​​#простыевопросы: почему на холодных поверхностях в тёплых помещениях образуются капельки воды?

Эти капельки, которые называют конденсатом, появляются в буквальном смысле слова из воздуха.

Воздух при данной температуре способен удержать лишь определённое количество воды. Так, при 30 градусах мороза в воздухе может быть не более 0,3 грамма водяных паров на кубометр; при 0 градусов – уже 4,8 грамма на кубометр, при 20 градусах – 17,3 грамма и так далее. Если мы возьмём воздух температурой в 20 градусов, содержащий 10 граммов водяных паров, и охладим его до нуля, то окажется, что в каждом кубометре воздуха окажется 5 с небольшим граммов «лишней» воды. Эта вода не сможет больше помещаться в воздухе в газообразном состоянии и перейдёт в жидкую форму – конденсируется.

Но давайте копнём немного глубже: почему воздух может удерживать разное количество водяных паров в зависимости от температуры?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим ситуацию, когда капли уже образовались, т.е. в системе соседствуют два состояния воды – жидкое (на стекле) и газообразное (в воздухе в виде паров).

Жидкость отличается от газа тем, что внутри неё молекулы пребывают в связанном состоянии: их движение ограничено силами межмолекулярного взаимодействия. При этом молекулы жидкости пребывают в состоянии теплового движения, скорость которого зависит от температуры. Точнее, так говорить неправильно. на самом деле то, что мы воспринимаем как температура, является проявлением того, насколько быстро движутся молекулы в вещества: чем выше средняя скорость их движения, тем более горячим кажется тело.

Если молекула жидкости движется быстро, то её кинетической энергии может оказаться достаточно для того, чтобы разорвать межмолекулярные связи и улететь прочь – происходит испарение. И наоборот: медленная молекула газа может быть уловлена жидкостью и не сможет уже вернуться в свободное состояние. Произойдёт конденсация.

Но температура характеризует лишь среднюю скорость движения молекул вещества, и в реальности в жидкости или газе всегда присутствуют молекулы, обладающие скоростью как сильно большей, так и много меньшей средней. Поэтому процессы испарения и конденсации в системе «жидкость-пар» всегда происходят параллельно. То, какой процесс доминирует, зависит от температуры: при более высоких доминирует испарение, при более низких – конденсация.

Существует температура, при которой оба процесса уравновешиваются: в единицу времени испаряется столько же молекул, сколько и конденсируется. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным, а температуру, при которой наступает это состояние – точкой росы.

Температура точки росы зависит от давления пара, а точнее – от концентрации молекул пара в воздухе. Несложно понять, почему так происходит: если молекул газа (пара) над поверхностью жидкости нет или почти нет, ничто не помешает испарившейся молекуле улететь на сколь угодно большое расстояние и уже никогда не вернуться обратно в жидкость. С другой стороны, чем больше газа находится над поверхностью жидкости, тем больше вероятность, что покинувшая её шустрая молекула в ходе соударений с окружающими молекулами потеряет свою энергию и «упадёт» обратно.

Именно поэтому существует верхняя граница количества паров воды, которые могут содержаться в воздухе при данной температуре – собственно, воздух может вместить не более того количества воды, чтобы водяной пар стал насыщенным. Если понизить температуру, то окажется, что воды слишком много, и начнётся конденсация.

Но как насчёт ситуаций, если в системе есть только газ и нет жидкой фазы? Ведь «ленивым», медленным молекулам в этой ситуации не будет куда конденсироваться? Ну да, так оно и происходит: в очень чистый воздух, помещённый в идеально гладкий сосуд, на практике оказывается возможно «запихать» больше водяного пара, чем возможно теоретически при данной температуре. Такой пар ещё называют перенасыщенным.

Поддержать проект материально можно здесь. А ещё вы поможете нам, подписавшись на платный канал "Физика для друзей"

​​Вещество, которое не умеет кипеть

Продолжим наш разговор о сверхтекучей жидкости и её аномальных свойствах

Зададимся вопросом: какой должна быть теплопроводность сверхтекучей жидкости? Логично предположить, что она будет равна 0.

Действительно, теплопроводность в веществах осуществляется посредством взаимодействия между молекулами или атомами. Нагрев какую-то часть жидкости, мы увеличим скорость теплового движения частиц в этой части. Сталкиваясь с частицами из соседних областей, более шустрые частицы будут передавать им часть своей кинетической энергии, т.е. тепла. Те частицы, в свою очередь, провзаимодействуют с другими частицами, передав им часть того тепла, которое они получили. Процесс будет повторяться по мере удаления от места, которое мы нагрели - тепло будет распространяться по материалу.

Но в сверхтекучей жидкости такой процесс невозможен, ведь частицы такой жидкости не обмениваются энергией при столкновениях. Значит, теплопроводность сверхтекучих жидкостей равна 0?

А вот и нет, и даже в точности наоборот: при переходе в сверхтекучую фазу теплопроводность жидкостей скачкообразно и колоссально возрастает!

