Занимательные сведения о воде

Здесь собраны интересные сведения и занимательные задачи, связанные с водой, с купанием в ванне и на пляже, со льдом, с айсбергами, пузырями и так далее.  Сначала идут пять моих текстов из колонки на "Информационном Буме", потом две статьи из журнала "Наука и жизнь"

Не нужна мне с неба манна
Мне бы только ванна, ванна…

Старая студенческая песня

Если вы, купаясь в ванне, не проводите эксперименты, то вы пропащий человек, и время в ванне расходуете впустую, о чем, как известно, писал, бросая в воду камешки, Козьма Прутков, и кричал любитель купания Архимед. По количеству и занимательности всевозможных опытов купание в ванне соперничает с компьютерными забавами, а попытка их объединить доставит нам немало приятных минут.

Пока набирается вода, посмотрите на стены и на пол, обычно выложенные кафелем. Если вам повезло, и в вашей кладке ряды смещены, то вы увидите замечательный эффект — ряды кафеля не параллельны! «Иллюзия кафельной стенки» возникает при разглядывании плоскости, покрытой чередующимися квадратами или прямоугольниками, которые разделены тонкими «швами». Иллюзия состоит в том, что горизонтальные линии кажутся сходящимися к левой или правой стороне. Как думаете — почему именно горизонтальные?

Набросайте программу, выводящую на экран шахматную доску, у которой ряды через один сдвинуты и понаблюдайте иллюзию. Можете даже исследовать зависимость схождения рядов от величины сдвига, контрастности расцветки квадратиков и от яркости и ширины швов между рядами.

А сколько существует вариантов укладки кафеля из одинаковых правильных многоугольников? А из правильных многоугольников двух видов? А трех видов? Можно ли замостить пол одинаковыми пятиугольными плитками? А семиугольными?

Пока раздумывали, вода набралась. Кстати, даже садясь в горячую ванну, мы испытываем какое-то мгновение озноб — почему?

Очень многие купающиеся в ванне поют во время купания. Как думаете — почему в ванне приятно петь? Особенно любимые песни Михаила Щербакова:

Я же про этот шторм и шквал
Ведать не ведал, знать не знал.
Я в это время по Фонтанке
В белой рубашечке гулял.

Ну, шторм и шквал нам пока не нужны по соображениям техники безопасности, а вот рябь или зыбь попробуем получить. Кстати, можете ли вы объяснить кому-либо, что такое зыбь или рябь? Обратите внимание, что непременно при этом жестикулируете, помогая себе двумя пальцами.

Повибрируйте этими двумя пальцами на поверхности воды, наблюдая за тенью получающихся волн. Попробуйте поменять расстояния между пальцами и фазы вибрации, посмотрите, как это отразится на узловых точках получающейся картины. А если использовать три источника? Подробнее красивые дифракционные картинки с программами рассмотрены в статье "Водные опыты (плещут холодные волны)".

Если у вас по понятным причинам аллергия на словосочетание «три источника» или вообще лень что-то делать купаясь, то можно просто поразмышлять над некоторыми вопросами, чтобы принятие ванны не выглядело пустым времяпрепровождением.

Что было бы, если бы показатель преломления воды увеличился в десятки или сотни раз — увидели бы мы свое тело под водой? Увидели бы что-нибудь из-под воды?

Айсберги во время плавания подтаивают снизу и иногда переворачиваются. Как это объяснить — ведь как бы айсберг не подтаивал, все равно он на 7/8 под водой, и центр тяжести намного ниже поверхности воды? Можете ли вы нарисовать конфигурацию айсберга, собирающегося перевернуться? А помните, во всех книжках по занимательной физике приводится плавающая вертикально горящая свеча — она не гаснет, пока весь парафин не израсходуется. И не переворачивается — ведь она тает сверху, а не снизу.

Если мы на айсберге нанесем ватерлинию, то она будет подниматься или опускаться под воду по мере таяния айсберга сверху от нагрева солнечными лучами? А при таянии снизу?

Устали? Или отдохнули? Можно вытираться… до следующего купания. На сколько вопросов вы ответили?

 

Дядя Степа утром рано
Быстро вскакивал с дивана,
Окна настежь открывал,
Душ холодный принимал.
Чистить зубы дядя Степа
Никогда не забывал.

Сергей Михалков. Дядя Степа

— Что вы предпочитаете — ванну или душ?
— Только в ванной можно поиграть с маленьким желтым утенком.

Из интервью Алекса Экслера журналу INВЕРСИЯ

Ох уж этот Экслер, взял и подрезал своим ответом намечавшуюся было статью о душе. Не о душе, наличие которой материалисты отрицают, а о душе, наличие которого материалисты отрицать не могут. Зато подоспела поддержка душа с неожиданной стороны. Вы любите ледяные ванны или душ? По мнению Николая Козлова, автора «Философских сказок», проповедующего облегченное отношение к межчеловеческим отношениям, эти процедуры связаны с психоэмоциональным стрессом, влияющим на дальнейшее поведение. Запечатлевается в подсознании и поза этой жуткой процедуры. Так вот, под ледяным душем мы стоим с гордо поднятой (возможно) головой, а в ванне лежим смиренно, еще и скрестив руки на груди, так что выбирайте.

