/
Author: Гусев И.Е.
Tags: издания для определенного назначения физика
ISBN: 978-5-17-098812-9
Year: 2017
Text
E=mc2 a
A g = F/m Вт
О F=mg p
ф Л = c/v
v = wR Дж
Ом F = mv2/R
Ш УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ
НАУКА
ФИЗИКА
И. Е. Гусев
УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ
НАУКА
ФИЗИКА
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ACT
УДК 087.5:53
ББК 22.3я2
Г96
Серия «Увлекательная наука» основана в 2016 году
Гусев, Игорь Евгеньевич.
Г96 Физика / И. Е. Гусев. — Москва : Издательство ACT, 2016.— 160 с. :
ил. — (Увлекательная наука).
ISBN 978-5-17-098812-9.
Вы совсем недавно начали изучать физику, и вас пугает этот мир сложных формул
и непонятных законов? А может, вы, напротив, любите хитрые задачки и интересные
эксперименты и с удовольствием проводите время на уроках? В любом случае наша
энциклопедия создана специально для вас! Вы увидите, что физика окружает нас
повсюду — дома, на улице, глубоко под землей и высоко в небе. Эта книга поможет
узнать причины возникновения природных явлений, понять законы, по которым
живет Вселенная, и разобраться в устройстве окружающего мира. А самое главное —
она написана просто и интересно. В отличие от школьных учебников, здесь нет
громоздких формул и сложных научных теорий — только красочные иллюстрации,
понятные схемы, аналогии и сравнения.
Для среднего и старшего школьного возраста.
УДК 087.5:53
ББК 22.3я2
ISBN 978-5-17-098812-9
© Оформление, обложка, иллюстрации
ООО «Интеджер», 2016.
Дизайн обложки Резько И. В.
© ООО «Издательство АСТ», 2016
© В оформлении использованы материалы,
предоставленные Фотобанком Shutterstock, Inc.,
Shutterstock.com, 2016
© В оформлении использованы материалы,
предоставленные Фотобанком Dreamstime, Inc.,
Dreamstime.com, 2016
Физика — главная из наук 3
ФИЗИКА — ГЛАВНАЯ ИЗ НАУК
Вы любите сказки? Захваты-
вающий мир чудес, насе-
ленный волшебниками и
фантастическими существами?
Полный магических предметов
и невероятных событий, совер-
шенно невозможных в мире, где
мы живем? Все это придумано
людьми, создано их воображе-
нием и фантазией.
Но чтобы попасть в сказ-
ку, вовсе не обязательно что-
то выдумывать. Надо просто
внимательнее посмотреть на
то, что нас окружает: движет-
ся, летает, падает, светится, из-
дает звуки. А затем задать во-
прос: как все устроено в нашем
мире и почему?
Ответы на эти вопросы
дает физика — самая главная
из всех наук. На ней основаны
многие другие науки, в том
числе химия, биология, астро-
номия, геология. Физика не-
обходима в промышленности,
создании прогрессивных тех-
нологий (включая новейшие,
например квантовые компью-
теры), военных разработках.
Поэтому эту науку изучают и
школьники, и студенты самых
разных специальностей.
Эта книга позволит читате-
лю, еще не встречавшемуся с
физикой или плохо с ней знако-
мому, просто и наглядно разо-
браться в азах этой науки. Здесь
все явления и законы излагают-
ся без сложных формул, с ис-
пользованием аналогий, срав-
нений и иллюстраций. Физи-
ка — это понимание характера
природных явлений, и данная
книга поможет вам разобраться
с их особенностями и причи-
нами возникновения. Уверены,
что когда вы столкнетесь с этой
наукой в будущем, то не раз ска-
жете: «О, да я это уже знаю!»
Совет: вначале обязательно
прочтите первую главу. В ней
изложены основные понятия
и законы, без знания которых
последующий материал будет
нелегко понять.
4 Пространство, время, частицы и поля
ПРОСТРАНСТВО,
ВРЕМЯ, ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
О главном
в физике просто и нескучно
Весь мир — театр.
В нем женщины, мужчины — все актеры.
У них свои есть выходы, уходы,
И каждый не одну играет роль.
У. Шекспир
Физика — наука об основных и вместе с
тем наиболее общих свойствах приро-
ды, о материи, ее строении и движении.
Законы физики лежат в основе всего естествозна-
ния. Она включает в себя такие разделы, как меха-
ника, термодинамика, оптика, электродинамика;
в прошлом веке возникли новые направления:
физика элементарных частиц, физика высоких
энергий, квантовая механика и немало других. В
данной главе приводятся основные понятия этой
науки, разъясняется смысл важнейших законов
классической физики и дается начальное пред-
ставление о квантовой механике, которая описы-
вает поведение атомов и элементарных частиц.
Настоятельно рекомендуем прочитать эту главу,
поскольку весь последующий материал опирает-
ся на изложенные в ней сведения.
Мы не просто так в начале главы поставили
такой эпиграф. Дело в том, что в его четырех
строках можно увидеть не только сравнение
жизни людей с театральной сценой, но и «пор-
трет» физики. Достаточно «мужчин» и «жен-
щин» заменить на «тела» и «частицы». В самом
деле, есть «сцена»: это то, в чем заключено все
существующее и где разворачиваются все со-
бытия — происходящие с вами лично, с вашим
соседом по парте, плывущим по Волге теплохо-
дом и карликовой планетой Плутон. Эту «сце-
ну» называют пространством.
Что касается тел, в физике они мотут быть
самыми различными. Многие из них мы спо-
собны видеть собственными глазами. Но еще
больше тел недоступны для наблюдения. На-
пример, далекие планеты. Или мельчайшие ча-
стицы, из которых построены различные объ-
екты. Эти тела не существуют вечно, каждому
отмерен свой век: они разрушаются и гибнут со
временем.
Физические тела, как и люди, вступают друг
с другом в контакт — взаимодействуют. Взаимо-
действие происходит за счет сил. Самая понят-
ная из них механическая. Например, она воз-
никает при ударе мячом по стене. Подумайте,
какие еще механические силы вам знакомы.
И наконец, любой физический объект имеет
множество «масок». Так, обычный камень — это
и кусок твердого вещества, и минерал, имею-
щий определенные, только ему присущие свой-
ства (механические, химические), и совокуп-
ность частиц, из которых камень состоит.
И как в театре мы не только видим людей, но
и воспринимаем невидимое — эмоции и мысли,
так и в физическом мире есть скрытые от орга-
нов чувств явления — физические поля. Но рас-
смотрим их позже. А пока осмотрим «сцену».
Пространство, время, частицы и поля 5
Пространство
в классической
механике
Что такое пространство?
Первое, что приходит в
голову: это нечто такое,
что вмещает в себя всё и вся. У
древних греков пространство
было ограничено с одной сто-
роны Землей, с другой — хру-
стальной сферой неба. По этой
сфере перемещались небесные
светила во главе с Солнцем,
вращаясь вокруг нашей пла-
неты. Иными словами, Земля
считалась центром Вселенной.
Памятник Джордано Бруно в
Риме
Однако не все люди верили
в такое устройство мироздания.
Джордано Бруно «разбил не-
бесную сферу», предположив,
что космос — это бесконечное
пространство, заполненное не-
бесными телами. В нем нет ни-
какого центра, которым ранее
считали Землю. В дальнейшем
понятие физического прост-
ранства стало более четким и
научно обоснованным благода-
ря усилиям Иоганна Кеплера,
Рене Декарта, Галилео Галилея
и Исаака Ньютона.
В науке, созданной этими
учеными и названной класси-
ческой механикой, простран-
ство существует само по себе,
не зависит от того, что в нем
происходит, остается всегда
одинаковым и неподвижным.
Из-за этих свойств его назвали
абсолютным (от латинского
слова absolutus — «безуслов-
ный, неограниченный, безот-
носительный»).
Пребывающие в таком про-
странстве материальные тела
занимают его часть, то есть име-
ют некоторую протяженность в
этом пространстве (например,
спичечный коробок — длину,
ширину и высоту). Поскольку
очевидно, что тела способны
трансформироваться, может
меняться и отведенное им про-
странство (то есть размеры тел).
Поэтому его назвали относи-
тельным.
Объектами исследований
не были реальные предметы,
которые могли двигаться са-
мым причудливым образом
и тем самым чрезвычайно ус-
ложнить исследования. Тогда
задачу упростили: вместо на-
стоящих, физических тел вве-
ли понятие материальной точ-
ки, или частицы. Это объект
очень малых размеров, име-
ющий массу. Слово «матери-
альная» подчеркивает отличие
этой точки от геометрической.
Геометрическая точка не обла-
дает никакими физическими
свойствами. А материальная
может иметь не только массу,
но и электрический заряд и
Астронавт в околоземном
пространстве
другие физические характери-
стики.
После этого Вселенную ви-
дели так: абсолютное простран-
ство, которое заполнено мате-
рией, представленной двига-
ющимися маленькими нераз-
рушимыми частицами. Неиз-
менным во все времена считал-
ся и весь мир, неведомо когда
приведенный кем-то в движе-
ние. Исаак Ньютон, например,
считал, что Богом.
Исаак Ньютон изучает
природу света с помощью
стеклянной призмы
6 Пространство, время, частицы и поля
Время
Все физические явления
и события в такой кар-
тине мира сводятся к
движению материальных то-
чек в пространстве. Движения
происходят не как попало,
а раньше или позже других
движений, то есть в опреде-
ленной последовательности,
и имеют некоторую длитель-
ность. Эту длительность назы-
вают промежутком времени.
Само же время представля-
ется как неостановимый и
непрерывный поток — река
времени, вечно текущая и не
зависящая ни от чего: ни от
движущихся тел, ни от проис-
ходящих процессов. В общем,
время, как и пространство,
абсолютно. Иначе говоря, оно
одинаково во всей Вселенной,
как равно время, например,
на территории всей Москов-
ской области.
В классической физике
время во Вселенной повсюду
одинаково
Движение
Главная задача классиче-
ской физики — описа-
ние движения матери-
альных тел, а также открытие
законов, управляющих этим
движением. Двигаться озна-
чает менять положение в
пространстве. Для простоты
обычно рассматривают дви-
жение маленьких тел типа то-
чек. Точкой считается и боль-
шое тело, если его размеры
малы по сравнению с прохо-
димым им расстоянием. Так,
планеты Солнечной системы
можно считать точками при
изучении их движения вокруг
Солнца, потому что размеры
планет гораздо меньше их
удаленности от светила.
Движение — это изменение
со временем положения в
пространстве
Что значит описать движе-
ние точки? Это значит иметь
информацию о ее положе-
нии в пространстве. Причем
в любое время. В простейшем
случае, когда точка движется
по прямой, ее положение в
любой момент времени будет
равно расстоянию, на которое
она удалилась от места начала
движения. Если поезд через
5 мин после отправления на-
ходился на расстоянии 7 км
от станции, это можно запи-
сать как 7(5). Ясно, что длина
пройденного пути зависит от
времени. Эту зависимость за-
писывают в виде x(t), где х —
расстояние, пройденное телом
за время I, и говорят, что х есть
функция t. Иногда это пред-
ставляют в виде х =f(t).
Перемещение вдоль прямой
линии — простейшее из
движений
Координаты
Конечно, тело может пе-
ремещаться не только
вдоль прямой. Муха пол-
зает прямо по балконным пе-
рилам, но летает по комнате
замысловатым образом. Как
описать такое движение? Если
та же муха ползает по прямо-
угольному столу, ее положение
можно точно определить, ука-
зав, на каких расстояниях х и у
от двух соседних сторон стола
она находится в любой момент
времени. Числа х и у называют
координатами точки (мухи) на
плоскости (столе).
При полете мухи в комнате
для определения ее положе-
ния требуются уже три числа
(меняющихся со временем):
расстояния до каждой из трех
примыкающих друг к другу
стен комнаты — х, у и z. Эти
числа называются координата-
ми точки в пространстве. Три
прямые, сходящиеся в любом
углу комнаты, образуют систе-
му координат. Точка, где эти
прямые сходятся, называется
началом данной системы. Си-
стему координат можно мыс-
ленно построить и без привяз-
ки к комнате. На самом деле в
пространстве нет таких систем,
Пространство, время, частицы и поля
7
это воображаемая конструк-
ция, тем не менее она подходит
для описания движения в са-
мых различных ситуациях. По-
скольку начало системы коор-
динат можно поместить в лю-
бую удобную для нас точку
пространства, координаты те-
ла в нем относительны, то есть
зависят от выбранной системы
координат.
Система координат на
плоскости
•X
/ У
х Система координат
Z
в пространстве
Траектория — линия в
пространстве, вдоль которой
движется тело
Частицы движутся в про-
странстве по определенным
линиям, называемым траекто-
риями. Так, траектория Земли
при движении вокруг Солн-
ца — замкнутая кривая линия,
именуемая эллипсом.
Быстроту, с какой тело проходит то или
иное расстояние, характеризуют скоро-
стью движения (обозначают чаще всего
буквой г?). Пусть тело, начав движение в неко-
торой точке А, за время t прошло расстояние х.
Тогда скорость определяется как результат де-
ления x/t. Беда в том, что скорость со временем
может изменяться, причем иногда сильно. То
есть скорость, как и пройденное расстояние, —
функция времени: v = v(t) =f(t). Тогда, чтобы точ-
нее определить скорость в какой-нибудь точке В
пути, надо в формуле x/t взять малым как х, так и
время I, за которое тело прошло это расстояние.
Скорость — величина относительная, ее зна-
чение зависит от того, по отношению к чему рас-
сматривается движение. Например, сидящая
на окне вагона муха неподвижна относительно
поезда, но движется относительно земли. Если
муха взлетит, то будет двигаться уже относи-
тельно как земли, так и поезда. Тело, относи-
тельно которого рассматривается то или иное
движение, называется телом отсчета. В данном
примере таких тела два — земля и поезд.
Все, что движется, имеет скорость
ВОПРОС 1
Автомобиль и велосипед движутся по
прямой, причем расстояние между ними
не меняется. Относительно каких тел от-
счета каждый из них находится в покое и
относительно каких тел они движутся?
8 Пространство, время, частицы и поля
Векторы
Величина скорости тела
V (скажем, 100 км/ч) не
все сообщает нам о ско-
рости. Нетрудно заметить раз-
ницу между ситуацией, ког-
да автомобиль несется со ско-
ростью 100 км/ч прямо на нас,
и случаем, когда он с той же
скоростью едет по соседней
улице. В чем здесь разница? В
направлении движения. Сле-
довательно, при определении
скорости тела важно задать не
только ее величину, но и на-
правление движения.
Направление имеет значе-
ние не только при указании
скорости. Физические пара-
метры, которые характеризу-
ются как своей величиной, так
и направлением, называются
векторами. Обозначающие их
буквы обычно выделяют жир-
ным начертанием v, г, F и т. д.
Материя
Главные «актеры» на сцене
физического мира — мате-
риальные тела, например
частицы. Они обладают опре-
деленными качествами. Од-
но из них — масса (т). Чем
больше вещества в теле, тем
больше его масса. Стальной и
пластиковый шары одинако-
вых размеров имеют разные
массы, потому что в первом
больше вещества.
Мы, правда, чаще говорим
не о массе, а о весе. На Земле и
любой другой планете вес тела
пропорционален его массе, а
также массе самой планеты.
Скажем, кошка на Луне будет
весить в 6 раз меньше, чем у
себя дома. При этом масса кош-
ки останется прежней (если не
забывать ее кормить). А вот в
космосе у тел нет веса, а масса
имеется. И она тем больше, чем
больше усилий нужно прило-
жить, чтобы сдвинуть покоя-
щееся тело с места. Ясно, что
стальной шар нужно толкнуть
сильнее, чем пластиковый, что-
бы привести его в движение.
Что же такое вес? Вес тела
определяется как сила, с которой
тело в состоянии покоя действует
на опору или подвес по причине
гравитационного притяжения к
тому небесному телу, на котором
производится взвешивание.
ВОПРОС 2
Какие физические усло-
вия необходимо выпол-
нить пилоту, чтобы по-
садить самолет на крышу
автомобиля?
Масса тела зависит от количества вещества в нем (т1 < т2 < т3 < т4)
Пространство, время, частицы и поля
9
Атомы
Вареный яичный желток
можно дробить на сколь
угодно малые части, до-
водя его до состояния порош-
ка. Измельчать его, очевид-
но, можно и дальше. Однако,
сколько ни кроши желток, он
не исчезнет, только приобре-
тет более тонкую консистен-
цию. Более того, его ничтожно
мелкие кусочки сохранят свой-
ства вареного желтка. Значит,
есть какие-то самые малые
строительные частички желт-
ка, ответственные за его каче-
ства, и их нельзя раздробить.
Эти неделимые составляющие
вещества еще в древние време-
на назвали атомами.
Еще 2500 лет назад люди
многое понимали в строении
веществ. Грек Демокрит счи-
тал: все, что есть в природе, —
это пустота и атомы: «Ничего
не существует, кроме атомов
и пустого пространства; все
остальное лишь воображение.
Разнообразие сложных вещей
обусловлено различием обра-
зующих их атомов по форме,
положению и порядку их рас-
положения; атомы отличают-
ся друг от друга лишь своей
формой и величиной. Атомы
не имеют "внутренних состо-
яний", они действуют друг на
друга лишь путем давления и
соударений».
Все вещество, какое имеет-
ся на Земле или в других частях
Вселенной, сложено из атомов
(или молекул — частиц, состо-
ящих из нескольких атомов),
как дом из кирпичей. Твердые
предметы не рассыпаются в
пыль потому, что атомы в них
притягиваются друг к другу.
Если же такие тела попытать-
ся сжать, атомы начнут оттал-
киваться друг от друга, не по-
зволяя менять форму и объем
этих тел.
И еще очень важное заме-
чание. Никакое познание мира
не было бы возможно, если бы
атомы изменялись подобно
окружающим нас предметам:
старели, изнашивались, вели
себя по-разному в зависимости
от места, где возникли или на-
ходятся в данный момент. На
самом деле атомы одного вида
всегда одинаковы: в настоящее
время и в данном месте они та-
кие же, как и во времена дино-
завров или в далекой галакти-
ке на краю Вселенной.
Демокрит — древнегреческий
философ, живший в V—IV вв.
до н. э. Одним из первых
выдвинул идею о мельчайших
неделимых «кирпичиках»
материи — атомах
Силы
Прыжок хищника.
Когда леопард прыгает на
свою жертву, он на практике
использует закон инерции
Бильярдный шар катится
по столу до того момен-
та, пока не столкнется со
стенкой или другим шаром.
После столкновения движение
шара изменяется. В таком слу-
чае говорят, что на него подей-
ствовала сила. Если бы шару
ничто не мешало (ни другие
шары, ни стенки, ни трение
о стол), то он бы двигался по
прямой с неизменной скоро-
стью и сколь угодно долго. Это
утверждение справедливо для
всех тел и частиц и называется
первым законом Ньютона или
законом инерции.
10 Пространство, время, частицы и поля
ВОПРОС 3
Всадник быстро скачет на
лошади. Что будет с всад-
ником, если лошадь спот-
кнется?
Как меняется движение те-
ла, когда на него действует
сила, объясняет второй закон
Ньютона. Он утверждает, что
тело будет изменять свою ско-
рость пропорционально при-
ложенной силе.
= ГОЙ
p_vn(v-u) / ух --->
Г-----1^/57 Y
—» ____________________________________
AV -----
— М ~ ziT1 _ -Vj
At - —- _ ।
Формула, выражающая второй
закон Ньютона, где F — сила,
т — масса, а — ускорение
Изменение скорости со вре-
менем называется ускорением.
Ускорение тем больше, чем
быстрее изменяется скорость.
Если один автомобиль разви-
вает скорость 100 км/ч за 10 с, а
другой — за 20 с, то ускорение
первого вдвое больше, чем вто-
рого. Кроме того, как мы уже
отмечали, изменить скорость
тела тем труднее, чем больше
его масса. Таким образом, вто-
рой закон Ньютона говорит
нам, что ускорение физиче-
ского тела пропорционально
действующей на него силе и
обратно пропорционально его
массе.
Не так давно сравнили уско-
рение, которое способны раз-
вивать бегун и современный
автомобиль. В состязании уча-
ствовал английский спринтер
Марк Льюис-Френсис. Как ока-
залось, тело человека обладает
куда более хорошей реакцией,
нежели автомобиль. Легкоат-
лет был быстрее машины от
момента старта до 5-й секунды.
Это доказывает, что спортсмен
ускоряется быстрее.
Поскольку скорость есть век-
торная величина, то и ускоре-
ние, и сила также векторы. Ины-
ми словами, чтобы точно задать
их, необходимо указать как ве-
личину, так и направление.
Силы бывают самые раз-
ные. Мы постоянно испытыва-
ем их воздействие. Стул, на ко-
тором человек сидит, давит на
него снизу. Между ботинками
и тротуаром действует сила
трения, позволяющая двигать-
ся. При резком торможении
автобуса пассажиры могут
упасть вперед — так проявля-
ется сила инерции. Большин-
ство из этих сил действует вре-
менно, и от них в той или иной
степени можно избавиться.
Но одна из сил всегда с
нами, и от нее никуда не деть-
ся. Более того, она существует
между любыми двумя телами,
каковы бы они ни были и какое
бы расстояние их ни разделя-
ло: между мышью и кошкой,
между мышью и Марсом,
между вашим мобильным те-
лефоном и далекой галакти-
кой. Особенно наглядно эта
сила проявляется при паде-
нии предметов на землю. Она
называется силой тяготения
или гравитацией.
Пространство, время, частицы и поля 11
Закон
тяготения
Закон, которому подчиня-
ется гравитация, тоже от-
крыл Ньютон. Этот закон
точно описывает силу взаимо-
действия между материальны-
ми телами. Каждое тело при-
тягивает к себе все остальные с
некоторой силой. Эта сила по
величине пропорциональна мас-
сам этих тел и обратно про-
порциональна квадрату рас-
стояния между ними. Так, мас-
са Луны в 6 раз меньше массы
Земли, и потому любой пред-
мет на нашем спутнике будет
притягиваться к нему в 6 раз
слабее, чем к Земле, и соот-
ветственно, вес тела на Луне во
столько же раз меньше, чем на
Земле.
Закон всемирного тяготения
Ньютона. G — некое число,
называемое гравитационной
постоянной
Вспомним второй закон
Ньютона и применим его к
двум шарам одинакового диа-
метра, стальному и резиново-
му. Пусть один из этих пред-
метов имеет в 3 раза большую
массу, чем другой. Сбросим их
одновременно с балкона. Ка-
кой из шариков первым упа-
дет на землю?
ВОПРОС 4
Масса лисицы в 3 раза
больше массы зайца. Срав-
ните силы тяжести, дей-
ствующие на этих живот-
ных.
Ответ можно получить и
без проведения опыта. Сталь-
ной шарик втрое массивнее
резинового. Значит, и сила его
притяжения к Земле в 3 раза
больше, чем у второго. Но
при этом и ускорение, кото-
рое обратно пропорциональ-
но массе, будет во столько же
раз меньше. Согласно второму
закону Ньютона, эти факто-
ры друг друга компенсируют.
В результате ускорение обо-
их шаров будет одинаковым,
ЕСЛИ ВЫ ОКАЗАЛИСЬ В ПАДАЮЩЕМ ЛИФТЕ
Лучшее, что можно предпринять для увеличения шан-
сов выжить, — лечь на спину и постараться занять как
можно большую площадь пола. В таком случае сила
удара будет максимально распределена по поверхно-
сти тела.
и падать они будут с равной
скоростью, следовательно, до-
стигнут земли одновременно.
Таким образом, все тела на
Земле падают одинаково бы-
стро (правда, это без учета со-
противления воздуха, который
сильнее тормозит большие
предметы, чем маленькие).
Этот закон первым открыл Га-
лилео Галилей. Ускорение па-
дающих на Землю тел называ-
ют ускорением свободного па-
дения и обозначают буквой g.
12 Пространство, время, частицы и поля
Гравитация — главный кон-
структор мира. Она простира-
ется на громадные расстояния
и определяет в космосе бук-
вально все: строение галактик,
планетных систем, в том числе
Солнечной, форму небесных
тел, их движение в простран-
стве. Решающую роль играет
гравитация и в жизни нашей
планеты. Форма поверхности
морей и океанов, течение рек,
строение атмосферы, наличие
приливов и отливов, размеры
и функции живых организмов
в значительной степени обу-
словлены наличием силы тя-
жести.
Ньютон применил откры-
тые им законы движения и
закон тяготения к Солнечной
системе. Ему удалось объяс-
нить движение планет. Луна,
согласно теории Ньютона, в
своем вращении вокруг Земли
падает на нее, как простой ка-
мень. Правда, никак не упадет.
А мешает этому другая сила,
которая отбрасывает наш спут-
ник в противоположную сто-
рону. Силу эту окрестили цен-
тробежной. Именно она дей-
ствует на крутящихся на кару-
сели детей.
Ньютон также вычислил фор-
му орбит, по которым планеты
движутся вокруг Солнца. Еще
раньше Иоганн Кеплер пред-
положил, что орбиты являются
эллипсами — овальными кри-
выми. Ньютон сумел доказать,
что планеты в самом деле вра-
щаются по эллиптическим ор-
битам.
С помощью закона тяготе-
ния удалось найти объяснение
многим до этого непонятным
явлениям, например прили-
вам и отливам. Они оказались
связаны с притяжением Луной
воды, а также центробежной
силой вращения самой Земли.
Земля и Луна. Вид из космоса
Планеты движутся вокруг
Солнца по замкнутым кривым
линиям, которые называются
эллипсами
Гравитационное поле
В любом месте вблизи поверхности Земли
на тело действует сила тяжести F = mg,
где g — ускорение свободного падения.
Отсюда следует, что g = F/m. Мы уже знаем, что
все тела в любом месте Земли падают с одина-
ковым ускорением. Значит, независимо от того,
какое тело расположено в той или иной точке,
величина g связана с гравитацией нашей плане-
ты, а не со свойствами этого тела.
Эта величина существует в любой точке про-
странства вокруг Земли (тела падают вниз отку-
да угодно). При удалении от ее поверхности на
большое расстояние сила притяжения ослабе-
вает (вспомним, что она обратно пропорцио-
нальна расстоянию между телами), в то время
как массы тел остаются неизменными. Поэтому
отношение Flm = g тоже уменьшается. Следова-
тельно, g может изменяться в пространстве от
точки к точке. Физические величины, заданные
в каждой точке пространства, получили специ-
альное название — поле. В данном случае гра-
витационное.
ЛЮБОПЫТНО
Если поместить в межзвездном про-
странстве вдали от сильных полей тя-
готения два больших бильярдных шара
на расстоянии 1 м, то, притягиваясь
друг к другу, они начнут сближаться с
такой скоростью, что столкнутся толь-
ко через несколько суток.
Пространство, время, частицы и поля 13
Это название, видимо, на-
веяно образом поля пшенич-
ного, на котором очень густо
растут колоски. Но даже если
колосков нет, земля, то есть
поле, все равно существует.
Точно так же гравитационное
поле может существовать не-
зависимо от присутствия ве-
ществ, то есть в пустоте. А сила
тяжести тела получается про-
стым умножением его массы
на величину поля (в данном
случае ускорения свободного
падения) в этом месте.
Метеорит в окрестностях Земли. Гравитационное поле Земли
простирается на большое расстояние от нее. Именно оно
притягивает к нашей планете куски внеземного вещества —
метеориты, заставляя их падать на поверхность Земли
Импульс
Пусть мы наблюдаем движение тела мас-
сой т под действием какой-то силы F.
Второй закон Ньютона а = F/m перепи-
шем в таком виде: F = та. Ускорение а = AvtAt.
Тогда F = m*Av!At. Масса тела не меняется при
движении, поэтому эту формулу можно пред-
ставить в виде F = A(mv)IAt — сила равна скоро-
сти изменения величины mv. Это очень важная
в физике величина: ей присвоили собственное
имя — импульс. Вычисляется он просто: как
произведение массы тела на его скорость.
И тогда формулировка второго закона
Ньютона становится весьма доступной: F = Ар/
/At — скорость изменения импульса тела рав-
на приложенной силе. Вспомним, что скорость
v — это вектор, то есть характеризуется как ве-
личиной, так и направлением. Значит, импульс
р = mv тоже вектор.
МАЛ, ДА УДАЛ
Масса пистолетной пули мала (5—6 г),
но за счет очень высокой скорости по-
лета (при вылете из дула пистолета Ма-
карова она составляет 320 м/с) пуля име-
ет большой импульс и энергию, чем до-
стигается значительная убойная сила.
Третий закон
Ньютона
Ньютон открыл еще один закон механики.
Он касается соотношения сил при взаи-
модействии тел. Допустим, у нас есть два
небольших тела и одно из них так или иначе
воздействует на другое с некоторой силой Fr
Третий закон Ньютона говорит, что второе тело
будет действовать на первое с той же силой F2,
но в противоположную сторону: F2=-Fr Или FT+
+ F2 = 0.
Поскольку FT = Ар J At, F2 = Ap2/At, to
ApJAt + Ap2/At = 0,
или
A(?i+ P2V = °-
Сумму импульсов двух частиц рг + р2 = т^ +
+ m2v2 называют полным импульсом этих ча-
стиц. Тогда равенство А(рг + p2)/At = 0 говорит
нам, что полный импульс двух взаимодейству-
ющих частиц (которым не мешают другие ча-
стицы) не меняется со временем. Если частиц
больше (3, 4...), то их полный импульс склады-
вается из импульсов всех частиц и также остает-
ся постоянным. Этот факт называется законом
сохранения импульса. Он выполняется во всех
физических процессах, не только в механике.
14 Пространство, время, частицы и поля
Энергия
Кроме импульса в физи-
ке есть еще немало ве-
личин, сохраняющихся
при взаимодействии частиц.
Одна из них — энергия. Ее по-
стоянство отражено в законе
сохранения энергии.
В отличие от импульса
энергию нельзя выразить од-
ной формулой, потому что
существуют разные ее виды.
В механике главными счита-
ются два вида — потенциаль-
ная энергия и кинетическая.
Первая связана с располо-
жением тел по отношению к
чему-либо. Если спрыгнуть с
первого этажа дома, можно
подвернуть ноту; если спрыг-
нуть со второго этажа, наверня-
ка нога будет сломана. С треть-
его... Ясно, что чем больше вы-
сота, с которой падает тело, тем
с большей силой оно врезается
в землю. Высота отсчитывается
от земли, тело падает в поле тя-
жести. Энергия, связанная с по-
ложением тела в пространстве
по отношению к поверхности
земли, называется потенциаль-
ной энергией тяготения.
Если считать, что на поверх-
ности земли у тела нет потен-
циальной энергии (она равна
нулю), то на высоте h потенци-
альная энергия тяготения для
тела массой т (g — ускорение
свободного падения) выража-
ется формулой Еп = mgh.
Принцип действия этого
оружия основан на использо-
вании потенциальной энергии
иной разновидности — энер-
гии сжатой пружины. Перед
выстрелом пружина сжимает-
ся, а при нажатии спускового
крючка распрямляется, сооб-
щая пуле кинетическую энер-
гию полета.
Пружинно-поршневой
пистолет
Когда падающее тело до-
стигает поверхности земли,
его потенциальная энергия
равна нулю (Е = 0). Но зато
оно набирает приличную ско-
рость. Если телом является
упругий мяч, то, оттолкнув-
шись от земли, он способен
взлететь на прежнюю высоту,
то есть вернуть себе ту же по-
тенциальную энергию. Отку-
да же она вновь берется? Мы
уже говорили о законе сохра-
Ядерная энергия (термоядерные
реакции в звездах)
Магнитная энергия
Виды энергии
нения энергии. Он утвержда-
ет, что в любых процессах
сохраняется полная энергия
системы частиц (тел), а не
каждый ее вид в отдельности.
Поскольку в случае падающе-
го мяча потенциальная энер-
гия то пропадает, то вновь по-
является, значит, она превра-
щается в какой-то другой вид
энергии, а затем вновь ста-
новится потенциальной. Эта
другая энергия, как легко ви-
деть, связана со скоростью
движения тела. Ее назвали
кинетической энергией (от
греческого слова kinetikos —
«приводящий в движение»).
Она выражается простой
формулой Ек = (nw2)/2, где v —
скорость. А закон сохранения
энергии в данном примере вы-
ражается формулой
Еп + Ек = const,
где const — постоянная ве-
личина.
Пространство, время, частицы и поля 15
Теплота и газы
Законы механики, найденные Ньютоном,
мотут быть применены к движению не
только твердых тел, но также газов и жид-
костей. Они тоже состоят из атомов и молекул,
более или менее сильно притягивающихся друг
к другу. То, что мы называем теплотой, являет-
ся энергией беспорядочного движения этих ча-
стичек. Все знают, что такое температура. Если,
например, чайник нагревается на плите, в нем
повышается температура воды из-за того, что
ее молекулы двигаются все быстрее. Затем на-
ступает момент закипания, когда это движение
становится столь стремительным, что молекулы
преодолевают силу взаимного притяжения и
вылетают из воды, которая таким образом пре-
вращается в пар.
Представим себе газ, находящийся в закрытом
сосуде (допустим, в надутом воздушном шарике).
Он содержит огромное количество молекул воз-
духа (примерно тысячу миллиардов миллиар-
дов). Все они очень быстро передвигаются, стал-
киваясь друг с другом и со стенками сосуда. Удары
непрерывно обрушиваются на стенки. Если вы-
сыпать пачку гороха на пол, получим некоторое
представление об этом. Только молекулы бьются
о стенки гораздо чаще. Из этих ударов складыва-
ется сила, давящая на стенки (ее легко ощутить,
сжимая воздушный шарик). Ее называют силой
давления. А сила, приложенная к одному ква-
дратному сантиметру стенки, — это давление.
ВОПРОС 5
Воздушные шарики, ко-
торые сами поднима-
ются вверх, наполнены
газом гелием — он легче
воздуха. К сожалению,
уже через сутки шари-
ки теряют упругость,
сморщиваются и пере-
стают взлетать. Почему?
ЧЕМПИОН ПО ДАВЛЕНИЮ
Давление может возникать под действием различных
сил. Оно вычисляется по формуле Р = F/S, где Р — давле-
ние, F — сила, приложенная к поверхности площадью S.
Вот любопытный пример. Оса вонзает свое жало с совсем
небольшой силой, составляющей всего 1 миллионную
часть той, с которой груз массой 1 кг давит на подставку.
Но жало настолько острое, что площадь его кончика —
это всего одна миллиардная часть квадратного миллиме-
тра. Это позволяет насекомому создавать давление в 300
раз больше, чем давление воды на дне самой глубокой
океанской впадины — Марианской.
Газовые законы
Существуют законы, определяющие поведение газов при
изменении их состояния. Нагреем газ в закрытом сосуде.
Ясно, что атомы или молекулы начнут двигаться быстрее,
а значит, с большей силой стучать в стенки. Вывод: при посто-
янном объеме газа его давление пропорционально температуре
(закон Шарля).
Если газ нагревать и дать возможность расширяться (как в
воздушном шарике), то будет расти уже его объем. Следователь-
но, при постоянном давлении объем газа пропорционален его
температуре (закон Гей-Люссака).
Наконец, если сжать газ (уменьшить объем), сохраняя его
температуру, молекулы в меньшем объеме будут быстрее пре-
одолевать расстояние между стенками и чаще ударяться о них.
Больше ударов — больше давление. Отсюда следует, что давле-
ние газа при постоянной температуре обратно пропорциональ-
но его объему (закон Бойля—Мариотта).
16 Пространство, время, частицы и поля
Закон Шарля:
Р~Тпри V = const
Закон Бойля—Мариотта:
Р - 1/V при Т = const
ВОПРОС 6
У вас есть надутый воз-
душный шарик. Как сде-
лать его объем меньше,
не выпуская из шарика
воздух?
Абсолютный нуль
Таким образом, чем выше температура любого вещества
(твердого, жидкого или газообразного), тем активнее дви-
жение составляющих его атомов и молекул. И наоборот,
при охлаждении это движение становится слабее. Кажется, что,
охладив тело достаточно сильно, можно остановить частицы. Од-
нако ничего подобного никогда не происходит. Во-первых, суще-
ствует самая низкая температура, ниже которой вещество уже не
охлаждается. Ее называют абсолютным нулем температуры. Это
-273°С. Даже в условиях столь дикого холода атомы не прекра-
щают своего движения полностью — они слегка дрожат (видимо,
чтобы немного согреться) и вращаются. И связано это с тем, что
атомные частицы в таких условиях уже не подчиняются законам
классической механики. На сцену выходит механика квантовая.
О ней — чуть позже.
К
°C
s
s
к
а
£
е-
S
373,15
363,15
353,15
343,15
333,15
323,15
313,15
303,15
293,15
283,15
273,15
263,15
253,15
243,15
233,15
223,15
213,15
203,15
193,15
183,15
0
О
<го
К
О-
§
£
S
е-
е
Абсолютный нуль
Любое измерение предполага-
ет наличие точки отсчета. Не
является исключением и тем-
пература. Для шкалы Цельсия
такой нулевой отметкой явля-
ется температура замерзания
воды. Но есть особая точка от-
счета температуры — абсолют-
ный нуль. Это значение являет-
ся нулевой отметкой для тем-
пературной шкалы Кельвина.
Температуры по шкале Цель-
сия (°C) и по шкале Кельвина
(К) связаны соотношением:
°C = К-273.
Заряды
и магниты
Гравитация не единствен-
ное поле в природе. С
еще одним полем мы
имеем дело постоянно благо-
даря мобильным телефонам,
Wi-Fi, тарелкам спутникового
телевидения и прочим устрой-
ствам связи. Это поле назвали
электромагнитным. Знаком-
ство с ним начинается в ран-
нем детстве — с магнитиков на
холодильнике, компаса, расче-
ски, притягивающей волосы.
«Электромагнитный»=«элек-
трический» + «магнитный».
Иными словами, это поле скла-
дывается из двух более про-
стых полей — электрического
и магнитного. Как и в случае
гравитации, их источниками
также являются материальные
тела. Но не всякие, а наделен-
ные особым свойством — элек-
трическим зарядом. Таким об-
разом, мы знакомимся с еще
одним «личным» качеством
физических тел (первым была
масса).
Существуют электрические
заряды двух типов — положи-
тельные и отрицательные. За-
ряженные тела способны как
Пространство, время, частицы и поля 17
притягиваться друг к другу, так и отталкивать-
ся. Заряды одинакового типа отталкиваются,
разных типов — притягиваются. Для просто-
ты заряженные тела часто представляют как
точечные частицы и рисуют в виде маленьких
кружочков со знаками + (положительный) и
- (отрицательный) внутри них. Изолирован-
ный заряд любого типа создает в пространстве
вокруг себя особую среду, в каждой точке кото-
рой помещенный туда другой заряд ощущает
действие силы точно так же, как тело в грави-
тационном поле Земли ощущает силу тяжести.
Это созданное зарядом пространство называют
электрическим полем.
КАК ИЗОБРАЖАЮТ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ?
Кривые линии называются силовыми
линиями электрического поля. Их ис-
пользуют для наглядного представле-
ния полей. Касательная к силовой ли-
нии в любой точке указывает направле-
ние силы, действующей на заряд, если
его поместить в эту точку. А густота ли-
ний пропорциональна величине этой
силы. Для характеристики электриче-
ского поля обычно используют не про-
сто силу, а силу, действующую на заряд,
равный 1, то есть F/q. Эту величину име-
новали напряженностью поля. Она, как
и сила, является вектором и обознача-
ется буквой Е. Таким образом, Е = F/q.
Электрическое поле положительного
(слева) и отрицательного зарядов
Майкл Фарадей — английский ученый,
опытным путем открывший законы
электричества и магнетизма
Для электрических зарядов выполняется за-
кон сохранения: в любом процессе с участием
заряженных частиц заряд сохраняется (то есть
алгебраическая сумма положительных и отри-
цательных зарядов неизменна).
Фарадей создавал заряды, натирая стеклян-
ные палочки кошачьим мехом. Хотя стеклянная
палочка при этом заряжалась положительно,
мех получал точно такой же по величине от-
рицательный заряд, и суммарный заряд всегда
был равен нулю.
Закон взаимодействия двух покоящихся то-
чечных зарядов похож на закон тяготения: сила,
действующая на каждый из них, пропорцио-
нальна величинам зарядов, обратно пропор-
циональна квадрату расстояния между ними
и направлена вдоль соединяющей их прямой.
При этом следует учитывать знаки зарядов (по-
ложительный или отрицательный). Тогда по-
ложительная сила будет силой отталкивания,
отрицательная — притяжения. Этот закон на-
зван в честь ученого, открывшего его, — Шарля
Кулона.
18 Пространство, время, частицы и поля
Ом против Ньютона
Когда множество электрических зарядов одного типа дви-
жется в одном направлении, говорят, что идет электриче-
ский ток (его обозначают буквой Г). Понятно, что для его
возникновения к этим зарядам надо приложить силу, то есть по-
местить их в электрическое поле. Привычные нам каналы движе-
ния токов — металлические проводники (провода, кабели). Они
содержат огромное количество носителей зарядов. Поле в провод-
никах создают с помощью батарей или аккумуляторов.
Строение металлического провода
И вот здесь возникает интересное явление. Опытным путем
еще в XIX в. было установлено, что чем больше зарядов бежит
по проводу и чем быстрее они движутся, то есть чем выше их
скорость, тем больше величина тока. Этот факт получил назва-
ние закона Ома (по фамилии немецкого ученого, который его
открыл). Приложив к концам проводника вдвое большее поле,
получим вдвое больший ток. Количество зарядов в проводе не
изменилось. Значит, в два раза возросла их скорость. Следова-
тельно, скорость носителей заряда в проводнике пропорцио-
нальна действующей на него силе. Но это, на первый взгляд, про-
тиворечит второму закону Ньютона, который утверждает, что
силе пропорционально ускорение. Тем не менее оба закона — и
Ома, и Ньютона — верны.