Например, известно, что кипящий жидкий гелий при переходе в сверхтекучую фазу внезапно перестаёт кипеть: его толща становится совершенно спокойной! Это явление физики объясняют как раз аномально высокой теплопроводностью сверхтекучего гелия.

Действительно, при испарении жидкости затрачивается тепловая энергия - жидкость слегка охлаждается. Обычно жидкость испаряется с поверхности, и потому у поверхности находится более холодный её слой, куда должно "перетекать" тепло из более нагретых (не охлаждённых испарением) частей.

Чтобы закипятить обычную жидкость, мы подводим к ней тепло настолько быстро, что оно просто не успевает отводиться из толщи жидкости к поверхности. Жидкость начинает испаряться во всём своём объёме - закипает.

Но в сверхтекучем гелии теплопроводность настолько велика, что тепло распространяется из глубин жидкости к поверхности почти мгновенно. А там, на поверхности, эффективно тратится на испарение. Жидкости просто не удаётся "накопить" в своей толще достаточно тепла, чтобы начать кипеть!

Откуда же у сверхтекучих жидкостей берётся теплопроводность, да ещё и такая высокая? Строго правильный ответ на этот вопрос достаточно сложен, поэтому изложу достаточно сильно упрощённую версию.

Даже в обычных жидкостях теплопроводность методом диффузии тепла, как мы описывали выше, является не единственным механизмом теплопередачи. Другим механизмом, и притом более эффективным, является конвекция, когда теплоперенос осуществляется в результате внутреннего движения макроскопических объёмов вещества: горячая вода поднимается со дна чашки вверх к её поверхности.

Причём конвекция гораздо эффективнее переносит тепло, чем "диффузная" теплопроводность.

Но в обычной жидкости конвекции препятствует вязкость, которая стремится прекратить внутреннее движение её слоёв. Поэтому конвекция "запускается" лишь при определённой разнице температур, когда порождающие конвекцию силы оказываются способны побороть вязкость.

А в сверхтекучей жидкости вязкости нет, и теплопередаче путём переноса массы ничего не препятствует, и поэтому теплоперенос осуществляется именно этим способом - причём осуществляется более чем эффективно.

На самом деле, как я уже говорил выше, объяснение феномена немного сложнее, но суть та же: теплоперенос в сверхтекучей жидкости осуществляется путём распространения т.н. тепловых волн, или волн энтропии, или т.н. "второго звука", причём скорость их распространения составляет десятки метров в секунду.

На видео - тот самый эффект прекращения кипения гелия при переходе в сверхтекучую фазу.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Можно ли плавать в сверхтекучей жидкости?

Интуитивно кажется, что нет. Во время плаванья мы по сути отталкиваемся от жидкости, используя её вязкость. В сверхтекучей жидкости вязкость отсутствует, и как бы ни барахтался пловец, он должен оставаться на месте: жидкость будет обтекать его без всякого сопротивления.

Однако на самом деле плавать в сверхтекучей жидкости всё-таки можно - по крайней мере, в теории. Правда, для этого пловец должен двигать частями своего тела со скоростью, превышающей скорость звука.

В этой ситуации его движения (как и движения со сверхзвуковой скоростью в любом веществе) будут порождать в жидкости звуковые волны, которые будут распространяться в среде. Эти волны будут уносить энергию, и если устроить всё так, что эта энергия будет распространяться не во все стороны одновременно, а преимущественно в каком-то одном направлении, то пловец, соответственно, будет двигаться в другом.

Сама теория плаванья в сверхтекучей жидкости может показаться отвлечённой игрой ума, ведь реальной потребности в аппаратах, способных плавать в том же жидком гелии с температурой в считанные градусы выше нуля у нас пока не возникало. Ключевое слово - пока: по мере развития технологий, связанных, например, с квантовыми компьютерами, которые "работают" именно на сверхтекучих жидкостях, теория может получить практическое применение.

На картинке - компьютерная симуляция обобщённого "пловца" в сверхтекучей жидкости, представляющего собой два эллипса, соединённых шарниром - что-то типа морского гребешка. По расчётам "гребешок" вполне сможет плавать в сверхтекучей жидкости, создавая в ней колебания плотности и звуковые волны.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​#киноляпы: ядерный взрыв и авиация, ну и заодно пару слов про электромагнитный импульс

Во многих художественных фильмах, в которых фигурирует ядерный взрыв и его последствия, присутствуют драматические сцены падения на землю авиалайнеров и прочей техники, выведенной из строя электромагнитным импульсом (ЭМИ) ядерного взрыва на расстоянии десятков и даже сотен километров от его эпицентра.

Выглядит круто, но в реальности ничего подобного наблюдаться не должно. Современные самолёты, даже гражданские, неплохо защищены от электромагнитных излучений: например, их электронное оборудование специальным образом экранировано. Причём сделано это не для защиты от последствий ядерного взрыва: самолёты весьма часто летают через грозовые фронты, а разряды молний также сопровождаются электромагнитными импульсами, притом достаточно мощными.