И заодно думайте. Почему тоненькая струя падает в воду бесшумно, при увеличении потока до некоторого предела появляется шум, причем еще до перехода из ламинарного в турбулентный режим?

Почему сплошная струйка при падении утончается и начинает разрываться на капли? Как начало разрыва на капли зависит от толщины струйки?

Если у висящего гибкого душа, отклоняемого реактивной силой истекающей воды, при том же расходе воды уменьшить площадь дырочек, то как изменится угол отклонения душа? Почему при поливе из шланга мы сужаем выходное отверстие для увеличения дальности полета струи? Чем ограничено такое увеличение дальности полива за счет сжатия?

Как работает водяная пушка? За счет чего достигается мощность струи — за счет расхода, давления или скорости истечения?

Если вертикальный фонтанчик, на котором держится шарик, немного наклонить, что произойдет с шариком? Вращается ли шарик на струе?

Как будет вести себя на струе дынеобразный шарик?

Направьте струю на стену и рассмотрите форму растекания воды по стене — парабола ли это? Как меняется ее вид при наклоне струи? При увеличении напора?

Вернемся к фонтану — направим струю вертикально вверх и представим, что высота ее соизмерима с радиусом Земли (что нам стоит). Отклонится ли макушка фонтана от вертикали? Сопротивление воздуха и все ветра не рассматривать. Если да, то в каком направлении? А при падении воды на Землю — вернется ли она к источнику или упадет в другом месте? При проведении опыта на экваторе в какую сторону от источника сместится точка падения, на запад или на восток? В какую сторону надо наклонить фонтан на экваторе, чтобы вода вернулась на источник? Прикиньте величину угла наклона при высоте фонтана равной радиусу Земли.

А если мы находимся на полюсе? Будет ли крутиться поднимающаяся вертикально на полюсе струя фонтана? Как будет сказываться ее кручение на заворачивании вниз и падении, повлияет ли кручение на отклонение места падения? А если струю немного наклонить — куда вернется вода при падении? Предполагаем, конечно, что Земля вращается довольно быстро, чтобы успеть создать необходимые эффекты.

Душ и чашка помогут экспериментально справиться с непростой задачей. Прямо скажу — изюминкой занимательного купания. Если дует ветер, то изменится ли количество дождевой воды, попадаемой в ведро по сравнению с безветренным дождем? Очевидно, да. А если в безветренную погоду не стоять, а идти с ведром? Очевидно, нет, не изменится. А если при ветре идти со скоростью ветра, естественно, по ветру? Очевидно что? Не торопитесь, это все не так просто.

Лучшее средство против депрессии — это горячая ванна и… Нобелевская премия.

Доди Смит

Ванна готова.
В зеленоватой воде
Плавает волос.

Владимир Герцик. Антология руских хайку и трехстиший

 Замерзли под душем или под дождем? Вернемся в ванну, хватит мерзнуть, добавим горячей воды, решая попутно изящную (оцените красоту условия) задачу. В ванне, наполненной до сливного отверстия, было М₁ кг воды с температурой Т₁. Включили кран, добавляющий М₂ кг в минуту воды с температурой Т₂, причем таким образом, что вода сразу перемешивается и излишки утекают в сливное отверстие. Какая температура воды будет через t минут? А если излишки не утекают — как изменится ответ? Осторожно — не залейте излишками нижний этаж.

Если подкрасить вливающуюся в холодную ванну горячую воду (например, кристалликом марганцовки), то будут видны ее «рукава» и ветвящиеся отростки, которые долго не перемешиваются с окружающей водой. Почему долго держится граница?

Если аккуратно положить канцелярскую скрепку на воду, то она не утонет, ее удержит поверхностное натяжение. Если же добавить в воду мыла, то скрепка тонет, поверхностное натяжение стало меньше. Но ведь именно мыльная вода дает пену, не кажутся ли вам эти факты противоречивыми?

В каком месте лопаются мыльные пузыри?

Откуда на пузыре радужная полоска?

Если в блюдечко с водой окунуть кончик висящего марлевого жгута, то вся вода, поднимаясь по жгуту, уйдет в него. За счет каких внешних сил изменился центр тяжести системы?

На каком принципе основана работа керогаза (помнит ли кто-нибудь эту чудную утварь?) и как регулировалось в нем пламя?

Будет ли гореть спиртовка на космической станции в невесомости?

Если стакан поднимать из-под воды вверх дном, то в нем будет вода. Заплывет ли туда рыбка и что с ней произойдет, если она будет плыть вверх? Стакан, естественно, не ограничен в размерах. Рыбка, конечно, не расскажет о своих ощущениях и, тем более, не выполнит наши дурацкие желания. Что будет с аквалангистом, поднимающимся в таком стакане? Насколько высоко он сможет подняться? Что он почувствует при подъеме? Какая температура в Торричеллиевой пустоте?

