Павел Полуэктов - Озадачник: 133 вопроса на знание логики, математики и физики

[22]

Что удерживает поезд на рельсах?

1. Специальная форма колес на колесной паре.

2. Специальный выступ на колесе, не позволяющий поезду соскользнуть с железнодорожного полотна.

3. Всему причиной – идеально отшлифованные и подогнанные поверхности рельсов и колес, атомы которых расположены так близко друг к другу, что начинают эффективно притягиваться – в результате поезд как бы прилипает к рельсам.

Вспомним о том, что колесная пара связана жесткой осью без всякого дифференциала, а само колесо имеет слегка коническую форму. При отклонении от положения равновесия (середина ж/д полотна) одно колесо вращается по бóльшему радиусу, т. е. проходит больший путь, чем второе, – в результате вагон слегка поворачивает и возвращается назад к середине полотна. А выступы, как замечает Р. Фейнман, – они только для безопасности, чтобы не дать поезду сойти с рельсов при слишком больших отклонениях от равновесия.

После постройки Красноярской гидроэлектростанции Енисей перестал замерзать – от плотины ниже по течению даже в самые лютые зимы тянется полынья длиной в десятки, а порой и сотни километров. В чем тут дело, почему даже в лютые –35 °C реку не сковывает льдом?

1. Плотина Красноярской ГЭС чрезвычайно высокая – 124 м. Падая с такой высоты, вода набирает огромную кинетическую энергию, которая после переходит в тепловую (после удара воды о реку).

2. Вода для вращения турбин берется из глубины Красноярского водохранилища, где она имеет плюсовую температуру.

3. В целях недопущения обледенения оборудования часть вырабатываемой энергии идет на подогрев воды и ключевых агрегатов.

Было бы очень красиво, если бы правильным был первый ответ. Давайте посчитаем, насколько может нагреться вода при падении с плотины. Пусть вся энергия 1 кг падающей воды переходит в тепловую – эта энергия равна 1 × gh ( h = 124 м, g = 10 м/ с ² – ускорение свободного падения), а формула для тепловой энергии E T= 1 × c ∆T ( c = 4200 Дж/кг × градус – удельная теплоемкость воды, ∆ T – изменение температуры). Приравнивая эти энергии, получим ∆ T = gh / c = 1240/4200 ≈ 0,3 °C. То есть она все-таки нагревается! Но, конечно, нагрев этот слишком незначительный по сравнению с температурой воды в водосбросе – там все-таки есть несколько градусов. Именно за счет этих нескольких градусов в гигантском объеме перетекающей воды Енисей не замерзает зимой и, напротив, никогда не прогревается летом (вода-то по-прежнему берется с глубин водохранилища!), даже в жару вода в реке не теплее +12 °C, и купаются в ней только «моржи».

Во время Второй мировой немцы использовали мину Topfmine («мина-горшок»), которая не имела металлических деталей, при установке присыпалась песком и маскировалась. Обычным миноискателем такую мину не обнаружить, но у немцев было специальное устройство Stuttgart 43, с помощью которого отыскать мину не составляло труда. Как это устройство работало?

1. Местоположение мин обнаруживалось благодаря радиоактивному излучению.

2. Устанавливая мины, немцы фиксировали их положение на карте, а Stuttgart 43 работал как точный прибор-навигатор, позволяющий быстро восстановить местоположение мин с использованием таких карт.

3. Stuttgart 43 и Topfmine были связаны каким-то кодовым сигналом, наподобие автосигнализации: мина – машина, миноискатель – брелок. Нажимаешь кнопку на брелке – мина откликается.

Все дело в песке, которым присыпали мину: это был монацит, природный фосфат редких земель, который радиоактивен из-за содержания тория. Stuttgart 43 обнаруживал ионизирующее излучение (следствие радиоактивного распада) – т. е. работал по тому же принципу, что и счетчик Гейгера.

Альфа-распад ядра сопровождается вылетом положительно заряженной α-частицы, бета-распад – вылетом отрицательно заряженного электрона (β-частицы). Но при этом вне зависимости от типа распада радиоактивное тело заряжается положительно, хотя казалось бы… Как разъяснить этот парадокс?

1. Радиоактивное вещество – это всегда проводник, за счет создаваемой при распаде разности потенциалов он с необходимостью заряжается положительно.

2. Тяжелая и быстрая α-частица увлекает за собой (по сути выбивает) множество электронов.

3. Альфа-распад всегда сопровождается другими радиоактивными процессами, которые влияют на заряд вещества противоположным образом.

С бета-распадом все понятно: β-частица – это обычный электрон, обладающий элементарным (минимально возможным – меньше не бывает) отрицательным зарядом. Улетели отрицательно заряженные электроны – соответственно, тело зарядилось положительно (изначально-то оно было нейтральным – т. е. количество отрицательных и положительных зарядов совпадало). А с альфа-распадом посложнее будет: α-частица – это положительно заряженное (два элементарных заряда) ядро атома гелия. Казалось бы, улетели «плюсики» – значит, должен остаться «минус». Но есть нюанс: ядро гелия в тысячи раз тяжелее электрона, вылетая, оно увлекает их за собой десятками – так что в итоге тело заряжается положительно, даже эффективнее, чем при бета-распаде.

Может ли вода заряжаться при кипении?

1. С чего вдруг? Конечно нет!

2. В стальной кастрюле вряд ли, а в эмалированной – может.

3. В электрочайнике заряжается от электросети (220 В).

Вода всегда находится в частично диссоциированной форме – т. е. помимо молекул воды в ней содержатся ионы H +и HO −. Скорости испарения у них разные, легкие ионы H +испаряются быстрее – как следствие, кипящая вода приобретает небольшой отрицательный заряд. При условии, конечно, что кипит в диэлектрической посуде – если сосуд проводящий, то заряд «стечет» на землю.