Занимательная физика
Автор: Milena в 03/09/2007 09:00:00 (242 прочтений)
— Как устроены новые "быстрые" коньки?
— Какую массу и скорость должен иметь метеорит, чтобы разрушить Землю?
— Почему мокрая рубашка темнее, чем сухая?
— Как согреть квартиру при отключении батарей отопления?
На эти и другие вопросы ответили физики.
Просвещаемся далее...
ВОПРОС: Как устроены новые "быстрые" коньки?
ОТВЕТ: Пластинчатые коньки были изобретены группой исследователей-биомехаников Амстердамского университета. Впервые они начали использоваться в 1994 году, но было необходимо некоторое время для привыкания к ним. Можно считать, что революция в конькобежном спорте, связанная с использованием пластинчатых коньков, началась в 1997г.
Принцип действия коньков прост (хотя конструкциядостаточно сложна и состоит из множества деталей). Лезвие этих коньков соединено только с носовой частью ботинка, а пятка остается свободной. Это позволяет конькобежцу использовать полную мощность толчка, поскольку лезвие остается на льду в течение всего периода, пока делается широкий шаг.
Первый мировой рекорд с помощью этих коньков был побит в Нагано на чемпионате мира 1997г. немкой Гундой Ниман-Штирнеман. Двукратная чемпионка мира начиная с 1992г., которая попробовала новую конструкцию коньков лишь за месяц до начала чемпионата, она была поражена. Вскоре после этого были побиты и улучшены несколько раз за зиму мировые рекорды на 500 и 1000 м и среди мужчин, и среди женщин. Канадка Катрина Ле Мэй Дуан, побившая мировой рекорд среди женщин на дистанции 500 м в декабре 1997г. (причем улучшив его с 38,69 с. - рекорд американки Бонни Блэр - до 37,90, а затем в течение нескольких дней показав результаты 37,71 и 37,55) рассказывает о своих впечатлениях: "С новыми коньками я могу эффективней использовать силу толчка. Я и раньше пыталась сделать более длинный толчек, но при этом во льду выбивались дырки от носка конька. Сейчас можно делать гладкий длинный и очень эффективный толчок."
В настоящее время множество фирм занимается улучшением конструкции пластинчатых коньков. Так, фирмами JM и Finn спроектировано совместно третье поколение пластинчатой системы для коньков, главным образом для коротких дистанций. Изобретенная пластинчатая система позволяет в течение двух минут поставить на ботинки любое лезвие или поменять ботинки. Пластины сделаны из алюминия с керамическим покрытием, что делает их очень легкими и сверхпрочными.
ВОПРОС: Какую массу и скорость должен иметь метеорит, чтобы разрушить Землю?
ОТВЕТ: Правильнее ожидать катастрофического по последствиям столкновения Земли с кометой или астероидом.
Будем считать, что с Землей сталкивается комета, которая приближается к Земле с относительной скоростью v. Тогда, по закону сохранения импульса, после удара система Земля-комета имеет скорость u = mv/(M+m), где M - масса Земли, m - масса кометы. Видно, что на разрушение остается количество энергии, равное
Q = mv2/2 - (M+m)u2/2 = (mv2/2)(M/M+m).
Если считать, что m << M, то Q = mv2/2.
Известно, что при образовании больших кратеров почти все вещество, перемещаемое при образовании кратера, переходит в состояние расплава и пара (Г.Мелош "Образование ударных кратеров", М., Мир, 1994, стр.174-175).
Сделаем оценку: может ли комета своим ударом испарить Землю? Для этого необходимо, чтобы
Q ~ McDT + Mr,
где с - средняя удельная теплоемкость материала Земли, DT - средняя температура испарения материала Земли, r - удельная теплота испарения материала Земли. Легко получить, что
m/M ~ (cDT+r)/v2.
Считая c ~ 103 Дж/(кг.К), DT ~ 3.103 К, r ~ 6.106 Дж/(кг.К), получим m/M ~ 107/v2. Если комета прилетела издалека, то она имеет скорость порядка 2-ой космической скорости Земли относительно Солнца, что дает на встречных курсах v ~ 70 км/с. Т.е. m/M ~ 1/500. Поскольку масса тела пропорциональна его объему, а объем шара пропорционален кубу радиуса шара, то радиус кометы, которая могла бы испарить Землю, должен быть не меньше, чем 1/8 от радиуса Земли, т.е. около 800 км.
Сделаем другую оценку: может ли комета своим ударом распылить Землю, т.е. распределить все земное вещества по сфере с бесконечным радиусом. Затрачиваемая при этом работа равна энергии гравитационного поля
W ~ GM2/R,
где G - гравитационная постоянная, R - радиус Земли.
Положив Q ~ W, найдем
m/M ~ GM/(Rv2) ~ (vI/v)2,
где vI - первая космическая скорость относительно Земли. Окончательно, m/M ~ 1/80. Такая комета должна иметь радиус не меньше, чем 1/4 от радиуса Земли, т.е. около 1600 км (кстати, это радиус Луны).