Если в банке с водой проделать сбоку отверстие, то будет ли в него выливаться вода при свободном падении банки?

Почему не вытекает вода из шланга, намотанного на барабан?

Почему наибольшая плотность воды наблюдается при четырех градусах, и при понижении температуры вода расширяется?

Чай горячий после ванны — милое дело. Да простит нас Денис Шумаков за вторжение в его колонку, но есть животрепещущие вопросы. Почему при размешивании чая в стакане чаинки собираются на дне в центре? А где будут чаинки, если стакан будет вращаться на диске?

И древняя задача из «Арифметики» Магницкого (вышедшей впервые 300 лет назад) про заварку: некто имеет чай трех сортов — цейлонский по 5 гривен за фунт, индийский по 8 гривен за фунт и китайский по 12 гривен за фунт. В каких долях нужно смешать эти три сорта, чтобы получить чай стоимостью 6 гривен за фунт? Единственно ли решение? Кстати, и Архимед, по легенде, решал задачу о доле золота в короне греческого царя, когда открыл свой великий закон. Как бы вы нашли, сидя в ванне, объем своего тела?

Кто проходил «Грозу» Островского в школе, помнит, как одна купчиха опасалась: вдруг пароход выйдет на глубокое место — он же утонет! Если вы считаете ее недалекой, то попробуйте ответить на вопрос: если из лодки, плавающей в бассейне, выбросить в воду (нет, не княжну) большой камень, изменится ли уровень воды в бассейне? Не торопитесь, вы наверняка ошибаетесь. А если утопить плавающую лодку — что будет с уровнем воды в бассейне?

Если есть карандаш, окуните его в воду наполовину и посмотрите на его тень на дне ванны — она имеет перемычку? Почему?

Цистерна с водой, стоящая на тележке без трения, с одной из сторон имеет краник, направленный вниз. Сдвинется ли цистерна после того, как вся вода вытекла через краник? А в процессе вытекания? А если краник направлен горизонтально?

А как посчитать угол отклонения гибкого душа, зная длину его, массу и расход воды?

Теперь трудная задача, придуманная мною, вряд ли вы ее решите, просто оцените красивое условие. На наклонной плоскости (пусть под углом α к горизонту) стоит невесомый цилиндрический стакан (радиус окружности r), в который капают капли (массой m каждая). После какой по счету капли стакан опрокинется?

Однако, вернемся в ванну. Все опыты с жидкостями будут неполны без задачи на переливание, вот самая распространенная, присутствующая во всех занимательных сборниках. Восьмиведерный бочонок надо разделить пополам, пользуясь трех- и пятиведерными бочонками.

И, под занавес, если это выражение подходит к купанию, классика «водяных» задач — о трубах, наполняющих бассейн. Обе задачи при решении приводят к неожиданным результатам, попытайтесь их объяснить.

Ванна заполняется холодной водой за 6 минут 40 секунд, горячей за 8 минут. Кроме того, если из полной ванны вынуть пробку, вода вытечет за 3 ³/₇ минуты. Сколько времени понадобится, чтобы наполнить ванну полностью, при условии, что открыты оба крана, но ванна не заткнута пробкой?

Холодный кран, открытый полностью, наполняет ванну за 10 минут. Открытые оба наполовину холодный и горячий краны наполнят ванну за 20 минут. За сколько минут наполняет ванну горячий кран? Попытайтесь объяснить полученный результат и, особенно, воспроизвести его в своей ванне. Все, можно вытираться. Парадоксы, связанные с воронкой при сливе, пением в ванне, снежинками, туманом и кессонной болезнью, рассмотрим при следующем купании.

Ссылки по теме трех купаний

• На замечательной «Речке» есть апплет, моделирующий распространение волн на поверхности жидкости.

• О чаинках в стакане и прочих водных парадоксах смотрите на этой странице.

• О переворачивающихся айсбергах и почти все о воде читайте здесь.

• О поверхностном натяжении популярно рассказано здесь.

• Занимательные сведения о пузырях на «Арбузе».

• Джулио М. Оттино. Перемешивание жидкостей. Статья на портале «Хаос.Ру».

• Я. Е. Гегузин. Пузыри.

Квадратные волны и дорогой букварь

Данилов был на гастролях в Ташкенте, когда домовой Иван Афанасьевич, превратившись в нечто прозрачное и зеленое, с хрустальным звоном взлетел в останкинское небо и был унесен туда, откуда возврата нет. Данилов услышал о случившемся, расстроился. Он любил Ивана Афанасьевича.

