Александр Дмитриев
Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
9
Как вода ломает железо
Для опыта нам потребуются: пустая жестяная банка из-под пепси, колы или пива.
Старинная русская пословица гласит: капля камень точит. И это действительно так. Когда мне довелось путешествовать по глубоким каньонам (ущельям) в горах, я удивлялся тому, как мягкая вода умудрилась проточить глубочайшие трещины в горах. Но вода способна еще и не на такое! И виноваты здесь законы физики.
Все знают, как водители любят ругать наши плохие дороги. Вроде бы заливают асфальтом – глянь, а через пару лет опять все в трещинах и ямах. И здесь срабатывает тот же закон физики. Давайте разберемся.
На фото видно, что обычная банка из-под напитка налита полностью водой. Поставим ее в морозилку.
Тела при нагревании обычно расширяются, а при охлаждении – сжимаются. Это неудобное явление доставляет много хлопот ученым, инженерам. Например, если астрономам надо наблюдать за звездным небом, то приходится сидеть у большого телескопа без тепла, потому что даже от обычной печки шестиметровое зеркало телескопа будет так сильно изменять свою форму (расширяясь), что все изображение поплывет, будет дрожать и никаких наблюдений не получится. Кстати, ученые работали над созданием таких стекол, которые бы не расширялись (или очень слабо расширялись) при нагревании. Им удалось создать стекло под названием «пирекс», которое почти не расширяется при нагревании и не сжимается при охлаждении.
Сделаем простой опыт, чтобы увидеть это своими глазами. Возьмем пустую жестяную банку из-под пепси, колы или пива. Нальем в нее обычной холодной воды из-под крана ровно до самого верха, чтобы вода стояла вровень с краями дырочки. Аккуратно поставим банку вертикально в морозилку и предупредим всех дома, чтобы ее не трогали. И оставим так на ночь.
Когда мы утром достанем банку, вода превратится в лед. Но самое интересное, что льда будет больше, чем мы наливали воды! Он вылезет наружу шапкой и нависнет сверху банки почти на сантиметр. От напора изнутри, когда я делал сам этот опыт, банка лопнула, то есть вода порвала металл!
На фотографии видно, что банка лопнула вдоль, да еще и сверху вылезла целая шапка льда!
Почему так происходит? Потому что вода, в отличие от многих других веществ, замерзая и превращаясь в лед, расширяется. Ее как бы становится больше. Поэтому в природе, когда осень превращается в зиму, а вода превращается в лед, в каждой трещине льду становится тесно. Лед расширяется при замерзании и разрывает асфальт, камни, дерево. Именно так разрушаются постепенно целые горы. Поэтому в странах, где зимы нет, дороги содержать в порядке легче. У нас же стоит образоваться мелкой трещинке, как в нее проникает вода и, замерзая, взрывает льдом изнутри. Если же в доме отключили тепло зимой, из труб надо слить воду – а то она замерзнет и металлические трубы попросту порвет, так что и не починить. Что поделать, законы природы…
Практический совет: не оставляйте жидкость в стеклянной бутылке или другом сосуде на морозе: стекло разорвет, и будет неприятность.
10
Почему океан не замерзает, или Вымораживание чистой воды
Для опыта нам потребуются: пластиковая баночка, соль.
Все говорят про экологию. Модное слово такое. Обычно при этом имеют в виду загрязнение окружающего нас мира. Действительно, загрязнить можно все что угодно. Проблема эта стара как сам мир. Например, многие первобытные племена вынуждены были время от времени менять место стоянки, хотя пищи было еще вдоволь и враги не нападали. Просто отходы, мусор, грязь так забивали поселение, что становилось невыносимым само существование – и люди уходили. А вот жители древнего русского города Новгорода примерно один раз в каждые пятнадцать лет перестилали мостовые из бревен. Грязь затапливала улицы, и приходилось поверх старых бревен класть новые. Когда археологи стали раскапывать эти бревна, оказалось, что чуть ли не пятнадцать или двадцать слоев были наложены друг на друга! Огромная поленница на месте улицы!
