Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Иногда случается, что мостовые становятся влажными, когда вокруг все сухо. Это возможно, когда асфальт, отдавая тепло, остывает. Тогда воздух вблизи асфальта становится холоднее, и предел насыщения понижается. Это означает, что часть пара будет конденсироваться на мостовой.

Почему, когда в холодную погоду человек в очках входит в теплую комнату, на линзах образуются капельки воды? Почему капельки воды через какое-то время исчезают, даже если линзы не протереть? Где прежде всего стекла станут чистыми?

Почему линзы запотевают , когда из помещения, где поддерживается обычная комнатная температура, вы входите в парную? Зависит ли место, где начинают отпотевать линзы, от материала, из которого сделана оправа?

ОТВЕТ •В обоих примерах линзы охлаждаются соседним с ними воздухом, в результате чего понижается предел насыщения воздуха и часть водяного пара конденсируется на линзах (см. предыдущую задачу). Сконденсированная жидкость образует мелкие капельки, и линзы запотевают. Это значит, что капельки настолько меняют прозрачность линз, что изображение становится нечетким.

Когда в холодную погоду человек входит с улицы в теплую комнату, капельки воды сначала исчезают на оправе вблизи носа. Излучая тепло, нос подогревает часть оправы благодаря теплопроводности через носовые упоры или по воздуху, и путем конвекции, когда нагретый телом человека воздух поднимается вверх. Тепло затем передается линзам, нагревает их, капельки воды превращаются в пар, и линзы отпотевают.

Когда человек входит в парную, отпотевание происходит по-другому, поскольку разность температур между воздухом и линзами больше. В этом процессе нос уже не играет столь существенной роли; капельки воды, образовавшиеся на стеклах, важнее. Когда водяной пар конденсируется в жидкость, молекулы воды теряют некоторое количество энергии. В парной эта выделившаяся энергия разогревает и линзы, и оправу. Однако температура возрастает быстрее вблизи центра стекол, поскольку обычно теплопроводность оправы больше (требуется больше энергии, чтобы ее температура увеличилась). Другой источник поступающего на стекла тепла — конвекция горячего воздуха парной вдоль стекол очков.

Если бы линзы были плоскими, отпотевание начиналось бы в центре и постепенно распространялось бы к оправе. Выпуклые линзы лучше обдуваются воздухом, что ускоряет отпотевание в центре. Центр вогнутых линз хуже обдувается теплым воздухом и поэтому нагревается медленнее. Если линзы вогнуты очень сильно, отпотевание может начаться и вблизи оправы, несмотря на ее большую теплопроводность.

Как жук стенокара из семейства чернотелок, обитающий в пустыне Намиб в юго-западной части Африки, добывает питьевую воду, когда рано утром на землю опускается туман? Как люди, живущие в пустыне Атакама на севере Чили, собирают воду из воздуха, приходящего со стороны Тихого океана?

ОТВЕТ •Жуки-чернотелки из рода Stenocara взбираются на песчаную дюну с наветренной стороны и, наклонившись, принимают характерную позу: голова опущена вниз, а брюшко поднято вверх, так что спинка жука образует наклонную плоскость. Надкрылья, прикрывающие брюшко, покрыты неровными рядами выпуклых бугорков. У этих бугорков гидрофильная поверхность, то есть они могут связывать молекулы воды. Понижения между выпуклостями покрыты воскоподобным веществом, а значит, у них гидрофобная поверхность, то есть с ними молекулы воды не связываются. На бугорках мельчайшие капельки тумана собираются в капли. Пока капля небольшая, гидрофильные взаимодействия, удерживающие каплю на выпуклости, превышают силу тяжести, из-за которой капля скатывается по наклоненному телу жука. Постепенно капля растет и наконец отрывается от выпуклости. Капли движутся между рядами бугорков, как по извилистому каналу, постепенно скатываясь вниз, пока не достигнут рта стенокары.

Чтобы собрать воду из надвигающегося со стороны океана тумана, жители пустыни Атакама используют «туманоуловители» — мелкоячеистые сети, на которых конденсируется вода. Мелкие капли сливаются, растут, становятся все тяжелее и соскальзывают вниз в желоб, а по нему стекают в водосборники. За день удается таким образом набрать до 11 000 литров воды, и этого хватает на всю деревню.

Похоже, некоторые каменные строения, не так давно обнаруженные на Крымском полуострове, были конденсатными ловушками и служили для сбора воды во время влажных ночей. После захода солнца камни отдают тепло ночному небу в виде инфракрасного излучения. Ясной ночью они, вероятно, отдают больше энергии, чем получают, и поэтому остывают, а их температура становится ниже температуры воздуха. Водяной пар, соприкасаясь с относительно холодными камнями, конденсируется и образует капли. Капли растут и постепенно достигают такого размера, что отрываются от удерживающей их поверхности и стекают либо в углубление, где собирается вода, либо, пройдя по трубе, собираются в центральном бассейне. Такой способ сбора воды был, по-видимому, малоэффективным.

В некоторых книгах по выживанию в экстремальных ситуациях предлагается следующий способ добычи воды. На солнечном месте надо вырыть в земле или песке яму. Банку без крышки поместить в центр ямы и накрыть яму пленкой, в середину которой положить камешек, чтобы это место провисло и оказалось прямо над банкой. Край пленки вокруг ямы засыпать землей или заложить камнями. Когда это сооружение, чем-то напоминающее теплицу, нагревается солнечными лучами, вода испаряется из почвы на дне ямы. После захода солнца яма остывает, на обратной стороне пленки конденсируется водяной пар и образуются капли. Став достаточно большими, они скатываются вниз по пленке и падают в банку. Когда в банке соберется достаточно воды, ее можно пить. Чтобы влаги было больше, в яму можно бросить кактус, предварительно измельчив его.

Рассказы о естественных водоемах без источников, где вода собирается в результате конденсации влаги из атмосферы, — миф. Влаги в атмосфере не так много, чтобы образовывались водоемы, способные обеспечить водой людей и животных.

Почему на высохшей грязи появляются трещины? Как правило, такие трещины сначала перпендикулярны друг другу. Почему затем из этих трещин могут образоваться многоугольники (тогда грязь будет напоминать кафельный пол) и почему иногда края такого многоугольника заворачиваются вверх? Бывает, что верхний слой грязи сворачивается в трубочку, отрывается и укатывается в сторону.

Почему иногда после дождей на дне пересохших водоемов образуются гигантские многоугольники? Они могут достигать 300 м в диаметре, а образующие их разломы имеют до метра в ширину и до пяти метров в глубину.