В реальности современные самолёты легко и без последствий переживают даже прямой удар молнии. ЭМИ от ядерного взрыва они тоже легко перенесут.

Другое дело, что электромагнитный импульс - далеко не единственный поражающий фактор ядерного взрыва, и от, к примеру, ударной волны самолёт уже защищён не так хорошо. Но это немного другая история.

Кстати, разрушительные последствия прохождения ЭМИ ядерного взрыва вообще слегка преувеличены. Например, ваш стационарный компьютер достаточно легко его переживёт, ведь его электроника упрятана в металлическом корпусе, а металлы хорошо экранируют ЭМИ: если что и сгорит, то, скорее всего, блок питания, напрямую подключённый к сети. Большинство автомобилей, корпус которых сделан из металла, также не пострадают (а вот владельцев авто с карбоновыми корпусами таки может ждать неприятный сюрприз). И даже электросети, на которые (из-за протяжённости проводников) придётся основной удар ЭМИ, вполне могут выжить, так как имеют встроенную защиту: выключиться-то они выключатся, но могут быть так же легко включены обратно (если, конечно, на обязательных мероприятиях по защите от ЭМИ не сэкономили).

Вот что отключится наверняка и надолго, так это мобильная связь. И не потому, что перегорят мобильные телефоны (воздействие ЭМИ зависит от линейных размеров объекта, а гаджеты обычно невелики), а из-за выхода из строя вышек, антенны которых являются идеальным "улавливателем" ЭМИ. А вот стационарная телефонная связь вполне вероятно даже не заметит взрыва, так как изначально проектировалась ЭМИ-устойчивой.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Знаете ли вы, что Луна постепенно удаляется от Земли?

Среднее расстояние между Землёй и её естественным спутником увеличивается примерно на 4 сантиметра в год - где-то с такой же скоростью растут ногти.

Это происходит потому, что скорость вращения луны вокруг Земли постепенно возрастает. Но из-за чего она возрастает? Дело, конечно, в гравитации.

Земля притягивает Луну (из-за чего та не улетает в открытый космос), но и Луна притягивает Землю. Так что говорить "Луна вращается вокруг Земли" не совсем правильно: скорее обе планеты вращаются вокруг некоего общего центра масс.

Гравитация Луны оказывается достаточно сильной, чтобы слегка изменить форму Земли, ведь наш спутник притягивает ближайшие к нему точки Земли сильнее, чем более удалённые. В результате Земля немного сплющивается, или, наоборот, вытягивается в направлении Луны.

Если бы Земля была неподвижна, то выпуклость эллипса располагалась бы точно "под" Луной. Но Земля ещё и вращается. Причём вращаются они в одну сторону, но скорости вращения Земли вокруг своей оси выше, чем скорость вращения Луны вокруг Земли. Поэтому получается, что приливный горб, вызванный лунной гравитацией, находится не прямо напротив Луны, а чуть-чуть обгоняет её.

В результате центр масс системы Земля-Луна немного смещается. Причём получается, что Луну он немного "обгоняет", а вот от выпуклости земного эллипса слегка "отстаёт". В результате Луна, притягиваясь к этому центру масс, слегка ускоряется, а вот Земля, наоборот - немного замедляется. То есть, в системе Земля-Луна идёт постепенное перераспределение кинетической энергии и момента импульса.

В результате Луна в своём вращении вокруг Земли слегка ускоряется, по мере ускорения переходя на всё более высокую орбиту. А вот Земля, напротив, слегка замедляется, и продолжительность земных суток растёт примерно на 2 миллисекунды в столетие.

Значит ли это, что однажды Луна удалится от Земли настолько, что улетит прочь? Конечно же нет. Процесс перераспределения энергии и момента импульса в системе Земля Луна будет длиться до тех пор, пока скорости вращения Земли вокруг своей оси и Луны вокруг Земли не сравняются. В этот момент центр масс системы Земля-Луна расположится ровно на линии, соединяющей центры планет, перераспределение энергии в системе прекратится. Земные сутки перестанут становиться всё длиннее, а Луна перестанет удаляться. Впрочем, это не значит, что система Земля-Луна обретёт стабильность, ведь в ней действуют и другие факторы, влияющие на движение тел в ней. О них мы тоже поговорим в других материалах.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

#простыевопросы: почему мокрая одежда выглядит более тёмной?

Пролитая на одежду вода, капли дождя или, к примеру, пот создают характерные тёмные пятна. Но почему эти пятна в принципе тёмные, ведь вода практически прозрачна?

Мы видим одежду (и любой другой несветящийся сам по себе предмет) благодаря отражённому свету. То есть, свет от Солнца или, скажем, лампы падает на одежду, отражается ей, попадает нам в глаз - формируется изображение.

Чем больше света отражается, тем лучше нам видно: именно поэтому белая одежда с более высокой отражающей способностью кажется нам более яркой, а специальные светоотражающие материалы и вовсе как будто светятся, настолько яркими они кажутся. Стоит отметить, что в светоотражающих материалах дело ещё и в том, что свет отражается не абы как, как от обычной ткани, а в определённом направлении благодаря их внутренней структуре, но это уже немного другая история.