Владимир Орлов. Альтист Данилов

Прошлая колонка про гусей преследовала две цели. Вторая, скрытая, состояла в том, чтобы поместить фотографию гуся и ряби за ним для сравнения с картиной волн, публикуемой в этом ломтике. Если помните, то мы с вами, купаясь в ванне, наблюдали волны на поверхности воды. Так вот, гораздо приятнее наблюдать всякие волны на экране компьютера. Скажу больше — только такие волны самые настоящие, потому что повторяют форму предмета, их породившего. От квадратного камня квадратные волны и расходятся, это, может, не согласуется с опытами, зато справедливо.

Есть такая шутка — каждая формула, добавленная в книгу, снижает количество покупателей наполовину. И все же не удержусь, уж очень элегантно выглядит.

V=X*Sin(x)+Y*Sin(y)

Задаете цвет выводимых точек в зависимости от V, пару минут хлопот с подбором масштаба и наблюдаете настоящие волны во всей красе. Давным-давно прочитал, что поскольку вода является сильным растворителем, то в ней всегда есть ионы и молекулы вещества посуды и что абсолютно чистая вода плещется лишь на экранах теоретиков. То же и с волнами — только на экране у вас идеальный инструмент для моделирования дифракции, интерференции, прибоя и цунами.

Знакомые в Арбузном форуме дали ссылку на работы В. И. Арнольда. В числе работ оказались и «Задачи для детей от 5 до 15 лет».

Вторая задача в сборнике знакома тем, кто читал популярную когда-то книжку «Витя Малеев в школе и дома». В ней ребята научили пса Лобзика «решать» задачи, но на выступлении сами не смогли решить предложенную из зала задачу: «Бутылка с пробкой стоит 10 копеек, а пробка на 9 копеек дешевле, сколько стоит бутылка без пробки?».

Но особенно хороша первая задача в книге. Не знаю, как быстро решают ее дети, но взрослых она ставит в ступор надолго, и даже решив, они не могут объяснить получившийся ответ. «Маша хотела купить букварь, но ей не хватило 7 копеек. Саша тоже хотел купить букварь, но ему не хватило 1 копейки. Дети скинулись (сложили деньги), но и тогда им не хватило на букварь. Сколько же он стоит?»

Айсберг в пакете

Тело, всунутое в воду
Выпирает на свободу
Весом выпертой воды
Тела, впертого туды

С детства помню этот стишок, наверное фольклор

В одном из моих любимых сообществ Живых журналов, называемом zadacha, промелькнула чудесная просто миниатюра: «В банке с соленой водой плавает пресноводный айсберг. Изменится ли уровень воды, если лед растает?» Постоянные читатели колонки сразу вспомнили занимательные опыты в ванне во время купания и связанные с ним удивительные задачи. Самые яркие из них, напомню, почему подтаивающие айсберги переворачиваются и вторая, изменится ли уровень воды в бассейне, если из плавающей в нем лодки выбросить за борт большой камень? А тут — нате вам — и айсберг, и тает, и уровень меняется и вода соленая. Как же все это нам переварить?

Помня шутку о формулах и покупателях книг из прошлого ломтика, никаких формул и умных обозначений латинскими или, хуже того, греческими буквами, все и так легко и просто. Для начала давайте отвлечемся от того, что вода соленая, пусть пока пресная. При опускании айсберга в банку с водой его вес уравновешивается выталкивающей силой, равной весу вытесненной воды. Зная вес айсберга и площадь сечения банки, найдем изменение уровня воды, тот уровень, с которым и будем сравнивать в дальнейшем.

Теперь предлагаю проделать мысленный (или при желании реальный) эксперимент — поместить айсберг в невесомый герметичный пакет, не имеющий, для строгости объема, и прозрачный для отслеживания процесса таяния. Быстренько топим айсберг и наблюдаем. Та же масса, что и у айсберга, теперь у воды в пакете, в весе пакет с содержимым теряет столько, сколько весит вытесненная им вода, то есть, пакет с водой становится невесомым. А вытесненной воды сколько было до таяния, столько и осталось после таянии, так как ее количество определятся в первом случае вытесненной водой для создания выталкивающей силы, равной весу льда, а во втором, объемом воды, тоже с весом, равным весу льда. Вот если бы лед скукожился в нечто, более плотное, чем вода, то пакет наш утонул бы, воды бы вытеснил меньше и уровень понизился бы. А у нас пока на той же отметке.

Теперь возвращаем соленость воде. У соленой воды плотность больше, чем у пресной, поэтому наш пакет будет плавать на поверхности, чуть высовываясь макушкой из воды. И это «чуть», зависящее от плотности соленой воды, теоретически может сильно меняться — опустим пакет с водой в ртуть, например, он весь почти будет плавать на поверхности, ну да ладно. Самое интересное, что плавающий с пресной водой пакет ничем формально не отличается от айсберга — подводная часть пакета вытесняет столько соленой воды, сколько необходимо для уравновешивания веса пакета. То есть, уровень остался тем же.