Закон Ома
Отметим, что величина
электрического поля в прово-
днике, умноженная на его дли-
ну, называется электрическим
напряжением и обозначает-
ся буквой U. Тогда закон Ома
можно представить в виде I =
= U/R, где R — физическая вели-
чина, характеризующая спо-
собность того или иного мате-
риала пропускать ток и назы-
ваемая электрическим сопро-
тивлением.
Магниты
И ТОКИ
Магнитное поле не соз-
дается особым маг-
нитным зарядом, как
логично было бы предполо-
жить. Оно возникает, когда
электрические заряды движут-
ся. Значит, закон Кулона для
движущихся зарядов не совсем
справедлив. Помимо электри-
ческого поля они порождают в
пространстве то самое магнит-
ное поле, которое знакомо нам
по магнитам — намагничен-
ным кускам железа.
Магнитное поле постоянного
магнита
Магнитное поле, как и элек-
трическое, описывается особой
векторной величиной — маг-
нитной индукцией В. Ее для
наглядности также рисуют в
виде множества кривых, называ-
емых силовыми линиями маг-
нитного поля.
ВОПРОС 7
Как вы думаете: если
распилить магнит точ-
но пополам, можно ли
получить отдельно се-
верный и южный маг-
нитные полюса?
Пространство, время, частицы и поля 19
Если возьмем карандаш и обмотать вокруг
него несколько витков проволоки, то, убрав ка-
рандаш, получим катушку. Соединим ее концы
в замкнутый контур, подключив к нему источ-
ник постоянного напряжения. Вокруг конту-
ра появится магнитное поле. Обнаружить его
можно, поместив неподалеку другой магнит
Электромагнитная
индукция
Если пустить ток через левый проводник, то
в правом также возникнет ток, на что указыва-
ет движение стрелки измерительного прибо-
ра гальванометра (амперметра). То же самое
произойдет, если левую катушку с идущим по
ней током перемещать относительно правой. В
таких случаях говорят, что ток во втором про-
воднике индуцируется. А сам физический эф-
фект называется электромагнитной индукцией.
Что же получается? Когда заряд неподви-
жен, вокруг него есть только электрическое
поле и ничего больше. Стоит заряду прийти в
движение — в любой точке пространства, по-
мимо электрического поля, возникает еще и
магнитное. Значит, электрическое поле порож-
дает поле магнитное. Но не само по себе, а че-
рез движущиеся под действием электричества
заряды, то есть ток. В данном случае ток посто-
янный. В итоге в каждой точке пространства
вокруг катушки (как и вообще вокруг любого
проводника с постоянным током) будут суще-
ствовать одновременно и электрическое, и маг-
нитное поля. При этом оба поля не меняются
со временем (ведь ток постоянный). Изменяться
они будут лишь с удалением от своего источни-
ка, то есть катушки.
Электромагнитное поле, в каждой точке ко-
торого электрическое и магнитное поля посто-
янны, называется статическим.
Ток в проводнике может быть создан не
только электрическим, но и магнитным полем.
Соединим концы нашей катушки в замкнутый
контур без источника тока. Быстро поднесем
к ней магнит, а затем так же быстро удалим. В
катушке на короткое время появится ток, кото-
рый можно обнаружить, если использовать со-
ответствующий прибор.
Ток
При движении магнита внутри катушки
возникает (индуцируется) электрический ток
Раз возник ток, значит, на заряды в прово-
днике действовала сила, то есть электрическое
поле. Следовательно, меняющееся магнитное
поле создало поле электрическое. Таким обра-
зом, мы имеем физический факт: изменение
одного из этих двух полей вызывает появле-
ние другого. Это явление индукции, открытое
Майклом Фарадеем.
20 Пространство, время, частицы и поля
Электромагнитные волны
Самое интересное в законе
электромагнитной индук-
ции то, что для генера-
ции одним из полей другого
(электрическое -> магнитное ->
электрическое ->...) нет нужды
в зарядах.
Мысленно проведем опыт.
Попробуем создать переменное
электрическое поле. Возьмем
металлический провод и подсо-
единим к его концам электриче-
ский генератор. Эго устройство
создает в проводе переменное
электрическое поле, гоняющее
носители заряда туда-сюда вдоль
провода.
Колебание зарядов создает
в пространстве вокруг провода
изменяющееся электрическое
поле, которое порождает изме-
няющееся магнитное поле. Из-
менение этого магнитного поля
создает электрическое поле; вся-
кое изменение электрического...
и т. д. — начиная с пространства
близ провода и захватывая все
более удаленные от него обла-
сти. Поскольку всякое вновь воз-
Изменение электрического и магнитного полей со временем в каждой
точке пространства
Электромагнитная волна представляет собой связанные друг
с другом электрическое и магнитное поля, движущиеся в
пространстве. В каждой точке вдоль пути распространения
волны направления этих полей перпендикулярны друг другу, а
также направлению движения
никшее поле — электрическое
или магнитное — простирается
на большое расстояние, то этот
процесс взаимного порождения
будет распространяться все даль-
ше от источника — провода.
Эта распространяющаяся
в пространстве совокупность
электрического и магнитного
полей называется электромаг-
нитной волной. Если колеблю-
щиеся заряды перестанут дви-
гаться, то их поле станет элек-
тростатическим. Но волны,
уже созданные ими, продол-
жат распространяться. Они
будут вести независимое суще-
ствование, двигаясь с опреде-
ленной скоростью.
Возникает очень важный
вопрос. С какой скоростью
распространяется электромаг-
нитная волна в пространстве?
Опираясь на некоторые дан-
ные, полученные из простых
опытов, английский физик
Джеймс Максвелл нашел от-
вет: скорость электромагнит-
ных волн равна скорости света.
Волны на поверхности воды
Опустим палку в стоячую
воду и будем ритмично двигать
ее вверх-вниз. Возникнут вол-
ны. Они представляют собой
чередующиеся гребни и впа-
дины на поверхности воды,
расходящиеся кругами от ис-
точника, то есть палки. Хотя
при этом сами волны дви-
жутся, вода не перемещается
вместе с ними. Частицы воды
лишь колеблются вверх-вниз
и вправо-влево. Расстояние
между соседними гребнями
назвали длиной волны. Ее
обозначают греческой буквой
Л (лямбда).
Это важная характеристи-
ка не только волн на воде, но
и вообще любых, в том числе
электромагнитных. Нетрудно
заметить, что чем быстрее опу-
скается и поднимается пал-
ка, тем меньше получится
длина возникающих волн и
тем быстрее будут колебаться
частицы воды. Чаще колеба-
ния — меньше длина волны.
Величина, обратно пропор-
циональная длине волны, на-
зывается частотой колебаний
волны и обозначается грече-
ской буквой v (ню).
Пространство, время, частицы и поля 21
Свет и цвет
Из того факта, что элек-
тромагнитные волны
перемещаются со ско-
ростью света, Максвелл сделал
вывод, что видимый свет также
представляет собой перемен-
ное электромагнитное поле,
распространяющееся в про-
странстве. Позже было установ-
лено, что многие другие физи-
ческие явления — радиоволны,
рентгеновское излучение, гам-
ма-лучи и ряд других — тоже
являются электромагнитными
волнами.
Еще в давние времена было
обнаружено, что обычный сол-
нечный свет состоит из волн
нескольких цветов — красно-
го, зеленого и др. Оказалось,
что эти составляющие разли-
чаются длиной волны. Самая
большая длина волны у крас-
ного света (а частота самая
маленькая), наименьшая — у
фиолетового. Частота радио-
волн еще меньше, чем красно-
го света.
То, что белый свет состоит
из света разных частот, обычно
демонстрируется с помощью
стеклянной призмы. Разложе-
ние света на составляющие на-
зывается дисперсией. Она воз-
никает потому, что скорость
света зависит от среды, через
которую он проходит. В ва-
кууме, то есть в пустоте, элек-
тромагнитные волны любой
частоты (любой длины волны)
распространяются с одинако-
вой скоростью. А вот в веще-
стве (газе, жидкости, твердых
телах) дело обстоит совсем
иначе.
Впервые разложение бело-
го света на спектр было изуче-
но Ньютоном с помощью сте-
клянной призмы. Он доказал,
что белый свет раскладывается
Виды электромагнитных волн (длины волн приведены в метрах:
103 — тысяча метров; 10-3 — одна тысячная часть метра; 10-5 — одна
стотысячная часть метра; 10-7 — одна десятимиллионная часть
метра; 10-9 — одна миллиардная часть метра, или нанометр)
2 3 4 5 6
5. Ультрафиолетовое излучение
6. Рентгеновские лучи
7. Гамма-лучи
1. Радиоволны
2. Микроволновое излучение
3. Инфракрасное излучение
4. Видимый свет
Дисперсия видимого света в
стеклянной призме
в спектр, но монохроматиче-
ский (одного цвета) свет далее
на спектральные составляю-
щие не разделяется. Моно-
хроматические цвета — это,
например, красный, синий,
фиолетовый. А вообще, дис-
персией называется зависи-
мость скорости света в веще-
стве от его частоты (или длины
волны).
В прозрачных веществах
типа стекла свет с большой ча-
стотой распространяется мед-
леннее, чем с малой. Так, си-
ний свет движется медленнее
красного или зеленого. Кроме
того, он сильнее отклоняется
призмой. Поэтому лучи света
разной частоты движутся по
различным траекториям.
7
идти
СО СКОРОСТЬЮ
СВЕТА!
Поскольку в материалах
свет движется медлен-
нее, то возникает вопрос:
а нельзя ли его замедлить
до скорости человека?
Оказывается, свет можно
не только замедлить, но
и остановить! Используя
особые вещества, охлаж-
денные до очень низких
температур, ученым уда-
лось снизить скорость
света в них сначала до не-
скольких метров в секун-
ду, а со временем и вовсе
остановить его на целую
минуту!
22 Пространство, время, частицы и поля
Электроны
В конце XIX в. ученые ве-
рили, что все физические
явления в веществе мож-
но и нужно объяснять, исполь-
зуя только два основных поня-
тия: электрически заряженные
частицы и электромагнитные
поля. Частицы взаимодейству-
ют посредством этих полей,
образуя тем самым все много-
образие нашего мира.
С заряженными частицами
мы встречались, когда говори-
ли о токах и полях. Токи созда-
ются заряженными частицами
вещества, которое обычно элек-
трически нейтрально, то есть не
заряжено. Значит, в веществе
в таком же количестве присут-
ствуют и другие частицы, имею-
щие заряд, противоположный
по знаку заряду носителей тока.
В 1897 г. английский физик
Джозеф Джон Томсон поста-
вил эксперимент: пропускал
сильный ток через металличе-
скую проволоку, помещенную
в электрическое поле. Напротив
нее стоял экран, покрытый лю-
минофором — веществом, све-
тящимся под ударами частиц.
Заряды, что содержатся в ме-
талле, вылетали из него, ускоря-
лись полем и падали на экран.
На нем возникали маленькие
вспышки света. Томсон, иссле-
дуя отклонения этих частиц в
магнитном и электрическом по-
лях, открыл, что это отрицатель-
но заряженные частицы. Он так-
же вычислил, что их масса при-
близительно в 1837 раз меньше
массы атома водорода. Так был
открыт электрон — одна из со-
ставных частиц материи.
С древних времен существо-
вало представление об атомах
как о кирпичиках, из которых
сложено вещество. Но только
после открытия электрона ста-
ло ясно, что атом не цельная
частица, он из чего-то состоит.
Одной из «деталей» атома яв-
ляется электрон. В начале XX в.
англичанин Эрнест Резерфорд
провел ряд экспериментов по
определению строения атомов.
После мучительных размыш-
лений над их результатами он
радостно воскликнул: «Теперь я
знаю, как выглядит атом!»
Первая
модель атома
В представлении Резерфор-
да атом похож на Сол-
нечную систему. Правда,
скромнее размером — в 100 млн
раз меньше сантиметра. Вместо
Солнца — ядро с положитель-
ным электрическим зарядом, а
роль планет играют электроны.
Модель атома Резерфорда
Общий заряд этих электронов
равен заряду ядра, но проти-
воположен по знаку. Так что в
целом атом электрически ней-
трален, как и любое вещество в
нормальном состоянии.
Заряд электрона является
минимальной порцией элек-
трического заряда. Все прочие
заряженные частицы и тела
имеют заряды, по величине
кратные заряду электрона.
Если есть заряженная частица,
то ее заряд может быть равен
1, 2, -1, -2 и т. д.
Электроны удерживаются
ядром благодаря электриче-
ским силам и двигаются в пре-
делах некоторой области. Эта
область простирается на боль-
шое расстояние вокруг атома
и называется атомной, или
электронной, оболочкой. Поч-
ти вся масса атома приходится
на ядро, поскольку электроны
гораздо легче него. А вот раз-
меры ядра примерно в 100 000
раз меньше габаритов самого
атома. Представим себе, что
яблоко увеличилось до разме-
ров земного шара. Тогда ато-
мы яблока стали бы размером
с вишню! А чтобы увидеть и
их ядра, следовало бы сделать
«вишню» величиной с Крас-
ную площадь. При этом ядро
атома достигло бы размера
макового зернышка.
Электроны в атоме как бы
размазаны вокруг ядра
Пространство, время, частицы и поля 23
Ядро
Ядра атомов гораздо тя-
желее электронов. Зна-
чит, они образованы из
каких-то других частиц. Их
назвали протонами. В ходе
экспериментов выяснили, что
в состав ядра помимо прото-
нов входят еще некие частицы.
Оказалось, что их масса почти
совпадает с массой протона, а
электрического заряда у этих
частиц нет. Положительный
электрический заряд ядра оп-
ределяется числом протонов
в нем, масса — суммой масс
протонов и нейтронов.
Строение атома
Вещество любого вида по-
строено из атомов. Иногда раз-
ных, иногда одинаковых. Вид
атомов с определенным поло-
жительным зарядом ядра (то
есть с определенным числом
протонов) называют химичес-
ким элементом. Известно 118
таких элементов, все они све-
дены в таблицу, названную
именем русского химика Дми-
трия Ивановича Менделеева.
Каждому присвоены символ и
порядковый номер. Символ со-
стоит из сочетания латинских
букв. Водород обозначается
буквой Н, кислород — О, желе-
зо — Fe, углерод — С. Порядко-
вый (атомный) номер элемента
в периодической системе равен
значению заряда ядра, принад-
лежащего атому элемента.
Бор — пятый элемент таблицы
Менделеева
Атомная масса: 10.81.
Электронная конфигурация,
или распределение электронов по
орбитам: 2,3
Различают простые (состо-
ящие из атомов одного хими-
ческого элемента) и сложные
(образованные из атомов не-
скольких химических элемен-
тов) вещества. Также вещества
могут быть одно- и многоатом-
ными. Последние составлены из
молекул — частиц, состоящих
из нескольких связанных между
собой атомов. Самая простая
молекула состоит из двух ато-
мов водорода. Сложные веще-
ства также называются химиче-
скими соединениями.
Строение атомов водорода (Н)
и гелия (Не)
Водород Гелий
Элементы таблицы Менде-
леева сильно отличаются свой-
ствами. Среди них есть газы
(водород (Н), гелий (Не), азот
(N) и еще 8 элементов), жидко-
сти (бром (Вг) и ртуть (Hg)), а
все прочие образуют твердые
вещества (железо (Fe), алю-
миний (А1), медь (Си), золото
(Аи) и др.).
Некоторые химические
элементы периодической
таблицы
ВОПРОС 8
Найдите количество ней-
тронов в ядрах элемен-
тов, представленных на
рисунке выше. Для этого
округлите массу элемента
до целого числа и вычти-
те его номер.
Помимо обычных атомов,
содержащих электроны в пол-
ном объеме, встречаются та-
кие, у которых не хватает одно-
го или нескольких электронов.
Такие атомы называют иона-
ми. Как вы, наверное, догада-
лись, они несут положитель-
ный заряд.
24 Пространство, время, частицы и поля
Излучение атомов
Окружающие нас объекты в подавляю-
щем большинстве не излучают свет.
Даже Луна светит отраженным от ее по-
верхности солнечным светом. Но есть, конечно,
и светящиеся тела, в первую очередь Солнце, и
такие явления, как молния, северное сияние, а
также вещи рукотворные: электрические лам-
почки, светодиоды, жидкокристаллические мо-
ниторы и многое другое. То есть вещества мотут
излучать электромагнитные волны. Поскольку
вещество состоит из атомов, излучать должны
именно они. Как атомы это делают?
Рассмотрим для примера вещество в газо-
образном состоянии. В обычных условиях газ
не светится. Если его нагревать, то с какого-то
момента он начнет светиться (как в печи или
жерле вулкана) — излучать электромагнитные
волны определенных частот (длин волн). Раска-
ленные газы излучают только на определенных
частотах. Совокупность частот в излучении ка-
кого-либо вещества называется спектром излу-
чения. Если он состоит из отдельных цветных
линий, разделенных темными промежутками,
спектр называют линейчатым (дискретным).
Спектр излучения водорода состоит из
отдельных линий, поэтому он называется
линейчатым
Ультрафиолетовое излучение
Инфракрасное излучение
IR
X 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 нм
Кванты
В 1905 г. Альберт Эйнштейн
выдвинул идею, что элек-
тромагнитное излучение,
во-первых, это электромагнит-
ная волна, во-вторых, это сово-
купность ничтожно малых ча-
стиц — квантов. Кванты лише-
ны массы и всегда движутся со
скоростью света. Поскольку со
временем нашлись подобные
«бестелесные» частицы других
видов, световые кванты получи-
ли собственное имя — фотоны.
Их характеризуют частотой, как
и волну, которой фотоны при-
надлежат.
КВАНТОВЫЙ ДОЖДЬ
Дождь кажется потоком воды, но на самом деле он состо-
ит из капель. Свет в чем-то похож на дождь, причем роль
квантов играют капли. Капли одного размера могут обо-
значать фотоны одной частоты. Другая аналогия — по-
крытое снегом поле. Как вы думаете, что здесь является
квантами и будут они одной частоты или разных?
Пространство, время, частицы и поля 25
Немного позже датский фи-
зик Нильс Бор изучил линей-
чатый спектр атома водоро-
да (газа) и нашел объяснение.
Оказывается, электрон в этом
атоме может двигаться не лю-
бым ему угодным образом, а
только по одной из нескольких
разрешенных для перемеще-
ния орбит. На самой низкой,
то есть ближней к ядру орбите
электрон движется как угодно
долго, при этом свет не излу-
чает.
Если что-то заставит элек-
трон перескочить на более уда-
ленную разрешенную орбиту,
то вскоре он сам по себе снова
«упадет» на нижнюю орбиту и
испустит порцию электромаг-
нитной энергии в виде одного
фотона. Чем больше расстоя-
ние между верхней и нижней
орбитами, тем больше частота
фотона. Так как электрон нахо-
дится только на определенных
орбитах, то и частоты излучае-
мых квантов мотут иметь стро-
го определенные, а не любые
значения. Они-то и образуют
линейчатый спектр излучения
любого газа (не только водоро-
да).
Схема испускания фотонов
атомами (электромагнитное
излучение)
До излучения В процессе излучения После испускания фотона
1. Электрон
2. Основной уровень
3. Атом в возбужденном состоянии
4. Возбужденный уровень
5. Электрон
6. Основной уровень
7. Возбужденный уровень
8. Электрон
9. Фотон
10. Атом в основном состоянии
Частицы-
ВОЛНЫ
Итак, мы установили, что
один из «жильцов» ми-
кромира — фотон —
является частицей и вместе с
тем обладает свойствами вол-
ны, ведь из фотонов состоят
электромагнитные волны. В
отличие от частицы, имею-
щей ничтожно малый размер,
волна может быть как угодно
большой. Она имеет совсем
иные свойства, чем частица в
классической физике.
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИБОР В ВАШИХ ГЛАЗАХ
Прищурьте глаза так, чтобы можно было видеть ресни-
цы. Посмотрите на источник яркого света. Вы увидите
радужные лучики, расходящиеся в разные стороны.
Это проявление волнового характера света, которое
называется дифракцией. Если в глаза летит пыль, состо-
ящая из мелких частичек, не проявляющих свойств вол-
ны, то понятно, что ничего подобного вы не увидите.
Сын открывателя электро-
на Джордж Паджет Томсон в
1926—1927 гг. обнаружил, что
пучок электронов, рассеиваясь
на тонкой пленке, дает диф-
ракционную картину. То есть
частица — электрон — ведет
себя так же, как электромаг-
нитная волна. Это было совер-
шенно неожиданно с точки
зрения классической физики.
26 Пространство, время, частицы и поля
Можно попытаться
представить частицу-волну
в таком виде. Но это будет
лишь условная картинка, но не
настоящий образ электрона,
изобразить который
невозможно
Позже оказалось, что и дру-
гие частицы, например ней-
троны, и даже целые атомы
подчиняются законам волны и
также способны к дифракции.
За сочетание столь несовме-
стимых свойств — волны и ча-
стицы — «обитателей» микро-
мира иногда называют кентав-
рами.
Таким образом, частицы
микромира подчиняются со-
всем иным законам, чем тела
Кентавр — существо из
древнегреческих мифов с
головой и торсом человека на
теле лошади
обычного мира. Эти законы
изложены в особой науке —
квантовой механике.
Квантовая
механика
Ничтожный размер ато-
мов означает, что мы
вступили в мир новой
физики, где знакомые законы
могут оказаться неверными.
В самом деле, если атомы, из
которых состоит твердая мате-
рия, — это в основном пустота,
то мы сами и все вокруг нас так-
же пустота. Почему же в таком
случае мы не можем пройти
сквозь стену или не провалива-
емся на нижний этаж?
Эти и множество других яв-
лений говорят о том, что ато-
мы не похожи на привычные
для нас частицы и тела, для
описания которых годится ме-
ханика Ньютона. Атом, как и
составляющие его частицы —
электроны, протоны и нейтро-
ны, — обитатели странного,
призрачного микромира. Там
все устроено по-другому. На-
пример, не существует сил в
таком же виде, как в классиче-
ской механике. Из-за этого по-
нять микромир непросто.
Электрон
Модель Бора
Модель Шрёдингера
Австрийский физик Эр-
вин Шрёдингер в 1926 г. вывел
главное уравнение квантовой
механики, носящее его имя. В
нем электрон описывается не
как точечная частица, движу-
щаяся по линиям-траектори-
ям. Его поведение задается так
называемой волновой функци-
ей ф, зависящей от координат
той области пространства, где
находится электрон. А квадрат
ф2 волновой функции позво-
ляет вычислить вероятность
обнаружения электрона в том
или ином месте.
Но самое важное и новое
заключается в том, что в мире
атомных частиц не существует
такого понятия, как траектория
частиц. Что такое траектория?
Распределение плотности
электрического заряда
Атом водорода
в моделях Бора
и Шрёдингера
Это некий путь — линия, со-
ставленная из точек простран-
ства, которые проходит частица
в определенные моменты вре-
мени. Скажем, через 10 с после
начала движения она находи-
лась точно в точке А простран-
ства. А вот в квантовой физике
такое описание движения не-
возможно. Почему?
Физика — наука экспери-
ментальная. Ум может вообра-
жать все, что ему вздумается,
но физические величины надо
измерять опытным путем. А
опыт показывает, что невоз-
можно точно вычислить поло-
жение частицы в пространстве.
Чем большей точности пыта-
ются достичь, тем энергичнее,
то есть с большей скоростью,
Пространство, время, частицы и поля 27
частица пытается «улизнуть»
от экспериментатора. Иначе
говоря, измерение скорости по-
лучается менее точным, в нем
присутствует значительная не-
определенность. И наоборот:
чем точнее физик измерил ско-
рость микрочастицы, тем менее
точна полученная им инфор-
мация о ее местоположении.
Этот факт получил название
принципа неопределенности
Гейзенберга.
Сказанное относится ко всем
процессам и измерениям в кван-
товой механике. Это означает,
что невозможно точно предска-
зать, что произойдет в тех или
иных условиях в атомном мире.
Например, ядра определенных
элементов, называемых радио-
активными, могут распадаться
Альфа-распад ядра радиоактивного элемента. Ядро атома
выбрасывает из себя альфа-частицу, состоящую из двух протонов
и двух нейтронов
на части. Но даже ядра одного
и того же такого элемента (абсо-
лютно одинаковые!) развалива-
ются не одновременно.
Поскольку точные предска-
зания невозможны, физики
научились описывать события
в микромире, вычисляя их ве-
роятность: какова вероятность
того, что ядро распадется че-
рез 5 (10, 38...) с, через год;
какова вероятность столкно-
вения электрона с атомом
и т. п. Так что квантовая физи-
ка — это вероятностный мир.
ОТВЕТЫ
1 (с. 7). Оба покоятся относи-
тельно друг друга, каждый из
них движется относительно
земли.
2 (с. 8). Векторы скоростей са-
молета и автомобиля долж-
ны совпадать, то есть отно-
сительно земли они должны
двигаться с одинаковой по ве-
личине и направлению ско-
ростью. Тогда самолет будет
неподвижен относительно
автомобиля и сможет опу-
ститься на его крышу.
Свойство инерции позволяет мотофристайлисту выполнять
сложные акробатические трюки
3 (с. 10). Двигаясь по инер-
ции, всадник перелетит че-
рез голову коня вперед.
4 (с. 11). Сила тяжести, дей-
ствующая на лису, втрое боль-
ше, потому что сила тяжес-
ти пропорциональна массе
тела.
5 (с. 15). Гелий обладает свой-
ством просачиваться через
стенки, в том числе сквозь
оболочку воздушного шари-
ка. Кроме того, газ проника-
ет и через завязанное отвер-
стие. Просачивание одного
вещества через или в другое
называется диффузией.
6 (с. 16). Нужно положить
шарик в холодильник.
7 (с. 18). Каждая из получен-
ных половинок будет обыч-
ным магнитом с двумя полю-
сами — северным и южным.
Отдельных магнитных заря-
дов в природе не существует.
8 (с. 23). Номер водорода
(Н) — 1, масса — 1. Значит, в
его ядре нет нейтронов.
В ядре гелия (Не) — 2 прото-
на, поэтому число нейтро-
нов также равно 2.
Ядро лития (Li) содержит 3
протона, а сумма протонов и
нейтронов равна 7, что соот-
ветствует атомному весу эле-
мента. Следовательно, чис-
ло нейтронов равно 4.
Атомный вес углерода (С) —12,
порядковый номер в таблице
Менделеева — 6. Тогда количе-
ство нейтронов: 12 - 6 = 6.
Аналогично для атома азота
(N) получим число нейтронов,
равное 7, а кислорода (О) — 8.
28 Физика в квартире
ФИЗИКА В КВАРТИРЕ
Наружное окно
В самой обычной квартире находится мно-
жество объектов и устройств, которые
помотут продемонстрировать некоторые
физические явления и законы, причем из самых
разных разделов этой науки — от классической
механики до квантовой физики и начал теории
относительности.
Например, почему окно в квартире, отде-
ляющее ее от морозного воздуха всего двумя
тонкими стеклами, сохраняет тепло? Причина
заключается в особом свойстве вещества — те-
плопроводности.
Способы передачи тепла
Теплопроводность Конвекция
Теплообмен, или теплопередача, — это фи-
зический процесс, при котором тепло пере-
носится от теплого объекта к холодному (или
от теплой части одного объекта к холодной).
Теплопередача может происходить при непо-
средственном контакте двух объектов (тепло-
проводность), перемешивании газов или жид-
костей (конвекция) и излучении тепла.
Теплопроводность — способность материа-
ла передавать через свой объем тепловой поток,
возникающий вследствие разности температур на
противоположных поверхностях предмета. Дан-
ное явление объясняется тем, что кинетическая
энергия атомов и молекул, которая определяет
температуру тела, переносится из более нагретых
частей предмета к его менее нагретым частям.
Различные материалы проводят теплоту
по-разному: одни быстрее (например, металлы),
другие медленнее (теплоизоляционные матери-
алы). Воздух — очень плохой проводник тепла,
если только он не движется. А вот перемещение
воздуха помогает теплу переходить от одного
тела к другому, в чем легко убедиться, подержав
руку над пламенем (только не следует подносить
ее близко к огню!). Поэтому такие вещества или
устройства, внутри которых удерживается воз-
дух, превосходно останавливают утечку тепла.
Про них можно сказать, что они хорошие тепло-
изоляторы. Именно таковы наши окна.
ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ?
Теплопроводность зависит от плотно-
сти материала, его строения, пористо-
сти, а также от того, как упорядочены
атомы в веществе. С увеличением сред-
ней плотности теплопроводность воз-
растает, а чем выше пористость (мень-
ше плотность) материала, тем ниже
теплопроводность. У металлов атомы
упакованы плотно и упорядоченно,
поэтому теплопроводность металлов
очень высока — они быстро отдают и
получают тепло. В газах основную часть
объема составляет пустота, молекулы
в газе встречаются редко и пробегают
большие расстояния, пока не столкнут-
ся друг с другом, поэтому газы плохо
передают тепло и являются хорошими
теплоизоляторами. Чем менее плотный
газ, тем медленнее он передает тепло. К
примеру, в космосе, где царит почти аб-
солютная пустота (вакуум), тепло пере-
дается только путем излучения.
Физика в квартире 29
ВОПРОС 1
На высоте 10 км темпера-
тура за бортом самоле-
та составляет примерно
-50°С. Почему на такой вы-
соте настолько холодно,
ведь оттуда ближе к Солн-
цу, чем от поверхности
Земли?
ПОЧЕМУ
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
ПРЕДМЕТЫ ВСЕГДА
ПРОХЛАДНЫЕ
НА ОЩУПЬ?
Все дело в высокой те-
плопроводности метал-
ла. Температура тела —
36,5°С. Если прикоснуть-
ся к более холодному
предмету, тепло нач-
нет перетекать в него.
Температура вблизи по-
верхности кожи снизит-
ся, и мы почувствуем
прохладу (или сильный
холод, если контраст ве-
лик).
ВОПРОС 2
Что спасает от лютого
холода пингвинов в Ан-
тарктике и тюленей на
Северном полюсе?
Отдаваемое нашим телом
тепло нагревает верхние слои
холодного предмета. Но если
он обладает высокой тепло-
проводностью (как металл), то
энергия быстро растекается по
всему его объему, рост темпе-
ратуры оказывается незначи-
тельным, и перетекание тепла
продолжается — мы чувству-
ем, что предмет остается хо-
лодным.
Высокая теплопроводность
металлов объясняется наличи-
ем в них свободных электро-
нов — тех самых, что обеспечи-
вают электропроводность ме-
таллов. Электроны в метал-
лах, в отличие от атомов, не
остаются на месте, а быстро
перемещаются по всему объ-
ему тела, перенося при этом
тепло.
А чем объяснить, что де-
ревянные предметы кажутся
более теплыми, чем металли-
ческие?
Термос
кало, излучение также будет отражаться. Благо-
даря этому температура внутри колбы изменя-
ется медленнее. То есть в ней холодное дольше
остается холодным, а горячее — горячим.
Чтобы сохранить жидкость горячей, нуж-
но как можно дольше препятствовать пе-
редаче тепла от содержимого термоса к
окружающему воздуху. А чтобы сохранить лед
в термосе от таяния, нужно наоборот, предот-
вратить передачу тепла льду от окружающего
термос воздуха. Как мы уже говорили, тепло
может передаваться тремя способами: тепло-
обменом, излучением и конвекцией. Чтобы
изготовить термос, нужно максимально умень-
шить передачу тепла каждым из этих способов.
Главная часть термоса — колба (или сосуд
Дьюара), сосуд с двойными стенками. Из про-
странства между стенками термоса откачан
воздух — там образуется вакуум, предотвра-
щающий теплообмен и конвекципю. А если
покрыть чашку отражающей пленкой, как зер-
30 Физика в квартире
Сосуд Дьюара используется
для длительного хранения
жидкого азота, температура
которого составляет примерно
-195,75°С.
Теплоп роводность
Что произойдет, если обычный чайник или кастрюлю с во-
дой поставить на плиту (неважно какую — газовую или
электрическую)? Молекулы горящего газа или раскален-
ной электрической спирали станут двигаться намного быстрее,
чем до включения плиты. Потому-то они и горячие — газ и спи-
раль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на
внешней стороне донышка чайника, и те, в свою очередь, начина-
ют двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами,
находящимися повыше, которые тоже начинают бегать интен-
сивнее. Вот так, от молекулы к молекуле, это быстрое тепловое
движение передается через металл к жидкости в чайнике.
Однако даже в самом хоро-
шем термосе вода со временем
остывает. Почему? Во-первых,
невозможно полностью изо-
лировать содержимое термо-
са — остается горлышко, кото-
рое не изолировано. Основные
потери тепла происходят че-
рез пробку. Кроме того, как бы
хорошо ни откачивали воздух,
абсолютный вакуум создать
нельзя. То же самое и с зер-
кальной поверхностью — она
не может отразить все лучи.
Даже качественное новое зер-
кало отражает около 90% лу-
чей, а старое, покрытое пы-
лью, — не больше 70%.
ВОПРОС 3
При прочих равных ус-
ловиях термос большего
объема будет сохранять
температуру дольше. По-
этому чай в термосе объе-
мом 1 л останется горячим
дольше, чем в термосе на
300 мл. А холодная жид-
кость сохраняется лучше,
чем горячая. Почему?
Конвекция
Пример принудительной
конвекции — в компьютере
включается вентилятор для
охлаждения процессора
ВОПРОС 4
Почему ручки сковоро-
док и чайников изготав-
ливают из пластика, а
раньше делали из дерева?
Конвекция — это про-
цесс переноса тепла за
счет перемешивания ве-
щества. Этот процесс может
быть как естественным, так и
вызванным искусственно. Есте-
ственный процесс конвекции
происходит из-за того, что на-
гретый газ (или жидкость) лег-
че, чем холодный, и поэтому
он постепенно поднимается
наверх. Принудительную кон-
векцию мы создаем сами вся-
кий раз, когда дуем на ложку
с супом, чтобы быстрее охла-
дить его. На кухне также мотут
использоваться приборы, в ко-
торых применяется конвекция
для ускорения приготовления
пищи. Подумайте, какие это
приборы.
Конвекция — перенос тепла
посредством перемешивания
жидкости или газа
Физика в квартире 31
Излучение
тепла
Печь — источник мощного
теплового излучения
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В реальных условиях электромагнитное излучение состо-
ит из волн не одной определенной частоты колебаний, а
некоторого набора различных частот, называемого спек-
тром или спектральным составом данного излучения.
Излучение называется монохроматическим, если оно со-
держит очень узкий (небольшой) интервал частот (длин
волн). В видимой области монохроматическое излучение
вызывает световое ощущение определенного цвета, ска-
жем, красного или голубого. Чем уже интервал частот
данного излучения, тем более монохроматическим оно
является. Идеальное монохроматическое излучение со-
держит одну частоту колебаний.
Ультрафиолетовое излучение^
Гамма-лучи
Рентгеновские
лучи
0,0001 нм 0,01 нм 10 нм
Радиоволны
Радары ТВ FM AM
1000 нм 0,01 см 1 см 1м 100 м
Инфракрасное
излучение
Все тела в той или иной сте-
пени излучают электро-
магнитные волны. Теп-
ловое излучение — электро-
магнитное излучение, испу-
скаемое веществом и возника-
ющее за счет его внутренней
энергии. Оно обусловливается
возбуждением частиц веще-
ства при соударениях в про-
цессе теплового движения.
Тепловое излучение возника-
ет при любых температурах и
присуще всем телам.
Интенсивность излучения
и спектральный состав зависят
от температуры тела, поэто-
му не всегда тепловое излуче-
ние воспринимается глазом
как свечение. Например, тела,
нагретые до высокой темпе-
ратуры, значительную часть
энергии испускают в видимом
диапазоне. А при комнатной
температуре большая часть
энергии теплового излучения
передается в невидимом для
глаза инфракрасном диапазо-
не. И хотя тепловое излучение
не всегда можно увидеть, его
легко почувствовать кожей,
Видимый свет
Спектр видимого света
400
500
Шкала электромагнитного излучения
700
600
например, поднеся руку на не-
которое расстояние к горяче-
му чайнику. Вся энергия, по-
лучаемая Землей от Солнца,
передается именно излучени-
ем, потому что в космическом
вакууме, который их разделя-
ет, невозможны теплопрово-
дность и конвекция.
ВОПРОС 5
Какая из планет Сол-
нечной системы полу-
чает солнечного тепла
больше других?
32 Физика в квартире
Трение
Чтобы заставить чашку
двигаться по столу, нуж-
но толкнуть ее достаточ-
но сильно. Сопротивление,
которое оказывает твердая по-
верхность движению другого
твердого тела, называется тре-
нием. Точнее, трением сколь-
жения, ведь одно тело сколь-
зит по другому. А сила, кото-
рую нужно приложить, чтобы
заставить предмет двигаться
ВОПРОС 6
Почему трудно удер-
жать в руках живую
рыбу?
по поверхности стола или дру-
гого тела, называется силой
трения.
Когда движение происхо-
дит на горизонтальной поверх-
ности, сила трения пропорци-
ональна весу тела (Р : Ттр = кР)
и направлена противоположно
скорости. Число к называется
коэффициентом трения, он
зависит от степени шерохова-
тости соприкасающихся по-
верхностей. Их нельзя сделать
абсолютно ровными. Атомы
этих поверхностей соприкаса-
ются и притягиваются друг к
другу. При движении эти свя-
зи разрываются, атомы начи-
нают колебаться (как пружина,
которую растянули, а затем
отпустили) с большей интен-
сивностью. Увеличение скоро-
ВОПРОС 7
Почему зажигается
спичка?
сти движения, как мы уже зна-
ем из первой главы, приводит
к повышению температуры.
Следовательно, в местах сопри-
косновения возникает тепло,
которое затем растекается по
трущимся телам.
Работа
Приводя в движение лю-
бое тело, допустим, чаш-
ку на столе, мы при-
кладываем к этому предмету
силу и сообщаем энергию, в
данном случае кинетическую.
Изменение энергии тела, вы-
званное приложением силы,
называется работой, произве-
денной силой над этим телом.
Если сила направлена вдоль
направления движения, то
работа равна произведению
силы на расстояние, на кото-
ВОПРОС 8
Какую работу производит Зем-
ля, удерживая Луну возле себя?
ром она действует: А = Fs. Но
сила может действовать в од-
ном направлении, а тело — пе-
ремещаться в другую сторону.
Вообразим, что сила склады-
вается из двух сил: одна из них
направлена вдоль движения
тела, а другая — перпендику-
лярно ему. Тогда работу над
телом будет совершать только
сила, действующая в направ-
лении перемещения. А сила,
направленная под прямым
углом, работы не производит.
Тело на наклонной
плоскости
испытывает действие
сиды тяжести,
направленной
вертикально вниз. Ее
можно представить
в виде суммы
двух сид, одна из
которых направлена
перпендикулярно
плоскости, а
вторая — вдоль нее.
Если тело скользит
вниз, то работу по
его перемещению
производит только
вторая сида
Физика в квартире 33
Испарение
Почему чай или кофе в
стакане остывает? По-
тому что жидкости ис-
паряются. В них молекулы мо-
тут отрываться друг от друга
и двигаться независимо. Тем
не менее между ними суще-
ствуют силы притяжения. Во
время своих «блужданий» мо-
лекулы жидкости сталкивают-
ся друг с другом. Их скорость
настолько велика, что можно
даже сказать: молекулы «бом-
бардируют» друг друга.
ОТЧЕГО ГОРЯЧАЯ ВОДА ЗАМЕРЗАЕТ
БЫСТРЕЕ ХОЛОДНОЙ?
На этот феномен обратил внимание Эрасто Мпемба —
школьник из Танганьики. Его эксперименты с массой
для приготовления мороженого показали, что скорость
замерзания подогретой массы значительно выше, чем
холодной.
Одной из причин этого интересного явления, получив-
шего название парадокса Мпембы, является более вы-
сокая теплоотдача горячей жидкости, а также наличие
в ней большего количества центров кристаллизации по
сравнению с холодной. Центры кристаллизации — это
инородные частицы в жидкости, например мельчай-
шие кусочки глины, песка или пыли, на которых начи-
нается рост кристаллов.
Время от времени какая-
нибудь молекула, находяща-
яся вблизи поверхности жид-
кости, в результате одного из
этих ударов получает такую
скорость, что выскакивает в
воздух. Поскольку молекул в
жидкости огромное количе-
ство, в том числе и на ее по-
верхности, многие из них мо-
гут полностью вырваться из
нее и стать частицами пара.
При испарении из жидкости
уходят самые быстрые моле-
кулы. А остаются те, что дви-
жутся медленнее. Но медлен-
ные молекулы создают более
низкую температуру. Поэтому
жидкость будет становиться
холоднее.
ВОПРОС 9
Как можно ускорить ох-
лаждение жидкости (есть
минимум три способа)?
Испарение жидкости приводит
к ее охлаждению из-за того, что
наиболее энергичные молекулы
покидают жидкость в виде пара
Не просто вода
Вода — это сложное ве-
щество, обычно состоя-
щее из разных молекул.
Но основной является молеку-
ла Н2О, составленная из двух
атомов водорода (Н) и одно-
го атома кислорода (О). Из-
за особенностей ее строения
электрические заряды моле-
кулы распределены неравно-
мерно: отрицательные заряды
смещены к атому кислорода,
положительные — к атомам
водорода. Такую молекулу на-
зывают дипольной. При этом
полный заряд молекулы равен
нулю.