ВОПРОС: Почему мокрая рубашка темнее, чем сухая?
ОТВЕТ: Вопрос относится не только к ткани, а к любым мокрым поверхностям. Например, к стенам домов.
Мокрые предметы темнее сухих и цвет их насыщеннее. Это связано с тем, что поверхность предмета обычно рыхлая. Из-за различия коэффициентов преломления воздуха и материала на границе происходит отражение света. Свет, отраженный в разные стороны разными поверхностями предмета, на большом расстоянии от поверхности воспринимается как рассеянный. То есть поверхность рыхлого предмета рассеивает свет.
Цвет предмета связан с теми лучами, которые прошли сквозь некоторый слой предмета и частично поглотились в нем. В то же время, свет, рассеянный поверхностью, имеет цвет освещающего источника, обычно, белый. Сложение света, рассеянного поверхностью и внутренними частями предмета приводит к увеличению количества рассеянного света. Но насыщенность цвета уменьшается, поверхность кажется блеклой.
Вода создает пленку на поверхности. Ее поверхность гораздо более гладкая, чем поверхность сухого предмета. Поскольку показатель преломления воды и сухого предмета отличаются меньше, чем у предмета и воздуха, на границе воды и материала отражение происходит гораздо слабее. Поэтому свет рассеивается слабее, и поверхность кажется темнее.
Сама же поверхность водяной пленки также слабее отражает свет, из-за меньшей разницы коэффициентов преломления с воздухом. При этом она преимущественно отражает свет под углом отражения, а в других направлениях не отражает света вообще.
Возможен еще один механизм, отвечающий за потемнение пропитанной водой ткани: отразившись от покрытых водой волокон материала, свет не сразу выходит наружу, а испытывает полное внутреннее отражение от границы воды с воздухом. "Вернувшись" в ткань, свет испытывает еще одно или несколько отражений от волокон, теряя при этом энергию. Соответственно, из мокрой ткани выходит в конечном итоге меньше излучения, чем из сухой.
Советуем пронаблюдать это явление в микроскоп и лупу с разным увеличением. Вы увидите, как отражается свет на ворсинках ткани и как это отражение уменьшается при намокании. С уменьшением степени увеличения блики сливаются, создавая впечатление рассеянного света.
ВОПРОС: Как согреть квартиру при отключении батарей отопления?
ОТВЕТ: Приводим рекомендации, опубликованные в последнее время в прессе:
*Пройти вдоль оконных рам с зажженной свечой - обнаруженные щели тщательно заделать. Так же поступить с вентиляционными отверстиями. На случай катастрофических похолоданий - заполнить пространство между рамами ненужной теплой одеждой, подушками или повесить между ними одеяло.
*На стены можно наклеить тонкий листовой пенополиуретан, а окна снаружи и изнутри заклеить полиэтиленовой пленкой.
*Модернизировать батареи, поставив между стенкой и радиатором металлический лист (который будет отражать тепло в комнату) и сбить с батареи краску.
*Соорудить обогреватель-"козел" (кусок асбестоцементной трубы обвить проволочной спиралью, подключить к электрической сети - при наличии электричества). Правда, этот тип нагревателя не очень эффективный и очень опасный: по данным Главного управления противопожарной службы МВД РФ, самодельные обогреватели уверенно лидируют по числу вызванных ими пожаров, поэтому для данного способа необходим хотя бы минимум электромонтажных знаний.
* Наибольшей отдачей обладают настенные нагреватели и масляные электрокамины с большой поверхностью теплообмена. Экономичен и эффективен обогреватель с вентилятором, типа "Ветерок". В крайнем случае можно обдувать электроплитку или утюг с помощью бытового вентилятора.
* Если электричество в дефиците - поступает от аккумулятора, генератора и тому подобных источников низкого напряжения, можно обернуть абажуром из фольги электрическую лампочку. Он будет хоть как-то подогревать атмосферу.
* При установке печки-"буржуйки" необходимо согласовать установку печки с местной инспекцией Госпожнадзора - важно установить печку в наиболее безопасном месте и правильно вывести дымоход.
*Обычная кирпичная печь имет КПД не более 15%, "буржуйка" - еще меньше. Поэтому лучше оснастить печку системой циркуляции воздуха: прикрепить к корпусу вертикальные трубы или металлические "ребра" (тогда КПД может возрасти до 40%).
*Нагревать на газовой плите массивные предметы: металлические пруты, обрезок рельса, сковородки, сложенные в кастрюлю инструменты, гвозди, большие камни и пр. Чем более объемным будет предмет, чем сильнее он нагреется, тем дольше будет отдавать тепло. Горячие предметы положите на специально сделанный металлический таганок.
*В крайнем случае нагревать (но не кипятить) кастрюли и канистры, заполненные водой. Правда, при этом повышается влажность и возрастают потери тепла.
