Мордехай Тульчинский - Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

67. Приручаем пакет

Когда вы наливаете жидкость через надрез с одной стороны, второй надрез расположен наверху – и через него в пакет свободно входит воздух. В этом случае жидкость наливается ровно. Если надрез один, воздух входит через тот же надрез, через который течет жидкость. Он проходит навстречу струе порциями-«пузырями», что и создает характерное бульканье. Впрочем, если вы по каким-то причинам хотите обойтись одним отверстием (например, если заботливый производитель заранее предусмотрел в пакете единственное отверстие с крышечкой), выход есть: пока пакет полный, держите его так, чтобы отверстие располагалось в верхней части (рис. 71, а). По мере опустошения пакета будет удобно повернуть его так, чтобы отверстие было сбоку (рис. 71, б).

Рис. 71

Об этом приеме хорошо знают опытные водители: расплескавшийся бензин – гораздо бóльшая неприятность, чем расплескавшийся сок, а второе отверстие в канистре для бензина не предусмотрено конструкцией.

68. Осторожно: пробка открывается!

В газированных напитках растворен углекислый газ (он нужен не только для того, чтобы весело шипеть на языке, но и как консервант). Он нагнетается в воду под давлением больше атмосферного. Когда мы открываем крышку, давление падает – и газ начинает бурно выделяться: газировка как будто бы «вскипает». Открывая крышку постепенно и осторожно, мы стравливаем избыток давления и выделившийся из воды газ.

Попробуйте объяснить, почему вода становится менее «шипучей», если выпить половину бутылки, закрыть крышкой и оставить бутылку некоторое время постоять. Ведь если крышка была закрыта, газ не должен был улетучиться?

69. Шумят пиры… Трещат костры…

Каждая клетка древесины – это маленькая замкнутая емкость. При нагреве давление наполняющих ее газов в какой-то момент разрывает клетки – и раздается треск. Газы в клетке – это и воздух, который наполнял клетку изначально (его больше в сухой древесине), и газообразные продукты горения, и водяной пар от испаряющейся воды (которая есть даже в самой сухой древесине, но в свежесрубленном дереве ее, конечно, больше). Поскольку за рост давления отвечают сразу несколько процессов, то древесина разных пород ведет себя по-разному, но в целом сухие дрова обычно трещат интенсивнее.

70. Давление под крышкой

Плотность вещества – это отношение массы к объему, или, другими словами, масса единицы объема. Поскольку банка плотно закрыта крышкой, воздуха в ней не стало ни ощутимо больше, ни ощутимо меньше. Сама банка от нагрева, конечно, немного увеличилась, но этот прирост объема незначителен. То есть ни масса, ни объем существенно не изменились – а значит, осталась прежней и плотность. При этом давление воздуха выросло – но это произошло за счет того, что молекулы воздуха стали двигаться быстрее и ударяются о стенки сосуда чаще и с большей силой.

А вот вода на донышке банки существенно влияет на наши рассуждения: при нагреве вода начнет испаряться – и воздух в банке пополнится водяными парами. Значит, масса воздуха в банке увеличится, а вот объем прирастет незначительно (вода в жидком состоянии занимает намного меньше места, чем в виде пара). В этом случае плотность воздуха вырастет.

71. Шарик возвращается в строй

Нам нужно что-то, что надавит на вмятину изнутри. Попасть внутрь мы не можем, но там есть воздух – нужно лишь заставить его сделать то, что мы хотим. Если мы нагреем шарик, давление воздуха в нем вырастет. Самый простой способ нагреть без риска расплавить – поместить в горячую воду.

72. Ушные страдания

Высота, на которой летают пассажирские самолеты – примерно 10–11 километров. Давление атмосферы на этой высоте примерно в три раза ниже давления у поверхности земли. Давление в самолете с подъемом тоже снижается – хотя и не так драматически (примерно на 20 %). Этого, однако, достаточно, чтобы между внешним для человека давлением и давлением внутри (за барабанной перепонкой) возникла ощутимая разница, – ощутимая именно как заложенность ушей. Постепенно организм снижает внутреннее давление, так что ощущение заложенности пропадает. Выровнять давление помогает зевание и сглатывание слюны, а насморк, наоборот, замедляет этот процесс. При посадке ситуация меняется на противоположную: внешнее давление возрастает, а внутреннее от него отстает.

(Заметим, что давление внутри самолета не складывается «само собой», а регулируется специальными системами, обрабатывающими воздух, взятый снаружи самолета. Воздуха, который был в салоне изначально, хватает совсем ненадолго – максимум на полчаса.)

73. Откуда у воды напор

Слово «водонапорная» подсказывает ответ: в башне запасается вода, которая течет оттуда под напором, поскольку высокий водяной столб (а типичная высота башни 20–25 метров) создает нужное давление (вычислите его!). Это означает, что если уж мы подняли воду на такую высоту, то дальше насос для подачи воды в систему водоснабжения не нужен. Это хорошо тем, что расход воды в течение дня может сильно меняться: есть пиковое время, когда все дома и заняты хозяйством, а есть время относительного покоя. Если бы мы создавали давление воды в системе непосредственно насосом, нужен был бы мощный насос, рассчитанный на большую пиковую нагрузку, который простаивал бы в периоды затишья. Водонапорную же башню мы можем потихонечку наполнять маломощным насосом, чтобы в тот момент, когда всем понадобится вода, ее наличие обеспечил запас в башне.

Есть у башен и недостатки – например, склонность обмерзать зимой, а также невозможность снабжать водой современные многоэтажки (не хватает давления). Поэтому водонапорные башни потихоньку становятся экзотикой, а им на смену приходят современные «умные» насосные станции.

74. Космическое письмо

Обычная шариковая ручка для использования на космической станции в условиях невесомости не подходит: паста поступает к кончику стержня под действием силы тяжести, которая на орбитальной станции отсутствует.

Есть красочная история о том, как американские разработчики потратили огромный бюджет на создание ручки, которой можно писать в невесомости, а советские инженеры гордо продемонстрировали в ответ карандаши, но это не более чем легенда. Поначалу в космосе действительно писали карандашами и фломастерами (в которых краска просачивается по капиллярам – процесс, не зависящий от гравитации). Карандаши в действительности были не так уж хороши, как может показаться: графитовая пыль создает в условиях невесомости неудобства и даже может вывести их строя технику. В конце концов была разработана специальная шариковая ручка для невесомости – но это была частная инициатива производителя шариковых ручек Пола Фишера. Такие ручки закупали у Фишера как NASA, так и Советский Союз.