Представим, что такая мо-
лекула попала в электрическое
поле. Положительные заря-
ды будут смещаться под дей-
ствием поля в противополож-
ных направлениях. Молекула
станет вращаться, как гантель,
которую держат за середину.
Если электрическое поле яв-
ляется переменным, то есть
быстро меняет направление на
противоположное, то и моле-
кулы воды станут беспрерыв-
но вращаться то в одну, то в
другую сторону. Так происхо-
дит в хорошо всем известном
устройстве под названием ми-
кроволновая печь.
Строение молекулы воды
о
н н
34 Физика в квартире
Микроволновка
ствие электрического поля,
как тут же молекулы выстра-
Прибор назван микро-
волновой печью не слу-
чайно. В ней использу-
ется излучение сверхвысокой
частоты или, как еще его назы-
вают, микроволновое излуче-
ние, состоящее из электромаг-
нитных волн, длина которых
составляет от 1 мм до 1 м.
Продукты помещаются в
микроволновку на вращаю-
щуюся подставку, благодаря
которой разогрев происходит
равномерно. Вырабатывает ми-
кроволны мощная электрон-
ная лампа — магнетрон.
Устройство микроволновой
печи
1. Варочная камера
2. Волновод
3. Магнетрон
4. Конденсатор
5. Трансформатор
Волна представляет собой
сочетание двух переменных по-
лей — магнитного и электри-
ческого. У продуктов нет маг-
нитных свойств, так что маг-
нитное поле в данном случае
роли не играет. Прибор рабо-
тает только благодаря элек-
трическому полю волны.
Чтобы микроволны могли
нагреть пищу, в ней должны
быть дипольные молекулы. И
они есть. Это молекулы саха-
ра, жира, но самое важное —
молекулы воды, которые на-
ходятся практически во всех
продуктах. В каждом, даже
самом маленьком кусочке пи-
щи есть огромное количество
дипольных молекул, которые
расположены хаотично. Но
стоит им попасть под воздей-
Главную роль в нагревании
пищи играют молекулы воды
пваются вдоль направления
его действия: плюс — в одну
сторону, минус — в другую.
Как только поле поменяет
полярность (то есть направле-
ние), тотчас вслед за ним пе-
рестраиваются и молекулы.
Такое изменение поля проис-
ходит очень часто. А точнее,
с частотой 2450 МГц. Частота
в 1 Гц — это одно колебание
в 1 с, то есть при такой часто-
те поле меняет направление
дважды. А 1 МГц — миллион
колебаний за 1 с. Значит, при
частоте 2450 МГц молекулы из-
меняют свое положение поч-
ти 5 млрд раз в течение 1 с!
При таком движении молеку-
лы сталкиваются друг с дру-
гом, выделяя тепло, которое и
нагревает продукты.
КАК ИСПОЛЬЗУЮТ МИКРОВОЛНОВОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ?
Микроволновое излучение используется, например, в
сотовой телефонной связи, Интернете, спутниковом
телевидении. Атмосфера прозрачна для микроволн.
Весь мир пронизан особыми микроволнами, которые
астрономы называют реликтовыми (от латинского
слова relictum — «остаток»). Это оставшееся со времен
рождения Вселенной (называемого Большим взрывом)
очень древнее излучение. Оно было испущено 13,7 млрд
лет назад.
Радиотелескоп применяется
для исследования космических
излучений
Физика в квартире 35
БАРЬЕР ДЛЯ СВЧ
Внутренние металлические
поверхности микроволно-
вой печи не позволяют излу-
чению проникать наружу.
Микроволновое излучение
экранируется (блокируется
и отражается) металличе-
скими предметами, вызывая
искрение их поверхности,
однако не проникает в них.
Поэтому приготовить еду в
металлической посуде не-
возможно.
Изнутри микроволновая печь
покрыта металлом
НЕ КЛАДИТЕ
ВПЕЧЬ
СЫРЫЕ ЯЙЦА!
Нельзя нагревать в микро-
волновой печи жидкость
в герметично закрытых
емкостях и целые пти-
чьи яйца: из-за сильного
испарения воды внутри
них создается высокое
давление. Вследствие это-
го такие предметы могут
взорваться и разбрызгать
содержимое по внутрен-
ней поверхности печи.
Из этих же соображений
нежелательно сильно ра-
зогревать сосиски в поли-
этиленовой оболочке.
Агрегатные
СОСТОЯНИЯ
вещества
Вода в кране, пар над чай-
ником, лед в холодиль-
нике — все это вода в
разных состояниях, которые
называют агрегатными состоя-
ниями вещества (в нашем при-
мере — воды).
Три состояния вещества
Твердое тело Газ
Жидкость
Что происходит с молекула-
ми вещества при переходе его
из одного состояния в другое?
Меняются ли они? Отличаются
ли, например, молекулы льда
от молекул пара? Нет, молеку-
лы остаются абсолютно такими
же. Зато меняется их кинетиче-
ская энергия, а потому и свой-
ства вещества. Энергия молекул
пара достаточно велика, чтобы
они могли свободно двигаться
в разные стороны. При охлаж-
Плазма
Кроме трех основных со-
стояний, в которых мо-
жет находиться вещество
(газ, жидкость и твердое тело),
существует еще одно — плазма.
Она похожа на газ, поскольку
состоит из свободных атом-
ных частиц. Тем не менее по
свойствам плазма может резко
отличаться от газа, особенно
в электрических и магнитных
полях. В таком случае можно
предположить, что в ней име-
дении пар конденсируется в
жидкость, и у молекул все еще
хватает энергии для более-ме-
нее свободного перемещения,
но ее уже недостаточно, чтобы
преодолеть притяжение дру-
гих молекул и улететь. При
дальнейшем охлаждении вода
замерзает, становясь твердым
телом, и энергии молекул уже
мало даже для свободного пе-
ремещения внутри тела. Они
колеблются на одном месте,
удерживаемые силами притя-
жения других молекул.
КСТАТИ
В нормальном состоянии
вода начинает превра-
щаться в лед при темпера-
туре 0°С. Процесс замер-
зания воды происходит
вблизи центров кристал-
лизации, которые всегда
есть в жидкости (пылин-
ки, микрочастицы). Од-
нако, если удалить эти
центры, вода может оста-
ваться жидкой вплоть до
-43°С. Воду в таком состо-
янии называют переох-
лажденной.
ются электрические заряды. И в
самом деле, частично или пол-
ностью плазма состоит из за-
ряженных частиц — ионов. То
есть атомов, у которых недоста-
ет электронов. Такое состояние
вещества возможно при высо-
кой температуре.
В состоянии плазмы нахо-
дится порядка 99% всего веще-
ства во Вселенной. Все звезды
(включая Солнце), межзвезд-
ное пространство, галактики,
туманности, солнечный ветер
в той или иной степени состо-
ят из плазмы.
36 Физика в квартире
БРОУНОВСКОЕ
ДВИЖЕНИЕ
Движение молекул дока-
зывается броуновским дви-
жением. Если каплю воды,
в которой плавают очень
легкие частицы, например
цветочная пыльца, рассма-
тривать под микроскопом,
то будет заметно, что ча-
стицы беспорядочно дви-
гаются — как бы пляшут.
Причина в том, что ча-
стицы испытывают уда-
ры движущихся молекул
воды. Они-то и заставляют
микрочастицы все время
менять направление дви-
жения. А это означает, что
и сами молекулы воды дви-
жутся беспорядочно.
Этим объясняется такое явле-
ние, как диффузия — проник-
новение веществ друг в друга,
например растворение одной
жидкости в другой.
Диффузия —
проникновение молекул
одного вещества в другое
ВОПРОС 10
Почему скорость диффу-
зии с повышением тем-
пературы возрастает?
Резка металла при помощи
плазмы
Кристаллические
вещества
Твердые вещества делят-
ся на кристаллические и
аморфные. В первых каж-
дый атом (молекула, ион) зани-
мает определенное место (хотя
и немного колеблется). Он не мо-
жет бродить как ему вздумается.
Кроме того, каждый атом окру-
жен другими атомами, которые
также расположены определен-
ным образом. Если посмотреть
на такой же атом в удаленном
от первого месте кристалла, то
окажется, что этот атом окружен
совершенно такими же атомами,
что и первый. И находятся они
в точно таких же положениях
относительно него. Иными сло-
вами, атомы кристаллических
веществ расположены в опреде-
ленном, правильном порядке,
который сохраняется по всему
объему тела. Такой порядок на-
зывают дальним.
При мысленном соединении
мест расположения атомов пе-
ресекающимися прямыми ли-
ниями образуется простран-
ственный каркас — кристал-
лическая решетка. Точки, в ко-
торых размещены частицы,
называются узлами кристал-
лической решетки. В узлах
Кристаллы поваренной соли
(NaCl)
могут находиться ионы, атомы
или молекулы. Они соверша-
ют колебательные движения.
С повышением температуры
размах колебаний (амплиту-
да) возрастает, что проявля-
ется в тепловом расширении
тел — увеличении их разме-
ров.
Элементарная ячейка
кристалла поваренной соли.
Атомы натрия (Na) отмечены
голубым цветом, хлора (О) —
зеленым
Физика в квартире 37
Аморфные
вещества
А вот в аморфных твердых
телах такого порядка
нет. В них отсутствует
атомная или молекулярная ре-
шетка, характерная для веществ
в кристаллическом состоянии.
Частицы расположены хао-
тично. Это определяет их фи-
зические свойства. Например,
у аморфных веществ нет опре-
деленной температуры плав-
ления. При нагревании они
размягчаются и переходят в те-
кучее состояние. К аморфным
веществам можно отнести шо-
колад, который тает во рту и в
руках, пластилин, жевательную
резинку, пластмассы, воск.
Контактная линза
Контактные линзы изготав-
ливают из полимеров. Так на-
зывают вещества, состоящие
из большого числа повторя-
ющихся одинаковых или раз-
личных по строению атомных
группировок — составных зве-
ньев, соединенных между со-
бой в длинные цепочки — ма-
кромеры. Такое звено подобно
элементарной ячейке в кри-
сталлах и называется мономе-
ром. В материале для линз со-
держится силикон, состоящий
как раз из таких длинных мо-
лекулярных цепочек. Посколь-
ку эти цепочки расположены
хаотично, силикон относят к
аморфным веществам.
Стекло, из которого изготов-
лен стакан, относится к аморф-
ным веществам. Тем не менее у
него немало общего с водой, ко-
торую в него наливают. У жидко-
стей, как и у аморфных веществ,
упорядоченность в расположе-
нии их атомов и молекул наблю-
дается только на малых расстоя-
ниях (что называется ближним
порядком). Эти частицы очень
часто перескакивают из одного
положения в другое, что обуслов-
ливает их текучесть.
Примерно так выглядит
аморфное вещество «изнутри»,
на атомном уровне
УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ
Ученые обнаружили в курином глазе необычное состо-
яние вещества, при котором оно проявляет свойства и
кристалла, и воды. На небольших расстояниях у сетчат-
ки глаза наблюдается хаотичное строение, а на боль-
ших — упорядоченное.
Утюг
Утюг, как известно, это
приспособление для гла-
женья белья. Он нагре-
вается электрическим током.
При движении по поверхно-
сти, которую нужно прогла-
дить, ее нагревают, нагретый
утюг устраняет складки.
Работа утюга с электриче-
ским нагревом основана на вы-
делении тепловой энергии при
ПОЧЕМУ МУХА
НЕ ПАДАЕТ
С ПОТОЛКА?
Причина в крошечных
подушечках-желёзках, вы-
деляющих капельки клей-
кого вещества (аморфно-
го!). «Клея» вырабатывает-
ся ровно столько, чтобы у
мухи хватило сил оторвать
лапку от поверхности, ког-
да это понадобится.
Различия в свойствах жид-
кого и твердого аморфных ве-
ществ (воды и стекла в нашем
примере) связаны с характе-
ром теплового движения ча-
стиц: в аморфном состоянии
частицы способны лишь к ко-
лебательным и вращательным
движениям, но не мотут пере-
мещаться внутри вещества.
прохождении электрического
тока через нагревательный эле-
мент. Он расположен вблизи
подошвы утюга. Температура
нагревательного элемента со-
общается подошве утюга, ко-
торая также нагревается. На-
гревательный элемент — это
металлический проводник с
большим электрическим со-
противлением (см. первую
главу). А выделение тепла в
проводнике тем больше, чем
выше его сопротивление. На
этом принципе основана рабо-
38 Физика в квартире
Старинные утюги
та всех электронагревательных
приборов — устройств, в кото-
рых электрическая энергия, то
есть энергия электрического
тока, превращается в тепло-
вую. К ним относятся, напри-
мер, электрочайники, электро-
плиты, грили, тостеры и др.
Нагревания подошвы утю-
га с давних времен добивались
разными способами. Первые
упоминания об этих устрой-
ствах появились в XIV в. В это
время утюги нагревались при
помощи углей, засыпанных в
нижнюю часть устройства. По
бокам таких утюгов распола-
гались маленькие отверстия,
которые давали возможность
попадать внутрь воздуху, не-
обходимому для разгорания
топлива. Затем появился спир-
товой утюг, работавший на ос-
Подошва современного утюга
нове этого горючего веще-
ства. Для того чтобы прибор
нагрелся до температуры гла-
жения, его было необходимо
предварительно поджечь.
КАПЛИ ТОЖЕ
ТАНЦУЮТ
Если брызнуть водой
на горячую подошву
утюга, то капли не ис-
паряются мгновенно,
а «танцуют» над ней
некоторое время. Про-
исходит это благодаря
паровой подушке, ко-
торая возникает из-за
интенсивного испаре-
ния в момент прибли-
жения капли к раска-
ленной поверхности.
Это явление получило
название эффекта Лей-
денфроста.
Энергосберегающая лампа
В каждой квартире сейчас,
наверное, используются
энергосберегающие лам-
почки (ЭСЛ). Они превосходят
устаревшие лампы накалива-
Энергосберегающая лампа
(справа) и лампа накаливания
ния. Последние содержат тон-
кие металлические нити, кото-
рые светятся при прохождении
электрического тока по ним.
При этом в световое излуче-
ние превращается только одна
десятая часть электрической
энергии, остальная переходит
в тепло.
В ЭСЛ три четверти элек-
трической энергии превраща-
ется в свет, а остальная — в теп-
ло. Отсюда следует, что ЭСЛ
намного экономичнее лампы
накаливания.
Как устроена ЭСЛ? Ос-
новной ее элемент — изогну-
тая трубка, запаянная с двух
концов и называемая колбой.
Изнутри ее стенки покрыты
светящимся составом — лю-
минофором. На противопо-
ложных концах этой колбы
находятся электроды. В колбу
закачаны пары ртути, а так-
же так называемые инертные
газы аргон и неон.
Когда на электроды подает-
ся напряжение (переменное),
через них течет ток прогрева.
Он разогревает электроды, из-
за чего происходит термоэлек-
тронная эмиссия — испуска-
ние электронов. Сталкиваясь
с атомами ртути, электроны
вызывают их ионизацию. Об-
разуется частично ионизиро-
ванный газ — плазма. Плазма
излучает невидимый ультра-
фиолетовый свет, который за-
ставляет люминофор светить-
ся. Появляется видимый свет.
Физика в квартире 39
ПОЧЕМУ В ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ЛАМПЕ КОЛБА ИМЕЕТ
ПРИЧУДЛИВО ИЗОГНУТУЮ
ФОРМУ?
Это сделано специально. За счет спираль-
ной намотки длину самой газоразрядной
трубки можно увеличить, а размер лампы
при такой форме колбы будет уменьшен.
Если бы этого не делали, то не каждая та-
кая лампа помещалась бы в обычный све-
тильник или люстру.
Термометр
Все, конечно, знают, что
такое термометр. Это
прибор для измерения
температуры разных тел и
сред. Термометры бывают раз-
ными в зависимости от их на-
значения. Их действие осно-
вано на изменении зависящих
от температуры физических
свойств тел (размера, давления
в замкнутом объеме, электри-
ческого сопротивления и пр.).
Сообразно этому различают
следующие типы термомет-
ров: расширения, манометри-
ческие, сопротивления, термо-
электрические, магнитные и
т. д.
Один из видов термометров —
электронный
Жидкостный термометр
Примером термометра расширения служит жидкостный
термометр. Он состоит из емкости с жидкостью, напри-
мер ртутью или спиртом. К емкости прикреплена трубка,
по которой жидкость поднимается при повышении температу-
ры. Шкала проградуирована так, что высота, на которую подни-
мается жидкость, соответствует ее температуре. В основе работы
жидкостных термометров лежат два физических принципа —
тепловое равновесие и тепловое расширение тел. В комнатных
условиях температура ртути меньше температуры человеческо-
го тела. Ставя градусник, его приводят в контакт с этим телом.
При достаточно длительном соприкосновении их температуры
выравниваются. В этом случае говорят, что тела находятся в те-
пловом равновесии. Температура ртути в градуснике становится
равной температуре тела человека.
Тепловое расширение тел — это изменение их размеров при
нагревании. Дело в том, что с увеличением температуры среднее
расстояние между молекулами многих веществ увеличивается,
а сами тела расширяются, то есть увеличивают свой объем. То
же происходит и с ртутью. Но у нее есть большое преимущество
перед другими жидкостями: тепловое расширение ртути, в от-
личие от большинства жидкостей, прямо пропорционально тем-
пературе. А посему ртутный термометр более точный, нежели
спиртовой или глицериновый.
ГРАДУСЫ ЦЕЛЬСИЯ
Принятую сейчас стогра-
дусную шкалу термометра
связывают с именем Ан-
дерса Цельсия — физика,
астронома и метеороло-
га. Упомянутую шкалу он
ввел в статье, опубликован-
ной в 1742 г. Однако шкала
первого термометра Цель-
сия была устроена так,
что температуре кипения
воды соответствовало ну-
левое деление, а темпера-
туре ее замерзания — со-
тое. Таким образом, бюро
погоды должно было бы
сообщить, скажем, об отте-
пели при 100°С и потепле-
нии с 80°С до 60°С. В 1744 г.,
уже после смерти Цельсия,
шведский ученый Мартин
Штремер перевернул шка-
лу и получил ту, которой
мы пользуемся по сей день.
40 Физика в квартире
Инфракрасный
термометр (пирометр)
Пирометр — прибор для бесконтактного
измерения температуры. То есть его не
надо приводить в соприкосновение с те-
лом. Мощность и спектр излучения зависят от
температуры тела (мощность — это энергия,
излучаемая за 1 с). Измеряя их, можно судить
о температуре. Принцип действия этого термо-
метра основан как раз на измерении мощности
теплового излучения объекта преимуществен-
но в диапазонах инфракрасного излучения и
видимого света. Затем полученные результаты
прибор пересчитывает в значение температуры
и выводит его на дисплей.
Измерение температуры тела
инфракрасным термометром
Инфракрасный термометр бесконтактного
действия используется для измерения темпера-
туры у маленьких детей. Он очень удобен и аб-
солютно безопасен, так как позволяет снимать
измерения без прикосновения к ребенку.
Зеркало
Закон отражения света
Зебра в зеркале воды
Обычное плоское зерка-
ло, которое висит в ка-
ждой квартире, с точки
зрения физики является про-
стейшим оптическим устрой-
ством, способным воспроизво-
дить изображения предметов.
Изображение создается луча-
ми света, отраженными от зер-
кальной поверхности. Иначе
говоря, свет, попадая на зерка-
ло, не проходит внутрь него, а
отражается и уходит в другую
сторону.
Давным-давно стало извест-
но, что свет распространяется
по прямой линии, если ему ни-
чего не встречается на пути. А
вот если по дороге попадется
зеркало, то свет упадет на него
под углом к поверхности. Угол
этот принято отсчитывать от
перпендикуляра к поверхности
в точке падения луча. Тогда ока-
зывается, что угол падения 01
(фита) равен углу отражения 02.
Это закон отражения света.
Благодаря этому закону мы,
глядя в зеркало на предмет
(источник света), видим неиска-
женное его изображение.
Совсем другие изображе-
ния получаются в кривых зер-
калах, где лучи уже не будут
отражаться параллельно друг
другу. Но и им нашлось при-
Выгнутое зеркало заднего вида
автомобиля
менение. Огромное вогнутое
зеркало телескопа-рефлекто-
ра позволяет сфокусировать
свет далеких звезд. Выгнутое
зеркало заднего вида в автомо-
биле расширяет обзор водите-
лю. Кривые зеркала в комнате
смеха превращают человека в
карикатуру на самого себя.
Физика в квартире 41
Закону отражения подчи-
няется не только свет. Радио-
волны, рентгеновские лучи,
как, впрочем, и любые электро-
магнитные волны, ведут себя так
же. Именно потому огромные
радиоантенны и спутниковые
телевизионные антенны имеют
вогнутую форму. Это делается
для того, чтобы фокусировать
сигнал падающих на антенну
волн.
Огромная спутниковая
антенна
ВОПРОС 11
Вы видели перевернутую
надпись AMBULANCE на
машинах скорой помощи?
Зачем это делается?
Зеркальная
симметрия
Посмотрите на себя в зер-
кало. Отличаетесь ли вы
от своего отражения?
Изображение в зеркале очень
похоже на оригинал, то есть
на вас самих. Почему? Просто
потому, что левая и правая по-
ловины человека одинаковы,
или, как говорят, симметрич-
ны друг другу. Во всяком слу-
чае, очень похожи, за исключе-
нием мелких различий вроде
родинки с одной стороны и т. п.
Можно описать этот факт бо-
лее строго. Симметричность
нашего тела означает, что если
поменять две его половины
местами, то человек будет вы-
глядеть в точности так же, как
и раньше.
Симметрия бывает разной.
В случаях, подобных рассмо-
тренному, объекты разделя-
ются на две одинаковые части
с помощью одной прямой ли-
нии или плоскости. Такая сим-
метрия называется зеркальной,
а сама граница деления — ли-
нией (для фигур на плоскости)
или плоскостью симметрии
(в пространстве). Зеркальной
симметрией обладают все тела,
допускающие разбиение на две
визуально равные половинки.
Каждая из половинок служит
зеркальным отражением дру-
гой.
Симметрия современного
здания
Примеров такой симме-
трии вокруг сколько угодно. Ее
можно обнаружить повсюду:
в листьях и цветах растений,
архитектурных сооружениях,
орнаментах. Зеркальная сим-
метрия присуща телам боль-
шинства живых существ.
Отметим, что зеркало не
просто копирует объект, но и
меняет местами (переставля-
ет) передние и задние по отно-
шению к зеркалу части объек-
та, а также правые и левые.
Вращательная
симметрия
Кроме зеркального от-
ражения есть и дру-
гие операции в про-
странстве, которые оставляют
предметы неизменными. Де-
ревянный карандаш с шестью
гранями при повороте на 60°
(360° : 6) выглядит так же, как
и в первоначальном положе-
нии. Шарик от подшипника
вообще никак не меняется при
любых поворотах — как во-
круг оси, проходящей через
его центр, так и вокруг этого
центра. В этих и многих по-
добных случаях в какой-то мо-
мент вращения, прежде чем
фигура совершит полный обо-
рот, ее вид полностью совпа-
дает с первоначальным. Тогда
мы имеем дело с вращатель-
ной симметрией. Количество
повторений фигуры за одно
полное вращение определяет
порядок вращения (для каран-
даша он равен 6).
Древний символ —
свастика — имеет
вращательную
симметрию 4-го
порядка
42 Физика в квартире
Симметрии
всякие
нужны
Операция, которая про-
изводится над телом
или фигурой (зеркаль-
ное отражение, вращение),
называется преобразованием
симметрии. Таким образом,
преобразование симметрии —
это такое действие, которое
оставляет предметы неизмен-
ными. В физике, однако, под
симметрией понимается не-
изменность не только пред-
метов, но и самих физических
явлений. Причем не только
при отражении, но и вообще
при какой-либо операции:
переносе установки из одного
места в другое или изменении
момента отсчета времени.
Это означает, что физиче-
ские законы или способы их
представления (уравнения, вы-
ражающие эти законы) мож-
но изменять так, что это не
отражается на их следствиях.
То есть в описании реального
мира после тех или иных ма-
нипуляций с формулами либо
приборами ничего не изме-
нится. «Ну так зачем вообще
мучиться с этими симметри-
ями, если ничего не меняет-
ся?» — спросите вы. И будете
не правы... Хотя говорят, что
не бывает глупых вопросов,
глупыми могут быть лишь
ответы. Попробуем дать не-
глупый ответ.
Симметрия
физических
законов
Солнечная система как целое
перемещается в пространстве
относительно центра нашей
галактики — Млечного Пути.
При этом условия в самой
системе никак не изменяются
Самая простая из симме-
трий физических зако-
нов — симметрия относи-
тельно пространственных пе-
реносов. Вот что имеется в виду.
Характер физических процес-
сов в природе и законы, их
выражающие, одинаковы во
всех местах Вселенной. Ины-
ми словами, они не изменяют-
ся, когда любой эксперимент
проводится не на Земле, а, ска-
жем, на Марсе. То есть любой
физический прибор, включая
столь привычные нам часы, те-
левизор, компьютер, телефон,
должен работать одинаково в
разных точках пространства,
если окружающие физические
условия не изменяются сильно.
То же самое относится и
к повороту прибора, если от-
влечься от силы тяжести, ко-
торая задает на поверхности
Земли вертикальное направ-
ление и может повлиять на ра-
боту прибора.
Другое свойство симметрии
связано с тем, что для физиче-
ских законов несущественны
Любые вращения тел в
пространстве, не изменяющие
окружающие их условия, не
искажают течения физических
процессов
и сдвиги во времени. Законы
Ньютона (как и прочие) во вре-
мена динозавров имели тот же
вид, что и ныне. Это значит, что
все физические процессы про-
текают одинаково, когда бы они
ни начались. Электроны в ато-
мах далеких звезд движутся со-
вершенно так же, как и на Зем-
ле, и частота испускаемого ими
света такая же, несмотря на то,
что свет был испущен миллиар-
ды лет тому назад.
В равномерно движущемся
космическом корабле законы
физики точно такие же, как и
на Земле
Физика в квартире 43
Важный пример симмет-
рии связан с равномерным
движением по прямой. Счита-
ется, что законы физики не ме-
няются при таком движении.
Это утверждение называется
принципом относительности.
В космическом корабле, дви-
жущемся с постоянной скоро-
стью, все физические явления
будут протекать в точности
так, как и на Земле. И уче-
ный-наблюдатель, проводя-
щий эксперименты на борту
этого корабля, не заметит ни-
чего нового по сравнению с
тем, что наблюдалось в ходе
таких же опытов на Земле.
Значит, пока человек движет-
ся с постоянной скоростью по
прямой, законы физики дей-
ствуют на него точно так же,
как и на неподвижного наблю-
дателя.
Инерциальные
системы отсчета
Итак, физические законы неизменны от-
носительно перемещений и поворотов в
пространстве и сдвигов во времени. Это
требование облегчает выводы уравнений физи-
ки и придает им более стройный вид. А именно:
эти уравнения записываются в так называемом
векторном виде, который не зависит ни от на-
правления в пространстве, ни от координат мест,
в которых происходят те или иные физические
процессы. А равномерно движущиеся тела, в ко-
торых все законы физики одинаковы, получили
название инерциальных систем отсчета.
В частности, скорость света одинакова при
ее измерении в любой такой системе отсчета.
А это означает, что постоянство скорости света
есть всемирный физический закон. В отличие,
например, от скорости звука, которая будет раз-
личной при измерении ее неподвижным свиде-
телем и наблюдателем, перемещающимся рав-
номерно относительно первого. Источник света
движется к наблюдателю, или наблюдатель — к
источнику света. В любом из этих случаев сви-
детель при измерении скорости света получит
одну и ту же величину — 300 000 км/с.
Поскольку в любых инерциальных системах
отсчета все законы физики одинаковы, то не-
возможно определить, движется такая система
или нет. Скажем, если мы сидим в современном
плавно едущем поезде, то нужно посмотреть в
окошко, чтобы убедиться в движении. Но и в
этом случае нельзя определенно сказать: поезд
проезжает мимо здания или здание — мимо
поезда. Очевидно лишь то, что поезд и земля
движутся равномерно относительно друг друга.
Скорость света одинакова при измерении ее
как в движущейся системе отсчета, так и в
неподвижной
Во всех инерциальных системах отсчета
физические процессы протекают одинаково
Симметрия
и законы сохранения
Между операциями симметрии и за-
конами сохранения имеется важная
связь. А именно: каждой симметрии
соответствует свой закон сохранения. Напри-
мер, из того факта, что законы физики не ме-
няются при переносах в пространстве (то есть
они симметричны по отношению к таким пере-
носам), следует закон сохранения импульса. А
симметричность законов относительно сдвигов
во времени приводит к существованию закона
сохранения энергии.
44 Физика в квартире
Колыбель Ньютона —
устройство для демонстрации
законов сохранения импульса
и энергии
Если отклонить крайний
шарик и затем отпустить, то
его импульс и энергия пере-
дадутся без изменения через
три средних шарика послед-
нему, который приобретет ту
же скорость и поднимется на
такую же высоту.
Наконец, их неизменность
при поворотах в пространстве
на тот или иной угол означает
сохранение момента импульса
тел и частиц. Правда, в этом
случае имеется в виду имен-
но поворот, то есть изменение
ориентации в пространстве,
скажем, физического прибо-
ра, а не непрерывное враще-
ние в нем.
Аквариум
Аквариум с рыбками —
простейшее устройство
для демонстрации пре-
ломления света. Это явление
легко наблюдать, направив све-
товой луч, например, лазерной
указки, под углом к поверхно-
сти воды. После перехода гра-
ницы воды и воздуха луч меняет
направление своего движения.
Почему это происходит?
Напомним, что свет — это вид
электромагнитных волн. Ско-
рость их распространения за-
висит от среды (вещества, в ко-
тором они движутся) и частоты
(длины волны). В вакууме свет
бежит с максимально возмож-
ной для него скоростью около
300 000 км/с. Почти такова же ско-
рость света в воздухе.
При переходе из одной сре-
ды в другую (в нашем случае из
воздуха в воду) скорость света
изменяется в сторону умень-
шения. При этом быстрее всего
движется свет красного цвета,
Преломление света при
переходе из одной среды
в другую. Если показатель
преломления второй среды
п2 больше показателя
преломления первой среды
п1Г то угол преломления 02
меньше угла падения 02
а медленнее — фиолетового.
Частота же колебания (цвет)
остается прежней, а изменяет-
ся длина волны, поскольку ча-
стота v волны связана с ее дли-
ной Л и скоростью с формулой:
Л = с/гл Величина, равная отно-
шению скорости света в возду-
хе к скорости света в воде, на-
зывается показателем прелом-
ления света для перехода из
воздуха в воду. А вода в таком
случае именуется оптически
более плотной, чем воздух.
ПОЧЕМУ В ВОДЕ
НЕ ВИДНО СТЕКЛА?
Дело в том, что коэф-
фициент преломления
света в стекле близок к
коэффициенту прелом-
ления в воде. Из-за этого
уменьшается отражение
луча света при переходе
его из воды в стекло. От-
ражает не стекло, а гра-
ница сред. А поскольку
отражение слабое, то и
стекла почти не видно.
Преломление в нас
и вокруг нас
Преломление света в стакане
с водой
Зто явление встречается на
каждом шагу. Так, лож-
ка в стакане с водой вы-
глядит сломанной на границе
воды и воздуха. Работа челове-
ческого глаза полностью осно-
вана на преломлении света. В
глазу имеется светопреломля-
ющий орган — хрусталик. Он
представляет собой линзу —
оптический прибор, собира-
ющий падающие на него лучи
в одну точку — фокус. Фокус
здорового глаза расположен
на светочувствительном ор-
гане — сетчатке. В результате
на ней возникает изображе-
ние предмета, от которого эти
лучи попали в глаз.
Физика в квартире 45
Преломление происходит
везде, где используются
линзы — в очках, фарах
автомобиля, объективах
видео- и фотокамер, биноклях,
микроскопах и телескопах
Полное внутреннее отражение
Оптоволокно
Если пустить луч света из воды в воздух, то он пройдет по
точно такому же пути, что и при переходе из воздуха в воду,
только в противоположном направлении. В этом случае
угол падения будет меньше угла преломления. Если увеличивать
угол падения (то есть приближать источник света к границе раз-
дела воды и воздуха), то преломленный луч будет приближаться
к границе раздела двух сред, затем пойдет по ней (угол отраже-
ния станет равным 90°), а при дальнейшем увеличении угла па-
дения преломленный луч исчезнет. Значит, падающий луч будет
полностью отражаться границей раздела.
Это явление имеет свое название — полное внутреннее отра-
жение света. Его легко наблюдать в стакане воды, поднятом выше
уровня глаз: поверхность воды серебрится как раз из-за полного
внутреннего отражения лучей света, падающих на поверхность
раздела снизу.
Пучок оптоволоконных нитей
Попавший в стеклянную призму луч претерпевает полное
внутреннее отражение при падении на внутреннюю грань
Оптоволокно, или опти-
ческое волокно, — это
стеклянная или пла-
стиковая нить, по которой
переносится свет благодаря
явлению полного внутреннего
отражения. Прикладная нау-
ка, занимающаяся такими во-
локнами, называется волокон-
ной оптикой.
Каждый, наверное, видел
красивые светильники в виде
пучка изогнутых светящихся
нитей с яркой точкой на конце.
Это световоды, изготовленные
из оптоволокна. Оно проводит
свет подобно тому, как метал-
лический провод — электриче-
ский ток. Кабели из оптоволок-
46 Физика в квартире
Строение оптоволоконного кабеля
на способны передавать информацию, притом в
больших объемах и на очень высоких скоростях
по той простой причине, что свет движется с не-
сравненно большей скоростью, чем ток.
Оптоволоконный кабель состоит из сердеч-
ника — нити, изготовленной из стекла (квар-
ца) или полимера. Он окружен оболочкой из
стекла с меньшим, чем у сердечника, коэффи-
циентом преломления. Это делает внутреннюю
поверхность оболочки отражающей благодаря
эффекту полного внутреннего отражения. Ког-
да световой импульс передается по сердечнику,
он отражается от оболочки и распространяется
дальше. Отражение света позволяет изгибать
кабель под разными углами, при этом сигнал
будет по-прежнему передаваться без потерь.
ОТВЕТЫ
1 (с. 29). Воздух обладает очень
низкой теплопроводностью,
то есть плохо проводит тепло.
Поэтому солнечные лучи, про-
ходя через него, не успевают
его нагреть. А нагревается воз-
дух вовсе не от солнечного из-
лучения, а от того, что земная
поверхность и водоемы погло-
щают тепло солнечных лучей
и затем его излучают. Это те-
пловое излучение и нагревает
воздух. Его температура пони-
жается при удалении от земли.
Причина этого заключается в
следующем. Поднимающийся
вверх теплый воздух попада-
ет в более разреженные слои
атмосферы и постепенно рас-
ширяется. На расширение тра-
тится часть тепла поднимаю-
щегося воздуха, в результате
чего он охлаждается.
2 (с. 29). Термоизоляция.
Подкожный жир образует те-
плоизоляционный слой, ко-
торый защищает организм
от переохлаждения. Так, у
тюленей, пингвинов, моржей
и других теплокровных жи-
вотных, живущих в Арктике
и Антарктике, есть толстая
жировая прослойка.
3 (с. 30). Тела охлаждаются
тем быстрее, чем больше
разница между их темпе-
ратурой и внешней средой.
Температура холодной жид-
кости (например, из холо-
дильника) составляет от +2
до +8°С, а горячей — может
доходить до +100°С. Тем-
пературу воздуха снаружи
примем равной 20°С. Теперь
вам должно быть понятно.
4 (с. 30). Пластик и дерево
имеют низкую теплопрово-
дность, благодаря чему мы
не обжигаемся, хватаясь за
сделанные из них ручки.
5 (с. 31). Меркурий, потому
что он ближе всех к Солнцу.
6 (с. 32). Чешуя рыбы покры-
та слизью, резко уменьшаю-
щей трение между поверх-
ностью рыбы и руками.
7 (с. 32). Трение спички о ко-
робок вызывает выделение
тепла и, соответственно, по-
вышение температуры серы,
которое и приводит к ее за-
жиганию.
8 (с. 32). Никакую. Сила, дей-
ствующая со стороны Зем-
ли на Луну, направлена под
прямым углом к скорости
нашего спутника. А такая
сила работы не производит.
9 (с. 33). 1) Дуть на нее или
направить вентилятор; 2) на-
лить в сосуд с более широким
горлышком; 3) поставить на
лед и т. п.
10 (с. 36). Дело в том, что при
повышении температуры воз-
растает средняя скорость дви-
жения молекул, а с ней и рас-
стояние, пробегаемое ими.
Следовательно, проникнове-
ние одного вещества в другое
будет происходить с боль-
шей скоростью.
11 (с. 41). Когда машина ско-
рой помощи несется на вы-
зов с огромной скоростью,
другие водители должны
уступать ей дорогу. Увидев
в зеркале заднего вида слово
AMBULANCE (а именно так
будет выглядеть переверну-
тая надпись, отразившись в
зеркале), порядочный води-
тель позволит автомобилю
скорой помощи обогнать его.
Законы физики на детской площадке 47
ЗАКОНЫ ФИЗИКИ
НА ДЕТСКОЙ ПЛОЩАДКЕ
Качели-
лодочки
Пора отдохнуть и выйти
во двор подышать све-
жим воздухом. Впро-
чем, и там физика будет по-
стоянно напоминать о себе.
Например, глядя на качели,
мы вспоминаем детство.
Качели-лодочки — это доска
с двумя сидениями, укреплен-
ная на опоре. С точки зрения
физики такие качели пред-
ставляют собой частный слу-
чай рычага. Рычаг — простей-
шее механическое устройство,
состоящее из перекладины,
вращающейся вокруг точки
опоры. Концы перекладины
по сторонам от точки опоры
называются плечами рычага. У
детских качелей они одинако-
вой длины.
С этим устройством свя-
зано важное физическое по-
нятие — момент силы. Так
называется произведение ве-
личины силы на плечо силы,
которое определяется как ми-
нимальное расстояние от цен-
тра вращения (точки опоры)
до линии действия силы.
Рычаг будет находиться в
равновесии, если выполняется
следующее равенство:
где и F2 — силы, действу-
ющие на рычаг, а и 12 — плечи
этих сил соответственно. Это со-
отношение называется законом
равновесия рычага, который
утверждает: рычаг находится
в равновесии тогда, когда дей-
ствующие на него силы обратно
пропорциональны плечам этих
сил. Этот закон был установлен
Архимедом еще в III в. до н. э. Из
него следует, что меньшей си-
лой можно уравновесить боль-
шую. Для этого необходимо,
чтобы плечо меньшей силы
было длинее плеча большей.
Рычаг в равновесии
Малая сила может перевесить
большую, если у нее
достаточно длинное плечо
рычага
Усилие
Опора
Плечо рычага
Выигрыш в силе, получае-
мый с помощью рычага, опре-
деляется отношением плеч
приложенных сил. Используя
рычаг, можно получить выи-
грыш в силе и поднять груз,
неподъемный голыми руками.
Поняв это, Архимед похва-
стался: «Дайте мне точку опо-
ры, и я подниму Землю!»
Используемый с глубокой
древности, рычаг повсеместно
применяется и в наши дни как
на производстве, например
в подъемных кранах, так и в
быту (ножницы, весы и т. д.).
48 Законы физики на детской площадке
Качели-
маятник
Качели-маятник — ана-
лог устройства, называ-
емого маятником. Он
прост — грузик, подвешенный
на длинной нити. В нормаль-
ном состоянии — состоянии
равновесия — он неподвижен,
нить вертикальна. Если грузик
отвести на некоторое рассто-
яние в сторону и отпустить,
маятник начнет раскачиваться
из стороны в сторону. Подняв
грузик, мы сообщили маятни-
ку потенциальную энергию
(отсчитываемую в данном слу-
чае от положения равновесия).
Двигаясь вниз, грузик теряет
эту энергию. В нижней точ-
ке движения потенциальная
энергия снова обращается в
нуль, но зато достигает мак-
симума скорость, а значит, и
кинетическая энергия грузика.
Такие колебания называются
свободными. Время, за кото-
рое маятник проходит путь
от верхней точки пути туда и
обратно, называется периодом
колебаний. При не слишком
большом размахе он зависит
только от длины нити и не за-
висит от веса грузика.
Маятник в старинных часах
Параметрические колебания
Свободные колебания в
воздухе всегда затухаю-
щие, потому что меха-
ническая энергия колеблюще-
гося маятника (потенциальная
+ кинетическая) в результате
действия силы трения (в самих
качелях и о воздух) постепенно
уменьшается и превращается
в тепловую энергию. Размах
колебаний (амплитуда) будет
уменьшаться.
Эти колебания могут стать
незатухающими, если воспол-
нять потерю энергии маятни-
ком. Пропустим нить подвеса
через неподвижное кольцо и
возьмемся рукой за этот сво-
бодный конец. На другом кон-
це висит грузик. Приведем его
обычным способом в движе-
ние. Но теперь будем регуляр-
но подтягивать нить в поло-
жениях максимального откло-
нения маятника и отпускать,
когда маятник проходит через
положение равновесия. При
этом амплитуда колебаний
маятника будет оставаться не-
изменной или возрастать в за-
висимости от нашего усердия.
Энергия колебательного дви-
жения маятника будет под-
держиваться или возрастать
за счет работы, совершаемой
рукой при изменении длины
нити. Такого рода незатуха-
ющие колебания называют
параметрическими — по той
причине, что в них изменяется
одна из характеристик маят-
ника — его длина.
