Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Когда в конце зимы выпадает снег, вокруг симплокарпуса вонючего ( Symplocarpus foetidus ) он быстро тает. А при глубоком снеге вокруг этих растений могут образовываться ямки. Почему так происходит?

ОТВЕТ •Распространенный в Северной Америке и Азии симплокарпус вонючий (в США его называют скунсовой капустой) — одно из немногих растений, обладающих способностью поднимать свою температуру выше температуры окружающей среды. Это растение способно растопить снег вокруг себя, поскольку благодаря повышенной температуре оно теряет большое количество энергии путем инфракрасного излучения. Симплокарпус вонючий, как птицы и млекопитающие, способен к терморегуляции . Это значит, что растение способно поддерживать свою температуру, даже когда температура окружающей среды меняется.

Почему волоски на коже белого медведя полые?

ОТВЕТ •Шерсть белого медведя представляет собой ловушку для солнечного излучения, поскольку видимые и инфракрасные лучи спектра, многократно отражаясь в волосках, достигают кожи. Здесь это излучение поглощается, повышая тепловую энергию кожи. Ультрафиолетовые лучи тоже поглощаются волосками, но их вклад в обогрев кожи очень невелик. Мех белого медведя удерживает тепло, в частности, потому, что полые волоски плохо проводят тепло. Утверждение, что они в какой-то мере напоминают оптоволокно, ошибочно. У оптоволокна сердцевина должна иметь коэффициент преломления выше, чем оболочка, а у полых волосков «хозяина Арктики» ситуация обратная.

Обычно считается, что белая одежда прохладнее, что при жаре она предпочтительнее черной. Однако бедуины в Синайской пустыне, где температура может быть чрезвычайно высокой, иногда предпочитают черную одежду белой. С чем связан их выбор?

Если вы вдруг потеряетесь в пустыне, повысится ли ваш шанс выжить, если вы снимете с себя всю одежду, чтобы исключить поглощение ею солнечных лучей?

Овцы у бедуинов обычно черные. И это не результат направленной селекции, но, как представляется, естественная адаптация к окружающей среде. Почему черный шерстный покров овцы помогает ей выжить?

ОТВЕТ •Черная одежда интенсивнее поглощает солнечный свет и нагревается до более высокой температуры, чем белая. Но температура воздуха внутри одежды бедуинов и температура их кожи определяются не только цветом одежды. Более высокая температура черной одежды, вероятно, компенсируется лучшей конвекцией воздуха под ней. В частности, если воздух попадает под одежду снизу, он нагревается, поднимается вверх и выходит через ворот. Такая одежда чем-то напоминает трубу. При порывистом ветре развевающаяся одежда еще усиливает циркуляцию воздуха.

Если, оказавшись в пустыне, вам требуется надеть облегающую одежду, не допускающую циркуляции воздуха, белая одежда меньше разогревает кожу, чем черная. Обычно, опасаясь обгореть, люди предпочитают выходить одетым. Если воды в избытке, одежда должна быть из пористой ткани. Тогда испарение пота охлаждает кожу. Однако если воды не хватает, требуется одежда, уменьшающая испарение с кожи. В противном случае очень скоро появляется опасность обезвоживания. В классическом научно-фантастическом романе Фрэнка Герберта «Дюна» природные условия на песчаной планете, населенной людьми, были настолько неблагоприятны, что им приходилось носить непроницаемые костюмы, чтобы сохранить драгоценную влагу.

Черная шерсть овец бедуинов позволяет им пережить суровую зиму Синайской пустыни. Цвет шерсти не имеет значения, пока овца не окажется под прямыми солнечными лучами. Тогда черный цвет шерсти способствует лучшему поглощению солнечного света, а значит, овце теплее и ее метаболизм уменьшается. Зимой, когда пищи для овец недостаточно, низкий метаболизм является преимуществом.

Предположим, вы приготовили себе чашку горячего кофе, но намерены выпить его позже. Предположим также, что кофе вы пьете с молоком. Когда надо добавлять молоко, если вы хотите, чтобы кофе был максимально горячим: сразу или тогда, когда вы соберетесь его пить? Надо ли, доливая молоко, одновременно помешивать кофе? Надо ли в чашке с кофе оставлять ложку? Зависит ли скорость остывания от того, белая чашка или черная? Или от того, светлая или темная в ней жидкость?

ОТВЕТ •Для ответов на эти вопросы надо принять во внимание три фактора. 1. Чем горячее кофе, тем быстрее он отдает тепло. Если бы только это было важно, молоко следовало бы добавлять сразу, чтобы уменьшить температуру, а следовательно, и потери энергии. 2. Добавляя порцию более холодного молока в горячий кофе, мы получаем смесь некоторой промежуточной температуры. Падение температуры кофе будет тем больше, чем горячее он был, когда добавлялось молоко. Если бы было важно учитывать только это, молоко следовало бы добавить перед тем, как пить кофе. 3. Присутствие молока, вероятно, уменьшит испарение воды, а следовательно, и связанные с этим тепловые потери.

Некоторые исследователи утверждают, что в обычных условиях черный кофе остывает примерно на 20% быстрее, чем кофе с молоком. Скорее всего, это означает, что остывание определяется механизмом, идущим у нас под номером 3, а не различиями в инфракрасном излучении. Они также обнаружили, что, когда температура молока ниже комнатной (возможно, его только что вынули из холодильника), кофе будет горячее, если молоко добавляют сразу. Однако, если температура молока выше комнатной (такое случается редко), чтобы рассчитать правильно, когда следует добавлять молоко, надо учесть несколько факторов, в том числе — сколько пройдет времени, прежде чем вы приступите к кофе. С учетом всего этого молоко лучше добавить сразу.

Размешивание может оказать разное влияние, поскольку оно отражается и на составе приповерхностного слоя, и на его температуре. Металлическая ложка, погруженная в кофе, отводит вверх тепло по всей своей длине, а выступающая из кофе часть отдает тепло в атмосферу. Пластмассовая ложка никакого влияния не оказывает.

Чтобы ответить на вопрос о влиянии цвета, надо рассмотреть скорость, с которой тепло уходит с поверхности кофе. В диапазоне видимого света белая поверхность испускает больше энергии, чем черная, но основные потери тепла путем излучения с поверхности чашки (или самого кофе) лежат в инфракрасном диапазоне. В этом случае разница в излучении не столь велика. Следовательно, неважно, какого цвета чашка и поверхность напитка.

Крышка на чашке кофе или слой взбитых сливок помогут дольше сохранить кофе горячим, поскольку они уменьшают испарение и связанные с этим потери тепла.