Пришло время выливать пресную воду из пакета. Для чистоты эксперимента (а умозрительные эксперименты и так чистые всегда), предположим, что пресная и соленая вода не смешиваются, как, например, масло и вода. Сначала вытащим пакет — уровень опустится до того значения, которое было еще до айсберга. Выливаем осторожно пресную воду (масло, керосин) и видим, как она растекается сверху соленой воды. Так как ее плотность меньше, то она займет больше объема, чем вытесняемая ею раньше соленая вода. Больше как раз на ту макушку, которая высовывалась из воды. Но, практически, плотность соленой воды столь незначительно больше плотности пресной, что мы в банке эту разницу уровней вряд ли зафиксируем. Кстати, если айсберг мелко накрошить, то ледяная крошка тоже будет выше уровня воды.

Домашнее задание. Подумайте хорошенько (на кухне, желательно), что если размер айсберга соизмерим с шириной банки — вода значительно поднимется при его опускании. Как это повлияет на наши рассуждения?
И еще вопрос, мучающий меня с детства. Если Архимед садился в ванну, то уровень воды поднимался, и появлялась выталкивающая сила. А если он садился в наполненную до краев ванну, то излишки (объемом, равным объему его тела) выливались через край — за счет чего все равно появлялась выталкивающая сила? Ведь вытесненная вода утекла?

ФИЗИКА НА ПЛЯЖЕ

№6, 2003   Источник сайт журнала "Наука и жизнь"  http://www.nkj.ru/archive/articles/3055/

В. КОТОВ (г. Нижний Новгород)

Давайте совместим отдых на пляже с рассмотрением физической сущности происходящих при этом явлений. Привычное чудо - солнечный свет. Благодаря ему мы, не прикасаясь к предметам, имеем представление об их форме, взаимном расположении и характере их поверхности. Свету мы обязаны многоцветьем мира. А на пляже наслаждаемся солнечным теплом - энергией электромагнитного излучения Солнца.

Напомним, что между источником излучения - Солнцем и нашей Землей лежит 150 миллионов километров почти полного вакуума. Электромагнитное излучение преодолевает это расстояние за восемь минут почти без потерь, ощутимо нагревая все предметы на пляже.

Подставив тело жарким лучам, представим, какую же мощность имеет их источник - термоядерный реактор Солнце, если ослабление расходящегося от него излучения пропорционально квадрату расстояния и на долю Земли приходится только около половины миллиардной части (0,45^.10^-9) его излучения. Но и этого вполне достаточно для создания благоприятного климата и условий жизни на планете.

Спектр излучения Солнца шире видимой области. Воздействию лежащих за ее коротковолновой границей ультрафиолетовых лучей мы обязаны появлением загара на коже.

Сравните, как нагрелись под солнцем белое полотенце и черный мяч. Если светлые предметы нагрелись относительно слабо, то темные почти обжигают при прикосновении к ним. Почему?

Цвет тел зависит от того, как их поверхность отражает электромагнитные волны. Предметы, которые поглощают электромагнитные волны всего, в том числе видимого, диапазона, испускают инфракрасные, тепловые лучи. Они воспринимаются нами как темные. Отражающие видимый свет - как светлые. Поэтому-то темные предметы нагреваются гораздо сильнее светлых: они поглощают больше энергии. Тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому при их соприкосновении также путем теплопроводности. Теплопроводность материалов, покрывающих пляж, будь то песок или галька, невелика. Стоит в самый жаркий день разрыть нагретую поверхность, как доберешься до лежащих под ней холодных слоев. Не зря врачи предупреждают: если долго лежать на одном месте даже в жару, можно простудиться. И виновата в этом теплопередача между телом человека и отбирающими тепло холодными слоями песка.

Посмотрим на другое чудо природы - обычную воду и ее, казалось бы, очевидные для нас, но на самом деле удивительные свойства.

Вода, в отличие от твердых тел, легко меняет свою форму, но, в отличие от воздуха, оказывает при этом ощутимое сопротивление движению и сохраняет постоянный объем.

Твердые тела сохраняют форму и объем благодаря большим силам взаимодействия, удерживающим составляющие их частицы на строго определенных местах. Для разрушения требуется большая сила, и оно почти всегда необратимо. В газе молекулы беспорядочно перемещаются и взаимодействуют лишь при соударениях.

В воде (и в других жидкостях) молекулы связаны силами меньшими, чем в твердых телах, и довольно легко перемещаются. Поэтому вода способна изменять форму, но сохраняет постоянным объем. Именно благодаря этому можно легко входить в воду и двигаться в ней, плавая и ныряя, а также разделять ее на порции, обливаясь и брызгаясь.

Ощущение почти полной невесомости - наиболее яркое впечатление при купании - результат действия выталкивающей силы.

Плавая в жидкости, любое тело замещает, вытесняя, определенную ее массу. А так как та находилась в равновесии, ибо ее сила тяжести (вес) уравновешивалась выталкивающей силой со стороны окружающей жидкости, то и на любое плавающее тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом (см. "Наука и жизнь" № 5, 2003 г.).