Маятник на нити — хо-
рошая модель ребенка, кача-
ющегося на качелях, неважно,
сидя или стоя. Сначала вспом-
ним Архимеда. Он утверждал,
что у каждого тела есть неко-
торая расположенная внутри
него точка — такая, что если
мысленно подвесить тело за
нее, то оно останется в покое.
Законы физики на детской площадке 49
Такую точку ученый назвал
центром тяжести тела. У бу-
мажного кружка он находится
в центре, у треугольника — в
точке пересечения медиан, а
центр тяжести кастрюли — во
внутреннем ее пространстве.
Во многих случаях физи-
ческое тело можно заменить
его центром тяжести и счи-
тать, что в нем сосредоточена
вся масса. Ребенка на качелях
тоже можно представить ша-
риком, который находится на
уровне центра тяжести ребен-
ка (около пупка, но внутри
живота). Расстояние от цен-
тра тяжести до оси вращения
качелей — это длина нити
маятника. Приседая и под-
нимаясь, то есть перемещая
центр тяжести тела вверх или
вниз, ребенок меняет длину
нити маятника. Таким спосо-
бом он может поддерживать
колебания качелей как угод-
но долго.
Карусели
Карусели во дворах рас-
считаны на двух или
более человек. В цен-
тре — металлический круглый
поручень, отталкиваясь от ко-
торого, можно разгоняться.
Все кружащиеся на карусели
люди и предметы перемеща-
ются по окружности. Такое
движение очень часто встреча-
ется в физике. По сравнению с
прямолинейным движением
круговое имеет особенности.
Движение по кругу харак-
теризуют двумя типами скоро-
стей. Первый — это скорость
преодоления расстояния вдоль
окружности. Ее называют ли-
нейной. Она, как и в случае дви-
жения по прямой, может быть
либо переменной по величине,
либо постоянной.
ВОПРОС 1
Дети, сидящие на вра-
щающейся карусели, ви-
дят, что относительно
нее они неподвижны, а
окружающие их пред-
меты и земля кружатся.
Что в данном случае яв-
ляется для детей телом
отсчета?
Частицы металла, вырванные
при его резке циркулярной
пилой, движутся по
касательным к окружности
пилы
А скорость, как мы уже
отмечали, это вектор — па-
раметр, имеющий кроме ве-
личины еще и направление в
пространстве. При круговом
движении скорость всегда уст-
ремлена по касательной к
окружности и потому меняет
направление при перемеще-
нии тела. Поэтому даже при
постоянной по величине ско-
рости движение по окружно-
сти нельзя считать равномер-
ным. Если линейная скорость
равномерно меняет направле-
ние, то такое движение являет-
ся равноускоренным.
ЧТО ТАКОЕ
КАСАТЕЛЬНАЯ?
Касательной называют
прямую, лежащую в од-
ной плоскости с окружно-
стью и пересекающую ее
только в одной точке.
50 Законы физики на детской площадке
Второй вид скорости называется угловой.
Пусть за время At движущееся по окружности
радиусом R тело переместится из точки 1 в точ-
ку 2. При этом радиус описывает угол Лер (фи).
Угловая скорость равна углу поворота радиуса
R за единицу времени: со = Acp/At. Иначе гово-
ря, угловая скорость — это быстрота, с кото-
рой крутится радиус, проведенный из центра
окружности к вращающемуся телу.
Время, за которое тело совершает один пол-
ный оборот, называется периодом вращения Т.
А количество оборотов за 1 с — частотой враще-
ния v. Эти два параметра кругового движения
связаны друг с другом: v = 1/Т, а также с угловой
скоростью со (омега): со = 2тт/Т. А так как линей-
ная скорость v = 2tcRv, то со = v/R, или v = coR.
Центробежная сила
1. Центростремительная сила
2. Центробежная сила
Демонстрация действия центробежной сиды:
чем быстрее вращается устройство, тем выше
поднимается шарик. Сида, равная центробежной
по величине и противоположная ей по
направлению, называется центростремительной.
Она удерживает тело на круговой траектории
Когда ребенок раскручивается на карусели
как следует, он ощущает немалую силу,
прижимающую его к спинке сиденья.
Она тем больше, чем быстрее вращение. Ньютон
назвал эту силу центробежной. Она обусловле-
на как раз изменением направления скорости и
направлена по радиусу от центра вращения. Эта
сила действует на любое тело, движущееся не
только по окружности, но и по любой криволи-
нейной траектории: на ядро молота, вращаемое
легкоатлетом, на бобслеиста или саночника при
спуске по трассе, на планету во время движения
вокруг Солнца. Центробежная сила зависит от
скорости и радиуса траектории: F = mv2/R.
ВОПРОС 2
Как выразить центробежную силу че-
рез угловую скорость?
Закон Ньютона
для вращающегося тела
Если ребенок сел на карусель, он может
раскрутиться либо сам, прикладывая уси-
лие к расположенному в центре непод-
вижному колесу, либо попросив об этом взрос-
лого. В любом случае нужно приложить силу,
приводящую эту установку в движение.
Вспомним качели-лодочки. При описании
их движения было использовано понятие «мо-
мент силы» относительно центра или оси. Во
вращательном движении он играет ту же роль,
что и обычная сила в прямолинейном движе-
нии. Роль перемещения Ах переходит к углу по-
ворота Аср, а скорости v — к угловой скорости со.
Второй закон Ньютона для движения вдоль
прямой имеет вид F = Ар/At: сила, приложен-
ная к телу, равна скорости изменения его им-
пульса р. Если для кругового движения роль
силы выполняет момент силы М, то какая фи-
зическая величина может здесь быть аналогом
импульса? Интуитивно кажется, что посколь-
ку такое движение зависит от расстояния до
центра вращения, то для него будет важен не
импульс частицы сам по себе, а то, на каком
расстоянии от центра она движется с этим им-
пульсом. Если раскручивать веревку с привя-
занным к ней грузом, то нетрудно обнаружить,
что чем дальше груз находится от руки (цен-
тра вращения), тем большую силу необходимо
прикладывать, чтобы вращать его с одной и
той же скоростью.
Величина, равная произведению импульса
движущейся по окружности частицы на ради-
ус, и есть аналог импульса. Она называется мо-
ментом импульса или угловым моментом L.
Теперь, исходя из аналогии между линей-
ным и круговым движениями (F -> М, р -> L),
можно предположить, что закон Ньютона для
Законы физики на детской площадке 51
тела, вращающегося под дей-
ствием момента силы М, име-
ет вид:
M = AL/At.
Как приводят в движение
карусели? Под действием
момента сиды, приложенной
человеком к карусели, она
начинает вращаться, набирая
обороты (то есть увеличивая
свой угловой момент). Так на
детской площадке проявляется
действие закона Ньютона для
вращающихся тел
Словесно это можно выра-
зить так: скорость изменения
момента импульса тела от-
носительно центра вращения
равна моменту приложенной
к нему силы относительно
того же центра. Если М = 0, то
AL/At = 0: если на тело не дей-
ствует момент силы, то ее мо-
мент импульса остается посто-
янным. Это закон сохранения
момента импульса.
Вспомним, что для враща-
ющейся по кругу радиусом R
частицы массой т момент им-
Прыжок с вращением в
фигурном катании. Прыгая
вверх и вращаясь, спортсмен
прижимает руки к корпусу.
Так он уменьшает свой
момент инерции. Поскольку
на фигуриста не действуют
силы относительно оси
вращения, его момент
импульса Jo? остается
постоянным. Следовательно,
должна возрасти угловая
скорость вращения, что мы и
наблюдаем на соревнованиях
фигуристов
пульса равен L = pR = mvR, где
v — линейная скорость, свя-
занная с угловой: v = O)R. Тогда
L = ma>R*R = (mR2)a) = Ja>.
Взглянем внимательнее на
полученную формулу L = Jan
момент импульса равен про-
изведению некоей величины
J на скорость (угловую). Срав-
ним ее с выражением для им-
пульса прямолинейного дви-
жения р = mv. Видим, что эти
две формулы весьма похожи:
скорости v соответствует угло-
вая скорость, а масса т замене-
на на новую величину J = mR2.
Она имеет свое название — мо-
мент инерции — и играет роль
массы для вращения. Момент
инерции зависит не только от
массы вращающегося тела, но
и от того, как далеко от центра
или оси вращения оно распо-
ложено.
ВОПРОС 3
Ребенок стоял на враща-
ющихся каруселях на рас-
стоянии 20 см от оси вра-
щения, а затем отошел на
1 м к краю. Как изменился
его момент инерции?
Детские батуты
Детский батут — это спор-
тивный атрибут, кото-
рый используется как
для активного физического
развития ребенка, так и для
его развлечения. Прыжки на
нем способствуют развитию
мышц, улучшению координа-
ции и реакции. Выпускаются
два вида этих снарядов.
Рассмотрим батут с сеткой.
Его основной элемент — прыж-
ковое полотно-сетка, изготов-
ленное из прочного материала
полипропилена и закреплен-
ное на пружинах. Именно пру-
жины являются в этом устрой-
стве преобразователем запасен-
ной в них энергии в энергию
полета ребенка при прыжках.
Представим неподвижно сто-
ящего в центре батута челове-
ка. Под действием приложен-
ной к пружинам силы, равной
Батут с сеткой
52 Законы физики на детской площадке
Энергия, необходимая для прыжка, запасается в
растянутых пружинах батута
весу стоящего человека, они деформируются —
растягиваются на некоторую длину. Возникает
сила, противодействующая деформации, —
сила упругости. Она приложена к телу, вызыва-
ющему деформацию, то есть к человеку. Сила
упругости растянутой пружины уравновешива-
ет силу тяжести, действующую на груз. Обычно
сила упругости прямо пропорциональна удли-
нению пружины. Это закон Гука.
Растянутая пружина обладает энергией, ко-
торая пропорциональна квадрату удлинения
пружины. То есть она очень быстро увеличи-
вается с ростом удлинения. Батут не подбра-
сывает человека, неподвижно стоящего на нем:
Закон Гука: удлинение
пружины прямо
пропорционально
приложенной к ней силе
не хватает упругой энергии. Но если человек
оттолкнется от полотна, то тем самым растянет
пружины еще больше. Те получат добавочную
энергию, которая и перейдет в кинетическую
энергию взлетающего ввысь человека, а в верх-
ней точке полета превратится в его потенциаль-
ную энергию.
При падении на батут человек находится в
состоянии невесомости, как и космонавты на
орбитальной станции, только кратковремен-
ном. Что такое весомость? Вес — это сила в гра-
витационном поле, с которой тело действует на
подставку, например на весы. Представьте, что
вы взлетели над батутом вместе с этими весами.
При падении весы будут опускаться вниз с теми
же ускорением и скоростью, что и вы. Значит,
ваши ноги не смотут оказать давление на весы,
ибо те будут «убегать» от вас!
ВОПРОС 4
Карлсон сбросил с балкона на прохо-
жих пластиковую бутылку с водой.
Чему равно давление воды на дно бу-
тылки во время падения?
Надувные батуты — аттракционы, которые
изготавливают из прочного пластика ПВХ. Са-
мым простым считается небольшой круглый
или квадратный батут. Более сложные вариан-
ты — это целые конструкции: корабли, города,
неведомые звери.
В этом устройстве работают иные физиче-
ские механизмы. При прыжках происходит
сжатие воздуха, накачанного внутрь батута, ве-
сом человека. Воздух сжимается не так-то лег-
ко, так что для этого нужно затратить какую-то
работу. Работа, как известно, приводит к изме-
нению энергии, в данном случае газа в батуте —
она увеличивается. Затем возросшее давление
подбрасывает человека вверх, и запасенный из-
быток энергии газа преобразуется в кинетиче-
скую и потенциальную энергии прыгающего.
Законы физики на детской площадке 53
БАТУТ И ФИЗИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Батут может служить моделью, позволяющей проде-
монстрировать важное понятие поля в физике. Поло-
жим на его упругую поверхность какие-нибудь тяже-
лые предметы. Они ее прогнут, и вокруг этих предметов
образуются ямки-воронки. Если вблизи них окажется,
например, небольшой шарик, он скатится в образован-
ную предметом ямку. Так будет моделироваться сила
(например гравитационная), с которой одни тела дей-
ствуют на другие, а поверхность батута — это поле.
Кроме того, по этой поверхности, как и по любому фи-
зическому полю, могут распространяться волны.
Так можно представить себе
гравитационное поле Земли
Горка
Когда ребенок находит-
ся на скате горки, на
него действует только
сила тяжести. Она направлена
вертикально вниз. А ребенок
съезжает под углом к верти-
кали. Значит, вдоль горки на
него также действует сила. Ка-
кая? Никаких иных сил, кро-
ме силы тяжести, нет (забудем
о трении). Следовательно, сила,
тянущая ребенка вниз, может
быть только какой-то частью
силы тяжести. И действитель-
но, силу тяжести можно пред-
ставить в виде суммы двух сил:
одна направлена вдоль горки, а
вторая — перпендикулярно ей.
Эта последняя «ответственна»
лишь за придавливание тела к
поверхности горки. А первая
сила как раз и разгоняет его.
Ее величина зависит от угла
наклона: она тем больше, чем
круче горка. Это хорошо ощу-
щается на горках с волнистой
поверхностью.
ВОПРОС 5
Какие сиды кроме силы
тяжести действуют на
ребенка, когда он скаты-
вается с горки-трубы?
ОТВЕТЫ
1 (с. 49). Телом отсчета явля-
ется карусель.
2 (с. 50). F=mv4R, но v = wR. По-
этому F = (m/RM^K)2 = maPR.
3 (с. 51). Момент инерции J =
= mR2 изменяется пропорцио-
нально квадрату расстояния
до оси вращения. Это рассто-
яние изменилось с 20 см до 1 м,
то есть увеличилось в 5 раз.
Следовательно, момент инер-
ции увеличился в 52 = 25 раз.
4 (с. 52). Давление воды в бу-
тылке на дно всегда равно
весу этой жидкости, делен-
ному на площадь дна. При
свободном падении вес воды
равен нулю. Значит, и давле-
ние на дно отсутствует.
5 (с. 53). Сила трения, а также
центробежная сила на пово-
ротах.
54 Как устроена планета Земля?
КАК УСТРОЕНА
ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ?
Физические поля
нашей планеты
Геофизика —
наука о Земле
С позиций физики Зем-
ля — это космическое
тело, состоящее из веще-
ства во всех четырех агрегатных
состояниях (твердом, жидком,
газообразном и плазмы), дви-
жущееся во Вселенной и нахо-
дящееся во взаимодействии с
другими ее объектами.
Вся Земля буквально про-
низана различными физиче-
скими полями — гравитаци-
онным, магнитным и электри-
ческим (или тепловым) и не-
которыми другими. Эти поля
люди изучают с помощью
сложной, как правило, компью-
теризированной аппаратуры.
Целью таких исследований яв-
ляется измерение физических
Три стихии — земля,
вода и воздух. Три самых
распространенных на Земле
состояния материи — твердое,
жидкое и газообразное.
А высоко-высоко, поближе
к Солнцу, наша планета
окружена веществом в
четвертом состоянии —
плазмой
параметров полей: ускорения
свободного падения (g), на-
пряженностей электрическо-
го (Е) и магнитного (В) полей,
температур в различных обла-
стях планеты.
Наука, изучающая физи-
ческие явления и процессы,
которые протекают в самой
Земле и околоземном косми-
ческом пространстве, называ-
ется геофизикой. Это, на са-
мом деле, целый комплекс на-
ук, каждая из которых имеет
свою, более узкую область ис-
следований. К ним относятся
физика атмосферы, гидрофи-
зика, физика твердой Земли,
сейсмология, солнечно-земная
физика и ряд других.
Гравитационное поле
Гравитационное поле Земли
удерживает вращающиеся
вокруг нее объекты
Вокруг Земли сущест-
вует поле тяготения,
обусловленное ее мас-
сой, — гравитационное. Оно
наиболее сильно близ земной
поверхности, с высотой его на-
пряженность уменьшается. На
самой поверхности Земли на
тела влияет не только сила гра-
витации, но и центробежная,
вызванная вращением пла-
неты. Равнодействующая двух
сил — гравитационной и цен-
тробежной — называется си-
лой тяжести.
Сила тяжести (Ро) — это
равнодействующая сил тяготения
(PN) и центробежной (Р6)
Величина силы тяжести на
поверхности Земли зависит от
географической широты: с ее
увеличением (то есть с удале-
Как устроена планета Земля? 55
нием от экватора) сила тяже-
сти растет. Ее уменьшение в на-
правлении экватора объясня-
ется двумя причинами: ростом
в этом направлении центро-
бежной силы и увеличением
расстояния от центра планеты
(вспомним, что гравитацион-
ная сила обратно пропорцио-
нальна расстоянию между те-
лами, в данном случае между
телом и центром Земли).
На полюсах, где центро-
бежная сила практически от-
сутствует, а расстояние до цен-
тра Земли наименьшее, сила
тяжести наибольшая. На эк-
ваторе центробежная сила и
расстояние до центра планеты
максимальные, поэтому сила
притяжения там наименьшая.
Земные недра в разрезе.
Сила тяжести с высотой
(с удалением от центра
тяготения) уменьшается.
В недрах Земли при опускании
до границы ядра она сначала
увеличивается, а затем
уменьшается до нуля в центре
планеты
ВОПРОС 1
Почему сила тяжести в
центре Земли отсутству-
ет?
Вращение Земли
Наша планета вращается вокруг своей оси
и вокруг Солнца. Земная ось (ось враще-
ния Земли) — прямая, вокруг которой
происходит суточное вращение планеты. Эта
линия проходит через центр Земли и в геогра-
фических полюсах пересекает ее поверхность.
Когда Земля делает один оборот вокруг оси,
проходит один день, а когда вокруг Солнца —
один год.
Земля вращается вокруг оси с запада на вос-
ток, то есть против часовой стрелки, если смо-
треть на Землю с Северного полюса. При этом
угловая скорость вращения, то есть угол, на ко-
торый поворачивается любая точка на поверх-
ности Земли, одинакова и составляет 15° за час.
Линейная скорость зависит от широты: на эква-
торе она наибольшая — 464 м/с, а географиче-
ские полюса неподвижны.
Географическое значение осевого вращения
Земли исключительно велико. Прежде всего,
оно влияет на форму планеты. Сжатие Земли
у полюсов — результат ее осевого вращения.
Фотография ночного неба с длительной
выдержкой. Ось вращения Земли указывает на
Полярную звезду. Из-за этого наблюдателю с
Земли кажется, что все звезды вращаются вокруг
Полярной. Если производить съемку с большим
временем экспозиции, направив фотоаппарат
на Полярную звезду, то получится картина,
подобная приведенной на этой иллюстрации
КОГДА-ТО ОДИН ГОД НА ЗЕМЛЕ
ДЛИЛСЯ 486 ДНЕЙ
Это было примерно 800 млн лет назад,
до зарождения древней жизни, в эпоху
самого масштабного оледенения Зем-
ли. Сотни миллионов лет спустя, уже
в эпоху динозавров, год сократился до
370 суток. Сейчас он, как все знают, со-
ставляет 365 дней.
Дело в том, что Земля вращается все
медленнее, поскольку ее тормозит лун-
ная гравитация. В итоге дни становятся
длиннее (примерно на 1,7 мс за одно ты-
сячелетие), а год — короче.
56 Как устроена планета Земля?
Смена
времен года
Магнитное поле
Земли
Наша планета вращается вокруг Солнца по
эллиптической траектории, близкой к кру-
говой, со скоростью около 100 000 км/ч. Сред-
нее расстояние между этими небесными телами —
150 млн км, а разница между наименьшим и наи-
большим расстояниями составляет почти 5 млн км.
Смена времен года на Земле происходит
вследствие ее обращения вокруг Солнца
1. Лето в Северном полушарии, зима в Южном
2. Осень в Северном полушарии, весна в Южном
3. Зима в Северном полушарии, лето в Южном
4. Весна в Северном полушарии, осень в Южном
5. Северный полюс
6. Южный полюс
Двигаясь по эллиптической орбите, Земля в
январе находится в самой близкой к Солнцу точке
(перигелий), а в июле — в самой отдаленной (афе-
лий). Причина смены времен года — наклон орби-
ты, в результате чего Земля наклоняется к Солнцу
то одним полушарием, то другим и, соответствен-
но, получает разное количество солнечных лучей.
Летом Солнце движется над горизонтом дольше
всего и продолжительность дня максимальна. Зи-
мой, напротив, Солнце находится низко над го-
ризонтом, его лучи падают на Землю не прямо, а
косо и продолжительность дня небольшая.
ВОПРОС 2
Ось вращения Земли отклонена от пер-
пендикуляра к плоскости ее орбиты на
угол 23,5°. У Юпитера это отклонение
составляет 3°. Как происходит смена
времен года на этой планете?
4
Магнитное поле Земли
1. Географический Южный полюс
2. Географический Северный полюс
3. Магнитная ось
4. Южный магнитный полюс
5. Северный магнитный полюс
6. Ось вращения
Земля — это огромный сферический
магнит. Это означает, что наша плане-
та создает в окружающем ее простран-
стве магнитное поле. Оно простирается на
80—90 000 км от ее поверхности. До высоты
44 000 км магнитное поле постоянное, его вели-
чина уменьшается с удалением от земной по-
верхности постепенно. На высоте от 44 000 до
90 000 км магнитное поле переменное. Область
околоземного пространства, в пределах кото-
рой обнаруживается земное магнитное поле,
называется магнитосферой.
Магнитное поле Земли постоянно испытыва-
ет колебания, проходя полный цикл изменений
за период 8000 лет. В наше время оно находится
в стадии ослабления, и это будет продолжать-
ся еще примерно 2000 лет. После этого магнит-
ное поле вновь начнет усиливаться в течение
4000 лет, потом снова наступит спад. Предыду-
Как устроена планета Земля? 57
НАШ «ЩИТ»
На протяжении вот уже
более 170 лет магнитное
поле Земли неуклонно ос-
лабевает. А ведь оно явля-
ется своеобразным щитом,
прикрывающим Землю и
все живое на ней от губи-
тельного радиационного
воздействия так называе-
мого солнечного ветра, то
есть излучаемых Солнцем
электронов, протонов и
других частиц. Магнито-
сфера Земли отклоняет по-
ток частиц, летящих из кос-
моса, к полюсам, лишая их
начальной энергии. На по-
люсах Земли потоки этих
космических частиц задер-
живаются в верхних слоях
атмосферы, превращаясь
в красивые полярные сия-
ния.
ВОПРОС 3
В результате излучения
масса Солнца постепенно
уменьшается. Как влия-
ет это обстоятельство на
расстояние от Солнца до
планет (вспоминаем закон
всемирного тяготения)?
ВОПРОС 4
Какая планета в Сол-
нечной системе самая
большая? А какая — са-
мая маленькая?
щий максимум пришелся на
начало нашей эры.
Еще одна интересная осо-
бенность земного магнитного
поля — периодический взаимо-
обмен магнитных полюсов Зем-
ли местами. Северный полюс
перемещается на место Южно-
го, Южный — на место северно-
го. Это явление назвали инвер-
сией поля. Такие перемещения
длятся от 5000 до 10 000 лет. В
истории нашей планеты подоб-
ные «перескоки» полюсов про-
исходили сотни раз. Последнее
такое перемещение произошло
700 000 лет назад.
Другие планеты Солнечной системы тоже обладают
магнитными полями
Самое сильное магнитное
поле у Юпитера, оно превос-
ходит магнитное поле Земли в
12 000 раз. Сатурн, как и Юпи-
тер, имеет мощную магнито-
сферу. Это единственная пла-
нета, у которой ось вращения
практически совпадает с осью
магнитного поля. Мощными
полями обладают также Уран
и Нептун. Магнитное поле
Меркурия в 100 раз меньше
земного, а у Венеры оно незна-
чительное. Магнитное поле
Марса концентрируется в Юж-
ном полушарии планеты.
58 Как устроена планета Земля?
Магнитосфера Земли несимметрична: со
стороны Солнца магнитное поле сильно сжато,
а с противоположной, наоборот, оно очень вы-
тянутое и образует протяженный, до 1 млн км,
магнитосферный хвост. Это следствие обтека-
ния магнитосферы солнечным ветром. В зави-
симости от давления солнечного ветра граница
магнитосферы со стороны Солнца — магнито-
пауза — то приближается к Земле (при усиле-
нии солнечного ветра), то удаляется (при его
ослаблении).
Форма магнитного поля Земли
Электрическое
поле планеты
Измерения электрометром показывают,
что у поверхности Земли существует
электрическое поле, даже если вблизи
нет заряженных тел. Это означает, что наша
планета обладает некоторым электрическим за-
рядом, то есть представляет собой заряженный
шар большого радиуса.
Силовые линии этого электрического поля
вертикальны и направлены к Земле. Это озна-
чает, что ее поверхность заряжена отрицатель-
но. С высотой напряженность уменьшается и
практически исчезает на высотах около 50 км.
Поле меняется и вдоль земной поверхности.
Наибольшее значение напряженность элек-
трического поля имеет в средних широтах, а к
полюсам и экватору она уменьшается. Следова-
тельно, наша планета в целом обладает отрица-
тельным зарядом, а атмосфера заряжена поло-
жительно.
Между землей и «небом» (простирающимся
до высоты 50 км) существует электрическое
напряжение величиной 400 000 В
О природе
магнитных полей
Отвлечемся ненадолго от нашей планеты
и поговорим о том, благодаря чему су-
ществуют магниты — куски вещества,
способные самостоятельно создавать постоян-
ные магнитные поля. Из главы 1 нам известно,
что магнитное поле может иметь два источ-
ника: переменное электрическое поле и элек-
трический ток (постоянный или переменный).
Первая причина в нашем случае отсутствует,
остается вторая.
Таким образом, мы можем утверждать, что
текущий по проводам электрический ток гене-
рирует магнитное поле. Но что такое ток? Это
движущиеся заряды. Данное утверждение вер-
но для любых постоянных токов и любых заря-
дов. Так, магнитное поле петли с током легко
обнаружить с помощью компаса.
Круглая рамка с
током. Под действием
магнитного поля
рамки с током
стрелка компаса
поворачивается
вдоль магнитных
силовых линий
(перпендикулярно
плоскости рамки)
Как устроена планета Земля? 59
Если такую рамку поместить
в другое постоянное магнитное
поле, то оно будет поворачивать
рамку до тех пор, пока та не рас-
положится перпендикулярно
вектору магнитной индукции
В вблизи нее. Это значит, что
на рамку действует момент сил
(вспоминаем механику!). Этот
момент пропорционален току в
рамке, ее площади S, величине
поля и зависит от угла между
вектором В и перпендикуля-
ром к плоскости рамки — чем
он больше, тем больше момент
силы.
Произведение IS играет
особую роль в таких ситуаци-
ях, поэтому ему дали имя —
магнитный момент рамки с
током. Его решили считать
вектором, направленным пер-
пендикулярно плоскости рам-
ки. А направление можно
определить по такому прави-
лу: расположим четыре паль-
ца правой руки вдоль рамки
по направлению тока, тогда
поднятый большой палец ука-
жет направление магнитного
момента. Его обычно обозна-
чают греческой буквой р (мю).
Итак, р = IS.
Магнитный момент атома
Теперь вспомним, что
представляет собой атом.
Это несколько электро-
нов, крутящихся вокруг ядра.
Но ведь это тоже электриче-
ский ток, хотя и совсем незна-
чительный! В результате атом
становится микроскопической
рамкой с током.
Таким образом, атомы мо-
тут взаимодействовать с маг-
нитным полем благодаря свое-
А
И
Магнитный момент атома
водорода
му магнитному моменту. Кро-
ме того, поскольку электроны
вращаются, они, как и атом в
целом, обладают некоторым
моментом импульса L. Оба
эти момента — магнитный и
механический — связаны меж-
ду собой: для атома водорода,
например, р = (e/2m)L.
Однако движение электро-
нов вокруг ядра не единствен-
ная причина наличия у атомов
магнитного момента. Оказыва-
ется, электрон не только мчит-
ся с бешеной скоростью по
орбите, но еще и вращается
вокруг своей оси! Значит, он
должен иметь собственный ме-
ханический момент, который
назвали спином. А поскольку
электрон — это электрически
заряженная частица, то его
кручение есть микроскопиче-
ский ток, генерирующий ма-
ленькое магнитное поле. Поэ-
тому электрон должен иметь
и свой магнитный момент. Он
связан со спином s несколько
иным соотношением: р = (e/m)s.
Полный магнитный мо-
мент атома складывается из
орбитальных и спиновых маг-
нитных моментов всех его
электронов.
Поскольку атом, каки обыч-
ная рамка с током, обладает
магнитным моментом, то их
поведение во многом сходно.
Например, как в случае рам-
ки, поведение атома в магнит-
ном поле полностью опреде-
ляется величиной его магнит-
ного момента. В связи с этим
понятие магнитного момента
очень важно при объяснении
различных физических явле-
ний, происходящих с веще-
ством в магнитном поле.
Магнитные свойства вещества
Все материалы по харак-
теру их поведения в
магнитном поле могут
быть разбиты на три большие
группы. Наиболее слабо воз-
действие поля на материалы,
называемые диамагнетиками.
Несколько сильнее выражены
магнитные свойства у следую-
щей группы — парамагнети-
ков. Наиболее ярко «любовь» к
магнитному полю проявляют
ферромагнетики — вещества,
способные сами создавать такие
поля, то есть намагничиваться.
За магнитные свойства со-
стоящего из атомов вещества,
как мы только что выяснили,
60 Как устроена планета Земля?
отвечают магнитные моменты
атомов. Атомы ряда веществ
обладают полным магнитным
моментом, равным нулю. Это
означает следующее: орбиталь-
ные и спиновые магнитные
моменты сбалансированы так,
что у каждого атома нет сред-
него магнитного момента. При
помещении такого материала
в магнитное поле происходит
слабое его намагничивание, то
есть материал создает свое по-
ле, причем в направлении про-
тивоположном внешнему. Так
ведут себя диамагнетики. Ими
являются, например, вода и
обычная соль, а также медь, се-
ребро и золото.
Атомы парамагнетиков име-
ют собственный магнитный мо-
мент. Во внешнем поле эти мо-
менты стремятся выстроиться
вдоль поля (вспомним рамку!),
а значит, и возникающее вслед-
ствие этого поле (то есть на-
магничение) направлено вдоль
наложенного внешнего поля. К
парамагнетикам относят неко-
торые металлы, такие как ли-
тий, алюминий, платина.
Небольшое количество ве-
ществ, например железо, никель
и кобальт, при нормальных тем-
пературах остаются намагничен-
ными даже после того, как внеш-
нее магнитное поле было убра-
но. Таковы ферромагнетики.
Это происходит из-за того, что
внешнее поле индуцирует (соз-
дает) такие огромные магнит-
ные моменты внутри материала,
что они могут значительно пре-
восходить внешнее поле. А такое
возможно потому, что ненамаг-
ниченный кристалл железа или
никеля состоит из маленьких
областей (так называемых доме-
нов), внутри которых вещество
полностью намагничено! Прав-
да, в отсутствие магнитного поля
они намагничены как попало,
так что в целом большой кусок
такого вещества оказывается не-
намагниченным. А вот если его
поместить в магнитное поле...
Впрочем, проявите смекалку и
представьте, что произойдет.
ВОПРОС 5
Объясните явление, по-
казанное на рисунке.
Полярное
сияние
Полярное, или северное,
сияние — мистический,
непредсказуемый и кра-
сивый феномен. Оно внезапно
появляется и точно так же не-
ожиданно исчезает. Причиной
северного сияния является сол-
нечный ветер. Этим термином
называют вещество, выброшен-
ное из верхней оболочки све-
тила — солнечной короны.
Оно состоит из заряженных
частиц — электронов и ионов,
летящих в космосе с громадной
скоростью. Иными словами,
солнечный ветер представляет
собой поток высокоскоростной
плазмы.
Солнечный ветер распро-
страняется от Солнца во всех
направлениях, небольшая его
часть «дует» и на нас. Попа-
дая в магнитное поле Зем-
ли, его заряженные частицы
начинают двигаться особым
образом: они перемещаются
вдоль магнитных силовых ли-
ний, одновременно вращаясь
вокруг них, то есть двигаются
по спирали. Поскольку сило-
вые линии магнитного поля
Земли сходятся к полюсам, то
и частицы солнечного ветра
отклоняются туда же. Вот по-
чему полярные сияния наблю-
даются в высоких широтах, то
есть ближе к северу.
На высотах от 90 до 1000 км
эти энергичные солнечные «по-
сланники» сталкиваются с мо-
лекулами верхних слоев атмо-
сферы. Удары весьма чувстви-
тельны, так что эти молекулы
получают добавочную порцию
энергии и переходят в состоя-
ние с более высокой энергией.
Как устроена планета Земля? 61
СИЛА ЛОРЕНЦА
На движущийся в магнитном поле электрический за-
ряд действует сила, называемая силой Лоренца. Она
пропорциональна величине заряда и всегда перпен-
дикулярна как скорости частицы, так и направлению
магнитного поля. Проявление силы Лоренца можно
наблюдать на примере проводника с током (напри-
мер, рамки), помещенного между полюсами постоян-
ного магнита. Отклонение проводника происходит в
направлении, перпендикулярном и вектору В, и току в
проводнике, то есть скорости зарядов в нем.
Возвращаясь в начальное, рав-
новесное состояние, молекулы
атмосферы излучают кванты
света видимого диапазона, ко-
торые проявляются в виде по-
лярного сияния.
Сила, действующая на проводник
с током в магнитном поле
ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ МОЖНО НАБЛЮДАТЬ
И НА ДРУГИХ ПЛАНЕТАХ
Это явление встречается не только на нашей планете,
но и на ее соседях по Солнечной системе. Спектры по-
лярных сияний зависят от состава атмосфер планет.
Например, если для Земли наиболее яркими являются
линии излучения кислорода и азота в видимом диапа-
зоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в
ультрафиолете. Магнитные поля планет-гигантов Сол-
нечной системы значительно сильнее магнитного поля
Земли, что обусловливает больший масштаб полярных
сияний этих планет по сравнению с полярными сияния-
ми Земли. С помощью космического телескопа «Хаббл»
получены качественные изображения полярных сия-
ний этих планет.
Полярное сияние
Цвет неба
Небо бывает окрашенным в разные цвета в
зависимости от времени суток и погоды.
В ясный погожий день оно, конечно, го-
лубое. Попытаемся найти причину этого.
Земля освещается светом Солнца. Он прохо-
дит через атмосферу планеты. Свет, как извест-
но, это электромагнитная волна, то есть дви-
жущаяся в пространстве пара переменных по-
лей — электрического и магнитного. В любой
точке пространства, лежащей на пути волны,
эти поля колеблются — изменяются во време-
ни. Колебания характеризуются частотой. Если
такая частота одна, волна называется монохро-
матической. Например, монохроматическим
Небо над Альпами
62 Как устроена планета Земля?
Солнечный свет, проходя через атмосферу Земли, рассеивается в
разные стороны ее атомами
будет свет красного или жел-
того цвета.
Солнечный свет, как мы
знаем, состоит из множества
монохроматических волн —
красной, оранжевой, желтой и
т. д. Какой бы ни была частота
(цвет) волны, ее электрическое
поле действует на электроны
атомов атмосферного воздуха.
Электроны начинают коле-
баться, как грузик на пружине,
взад-вперед. Колеблющийся
электрон — это заряд, движу-
щийся с ускорением, а значит,
излучающий, в свою очередь,
электромагнитную волну. Та-
кая волна называется рассеян-
ной, а само явление излучения
ПОЧЕМУ НЕБО ГОЛУБОЕ, А НЕ ФИОЛЕТОВОЕ?
Можно возразить: «Лучше всего рассеивается в атмо-
сфере фиолетовый цвет. Но небо все же не фиолетовое,
а голубое!» Это так, и дело здесь в особенностях нашего
зрения. При одинаковой яркости наш глаз лучше воспри-
нимает именно голубой цвет, а не фиолетовый. Кроме
того, зеленый свет, также рассеивающийся в атмосфере,
смешивается с отлично рассеивающимся фиолетовым,
что приводит к появлению того же голубого цвета.
света атомом под воздействи-
ем падающего извне излуче-
ния — рассеянием.
Как много падающего на
атомы света они рассеивают?
Во-первых, это зависит от того,
сколько света на них падает,
то есть от его энергии. Во-вто-
рых, и это главное, рассеяние
света очень сильно зависит от
его частоты — чем она выше,
тем сильнее рассеивается свет.
Поэтому волны, соответству-
ющие фиолетовому и синему
цветам, рассеиваются сильнее
других. Так, у голубого света
частота в два раза больше, чем
у красного, и рассеивается он
в 16 раз сильнее! Иначе гово-
А КАК ВЫГЛЯДИТ
НЕБО ЗЕМЛИ
ИЗ КОСМОСА?
Описанная цветовая кар-
тина атмосферы видна
только с Земли. В космосе
все несколько иначе. Так
как там нет атмосферы,
то все предстает в первоз-
данном виде: Солнце на
самом деле ярко-белого
цвета, а небо, то есть про-
странство космоса, абсо-
лютно черное. Но! Вокруг
нашей планеты образу-
ется голубое свечение —
гало. Его цвет обусловлен
той же причиной, что
и цвет неба на Земле —
сильным рассеянием ат-
мосферой сине-голубой
части солнечных лучей.
ря, энергия рассеянной волны
голубого цвета в 16 раз боль-
ше энергии рассеянной вол-
ны красного цвета. Из-за это-
го нам и кажется, что Солнце
бледно-желтого цвета, а небо
голубое.
Вид Земли и ее атмосферы из
космоса
Как устроена планета Земля? 63
Восход и закат
Солнца
Когда Солнце находится
у горизонта, его лучам
на пути к нашему глазу
приходится преодолевать бо-
лее толстый слой атмосферы,
Восход Солнца
чем днем. Проходя через него,
почти вся коротковолновая
(сине-голубая) часть спектра
рассеивается и не доходит до
поверхности Земли. Остается
только длинноволновая (жел-
то-красная) часть солнечных
лучей, поскольку она почти не
рассеивается. Именно такого
цвета закат. Чем ближе к гори-
зонту Солнце, тем толще слой
атмосферы, через который к
нам стремится его свет, и тем,
соответственно, краснее его от-
тенки.
Такими же причинами
объясняется и цвет неба на за-
кате. Правда, существует масса
цветовых разновидностей как
зари, так и заката — от жел-
того до бордового. Это силь-
но зависит от запыленности и
влажности атмосферы, и поэ-
тому мотут наблюдаться сотни
вариантов окраски небосвода
и облаков во время заката и
восхода солнца.
ПОЧЕМУ
СИГНАЛЬНЫЕ
ФОНАРИ НА
САМОЛЕТАХ
КРАСНЫЕ?
Благодаря низкой спо-
собности к рассеянию в
атмосфере красный цвет
применяется в качестве
сигнального на объектах,
различение которых важ-
но в условиях недоста-
точной видимости. Это
сигнальные огни, разме-
щаемые на высотных объ-
ектах, наружной части
бортов самолетов. Соот-
ветственно, цвета, облада-
ющие высокой способно-
стью к рассеянию в атмос-
фере, применяются для
светомаскировки. Обычно
это синий и фиолетовый.
В глубине
земных недр
Как устроен наш земной шар? Земля де-
лится на несколько геосфер, или оболо-
чек. Главных из них три: тонкая наруж-
ная кора, огромная мантия, занимающая 5/6
всей Земли по объему и 2/3 по массе, и ядро в
центре земного шара.
Земная кора наряду с верхней частью ман-
тии — главные составляющие литосферы (твер-
дой оболочки Земли). Различают континен-
тальную и океаническую земную кору, которые
отличаются как по толщине, так и по составу.
Под океанами толщина коры может достигать
от 6 до 15 км, на континентах — от 30 до 70 км.
Мантия находится на глубине 35—2890 км под
поверхностью Земли. По своему составу она похо-
жа на каменные метеориты. Мантия разделяется
на два слоя — верхний и нижний. Верхний слой,
входящий в состав литосферы, твердый. Лежа-
Внутреннее строение Земли
64 Как устроена планета Земля?
Три оболочки Земли: твердая —
литосфера, водная — гидросфера,
газовая — атмосфера
щий под ним нижний слой ман-
тии состоит из расплавленного
вязкого вещества, способного к
медленному течению. Посколь-
ку мантия — самый большой из
слоев Земли, то физические ус-
ловия в разных ее областях не-
одинаковы. Чем ближе к ядру
планеты, тем выше давление, и
вещества мантии претерпевают
значительные изменения своих
свойств.
Ядро состоит из двух частей.
Внутреннее ядро твердое, его
радиус составляет 1225 км. Это
самая плотная часть Земли, она
состоит из металлов, преиму-
щественно железа, а также ра-
диоактивных веществ. Распад
Внутреннее ядро нашей
ядер этих элементов обеспечи-
вает образование внутренней
энергии тепла планеты. Темпе-
ратура в ядре поднимается, как
считается, до 7000°С, а давление
достигает 360 млн атмосфер.
Внешняя часть ядра жид-
кая. Она представляет собой
вращающиеся потоки расплав-
ленных железа и никеля, хо-
рошо проводящих электриче-
ство. Электрический ток всег-
да создает магнитное поле. А
потому считается, что именно
внешнее ядро является источ-
ником магнитного поля Зем-
ли. Его создают электрические
токи, текущие в жидком ядре.