На фотографии видно, что внутри куска льда образуются как бы пузырьки, направленные к центру. Это показывает, что лед растет от стенок внутрь. То есть получается как бы стаканчик, внутри которого еще не замерзшая вода.
Как же борются с загрязнением воды? Ее пропускают через специальные фильтры, обрабатывают различными веществами, отстаивают в отстойниках… Мы же попробуем простой опыт с вымораживанием.
Возьми любую пластиковую (не стеклянную!) баночку. Можно использовать пустую коробочку из-под йогурта. Только помой ее тщательно с мылом и ополосни, чтобы она была чистой. (Мы уже знаем, что замораживать воду в стеклянной банке нельзя.) Налей в нее обычной воды из-под крана. Добавь четверть чайной ложки соли. Размешай. На вкус это будет обычная соленая вода, достаточно противная, кстати.
Поставь ее в морозилку на ночь. Пусть вода замерзнет. Утром достань ее из морозилки и посмотри внимательно на лед. Во-первых, ты увидишь, что он весь какой-то ребристый и бугристый, словно из смерзшихся иголок и крупинок. По крайней мере, отличается от обычного льда.
А вот на этой фотографии видно, что внутри прозрачного льда образуется как бы «вставленный» кусок изо льда непрозрачного. Почему? Кстати, обратите внимание, что у куска льда есть «крышка». Я подкрасил верх зеленкой, чтобы ее лучше было видно. Эта крышка образуется сразу, как лед на озере, и потом растет вниз, навстречу льду, нарастающему на стенках и дне.
Если начать подтаивать лед под струей воды, то видно, что крышка и дно куска льда более плотные, в первую очередь тает рыхлый лед, который замерз в последнюю очередь.
Здесь я дам еще пояснения к опыту. Мы видим, что внутри есть непрозрачный цилиндр льда. Оказывается, что чем больше в воде растворено всяких солей, чем больше в ней примесей, тем сильнее должен быть мороз, чтобы заморозить ее. Поэтому происходит забавная вещь: первым вдоль стенок и дна замерзает более чистая вода, а вода с примесями и растворенными солями смерзается в центре потом, в последнюю очередь. Это означает, что если заморозить воду с равномерно растворенными в ней примесями (попросту – грязью), то на стенках будет более чистый лед, а внутри – более грязный. Значит, просто заморозив воду, мы разделяем ее по чистоте! Можно без всяких фильтров получать более чистую воду из загрязненной. Итак, как получить более чистую воду?
Надо оставить эту пластмассовую баночку на некоторое время в теплой комнате, положив в миску. Когда лед внутри немного оттает, слей из нее «первую» воду в отдельную чашку и поставь рядом.
Очень важно не прозевать момент. Нужно через каждые полчаса сливать воду из пластмассовой баночки в раковину, чтобы под конец остался лишь небольшой кусочек льда (размером с ластик). Вот эту «последнюю» воду уже тоже можно перелить еще в одну чашку.
У тебя две чашки. В одной вода с верхнего слоя льда, во второй вода «из глубины» льда. Попробуй теперь на вкус воду из одной и из другой чашки. Ты увидишь, что вода отличается. Оказывается, внутри льда собралась соленая вода, а снаружи – чистая!
Происходит это потому, что вода замерзает неодинаково. Чем соленее вода, тем хуже она замерзает. Тепло отнимается в первую очередь от краев, поэтому у краев вода начинает замерзать – и более соленый раствор как бы перемещается внутрь.
То есть, если у нас есть загрязненная вода, мы ее замораживаем, а потом этот кусок льда ставим «обтаивать». Не дожидаемся, пока он обтает полностью, а собираем только воду с внешних краев – это более чистая вода. В принципе, если проделать это несколько раз подряд, – выбрасывая «грязный» лед и повторно замораживая уже более чистую воду с краев, – можно добиться довольно высокой очистки воды в домашних условиях. Именно по причине более высокой солености вода в морях и океанах замерзает при более низких температурах, чем пресные озера. Вода же в океанах соленая!
