ЭТОТ НЕЗАМЕТНЫЙ ВОЗДУХ, ИЛИ ВСЕГДА ЛИ НУЖЕН ЭКСПЕРИМЕНТ

Рубрика : Интересное

ЭТОТ НЕЗАМЕТНЫЙ ВОЗДУХ, ИЛИ ВСЕГДА ЛИ НУЖЕН ЭКСПЕРИМЕНТ?

Вариант для журнала «Семья и школа» 2000г (судьба неизвестна)

То, что мы видим,

зависит от того, куда мы смотрим.

/Станислав Ежи Лец, польский писатель /

Каждый знает, что ученые любят эксперименты. На конференциях сообщение об эксперименте собирает больше слушателей, чем доклад о самой крутой компьютерной программе. Эксперимент — увлекательное, но, одновременно, очень скучное дело. Нужно найти заказчика, способного оплатить затраты, и убедить его в том, что эксперимент важен и нужен прежде всего ему, купить нужные агрегаты, провода, шланги, приспособления и материалы, выбрать измерительную аппаратуру, нужно сконструировать и создать установку, что-то изобрести, что-то заказать, что-то сделать самому. За этими хлопотными, но всегда профессиональными, занятиями трудно сохранить чувство восхищения явлением, которое Вы изучаете. На этом этапе доктор наук не ходит в парадном костюме или в белом халате –он и водопроводчик и такелажник. Чувство может возникнуть скорее тогда, когда эксперимент уже закончен и результаты его глубоко продуманы. Но и тогда часто не хватает времени — впереди новые задания. Современная наука очень похожа на производство.

Хорошо, что нам с Вами некуда торопиться. А Природа — вокруг нас. Можно присмотреться к чему-нибудь...

Давайте, например, посмотрим на то, что мы почти не замечаем... Много ли килограммов воздуха в нашей комнате? «Ну, может быть, килограмм и наберется» — отвечают многие. И ошибаются. Заглянув физический справочник или в справочные материалы в конце школьного задачника, легко узнать, что каждый кубометр воздуха при нормальных комнатных условиях имеет массу около 1 кг 300 г.  Если наша комната имеет площадь, к примеру, 20 м, то при высоте потолка 2,5м объем ее составляет 50 м3, а это значит, что в комнате, кроме нас, тихо колышется около 60 кг воздуха!  Не так уж и мало. В пламени костра или печи плотность воздуха падает почти вдвое и он, как легкая пробка, устремляется вверх, порождая характерный гудящий звук. Наверх, где висят облака. А почему они висят вверху? Ясно, что сконденсировались, но как туда попала вода, которая тяжелее воздуха в тысячу раз? — Да потому, что водяные пары уходят вверх — они легче воздуха: молярная масса воды 18г/моль, а воздуха, в среднем 29г/моль. Кстати, не сравнивайте свою любимую с облачком – обидится, если, учится в физмат классе, ведь вес «легкого» облака над городом составляет около миллиона тонн! Попробуйте посчитать сами, возможно, мир станет интереснее (или понятнее) после этого. Многие не любят формулы и даже боятся их. Конечно, это смешно, но бывает и такое. Здесь мы не будем писать формулы – кое-что можно понять и без них. Но если вам захочется — найдете без труда.


Часто воздух, действительно, кажется нам легким и незаметным. Это оттого, что, делая небыстрые и не очень размашистые движения, мы приводим в движение малые объемы воздуха. Но вот подул ветер. При скорости ветра 20 м/с, каждую секунду на нас налетает и тормозится о нашу поверхность, обращенную к ветру, около 10...12 кубометров воздуха (попробуйте сами оценить площадь сечения вашего тела, в пальто или в куртке). Значит, в каждую секунду мы тормозим собой примерно 15 кг воздуха. Для противостояния напору ветра необходима сила мышц — она равна силе действующего на нас потока. Эта сила называется силой сопротивления движению, и она будет главным предметом нашей беседы.

Попутно мы заметим, что сила сопротивления любой среды (не только воздуха!) значительно отличается от силы сухого трения, о которой  знает любой восьмиклассник. Сила сопротивления среды многолика – даже основной механизм ее действия постоянно меняется, в зависимости от скорости и размеров движущегося тела. И, в то же время сущность действия этой силы остается неизменной — это взаимодействие тела со средой при их относительном движении.

Как часто в школьных задачниках по физике мы встречаем замечание «силой сопротивления воздуха пренебречь». А часто ли это, действительно, уместно? Может быть, необходимы эксперименты? Нет, достаточно просто присмотреться. Или припомнить...


1. Мы садимся в автомобиль и начинаем движение по ровному шоссе. Вначале, как и положено, в соответствии с законом Ньютона, при постоянно действующей силе тяги, автомобиль приобретает ускорение и набирает скорость. Но вот стрелка спидометра замерла, например, на отметке 100 км/час. Это почти 30 м/с (конечно, любой школьник может получить точные значения, но мы не будем здесь вдаваться в мелочные подробности). Сейчас мы уже понимаем, что, при площади сечения около 2 м2, автомобиль буквально сметает с каждого километра своего пути примерно 2,5 тонны воздуха за полминуты — как поршень. Недаром в подобных случаях говорят иногда о силе лобового (или поршневого) сопротивления. Нетрудно понять, почему наш автомобиль при включенном двигателе движется равномерно. Конечно, сила тяги уравновешена силой сопротивления воздуха! Основная масса бензина расходуется на борьбу с сопротивлением легкого, незаметного воздуха, среди которого автомобиль прокладывает путь.