ЛЮБОПЫТНЫЕ
ФАКТЫ
Земные глубины изучены
намного хуже, чем, скажем,
лунная поверхность. Про-
тяженность самой глубо-
кой скважины в коре Зем-
ли составляет 12 262 м. Этот
рекорд принадлежит со-
ветской Кольской сверхглу-
бокой скважине. Она рас-
положена в Мурманской
области в 10 км к западу от
города Заполярного. А де-
тали строения земных недр
на глубинах в сотни и даже
десятки километров совер-
шенно неизвестны. Тем не
менее ученые утверждают,
что 99% золота Земли нахо-
дится в ее ядре. Этого запаса
достаточно, чтобы создать
оболочку толщиной 50 см
вокруг всей поверхности
планеты.
Найдены микробы, оби-
тающие в почве на глубине
5,3 км. Они выживают, ис-
пользуя радиоактивность
урана, превращающего во-
ду в полезную энергию.
Физические условия в земных недрах
Давление и темпера-
тура в Земле растут с
глубиной. Самые рас-
пространенные на поверхно-
сти планеты породы — песок,
известняк и гранит. Их сред-
няя плотность составляет око-
ло 3 г/см3. Средняя плотность
Земли почти вдвое больше.
Значит, в недрах Земли плот-
ность вещества гораздо выше.
Причина — гравитационное
поле Земли.
В этом легко убедиться на
примере стопки книг. Чем
ниже в ней расположена книж-
ка, тем больше над ней лежит
томов и, соответственно, тем
большее давление с их стороны
она испытывает. Точно по той
же причине: чем глубже в Зем-
ле находится слой вещества,
тем больше будет давление
вышележащих слоев горных
пород. Легко сообразить, что
в центре Земли, где действует
притяжение масс равномерно
со всех сторон, сила тяжести
становится равной нулю. Но
давление в этой области, со-
зданное исключительно силой
тяготения, достигает миллио-
нов атмосфер, как уже отмеча-
лось.
Для понимания того, что про-
исходит в недрах земного шара,
важно знать не только давление,
но и температуру. Средняя тем-
пература поверхности земного
Как устроена планета Земля? 65
Модель роста давления
с увеличением глубины
в земных недрах
Эти явления свидетельст-
вуют о том, что недра Земли
горячее ее поверхности. Из
главы 2 нам известно, что теп-
ло течет из горячих областей
к более холодным. Значит, из
недр планеты к ее поверхно-
сти непрерывно идет поток
тепла.
На разных участках земной
поверхности это количество
тепла может колебаться в ту
или иную сторону. По количе-
ству тепла, выделяющемуся в
океанах, на равнинах и горных
хребтах, геофизики судят о
температурах под этими зона-
ми на большой глубине.
Как возникает гейзер
шара — около 0°С С другой сто-
роны, есть такие природные яв-
ления, как извержения вулканов
и гейзеры. Во время извержений
наружу изливается расплавлен-
ное вещество мантии — лава,
температура которой может до-
ходить до 1200°С Гейзерами на-
зывают источники, периодиче-
ски выбрасывающие горячую
воду и пар. Высота фонтана воды
порой составляет десятки ме-
тров.
ВОПРОС 6
Иногда в городах мож-
но наблюдать явление,
похожее на гейзеры, но
«рукотворное». Что это
такое?
Вулканы
На поверхности суши и
дне океанов есть особые
горы, называемые вулка-
нами. В зависимости от степени
своей активности они делятся
на действующие, дремлющие,
спящие и потухшие. В общем,
почти как люди. Когда вулкан
просыпается, он становится ак-
тивным — способным к извер-
жению. Например, в Италии
есть вулкан Этна — самый высо-
кий действующий вулкан в Ев-
ропе. На протяжении своего су-
ществования Этна извергалась
около 200 раз. Последнее извер-
жение было зафиксировано в
2011 г. и продолжалось с 3 по
31 января. А вообще, процесс
извержения вулканов может
длиться от нескольких часов до
многих лет.
Во время извержения вул-
кана на поверхность выры-
вается раскаленное вещество
земных недр — магма. Под
большим давлением она дви-
жется вверх по образовавшим-
ся в земной коре трещинам.
Излившаяся на поверхность
магма называется лавой.
К земной поверхности маг-
ма поднимается по каналу,
верхняя часть которого назы-
66 Как устроена планета Земля?
Породы, изменившие физические
свойства из-за внутреннего тепла
недр
Жидкая магма
Вулкан
Строение вулкана в разрезе
Земная кора
вается жерлом. Жерло, в свою
очередь, заканчивается крате-
ром — чашеобразной ворон-
кой. Из нее вместе с лавой мо-
iyr вырываться раскаленные
газы, пепел, песок, крупные
обломки горных пород (вул-
канические бомбы), водяные
пары.
Обычно вулкан — огнеды-
шащая гора, но он может вы-
глядеть и как трещина на по-
верхности Земли. Подобные
трещины всегда прямолиней-
ны и имеют большие размеры.
Особенно много их в Ислан-
дии. Один из таких вулканов,
Эльдгья, протянулся на 30 км,
имеет ширину до 600 м, а глу-
бину — до 270 м.
На некоторых планетах и
их спутниках (Марсе, Плутоне,
спутниках Юпитера Европе
и Ганимеде и др.) в условиях
низких температур изверга-
емое вещество состоит не из
расплавленных горных пород,
как лава на Земле, а из воды и
газов. Под поверхностью таких
небесных тел находится слой
льда. При небольшом нагрева-
нии он начинает плавиться. А
поскольку вода является менее
плотной и легко всюду проса-
чивается, то она выталкивается
на поверхность планеты. Под
высоким давлением происхо-
дит ее выброс вместе с газа-
ми и обломками льда. Такой
тип извержений не считается
обычным вулканизмом. Этому
явлению дали особое назва-
ние — криовулканизм.
Изливание лавы из вулкана
Вулкан в виде трещины в
земной поверхности
Извержение вулкана на спутнике
Юпитера Ио. Фото NASA
ВУЛКАНЫ НА ПЛАНЕТАХ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Вулканы встречаются не только на Земле, но и на других
планетах и их спутниках. Самой высокой горой Солнеч-
ной системы является марсианский вулкан Олимп высо-
той 26 км. В Солнечной системе наибольшей вулканиче-
ской активностью обладает спутник Юпитера Ио. Длина
шлейфа извергнутого вещества там достигает 300 км.
Как устроена планета Земля? 67
ОТВЕТЫ
1 (с. 55). Из-за симметрично-
сти формы Земли сила, дей-
ствующая на тело в ее центре
со стороны любого фрагмен-
та земного шара, уравнове-
шивается силой притяжения
аналогичного фрагмента, рас-
положенного на таком же
расстоянии от центра, но с
противоположной стороны
от него.
2 (с. 56). Смена времен года
на любой планете зависит от
величины наклона оси вра-
щения планеты — угла меж-
ду осью и перпендикуляром
к плоскости орбиты плане-
ты. Если бы не было этого
наклона, смены времен года
на Земле не существовало
бы. Ось вращения Юпите-
ра почти перпендикулярна
его орбите, следовательно,
на этой планете нет смены
времен года. К тому же она
очень быстро вращается во-
круг собственной оси: каж-
дая точка экватора движет-
ся со скоростью 45 000 км/ч,
то есть в 26 раз быстрее, чем
на Земле.
3 (с. 57). Расстояния планет
от Солнца увеличиваются,
потому что слабеет сила
притяжения к нему.
4 (с. 57). Самая большая пла-
нета Солнечной системы —
Юпитер. Он больше Земли в
13 раз и находится на огром-
ном расстоянии от нее. Что-
бы долететь до Юпитера, по-
требуется два года. У него
много спутников — 63. А са-
мая маленькая планета —
Меркурий.
5 (с. 60). Сталь, из которой
изготовлены шарики, явля-
ется ферромагнетиком. В
поле постоянного магнита
ближайший к нему шарик
намагничивается, причем
так, что его южный по-
люс (S) обращен к постоян-
ному магниту. В свою оче-
редь, первый шарик своим
магнитным полем намагни-
чивает второй шарик, ко-
торый обращен к первому
южным полюсом. Таким же
образом приобретают свой-
ства магнита и остальные
шарики.
6 (с. 65). Прорыв труб на теп-
лотрассах.
Разлившаяся по поверхности земли лава представляет огромную опасность
для расположенных поблизости населенных пунктов
68 Физическая основа природных явлений
ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА
ПРИРОДНЫХЯВЛЕНИЙ
Атмосфера
Побывав в мрачном под-
земном царстве, выйдем
на солнечный свет, вздох-
нем с облегчением и посмо-
трим вверх. Над нами разлит
громадный газовый океан, кото-
рым мы дышим, а следователь-
но, благодаря которому и жи-
вем. Это атмосфера. Она имеет
большую массу, благодаря чему
удерживается гравитационным
полем Земли около планеты.
Значительная по толщине воз-
душная «рубашка» служит щи-
том, защищающим нас от бом-
бардировки метеороидами.
Что такое атмосфера? Воз-
душная оболочка, которая
окружает планету, вращается
вместе с ней и оберегает ее,
как скорлупа цыпленка. Газ,
находящийся в атмосфере,
называют воздухом. Атмос-
фера начинается в верхней ча-
сти земной коры и океанских
глубин и тянется в направле-
нии космоса на десятки ки-
лометров. Условно считается,
что граница между атмосфе-
рой и космосом расположе-
на на высоте около 100 км —
там, где уже не могут летать
самолеты. На самом деле ат-
мосфера простирается гораз-
до выше.
Она состоит из различных
газов. Основные из них — азот
(78%) и кислород (21%). Кро-
ме того, атмосфера содержит
примеси углекислого газа и др.
В ней присутствует и вода — в
виде пара, капель влаги в обла-
ках и кристалликов льда.
Атмосфера Земли
Слои атмосферы
Атмосфера состоит из
нескольких слоев, каж-
дый из которых имеет
особые физические условия и
химический состав. В нижней
части атмосферы, которую на-
зывают тропосферой, сосре-
доточено около 4/5 всей массы
воздуха. Здесь протекает жизнь
человека и животных. Высота
тропосферы — около 10—15 км,
температура с ростом высоты
падает в среднем на 0,6°С каж-
дые 100 м. В этом слое находится
практически весь водяной пар и
образуются почти все облака.
Над разными широтами
высота тропосферы неодина-
кова: над экватором — око-
ло 15 км, над полюсами — до
9 км, а в умеренных широ-
тах — 10—12 км. Давление воз-
духа на верхней границе тро-
посферы в 5—8 раз меньше,
чем на нижней. В этом слое
происходят процессы, име-
ющие решающее значение для
формирования климата и по-
годы на земной поверхности.
Над тропосферой распо-
ложена стратосфера. Она про-
стирается до высоты 50—55 км
над поверхностью Земли. Тем-
Строение земной атмосферы
1. Тропосфера 4. Термосфера
2. Стратосфера 5. Экзосфера
3. Мезосфера
10 000 км
690 км
85 км
50 км
20 км
Физическая основа природных явлений 69
пература стратосферы растет
вместе с высотой и достигает
около 42°С. Причиной нагре-
ва этого слоя является погло-
щение тепла солнечных лучей
находящимся здесь озоном.
Озон — это особая форма кис-
лорода, где молекула состо-
ит из трех атомов кислорода
вместо обычных двух. Горячий
озоновый слой защищает нас
от наиболее активных солнеч-
ных лучей — ультрафиолето-
Озоновый слой атмосферы
защищает живых существ
от вредного воздействия
солнечных ультрафиолетовых
лучей
вых. Без него мы не выдержали
бы солнечного света.
Выше стратосферы лежит
слой мезосферы высотой до
80 км. В нем температура по
мере удаления от Земли пада-
ет до нескольких десятков гра-
дусов ниже нуля. На верхней
границе этого слоя давление
воздуха в 200 раз меньше, чем
на поверхности Земли.
В тропосфере, стратосфе-
ре и мезосфере сосредоточе-
на почти вся масса воздуха, в
верхних слоях находится лишь
ничтожное его количество.
Выше мезосферы располо-
жена термосфера, для кото-
рой характерны очень высокие
температуры. Ее разделяют на
два слоя: ионосферу, которая
простирается до высоты по-
рядка 1000 км, и экзосферу, пе-
реходящую в земную корону.
В ионосфере содержание
ионизированных атомов —
ионов — во много раз больше,
чем в нижележащих слоях.
Они представляют собой за-
ряженные атомы кислорода
и молекулы окиси азота; при-
сутствуют также свободные
электроны. Температура здесь
очень высока: на расстоянии
около 800 км от поверхности
Земли она достигает 1000°С.
Экзосфера заканчивается вме-
сте с земной атмосферой на
высоте порядка 2000—3000 км,
где находится земная корона,
простирающаяся более чем
на 20 000 км. Она образована
очень разреженным водоро-
дом: здесь в 1 см3 находится не
более 1000 атомов этого газа.
ВОПРОС 1
Чем отличается движение
одной и той же молекулы
в воздухе и вакууме?
Атмосферное давление
Гравитационное притя-
жение Земли заставляет
воздух оказывать давле-
ние на земную поверхность и
все находящиеся на ней пред-
меты — это давление называ-
ется атмосферным. Наиболее
высоко атмосферное давление
около поверхности, а при уда-
лении от нее оно постепен-
но снижается. В отличие от
жидкостей газ способен сжи-
маться, поэтому атмосферное
давление с ростом высоты из-
меняется не прямо пропорци-
онально (как давление жидко-
сти с уменьшением глубины),
а более быстро.
Общий вес нашей атмосфе-
ры составляет приблизительно
4,5 млн млрд т. Таким образом,
вес атмосферы, приходящийся
на единицу площади, или атмо-
сферное давление, на уров-
не моря составляет примерно
11 т/м2 = 1,1 кг/см2. Более точно
это давление в среднем равняет-
ся 1,033 кг/см2, что соответствует
давлению ртутного столба вы-
сотой 760 мм. Именно оно при-
нимается в качестве стандартного
среднего значения атмосферного
давления.
ВОПРОС 2
Почему в горах трудно
дышать?
ВОПРОС 3
Почему мы не чувствуем
давления воздуха? Ведь на
человека давит столб воз-
духа массой более 15 т!
70 Физическая основа природных явлений
ВОЗРАСТ АТМОСФЕРЫ
Формирование химического состава ат-
мосферы началось около 4 млрд лет на-
зад. Изначально она состояла лишь из
легких газов — гелия и водорода. Перво-
начальная газовая оболочка вокруг Земли
возникла из-за извержения вулканов, ко-
торые вместе с лавой выбрасывали огром-
ное количество газов. В дальнейшем на-
чался газообмен с водными пространства-
ми, живыми организмами, продуктами их
деятельности. Состав воздуха постепенно
менялся и в современном виде зафикси-
ровался примерно 780 млн лет назад, ког-
да содержание кислорода в атмосфере до-
стигло стабильного уровня и больше уже
никогда существенно не менялось.
АТМОСФЕРА И ЗДОРОВЬЕ
При очень низких и высоких температурах
воздуха, особенно при большой его влажно-
сти, наступают местные и общие расстрой-
ства теплорегуляции организма человека,
следствием чего могут быть ознобления и
отморожения (при низких температурах)
или перегревание вплоть до теплового уда-
ра (при высоких температурах). Большая
влажность при низких температурах вызы-
вает усиленную отдачу тепла организмом,
его переохлаждение, при высокой же тем-
пературе — полное нарушение теплооб-
мена организма с окружающей средой, так
как в этих условиях затруднена теплоотда-
ча организма не только путем теплообмена
и излучения, но, главное, и путем испаре-
ния влаги с поверхности тела. В связи с этим
снижается работоспособность и возможны
тепловые удары.
Атмосферы других планет
Газовые оболочки есть и у других планет.
На них не обнаружены признаки жизни,
поскольку их атмосферы сильно отлича-
ются от земной.
Венера — ближайшая к Солнцу планета,
которая имеет атмосферу, состоящую из угле-
кислого газа и не выпускающую наружу тепло
Солнца, создавая парниковый эффект. Из-за
этого температура на поверхности Венеры со-
ставляет 500°С.
Марс имеет схожую по составу с венериан-
ской атмосферу, также состоящую в основном
из углекислого газа, но с примесями азота, арго-
на, кислорода и водяного пара, правда, в очень
небольших количествах. Несмотря на приемле-
мую температуру поверхности Марса в опреде-
ленное время суток, дышать такой атмосферой
невозможно.
У планет-гигантов нет твердой поверхно-
сти, а их газовые оболочки по своему составу
напоминают солнечную. Например, атмосфе-
ра Юпитера в основном состоит из водорода
и гелия с небольшим количеством метана, се-
роводорода, аммиака и воды. Очень похожа на
нее атмосфера Сатурна. Плотность газов в ней
необычайно высока, поэтому наблюдению до-
ступны только ее верхние слои. В них плавают
облака из замерзшего газа аммиака, а скорость
ветра иногда достигает 1500 км/ч.
Меркурий — самая близкая к Солнцу планета.
Он имеет очень разреженную атмосферу.
Давление у поверхности планеты в 500 млрд раз
меньше, чем у поверхности Земли
Физическая основа природных явлений 71
Атмосфера Урана, как и остальных крупных
планет Солнечной системы, состоит из водо-
рода и гелия. Уран не подогревается никакими
внутренними источниками тепла и энергию по-
лучает только от Солнца. Поэтому у этой пла-
неты самая холодная атмосфера во всей Солнеч-
ной системе. Похожая атмосфера и у Нептуна.
Нептун имеет плотную атмосферу, состоящую
из газов водорода, гелия и метана. Метан
поглощает красную часть света, в результате
чего атмосфера окрашена в синий цвет
Над Плутоном небо голубое!
Самый удивительный сюр-
приз преподнесла малая
планета Плутон. Еще не
так давно она была полноправ-
ным членом солнечного «се-
мейства» и считалась девятой
планетой. Но затем Плутон
«понизили в звании» и отнесли
к разряду карликовых планет.
Он удален от Солнца на рассто-
яние более 7 млрд км, то есть в
50 раз дальше Земли. Казалось
бы, что можно ожидать от ле-
дяного карлика? Однако цвет-
ные снимки, полученные от
космического зонда NASA New
Horizons, показали, что над
Плутоном есть голубая дымка.
Ну кто ожидал обнаружить
там голубое небо?
Сами частицы, скорее все-
го, красные или серые, но то,
как они рассеивают свет, и его
голубой оттенок говорят о раз-
мере и составе частиц дымки.
Синее небо, как мы уже знаем,
является результатом рассе-
яния солнечного света очень
маленькими частицами. На
Земле эти частицы — моле-
кулы азота. На Плутоне они
оказались побольше, но все
еще достаточно маленькими,
похожими на сажу; их назва-
ли «толины». Ученые пола-
гают, что небо над Плутоном
окрашено в голубой цвет из-за
азота и метана, входящих в со-
став этих частиц. Под воздей-
ствием солнечных лучей эти
два газа испаряются с поверх-
ности частиц и поднимаются в
атмосферу Плутона.
ВОПРОС 4
Какая планета выглядит
самой яркой на небе?
Атмосфера малой планеты
Космический зонд NASA New Horizons над Плутоном. 2015 г. Плутон голубого цвета
72 Физическая основа природных явлений
Экзопланеты
У многих звезд за преде-
лами Солнечной систе-
мы есть свои планетар-
ные системы, которых сегод-
ня насчитывается более 500.
Из них половина звезд име-
ют по две планеты. Планеты,
находящиеся за пределами
Солнечной системы, назва-
ли экзопланетами (греческая
приставка «экзо» означает
«вне, снаружи»).
На некоторых из них есть
атмосфера. Планета Осирис
в созвездии Пегаса окружена
газовой оболочкой, в которой
астрономы обнаружили при-
знаки наличия воды, углекис-
лого газа, водорода, натрия и
метана (на Земле этот газ вы-
деляет в болотах).
На экзопланете, принад-
лежащей созвездию Лебедя и
вчетверо превышающей Зем-
В космосе существует
огромное количество планет,
и некоторые из них имеют
атмосферу
лю по размеру, удалось об-
наружить водяной пар. На-
звание экзопланеты, которую
от нас отделяют 124 световых
года (то есть свет проходит
это расстояние за 124 земных
года), весьма своеобразное —
HAT P-llb.
КАК ИЗУЧАЮТ АТМОСФЕРЫ
ЭКЗОПЛАНЕТ?
Чтобы проверить наличие атмосферы на
далеких планетах, астрономы используют
особенность света в период, когда плане-
та проходит перед своей звездой. В этот
момент атмосферные вещества сильно
поглощают испускаемое звездой излуче-
ние. Получив такой спектр света звезды,
наблюдаемого в телескоп, его сравнивают
со спектром этой звезды во время, когда
планета не мешает. Из этого сравнения
определяют, какая именно часть излуче-
ния поглощается атмосферой планеты.
Таким же путем определяют присутствие
в атмосфере исследуемой планеты тех
или иных химических веществ.
На экзопланетах могут плескаться моря,
правда, необязательно из воды
Физическая основа природных явлений 73
Климат
Свойства атмосферы и про-
цессы в ней играют важ-
нейшую роль в форми-
ровании климата и погоды на
Земле. Очень многое зависит
от количества солнечных лучей,
характера поверхности и атмос-
ферной циркуляции воздуха.
Атмосфера пропускает теп-
ло солнечных лучей и погло-
щает вредную для жизни ра-
диацию. Лучи Солнца падают
на разные участки Земли под
различными углами. Поэтому
количество солнечной энер-
гии, которое попадает на 1 м2
земной поверхности, различ-
но в разных местах.
ПОТОК ВЕКТОРНОЙ
ФИЗИЧЕСКОЙ
ВЕЛИЧИНЫ
В физике, если что-то (теп-
ло, частицы, электриче-
ское поле) проходит че-
рез какую-нибудь поверх-
ность, используют специ-
альный термин — поток
этого «чего-то». В случае
тепла потоком будет коли-
чество тепловой энергии,
протекающей сквозь еди-
ничную площадку (1 см2
или 1 м2) в единицу вре-
мени (то есть за 1 с). По-
скольку энергия куда-то
движется, то разумно счи-
тать поток вектором. Если
он перпендикулярен пло-
щадке, через которую те-
чет тепло, то поток макси-
мальный. Если поток на-
правлен вдоль площадки,
то энергия не пересекает
ее, и поток равен нулю. В
общем, чем больше поток
наклонен к поверхности,
тем меньше тепла проте-
кает сквозь нее.
Атмосферный фронт
На экваторе солнечные лучи
падают практически отвесно,
потому здесь очень жарко. Чем
ближе к полюсам, тем больше
угол наклона, и температура
понижается.
Из-за неравномерного на-
гревания Земли воздух в атмос-
фере постоянно движется и
формируются воздушные тече-
Падение солнечных лучей на поверхность Земли на разных
широтах (автор рисунка — Peter Halasz)
ния. Их различают по разме-
рам. Самые маленькие (де-
сятки и сотни метров) — это
местные ветра. Далее следуют
муссоны и пассаты, циклоны
и антициклоны, планетарные
фронтальные зоны. Все эти
воздушные массы постоянно
перемещаются. Некоторые из
них сохраняют направление
74 Физическая основа природных явлений
движения. Например, пассаты, которые дуют
от субтропиков по направлению к экватору.
Движение других воздушных масс во многом
зависит от атмосферного давления. Таким об-
разом, мы видим, что атмосферное давление
также влияет на формирование климата. Как
известно, воздушные массы перемещаются из
области с повышенным атмосферным давлени-
ем в сторону области, где это давление ниже.
В атмосфере Земли выделено семь зон. Эква-
тор — зона низкого давления. По обе стороны от
него вплоть до 30° широты — области высокого
давления. От 30° до 60° опять находятся зоны
низкого давления. А от 60° до полюсов лежат
области высокого давления. Между этими зо-
нами и циркулируют воздушные массы. Те, что
идут с моря на сушу, несут дожди и ненастье, а
массы, которые дуют с континентов, — ясную и
сухую погоду. В местах, где воздушные течения
сталкиваются, образуются зоны атмосферного
фронта, которые характеризуются осадками и
ненастной, ветреной погодой.
Схема движения бриза днем (красные стрелки)
и ночью (синие). Бриз — ветер, дующий
на побережье больших озер и морей. Его
направление меняется дважды в сутки: дневной
(морской) бриз дует с моря на разогретое
дневными лучами солнца побережье. Ночной
(береговой) бриз имеет противоположное
направление
Морской бриз
Береговой бриз
Роса
Почему летом в утрен-
ние и вечерние часы
трава становится мо-
крой? Причиной тому являет-
ся роса — маленькие капельки
воды, появляющиеся невесть
откуда. Конечно, чудес здесь
нет, есть лишь простые физи-
ческие явления.
Атмосферный воздух со-
держит водяной пар. Он об-
разуется при испарении воды
с поверхностей водоемов при
достаточно высокой темпера-
туре. Вечером и ночью проис-
ходит охлаждение как самого
воздуха, так и земной поверх-
ности. Быстрее всего остывает
воздух (а с ним и водяной пар),
находящийся поблизости от
земли. При определенной тем-
пературе, называемой точкой
росы, пар начинает превра-
щаться в воду (конденсиро-
ваться).
ВОПРОС 5
Отчего запотевают окна
в квартирах? И почему из-
нутри, а не снаружи?
Роса образуется при поло-
жительных температурах, ко-
торые не позволяют ей замерз-
нуть. А при отрицательной
температуре водяной пар сра-
зу переходит в твердое состоя-
ние и образуется иней.
Физическая основа природных явлений 75
Дождь
Из любого водоема испа-
ряется вода — с поверх-
ности морей, рек и пру-
дов. Испаряется она и из луж, и
с листьев деревьев, и даже с по-
верхности нашего тела, особен-
но когда мы потеем. Вместе с
потоками теплого воздуха водя-
ной пар поднимается все выше
и выше. Чем дальше от земли,
тем воздух становится холоднее,
поэтому происходит обратный
испарению процесс — конден-
сация, то есть переход воды из
газообразного состояния (пара)
в жидкое (собственно воду).
Вначале образуются мельчай-
шие капельки, подвешенные в
воздухе, — это облака, возник-
новение которых далеко не всег-
да приводит к дождю.
Обычно ветер уносит облака
далеко от тех мест, где они обра-
зовались. Если облако попадает
в поток более теплого воздуха,
капельки снова превращаются в
пар. Но если холодного воздуха
много, капли постепенно увели-
чиваются в размерах, одновре-
менно опускаясь под действием
своей тяжести. Это уже не лег-
кое белое облачко — это серая
и тяжелая дождевая туча.
ВОПРОС 6
Дохните себе на руку —
ощущается тепло. Теперь
дуньте на руку — чувствует-
ся прохлада. Как объяснить
эти ощущения?
Когда водяные капли ста-
новятся достаточно большими,
они падают вниз, по пути слива-
ясь со встреченными маленьки-
ми капельками. От того, с какой
скоростью растут капли, зависит
Облака разной степени насыщенности водяными парами
76 Физическая основа природных явлений
сила дождя, который пролива-
ется из тучи. Капельки имеют
одинаковую форму, но их раз-
мер может изменяться от 0,5 до
6 мм в диаметре. Капли мень-
ших размеров относят к мороси.
Интенсивность дождей в
значительной степени зависит
от региона: так как в жарком
климате поверхность земли
нагревается быстрее и сильнее,
это вызывает более мощный
поток поднимающегося водя-
ного пара.
ДОЖДЬ СО СНЕГОМ
Осенью и зимой довольно часто с неба падают впере-
мешку дождь и снег. Это случается при оттепелях, когда
температура воздуха у поверхности земли выше нуля, и
снежинки, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы,
попадая в теплый слой воздуха, начинают таять. В резуль-
тате с неба падают и капли дождя, и не успевшие растаять
снежинки, а на земле вместо красивого белого ковра ле-
жит мокрая грязная каша.
Ледяной
ДОЖДЬ
В холодное время года при отрицательной
температуре воздуха иногда случается ле-
дяной дождь. Происходит это так. Из ка-
ких-нибудь заморских стран более теплый воз-
душный поток приносит дождевую тучу. Падая
вниз, ее капли долетают до холодного воздуха
близ промерзшей земли и замерзают снаружи,
образуя шарики, наполненные водой. Достигая
земли, шарики разбиваются, вода выливается и
тут же замерзает, обволакивая все ледяной кор-
кой. Это очень красивое явление, но и весьма
опасное: на скользком асфальте можно упасть
и сломать руку или ноту, деревья переламыва-
ются под тяжестью намерзшего льда, а прово-
да, оборвавшись, могут вызвать удар электриче-
ским током.
Листочек во льдинке напоминает
насекомое в янтаре
Физическая основа природных явлений 77
Всемирный водный цикл
Дождь является состав-
ной частью общепла-
нетного явления, на-
зываемого круговоротом воды
в природе. Это циклический
(повторяющийся раз за разом)
процесс, состоящий в том, что
между сушей, гидросферой (то
есть всеми водоемами плане-
ты), атмосферой и литосферой
(земной корой) происходит бес-
прерывный водообмен, а сама
вода попеременно пребывает в
жидком, твердом и парообраз-
ном состояниях. Она не просто
движется, но и переносит с со-
бой немало полезных веществ,
без которых на поверхности на-
шей планеты попросту не смог-
ла бы существовать жизнь.
Цикл составляют процессы
испарения, конденсации и вы-
Круговорот воды в природе
падения осадков. К последним
относятся дождь всех видов, снег,
иней и т. д. Интенсивность испа-
рения зависит от температуры,
влажности и скорости переме-
щения воздушных потоков — ве-
тра. Атмосферный водяной пар
по большей части поставляется
из теплых областей — океани-
ческих тропиков и субтропиков.
В среднем обновление водяного
пара в атмосфере происходит
раз в 10 дней. По мере продви-
жения насыщенного влагой воз-
духа в верхние слои атмосферы
он охлаждается и расширяется
за счет понижения давления.
Далее происходит конденса-
ция, образуются мельчайшие
капельки, слагающие облака,
после чего идут дожди, а также
выпадает снег.
ПЕШКОМ ИЗ АНГЛИИ
ВО ФРАНЦИЮ
С момента окончательно-
го формирования совре-
менной атмосферы (мно-
го миллионов лет тому
назад) полное количество
воды на поверхности пла-
неты практически не из-
менилось. Из этого факта
следуют любопытные вы-
воды. Во время последне-
го ледникового периода
большие водные запасы
сконцентрировались в го-
рах и ледниковых шапках,
спустившихся с полюсов.
Поэтому уровень воды
в океанах был намного
ниже, чем сейчас. Затем
ледники стали постепен-
но таять, причем про-
цесс происходит по сей
день. 18 000 лет назад мож-
но было прогуляться по
суше от Британии до Ев-
ропы или от Азии до Аля-
ски. Западное побережье
Британии тогда распола-
галось на 150 км западнее,
чем ныне.
Если бы всю воду, которая
ежегодно испаряется с поверх-
ности Земли, поместили в во-
ображаемый сосуд в виде куба,
то его сторона составила бы
80 км. Такой же объем воды в
виде дождя и снега через неко-
торое время снова возвраща-
ется на поверхность земного
шара.
78 Физическая основа природных явлений
ПОЧЕМУ В ЛУЖАХ ПОЯВЛЯЮТСЯ
ПУЗЫРИ?
Пузыри на воде во время дождя образуют-
ся при ударе падающих дождевых капель
о воду, когда под пленку воды, выплескива-
емой наверх, попадает воздух. Он-то и соз-
дает пузыри, оболочка которых существу-
ет за счет сцепления молекул воды между
собой. Чтобы пузыри были достаточно
крупными и хорошо заметными и к тому
же способными сохраняться на поверх-
ности воды достаточно долго, капли до-
ждя должны сами быть большими. Круп-
ные капли бывают при ливнях. Ливневый
дождь очень сильный, но короткий.
Образование пузыря при падении капли дождя
на поверхность воды
Радуга
Радуга появляется только
во время ливня, когда
идет дождь и одновре-
менно светит солнце. Центр
окружности, которую описы-
вает радуга, всегда лежит на
прямой, проходящей через
солнце и глаз наблюдателя.
Поэтому, чтобы видеть это
красивое явление, необходи-
мо стать строго между свети-
лом (оно должно быть сзади)
и дождем (он должен быть пе-
ред лицом). Солнце посылает
свои лучи, которые, попадая
на капельки дождя, создают
спектр. Если солнце высоко в
небе, провести такую прямую
линию невозможно. Вот поче-
му радугу можно наблюдать
только рано утром или ближе
к вечеру. Утренняя радуга воз-
никает, если солнце находится
на востоке, а дождь идет на за-
паде. Во второй половине дня
радуга появляется, когда солн-
це расположено на западе, а
дождь льет на востоке.
ОТ ЧЕГО ЗАВИСЯТ ШИРИНА
И ЯРКОСТЬ РАДУГИ?
Радуга может быть разной по ширине и яркости цветов. Это
зависит от размера капель, на которых преломляется свет.
Если частицы воды крупные — радуга будет яркой и узкой.
Если же капли мелкие, то радуга окажется широкой, но с
блеклыми оранжевыми и желтыми краями.
Физическая основа природных явлений 79
С земли радуга предста-
ет перед нами в форме арки.
А целиком ее можно увидеть
только с самолета или очень
высокой горы. Оттуда откро-
ется, что на самом деле радуга
имеет круглую форму. Дело в
том, что капля, обладающая
сферической формой и осве-
щаемая пучком параллельно-
го солнечного света, способна
создать спектр только в виде
окружности. А ее нижняя часть
скрыта под линией горизонта,
когда мы любуемся радугой с
земли.
ЛУННАЯ РАДУГА
В яркую лунную ночь можно увидеть радугу от луны.
Наиболее часто ее наблюдают те, кто живет в дождливой
местности или возле большого водопада. Разглядеть лун-
ную радугу можно на противоположной от луны стороне
неба во время полнолуния (плюс-минус несколько ночей).
Ночное светило должно находиться низко над горизон-
том, небосвод — быть практически черным, и конечно,
с противоположной стороны от луны должен моросить
дождь. Цвета лунной радуги рассмотреть непросто — ее
свет для наших глаз слишком слаб. А если ее наблюдать с
помощью оптических приборов, то можно увидеть лишь
дугу белого цвета.
СКОЛЬКО РАДУГ
МОЖНО УВИДЕТЬ
ОДНОВРЕМЕННО?
Иногда лучи света, про-
шедшие внутрь капли, от-
ражаются от нее два раза и
более. Тогда на небе видны
сразу две радуги (третья
и последующие, как пра-
вило, неразличимы для
глаза). Вместе с таким яв-
лением обычно видна и
полоса Александра — тем-
ный участок неба между
радугами.
Двойная радуга с полосой
Александра
Как образуется град?
Если говорить просто, то
град — это разновид-
ность атмосферных осад-
ков, выпадающих в виде частиц
льда. Обычно град идет летом
во время грозы и ливня из до-
вольно крупных кучево-дожде-
вых облаков.
Тучу, которая несет град,
можно распознать еще при ее
приближении. Она, как прави-
ло, «сидит верхом» на черной и
широкой грозовой туче. Обыч-
но градовое облако похоже на
высокую скалу с несколькими
острыми вершинами. Если на
тучу посмотреть через неболь-
шой телескоп или очень мощ-
ный бинокль, то можно на-
блюдать, как в ней пульсируют
сильные вертикальные потоки.
«Биография» града отра-
жена в его строении. Крупная
градина, разрезанная пополам,
состоит подобно луковице из
нескольких слоев льда. Иногда
80 Физическая основа природных явлений
Такие тучи могут нести град
градины напоминают слоеный
пирог, где чередуются лед и
снег. По таким слоям можно
вычислить, сколько раз кусо-
чек льда совершал странствие
из дождевых облаков в переох-
лажденные слои атмосферы.
Зарождается град на высо-
те более 5 км, где летом темпе-
ратура не поднимается выше
15°С. Причиной появления
града являются капельки до-
ждя, которые, проходя через
слои холодного воздуха, под-
нимаются, а затем опускают-
ся, все сильнее замерзая и пре-
вращаясь в твердые ледяные
шарики. Иногда они довольно
долго колеблются вверх-вниз,
покрываясь все более толстым
слоем льда и снега и увеличи-
ваясь в объеме. Когда на гра-
дине нарастает достаточное
количество льда, ее масса ста-
новится столь большой, что с
ней уже не справляется сила
восходящих воздушных пото-
ков. Тогда «растолстевшие»
градины обрушиваются на
НЕБЕСНАЯ
«АРТИЛЛЕРИЯ»
Довольно большой вред
подобные осадки наносят
сельскому хозяйству. Ведь
они способны, в зависимо-
сти от длительности вы-
падения и размеров гра-
дин, практически полно-
стью уничтожить посадки
культурных растений. Но
достается и владельцам ав-
Физическая основа природных явлений 81
Снег
Присутствующий всегда в
атмосфере водяной пар
постепенно поднимает-
ся и образует облака. В верх-
них слоях атмосферы очень
холодно. Крохотные капли во-
ды, находящиеся в облаках,
притягиваются к частичкам
пыли и замерзают. Образован-
ные кристаллы льда сначала
обладают крайне небольшими
размерами — не более 1/10 мм
в диаметре, причем имеют
форму правильного шести-
угольника.
На вершины этих кристал-
ликов внутри облака впослед-
ствии осаждаются новые кри-
сталлы, причем это происходит
непрерывно. Возникают более
крупные и тяжелые образова-
ния — снежинки. Когда сне-
жинка становится тяжелее, чем
воздух, она падает на землю и в
холодный период года не успе-
вает растаять при полете. Имен-
но поэтому идет снег.
ЛЮБОПЫТНЫЕ
ФАКТЫ
Самая большая снежинка
была найдена в далеком
1887 г. в США в одном из
городов штата Монта-
на. Ее диаметр составлял
примерно 38 см, а вес —
несколько граммов.
Однажды в Швейцарии
выпал черный снег, а в
США — зеленый. На Юж-
ном полюсе Земли — в Ан-
тарктиде — встречается
снег розового и фиолето-
вого оттенков. Такой цвет
снегу придают обитающие
в нем микроорганизмы.
Снежинки всегда имеют ви-
ды звезд с шестью лучами. Их
формы бесконечно разнооб-
разны. Невозможно найти две
одинаковые снежинки. Однако
углы между соседними их лу-
чами всегда составляют 60°, что
объясняется строением моле-
кулы воды: кристалл льда име-
ет форму правильного шести-
угольника. Самые распростра-
ненные формы кристаллов —
пластинки, звездочки, иглы и
столбцы с наконечником.
Снежинки имеют самые
разнообразные очертания
ВОПРОС 7
Какую симметрию и ка-
кого порядка имеет сне-
жинка?
ЕСТЬ ЛИ СНЕГ
НА ДРУГИХ
НЕБЕСНЫХ
ОБЪЕКТАХ?
Снег на Марсе существу-
ет (обычный и из сухого
льда, то есть замерзше-
го углекислого газа). На
спутнике Сатурна Титане
снежный покров состо-
ит из превратившегося в
лед газа метана, а на спут-
нике Нептуна Тритоне
снег представляет собой
смесь нескольких замерз-
ших газов. Космический
зонд New Horizons в 2015 г.
обнаружил на Плутоне
участки с водяным льдом.
82 Физическая основа природных явлений
Гало
Радугу можно увидеть и
зимой, причем доволь-
но часто. Вид ее, однако,
будет несколько иным — све-
тящееся кольцо вокруг Солн-
ца или Луны. Это оптическое
атмосферное явление имеет
специальное название — гало.
Как и радуга, гало вызывается
преломлением и разложением
света (дисперсией) в кристал-
ликах льда, содержащихся в
громадном количестве в мороз-
ном воздухе. Солнечные лучи,
проходя сквозь них, прелом-
ляются, образуя с внутренней
стороны гало свечение крас-
новатого цвета. В очень редких
случаях свечение состоит из
полного спектра цветов. Гало
возникает с появлением тон-
ких перистых облаков на небе
(на высоте около 6 км) — имен-
но они преломляют солнеч-
ные лучи.
А что такое лунное гало?
Ночью это явление представ-
ляет собой два-три овальных
кольца вокруг Луны. В боль-
шинстве случаев они наблюда-
ются в высоких кучевых обла-
ках. Кольца могут быть разно-
го размера, в зависимости от
высоты нашего спутника над
горизонтом.
Лунное гало
Солнечное гало. Оно возникает в морозную погоду в результате
преломления лучей света в перистых облаках
ЧЕМ ГАЛО ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РАДУГИ?
Во-первых, гало возникает вокруг солнца, а радугу наблюдают, стоя спиной к светилу.
Во-вторых, радуга обычно содержит весь цветовой спектр, а гало окрашено очень слабо, в
основном в красный и оранжевый цвета.
В-третьих, у радуги ближе к центру расположен фиолетовый цвет, а на внешней стороне
красный. У гало красный цвет расположен ближе к центру.
Физическая основа природных явлений 83
Миражи
Миражом называют оптическое явле-
ние в атмосфере, при котором в зоне
видимости появляются изображения
предметов, при обычных условиях скрытых от
наблюдения. Встречаются миражи различных
видов. Наиболее известными являются нижние
миражи, возникающие под объектом; верхние
миражи, видимые над объектом; боковые ми-
ражи; миражи сверхдальнего видения; космиче-
ские миражи.
Так называемые озерные, или нижние, мира-
жи — самые распространенные и простые. Они
возникают над сильно охлажденной поверхно-
стью, например над холодной водой в пустынях
и знойных степях. Миражи иного вида созда-
ются объектами, лучи которых загибаются за
линию горизонта. Их называют верхними (они
возникают прямо в небе) или миражами даль-
него видения и наблюдают в северных широтах.