... А теперь пора в воду.

Если спуск на глубину идет по склону, покрытому острыми камешками, то по мере погружения в воду камешки режут ступни босых ног все меньше. От неприятных ощущений спасает выталкивающая сила, из-за действия которой уменьшается вес тела, а значит, и его давление на дно.

Пловцы высокого класса на соревнованиях поднимают голову над водой только для вдоха, а выдох делают в воду. И это не прихоть, а необходимость. Дело здесь в учете действия выталкивающей силы. Благодаря ей взрослый человек массой 75-80 кг весит при полном погружении тела в воду всего 4-5 кгс. Но стоит ему приподнять голову и плечи над поверхностью, как вес его увеличивается до 30-35 кгс. И пловцы стараются не тратить лишние силы, чтобы удержаться на плаву.

... Какое же купание без прыжков в воду? Но прыгунов наряду с удовольствием подстерегает неприятность - соударение с водой, кратковременный процесс торможения ею прыгуна. Торможение может быть резким или плавным, в зависимости от скорости прыгуна и конфигурации его тела в момент соприкосновения с водой. Чем выше скорость (чем с большей высоты совершен прыжок) и чем больше площадь касания тела с водой в начальный момент погружения, тем резче торможение и, следовательно, болезненней соударение с водой. Поэтому прыжки в воду с возвышения следует совершать не распластавшись, а головой или ногами вперед - "ласточкой" или "солдатиком".

Если нет желания прыгать, можно провести менее масштабный опыт воздействия на воду: ударьте по поверхности водоема сначала плоскостью ладони, а затем ее ребром. При резком ударе ладонью можно отбить руку! А сопротивление воды очень сильно зависит от скорости движения. Если в воде двигаться медленно, сопротивление почти не чувствуется. Но с ростом скорости сила сопротивления резко возрастает, и в какой-то момент уже не хватает сил, чтобы двигаться быстрее. Многие рыбы, правда, способны развивать огромную скорость: тунец - до 90 км/ч, меч-рыба - до 120 км/ч, но они "умеют" сильно понижать сопротивление воды (см. "Наука и жизнь" № 12, 2001 г.).

... Среди гальки обязательно найдутся плоские камешки, которыми можно пускать "блинчики" по воде. Почему брошенные плоской стороной вдоль поверхности воды камни не тонут сразу, а рикошетом прыгают и даже скользят по поверхности воды?

Чтобы вода отбросила камень, нужно, чтобы он не смог преодолеть ее инертность, или, проще говоря, вода не успела расступиться перед камнем за время удара. Для этого необходимо ограничить силу и время вертикального воздействия камня на воду, то есть выбрать камень с большой площадью и, следовательно, малым давлением на поверхность воды, и создать небольшую вертикальную составляющую скорости камня при значительной горизонтальной. Камень быстро проскакивает место очередного удара о воду, совершая несколько прыжков.

Рикошет от воды в прошлом использовали в военном деле. Он позволял канонирам морских орудий повышать дальность стрельбы в 2-3 раза. По свидетельствам очевидцев тех лет, ядра, выпущенные по настильной траектории, прыгали с волны на волну, поражая суда противника вблизи их ватерлинии.

... Вот вы достигли глубины, где можно плавать, нырять и брызгаться вволю.

Наберите пригоршню воды и бросьте ее в воздух. От ладони оторвется бесформенный комок. И поскольку в полете этот комок находится в состоянии невесомости (как и любое свободно падающее тело), за его формирование берется сила поверхностного натяжения. Она возникает из-за особых свойств поверхностного слоя воды, благодаря взаимодействию молекул в котором вода как бы находится в упругой сжимающейся оболочке. Сила поверхностного натяжения стремится максимально сократить поверхность воды. В тонких местах комка и его отростков образуются перетяжки, и он разбивается на множество шариков-брызг, ибо шар имеет минимальную поверхность для данного объема вещества.

А теперь наберите в ладони воду и выпустите ее тонкой струйкой. Льющаяся струйка заметно сужается: наглядный пример того, что свободное падение тел происходит с ускорением. Поскольку струя неразрывна, то в единицу времени через ее сечение внизу и вверху проходят одинаковые объемы воды. А поскольку скорость растет, диаметр струйки уменьшается.

Не забывайте, что вода, обладающая большой теплоемкостью и сравнительно низкой температурой, непрерывно отбирает тепло у вашего тела. И чем больше разница температур между телом человека и водой, тем быстрее идет этот процесс. Чтобы восполнить потерю тепла, нужно энергично двигаться и не доводить себя до появления озноба.

А теперь на прогретый песок, под жаркие лучи солнца!

