Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Железнодорожные цистерны необычайно надежны и, как правило, разрушаются, только если происходит столкновение на большой скорости. Однако цистерна может повредиться и в том случае, когда забывают о законах физики. Вот реальная история. В конце дня железнодорожная бригада вымыла цистерну изнутри очень горячей водой. До конца смены рабочие не успели завершить работу, поэтому они наглухо закрыли цистерну и разошлись. Когда утром рабочие вернулись, то увидели, что цистерна, сделанная из очень прочной стали, раздавлена. Как будто какой-то циклоп из фантастического фильма наступил на нее. Что привело к деформации цистерны?

ОТВЕТ •Когда цистерну мыли, ее заполнили очень горячим паром. Пар — это газ, состоящий из молекул воды. В конце смены рабочие задраили все люки, и пар остался внутри. В тот момент давление в цистерне равнялось атмосферному, поскольку во время мытья люки были открыты. Ночью цистерна остыла, остыл и пар, б о льшая часть которого сконденсировалась. Это значит, что уменьшилось как число молекул газа, так и его давление, в то время как объем остался постоянным. В результате давление газа упало. В какой-то момент той ночью оно понизилось настолько, что внешнее атмосферное давление вдавило внутрь стенки цистерны. Цистерна не пострадала бы, если бы рабочие оставили люки открытыми. Тогда в цистерну поступал бы воздух и давление внутри и атмосферное давление снаружи были бы равны.

До того как стиральные машины с сушкой получили широкое распространение, белье вывешивали сушиться на веревках. Его прикрепляли к веревке прищепками, и оно висело (на солнце или в тени), пока не высохнет. Почему высыхает рубашка, повешенная таким образом? В частности, почему сначала белье становится сухим сверху, а затем уже снизу?

ОТВЕТ •Сразу приходит в голову, что висящая рубашка высыхает прежде всего сверху, потому что вода стекает вниз и капает с подола рубашки. Действительно, какое-то время, примерно первые полчаса, процесс высыхания идет именно так. Вода, стекая к подолу рубашки, образует достаточно большие капли, которые отрываются и капают вниз. Однако, когда капание прекращается, рубашка все еще остается влажной. Если бы после этого она сохла только из-за того, что ее нагревает солнце, она вся высыхала бы примерно с одной скоростью, а не сначала сверху, а потом внизу. Рубашка высыхает сначала сверху из-за того, что в результате изменения температуры вдоль нее образуется конвекционный поток воздуха.

После того как вода стекла, рубашка остается влажной потому, что поверхностное натяжение задерживает воду в порах (свободном пространстве между нитями). Рассмотрим столбик воды, застрявшей в одной из таких вертикальных пор. Снизу и сверху соприкасающиеся с воздухом поверхности этого столбика искривлены. Как результат поверхностного натяжения (взаимного притяжения молекул воды) обе эти искривленные поверхности создают некоторую силу, действующую на столбик воды. Если сверху пора шире, чем снизу, суммарная сила направлена вниз, туда же, что и действующая на столбик воды сила тяжести. Тогда вода будет двигаться вниз. Однако если сверху пора уже, чем снизу, суммарная сила, обязанная поверхностному натяжению, направлена вверх. Поэтому, несмотря на действие силы тяжести, столбик воды может удерживаться на месте. Вода, попавшая в такую пору, задерживается в ней и после того, как основная масса воды стекла.

Вода постепенно испаряется из таких пор-ловушек. На испарение требуется энергия: молекулы воды надо оторвать от поверхности. Поэтому испарившаяся вода уносит какое-то количество энергии, охлаждая оставшуюся в поре воду, а также окружающие ее ткань и воздух. Поскольку при охлаждении воздух становится плотнее, холодный воздух движется вниз по рубашке, впитывая влагу из расположенных ниже столбиков воды в порах. Так линия, отделяющая влажную часть рубашки от сухой, опускается вниз вслед за опускающимся холодным воздухом.

Если вы хотите воспользоваться физикой как оправданием, чтобы несколько часов позагорать, скажите всем, что ваша цель — изучение движения линии высыхания вниз по рубашке при конвективной сушке.

Почему вы замерзнете, если войдете в холодную комнату одетым как на пляж? Как пальто удерживает тепло?

ОТВЕТ •Вы чувствуете, что вам холодно, если отдаете в окружающее пространство больше тепла, чем получаете от него. Есть четыре причины, почему происходит потеря тепла. 1. При прямом контакте с более холодным объектом за счет теплопроводности. Например, когда садитесь на холодную скамейку. 2. Путем излучения в инфракрасном диапазоне в окружающее пространство. Но вы и получаете энергию, поглощая внешнее по отношению к вам инфракрасное излучение. Однако если вокруг вас холоднее, потери энергии будут больше. 3. Благодаря конвекции вы теряете энергию при движении воздуха вблизи вас. Если воздух холоднее, потеря энергии происходит при столкновении с вами молекул воздуха. 4. Энергию можно потерять и в результате испарения пота с кожи. Именно поэтому человек потеет, когда выполняет физические упражнения. Переход из жидкости в пар требует энергии, которая отбирается у вашей кожи. При ветре скорость испарения увеличивается, поэтому растет и скорость, с которой происходит потеря энергии.

Назначение пальто, как и всякой одежды, — уменьшить все потери энергии. Например, «одежда» животных, шкура и шерсть, затрудняет потери за счет конвекции и испарения на ветру. Пальто еще и обеспечивает наличие защитного слоя воздуха вокруг участка тела. Поскольку воздух очень плохо проводит тепло, этот слой защищает вас от потери энергии за счет проводимости. Еще лучше, если под пальто надето несколько слоев одежды. Они обеспечивают несколько изолирующих слоев воздуха.

Меховая одежда не дает замерзнуть, поскольку воздух в какой-то степени удерживается в пространстве между шерстинками. Однако если стоять на ветру, этот воздух легко выдувается. Поэтому пальто мехом внутрь теплее: мех укрыт от ветра.

Для открытых участков тела, например рук или лица, восприятие холода можно оценить с помощью так называемого ветро-холодового индекса, или индекса Сэйпла . Он определяется как температура, которая при отсутствии ветра вызывает у человека те же ощущения. Точно рассчитать этот коэффициент сложно, поскольку надо учитывать, что люди по-разному адаптируются к холоду. Конечно, при холодном ветре существует угроза обморожения. Обычно обморожения кожи не происходит при температурах выше –10°C, однако при заметном ветре есть риск получить обморожения и при –5°C. При понижении температуры и усилении ветра угроза быстро возрастает.