11
Компас из иголки
Для опыта нам потребуются: кружка, иголка, небольшой кусочек газеты.
Если мы еще не устали от жидкостей, попробуем ответить на один простой вопрос: как жуку-водомерке удается бегать по воде? Все наверняка видели летом маленьких юрких жучков, которые шныряют по поверхности воды как заправские конькобежцы. И ведь не тонут, жуки такие!
Дело в том, что вода у самой поверхности обладает особыми свойствами. Мы не будем долго объяснять, в чем тут дело, просто запомним, что это действуют те же силы, которые заставляют подниматься жидкость по капиллярам. Можно представить, что каждая жидкость сверху как бы покрыта особой невидимой пленочкой. Для больших предметов (как мы с вами, хотя мы и не предметы) эти силы незаметны. А вот муравей или мотылек, попавший в каплю воды, не может из нее выбраться – невидимые силы склеивают ему лапки и не дают вылезти.
Иголка плавает по поверхности как жук-плавунец.
Мы можем провести интересный опыт. Представим, что мы оказались в глухой тайге и заблудились. У нас нет ничего, кроме кружки и иголки. (Кстати, если нет даже кружки, ее можно сделать из бересты, слепить из глины, наконец, просто найти кусок коры подходящей формы и зачерпнуть в него воды – лишь бы иголка поместилась…)
Как из этого смастерить прибор, который выведет нас к жилью? Оказывается, если знать законы физики (понимать, а не учить), то все просто.
Силы, которые действуют на поверхности жидкости, могут выдерживать железную иголку – но при одном условии. Иголка должна быть жирной, и еще ее надо очень аккуратно умудриться положить на поверхность воды. Намажем иголку маслом. Надо это сделать так: потрогайте кусок масла пальцем, а потом потрите этим пальцем иголку. Теперь налейте в кружку обычной воды из-под крана и поставьте кружку на стол. Надо, чтобы вода успокоилась и не дрожала. Теперь оторвем небольшой кусочек газеты и положим его на поверхность воды. Сверху на плавающую газету аккуратно положим иголку. Оставим газету намокать. Через какое-то время газета намокнет и опустится ко дну. А иголка останется плавать! На фотографии на иголку показывает красная стрелка.
На фотографии отлично видно по отражению света, что вокруг иголки образована как бы «впадина», то есть железо плавает за счет сил поверхностного натяжения воды.
Если поднести к ней магнит, она будет поворачиваться за ним, как настоящий компас. Так что, если вы хотите не потеряться в лесу, берите с собой иголку, натертую предварительно об магнит, а кружку можно сделать из бересты! Пальцы маслом можно и не мазать (на них всегда есть тонкий слой сала), а вместо газеты – несколько сухих травинок.
Этот опыт придумал не я, но, думаю, от этого он не стал менее интересным.
Практический совет: если вам доведется в тайге держать железную кружку с горячим чаем, то, чтобы не обжигать руки, сделайте себе на кружку кожух из бересты с упавшей березы. Отрежьте прямоугольник, сверните его в трубку под размер кружки, сшейте тонкой полоской бересты или веревочки, а для ручки оставьте прорезь. Как на рисунке.
12
Гейзер
Для опыта нам потребуется: металлический чайник с длинным носиком.
Раз уж зашла речь о природе, вспомним про удивительное явление – гейзер. Гейзер – это созданный природой горячий фонтан, который бьет из земли через определенные промежутки времени. Есть гейзеры, по которым уже много сотен лет можно проверять часы. Какое-то время все вокруг спокойно, как вдруг из-под земли, прямо из скалы, вырывается столб кипящей воды, поднимаясь у больших гейзеров на десятки метров.
Что же это за таинственные часы, которые заставляют гейзеры «идти» с такой точностью? Каким образом в природе создаются сами собой механизмы, способные отмерять время?