Нижний, или озерный, мираж в египетской
пустыне
Физической причиной всех видов миражей
является рефракция — искривление лучей, иду-
щих к наблюдателю от объектов, находящихся
на земной поверхности. Поскольку обычно тем-
пература атмосферного воздуха в разных местах
над поверхностью земли неодинакова, показа-
тель преломления света также различен в раз-
ных местах. Такие среды называются оптически
Схемы возникновения миражей в пустынной
местности (вверху) и над водоемом
неоднородными. Если, наоборот, показатель
преломления в среде постоянен, она называется
оптически однородной. Свет в ней распростра-
няется по прямой. А в оптически неоднородной
среде луч искривляется. Как именно, зависит
от того, в каком направлении по вертикали —
вверх или вниз — уменьшается показатель пре-
ломления воздуха.
Если свет распространяется в среде, пока-
затель преломления которой уменьшается в
направлении снизу вверх, то, независимо от
начального направления луча, он всегда будет
искривляться так, чтобы его траектория была
обращена выпуклостью вверх. Если показатель
преломления уменьшается в направлении свер-
ху вниз, тогда выпуклая сторона изогнутого све-
тового луча обращена вниз. Общее правило со-
стоит в следующем: в оптически неоднородной
среде световой луч изгибается так, что его траек-
тория всегда обращена выпуклостью в сторону
уменьшения показателя преломления среды.
Насколько сильно будет искривляться све-
товой луч в среде с непрерывно изменяющимся
показателем преломления? Это зависит от того,
как быстро варьируется показатель преломле-
ния с высотой. Скорость его изменения характе-
84 Физическая основа природных явлений
ризуют специальной величи-
ной — градиентом показателя
преломления. Градиент равен
изменению величины (пока-
зателя преломления) на еди-
ничном расстоянии — санти-
метре, метре. В данном случае
речь идет о градиенте пока-
зателя преломления в верти-
кальном направлении. Чем он
больше, тем круче изгибается
световой пучок.
Верхний мираж
Фата-моргана
Фата-моргана — слож-
ное оптическое явле-
ние в атмосфере, со-
стоящее из нескольких форм
миражей. При этом отдален-
ные предметы видны много-
кратно и с разнообразными
искажениями. Этот тип мира-
жей возникает, когда в нижних
слоях атмосферы образуется
несколько чередующихся сло-
ев воздуха различной плотно-
Мираж типа фата-моргана
сти, способных давать зеркаль-
ные отражения. В результате
отражения, а также преломле-
ния лучей реально существую-
щие предметы предстают на
горизонте или над ним в виде
нескольких искаженных изо-
бражений, частично налага-
ющихся друг на друга и быстро
меняющихся во времени, что и
создает причудливую картину
фата-морганы.
Гром
Вероятно, все знают, что
гром — это звук молнии.
Сначала происходит яр-
кая вспышка света, а позже,
в зависимости от расстояния
до молнии, слышны мощные
раскаты. Эго явление имеет
электрическую, довольно слож-
ную, но и интересную природу.
Прежде чем разобраться в нем,
давайте познакомимся с его
«братом меньшим» — электри-
ческим разрядом.
В самом общем виде элек-
трическим газовым разрядом
называют прохождение элек-
трического тока через газы.
Что такое ток и газ, мы уже
знаем. Ток в веществе возника-
ет при выполнении двух усло-
вий: наличия в нем свободных
зарядов; присутствия электри-
ческого поля, гоняющего эти
заряды, как пастух свое стадо.
В газах, в том числе в воз-
духе, всегда имеется некото-
рое количество носителей за-
рядов — электронов и ионов.
Если газ находится в элек-
трическом поле, то они будут
ускоряться, приобретая до-
полнительную кинетическую
Физическая основа природных явлений 85
энергию. Если поле достаточно
сильное, то электроны и ионы
при столкновении с атомами
ионизируют их, превращая
в положительно заряженные
частицы — ионы. Чем сильнее
поле, тем большую энергию
приобретают электроны и тем
большее количество атомов
они ионизируют. Количество
заряженных частиц увеличива-
ется. Под действием электри-
ческого поля отрицательные
и положительные заряды дви-
жутся в противоположных на-
правлениях — в газе возникает
электрический ток.
При некоторой величине
напряженности электрическо-
го поля скорость образова-
ния носителей за счет иони-
зации резко возрастает. Такое
электрическое поле называют
пробивным. Возникает шквал
электронов — электронная ла-
вина. Это и есть начало элек-
трического разряда. Посколь-
Электрический разряд происходит между двумя
противоположно заряженными телами
ку энергия электронов в нем
велика, они не только ионизи-
руют атомы, но и своими уда-
рами заставляют их излучать
свет. Вот почему разряды так
ярко светятся.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
Различные точки электриче-
ского поля обладают разны-
ми потенциалами. На прак-
тике обычно абсолютная
величина потенциалов от-
дельных точек электриче-
ского поля не важна. Зато
большое значение имеет
разность потенциалов меж-
ду двумя точками. Разность
потенциалов ср1 и ср2 двух то-
чек поля характеризует со-
бой работу, затрачиваемую
силами поля на перемеще-
ние единичного заряда из
точки с большим потенциа-
лом в точку с меньшим. Эта
разность называется элек-
трическим напряжением.
Его обозначают буквой И.
Электрическое напряжение
численно равно отношению
работы W, которую нужно
затратить на перемещение
положительного заряда q
из одной точки поля в дру-
гую, к этому заряду, то есть
U = W/q. Поэтому напряже-
ние И, действующее между
различными точками элек-
трического поля, характе-
ризует запасенную в этом
поле энергию, которая мо-
жет быть отдана путем пе-
ремещения между этими
точками электрических за-
рядов. Именно так «трудит-
ся» напряжение в домашней
Кто там живет, в этих «норках»?!
розетке, гоняя электроны
по проводам и заставляя их
работать на нас.
Напряженность однородно-
го электрического поля пред-
ставляет собой отношение
электрического напряжения,
действующего между двумя
точками поля, к расстоянию
I между ними: Е = 11/1.
ВОПРОС 8
Почему троллейбус дер-
жится за провода «рука-
ми»-штангами?
86 Физическая основа природных явлений
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
На заряд q в электрическом поле Е действу-
ет сила qE. Под ее действием заряд может
перемещаться в пространстве, изменяя
свою энергию. Например, в поле поло-
жительного заряда отрицательный заряд
ускоряется в направлении к первому. Его
кинетическая энергия при этом увеличи-
вается. Причиной этого прироста энергии,
очевидно, является поле. Аналогией может
служить поле тяжести Земли, ускоряющее
предметы при падении.
Таким образом, электрическое поле обла-
дает собственной энергией, за счет которой
можно произвести работу, изменив энер-
гию помещенных в него заряженных тел.
Для характеристики энергии, запасенной в
каждой точке электрического поля, суще-
ствует специальное понятие — электриче-
ский потенциал. Электрический потенциал
поля ср в данной точке равен работе, кото-
рую могут совершить силы этого поля при
перемещении единичного положительно-
го заряда (q = +1) из этой точки за пределы
поля (туда, где поля уже нет). Понятно, что
потенциал зависит от положения точки в
пространстве, то есть от ее координат.
Молния
Для формирования мол-
нии необходимо возник-
новение и разделение
положительных и отрицатель-
ных зарядов в грозовом облаке.
При движении воздуха за счет
конвекции различные воздуш-
ные потоки и облака в резуль-
тате соприкосновения элект-
ризуются. Положительно заря-
женные капли воды и льдинки
поднимаются, заряжая верх-
нюю часть грозового облака, а
отрицательно заряженные ока-
зываются внизу того же облака.
Между двумя облаками, а так-
же между облаками и землей
возникает мощное электриче-
ское поле. Рассмотрим послед-
ний случай.
Молния — это электриче-
ский разряд в атмосфере, сопро-
вождающийся вспышкой света
и последующим громом. Све-
тящийся канал разряда напо-
минает разветвляющуюся реку
или дерево. Его возникновению
предшествует образование про-
водящего канала для разряда
молнии в виде ломаной линии,
так называемого ступенчатого
Положительные заряды собраны
в верхней части облака
Механизм образования молнии
лидера. Длина каждой такой
«ступеньки» — около 50 м. На
таком отрезке электроны под
действием сильного электриче-
ского поля между тучей и зем-
лей разгоняются до скоростей
порядка 50 000 км/с! Ионизиро-
вав огромное количество ато-
мов, первичные электроны теря-
ют энергию и тормозятся. Зато
вновь образовавшиеся электро-
ны быстро разгоняются до столь
же высоких скоростей, и возни-
кает следующее звено лидера.
И так продолжается до тех пор,
пока он не достигнет земли.
Облако и земля оказывают-
ся соединенными проводящим
каналом, содержащим громад-
ное количество носителей заря-
да. Иными словами, это прово-
дник электрического тока. Те-
Физическая основа природных явлений 87
Молния между облаком и
землей
перь электроны нижней части
тучи могут свободно сигануть
вниз, на землю. Происходит как
бы короткое замыкание между
тучей и поверхностью земли —
мощный электрический раз-
ряд, то есть бьет молния. Когда
весь отрицательный заряд этой
части тучи сбегает по такому
каналу вниз, молния исчезает.
Вспышка длится десятые доли
секунды. Но бывают случаи,
когда после первой молнии по
тому же каналу бежит новый
лидер — происходят второй
разряд и вспышка молнии. Ин-
тервалы между последователь-
ными импульсами очень корот-
ки, от 1/100 до 1/10 с. Число та-
ких повторных вспышек может
доходить до 40.
ГОТОВИМ МОЛНИЮ
Мы и сами можем смоде-
лировать молнию, пусть
и миниатюрную. Опыт
следует проводить в тем-
ном помещении, иначе
ничего не будет видно.
Нам потребуется два про-
долговатых воздушных
шарика. Надуем их и за-
вяжем. Затем, следя, что-
бы шарики не соприкаса-
лись, одновременно нат-
рем их шерстяной тря-
почкой. Воздух, напол-
няющий их, наэлектризу-
ется. Если шарики сбли-
зить, оставив между ними
минимальный зазор, то от
одного к другому через
тонкий слой воздуха начнут
проскакивать искры, созда-
вая световые вспышки. Од-
новременно мы услышим
слабое потрескивание — ми-
ниатюрную копию грома
при грозе.
Молния между облаками
Отчего гремит гром?
При разряде молнии тем-
пература в канале, по
которому движется ток,
может достигать 25 000°С. Соот-
ветственно, в этой области рез-
ко увеличивается давление. Ве-
щество в канале под действием
такого давления расширяется,
приводя в движение и сжимая
сначала ближайшие, а затем
все более далекие слои воздуха.
Поверхность, которая отделяет
сжатый воздух от невозмущен-
ного, называется ударной вол-
ной. Передняя граница сжатой
области называется фронтом
ударной волны. Она движет-
ся во все стороны от канала со
сверхзвуковой скоростью. Оглу-
шительный грохот, порож-
даемый такими волнами, и есть
гром. Из-за того, что скорость
света значительно превышает
скорость звука, молния видна
сразу, а гром слышится гораздо
позднее. Раскаты грома возни-
кают вследствие того, что звук
исходит от разных участков
молнии, имеющей значитель-
ную длину. Кроме того, сам
разряд происходит не в одно
мгновение, а продолжается
определенное время.
88 Физическая основа природных явлений
МЫ ПРОВОДНИКИ!
Человеческое тело является хорошим проводником. Его мускулы и кровеносные сосуды в зна-
чительной степени состоят из воды, а нервы способны переносить электрические сигналы. Ин-
тересно, что 86% жертв молний — мужчины. То ли у них физиология особенная, то ли они
бывают на свежем воздухе чаще женщин, проводящих большую часть жизни дома.
Человек имеет значительные шансы выжить при ударе молнии в него. Конечно, темпера-
тура во время разряда очень высока, но длится он обычно недолго и не всегда приводит к
серьезным ожогам. Основной ток молнии часто проходит по поверхности тела, поэтому
большинство пораженных молнией людей не умирают.
ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О МОЛНИЯХ
• Средняя длина молнии — 2,5 км. Неко-
торые разряды простираются в атмос-
фере на расстояние до 20 км.
• Молнии также были зафиксированы
на Венере, Юпитере, Сатурне и Уране.
Молнии Сатурна в 1 млн раз сильнее
земных.
• Воздух в зоне канала молнии прак-
тически мгновенно разогревается до
температуры 25 000—30 000°С.
• От удара молнии в мире в среднем по-
гибает около 3000 человек ежегодно.
• Из деревьев молнией чаще всего по-
ражаются тополя (27%), груши (20%),
липы (12%), ели (8%), а кедровые со-
ставляют только 0,5%.
Деревянная статуя славянского бога грома и
молнии — Перуна
Шаровая
МОЛНИЯ
Очень редко встречаются
молнии иной приро-
ды. Их называют шаро-
выми. Они чаще появляются
в грозовую погоду, нередко
вслед за обычными молниями.
Иногда такая молния спуска-
ется из облаков, в редких слу-
чаях неожиданно появляется
в воздухе. Со временем выяс-
нилось, что шаровые молнии
могут возникать и в солнечную
ясную погоду. Они состоят из
светящейся массы обычно в
форме шара, несколько мень-
ше футбольного мяча, дви-
жущегося с небольшой ско-
ростью в направлении ветра.
Шаровая молния живет от 10
до 100 с, после чего обычно
взрывается с треском или бес-
следно исчезает.
Цветовая гамма просто
поражает: от прозрачного
до черного, но лидируют все
же оттенки желтого, оран-
жевого и красного. Размер
шаровой молнии колеблется
от нескольких сантиметров
до нескольких метров. Тем-
пература может быть в пре-
делах 100—1000°С. Но при
этом люди, сталкивавшиеся с
шаровыми молниями на рас-
стоянии руки, крайне редко
отмечали хоть какое-то теп-
ло, исходившее от них, хотя,
по логике, они должны были
получить ожоги. Такая же за-
гадка и с массой: какого бы
Физическая основа природных явлений 89
молния ни была размера, она
весит не более 5—7 г.
Чаще всего шаровая мол-
ния движется горизонтально,
приблизительно в 1 м над зем-
лей, довольно хаотично. Име-
ет «привычку» заходить в по-
мещения, протискиваясь при
этом сквозь маленькие отвер-
стия. Часто шаровая молния
сопровождается звуковыми эф-
фектами — треском, писком,
шумами. Наводит радиопо-
мехи. Нередки случаи, когда
наблюдаемая шаровая молния
аккуратно огибает находящие-
ся на пути предметы.
Шаровая молния
ОТВЕТЫ
1 (с. 69). В вакууме молеку-
ла двигается равномерно и
прямолинейно. В воздухе
из-за столкновений с други-
ми молекулами она переме-
щается по ломаной зигзаго-
образной линии с изменяю-
щейся скоростью.
2 (с. 69). Плотность воздуха
уменьшается с удалением
от земной поверхности. Это
происходит потому, что дав-
ление на высоте несколь-
ких километров ниже, чем
у земли. А в менее плотном
газе меньше молекул, в том
числе молекул столь важно-
го для человека кислорода.
Именно поэтому на боль-
шой высоте тяжело дышать.
3 (с. 69). Причина в том, что
внутри нас тоже есть воздух.
И он находится под таким
же давлением. Давление воз-
духа изнутри уравновеши-
вает давление на организм
снаружи. То есть наше вну-
треннее давление как раз
равно атмосферному. Вот
почему мы не замечаем дав-
ления на свой организм.
4 (с. 71). Из всех звездообраз-
ных объектов неба самым
ярким является Венера.
5 (с. 74). В воздухе, особенно в
помещениях, где находятся
люди, обычно содержится
значительное количество во-
дяного пара. При определен-
ной температуре, называе-
мой точкой росы, он начи-
нает переходить в жидкое
состояние. Температура на-
ружных окон в холодное
время года обычно ниже
точки росы водяного пара
при комнатной температу-
ре. И потому он, осаждаясь
на стекле, превращается в
мельчайшие капельки воды,
или, как говорят, конденси-
руется.
6 (с. 75). В первом случае про-
исходит конденсация водя-
ных паров, содержащихся в
выдыхаемом воздухе. А кон-
денсация, то есть превраще-
ние пара в жидкость, всегда
происходит с выделением
некоторого количества теп-
ла. А если дунуть на руку, то
быстрая струя воздуха спо-
собствует испарению влаги
с кожи. Испарение же идет с
поглощением тепла — отсю-
да и ощущение прохлады.
7 (с. 81). Вращательную сим-
метрию 6-го порядка.
8 (с. 85). Сила, которая двига-
ет троллейбус, так же, как и
трамвай, — электричество.
Электрический ток из прово-
дов, которые натянуты вдоль
маршрутов транспорта, че-
рез «руки»-штанги поступает
в троллейбус. Там он обеспе-
чивает работу электрическо-
го двигателя, приводящего
в движение машину.
90 Жидкость и ее свойства
ЖИДКОСТЬ И ЕЕ СВОЙСТВА
От истоков — к устьям
Река всегда течет с высокого участка на низкий
Почему текут реки? При-
чина кроется в свойстве
воды как жидкости —
ее текучести. А это свойство
вызывается гравитационным
полем Земли — сила тяжести
заставляет воду течь. Все реки
текут по поверхности суши (а
иногда и под ней). Суша же
расположена выше уровня мо-
рей и океанов (его называют
уровнем Мирового океана).
Он считается начальной точ-
кой измерения высоты любого
участка суши.
Любая река начинается от
истока. Им могут быть род-
ник, озеро, болото либо иной
водоем. Заканчивает река свой
путь в устье, которое непо-
средственно вливается в океан,
море, озеро или другую реку.
ВОПРОС 1
Почему горные реки те-
кут быстрее равнинных?
Расстояние между истоком и
устьем может составлять от
нескольких десятков метров до
тысяч километров. Принцип
движения воды в реке кроет-
ся в том, что исток всегда на-
ходится выше устья, причем
разница высот может быть
значительной. Повинуясь за-
конам текучести и земной гра-
витации, вода будет скатывать-
Текучесть — основное
свойство воды
ся с более высокой точки вниз,
пока не достигнет минималь-
ной высоты — своего устья.
Река от истока до устья
Жидкость и ее свойства 91
Русла
Бывают ли реки, текущие
прямолинейно? Почему
реки, тянущиеся даже
по совершенно плоской одно-
родной почве, имеют изгибы,
образованные течением? Лю-
бой прямолинейный участок
реки со временем неизбежно
превращается в извилистый, и
кривизна извилин постепенно
увеличивается. В результате
река приобретает те змеевид-
ные изгибы, которые носят
название меандров, или излу-
чин. Как объяснить эту особен-
ность поведения рек?
Причин, влияющих на фор-
мирование русла реки, нес-
колько. Ни одну из них нельзя
считать главной, потому что,
воздействуя на речной поток
каждая в своем месте, в свое
время и со своей силой, все
они влияют на формирование
русла реки.
Судите сами. Что изменя-
ет русло, то есть линию бере-
га? Размывание, разрушение
(по-научному — эрозия) бе-
реговой почвы под действием
водных потоков с последую-
щим уносом ее вещества. Ка-
кие это потоки? Ливни, весен-
ние паводки, наводнения. Все
они влияют на эрозию бере-
гов. Одна часть берега станет
размываться несколько силь-
нее других. Появляются изги-
бы русла — вогнутые в одних
местах и выпуклые в других.
При этом в таких местах ме-
няется скорость течения. В не-
больших (поначалу) выбои-
нах-изгибах берега водная мас-
са движется уже не прямоли-
нейно, а по дуге. Вблизи во-
гнутого берега частицы воды
проходят более длинный путь,
Русла рек обычно имеют сложную извилистую форму
чем вблизи следующей за ней
выпуклой части берега. Что-
бы не образовалось разрыва
потока, его часть, более близ-
кая к берету, должна переме-
щаться с большей скоростью.
Поэтому у вогнутого берега
скорость воды больше, чем у
выпуклого. А чем выше ско-
рость потока, тем больше он
сносит грунта, и эта часть бе-
рега станет размываться силь-
нее других. А вот у выпуклых
изгибов, где течение всегда
слабее, оседают ил, песок,
остатки растений. Образовав-
шиеся искривления русла бу-
дут увеличиваться (по разным
причинам) и со временем пе-
рерастут в крупную извили-
ну — меандр.
Эрозия (разрушение)
берега реки
92 Жидкость и ее свойства
Сила Кориолиса
При движении тела отно-
сительно вращающейся
системы отсчета кроме
центростремительной и цен-
тробежной сил появляется еще
одна. Ее называют силой Кори-
олиса или кориолисовой силой
инерции. Поясним, как можно
ее обнаружить. Возьмем го-
ризонтально расположенный
диск, который может вращать-
ся вокруг вертикальной оси.
Прочертим на диске радиаль-
ную прямую ОА.
себя так, как если бы на него
действовала сила FK, перпен-
дикулярная направлению дви-
жения шарика. Это и будет
сила Кориолиса.
Вода в реках течет по по-
верхности планеты, которая
вращается. А потому на нее,
как и на шарик на вращаю-
щемся диске, будет действо-
вать сила Кориолиса, снося
воду сильнее к одному из бе-
регов. Это усиливает их эро-
зию, что приводит к смеще-
нию русла реки. Величина
силы Кориолиса зависит от
скорости течения и географи-
ческой широты места наблю-
дения. Она максимальна на
экваторе и обращается в нуль
на полюсах. Особенно актив-
но сила Кориолиса действует
на тело, движущееся вдоль
меридиана (то есть точно на
север или юг).
Направление силы Корио-
лиса можно определить, поль-
зуясь правилом левой руки.
Располагаем левую руку так,
чтобы ладонь тыльной сторо-
ной была перпендикулярна
оси вращения Земли (смо-
трела примерно на Поляр-
ную звезду), а четыре пальца
были ориентированы по на-
правлению скорости движу-
щегося потока. Отставленный
под углом 90° большой палец
покажет направление силы
Кориолиса. В Северном полу-
шарии сила Кориолиса на-
правлена вправо от движения.
Поэтому правые берега рек в
Северном полушарии более
крутые — их подмывает вода
под действием этой силы.
Запустим в направлении
от О к А шарик со скоростью
V. Если диск не вращается, ша-
рик покатится вдоль радиуса
ОА. Затем приведем диск во
вращение в направлении про-
тив часовой стрелки. В этом
случае шарик будет катить-
ся по кривой ОБ, причем его
скорость относительно дис-
ка быстро изменяет свое на-
правление. Следовательно, по
отношению к вращающейся
системе отсчета шарик ведет
ВОПРОС 2
Почему долины равнин-
ных рек более широкие,
чем горных?
Река Неман в белорусском городе Гродно. На этом участке течение
направлено на северо-запад. Правый берег выше левого. А вдали, как
видно на фото, русло резко поворачивает на север, и правый берег
становится еще круче
Жидкость и ее свойства 93
Иногда реки текут вспять
Иногда реки могут ме-
нять направление свое-
го движения. Забавный
случай в XII в. произошел в
Новгороде, что стоит на реке
Волхов. Новгородцы реши-
ли избавиться от погрязшего
в грехах священника Иоанна.
Они посадили его на плот, от-
толкнули от берега, и грешник
поплыл вниз по течению в сто-
рону Онежского озера. Горо-
жане полагали, что течением
реки плот с епископом будет
унесен в Ладожское озеро, а
потом в Балтийское море. Ка-
Река Волхов, которая в прошлом иногда текла в обратном
направлении
ково же было изумление со-
бравшихся зевак, когда через
некоторое время плот оста-
новился, а затем двинулся об-
ратно! Испуганное население
Новгорода восприняло это как
ниспосланное свыше проще-
ние епископа.
Но ничего сверхъестествен-
ного и загадочного в этом слу-
чае, конечно, не было. То, что
вода в реке пошла вспять, на-
блюдается в природе не так уж
редко. Объясняется это тем,
что уклон земной поверхности
от истока реки Волхов в сторо-
ну ее устья в Ладожском озере
очень незначительный. Когда
в районе устья реки выпада-
ют сильные дожди или весной
образуется ледяной затор, а в
местности, где Волхов берет
свое начало, стоит сухая пого-
да, уровень воды в низовье ста-
новится выше, чем в верховье.
Поэтому река и текла в обрат-
ном направлении.
Иногда Нева течет вспять
в результате нагона воды из
Финского залива. Этим объяс-
няются не раз происходившие
в прошлом затопления Петер-
бурга.
На Южном Урале есть река
Сим, которая создала себе рус-
ло под высокой горой. Снача-
ла воды этой реки подходят к
горе, а потом скрываются под
ней. Реку можно увидеть сно-
ва, только минуя перевал.
УХОДЯТ
«В ПОДПОЛЬЕ»
Под влиянием солнечной
энергии с поверхности Ми-
рового океана испаряет-
ся громадное количество
воды. Часть этой влаги в
виде пара переносится
воздушными течениями
на материки. При опреде-
ленных условиях водяные
пары конденсируются и
выпадают в виде дождя,
снега, града и т. п. Часть вы-
павших осадков испаряет-
ся, часть просачивается в
землю, образуя подземные
воды, которые, двигаясь
через слой почвы, посту-
пают в ручьи и реки, так-
же возвращаясь в океан.
Подземные воды состав-
ляют часть гидросферы —
водной оболочки земного
шара.
Река Сим в России
94 Жидкость и ее свойства
Приливы и отливы
Обратные течения в устье-
вых участках многих
крупных рек могут воз-
никнуть и по другим причинам:
от ветровых и особенно прилив-
ных нагонов. Одной из таких
рек является Амазонка — самая
длинная в мире река, текущая в
Южной Америке. Она впадает в
Атлантический океан.
В морях и океанах возникают
такие впечатляющие природные
явления, как приливы и отливы.
Они вызываются притяжением
Луной и отчасти Солнцем вод
Мирового океана. Под влиянием
гравитационных сил этих све-
тил огромная приливная волна
ежедневно в определенные часы
выходит из океана в устье впа-
дающей в него большой реки и
заставляет ее течь вспять. Огром-
ная водяная масса поворачива-
ет назад, заливая берега. Когда
наступает время отлива, волна
уходит обратно в океан, и возоб-
новляется нормальное течение
реки. Там, где устья рек узкие и
скалистые, приливная волна бы-
вает очень высокой — более 10 м.
ПОДЗЕМНЫЙ ДВОЙНИК АМАЗОНКИ
Под руслом Амазонки параллельно ей на глубине около 4 км под землей течет река Хамза. Ее
длина составляет около 6000 км, а ширина — 400 км. Скорость течения Хамзы невелика — все-
го несколько метров в год. Чудо-река впадает в Атлантический океан на большой глубине.
Дельта реки Амазонки
Жидкость и ее свойства 95
Водовороты
Что такое водоворот? Ме-
сто в реке или в море,
где течением образуется
сильное вращательное движе-
ние воды. Маленькие водово-
роты в ручье или на небольшой
реке наблюдали, наверное, все.
Возникают они обычно там, где
берег вдается в русло, и поток,
столкнувшись с ним, возвра-
щается назад, против течения.
Вода начинает крутиться, а
Представьте себе узкий и
длинный залив, в который во вре-
мя прилива поступает огромная
масса воды. Проходит пик при-
лива, начинается отлив, но вся
вода не успевает вернуться обрат-
но, и отливное течение сталкива-
ется с очередным приливным.
Таким приливно-отливным
водоворотом является Наруто,
один из самых больших в мире.
Находится он между японски-
ми островами Сикоку и Авадзи.
Возникает водоворот раз в сут-
ки, когда в узкий пролив между
участками суши устремляются
воды Тихого океана. Разница
уровней между ним и Внутрен-
ним Японским морем достига-
ет 1,5 м. Вода же в течении дви-
жется со скоростью до 15 м/с.
Это делает Наруто самым бы-
стрым водоворотом в Японии и
третьим по этому показателю в
мире. Вода же закручивается в
воронку диаметром 20 м. Это-
го достаточно, чтобы потопить
даже корабль.
интенсивность движения за-
висит от силы и скорости те-
чения. Вращаясь в небольшом
пространстве, вода стремится
к внешнему краю водоворота,
создавая выемку-углубление в
центре.
Большие водовороты воз-
никают примерно так же, толь-
ко обычно сталкиваются не
течение и берег, а противо-
направленные течения. Осо-
бенно часто такие водовороты
образуются в узких проливах
между островами и участками
суши или во фьордах вслед-
ствие действия приливно-от-
ливных течений.
Водоворот Наруто
Речной водоворот
Подводная часть водоворота
96 Жидкость и ее свойства
Закон Архимеда
Все мы любим плескаться
в ванне, плавать в реч-
ке или море. Попадая
в объятия воды, неплохо бы
знать, как она действует на нас,
да и вообще на все, что в нее
попадает.
Пытливые умы задумыва-
лись об этом еще в древние
времена. Самый дотошный из
них жил во II в. до н. э. в горо-
де Сиракузы, что находился на
острове Сицилия. Сейчас там
живут итальянцы, а раньше
остров принадлежал грекам.
Одного из них звали Архи-
медом. Как-то раз правитель
Сиракуз Гиерон попросил
его выяснить, из чистого ли
золота сделана царская коро-
на или жулик-ювелир под-
мешиал в нее более дешевый
металл.
Для решения этой непро-
стой задачи Архимеду надо
было справиться с возникшей
проблемой — определить объ-
ем короны. Зная его, можно
было рассчитать массу такой
короны из чистого золота и
сравнить его с массой царской
короны. Архимед долго не
мог придумать, как узнать ее
объем, а день стоял жаркий,
и грек решил принять ванну.
Погрузившись в воду, он обра-
тил внимание на то, что уро-
вень воды в ванне поднялся.
Вода даже перелилась через
край, и в немалом количестве.
И тут Архимеда осенило, что
его тело вытеснило равную
ему по объему часть воды. Зна-
чит, и корона, если ее опустить
в заполненный до краев водой
таз, вытеснит из него воду в
объеме, равном объему этой
короны. Решение задачи было
найдено, и счастливый ученый
с криком «Эврика!» в чем мать
родила побежал к Гиерону до-
кладывать о своем открытии.
Позже в своем сочинении
«Плавающие тела» Архимед
сформулировал найденный им
основной закон гидростатики,
вошедший в науку как закон
Архимеда: «Тела, более тяже-
лые, чем жидкость, опущен-
ные в эту жидкость... станут
легче на величину веса жидко-
сти в объеме, равном объему
погруженного тела».
Закон Архимеда верен и для
газов. То есть каждое тело в возду-
хе теряет в весе столько, сколько
весит вытесненный телом воздух.
Намного ли мы легче по этой
причине, чем на самом деле?
Тело, погруженное в жидкость, теряет в весе
ровно столько, сколько весит вытесненная им
жидкость
Погруженное в жидкость тело объемом V
вытесняет часть этой жидкости объемом V
Жидкость и ее свойства 97
Что может плавать?
Своим законом Архимед открыл принцип
плавучести. Если твердое тело погрузить
в жидкость, оно вытеснит ее в объеме,
равном объему погруженной в жидкость части
тела. Давление, которое ранее действовало на
вытесненную жидкость, теперь будет действо-
вать на твердое тело, вытеснившее ее. И если
действующая вертикально вверх выталкиваю-
щая сила окажется больше силы тяжести, тя-
нущей тело вертикально вниз, оно останется на
плаву; в противном случае тело пойдет ко дну
(утонет).
Сила выталкивания зависит от плотности
жидкости, а масса — от плотности тела. Чем
выше плотность жидкости, тем меньшая часть
тела погрузится до равновесия. Наоборот, чем
больше плотность тела при заданном объеме,
тем больше его масса и тем глубже оно погру-
зится. Иными словами, тело плавает, если его
средняя плотность меньше плотности жидко-
сти, в которую оно погружено.
Сила тяжести
Выталкивающая сила
Кубики одинакового объема из пробки, дерева и
металла (слева направо). Чем больше плотность
тела при заданном объеме, тем больше его масса
и тем глубже оно погрузится
ВОПРОС 3
Металлический кубик лежит на дне сосу-
да, плотно прижавшись ко дну — так, что
между его нижней гранью и дном нет воды.
Чему равна в этом случае архимедова сида?
ЗАКОН АРХИМЕДА С ПОЗИЦИЙ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОГО СТРОЕНИЯ
ВЕЩЕСТВА
В покоящейся жидкости давление производится посредством ударов движущихся молекул.
Когда некий объем жидкости вымещается твердым телом, направленный вверх импульс уда-
ров молекул будет приходиться не на вытесненные телом молекулы жидкости, а на само тело,
чем и объясняется давление, оказываемое на него снизу и выталкивающее его в направлении
поверхности жидкости. Если же тело погружено в жидкость полностью, выталкивающая сила
будет по-прежнему действовать на него, поскольку давление нарастает с увеличением глуби-
ны, и нижняя часть тела подвергается большему давлению, чем верхняя, откуда и возникает
выталкивающая сида. Таково объяснение выталкивающей сиды на молекулярном уровне.
Почему корабли не тонут?
Описанная картина объ-
ясняет, почему судно,
сделанное из стали, ко-
торая значительно плотнее
воды, остается на плаву. Дело
в том, что объем вытесненной
судном воды равен объему по-
груженной в воду стали плюс
объему воздуха, содержащего-
ся внутри корпуса судна ниже
ватерлинии. Если рассчитать
среднюю плотность оболоч-
ки корпуса и воздуха внутри
нее, получится, что плотность
судна (как физического тела)
меньше плотности воды, по-
Такой огромный, а плывет!
98 Жидкость и ее свойства
этому выталкивающая сила,
действующая на него в резуль-
тате направленных вверх им-
пульсов удара молекул воды,
оказывается выше гравитаци-
онной силы притяжения Зем-
ли, тянущей судно ко дну, — и
корабль плывет.
ВОПРОС 4
Что тяжелее в вакууме —
тонна дерева или тонна
меди?
В СОЛЕНОМ МЁРТВОМ МОРЕ...
Выталкивающая сила растет с увеличением плотности
воды. Следовательно, в море, где вода соленая (и обладает
большей плотностью, чем пресная), выталкивающая сила,
действующая на тело, больше, чем в реке или озере, где вода
пресная. В соленой воде судно может нести более тяже-
лые грузы. Плотность пресной воды составляет 1000 кг/м3.
А в Мертвом море плотность воды равна 1278 кг/м3. В этом
озере настолько соленая вода, что в нем не тонут даже те,
кто не умеет плавать. Расположено Мертвое море на Ближ-
нем Востоке между Израилем, Иорданией и Палестиной.
ВОПРОС 5
Действует ли закон Архиме-
да в невесомости, например
на Международной кос-
мической станции?
Как плавает рыба?
Рыбы, как известно, сво-
бодно перемещаются в
вертикальном направ-
лении. Возникает подозрение,
что они знают закон Архи-
меда. А используют они его
благодаря важному органу —
плавательному пузырю. С его
помощью рыба может погру-
жаться на дно и подниматься
к поверхности воды. Плава-
тельный пузырь располагает-
ся в брюшной полости и за-
нимает очень много места. Он
представляет собой мешочек,
заполненный газами — кис-
лородом, углекислым газом,
азотом и др. Если рыбе нужно
опуститься на дно, стенки пу-
зыря сжимаются, количество
газа уменьшается, и она по-
гружается. При движении на-
верх все происходит наоборот:
стенки пузыря расслабляются,
воздух заполняет образова-
вшуюся полость, и рыба под-
нимается в толще воды.
Правда, не все виды рыб
имеют плавательный пузырь.
У некоторых морских обита-
телей, которые живут на боль-
шой глубине, роль пузыря
играет либо большое количе-
ство жира, либо сильно раз-
витая мускулатура. Жир, как
и воздух, гораздо легче воды,
поэтому глубоководные рыбы
управляют перемещением те-
ла благодаря ему. Таким ры-
бам приходится прилагать на-
много больше усилий, чтобы
подняться или опуститься в
толще воды.
Плавники быстро двигаются
влево, вправо, вверх и вниз
Жидкость и ее свойства 99
Кто может бегать по воде?
Наземные животные тоже
могут отличаться особы-
ми способностями. Не-
которым из них мало, что они
могут плавать и передвигаться
по земле, они еще научились
бегать по воде. Самое извест-
ное из таких талантливых жи-
вотных — ящерица василиск.
Несмотря на весьма крупные
размеры (до 80 см в длину), она
прекрасно лазит по ветвям де-
ревьев, отлично плавает, ныря-
ет и даже может затаиться на
дне водоема. Но одно свойство
выделяет эту рептилию среди
прочих живых существ. У ва-
силиска чрезвычайно развиты
задние лапы, при помощи ко-
торых он может стремительно
мчаться по поверхности воды,
развивая порой скорость до
12 км/ч. При этом передние
лапы ящерица прижимает к
телу, а хвост использует как ба-
лансир и руль.
Секрет уникальных спо-
собностей василиска состоит
именно в скорости, с которой
рептилия ударяет лапами по
поверхности воды. Время от-
талкивания от водной глади из-
меряется тысячными долями
секунды! В столь малое время
водяные ямки, возникающие
под лапами рептилии, ведут
себя как твердое тело. Немно-
гим больше времени василиск
тратит на полный шаг, делая
их несколько десятков в секун-
ду. Подобным же образом эти
ящерицы способны быстро бе-
гать по суше на задних лапах,
временами даже пролетая не-
которое расстояние по воздуху.
Василиск зеленый
ВАСИЛИСК НЕ ОДИНОК
Василиск не уникален в способности к хождению по воде.
Более 1200 видов животных и насекомых умеют делать
это. Более мелкие, к примеру пауки, используют при пе-
редвижении силу поверхностного натяжения, которая
удерживает молекулы воды вместе. Благодаря этому паук
не погружается в воду. Но эти силы слишком малы для
того, чтобы удержать «пешеходов» потяжелее, таких как
василиск. Поэтому он бегает по воде благодаря ее твер-
дости, возникающей при резком ударе лапами по водной
поверхности.
Если вдруг кому-то из людей вздумается последовать при-
меру василиска, ему придется бежать по воде со скоростью
не менее 108 км/ч — то есть так же быстро, как гепард.
ОТВЕТЫ
1 (с. 90). Из-за большей разно-
сти потенциальной энергии
воды в истоке и устье.
2 (с. 92). Равнинные реки те-
кут спокойно, плавно, в ши-
роких долинах со скоростью
1 м/с. Не обладая силой, до-
статочной для того, чтобы
продолжить себе прямой
путь, равнинная река обхо-
дит препятствия и создает
широкую долину, по дну ко-
торой извивается русло.
Горные реки текут гораздо
быстрее, чем равнинные.
Они не образуют значитель-
ных извилин. Их долины уз-
кие, глубокие.
Многие реки, начинаясь в
горах, выходят затем на рав-
нину.
3 (с. 97). Архимедова сила
равна нулю, потому что от-
сутствует давление воды на
нижнюю грань кубика. Ведь
силу Архимеда создает раз-
ность давлений на нижнюю
и верхнюю грани.
4 (с. 98). При взвешивании
в воздухе вес тонны железа
и тонны дерева, конечно,
одинаков. Но объем дерева
гораздо больше. Поэтому на
него действует большая вы-
талкивающая сила воздуха,
чем на железо. Значит, при
взвешивании в вакууме вес
дерева окажется больше.
5 (с. 98). В невесомости нет гра-
витации, следовательно, от-
сутствует разность давлений
в жидкости. А потому закон
Архимеда там не работает.
100 Физические процессы на берету и в воде
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
НА БЕРЕГУ И В ВОДЕ
Песчаный берег
Море начинается с пляжа, как театр с ве-
шалки. И там, и там приходится раз-
деваться. Геологи называют пляжами
берега моря (озера, реки) и по характеру почвы
делят их на каменистые, галечные, песчаные и
илистые. Нам по душе, конечно, песчаные — от-
личное место для купания и приема солнечных и
воздушных ванн.
Что главное на пляже? Конечно, песок.
С точки зрения физики это вполне достойный
объект изучения. Прежде всего, удивляет разно-
образие свойств этого материала. Взятый в ла-
дони сухой песок стекает между пальцами по-
добно воде. Это свойство особенно опасно у так
называемых зыбучих песков. В состоянии покоя
такой песок кажется твердым, но он способен
засасывать в себя достаточно тяжелые предме-
ты. Иными словами, это то же самое, что и тря-
сина.
Но по обычному сухому песку можно хо-
дить без опаски, с удовольствием, только ноги
в нем вязнут. Таким образом, при ходьбе по пе-
ску он легко поддается давлению нашего тела.
А вот лежать на песке, оказывается, не очень-то
мягко. Его неровности не разглаживаются под
нашим телом.
Что же получается? Песок слишком сыпуч,
чтобы по нему ходить, и не настолько податлив,
чтобы было удобно лежать на нем. В чем же
причина?
При ходьбе вес тела приходится на малую пло-
щадь ступни, поэтому давление на песок велико
Кроссовер, увязший в зыбучих песках
ВОПРОС 1
Зависит ли давление автомобиля на
грунт от давления внутри камеры ко-
леса?
и он расступается под его действием. А вес лежа-
щего тела распределяется по большой площади
спины, ног и головы. По этой причине давление
тела гораздо меньше и песок способен противо-
стоять свалившемуся на него «счастью»: бугорки
сохраняются, впиваясь в наши нежные тела.
ВОПРОС 2
Наберите две пригоршни сухого песка и медленно высыпайте его через щель между ладо-
нями. Нетрудно заметить, что вначале высыпаются песчинки, лежащие непосредственно
над отверстием, а затем песчинки из верхнего слоя песка, в котором образуется воронка.
Наклоните ладони. Воронка все равно образуется точно по вертикали над отверстием. Что
мешает раньше высыпаться песчинкам, расположенным вокруг отверстия в нижних слоях,
то есть ближе к нему?
Физические процессы на берету и в воде 101
Чем песок похож на воду?