Вы энергично растираетесь полотенцем, поворачиваетесь к солнцу то одним, то другим боком и чувствуете, как по телу разливается приятное тепло. Если же вы не вытерли кожу, да еще подул ветер, то сразу ощутите неприятный холод. Испарение воды с влажной кожи сопровождается понижением температуры тела, так как оно теряет тепловую энергию. Самые быстрые молекулы воды тратят часть своей кинетической энергии на совершение работы выхода (преодолевается сопротивление поверхностного слоя воды), а остаток уносят с собой. При ветре теплоотдача усиливается: воздух уносит испарившиеся с тела молекулы воды, а с ними и тепловую энергию.

А задумывались ли вы, почему, выйдя из воды, человек вообще должен сохнуть? Почему вода остается у него на коже после купания, а не скатывается?

Дело в том, что кожа человека, в отличие, скажем, от покрытого жиром оперения водоплавающих птиц, смачивается водой - молекулы воды притягиваются силами межмолекулярного взаимодействия к коже сильнее, чем друг к другу. Также благодаря смачиванию становится возможным вытираться полотенцем. Молекулы воды притягиваются к ткани полотенца сильнее, чем к коже, и переходят при вытирании с кожи на полотенце. Представим, что полотенце сшито из синтетической ткани, отталкивающей воду. Тогда оно просто размазывало бы воду, не впитывая ее.

Продолжим разговор о смачивании, тем более, что одно из его проявлений во время пребывания на пляже находится в прямом смысле у вас под ногами.

Если начать раскапывать сухой песок на пляже (что мы уже делали), то очень скоро дойдем до влажного песка. И чем глубже копать, тем больше воды в нем будет, несмотря на то, что уровень водоема расположен гораздо ниже. В зависимости от размеров песчинок вода поднимается на высоту 30-60 сантиметров!

Здесь мы имеем дело с капиллярным явлением, основанным на поверхностном натяжении воды и ее смачивающем свойстве. Неплотно прилегающие друг к другу песчинки образуют множество узких ходов - капилляров. Вода смачивает песчинки, обволакивает их и поднимается по стенкам капилляров за счет значительных сил молекулярного притяжения. Чем уже капилляры (мельче песчинки), тем меньше масса находящейся в них воды и соответственно на большую высоту она может подняться.

А теперь понаблюдаем в деталях, как происходит смачивание сухого песка. Высыпем на мелководье горку сухого песка и проследим за границей между сухим и влажным песком. Вода, смачивая песок, поднимается по капиллярам конуса-горки. Она охватывает и втягивает, укладывая с максимальной плотностью, одну песчинку за другой. Основание конуса, где песок уже намок, получается более пологим и плотным, чем его сухая вершина.

Сила молекулярного притяжения довольно велика. Именно она позволяет строить дворцы и крепости на пляже и в песочнице. Возведенные из сырого песка затейливые сооружения, высохнув, неминуемо осыпаются. Вся игра детей с формочками и влажным песком основана на силе молекулярного взаимодействия между песком (строительным материалом) и водой (связующим веществом) (см. "Наука и жизнь" № 6, 1998 г.). Это утверждение нетрудно проверить, попытавшись построить что-то из песка под водой: ничего, кроме пологих холмов (словно из сухого песка), не получится, так как сила взаимодействия с водой уже не скрепляет песчинки друг с другом. Вода находится теперь не только между песчинками, а со всех сторон окружает их, действие молекул воды на песчинки взаимно уравновешивается.

Пройдите по полосе сырого песка у воды. Обратите внимание на возникающие вокруг ступней валики светлого, не содержащего воды песка, которые вскоре темнеют, пропитываясь водой (см. "Наука и жизнь" № 9, 1978 г.).

Посветление песка объясняется просто: в выдавленном вверх песке расстояния между соседними песчинками увеличиваются и содержавшаяся в нем вода уже не может заполнить пустоты, особенно снаружи. Происходит разрушение прежних капилляров, а на подъем новой порции воды и восстановление капилляров нужно время. Сам же механизм выдавливания песка довольно любопытен. Наряду с простым перемещением песчинок имеет место следующее: в насыщенном водой песке песчинки расположены с максимально возможной плотностью (что мы уже наблюдали), а внешнее воздействие, вызывающее деформацию сдвига, приводит к увеличению занимаемого песком объема. Это явление впервые объяснил английский физик О. Рейнольдс в 1885 году.

Покрывающий пляж песок, подобно другим сыпучим веществам, может проявлять себя как жидкость или как твердое тело, в зависимости от внешних условий. Все слышали о зыбучих песках и знают, как песок течет сквозь пальцы. И в то же время, согласно мнению строителей и вопреки известной поговорке, нет лучшего фундамента, чем слежавшийся песок.

Вот вы ступили на песок пляжа. Идти по сухому песку не так-то просто - ноги в нем вязнут. Если песок столь легко уступает действию ног, то как же удобно будет лежать на нем!

Вы с размаху бросаетесь на песок и ощущаете, что ваши надежды не оправдались: лежать на песке не очень-то мягко. Все его неровности не спешат разгладиться под весом тела.

