механизм — рычаг. Было не очень удобно опираться ей на пол, так как поднимать рукоятку пришлось вверх, что было не очень удобно физиологически. Очень кстати пришлась собачья миска — пушистый друг грустными глазами наблюдал за тем, как источник ее радости использовался хоть и успешно, но все же не по назначению.

Простой механизм — механическое устройство, изменяющее направление и/или величину силы.

Рычаг — это стержень, вращающийся вокруг точки опоры Предназначен для уравновешивания большей силы (F дивана) при помощи меньшей (F2), то есть увеличения количества силы во столько раз, во сколько плечо (L) (расстояние от силы до точки опоры) одной силы больше плеча другой. F дивана L дивана = F2*L2.

Наконец, поддиванье разверзлось и отдало заветное сокровище. Мы побежали к остановке.

Пробегая по подземному переходу, мы резонно предпочли подняться по пандусу, чтобы сэкономить силы для более важного мероприятия. Хотя, откровенно говоря, смысл в этом был небольшой, так как в этом случае сработало золотое правило механики — мы выиграли в силе, но проиграли в расстоянии. Иными словами, даже если мы приложили в два раза меньшую силу, нам пришлось пройти маршрут в два раза более протяженный маршрут. Механическая работа и в том, и в ином случае была одинакова.

Итоги главы 14:

• Простой механизм — механическое устройство, изменяющее направление и/или величину силы
• Примеры простых механизмов:
• рычаг
• наклонная поверхность
• подвижный и неподвижный блоки
• Рычаг — это стержень, вращающийся вокруг точки опоры Предназначен для уравновешивания большей силы при помощи меньшей, то есть увеличения количества силы во столько раз, во сколько плечо (расстояние от силы до точки опоры) одной силы больше плеча другой.
• Золотое правило механики: во сколько раз мы выигрываем в силе во столько же проигрываем в расстоянии. Выигрыша в работе не происходит.

Глава 15. Центр тяжести. Энергия

На месте сбора уже стояла оживленная толпа. Голос из ниоткуда выкрикнул предложение направиться к набережной, и всепоглощающий живой организм, говорящий бесчисленным количеством голосов, двинулся вперед, унося нас за собой.

Неподалеку от нас парень ловко запрыгнул на спинку скамейки и с удивительной ловкостью и невероятным чувством равновесия прошел весь свой маршрут. В теории все кажется очень легко: пока центр масс объекта находится строго над его опорой, предмет не падает — как Пизанская башня. И все же, едва ли это можно применить на практике, балансируя на чем-либо. Моя координация позволяет мне разве что устоять несколько секунд на одной ноге.

Центр масс (тяжести) — абстрактная точка, положение которой определяется распределением массы в теле.

К ней приложена сила тяжести. Если тело однородно (плотность везде одинакова), то центр масс совпадает с геометрическим центром тела

Набережная была перекрыта по случаю ведения каких-то ремонтных работ — промышленные альпинисты висели, прикованные друг к другу и прочему инвентарю системой подвижных и неподвижных блоков. На самом деле, очень увлекательное зрелище.

Неподвижный блок меняет направление силы.

Подвижный блок дает выигрыш в силе и проигрыш в перемещении в 2 раза.

Поглощенные разговором, мы отстали от группы. Не могу сказать, что меня расстроил этот факт.

Подъезжая к дому, мы никак не могли решить, кто из нас проводит другого до дома. Спор мог длиться бесконечно, поэтому было решено прибегнуть к помощи монетки. — прекрасному иллюстратору закона сохранения энергии. Бросок вверх — кинетическая энергия движения плавно перетекла в потенциальную энергию подъема в верхней точке, а после обратно в кинетическую, остановившись на моей ладони.

А что дальше? Куда дальше преобразовалась энергия? Что ж, скоро узнаю. Надеюсь, вы проделаете и следующий путь со мной. Хочется верить, что этот рассказ принес вам удовольствие и помог разобраться с физикой с максимальным КПД.