Сухой песок в чем-то по-
хож на воду. Но в отли-
чие от жидкости легко
выдерживает вес человека,
прогуливающегося вдоль бе-
рега. Давление жидкости на
дно возрастает пропорцио-
нально высоте ее уровня. Дав-
ление же сыпучего вещества
на основание сначала растет,
потом достигает максимума и
далее остается неизменным. А
потому, например, давление
под 30-метровой кучей песка
отнюдь не в 10 раз больше, чем
под 3-метровой.
Причина такого поведения
заключается в особой связи
между частицами песка. Силы,
действующие между ними, пе-
ренаправляют часть избыточ-
ного вертикального давления в
горизонтальном направлении.
Вес столба сыпучего вещества
переносится от частицы к ча-
стице не вниз, как в жидкости,
а вдоль разветвленных цепо-
чек в разных направлениях. В
результате на стенки сосуда с
песком приходится гораздо
большая часть веса, чем на ос-
нование.
МИКРОАРКИ В ПЕСКЕ
Возьмем лист бумаги, свернем его в трубку, положим
горизонтально и засыплем снаружи сухим песком. Кон-
струкция из бумаги будет выдерживать довольно боль-
шие нагрузки. Прочность ей придает не только трубча-
тая форма: нужно, чтобы вокруг трубки и сверху толстым
слоем лежал сухой песок. Почему песок не расплющивает
трубку, даже если надавить сверху на него ладонью? Дело
в том, что под давлением песчинки перераспределяются
так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному пере-
мещению. В науке это называется появлением арочных
структур. В арке каждый отдельный элемент не может
переместиться в направлении действия внешней силы: он
зажат соседними элементами, которым и передает дей-
ствующую нагрузку. В результате под давлением (внеш-
ним и внутренним) песок утрачивает подвижность и при-
обретает свойства твердого тела.
Конструкция из двух дуг окружностей одинакового радиуса
образует стрельчатую арку, применяемую в архитектуре. Камни,
прилегающие к боковым краям арки, стремятся упасть вниз под
действием силы тяжести. Из-за этого они только сильнее давят
на соседние камни, тем самым увеличивая устойчивость всей
конструкции арки
102 Физические процессы на берету и в воде
От сухого к мокрому
Свойства мокрого песка
очень сильно отличают-
ся от качеств песка су-
хого. Это может подтвердить
любой малыш, усердно выби-
вающий прилипший песок из
своей формочки. Разумеется,
причину этому он найти не в
состоянии. Но мы-то понима-
ем, что дело в воде, которая
проникла между песчинками
и там осталась.
Сухие песчинки слабо свя-
заны между собой, о чем сви-
детельствует сыпучесть такого
песка. А влажные легко слипа-
ются, что говорит о резком уве-
личении сил сцепления. Проис-
ходит следующее. Вода обвола-
кивает каждую частичку песка
тончайшим слоем, похожим на
пленку мыльного пузыря. И то,
и другое существует за счет так
называемых сил поверхностно-
го натяжения.
ВОПРОС 3
Вообразите, что будет, ес-
ли в нашем мире вдруг ис-
чезнет сила поверхност-
ного натяжения жидко-
стей.
СИЛЫ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ
Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притя-
жения — именно благодаря этому жидкость не улетучи-
вается моментально. На молекулы внутри жидкости силы
притяжения других молекул действуют со всех сторон и
поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы
же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи,
и результирующая сила притяжения направлена внутрь
жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стя-
нуться под воздействием этих сил. По совокупности этот
эффект приводит к формированию так называемой силы
поверхностного натяжения, которая действует вдоль по-
верхности жидкости и приводит к образованию на ней
подобия невидимой, тонкой и упругой пленки.
кой пленкой, большая же часть
пространства между ними
должна остаться заполненной
воздухом.
А что произойдет, если ко-
личество жидкости станет по-
степенно увеличиваться? Как
только все пространство меж-
ду песчинками будет запол-
нено водой, силы поверхност-
ного натяжения исчезнут, и
получится смесь песка и воды,
обладающая совершенно дру-
гими свойствами.
Их легко продемонстриро-
вать, попытавшись построить
что-то из песка под водой: ни-
чего, кроме пологих холмов (ка-
кие получаются из сухого песка
на берегу), не выйдет. Причина
в том, что сила взаимодействия
с водой уже не скрепляет пес-
чинки друг с другом. Жидкость
теперь находится не только
между песчинками, но и со
всех сторон — и влияния моле-
кул воды на песчинки взаимно
уравновешиваются.
Тончайшая пленка воды,
обволакивающая влажные пес-
чинки, соединяет их силой по-
верхностного натяжения. Ког-
да соприкасаются две влажные
песчинки, эти же силы поверх-
ностного натяжения притяги-
вают их друг к другу и доволь-
но прочно «склеивают».
Чтобы песчинки надежно
слипались, вода должна лишь
покрывать частицы песка тон-
Водомерка —
насекомое,
передвигающееся
по поверхности
водоемов за счет
сил поверхностного
натяжения. Она не
тонет, поскольку
ее вес меньше силы
поверхностного
натяжения
Физические процессы на берету и в воде 103
Капилляры есть не только у людей
Если начать раскапывать сухой песок на
пляже, то скоро доберемся и до влажно-
го. Продолжая копать, обнаружим, что
воды в нем становится еще больше, хотя уро-
вень водоема расположен гораздо ниже. В за-
висимости от размеров песчинок вода подни-
мается на высоту 30—60 см.
Здесь мы имеем дело с капиллярным явле-
нием, основанным на поверхностном натяже-
нии воды и ее способности смачивать предметы.
Неплотно прилегающие друг к другу песчин-
ки образуют множество узких ходов — капил-
ляров. Так называют трубочки с очень тонким
внутренним каналом, например самые мелкие
кровеносные сосуды в нашем организме.
Кровь проталкивается сердцем во все орга-
ны тела. Крупные сосуды, по которым она те-
чет, называются артериями. Но во всех частях
тела эти большие сосуды становятся крошечны-
ми, похожими на волосок сосудиками, которые
называются капиллярами. Капилляр в 50 раз
уже самого тонкого человеческого волоса. Сред-
ний диаметр капилляра составляет пример-
но 0,008 мм. Булавка по толщине равна около
700 капилляров.
Вода смачивает песчинки, обволакивает их
и поднимается по стенкам капилляров за счет
значительных сил молекулярного притяжения.
Чем уже капилляры (мельче песчинки), тем
меньше масса находящейся в них воды и, соот-
ветственно, тем на большую высоту она может
подняться.
ВОПРОС 4
Какой грунт скорее высохнет после до-
ждя — песчаный или глинистый? Почему?
Каппиляры — тончайшие кровеносные сосуды
Модель капиллярных явлений. Змея,
поднимаясь по ветке или стволу, прижимается
к ним и за счет силы трения лезет ввысь. Трение
в этой аналогии играет роль смачивания,
а упругость тканей животного — силы
поверхностного натяжения воды
ОПЫТ НА ПЛЯЖЕ
Высыплем на мелководье горку сухого песка и проследим за границей между сухим и влаж-
ным песком. Вода, смачивая песок, поднимается по капиллярам конуса-горки. Она охваты-
вает и втягивает, укладывая с максимальной плотностью, одну песчинку за другой. Основа-
ние конуса, где песок уже намок, получается более пологим и плотным, чем его сухая вер-
шина. Именно сила молекулярного притяжения позволяет строить из сырого песка дворцы
и крепости на пляже и в песочнице. Однако высохнув, они непременно осыпаются.
104 Физические процессы на берету и в воде
У самой кромки воды
Подброшенная вверх
пригоршня воды находится
в невесомости, где главную
роль в поведении жидкости
играет сила поверхностного
натяжения
Наберем в ладошки пригоршню воды и
подбросим ее в воздух. Вода превратится
в бесформенный комок. Он, как мы уже
знаем, находится в состоянии свободного паде-
ния, при котором его вес, как и вес любой его
части, равен... Да, нулю. И тогда единственной
силой, действующей на воду, станет ее собствен-
ная сила поверхностного натяжения. Благодаря
ей фрагменты, на которые разбилась водяная
масса, находятся как бы в упругой сжимающей-
ся оболочке. Сила поверхностного натяжения
стремится максимально сократить поверхность
воды. В тонких местах летящих комочков воды
и струек-отростков образуются перетяжки, раз-
бивающие их на множество шариков-брызг,
ибо из всех пространственных геометрических
тел именно шар имеет минимальную поверх-
ность для данного объема вещества.
ВОДА ТОЖЕ ПАДАЕТ
С УСКОРЕНИЕМ
Глядя на верхнюю фото-
графию, можно выделить
еще одно явление. Сквозь
ладони вода течет струй-
кой, которая сужается
книзу. Вода в ней находит-
ся в свободном падении,
то есть движется с уско-
рением. Поэтому ниж-
ние части струи имеют
большую скорость, чем
верхние. Поскольку струя
неразрывна, то в единицу
времени через ее сечение
внизу и вверху прохо-
дят одинаковые объемы
воды. А так как скорость
растет, то диаметр струй-
ки уменьшается.
ПОЧЕМУ В ВОДЕ ХОЛОДНЕЕ,
ЧЕМ НА ВОЗДУХЕ?
Вода обладает большей плотностью вещества, чем воз-
дух. И она, и воздух непрерывно отбирают тепло у наше-
го тела. Однако молекулы воды, в силу большой плотно-
сти, чаще ударяются о нашу кожу и поэтому отбирают
больше тепла в единицу времени, чем молекулы воздуха.
Кроме того, вода имеет и более низкую температуру, чем
воздух. А отдача тепла телом в окружающую среду про-
порциональна разности их температур.
Физические процессы на берету и в воде 105
Капли на теле
Вы выходите из воды
и сразу же ощущаете
прохладу на теле. Она
усиливается при ветре. При-
чин тому две. Во-первых, тело
человека теплее воды, и пото-
му отдает каплям на коже часть
своего тепла. Во-вторых, капли
высыхают, а испарение воды с
влажной кожи сопровождает-
ся понижением температуры
поверхности тела, так как оно
теряет тепловую энергию. При
ветре теплоотдача усиливается:
потоки воздуха быстрее уносят
испарившиеся с тела молекулы
воды, а с ними и тепло.
После купания капли оста-
ются на коже, поскольку та
способна смачиваться водой:
ее молекулы притягиваются
силами межмолекулярного
взаимодействия к коже силь-
нее, чем друг к другу. Благо-
даря смачиванию становится
возможным и использование
полотенца после купания.
Молекулы воды притягивают-
ся к ткани полотенца сильнее,
чем к коже, и при вытирании
переходят с тела на полотен-
це. Вообразите, что вытира-
етесь полотенцем из тонкой
резиновой ткани, отталкива-
ющей воду. Оно просто раз-
мазывало бы влагу, не впиты-
вая ее.
ВОПРОС 5
Как называется сила,
помогающая псу от-
ряхнуться от воды?
106 Физические процессы на берету и в воде
Загар
и спектр
Загар, который все мы приобретаем ле-
том, является реакцией организма на
воздействие солнечных лучей. Здесь мы
из области чистой физики переходим к био-
физике — науке о физических процессах, про-
текающих в живой природе. Солнечный свет
содержит электромагнитное излучение самых
различных длин волн, в том числе ближайшее
к видимому свету ультрафиолетовое излучение.
Оно-то и является главной причиной возникно-
вения загара.
Ультрафиолетовые лучи
Строение кожи человека
1. Роговой слой (мертвые
клетки)
2. Меланин
5. Меланоциты
(вырабатывают
меланин)
3. Клетки эпидермиса
4. Дендриты (отростки
нервных клеток)
6. Эпидермис
7. Дерма
8. Подкожная клетчатка
ЗАГОРАЙТЕ НОГАМИ ВНИЗ
Не все участки тела загорают одинаково
быстро. Внутренняя поверхность рук и
ног загорает очень медленно. Все дело в
наличии и количестве пигментирующих
клеток в кожном покрове. В этих зонах
содержится значительно меньше таких
клеток, что и обеспечивает более слабый
загар кожи. Лицо также загорает очень
медленно, потому что на этом участке за-
щитный слой кожи значительно толще.
Он-то и обеспечивает защиту от ультра-
фиолета. Что касается ног, то загорают
они медленнее, во-первых, потому, что
толщина верхнего слоя кожного покрова
ног достаточно велика. А во-вторых, отно-
сительно медленное кровообращение ног
также не способствует загару: недостаток
кислорода влечет за собой ослабление
окраски меланиновых пигментов. Чтобы
кровоток в ногах был лучше, ложитесь на
пляже так, чтобы голова была выше уров-
ня ног.
Физические процессы на берету и в воде 107
Прежде чем загар ровно
покроет наше тело, в орга-
низме происходят связанные
с этим изменения. Цвет за-
гара коже придает красящее
вещество меланин, вырабаты-
ваемое человеческим организ-
мом в качестве защиты от воз-
действия ультрафиолетового
излучения. И чем больше его
производится, тем интенсив-
нее становится цвет кожного
покрова. Меланин образует-
ся у каждого человека, за ис-
ключением разве что альби-
носов — людей (и животных),
у которых от рождения этот
НА СОЛНЦЕ
НАСТРОЕНИЕ ЛУЧШЕ!
Ультрафиолетовые лучи
проникают под кожу
только на 1 мм, но это-
го расстояния достаточ-
но для того, чтобы убить
многие опасные бакте-
рии, усилить кожное ды-
хание. Ультрафиолет по-
нижает восприимчивость
к некоторым вредным
элементам и веществам,
таким как ртуть, свинец,
сероуглерод. Под действи-
ем солнечных лучей орга-
низм вырабатывает необ-
ходимый для жизни ви-
тамин D, который играет
роль строительного мате-
риала для костей и зубов.
Солнце активно влияет на
выработку серотонина —
гормона радости. Вот по-
чему в солнечную погоду
уходит грусть и поднима-
ется настроение.
самый меланин полностью от-
сутствует.
Ультрафиолетовые лучи
при длительном воздействии
могут вызвать гибель клеток
нижележащих слоев кожи и
солнечный ожог. А инфра-
красные лучи являются одной
из основных причин двух опас-
ных явлений — перегревания
организма и солнечного удара.
Частично от солнечных лучей
защищает потоотделение. Так
называемая уроканиновая кис-
лота — составная часть пота —
активно поглощает ультрафи-
олетовые лучи.
МОЖЕТ ЛИ ЗАГОРЕТЬ АФРИКАНЕЦ?
У африканцев меланина вырабатывается в два раза боль-
ше, чем, например, у скандинавов. Поскольку это веще-
ство предохраняет от ультрафиолета, чернокожие люди
лучше защищены от вредного солнечного излучения. И
если европеец и африканец проведут одинаковое количе-
ство времени под солнцем, первый успеет получить до-
вольно сильный ожог, в то время как второй лишь станет
на полтона темнее, то есть загорит.
Чисто внешне разница между загоревшим и незагорев-
шим темнокожими людьми, конечно, будет не так уж и
заметна. Тем более что лишь небольшая часть африкан-
цев может похвастаться абсолютно черным цветом кожи.
В основной же массе цветовая гамма у них простирается
от темно-коричневого до оттенка кофе с молоком.
Однако у африканцев тоже есть светлые участки кожи,
способные обгореть без защиты. В первую очередь речь
идет о ступнях и ладонях. Поэтому можно сказать, что эти
люди не только загорают, но и вполне способны обгореть.
Иными словами, темный цвет кожи не является абсолют-
ной защитой от вредоносного воздействия солнечных лу-
чей.
ВОПРОС 6
Можно ли загореть в квартире, сидя у освещенного солн-
цем, но закрытого окна?
108 Физические процессы на берету и в воде
Выталкивающая сила
Море манит!
Меньше высовываешься — быстрее плывешь
Зайдем в ласковое море
и понаблюдаем за свои-
ми ощущениями. Если
спуск на глубину идет по скло-
ну, покрытому острыми ка-
мешками, то по мере погру-
жения в воду они режут босые
ступни все меньше. И спасает
наши ноги уже знакомая нам
выталкивающая сила. Она
уменьшает вес тела, а значит, и
его давление на дно.
Удельный вес нашего тела
почти такой же, как и воды. Поэ-
тому, погрузившись в воду, чело-
век теряет вес почти полностью.
Он весит столько же, сколько его
голова и руки, находящиеся над
водой, — примерно 4 кг.
Разные части тела имеют
различную плотность. Оче-
видно, что наиболее плотны-
ми являются части, содержа-
щие крупные кости, — голова
и ноги. Если лечь в воду, ноги
тотчас опустятся. Легче других
грудная клетка, так как в ней
находятся наполненные возду-
хом легкие.
Пловцы на соревнованиях
поднимают голову над водой
только для вдоха, а выдох де-
лают в воду. И это имеет боль-
шое значение. Из-за действия
выталкивающей силы взрос-
лый человек массой 75 — 80 кг
весит при полном погруже-
нии тела в воду всего 4—5 кг.
Но стоит ему приподнять го-
лову и плечи над поверхно-
стью, как вес увеличивается до
30—35 кг. И пловцы стараются
не тратить лишние силы, что-
бы удержаться на воде.
В воде тела теряют большую часть своего веса
Физические процессы на берету и в воде 109
«Мокрая» вода
В воде особо не побегаешь!
приклеившихся «собратьев». А ведь и те и другие
также притягиваются друг к другу. При движе-
нии это взаимодействие проявляется как сопро-
тивление, а свойство жидкости, выраженное в
трении ее соседних слоев друг о друга, называется
вязкостью. Силу сопротивления движению назы-
вают силой вязкого трения. А воду, вязкие свой-
ства которой учитываются, — «мокрой».
Сила вязкого трения зависит от скорости
движения тела. Если она невелика, то сила со-
противления прямо пропорциональна скоро-
сти: F = kv, где к — коэффициент пропорцио-
нальности, который зависит от типа вязкой
жидкости, формы и размеров тела. Если ско-
рость движения тела возрастает, то увеличива-
ется и сила сопротивления — пропорциональ-
но сначала квадрату, а затем и кубу скорости.
Находясь в воде достаточно глубоко, ска-
жем, по пояс, попробуем двигаться бы-
стрее. .. еще быстрее... Все, быстрее не по-
лучается. Почему? Сопротивление воды очень
сильно зависит от скорости движения тела. При
медленном перемещении его почти не ощуща-
ешь. Но с ростом скорости сила сопротивления
резко возрастает. И мы с вами можем это объ-
яснить.
Чуть выше говорилось о каплях на теле после
купания. Они удерживаются силами притяже-
ния молекул кожи и воды. При движении в воде
ее молекулы, соприкасающиеся с поверхностью
тела, точно так же и по той же причине «прикле-
иваются» к телу. Однако более удаленные моле-
кулы перемещаются относительно тела и своих
При медленном движении сила сопротивления
жидкости пропорциональна скорости
110 Физические процессы на берету и в воде
Соленая
вода
О целебных свойствах мор-
ской воды знали еще
древние греки. Они во-
обще были сведущи в науках и
весьма интересовались меди-
циной. Знаменитый врач Гип-
пократ назначал своим паци-
ентам водные процедуры.
Конечно, отличительное
свойство морской воды — ее
соленость. Это значит, что та-
кая вода — водный раствор
различных солей, в котором
основную массу составляют
ионы натрия, магния, калия,
кальция, хлора и серы. В ка-
ждом литре морской воды
содержится примерно 35 г
солей. В ней также имеются
взвешенные твердые частицы
и растворенные газы. Вообще,
морская вода очень сложна по
составу и содержит практи-
чески все элементы таблицы
Менделеева.
Отложения солей на берегу
Мёртвого моря
Морская вода замерзает не так быстро, как пресная
ВОПРОС 7
Сколько на Земле оке-
анов? Какой из них са-
мый большой?
Неудивительно, что ее фи-
зические свойства значительно
отличаются от качеств хими-
чески чистой воды. Начнем
с плотности. Литр морской
воды на 25 г тяжелее такого же
количества пресной. Но плот-
ность воды неодинакова по
всему Мировому океану, она
несколько меняется в зависи-
мости от солености и темпе-
ратуры. Чем выше соленость,
тем больше и плотность. Зави-
симость плотности от темпе-
ратуры обратная: чем теплее
вода, тем меньше ее плотность.
Если пресная вода замерза-
ет при нулевой температуре,
то из-за растворенных солей
морская остается жидкой и
при отрицательной темпе-
ратуре. В твердое состояние
она начинает переходить при
-1,9°С. Правда, это касается
только воды с нормальной оке-
анической соленостью. Если
же в ней растворено менее 35 г
соли на 1 кг, то она станет за-
мерзать при более высокой
температуре.
Физические процессы на берету и в воде 111
Синее море
Распространение свето-
вых и звуковых волн
в морской воде так-
же имеет свои особенности.
Во-первых, она значительно
чище и прозрачнее воды боль-
шинства пресных рек и озер.
Значит, наблюдать подводный
мир моря куда приятнее.
По сравнению с атмосфе-
рой водная среда пропускает
свет хуже, потому что сильнее
поглощает его и рассеивает.
Когда солнце находится в зе-
ните (это возможно только в
тропиках), в воду проникает
почти весь его световой по-
ток. Косые же лучи, которые
освещают Землю утром или
в полуденное время, в значи-
тельной степени отражаются
водной гладью. Поэтому су-
мерки под водой наступают
раньше, чем на суше: день там
короче, а ночь длиннее.
Проделаем опыт. Посмо-
трим на чистое оконное стек-
ло. Оно выглядит совершенно
прозрачным. А вот если мы
возьмем 20—30 стеклянных
пластин и положим их друг на
друга, то окажется, что стопка
стала полупрозрачной голубо-
го или слегка зеленоватого от-
тенка и плохо пропускает свет.
Значит, стекло все же не впол-
не прозрачно и имеет цвет.
Похожее явление наблю-
дается и в воде. Чистая дис-
тиллированная вода кажется
бесцветной и совершенно про-
зрачной. Но только в том слу-
чае, если ее слой сравнительно
тонок. В более толстом слое
вода кажется голубоватой. Это
легко заметить в белой ванне,
наполненной чистой водой.
Она поглощает красные и
желтые лучи спектра и хоро-
шо пропускает голубые.
Прозрачная вода морей
и океанов позволяет
наслаждаться их красотой
112 Физические процессы на берету и в воде
Диаграмма поглощения
морской водой цветов
видимого света
Морская вода сильно
рассеивает и поглощает
солнечный свет
Почему вода голубая? Она
поглощает цвета видимого
спектра с большей длиной
волны света и рассеивает — с
короткой. То есть красный свет
и близкие к нему оранжевый и
желтый поглощаются сильнее,
чем синий, голубой и зеленый,
которые благодаря этому мо-
гут проникать на значительно
большую глубину.
Теперь легко понять, почему
чистая вода озер, морей и океа-
нов имеет голубой цвет. Во-пер-
вых, источником света обычно
служит небосвод, цвет которо-
го и придает окраску морской
воде. Во-вторых, цвет моря за-
висит и от того, какая часть лу-
чей поглощается его водой. Чем
чище и прозрачнее вода, тем
больше в ее цвете синего.
С другой стороны, каждый,
кто побывал на море, знает,
что оно может быть разного
цвета. Причина тому — при-
меси, которые изменяют окра-
ску воды. Скажем, если в чи-
стую воду насыпать порошок
желтого или красного цвета,
то она приобретет зелено-
ватый оттенок. Этот эффект
легко увидеть на морском бе-
рету после сильных прибоев:
взбаламученная вода у берегов
имеет зеленоватую окраску.
Физические процессы на берету и в воде 113
Звук в воде
В воздухе звук распростра-
няется со скоростью око-
ло 340 м/с. В воде он успе-
вает за это же время пробежать
расстояние в 4,5 раза больше.
Значит, вода — хороший про-
водник звука. Правда, его ско-
рость зависит от физических
параметров воды: температуры,
солености и давления, то есть в
конечном счете от ее плотности.
В воде с нормальной океаниче-
ской соленостью при 0°С вбли-
зи поверхности скорость звука
составляет 1440 м/с. На глубине
10 км при тех же прочих усло-
виях его скорость возрастает до
1630 м/с. В нагретых до 30°С по-
верхностных водах тропической
зоны океана скорость звука по-
вышается до 1543 м/с.
Ультразвук, то есть акусти-
ческие волны с частотой свыше
16 000 Гц (16 000 колебаний в се-
кунду), не воспринимаемые че-
ловеческим ухом, поглощаются
водной средой гораздо сильнее,
чем звуки более низких частот.
Но у ультразвука есть одно цен-
ное свойство: его можно направ-
лять в виде узкого пучка. Такая
особенность ультразвуковых ко-
лебаний используется в эхоло-
те — приборе для измерения
глубины водоемов. От специаль-
ного ультразвукового датчика,
находящегося на судне, через
небольшие промежутки време-
ни вертикально вниз посылается
ультразвуковой сигнал. Отра-
зившись от дна, он возвращается
обратно и улавливается чувстви-
тельной приемной аппаратурой.
Зная скорость прохожде-
ния ультразвука и определив
время между посылом и воз-
Использование эхолокации
для обнаружения косяков
рыбы
вращением сигнала, можно
легко вычислить расстояние
от поверхности до дна. С по-
мощью эхолота производят и
поиск рыбы в морях.
ЗВУКИ РАЗУМА
Дельфины являются очень умными млеко-
питающими. У них есть собственный язык,
который не уступает нашему в сложности.
Он представляет собой не отдельные слова
или предложения, а полностью сформиро-
вавшуюся систему сигналов. А общение меж-
ду собой у дельфинов не просто передача
сигналов, а непосредственно разговор.
Речь этих «интеллектуалов» состоит из же-
стов и звуков. Двигая хвостом или всем те-
лом, дельфины обмениваются визуальными
сигналами. Язык телодвижений использу-
ется только в случае, когда нужно передать
особую информацию, в основном же дель-
фины общаются звуками. Обычно животные
свистят, но способны издавать и другие сиг-
налы, скажем, мяуканье или щелканье. Раз-
новидностей свиста много — каждая из них
может выражать целое «предложение-ощу-
щение», например боль.
В детстве дельфины выбирают себе уникаль-
ные имена-звуки. С этого момента все дру-
гие дельфины одной группы используют это
личное имя. Например, начиная разговор,
они обращаются друг к другу по имени и
могут запоминать уникальные имена-звуки,
подаваемые старыми друзьями и услышан-
ные ими хоть раз даже 20 лет назад.
114 Физические процессы на берету и в воде
Волны
Волнами называют пере-
мещение поверхности
воды, имеющее перио-
дический характер. Эти дви-
жения вызываются возмуще-
ниями водной глади. Чаще
всего волны образуются под
действием ветра. Однако воз-
можны и другие причины:
подводные землетрясения или
извержения донных вулканов.
При скорости ветра менее
1 м/с на спокойной поверхно-
сти моря образуются волны
ряби, или капиллярные. Они
названы так потому, что име-
ют очень маленькую длину
волны. А на небольших рас-
стояниях основную роль игра-
ет сила поверхностного натя-
жения. Именно она обеспечи-
вает упругость, позволяющую
частицам воды совершать ко-
лебательные движения (как
шарик на резинке).
При усилении ветра воз-
никают более крупные и за-
метные волны. Главную роль
в этом процессе играет сила
тяжести. Допустим, нечто на-
рушило равновесие воды, в ре-
зультате чего на ее поверхности
Механизм возникновения волн на воде
Рябь на море,
или капиллярные волны
образовалась впадина. Как из-
вестно, вода почти несжима-
ема, то есть не уменьшается в
объеме при сжатии. Поэтому
вода, находившаяся в месте
впадины, «разбегается» в сто-
роны. Возникает горб, в кото-
ром частицы воды имеют из-
быток энергии по сравнению
с равновесным положением.
Сила тяжести, стремясь вос-
становить равновесие, застав-
ляет эти частицы двигаться
вниз. При этом они как бы
расталкивают нижележащие
слои воды точно так же, как
при возникновении первой
впадины. Появляется вторая
впадина — так создаются по-
вторяющиеся движения, пе-
редаваемые от одних частиц
жидкости к другим, порождая
волны.
С усилением ветра сравни-
тельно небольшие волны пре-
вращаются в огромные штор-
мовые. Максимальная высота
волн зависит от скорости ве-
тра, длительности его дей-
ствия и разгона — расстояния,
на котором ветер продолжает
действовать на возникшую и
бегущую волну. Чем больше
разгон ветра, тем выше волны.
Как правило, они не превыша-
ют 4 м. Но в местах, где часто
бывают ураганы, волны могут
достигать 25-метровой высоты:
это нередко происходит меж-
ду Новой Зеландией, мысом
Горн (крайней точкой Юж-
ной Америки) и Антарктидой
(южным полярным континен-
том).
Длинные волны на глубокой
воде, или волны тяжести
Физические процессы на берету и в воде 115
Что такое прибой?
Скорость движения при-
вычных волн (волн тя-
жести) на море зависит
от его глубины. На мелково-
дье она меньше, чем в центре
водоема. Подходя к берету,
волна замедляется. Однако у
бегущих за нею волн скорость
выше, и они нагоняют впере-
ди идущие, как бы взбираясь
на них. Волна перегибается,
верхняя ее часть обрушивается
вперед, на берег, — это и на-
зывается прибоем. Особенно
мощным он бывает там, где на
берег набегают штормовые ве-
тровые волны.
Когда волна разбивается о
берег, появляется пена. Брыз-
ги, которые сильный ветер
сдувает с гребня волны, тоже
считаются морской пеной.
А В МОРЕ ПЛАВАЮТ МЕДУЗЫ
Медузы — довольно примитивные создания. Уже само на-
звание их типа — кишечнополостные — говорит об этом.
Кишечник и желудок — вот почти и вся «конструкция».
В теле медузы нет кровеносных сосудов, сердца, легких и
большинства знакомых нам органов. Но, конечно, имеет-
ся нечто, напоминающее рот (пищу же надо чем-то загла-
тывать), и кишечник.
Тело медузы имеет форму зонтика, диска или купола. Верх-
няя его часть выпуклая, а нижняя по форме напоминает ме-
шок. Внутренняя полость этого «мешка» является одновре-
менно двигателем и желудком. Посередине нижней части
купола у медуз расположен рот. Размеры этих животных ко-
леблются от 4 мм до 2 м в диаметре, а длина щупалец может
достигать 35 м. Масса таких гигантов порой доходит до 1 т.
Движения медузы обеспечиваются тонкими мышечными
волокнами в зонтике: сокращаясь, они словно складывают
купол медузы. При этом вода, содержащаяся во внутрен-
ней полости (желудке), с силой выталкивается наружу.
Возникает отдача, толкающая медузу в противополож-
ную сторону. Такое движение называется реактивным.
ВОЛНЫ КАК ОРУЖИЕ
Косатка — хищное млекопитающее семейства дельфи-
новых. Питается рыбой, но может нападать также на
крупных млекопитающих, в частности тюленей. Дель-
фины-косатки охотятся группами. Способ охоты вызы-
вает восхищение. Будучи не в силах добраться до тюле-
ней, находящихся на крупной льдине, косатки отгоняют
ее вместе с обитателями в открытое море. Затем общими
усилиями поднимают большую волну, которая смывает
тюленей в воду. Кушать подано!
116 Физические процессы на берету и в воде
Как движутся частицы воды в волне?
В морской волне (и вообще
в любой волне на большой
глубине) частицы жидкости
на поверхности движутся
по окружности с радиусом,
равным высоте волны
ЭНЕРГИЯ МОРСКОЙ СТИХИИ
Кинетическая энергия волн огромна. При ударе о берег
волны высотой 1 м с периодом 10 с на 1 км побережья ока-
зывается действие мощностью более 35 000 лошадиных
сил. Период волны — это время между прохождением
двух соседних гребней через фиксированную точку. Об
энергии волн весьма наглядное представление дают вы-
званные ими разрушения. На побережье Шотландии вол-
ны выломали из пирса и снесли в море глыбу весом 2600 т.
При этом удалось измерить силу прибоя в том месте: ока-
залось, что давление при ударе волны достигло 29 т/м2.
Со скоростью волны пере-
мещается не масса воды,
а только энергия волны.
Частица воды в волнующемся
море совершает не поступа-
тельные, а особые колебатель-
ные движения. Капли дви-
жутся по круговым орбитам,
диаметр которых у поверхно-
сти равен высоте волны. Точ-
нее, они описывают спирали,
поскольку под воздействием
ветра вода приобретает так-
же поступательное движение,
благодаря которому, как мы
знаем, возникают морские те-
чения. Такие колебательные
движения частиц воды быстро
убывают с глубиной.
Штормовая волна
Во время штормов ураган-
ной силы регистрировались
волны высотой до 18—21 м. Ко-
нечно, они очень редки. Волны
высотой более 14 м встречают-
ся разве что в центре ураганов.
В Атлантике волны, как прави-
ло, не превышают 12 м в высо-
ту, в Тихом океане они могут
достигать 15 м, в штормовых
районах Антарктики быть не-
сколько больше.
Физические процессы на берету и в воде 117
Гигантская волна
Японским словом «цунами» называют
морские водны сейсмического проис-
хождения, то есть те, что вызываются
подводными землетрясениями и извержения-
ми донных вулканов. Они образуются при зем-
летрясении любой силы, но большей высоты
достигают те, которые возникают из-за мощ-
ных (более 7 баллов) землетрясений. При этом
происходит резкое поднятие участка морского
дна, а вместе с ним и подъем огромных масс
воды.
От таких мест расходятся волны. Они рас-
пространяются в толще воды от поверхности до
дна океана со скоростью 600—800 км/ч и имеют
очень большую длину волны — 200—300 км. В
открытом океане, вдали от берегов, цунами не-
заметны, их высота не превышает 1 м. Но при
Последствия цунами всегда разрушительны
Высота волн цунами иногда достигает 30 м
приближении таких волн к удаленным берегам
энергия их концентрируется на поверхности
воды из-за уменьшения глубины. Возникают
поверхностные волны, которые и обрушивают-
ся на берег. Одно землетрясение может вызвать
несколько таких волн.
Самым страшным из известных было цуна-
ми, возникшее в Индийском океане 26 декабря
2004 г. и обрушившееся на страны этого реги-
она — Индонезию, Шри-Ланку, Индию и Таи-
ланд. Причиной стало мощное подводное зем-
летрясение силой более 9 баллов. Первая волна
затопила некоторые береговые линии уже че-
рез 15 мин, а последняя — спустя целых 7 ч по-
сле землетрясения. Смертоносные волны дости-
гали 30-метровой высоты. В результате погибли
более 230 000 человек в 14 странах.
Цунами возникают во время землетрясений. Затем они «путешествуют» через моря и океаны.
При приближении к берегу высота волн увеличивается
118 Физические процессы на берету и в воде
Парус
Благодаря ветру движут-
ся не только волны на
море или озере. Человек
«приручил» его для транспорт-
ных нужд еще в очень далекие
времена. Движение парусного
судна, например яхты, проис-
ходит из-за того, что ветер вза-
имодействует с парусом. Парус
является таким же движителем
для яхты, как гребной винт для
моторного судна. С его помо-
щью кинетическая энергия ве-
тра преобразуется в силу тяги,
движущую парусник.
Основное назначение па-
руса — обеспечивать наиболь-
шую тяту, создаваемую дей-
ствием воздушного потока. По
конструкции парус во многом
напоминает крыло самолета
или птицы.
Схема обтекания паруса
ветром. Скорость воздушного
потока выше со стороны
выпуклой части паруса
АВ, где образуется область
пониженного давления, и
ниже с вогнутой стороны, где
создается область высокого
давления:
А — точка разделения;
В — длина профиля;
С — хорда профиля;
D — прогиб
Древнеегипетское парусное судно
Яхта начинает движение,
когда ее паруса правильно по-
ставлены относительно ветра.
Парус может двигать яхту толь-
ко в том случае, если он нахо-
дится под некоторым углом к
воздушному потоку и отклоня-
ет его.
Воздушные потоки движут-
ся параллельными слоями.
Когда на их пути возникает
какое-либо препятствие, эти
слои разделяются на два по-
тока. В нашем случае воздуш-
ный поток расходится на две
части в точке разделения на
передней кромке паруса. Иду-
щий через «верхнюю», подве-
тренную сторону паруса (ли-
цевую) воздушный поток про-
ходит более длинный путь,
чем с наветренной, «нижней»
стороны. Количество воздуха
в потоке, проходящего через
поперечное сечение паруса,
перед встречей с кромкой па-
руса и после обтекания оно-
го должно быть одинаковым.
А потому воздух верхней ча-
сти потока просто обязан
бежать резвее, чем нижней.
В XVIII в. итальянский уче-
ный Джованни Вентури об-
наружил, что давление газа
уменьшается с увеличением
скорости его движения. Те-
перь понятно, что давление с
подветренной стороны паруса
меньше, чем с наветренной.
Хороший парус с проги-
бом в определенном месте
создает область более низко-
го давления на выпуклой сто-
роне и более высокого на во-
гнутой. Из-за этой разности
давлений на парусе создается
сила, которую можно разло-
жить на силу тяги, движущую
яхту вперед, и поперечную
кренящую. При этом яхта не
обязательно будет плыть в на-
правлении ветра. Например,
она будет двигаться гораздо
быстрее, если ее курс перпен-
дикулярен направлению ветра,
чем когда они совпадают.
Физические процессы на берету и в воде 119
На глубине
Кратко рассмотрим, как меняются фи-
зические условия в воде морей и океа-
нов в зависимости от глубины. Начнем
с давления. В неподвижной жидкости оно
растет пропорционально глубине. Понятно,
почему: вода несжимаема, и вес столба жид-
кости растет прямо пропорционально его
высоте h. То есть
p = Qgh,
где Q — плотность воды (ее масса в 1 см3 или
1 м3);
g — ускорение свободного падения.
Кроме того, поскольку вода находится в по-
кое (в ней отсутствуют течения), то точно такое
же давление будет во всех направлениях на дан-
ной глубине.
В соответствии с этой формулой столб
воды высотой 10 м создает давление 1 кг/см2.
По любопытному совпадению такова же вели-
чина атмосферного давления воздуха: 1 кг/см2
равен 1 атмосфере. Это давление действует в
том числе и на поверхность жидкости, добав-
ляясь к ее давлению. Следовательно, при по-
гружении человека под воду на глубину 10 м
на него кроме воды (1 атмосфера) будет давить
и воздух (тоже 1 атмосфера). Значит, полное
давление под водой на глубине 10 м будет рав-
Схема опыта,
демонстрирующего
зависимость давления
жидкости от глубины
но 2 атмосферам. А на глубине 20 м — 3 ат-
мосферам и т. д.
Однако на очень больших глубинах начина-
ет сказываться сжимаемость воды: вследствие
сжатия ее плотность в нижних слоях больше,
чем на поверхности, и поэтому давление растет
с глубиной несколько быстрее, чем по линейно-
му закону Qgh. Добавка давления, обусловлен-
ная сжатием воды, нарастает пропорционально
квадрату глубины h. На наибольшей глубине
океана, равной 11 км, эта добавка составляет
почти 3% от полного давления в этом месте.
Несмотря на огромное давление, суще-
ствующее на таких глубинах, и здесь обитают
некоторые животные: различные иглокожие,
ракообразные, моллюски, черви, а также глу-
боководные рыбы. Организмы этих животных
приспособлены к существованию в условиях
большого давления воды, и точно такое же дав-
ление создается внутри их тел.
С глубиной изменяется и температура воды
в океане. Сначала понижение ее очень значи-
тельно, а затем оно замедляется. На глубинах
более 3—4 км температура обычно колеблется
от +2 до 0°С.
Из других физических свойств воды для
обитающих в морях и океанах живых существ
особенно важны малая теплопроводность и
очень высокая теплоемкость. Благодаря им тем-
пературный режим не меняется так резко, как
120 Физические процессы на берету и в воде
Мир безмолвия и мрака
на суше. Это важно как для
холоднокровных, так и для
теплокровных животных. Вод-
ным организмам не нужно
приспосабливаться к резким
переменам температуры окру-
жающей среды.
Медленно нагреваясь, вода
океанов так же неспешно отдает
тепло в атмосферу. Поэтому са-
мой теплой вода океанов и мо-
рей бывает тогда, когда летний
жаркий период на суше уже за-
канчивается. Вода океанов хра-
нит громадные запасы тепла.
Отдавая его воздуху, она суще-
ственно влияет на климат окру-
жающих территорий. Сред-
няя температура поверхност-
ного слоя воды Мирового океа-
КЕССОННАЯ БОЛЕЗНЬ
При длительном пребывании под водой под давлением,
значительно превышающим атмосферное, большое ко-
личество воздуха оказывается растворенным в крови и
других жидкостях организма водолаза. Если он быстро
поднимается на поверхность, то этот воздух начинает
выделяться из крови в виде пузырьков. Так же при выта-
скивании пробки собирается в пузырьки воздух, который
растворен в лимонаде, находящемся в закупоренной бу-
тылке под повышенным давлением. Выделяющиеся пу-
зырьки причиняют резкую боль во всем теле и могут вы-
звать тяжелое заболевание (кессонную болезнь). Поэтому
водолаза, долго пробывшего на большой глубине, следу-
ет поднимать на поверхность медленно (часами!), чтобы
растворенные газы успевали выделяться постепенно, не
образуя пузырьков.
Физические процессы на берету и в воде 121
Хищная глубоководная рыба
черный удильщик решила для
себя проблему освещения
ВОПРОС 8
Как называется физиче-
ское явление, видимое в
верхней части снимка?
на равна +17,4°С, а приземного
слоя воздуха на поверхности
всего земного шара только
+14,4°С.
В морской глубине царит
мрак, потому что солнечный
свет, постепенно угасая, полно-
стью исчезает на глубине 180 м.