2. Вот другой пример. Пуля из автомата Калашникова вылетает со скоростью более 600 м/с. Те, кто учится или учился в школе, могут вычислить, что максимальная дальность ее полета (при значении начального угла равном 45° ) составляет примерно 30 км. Такой результат получают, пренебрегая действием воздуха. Но, военные люди знают, что в воздухе эта пуля может пролететь не более 3 км. Здесь пренебрежение силой сопротивления воздуха дает ошибку в десять раз, да и траектория пули вовсе не похожа на параболу! Механизм действия воздуха на пулю обтекаемой формы более сложен, чем в примере с автомобилем. Напомним, что автомобиль движется подобно поршню, сметающему и перемешивающему тонны воздуха со своего пути. Пуля тоже частично совершает эту работу, однако, она движется со скоростью, превышающей скорость звука, а это изменяет акцент явления сопротивления.


Что такое звук? Это движение уплотнений воздуха: уплотнившись в одном месте, воздух начинает расширяться во все стороны и через некоторое время уплотнение возникает в соседней области. При нормальных условиях эта череда уплотнений и разрежений распространяется очень быстро — со скоростью около 330 м/с. По сути дела, это средняя скорость хаотического движения молекул воздуха. При столь быстром перемещении уплотнений воздух даже не успевает ни нагреться в месте только что возникшего уплотнения, ни остыть — в том месте, где воздух уже расширился на мгновение. Если, например, говорить об автомобиле, то энергия топлива двигателя почти не расходуется на нагревание воздуха — возникшие уплотнения воздуха слишком быстро удаляются от медленного автомобиля. Иное дело — пуля. Она так быстро сминает воздух на своем пути, что уплотнения не успевают убежать от нее. Воздух перед летящей пулей, и на некотором расстоянии вокруг нее, все уплотняется и уплотняется. Воздух сжимается и нагревается — возникает, так называемая, ударная волна. Потеря пулей своей энергии на это нагревание может теперь рассматриваться как главная составляющая механизма действия силы сопротивления воздуха. Иногда здесь употребляют термин «волновое сопротивление».

Например, волновое сопротивление охраняет нашу жизнь от метеоритов из Космоса – они просто сгорают в собственной ударной волне, давая нам возможность загадать желание. Посмотрите на рельеф Луны – у нее нет атмосферной защиты, а ведь такие же метеориты ежесекундно падают и на нас.

А как же опыт, спросите Вы? Можно ли увидеть эти ударные волны, которые убегают, но никак не могут убежать от настигающей их пули? Можно! И для этого тоже не нужны дорогостоящие эксперименты. Правда, придется немножечко слукавить — посмотреть на похожее явление, не в воздухе, а в другой среде, например в воде...


Каждый видел волны на поверхности воды. Вода значительно плотнее воздуха — ее кубический метр имеет массу 1000кг. Все, что говорилось о движении тела в воздухе, относится и к движению в воде. Плот, или пловец, движущиеся с малой скоростью, «разгребают» воду со своего пути, как автомобиль — воздух. Волны быстро уходят от медленно плывущего тела. Но стоит скорости тела превысить эту скорость (а это примерно 2...3 м/с), как  создаваемые телом волны начинают догонять и сминать друг друга, образуя бурлящие валы – ударную волну. Перед несущимся катером мы ясно видим и этот водяной вал и характерные “усы” — на их образование, сжатие и нагрев тратится основная часть энергии тела.

3. Но вот совсем маленькое тело движется с очень маленькой скоростью и механизм действия силы сопротивления воздуха снова меняется. Нет, речь пойдет даже не о капле дождя — она движется и тормозится воздухом как автомобиль. Капля — достаточно большое тело и скорость ее в воздухе почти такая же, как у автомобиля: 10...20 м/с.  Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на след от капли на стекле автомобиля, поезда, троллейбуса (особенно в безветренную погоду) — в направлении вниз капля проходит за секунду почти такое же расстояние, как и по горизонтальному направлению. Нет, мы не будем говорить о капле. Лучше найдите в библиотеке чудесную книгу Гегузина – она так и называется «Капля».

Для того, чтобы узнать новую сторону действия силы сопротивления, приглядимся лучше к движению почти невидимых частиц: туман, медленно оседающий дым сигареты,  пылинки, пляшущие в луче света. Так же движутся и эритроциты (красные кровяные тельца) крови, подгоняемые потоком плазмы в наших сосудах и разносящие кислород, необходимый для сжигания съедаемого нами топлива — колбасы, печенья, морковки... При столь малых размерах тел (от единиц до нескольких десятков микрон) нужно говорить уже  о молекулярном устройстве среды. Хаотически движущиеся молекулы со всех сторон ударяют и подталкивают медленно плывущее среди них тело. Удары тем сильнее, чем больше скорость сближения тела и молекулы. Однако, если молекула движется навстречу телу, то к ее скорости нужно добавить скорость тела, а при попутном движении — скорость тела вычитается. Поэтому молекулы, догоняющие тело при ударе, подталкивают его слабее, чем тормозят его молекулы, летящие навстречу. В итоге, в среднем, за много ударов, тело подтормаживается.