Так вот, если одежда сухая, то как оптическая система она выглядит просто: свет отражается только на границе воздух-ткань. Но если добавить в систему воду, всё усложнится: свет сначала частично отразится от поверхности воды, отделяющей ткань от воздуха, затем через воду пройдёт к ткани и отразится уже от неё. Но на обратном пути свет снова повстречается с границей воды и воздуха, и претерпит частичное отражение: часть его вернётся обратно в материал, где снова отразится от ткани, снова достигнет границы вода-воздух, опять частично отразится там и т.п. При этом во время этих путешествий свет ещё и постоянно поглощается средой (что водой, что тканью), и его итоговая энергия уменьшается.

Получается, что водная плёнка вокруг волокон ткани создаёт как бы "световую ловушку", в которую попадает свет и где он слабеет. В результате мокрые участки ткани возвращают нам меньше падающего света, чем сухие.

Кстати, мокрый асфальт (или, скажем, мокрый песок) кажутся темнее сухого по той же самой причине.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

#простыевопросы: почему мокрая ткань просвечивается?

Причём таким свойством обладает не всякая ткань: в основном этим "страдают" лён и другие ткани, сделанные из растительных волокон.

Растительные волокна относительно прозрачны: они представляют собой полые трубки — в отличие от волокон той же шерсти, которые являются цельными внутри белковыми нитями.

Но почему тогда сделанная из растительных волокон одежда (или, скажем, бумага) непрозрачны в сухом состоянии? Всё дело в том, что ткани представляют собой сложное переплетение волокон, разделённых между собой прослойками воздуха. Каждый раз, проходя через границу двух сред, воздух претерпевает частичное отражение и преломление: часть светового потока отражается обратно, часть - проходит внутрь, причём направление движения как отражённого, так и преломлённого лучей отличаются от изначального. В результате свет, упавший на одежду из прозрачных волокон, хаотично дробится.

По той же причине становится непрозрачной (белой) прозрачная вода, наполненная прозрачными пузырьками воздуха.

Интенсивность отражения и преломления света на границе двух веществ зависит от разницы их показателей преломления. Показатель преломления воздуха практически равен 1 (1,0003). Показатель преломления целлюлозы - 1,53. Показатель преломления воды - 1,33. То есть, на границе воздух-целлюлоза свет отражается и преломляется куда сильнее, чем на границе вода-целлюлоза.

И если воздух в ткани заменить водой, намочив её, то световой луч при прохождении через такую среду будет куда слабее рассеиваться в результате многократного преломления и отражения: он окажется способен как бы просветить одежду и вернуться обратно, сделав видимым для наблюдателя то, что под этой одеждой находится.

При этом, как мы уже говорили в предыдущем материале, в общем и целом от человека в мокрой одежде отразится меньше света, чем от человека в сухой. Но этот свет будет более "упорядоченным".

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Когда мы с вами говорили о том, что ядерная война не станет концом света, мы упустили одну вещь: она называется кобальтовая бомба. Достаточное количество таких бомб действительно способно устроить человечеству Судный день и сильно затруднить его выживание как биологического вида.

Кобальтовая бомба представляет собой термоядерный заряд, дополнительно окружённый оболочкой из кобальта. Природный кобальт на 100 % состоит из стабильного (нерадиоактивного) изотопа кобальт-59. Но поглощая нейтроны, выделяющиеся в ходе термоядерного взрыва, он "мутирует", превращаясь в радиоактивный кобальт-60.

А кобальт-60 - весьма и весьма неприятная штука, так как его период полураспада составляет 5,3 года.

С временем полураспада ведь вот какая штука: чем этот период больше, тем меньше "доброго тепла" изотоп отдаёт окружающим объектам в единицу времени. Например, уран-238 обладает периодом полураспада в 4,5 миллиарда лет, а торий-232 - 14 миллиардов лет; содержащие эти элементы монацитовые пески устилают многие квадратные километры пляжей, и лучевой болезнью из-за них ещё никто не заболел.

Напротив, высокоактивные элементы с малым периодом полураспада свою энергию отдают быстро, создавая мощные радиационные поля. Но из-за малости периода полураспада такие поля держатся недолго, и радиоактивный фон быстро падает. Так, знаменитое правило "7-10" гласит, что радиоактивность убывает в 10 раз за промежуток времени в 7 раз больше предыдущего: через 7 часов она уже в 10 раз меньше, чем через час после взрыва/утечки, через 7х7=49=2 дня - в 100 раз, через 2 недели - в 1000 и т.п. Поэтому даже сильное радиоактивное заражение в теории можно пережить, посидев пару дней в укрытии (даже в обычном подвале многоэтажки фон в 50-100 раз меньше, чем на улице).

Так вот, кобальт-60 в этом смысле является "золотой серединой": он достаточно активен, чтобы быть всерьёз опасным, но при этом живёт достаточно долго, чтобы пересидеть заражение им местности в укрытии было нельзя (сколь угодно массовые убежища, способные автономно функционировать даже месяцы возможны лишь в фантастических фильмах и компьютерных играх).