Надо заметить здесь, что в природе существует огромное количество механизмов, точно измеряющих время. Например, наша планета. Она, вращаясь вокруг своей оси, совершает точно один оборот за 24 часа. А ведь могло быть и иначе. Один день длится пять часов, другой – сто пятнадцать, третий – десять минут. Вот было бы здорово! Мы просто привыкли и не задумываемся, что повороты реки непредсказуемы, а повороты планет – предсказуемы. Но ведь бывает и так, что планеты сходят с орбит и звезды взрываются…
Но вернемся к гейзеру. Давайте рассмотрим, как устроен гейзер (или подземный фонтан) в природе. Чаще всего он располагается поблизости от вулкана, там, где раскаленная магма (подземное расплавленное вещество) очень близко подходит к поверхности. Представим, что в горе существует трещина, как бы трубка, которая уходит глубоко внутрь вулкана и с обоих сторон обогревается раскаленной магмой.
Смотрите, что происходит. Раскаленная магма через слой камня нагревает воду, попавшую в трещину (трубу). Вода закипает – но, как и в обычном чайнике, для этого требуется какое-то время. Так что чем больше гейзер, тем больше у него промежуток между извержениями. Когда вода закипит, она закипает сразу во всей трубе, потому что подогревается со всех сторон, а не только снизу (как в чайнике).
Закипев, вода, естественно, превращается в пар. А пар занимает гораздо больший объем – попросту говоря, пару нужно гораздо больше места, чем воде, из которой он образовался. (Еще говорят так: давление внутри трубы повышается. То есть пар давит во все стороны.) Пар, толкаясь и шипя, начинает прорываться наружу, через слой воды – вверх, с огромной силой. Вот как на следующем рисунке.
После того как вода и пар выплеснулись из трубы и труба на какое-то мгновение стала почти пустая, в нее снова затекает уже холодная вода из озерка, которое обычно находится над гейзером. И все повторяется сначала. Поскольку температура воды в озере меняется несильно, температура магмы – тоже, то гейзер закипает всегда через один и тот же промежуток времени. Получается как если бы мы всегда наливали одинаковое количество воды в чайник (причем вода была бы всегда одной и той же температуры), включали конфорку электроплиты на одно и то же деление и замеряли, сколько времени требуется, чтобы вода вскипела. Понятно, что время будет всегда одинаковым.
Можно ли наблюдать это явление в домашних условиях? Я долго думал, как сделать простой прибор, но все выходили какие-то сложные трубки с подогревом. И вдруг вспомнил старые добрые чайники с длинным носиком. Не эти, современные, пластмассовые – а металлические. Когда их, бывало, наливали доверху и ставили на газовую горелку, то при сильном пламени вода в носике чайника закипала быстрее, чем во всем чайнике, – и чайник начинал плеваться водяными брызгами изо всех сил. Это и есть точная модель гейзера. Носик играет роль трещины в земле, заполненной водой. Газовая горелка – роль огненной магмы. А вскипающая вода, превращаясь в пар, точно так же выталкивает ту воду, что находится выше, наружу. Если ты найдешь такой чайник, попробуй налить его водой полным и поставь на сильный огонь. Может быть, получится гейзер.
Из этой главки мы незаметно познакомились со многими важными явлениями, которые используются в жизни: например, свойство воды при закипании образовывать пар. Мы узнали, что пару нужно больше места, чем воде, и он начинает сильно расширяться. Это свойство пара использовалось в первых паровозах. Сгорая в топке, дрова подогревали котел, в котором образовывался пар. Пар рвался наружу, попадал в специальную камеру, где толкал поршень… В современных машинах используется бензин, который, сгорая, тоже образует газообразное вещество (что-то вроде пара, только очень ядовитого).
Практический совет: никогда не разогревайте консервные банки, предварительно не открыв их. Ведь жидкость, содержащаяся внутри, может вскипеть – и тогда банку разорвет как бомбу. Веселого мало: во-первых, содержимое банки размажется по стенкам и потолку, а, во-вторых, кипящая жидкость может сильно обжечь того, кто не знает физики!