Наталья Сердцева - 99 секретов науки

Самый простой пример неньютоновской жидкости – вода с крахмалом. Если смешать две эти субстанции, получится нечто похожее на сметану. Мы можем налить эту «сметану» в миску и медленно перелить ее в другой сосуд. Она оправдает наши ожидания и спокойно перельется. Но если мы начнем с силой сжимать ее в руке, то в нашей ладони окажется твердый комок. Как только мы прекратим сжатие, он медленно растает. Если наполнить крахмальной «сметаной» бассейн, то по ней можно даже бегать – но только быстро, при медленном перемещении она будет вести себя как жидкость.

Загадка нетипичного поведения неньютоновских жидкостей кроется в их структуре – она неоднородна и состоит из крупных молекул, соединенных хаотичными связями, которые можно представить в виде пружинок. Если воздействовать на субстанцию быстро, пружины сжимаются, вещество становится твердым. При медленном плавном воздействии пружинки растягиваются, ослабевают, вещество реагирует как жидкость.

Некоторые вещества могут быть то твердыми, то жидкими, в зависимости от обстоятельств, в первую очередь от температуры. Прежде всего, на ум приходит вода – в мороз она превращается в лед. Парафин или воск плавятся, если становится достаточно жарко. Для того чтобы расплавились свинец или олово, понадобится довольно высокая температура, но это вполне возможно.

Вода отличается от других подобных веществ. Если в чашку с расплавленным парафином бросить кусочек твердого парафина, он утонет. То же самое произойдет с воском, свинцом и другими веществами. Но только не с водой. Все мы видели, как льдинки плавают по поверхности лужи, а огромные глыбы льда перемещаются по северным морям.

В чем же секрет самой распространенной на планете жидкости? Почему твердая вода не тонет в жидкой, как это происходит в других случаях? Все дело в том, что при замерзании объем воды увеличивается и, соответственно, уменьшается плотность. Менее плотные субстанции не тонут в более плотных. Например, пенопласт не тонет в воде, пробка – в масле, а железная гайка – в ртути.

То, что объем воды увеличивается, когда она становится льдом, легко заметить. Если заморозить воду в бутылке, бутылка лопнет. Это свойство воды нужно учитывать в бытовых ситуациях: нельзя зимой оставлять воду в радиаторе автомобиля и прекращать подачу теплой воды в трубах отопления. Если вода замерзнет, их просто разорвет.

Есть у воды еще одно интересное свойство: при увеличении давления температура замерзания понижается. Вода на дне океанов может быть ниже нуля градусов, но она не замерзает, потому что на нее давят миллионы тонн жидкости. Это же свойство воды мы используем во время катания на коньках: лезвия давят на лед, он подтаивает, получается плавное скольжение, которого очень трудно достичь на гладких искусственных покрытиях.

Измерив Эйфелеву башню два раза в год, холодной зимой и жарким летом, можно обнаружить, что во втором случае она выросла на несколько десятков сантиметров. В чем тут дело? Неужели сооружение из стали ведет себя подобно зеленому растению и тянется вверх, к солнцу, в теплое время года? Конечно, нет. Секрет этого явления кроется в тепловом расширении.

Очень многие вещества при нагревании расширяются, так как при повышении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, атомы колеблются на своих орбитах и занимают больше места. Физики даже вывели формулу, по которой, зная размеры тела и температуру окружающей среды, можно рассчитать величину расширения.

Эта формула очень помогает инженерам при проектировании архитектурных сооружений. Например, если построить стальной мост через реку в месте, где бывают перепады температуры от +40 до –40 °C, без учета эффекта теплового расширения, это может привести к очень неприятным последствиям. Летом мост будет вздыбливаться, как спина разъяренной кошки, а зимой, пережив летнее растяжение, может просто разрушиться. То же относится к знаменитой достопримечательности Парижа – Эйфелевой башне. Металлическая конструкция не выдержала бы перепадов температур, если бы при ее постройке не учитывался эффект теплового расширения.

Подобные сооружения строятся с использованием температурных компенсаторов, которые представляют собой конструкцию с рядами зубьев. Зубья соединены не жестко, они находятся в зацеплении, которое может либо растягиваться, либо сжиматься, в зависимости от температуры. Поэтому Эйфелева башня, так же как и другие постройки из материалов, подверженных тепловому расширению, остается устойчивой и может простоять еще века. Так что у тех, кто еще не видел Париж с немного большей высоты, по-прежнему есть все шансы.

Вся материя нашего мира состоит из очень маленьких частиц. Раньше считалось, что мельчайший компонент материи – атом, но уже в начале ХХ века стало понятно, что это не предел. Каждый атом содержит в себе нейтроны, протоны и электроны. Протоны и электроны обладают электрическим зарядом, первые – положительным, вторые – отрицательным. У нейтрона заряда нет.

У атома есть ядро, в нем собираются нейтроны и протоны, то есть оно заряжено положительно. Вокруг ядра движутся электроны, создавая оболочку, орбиты их движения хаотичны и непредсказуемы.

Чем же отличаются атомы одного вещества от атомов другого? Прежде всего, количеством протонов. Именно это число указано в таблице Менделеева, классифицирующей все вещества. С квантовой точки зрения атомы веществ различаются строением электронной оболочки.

Изобретатель Джеймс Ватт, в честь которого назвали единицу мощности, был увлечен паровыми механизмами. Одну из первых машин он сконструировал для знакомого пивовара. Договоренность была такая: машина должна заменить лошадь, которая ходила по кругу и тянула ремень, тем самым приводя в действие водяной насос. Пивовар, чтобы получить более продуктивный механизм, сжульничал: демонстрируя работу насоса, он взял самую сильную лошадь и нещадно ее загнал.

Ватт сделал машину с такой мощностью, какую показала лошадь, и эта цифра стала называться лошадиной силой. Она равна 735,5 ватта, или 75 кгс·м/с, что означает мощность, достаточную для поднятия на высоту одного метра 75 килограммов. Если взять обычную лошадь, то она не дотянет до этого уровня, лошадиная сила включает в себя приблизительно полторы средних лошади.