Что же получается? Песок слишком мягок, чтобы по нему ходить, и недостаточно податлив, чтобы было удобно лежать на нем. Чем объясняется данное различие?

Ну, конечно, разной величиной силы, действующей на единицу площади поверхности, - разным давлением веса человека. Устройте в песке ложе, повторяющее все изгибы тела, - вес распределится на большую площадь, давление станет малым и лежать будет очень комфортно.

Наберите теперь две пригоршни сухого песка и медленно высыпайте его через щель между ладонями. Обратите внимание на то, что вначале высыпаются песчинки, лежащие непосредственно над отверстием. А затем - песчинки из верхнего слоя песка, в котором образуется воронка. Наклоните ладони. Воронка все равно образуется точно по вертикали над отверстием. Что мешает раньше высыпаться другим песчинкам, расположенным вокруг отверстия в нижних слоях, то есть ближе к нему?

Продолжим эксперимент. Возьмем лист бумаги, свернем его в трубку, положим горизонтально и засыпем снаружи сухим песком. Конструкция из бумаги будет выдерживать довольно большие нагрузки. Прочность ей придает не только трубчатая форма; нужно, чтобы вокруг трубки и сверху толстым слоем лежал сухой песок. Почему песок не расплющивает трубку, даже если надавить сверху на песок ладонью? Дело в том, что под давлением песчинки перестраиваются так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному перемещению. В науке это явление носит название "появление арочных структур". В арке каждый отдельный элемент не может переместиться в направлении действия внешней силы - он зажат враспор соседними элементами, которым и передает действующую нагрузку. В результате под давлением (внешним и внутренним) песок утрачивает подвижность и приобретает свойства твердого тела.

По этой причине в песочных часах песок пересыпается равномерно, независимо от высоты его столба (в отличие от воды!). И первыми высыпаются песчинки именно верхнего слоя, потому что не связаны арочными структурами.

После захода солнца воздух и песок, обладающие малой теплоемкостью, быстро теряют накопленное тепло. Они неприятно холодят тело. А вода с ее большой теплоемкостью дольше сохраняет дневное тепло и манит напоследок искупаться.

На этом прогулку по пляжу с привлечением физических знаний закончим. Ее можно продолжить самостоятельно, было бы желание и знание курса физики. О том, что у вас получилось, напишите в редакцию. Желаем успехов!

РАДУГА В МЫЛЬНОЙ ПЛЕНКЕ

Архив / №06, 2000 /  Источник сайт журнала "Наука и жизнь"  http://www.nkj.ru/archive/articles/7480/

Каждый, кто хоть раз в детстве выдувал мыльные пузыри, наверняка запомнил то ощущение праздника, которое создавала фантастическая игра цветов на их поверхности. Удивительно - пленка из бесцветной жидкости, раствора мыла в воде, освещенная белым светом, расцвечивается всеми цветами радуги. Посмотрим, почему это происходит.

Распространение света - процесс волновой. Каждой длине волны соответствует ощущение определенного цвета. Белый свет - это смесь самых разных цветов, от фиолетового до тёмно-красного. И если из луча белого света каким-то образом "вырезать" только одну волну, а остальные "погасить", свет из белого превратится в окрашенный.

Мыльный пузырь - это тонкая пленочка воды между двумя слоями молекул моющего вещества. Свет, падая на поверхность пленки, частично отражается от первого слоя, частично проходит внутрь, преломляется и отражается от второй поверхности. Волны, отраженные от двух поверхностей пленки, складываются. И если максимумы двух волн совпадают (волны идут в фазе), амплитуда суммарной волны увеличивается. Если же максимум одной волны приходится на минимум другой (волны в противофазе), амплитуда уменьшится вплоть до полного исчезновения суммарной волны. Две световые волны в сумме дадут темноту. Такой механизм сложения волн называется интерференцией.

Вот откуда взялись цвета, которые окрасили бесцветную пленку, - они возникли в результате интерференции световых волн, отразившихся от границ мыльной пленки. Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны, и если волны пришли в фазе, амплитуда суммарной волны вырастет в два раза, а яркость цветного пятна - в четыре. Соответственно столь же сильно будет падать интенсивность волн, идущих в противофазе. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 0,4 микрона (фиолетовый свет) до 0,75 микрона (красный свет). И если одна область пузыря окрашена, скажем, в синий цвет (0,45 мкм), а другая - в зеленый (0,50 мкм), можно с уверенностью сказать, что толщина его стенки изменилась на 0,05 мкм = 5.10^-8 м = 0,00005 мм (или на кратную величину).

Если внимательно приглядеться к игре красок на поверхности мыльного пузыря, можно заметить, что рано или поздно вблизи его верхней части появится черное пятно. Толщина пленки в этом месте стала равна половине длины волны фиолетовой составляющей видимого света (самой высокочастотной). Пузырь лопнет именно в этом, наиболее тонком и слабом месте.

Такую же игру красок можно видеть и на поверхности воды, покрытой тонкой пленкой масла или бензина.