Так что да, использование достаточно большого количества кобальтовых бомб и правда может позволить эффективно избавить Землю от Homo Sapiense, равно как и от многих других видов живых существ.

А теперь хорошая новость: кобальтовых (или аналогичных) бомб на вооружении ни одной из стран мира в настоящее время не имеется. Что-то такое испытывали в 1957 году в Австралии британцы (испытание Tadje), изрядно загадив окружающую местность. Но "в серию" это дело так (вроде бы) и не пошли.

Но сама идея многим кажется весьма... волнующей: так, в качестве иллюстрации к посту пойдёт ракета с кобальтовой боеголовкой из киноэпопеи "Планета обезьян".

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Прозрачная древесина - стройматериал будущего?

В прошлых публикациях мы с вами говорили, что целлюлозные волокна, из которых состоят, например, бумага, хлопчатобумажная ткань, ну и, конечно, само дерево сами по себе прозрачны. Откуда возникает резонный вопрос: а можно ли в таком случае сделать прозрачной саму древесину?

Это было бы весьма полезно, например, в строительстве. Действительно, любому дому нужны окна, которые делают из прозрачного стекла. Но стекло обладает высокой теплопроводностью, и поэтому окна являются причиной постоянных утечек тепла из помещения. Чтобы избежать этого, окна делают двойными, используют современные стеклопакеты и т.п. Это довольно дорого, сложно и неэкологично ("углеродный след" и это вот всё). Кроме того, стекло хрупкое.

Если бы дерево удалось сделать прозрачным, то проблема была бы решена: вместо стеклопакета достаточно было бы закрыть оконный проём "прозрачными досками"!

И работы в этом направлении уже идут.

Для того, чтобы сделать древесину прозрачной, с ней нужно проделать две операции. Во-первых, удалить непрозрачное вещество лигнин, являющееся основным компонентом древесины наряду с целлюлозой. Технологии этого отработаны в производстве бумаги, но там используются разные не сильно полезные штуки типа гидроксида и сульфата натрия. Существуют и альтернативные, более экологически чистые (хотя и более затратные) методы, к примеру, с использованием перекиси водорода.

Но даже если мы убрали лигнин, надо ещё что-то сделать с воздухом, заполняющим трубки целлюлозных волокон и промежутки между ними: из-за многократного рассеяния на границе "воздух-целлюлоза" непрозрачна, например, бумага, из которой лигнин уже удалили.

И здесь помогает тот же эффект, который делает прозрачной мокрую льняную или хлопчатобумажную одежду: воздух из материала можно удалить, вытеснив его другим прозрачным веществом, обладающим показателем преломления, как можно более близким к показателю преломления целлюлозы - это может быть, например, поливиниловый спирт.

Получающийся материал несколько менее прозрачен, чем настоящее стекло: в этом смысле он ближе к полиметилметакрилату, более известному как оргстекло. Но зато он и менее хрупок (хотя и хрупче обычной древесины, прочность которой придаёт именно лигнин), а также обладает неплохими теплоизоляционными свойствами. Кроме того, производство прозрачной древесины сильно экологичнее производства поликарбонатных стёкол, а после отработки технологии должно быть ещё и дешевле - и уж тем более дешевле, чем производство современных многослойных стеклопакетов.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Ну-с, а вот и Ютуб-канал, о котором мы недавно с вами говорили. Видео пока немного, и большинство из них записывались раньше.

Но скоро появятся и новые)

Так что - добро пожаловать!

Почему окна домов днём кажутся тёмными?

Даже окна хорошо освещённого помещения в яркий солнечный день с улицы кажутся тёмными. Почему так происходит?

Для того, чтобы это понять, нужно посмотреть на движение световых лучей. Солнечный свет проходит через окно в помещение, где многократно отражается его стенами. При этом лишь сравнительно небольшая часть отражённых лучей будет направлена так, что выйдет обратно через оконный проём: куда большая их часть попадёт на другую стену, отразится от неё, попадёт на другую стену и т.п.

При этом при каждом акте отражения часть световой энергии поглощается - то, какая именно часть отражается, а какая поглощается, зависит от отражательной способности материала стен, т.е. от их альбедо. Однако даже если альбедо стен будет близко к единице, из-за большого числа актов отражения лишь часть попавшего внутрь помещения света в конечном итоге выйдет обратно. Из-за этого окна кажутся более тёмными на фоне стен зданий, от которых свет отражается лишь единожды.

По той же причине оконный проём со стеклом выглядит ярче, чем он же - без стекла: каким бы прозрачным стекло ни было, часть падающего света всё-таки отражается от него, не попадая "в ловушку"

Точнее, на самом деле из окна в среднем выходит столько же световой энергии, сколько и входит в него, ведь поглощённая световая энергия не "консервируется" в стенах, а сразу излучается обратно в виде теплового излучения. Но это излучение при земных температурах лежит в невидимой глазу инфракрасной области спектра.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

#простыевопросы: почему ртутный термометр нужно сбивать перед измерением температуры?

