120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Щелчок кнута в руках пастуха или дрессировщика всегда вызывает восхищение у зрителей. Однако не каждый ковбой может сказать, как происходит этот хлёсткий щелчок. И несмотря на то, что кнут используется человеком не одно тысячелетие, механика его работы стала понятной лишь с развитием науки.

А причина возникновения щелчка проста. При замахе кнута его тонкая часть на самом конце, называемая фолом, разгоняется до огромной скорости, и в определённый момент даже может преодолеть звуковой барьер. А при достижении сверхзвуковой скорости возникает ударная волна – её мы и слышим, как характерный щелчок.

Кстати, кнут имеет не такое уж и простое устройство, как может показаться. Его основу составляет толстое плетёное кнутовище большой длины, которое завершается тонким и не слишком длинным фолом, а на самом конце фола крепится крекер – пучок конского волоса, лески или другого лёгкого волокна. При замахе кнута кнутовище движется вперёд, а более лёгкие фол и крекер тянутся за ним. При полном вытягивании кнутовища фол и крекер за счёт инерции продолжают своё движение, и как раз в этот момент они на коротком участке своего пути могут достигать сверхзвуковой скорости.

Так что щелчок кнута – это ни что иное, как преодоление отдельными его частями звукового барьера.

Что такое трение?

Окружающий нас мир – это, без преувеличения, мир трения. Посмотрите сами – даже сейчас вы можете сидеть на месте только благодаря трению, из-за трения книга не выскальзывает из рук, ваша одежда не спадает (а самом она не распадается на отдельные нити), и даже ваш дом удерживается на земле трением. А сама Земля превратилась бы в идеально круглый шар, так как все горы развалились бы, и пыль от них плавно «растеклась» бы под действием сил тяжести.

А что такое трение? Казалось бы, мы все знаем ответ – это взаимодействие тел, возникающее при их соприкосновении. Причём трение характерно и для твёрдых тел, и для жидкостей, и для газов. Всё это так, но в чём заключается физическая природа трения?

Оказывается, трение имеет электромагнитную природу! Да, именно так, трение возникает вследствие взаимодействия электронных оболочек атомов и молекул, составляющих все тела нашего мира. При соприкосновении тел между их атомами и молекулами возникают разнообразные электромагнитные воздействия – силы Ван-дер-Ваальса, дисперсионные силы (силы электростатического притяжения между электронами, имеющие квантовую природу) и другие. Притяжение атомов и молекул как бы «склеивает» взаимодействующие тела, мешая их относительному перемещению, чем и вызываются различные силы трения (силы трения скольжения, качения и покоя).

Большой вклад в возникновение сил трения делает и характер поверхности взаимодействующих тел. На поверхности всех тел имеются микронеровности, которые цепляются друг за друга (опять же за счёт электромагнитных сил) и затрудняют движение. Поэтому трение гладких тел меньше, чем шершавых.

Так что трение – это электромагнитная сила, которая присуща всем телам во Вселенной, и делает наш мир вполне пригодным для жизни.

Почему шумит закипающий чайник?

Кипячение воды в чайнике или в кастрюле – процесс для нас будничный и привычный, но сегодня, поставив чайник, не спешите уходить, а немного понаблюдайте. Какое-то время не будет происходить ровным счётом ничего, а через несколько минут вы услышите шум. Этот шум будет постепенно нарастать, перед самым кипением он пойдёт на спад, а при закипании воды сменится простым бульканьем. Вроде бы ничего необычного, но задумайтесь – почему шумит закипающий чайник? Откуда берётся этот звук, да ещё и такой громкий?

Всё дело – в пузырьках. Нижний слой воды, расположенный непосредственно у дна сосуда (чайника, кастрюли или любой другой ёмкости), довольно быстро нагревается до высокой температуры. За счёт нагрева в этом слое образуются микроскопические пузырьки, содержащие водяной пар и воздух (он выделяется из-за изменения способности воды поглощать газы). Эти пузырьки стремятся всплыть, и здесь начинается самое интересное. Несмотря на сильный нагрев самого нижнего слоя воды, вышележащие слои ещё холодные – здесь пузырёк охлаждается и пар внутри него конденсируется. Из-за конденсации пара давление внутри пузырька резко падает, и он за счёт давления воды резко сжимается – происходит схлопывание.