Результат такого торможения зависит от размеров тела и от состояния среды.

Совсем маленькое и легкое тело за время между сериями случайно нескомпенсированных ударов успевает чуть переместиться в направлении большего числа ударов. Оно движется среди равномерно ударяющих его с разных сторон молекул, понемногу теряя скорость. Но вот с другого направления приходит новая серия нескомпенсированных ударов. В результате легкая частица оказывается вовлеченной в пляску молекул — разве, что ее движения более плавные. Такое движение исторически называют броуновским (Р. Броун, ок. 1826г). Хотя описание его можно прочитать еще у Лукреция Кара – в его знаменитой поэме «О природе вещей» (I-й век н.э), выяснить его главные особенности удалось только в начале XX-го века  Мариану Смолуховскому и Альберту Эйнштейну. Они, например, сумели оценить расстояние, на которое сможет удалиться частица за определенное время от исходного положения. Интересно, что это расстояние пропорционально квадратному корню из времени – то есть нарастает, но медленно. Пустите в стакан с водой капельку молока, и вы четко увидите этот процесс (его называют диффузией), а захотите, так можно и провести измерения.


Частицы покрупнее ведут себя величаво — они продолжают свой путь, заданный скоростью и действующими на них внешними силами (например, притяжением к Земле). Движение этих частиц просто подтормаживается ударами молекул. Правда, и ударившиеся молекулы тоже замедляют свою относительную скорость. Постепенно вокруг тела образуется целый слой медленных молекул. Нет, они, вовсе не движутся вместе с телом, как свита — у каждой из молекул своя траектория. Просто в области вблизи тела постоянно присутствуют, сменяя друг друга, замедленные молекулы — они и образуют такой, динамический слой. На этот слой наседают молекулы из близлежащих областей и, после серии обмена взаимными соударениями, тоже чуть замедляются, правда, в меньшей степени, чем молекулы, испытавшие прямое столкновение с телом — возникает новый слой. Постепенно вокруг тела вырастает целая «шуба» молекул среды и тело как бы увеличивается в размерах. На то, чтобы создавать вокруг себя и за собой такую шубу, затрачивается энергия тела. В воздухе эту шубу трудно увидеть, правда, можно догадаться о том, что она существует: посмотрим на запыленные стекла автомобиля, на лопасти вентилятора или кулера компьютерного процессора — тонкая пыль не сдувается — пылинки находятся в слое почти неподвижного воздуха при любой скорости движения! А вот, например, в варенье эту шубу увидеть совсем легко — окуните ложку и начинайте медленно вынимать — Вы  увидите и вязкое окружение движущейся ложки, и почувствуете силу сопротивления — она получила название сила вязкого трения.

Целых три названия — три лица у одной силы сопротивления среды! Строго говоря, все три механизма проявляются одновременно — их трудно разделить. Просто, в одном случае преобладает один, в другом — другой, в третьем — конечно, третий.

Но и это – не все. Мы, например, не обсудили такой таинственный вопрос, почему попадая в трясину болота, все живое непременно тонет, даже если плотность тела меньше плотности жидкости, а неживое может оставаться на плаву десятками лет (кочки, например, цветут и не тонут, порождая чувство безмятежности). Скажу только, что так ведет себя не только болото, но и жидкая смола (видели янтарь с букашками внутри?), асфальт, цементные растворы, варенье, клей.

Тонет муха в сладости на моем окне.

И нету в этом радости ни мухе, и ни мне.

Этот грустный стишок помню с юности, но не запомнил фамилии автора. Причина явления утопания мухи – тоже один из механизмов вязкого трения, и о нем можно найти книгу (См. Библиотечка ж. «Квант» №…). Можно найти книги и о том, что механизмы, похожие на те, что затронули мы, говоря о воздухе и жидкости, действуют в, казалось бы, совершенно далеких от темы нашего разговора явлениях. Ну согласитесь, даже писателю фантасту трудно придумать сюжет о том, что свет (фотон), родившись в недрах Солнца при температуре около 100 млн. град., выбирается на его поверхность (где температура всего 6 тыс.град.) со скоростью света, затрачивая несколько тысяч лет – совершенно также, как движется броуновская частица! Теперь вы уж точно захотите узнать формулы, которыми описываются все эти чудеса. Или даже станете физиком.

Ученые изучают явления, о которых мало известно. Тогда и приходится ставить дорогие эксперименты. То, о чем мы рассуждали сейчас — известные науке вещи. Но наши личные открытия в лаборатории Природы для нас, может быть, даже важнее, чем наука. И, согласитесь, куда дешевле.

Князев Александр Александрович

Лицей прикладных наук.

Саратовский государственный университет.


Хотите получать материалы на e-mail?