Мы знаем, что ртутный термометр работает на принципе теплового расширения: когда ртуть нагревается, она расширяется, и по тому, насколько она расширилась, можно сказать, до какой температуры мы её нагрели. Но почему тогда при охлаждении до комнатной температуры ртуть не сужается обратно, и термометр нужно специально сбивать?

На самом деле, термометр специально сконструирован так, чтобы это нужно было бы делать. Это нужно для того, чтобы показания термометра сохранялись и после того, как само измерение закончилось: если бы сразу после прекращения контакта с человеческим телом ртуть начала сужаться, это было бы не очень удобно.

Термометр состоит из двух основных частей: колбы с ртутью на кончике термометра и очень тонкого измерительного капилляра, расположенного на проградуированной шкале. Колбу и капилляр соединяет коленце, ещё более узкое, чем сам капилляр.

В ходе измерения ртуть в колбе нагревается, вследствие этого расширяется и проталкивает сама себя в капилляр через сужение. Однако при охлаждении обратного процесса не происходит.

Да, ртуть охлаждается и сжимается, причём как в колбе, так и в измерительном капилляре. Но в последнем её сужение незаметно: там просто слишком мало ртути для того, чтобы она заметно для глаза изменила объём в результате теплового сужения. Вытечь же из капилляра в колбу сама собой ртуть не может - ртуть обладает довольно большой вязкостью, которая препятствует её свободному прохождению из капилляра через коленце в обратном направлении. Вот чтобы протолкнуть ртуть через коленце, термометр и надо сбивать, встряхивая.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

​​#простыевопросы: почему вода в горах кипит при более низкой температуре?

При подъёме на каждые 500 метров температура кипения снижается примерно на 2 градуса. Так, уже на высоте 1000 метров температура кипения упадёт до 97 градусов Цельсия, на 2000 – примерно до 93. На 5,6-километровом Эльбрусе вода будет кипеть уже при 80 градусах, а на Эвересте – при 69. Т.е. уже на Эльбрусе вы, к примеру, не сможете сварить яйца: для их варки нужна температура в 85 градусов, а её вы там не достигнете, так как после достижения точки кипения вода уже не греется, а увеличение притока тепла ведёт лишь к росту интенсивности кипения, но не к нагреву.

Для того, чтобы понять, почему так происходит, надо вспомнить, что такое кипение. А кипение – это интенсивное парообразование во всём объёме жидкости. То есть, обычно вода испаряется лишь с поверхности, а тут – из всего объёма.

Если точнее, вода начинает испаряться в т.н. центры парообразования: микроскопические пузырьки воздуха, пустоты, образованные микротрещинами сосуда и другими дефектами и т.п.

Если ещё точнее, то вода испаряется в такие полости и при обычной температуре, однако при ней этот процесс идёт недолго: концентрация водяных паров внутри полости быстро достигает насыщения, и процесс прекращается. По мере роста температуры пузырёк может вместить всё больше и больше молекул пара. А с ростом числа (концентрации) молекул внутри пузырька растёт и давление, которое пар оказывает на его стенки.

Так вот: когда давление насыщенного пара изнутри пузырька сравнивается с давлением, которое действует на пузырёк снаружи, давление пара оказывается способно расширить его стенки, увеличив объём полости. В результате туда становится возможно дополнительное испарение новых молекул. Эти молекулы создают дополнительное давление, объём увеличивается снова. Пузырёк растёт, пока, наконец, не становится достаточно большим, чтобы оторваться от дефекта поверхности, на котором образовался, и всплыть на поверхность. Вот именно эту картину постоянно образующихся, растущих и всплывающих на поверхность пузырьков, в результате чего вода начинает бурлить, мы и наблюдаем при кипении.

Зафиксируем: вода (и вообще жидкость) закипает при температуре, при которой давление её насыщенного пара сравнивается с оказываемым на жидкость внешним давлением, препятствующим росту пузырьков. В нашем случае – это атмосферное давление, которое уменьшается с ростом высоты.

И наоборот: увеличивая внешнее давление, можно увеличить температуру кипения, заставив воду оставаться в жидком состоянии при температурах существенно превышающих 100 градусов. Так, подводные вулканы извергают воду температурой в 200-300 градусов Цельсия из-за того, что система находится под давлением лежащей выше водяной толщи.

Спасибо за интересный вопрос нашему читателю, и напоминаем, что вы можете спросить о природе тех или иных явлений в наш бот обратной связи.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

​​Световой год и парсек: две единицы измерения расстояний в космосе

Обе эти единицы используются практически равноправно, хотя по мнению автора канала световой год удобнее, так как интуитивно понятнее: это, попросту говоря, расстояние, которое проходит свет за один год.

С парсеком - немного сложнее.

Эту величину придумали в 19 веке, когда основным (а по сути единственным!) способом определения расстояний до космических объектов было измерение так называемых годичных параллаксов.

Параллакс - это изменение направления, в котором мы видим некий удалённый объект при смещении относительно него. Когда едем по равнине на автомобиле или поезде, то часто можем видеть, как более близкие объекты "убегают" от нас быстрее, чем более далёкие. Т.е. для того, чтобы продолжать наблюдать за менее удалённым объектом, нам надо смещать угол зрения быстрее, чем для наблюдения за более дальним. Измерив, на какой угол сместился объект в поле нашего зрения (этот угол называют параллаксом) и зная, какое расстояние мы при этом проехали, можно с помощью простых геометрических соображений (теорема Пифагоре) рассчитать расстояние до этого объекта.

Чем больше расстояние до объекта, тем на меньший угол изменится направление на него для наблюдателя при прохождении того же отрезка пути. И если объект находится очень далеко, то для его смещения на заметный (подлежащий измерению) угол, наблюдатель должен сместиться на очень большие расстояния. Для измерения расстояния до звёзд астрономы 19 века использовали смещение на расстояние радиуса орбиты Земли в её вращении вокруг Солнца, фиксируя то, как изменяется видимое положение звезды на небе в течение года. Угловую разницу называли годичным параллаксом, и, зная радиус орбиты Земли, это позволяло измерить расстояние до звёзд. Даже и в этом случае угловые смещения были ничтожно малы и измерялись угловыми секундами, каждая из которых составляет 1/3600 долю градуса.

Так вот: в изначальном определении парсек - это расстояние до объекта, который за год меняет своё положение на небе на 1 угловую секунду. Это расстояние равно примерно 30,86 триллиона километров, или около 3,26 светового года. Сейчас от всех этих градусов дуги и радиусов земной орбиты "отвязались", точно выразив парсек в метрах, километрах и световых годах.

Размеры нашей Солнечной системы (диаметр Облака Оорта) составляют примерно 0,3 парсека (0,98 световых лет), расстояние до ближайшей звезды, Проксимы Центавра - 1,3 парсека (4,2 световых года), расстояние до центра нашей галактики составляет около 8000 парсек (26 тысяч световых лет), до ближайшей галактики Андромеды - 0,8 миллиона парсек (2,6 миллиона световых лет) и т.п.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

Насколько велика Вселенная?

Согласно подсчётам астрономов, размеры видимой части Вселенной составляют около 47 миллиардов световых лет. Сама Вселенная может быть гораздо больше, но именно такое расстояние отделяет нас от самых дальних областей, световые сигналы от которых успели бы дойти до нас с момента Большого Взрыва. Это расстояние ещё называют космологическим горизонтом, или горизонтом частиц.

Примечательно, что возраст Вселенной при этом оценивается в 13,8 миллиарда лет, что порождает кажущееся противоречие между размером и возрастом Вселенной. На самом деле, никакого противоречия нет.

Представим себе некий объект, 13,8 миллиарда лет испустивший световой сигнал, дошедший до нас только сейчас. Пока свет путешествовал через космос, Вселенная продолжала расширяться, и источник сигнала всё это время удалялся от нас благодаря космологическому "разбуханию" пространства.

К примеру, галактику HD-1, которая считается самым удалённым от нас астрономическим объектом, от Солнечной системы отделяет около 33 миллиардов световых лет, но мы видим её такой, какой она была 13,5 миллиарда световых лет тому назад.

На картинке - "атлас" наблюдаемой Вселенной в рентгеновском диапазоне.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

Электрон, его старшие братья и младшие родичи

Электрон - одна из первых открытых элементарных частиц, и долгое время он считался единственным в своём роде. Сегодня мы знаем, что электрон является лишь наиболее часто встречающимся представителем целого семейства элементарных частиц, известного как лептоны.

По определению, лептоны - это частицы, не участвующие в т.н. сильном взаимодействии, которое отвечает за формирование атомных ядер. Именно из-за того, что лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, они располагаются не в атомном ядре, а отдельно.

Как мы знаем сегодня, у электрона есть два "старших брата": мюон и тау-лептон. Старое название мюона - мю-мезон, но в приличном обществе сегодня так не говорят: в современной физике мезонами называются совсем другие частицы. И мюон, и тау-лептон во всём похожи на электрон, но обладают большей массой: мюон примерно в 208 раз тяжелее электрона, тау-лептон - примерно в 17 раз массивнее мюона. Все остальные параметры у этих частиц идентичны - до такой степени, что известны случаи, когда мюоны замещали электроны в электронных оболочках атомов.

Правда, как мюон, так и тау-лептон нестабильны и за очень короткое время распадаются на более простые частицы, в первую очередь - на те же электроны (которым распадаться попросту не на что - слишком уж они лёгкие). Термин "распад" здесь, впрочем, не вполне корректен, ведь речь идёт не о разделении сложных частиц на составные части, а о превращении одних частиц в совершенно другие.

Также к лептонам относятся нейтрино. Это такие очень маленькие и лёгкие частички, рождающиеся в разных превращениях других частиц (например, тех же распадах мюонов на электроны, или превращением протонов в нейтроны с поглощением электрона).

В отличие от электрона и его "родственников", нейтрино не имеют электрического заряда, поэтому не участвуют не только в сильном, но ещё и в электромагнитном взаимодействии. Иными словами, взаимодействуют с обычным веществом они прямо очень плохо: настолько, что могут пролететь насквозь звезду, даже не заметив её. В итоге наблюдение за нейтрино представляет собой нетривиальную научно-техническую проблему

Нейтрино существует три вида - электронное, мюонное и тау-лептонное. Грубо говоря, если в той или иной реакции рождается или поглощается электрон, то в ней будет участвовать электронное нейтрино. В реакциях с участием мюонов участвуют мюонные нейтрино и т.п. В "чужие" реакции нейтрино "не вмешиваются".

Нейтрино разных видов ("ароматов") обладают, по всей видимости, разной массой. Увы, эта масса так мала, а работать с нейтрино так трудно, что мы точно не знаем, сколько конкретно весят нейтрино. Зато мы знаем, что, несмотря на различия, нейтрино имеют парадоксальное свойство превращаться друг в друга - это явление называют нейтринными осцилляциями.

Возможно (с учётом последних экспериментов - даже вероятно), что существуют ещё три вида нейтрино - очень малой (ещё меньшей, чем у обычных нейтрино) массы, которые к тому же не участвуют даже в слабом взаимодействии. Таким образом эти гипотетические сверхлёгкие, ещё называемые стерильными, нейтрино вообще практически никак не взаимодействуют с веществом, а только с другими нейтрино путём осицлляций - то есть, обычные нейтрино иногда превращаются в стерильные и наоборот.

Подтверждение существования стерильных нейтрино станет доказательством справедливости многих интересных теорий, претендующих на роль развития современной теории элементарных частиц. А ещё стерильные нейтрино, по мнению некоторых учёных, отлично подходят на роль той самой загадочной тёмной материи...

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

​​Материки Земли – дети чудовищного катаклизма далёкого прошлого?

Материки Земли представляют собой своеобразные острова из относительно лёгких (т.н. фельзических) пород вроде гранита, как бы дрейфующие в огненном океане более тяжёлого расплавленного материала, именуемом мантией. В своём тектоническом движении эти острова (их ещё называют литосферными плитами) сталкиваются, наползают одна на другую, иногда же, наоборот, раскалываются на части (так в своё время откололся от Африки кусок суши, который затем врезался в Евразию, образовав полуостров Индостан).

Так вот: литосферные плиты – похоже, уникальная черта нашей планеты, не имеющая аналогов в Солнечной системе. Мы точно знаем, что литосферные плиты отсутствуют у Марса и, вероятно, их нет на Венере. Поверхности этих планет покрыты сплошным слоем фельзических пород: если литосферу Земли можно сравнить со скоплением айсбергов в океане, то литосферы Венеры и Марса – с поверхностью полностью покрытого льдом водоёма.

Причина этого явления в том, что на Земле слишком мало фельзических пород для того, чтобы полностью покрыть ими поверхность нашей планеты с образованием единого поверхностного слоя. Но почему так вышло?

Одной из наиболее популярных теорий является версия о том, что недостающие фельзические породы… улетели на Луну!

Нет, серьёзно: учёные считают, что Луна образовалась в результате столкновения между Землёй и другим небесным телом (получившим назвение Тейя) около 4,5 миллиарда лет тому назад. В результате Тейя была поглощена Землёй, а часть материала, вырванного силой удара с её поверхности, затем сформировала Луну, «слипнувшись» под действием собственной гравитации.

Эта теория, пусть и довольно экзотическая, сейчас является господствующей версией происхождения Луны, так как подтверждается рядом важных косвенных свидетельств. Так, Луна существенно легче Земли (её плотность составляет 3,3 грамма на кубический сантиметр против 5,5 у Земли) и у неё практически отсутствует тяжёлое металлическое ядро: это, как считают, объясняется тем, что Тейя ударила в Землю по касательной, а значит, в результате удара в космос были выброшены в основном относительно лёгкие породы с поверхности расплавленной Земли.

Ещё более интригующим фактом является совпадение состава изотопов лунной и земной поверхности, что с большой степенью точности указывает на общее происхождение этих материалов. Кроме того, гипотеза столкновения позволяет объяснить наклон земной оси к плоскости вращения, а также слишком быстрое (относительно теоретических оценок) вращение Земли вокруг собственной оси.

Ну и, конечно, заодно объясняется то самое наличие у земли материков и движение литосферных плит, которое так интригует учёных.

Да, кстати, у Меркурия тоже нет литосферных плит, но по иной причине, нежели у Венеры и Марса: на Меркурии фельзических пород ещё меньше, чем на Земле – точнее, их там вообще практически нет, и его поверхность представляет собой затвердевшее вещество мантии. Учёные полагают, что в прошлом Меркурий пострадал от столкновения с массивными телами куда сильнее, чем Земля – настолько сильно, что вообще лишился лёгкой части своей коры.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей", ну и, конечно, на наш новый канал в Youtube.

На нашем Youtube-канале - новое видео!