Это объясняется, прежде всего,
тем, что часть солнечных лу-
чей отражается от поверхности
воды. Чем ниже солнце над го-
ризонтом, тем больший про-
цент лучей отражается от мор-
ской поверхности. Поэтому в
арктических морях свет прони-
кает на меньшую глубину, чем в
экваториальных водах.
В воду, как уже отмечалось,
различные части солнечного
Солнечный свет, падая на водную гладь, частично отражается
от поверхности воды, а оставшаяся доля световой энергии
постепенно поглощается на глубине
спектра проникают на разную
глубину. Красные и оранже-
вые лучи быстро поглощаются
первыми метрами воды, зеле-
ные исчезают на глубине 500 м,
и только синие проникают до
1500 м. Водорослям особенно
нужны красный и оранжевый
лучи и в меныпей мере зеле-
ные. Поэтому растения в море
встречаются в основном на глу-
бине до 100 м, реже до 200 м.
Животные не особо нуждаются
в свете и населяют воды океана
до максимальных глубин. Их
обитатели либо слепые, либо,
наоборот, имеют очень разви-
тые органы зрения. Некоторые
из глубоководных животных из-
лучают собственный свет.
122 Физические процессы на берегу и в воде
ОТВЕТЫ
1 (с. 100). При увеличении
давления внутри камер
уменьшается площадь опо-
ры колеса на дорогу, поэто-
му давление автомобиля на
дорогу возрастает.
2 (с. 100). Частицы песка, ле-
жащие под самым верхним
его слоем, зажаты со всех сто-
рон соседними, на которых,
в свою очередь, давят их со-
седи. Это как плотная толпа,
из которой могут вырваться
только те люди, которые на-
ходятся с самого ее края.
3 (с. 102). Без этих сил мы не
могли бы писать чернилами.
Перьевая ручка не зачерп-
нула бы их из чернильницы,
а шариковая сразу же поста-
вила бы большую кляксу,
опорожнив весь стержень.
Нельзя было бы намылить
руки: пена не образовалась бы.
Нарушился бы водный ре-
жим почвы, что оказалось
бы гибельным для растений.
Пострадали бы важные функ-
ции нашего организма.
Разорились бы производители
мыльных пузырей для детей.
4 (с. 103). Песчаный, так как в
нем есть капилляры, по ко-
торым вода поднимается из
почвы на поверхность.
5 (с. 105). Отряхиваясь, соба-
ка с большой скоростью вра-
щает свое тело вправо-влево.
Сила, помогающая ей обсох-
нуть, — центробежная сила,
сбрасывающая капли воды с
шерсти.
6 (с. 107). Загар вызывается
ультрафиолетовым излуче-
нием, а обычное стекло его
не пропускает. Значит, сидя
у окошка, загореть нельзя.
7 (с. НО). Долгое время люди
считали, что на земном
шаре четыре океана: Тихий,
Атлантический, Индийский
и Северный Ледовитый. Но
в 2000 г. Международная гид-
рографическая организация
приняла решение выделить
из состава Атлантического,
Индийского и Тихого пя-
тый океан, окружающий
Антарктиду, — Южный (или
Антарктический). А самый
большой из океанов — Ти-
хий.
8 (с. 121). Полное отражение
света.
Жизнь в атомном ядре и вне его 123
ЖИЗНЬ В АТОМНОМ
ЯДРЕ И ВНЕ ЕГО
Главные обитатели микромира
Абстрактное изображение атомов и
элементарных частиц
В этой главе мы поговорим о самой важ-
ной и увлекательной части физической
науки, в которой изучаются элементар-
ные частицы. Так называют атомы и частицы
еще меньших размеров, из которых построены
объекты нашего мира, включая людей, собачек,
школьные дневники и созвездие Большой Мед-
ведицы. В общем, все видимое и многое из не-
видимого.
Слово «элементарный» часто понимают как
«простейший». Однако это не совсем верно по
отношению к «обитателям» микромира. Оно
происходит от латинского слова elementaris —
«основной, первоначальный, содержащий на-
чала науки». Такое определение гораздо точнее
выражает природу и значение этих самых ча-
стиц.
Еще лет 80 назад таких основных «кирпи-
чиков» материи ученые насчитывали совсем
немного. Она представлялась составленной из
химических элементов (Н, Не, N, О, С, Fe и дру-
гих), а химические элементы — построенными
из атомов. Атом, в свою очередь, состоит из тя-
желого ядра, окруженного роем легких элек-
тронов. Ядро тоже непростое — в его тесном
«жилище» уживаются протоны и нейтроны.
Причем их бывает так много, что ядро напоми-
нает гроздь винограда: например, ядро урана
(U) содержит 92 протона и 146 нейтронов.
Протоны имеют положительный электри-
ческий заряд, электроны — отрицательный, а у
нейтронов заряд отсутствует. Количество элек-
тронов равно числу протонов, и они связаны
силой электрического притяжения, поэтому
атомы электрически нейтральны и стабиль-
ны. Из обычного состояния их может вывести
внешнее воздействие, скажем, быстрая части-
ца, на лету врезавшаяся в «мирно дремавший»
атом. Тогда атом «просыпается» — переходит
в состояние с большей энергией (возбужден-
ное). Поскольку возбуждение долго не сохра-
няется, атом возвращается в первоначальное
состояние, излучая излишек полученной энер-
гии в виде фотона — кванта электромагнитно-
го поля.
Вот эти частицы — протон, нейтрон, элек-
трон и фотон — составляли всю палитру мель-
чайших элементов материи в упомянутые
времена. Хотя существовало еще кое-что. В те
же 30-е гг. прошлого столетия была открыта
совершенно особая частица — антипод элек-
трона. Сначала ее существование теоретически
обосновал английский физик Поль Дирак, а
чуть позже частицу обнаружили и экспери-
ментальным путем. Она во всем подобна элек-
трону, но имеет положительный заряд. Ее так
и окрестили — позитрон, то есть положитель-
ный электрон. Позднее выяснилось, что у ка-
ждой элементарной частицы имеется такой вот
«брат-близнец». Все эти двойники получили
название античастиц.
124 Жизнь в атомном ядре и вне его
ВОПРОС 1
Атом гелия состоит из
ядра и двух электронов,
обращающихся вокруг не-
го. Опишите состав атома
антигелия.
Столкновение электрона
и позитрона. При
столкновении электрона и
его античастицы позитрона
происходит аннигиляция
(уничтожение) обеих частиц
с превращением их в гамма-
кванты (высокочастотное
электромагнитное излучение)
Мезон
Однако столь приятная
уму простота оказалась
обманчивой. Физики на-
ходятся в непрерывном поиске
ответов на загадки, которые
ставит перед ними хитроумная
природа. Ну, например: по-
нятно, что электрическое взаи-
модействие между протонами
и электронами «цементирует»
атом. А вот что удерживает
вместе протоны и нейтроны в
ядре?
Ясно, что это должны быть
какие-то силы. Но не электри-
ческие: протон заряжен, а вот
у нейтрона заряда нет. Значит,
ядерные силы должны быть
совсем иной природы. Кроме
того, они распространяются на
очень малые расстояния, пото-
му что атомные ядра в 100 000
раз меньше самих атомов.
В трудных ситуациях обыч-
но используют аналогии. Что
мы знаем на данный момент о
взаимодействии частиц? Толь-
ко то, что между заряженны-
ми частицами действуют ку-
лоновы силы. Они создаются
Ядра атомов почти всех
веществ стабильны и очень
прочны. Значит, какая-то
мощная сила скрепляет
ядерные частицы вместе
частицами атома: протоны
своим электрическим полем
притягивают электроны так,
что у тех нет возможности
«удрать» на свободу. Можно
предположить, что протоны
обладают не только электри-
ческим полем, но и каким-то
полем другого типа. И именно
оно создает притяжение меж-
ду протонами и нейтронами.
Нейтроны тоже создают такое
поле. Его назвали мезонным.
Завершая сравнение с элек-
тромагнитным полем, можно
допустить существование ча-
стицы-кванта такого поля. Ему
присвоили красивое имя —
мезон.
Такую картину ядерных сил
предложил в 1934 г. японский
физик Хидэки Юкава. Через
пять лет мезон был обнаружен
в лучах, прилетающих на Зем-
лю из космоса. Позже обнару-
жилось, что таких частиц не
одна, а три, и они отличаются
в основном электрическими
зарядами. А ядерные силы,
скрепляющие протоны и ней-
троны, ученые стали рассма-
тривать как результат обмена
мезонами между ними. Такую
связь назвали сильным ядер-
ным взаимодействием (есть
еще слабое ядерное взаимо-
действие, в результате которо-
го распадаются ядра).
В общем, «зоопарк» частиц
быстро рос. Давайте совершим
короткую, но интересную экс-
курсию по нему. Для начала
познакомимся с характеристи-
ками частиц — теми свойства-
ми, которыми они обладают и
которые определяют их пове-
дение в странных и таинствен-
ных глубинах материи.
Жизнь в атомном ядре и вне его 125
Как объяснить,
что такое частица?
Сначала упомянем о том,
что объединяет все части-
цы. Это волновые свойст-
ва. То, что такие свойства при-
сущи свету, было известно
еще во времена Ньютона. Они
проявлялись, например, в та-
ких оптических явлениях, как
интерференция и дифракция.
Суть их в том, что при наложе-
нии двух (или более) световых
волн в пространстве возникает
картина чередующихся макси-
мумов и минимумов световой
энергии. Подобный экспери-
мент, поставленный с элек-
тронами, дает аналогичную
интерференционную картину.
Поскольку свет состоит из
частиц-фотонов и при этом
имеет волновые свойства, то
с этим самым квантом как-то
связана световая волна. «Ча-
стица-волна» — для обыден-
ного ума звучит абсурдно, од-
нако что такое частица в ми-
кромире? Разве она похожа
на частицы, например, пыли?
Конечно, нет! «Ничего обще-
го», как говорил Винни-Пух.
Значит, «частица» в ми-
кромире просто удобное, по-
заимствованное из обыденной
жизни слово, говорящее о том,
что такие объекты в некоторых
опытах проявляют себя как
маленькие сгустки энергии.
Например, электрон можно
зарегистрировать на специ-
альной фотопластине, где он
оставит крошечный след-точ-
ку. А в описанном выше опы-
те электроны, прошедшие в
большом количестве через
щели, образуют своими сле-
дами на такой же фотопласти-
не интерференционную кар-
тину.
Волновые явления. Левый рисунок изображает дифракцию
света: слева на перегородку падает световая волна, которая после
прохождения через узкую щель распространяется по разным
направлениям, как волна на воде от упавшей капли. На правом
рисунке две такие круговые волны пересекаются в пространстве,
образуя картину минимумов и максимумов яркости света.
Это интерференция
— Пятачок, ты знаешь, что
такое квант?
- Не-а.
— Это количество меда,
содержащееся в одной пчеле.
126 Жизнь в атомном ядре и вне его
Волны де Бройля
В 1925 г. один умный
француз по имени Луи
де Бройль, используя
аналогию между светом и ве-
ществом, предположил, что
волновые свойства имеет и ма-
терия. А точнее, с каждой эле-
ментарной частицей связана
некая волна. Как у всякой вол-
ны, у нее есть частота v и длина
волны Л. Зная эти параметры,
можно определить энергию Е
и импульс р кванта поля (элек-
тронного, мезонного и вообще
любого), которому принадле-
жит данная волна:
E = /zv,
р = h/А,
где h — некое число, так на-
зываемая постоянная Планка,
играющая огромную роль в
квантовой физике.
В левых частях этих ра-
венств стоят величины, отно-
сящиеся к точечным частицам
совсем малого размера (иногда
их называют корпускулами),
вроде тех, что рассматривают-
ся в классической механике. А
величины v и Л характеризуют
волну, простирающуюся на
огромные расстояния. Так свя-
зываются волновые и корпу-
скулярные свойства вещества.
КВАНТОВОЕ ПОЛЕ
Волну-частицу можно
представлять и так
Наличие волновых свойств
у всех элементарных частиц
позволило физикам связать с
каждой из них особое поле,
называемое квантовым, а
сами частицы рассматривать
как кванты волн таких полей.
Например, электрон счи-
тается квантом электронно-
го поля.
Квант любого физического поля считается частицей, точно так
же как фотон является частицей электромагнитного поля
Тяжелые и невесомые
Злементарныечастицыраз-
личаются между собой по
многим признакам. Один
из важнейших — масса. Среди
частиц есть несколько безмас-
совых: если их можно было бы
положить на весы, те показа-
ли бы ноль. К сожалению, это
невозможно — такие частицы
всегда летят со скоростью света.
К ним относят фотон, гравитон
(не обнаруженный до сих пор
квант поля тяжести) и глюон
(частица, связывающая меж-
ду собой другие частицы —
кварки, из которых построены
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ
В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ
Энергию элементарных частиц выражают в специальных
единицах — электронвольтах (эВ). Один электронвольт —
это та энергия, которую приобретает электрон в постоян-
ном электрическом поле, пройдя расстояние между точ-
ками с разницей потенциалов 1 В. Один электронвольт —
очень малая величина. Например, в опытах Резерфорда
по определению строения атомов энергия альфа-частиц
составляла несколько миллионов электронвольт. Поэто-
му в физике частиц используют более крупные произ-
водные от электронвольта единицы: мегаэлектронвольт
(миллион эВ, МэВ), гигаэлектронвольт (миллиард эВ, ГэВ),
тераэлектронвольт (триллион эВ, ТэВ).
Жизнь в атомном ядре и вне его 127
протон и нейтрон). Все прочие
частицы имеют массу. Неко-
торые совсем ничтожную, как
нейтрино, а некоторые весьма
«упитанны». Так, масса одно-
го из кварков почти в 9000 раз
больше, чем у электрона.
В электронвольтах (и про-
изводных единицах) выража-
ют не только энергию, но и
массу элементарных частиц.
Дело в том, что, как установил
Альберт Эйнштейн, масса и
энергия — это почти одно и
то же. Об этом свидетельству-
ет его самая знаменитая фор-
мула:
Е = тс2.
Отсюда
т = Е/с2,
где с — скорость света.
Поэтому массу частиц ока-
залось удобнее выражать в
электронвольтах в секунду в
квадрате. При этом делитель
с2 обычно опускают. Так, масса
покоящегося электрона равна
0,5 МэВ, протона — 938 МэВ.
Следующая важная харак-
теристика элементарных ча-
стиц — электрический заряд.
По этому признаку они делят-
ся на заряженные и электри-
чески нейтральные, то есть
такие, у которых заряд отсут-
ствует. Таковы фотон, ней-
трино и глюон. Все они, как
и частица гравитационного
поля гравитон, являются пе-
реносчиками разных взаимо-
действий между частицами.
Эта роль налагает на них об-
щие требования: они должны
иметь нулевые массу и элек-
трический заряд.
Среди заряженных частиц
следует выделить электрон.
Дело в том, что все остальные
частицы имеют заряды, крат-
ные заряду электрона. Если
обозначить его через е (без
учета знака), прочие части-
цы могут обладать зарядами
±1е, ±2е, ±3е и т. д. Но стоит
сказать, что есть совершенно
особая группа частиц, члены
которой «оторвались от кол-
лектива»: их заряды дробные!
Правда, они тщательно скры-
вают этот «дефект» от людей:
такие частицы нельзя обнару-
жить с помощью эксперимен-
та — уж больно крепко засели
они в атомном ядре. Это квар-
«Помните, дети: это лучшая
формула на свете!»
ки, «живущие» в протонах и
нейтронах. Их заряды равны
+2/Зе и —1/Зв.
ВОПРОС 2
Наша Вселенная родилась
около 14 млрд лет назад. До
ее возникновения не суще-
ствовало ни вещества, ни
элементарных частиц. Ка-
ков сейчас общий электри-
ческий заряд Вселенной?
«Бессмертные» и эфемерные
Живут частицы тоже
по-разному. Самые
важные для нас —
электрон, протон, фотон —
«бессмертны». Это означает,
что все они, родившись в тех
или иных процессах, суще-
ствуют бесконечно долго. То
есть не распадаются сами по
себе, без взаимодействия с
другими частицами.
Долго, по меркам атом-
ного мира, живет на свободе
(вне атомного ядра) сосед про-
тона по ядру нейтрон — це-
лых 17 мин. После чего, даже
если его не трогать, нейтрон
сам распадается на три ча-
стицы — протон, электрон и
нейтрино. Последняя частица
также относится к категории
«бессмертных». Причем даже
с большим основанием, чем
упомянутые выше, так как
очень неохотно вступает в кон-
такт с веществом.
Остальные элементарные
частицы нестабильны и спо-
собны распадаться. Дольше
всех живут мюоны — две мил-
лионные доли секунды. Срок
жизни других частиц (общее
число их разновидностей до-
стигает нескольких тысяч) как
минимум в 100 раз меньше,
чем у мюонов (это п- и К-ме-
зоны), а у подавляющего боль-
шинства он еще короче.
ВОПРОС 3
Для какой элементарной
частицы Земля совершен-
но прозрачна? А Марс?
128 Жизнь в атомном ядре и вне его
Нейтрон
Протон
Бета-частица (электрон)
Электронное антинейтрино
Схема распада нейтрона. Свободный нейтрон спустя 17 мин распадается на три частицы: протон,
электрон и электронное антинейтрино. Этот процесс называется бета-распадом. Буквами и и d
обозначены составные части протона и нейтрона — кварки (о них будет сказано ниже)
Бозоны и фермионы:
разделение обязанностей
Кроме упомянутых массы, заряда и вре-
мени жизни частицы имеют еще одну
характеристику — спин. Спин похож
на момент импульса, присущий всем вращаю-
щимся телам в нашем мире. Эта очень важная
величина в огромной степени определяет стро-
ение и свойства материи как в микро-, так и в
макромире.
Величину спина измеряют в единицах уже
знакомой нам постоянной Планка h. Так, элек-
трон (как и его античастица позитрон) имеет
спин, равный l/2/z, а фотон — h. На практике
обычно опускают h и пишут просто 1/2,1, 3/2 и
т. д. Вообще, спины любых частиц могут прини-
мать только либо целые (1, 2, ...), либо полуце-
лые значения (1/2,3/2,...).
По этому признаку все частицы делят на две
совершенно непохожие группы. Те, что име-
ют полуцелые спины, называют фермионами
(в честь итальянского ученого Энрико Ферми).
Именно из них образовано все вещество, которое
мы воспринимаем органами чувств. Частицы с
целыми спинами физики именуют бозонами (в
честь индийского физика Сатьендраната Бозе).
Их «работа» состоит в связывании между собой
фермионов. Иначе говоря, бозоны являются пе-
реносчиками взаимодействий: так, кванты элек-
тромагнитного поля связывают электроны и
протоны в атоме.
Многие элементарные частицы имеют
собственный момент импульса, как будто они с
бешеной скоростью вращаются вокруг
своей оси
Жизнь в атомном ядре и вне его 129
ОНИ ТАКИЕ РАЗНЫЕ
Главное отличие фермионов от бозонов состоит в следу-
ющем. Два одинаковых фермиона (допустим, два электро-
на) не могут одновременно быть в одном и том же состо-
янии, например находиться в одном месте пространства,
иметь равные скорости и одинаково направленные спи-
ны. Это утверждение выражает принцип Паули. В атоме
гелия оба электрона движутся по одной орбите, то есть
претендуют на одну и ту же область пространства вокруг
ядра. Но зато их спины направлены в противоположные
стороны, а потому и состояния у электронов разные.
Частицы с целым спином,
то есть бозоны, гораздо друже-
любнее к «соплеменникам».
Число таких частиц, одновре-
менно пребывающих в одина-
ковых состояниях, может быть
каким угодно. Например, фо-
тоны очень любят «тусовать-
ся» большими группами. Их
девиз: «Чем нас больше собе-
рется, тем нам будет веселей!»
Наглядно это можно видеть в
лазерах. Лазерный луч содер-
жит громадное количество фо-
тонов, находящихся в абсо-
лютно одинаковом состоянии.
И хотя энергия одного фото-
на невелика, сложение такого
большого их числа может со-
здать луч огромной мощности.
Лазерный луч
Фундаментальные частицы
Думаю, вы уже поняли, что не все элемен-
тарные частицы действительно элемен-
тарны, то есть неразложимы на другие.
На данный момент физика может предложить
красивую таблицу, напоминающую школьную
доску почета с отличниками. В ней приведены
самые фундаментальные частицы, на которых
держатся и наука физика, и Вселенная. Сами же
эти частицы считаются бесструктурными — не
имеющими внутреннего строения.
Все действительно элементарные частицы мо-
гут быть классифицированы по трем большим
группам: лептоны, кварки и переносчики сил
различных взаимодействий. Особенность лепто-
нов состоит в том, что они не участвуют в силь-
Таблица элементарных (фундаментальных)
частиц (в ней не представлены их античастицы,
которые, конечно, тоже являются
элементарными)
мюонное
нейтрино
электронное
нейтрино
VT
тау-
нейтрино
(------\
W±
W-бозон
Переносчики взаимодействий
е
электрон
м
мюон
тау-лептон
130 Жизнь в атомном ядре и вне его
ном ядерном взаимодействии.
Это электрон, мюон и тау-леп-
тон. У каждого из них имеет-
ся «быстроногий собрат» —
нейтрино соответствующего
типа: электронное, мюонное и
тау-нейтрино.
В следующий класс входят
частицы, основная обязанность
которых состоит в обеспечении
сильного взаимодействия меж-
ду протонами и нейтронами
в атомном ядре. Это кварки.
Известно 6 типов (принято го-
ворить «ароматов») различных
кварков.
Третий класс фундамен-
тальных частиц представляет
переносчики взаимодействий.
Фотон, как нам уже известно,
отвечает за электромагнит-
ное взаимодействие. Глю-
он (на самом деле есть 8 его
разновидностей) «склеивает»
между собой кварки. W- и
Z-бозоны ответственны за так
называемое слабое взаимо-
действие, которое приводит,
например, к обсуждавшему-
ся ранее бета-распаду нейт-
ронов.
Еще одна не упомянутая
здесь элементарная частица —
гравитон, квант гравитацион-
ного поля. Например, Земля
и Луна обмениваются грави-
тонами и потому притяги-
ваются друг к другу. К сожа-
лению, на атомном уровне
материи гравитация крайне
слаба и не играет никакой
роли. Кроме того, несмотря
на то, что физики почти не
сомневаются в существова-
Нейтрон
нии гравитона, он до сих пор
не обнаружен.
Вышеприведенный распад
нейтрона на самом деле про-
исходит немного иначе. В этом
процессе вместе с протоном
возникает также бозон W-, ко-
торый быстро распадается на
электрон и электронное анти-
нейтрино. Такой распад ней-
трона — один из примеров сла-
бого взаимодействия. А частица
W- вместе с двумя другими —
W+-6o3ohom и ZO-бозоном— яв-
ляются его переносчиками.
Бета-частица
(электрон)
Протон
Электронное
антинейтрино
Более подробная схема распада нейтрона
ТРИ ПОКОЛЕНИЯ
12 частиц таблицы, обозначенных зеленым и синим цвета-
ми, принято объединять в особые группы, которые называ-
ются поколениями. Члены каждого поколения имеют оди-
наковые свойства, отличаясь только массой.
К первому поколению относятся d-кварк, u-кварк, электрон
и электронное нейтрино. Второе поколение — это s-кварк,
с-кварк, мюон и мюонное нейтрино. В третье вошли Ь-кварк,
t-кварк, тау-лептон и тау-нейтрино.
Атомы обычного вещества состоят из частиц первого по-
коления. Электроны окружают атомное ядро, состоящее
из протонов и нейтронов, которые содержат и- и d-кварки.
Второе и третье поколения заряженных частиц не присут-
ствуют в обычной материи и наблюдаются только в усло-
виях очень высоких энергий. А вот нейтрино распростра-
нены во Вселенной столь же широко, как и фотоны. Они
возникают при распадах атомных ядер и элементарных ча-
стиц, очень много их образуется в недрах Солнца (и других
звезд).
Солнце светит и греет за счет
реакции слияния протонов и
нейтронов в ядро дейтерия
с испусканием позитрона и
нейтрино
Жизнь в атомном ядре и вне его 131
Каприз природы
Как уже упоминалось,
нуклоны — протоны и
нейтроны — это не эле-
ментарные частицы, а состоя-
щие из «кирпичиков», назван-
ных кварками. Их придумал,
а затем и «окрестил» столь
странным именем американ-
ский физик Марри Гелл-Манн
в 1964 г.
ВОПРОС 4
Нейтрон, как видно из пре-
дыдущего рисунка, состо-
ит из одного u-кварка и
двух d-кварков. Электриче-
ский заряд u-кварка равен
2/3 (в единицах заряда элек-
трона). Чему равен элек-
трический заряд d-кварка?
Кварковое строение атомного
ядра на примере атома
дейтерия
ПРИГОВОРЕНЫ К ПОЖИЗНЕННОМУ
ЗАКЛЮЧЕНИЮ
Два электрона могут разойтись сколь угодно далеко, при
этом силы между ними становятся совсем ничтожными.
Если бы это было справедливо для кварков, то при до-
статочно сильном ударе по какой-либо ядерной частице
из нее можно было бы вышибить кварки. Однако когда
проводятся эксперименты при энергии, достаточной для
вылета кварков, их никогда нет среди образовавшихся ча-
стиц. Кварки навечно заключены внутри нуклонов и не-
которых других частиц.
При увеличении расстояния
между кварками внутри
протона или нейтрона
связывающая их сила резко
возрастает, не выпуская
частицы наружу
Поначалу физикам хватало
только трех кварков (u-, d- и
s-типов), чтобы объяснить все
разнообразие частиц. Протон
состоит из двух u-кварков и
одного d-кварка, а нейтрон —
из двух d-кварков и одного
u-кварка. Что удерживает их
вместе? Здесь ситуация очень
похожа на ту, что имеет ме-
сто в электромагнитном взаи-
модействии. Кварки подобны
электрону, а частицы, назван-
ные глюонами (которые кур-
сируют между кварками, за-
ставляя их притягиваться друг
к другу), подобны фотону,
который тоже путешествует
между электронами, создавая
электромагнитные силы.
132 Жизнь в атомном ядре и вне его
Со временем трех кварков стало не хватать
для объяснения новых явлений. Были введены
еще три кварка. В результате сейчас есть 6 ти-
пов, или ароматов, кварков, которые группиру-
ются по два, на что имеются определенные при-
чины. Каждому присвоили имя, причем порой
довольно забавное. Скажем, с — это очарован-
ный кварк (charm), as — это странный кварк
(strange). А вот к кваркам b и t как-то не удалось
придумать подходящие названия, и их называ-
ют просто t- и b-кварками. Ну а символы и и d
означают upper и down.
Как оказалось, для характеристики кварков
недостаточно указать их аромат (тип), заряд и
массу. Чтобы правильно описать взаимодей-
ствие кварков с глюонами, пришлось ввести
еще одну квантовую характеристику — цвет.
Правда, это условное название, не имеющее
никакого отношения к цветам видимого света.
Каждый из кварков может находиться в трех
цветных состояниях, также условно названных
красным, зеленым и синим.
Сами цвета в экспериментах не наблюдаются.
Поэтому и обычные частицы вроде состоящих из
кварков протонов, нейтронов и мезонов не име-
ют цвета. А потому протоны и нейтроны должны
состоять из кварков трех различных цветов. Поче-
му? По аналогии с оптикой, в которой смешение
красного, зеленого и синего цветов дает белый.
Пентакварк («пакетик» из 5 кварков)
А мезоны состоят из кварка и антикварка, име-
ющих противоположные цвета — цвет и анти-
цвет, также дающие при смешении «белый».
В результате экспериментов на Большом
адронном коллайдере физики впервые обнару-
жили уникальную частицу — пентакварк. Это
«комплект» из четырех кварков и одного анти-
кварка. Конкретнее, обнаруженный пентакварк
составлен из двух верхних, одного нижнего, од-
ного очарованного кварков и антикварка.
«Склеивающая» частица
Кварки активно взаимо-
действуютмеждусобой,
благодаря чему объе-
диняются в наблюдаемые опыт-
ным путем частицы. Как уже
отмечалось, взаимодействие
между кварками обеспечива-
ют глюоны. Это название про-
исходит от английского слова
glue — «клей». То есть глюо-
ны как бы склеивают кварки.
Их можно представлять как
некое облако, окружающее
кварки.
Благодаря этому кварк не
может удалиться на большое
расстояние. Он изо всех сил
пытается улететь, но не спосо-
бен выбраться из глюонного
облака — он сам порождает
это облако. При приближении
кварка к границам частицы (на-
пример, протона) глюонное об-
лако растягивается, разбухает,
становится более плотным, вяз-
ким, тягучим. Поэтому квар-
ку век свободы не видать.
Глюоны также окрашены в
цвета (квантовые!). Однако это
не чистые цвета вроде оранже-
вого или фиолетового, а смесь
трех вышеупомянутых. Точ-
нее, одного цвета и антицвета
какого-нибудь другого из этой
тройки. При обмене глюона-
ми кварки меняют свои цвета.
Допустим, что красный кварк
испускает глюон колеровки
(красный + антисиний). Этот
глюон отнимает у кварка крас-
ный цвет и сообщает синий. В
результате начальный кварк
становится синим.
Подводя итоги, приведем
полную сводку элементарных
частиц вместе с античасти-
цами, цветами и прочими
атрибутами. Рассматривайте
и наслаждайтесь скрытой кра-
сотой природы! Перед вами —
«пейзаж» самой современной
физики элементарных частиц,
которую принято называть
стандартной моделью.
Жизнь в атомном ядре и вне его 133
61 элементарная частица
48 ФЕРМИОНОВ
36 кварков
13 БОЗОНОВ
12 лептонов
у фотон
W W* W-бозон
Z Z-бозон
н° бозон Хиггса
Поколение 1
g- электрон
электронное
Ve нейтрино
U
d d d down
Частицы
Поколение 2
р- мюон
мюонное
W нейтрино
с с с charm
S S S strange
Поколение 3
тау-лептон
Vt тау-нейтрино
t t)® top
Ь Ь Ь bottom
глюоны
Цвета
Поколение 1
g+ позитрон
__ электронное
антинейтрино
й й йиР
d d d down
Античастицы
Поколение 2
р+ антимюон
— мюонное
Vji антинейтрино
(f (Г с charm
S“ S“ S strange
Поколение 3
t+ антитау-лептон
Vt антитау-нейтрино
антисиний
T T T top
Ь Ь Ь bottom
белый
Частица Бога — бозон Хиггса
На последнем рисунке, если вы его внима-
тельно разглядывали, появилась новая
частица. Она расположена в левом ниж-
нем углу между Z-бозоном и глюонами. Это
ставший знаменитым в последние годы бозон
Хиггса. Частица названа в честь английского
физика Питера Хиггса, предсказавшего ее су-
ществование.
Как уже не раз говорилось, в природе есть
4 вида фундаментальных сил, или взаимодей-
ствий: гравитационное, электромагнитное, сла-
бое ядерное и сильное ядерное. У каждой из
четырех сил есть свои специфические бозоны.
Электромагнитные поля, например, передают
электромагнитную силу посредством фотонов.
Поле Хиггса и бозон Хиггса
134 Жизнь в атомном ядре и вне его
Физики поручили бозону Хиггса похожую ра-
боту, но с одним отличием: он должен переда-
вать другим частицам массу.
А разве ее у них нет? У некоторых действи-
тельно нет — у фотона, нейтрино. Зато у боль-
шинства обитателей микромира масса имеется.
Зачем же выдумывать новую частицу?
Дело в том, что в стандартной модели сама
по себе масса не возникает. Странно, правда?
Частицы бестелесны и эфемерны, как сказоч-
ные эльфы. Но физики нашли выход. Что если
частицы получают массу, проходя через опре-
деленное поле — поле Хиггса? Его можно пред-
ставить в виде бескрайнего океана. А волны на
нем — это частицы Хиггса. И Вселенная полно-
стью погружена в это чудное поле.
Поле Хиггса по-разному влияет на частицы.
Фотоны и нейтрино проскакивают через него «не-
замеченными», поскольку не взаимодействует с
этим полем, а вот, допустим, электроны и кварки
увязнут в массе. Вообще, все обладающие массой
частицы взаимодействует с вездесущим полем
Хиггса. И переносчиком такого взаимодействия
доверено быть кванту этого поля — бозону Хигг-
са. Теперь все стало на свои места.
Таинственный бозон был обнаружен вну-
три адронного коллайдера учеными Европей-
ской организации по ядерным исследованиям
(ЦЕРН, CERN) 4 июня 2012 г. — спустя десяти-
летия напряженных экспериментов и поисков.
Установка стоимостью более 6 млрд долларов
находится в 27-километровом тоннеле под зем-
лей и состоит из многочисленных колец и уско-
рителей.
Как возникают массы элементарных частиц?
Поле Хиггса
Бозон Хиггса
Нет массы.
Большая энергия
У J
ПЛАВАНИЕ И БОЗОН ХИГГСА
Сделайте из пенопласта несколько шариков — это будут «элементарные частицы». Положи-
те их на ровную поверхность, например на стол. Подуйте на шарики — они моментально
разлетятся в разные стороны, потому что почти не имеют массы. Теперь бросьте шарики
в миску с водой и снова подуйте на них. Ага, они не очень-то спешат. Наши «элементарные
частицы» как будто стали тяжелее, обрели массу. Происходит это потому, что частицам при
движении приходится продираться сквозь воду, которая в нашем опыте играет роль хигг-
совского поля. Ну а если подуть на воду без пенопластовых шариков, то на ее поверхности
появятся волны — это будет аналог бозонов Хиггса.
Жизнь в атомном ядре и вне его 135
Ускорители
Европейская организация по ядерным исследованиям — CERN
ВОПРОС 5
Большой адронный кол-
лайдер — это гигантский
ускоритель элементар-
ных частиц. Поясним отдель-
ные слова. «Адронный» проис-
ходит от слова «адроны», что
означает «сильные частицы».
И это правильно, ведь они уча-
ствуют в сильном ядерном вза-
имодействии (не только в нем,
конечно). Например, прото-
ны и нейтроны обмениваются
мезонами, в результате чего
возникает сильное взаимодей-
ствие, скрепляющее атомные
ядра. Поэтому эти три части-
цы относятся к адронам. На се-
годня известно более 150 адро-
нов, из которых большинство
существуют очень недолго.
ЭНЕРГИЯ УСКОРИТЕЛЕЙ
Энергию ускорителей выражают в тех же единицах, что и
энергию частиц. Что естественно, ибо имеется в виду мак-
симальная энергия, до которой может разогнать частицы
то или иное устройство. Последнее поколение ускорите-
лей элементарных частиц позволяет достичь нескольких
тераэлектронвольт.
Слово «коллайдер» проис-
ходит от английского глагола
collide — «сталкиваться». В нем
заключена самая суть экспери-
ментов с элементарными части-
цами: столкнуть их между со-
бой и посмотреть, что произой-
дет. Получается обычно много
всяких частиц, с которыми при-
ходится разбираться: сколько,
каких и почему.
Используются в ускорите-
лях разные частицы, но чаще
всего электроны и протоны.
По принципу ускорения эти
устройства подразделяются на
две основные группы — линей-
ные и кольцевые. В первых ча-
стицы до столкновения летят
вдоль прямолинейной вакуум-
«А вы пробовали когда-ни-
будь зашвырнуть комара?»
(М. Жванецкий)
Z-Z-Z... а может, это боз-з-з-он?
Голодный комар весит 1—
2 мг, сытый — 3—5 мг.
Обычно скорость поле-
та комара составляет
3,2 км/ч. Сможете ли вы
доказать, что кинетиче-
ская энергия летящего ко-
мара равна энергии одно-
го протона, ускоряемого
в Большом адронном кол-
лайдере?
136 Жизнь в атомном ядре и вне его
ной камеры, в которую через определенные
расстояния встроены ускоряющие электроды.
Больше таких электродов — сильнее ускорение.
Значит, чем длиннее ускоритель, тем большую
энергию частиц можно получить.
В кольцевых ускорителях частицы застав-
ляют вращаться в магнитном поле, постепенно
разгоняя их с помощью подаваемых в такт вра-
щения импульсов электрического напряжения
(как на качелях). Чем большей энергии требу-
ется достичь, тем значительнее размеры кольца
ускорителя.
В современных ускорителях пучки частиц —
протонов, электронов или их античастиц — с
помощью электрического поля ускоряют до
колоссальных энергий. С помощью магнитного
поля пучками управляют (поворачивают и фо-
кусируют), а затем сталкивают в определенной
точке. По технической сложности и насыщен-
ности передовыми технологиями ускорители
являются самыми сложными и дорогостоящи-
ми творениями человечества.
МЕТОД ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКОВ
Традиционный метод сталкивания ча-
стиц в ускорителях заключается в том,
что пучок частиц направляется на непод-
вижную мишень из какого-либо вещества
и рассеивается ею. В опытах Резерфорда
по определению строения атома пучок
состоял из альфа-частиц (ядер атома ге-
лия), а мишенью служила металлическая
фольга. Более современный метод заклю-
чается в том, чтобы сначала по отдельно-
сти создать два пучка частиц, разогнать
их до нужной энергии и затем пустить на-
встречу друг другу. При этом, в отличие
от традиционного метода, вся кинетиче-
ская энергия пучков переходит в энергию
возникающих в результате частиц. Такой
способ работы ускорителей назвали мето-
дом встречных пучков.
Местность близ швейцарского города Женевы, где расположена Европейская организация
по ядерным исследованиям
Жизнь в атомном ядре и вне его 137
БАК, или Большой
адронный коллайдер
Труба Большого адронного коллайдера, в которой разгоняются
протоны
Коллайдер работает при-
мерно следующим обра-
зом. В его трубе установ-
лены специальные машины. В
них поступает обычный водород
и ионизируется. В результате его
атомы, состоящие из ядра-про-
тона и крутящегося вокруг него
электрона, разбиваются на сво-
бодный электрон и ядро атома
водорода — протон. Эти ядра и
запускаются в трубу коллайде-
ра. В ней с помощью различных
сложных устройств создаются
электрические поля, которые
разгоняют протоны до огром-
ных скоростей, и магнитные
поля, которые заставляют части-
цы носиться по кругу. Протоны
запускаются сразу из двух источ-
ников так, что два пучка частиц
двигаются навстречу друг другу.
На протяжении 30 км в
кольце коллайдера на опреде-
ленных участках установлены
четыре мощных прибора —
детекторы, которые коррек-
тируют траектории движения
протонов. Внутри этих прибо-
ров магнитные поля устроены
так, что два встречных пучка
протонов направляются лоб в
лоб, то есть происходят лобо-
вые столкновения протонов,
разогнанных до очень боль-
ших скоростей — практически
до скорости света.
Разгоняясь, протоны накап-
ливают огромные энергии, а
энергия, как мы уже знаем,
эквивалентна массе. Поэтому
масса протонов возрастает в
1000 раз по сравнению с со-
стоянием покоя. При лобо-
вом столкновении частиц с
такой большой массой могут
рождаться новые элементар-
ные частицы. Вот и Большой
адронный коллайдер стро-
ился с целью поиска бозона
Хиггса. Уж больно не хватало
его физикам для полного сча-
стья. Оказалось, что оно су-
ществует, счастье-то. И впол-
не себе увесистое — около
125 ГэВ.
Часть системы ускорения частиц
Один из детекторов ВАКа, регистрирующий
результаты столкновений протонов
138 Жизнь в атомном ядре и вне его
КАК «ВЫЛОВИЛИ»
БОЗОН ХИГГСА?
Бозон Хиггса не оставляет
следов в регистрирующей
аппаратуре. Но он может
распадаться на другие ча-
стицы. Один из способов
его распада — на два фо-
тона высокой энергии. Ре-
гистрация таких фотонов
на детекторах Большого
адронного коллайдера по-
зволила с уверенностью
сделать вывод о существо-
вании этого бозона.
Распад бозона Хиггса
ОТВЕТЫ
1 (с. 124). Антигелий — это
атом антивещества, состоя-
щего из античастиц. Значит,
чтобы получить его описа-
ние, нужно все составляю-
щие атома гелия заменить на
антиподы. Тогда получится,
что ядро антигелия состо-
ит из двух отрицательно за-
ряженных антипротонов и
двух нейтральных антиней-
тронов. А вокруг них кру-
жат два антиэлектрона —
позитрона.
2 (с. 127). Поскольку до
рождения Вселенной не бы-
ло частиц, не существовало
и электрических зарядов,
значит, ее суммарный заряд
равнялся нулю. Существует
закон, гласящий, что общий
электрический заряд сохра-
няется, то есть не меняется
со временем. Следователь-
но, сейчас общий электри-
ческий заряд Вселенной по-
прежнему равен нулю.
3 (с. 127). Земля, как и Марс,
совершенно прозрачна для
нейтрино. Эти частицы с не-
вероятной легкостью прони-
зывают любые небесные тела.
4 (с. 131). Нейтрон не име-
ет электрического заряда,
поэтому общий заряд всех
кварков в нем также должен
быть равным нулю. Отсюда:
0 = 2/3 + ^ + ^, где q — заряд
одного d-кварка.
Из этого равенства легко по-
лучаем q = -1/3.
5 (с. 135). Кинетическая энер-
гия летящего комара равна
0,4 Дж, или 2,5 ТэВ. А пообе-
давшего — еще больше.
(1 Дж=6,24хЮ18 эВ=6,24хЮ6 ТэВ).
Космос от рождения до... 139
космос зд
ОТ РОЖДЕНИЯ ДО...
«Этажи» организации Вселенной
Наша Вселенная устроена
особым образом. В ней
есть несколько уровней,
на каждом из которых материя
имеет свои формы организа-
ции и законы функционирова-
ния. С другой стороны, все эти
уровни неразрывно связаны
друг с другом, образуя единый
«организм», когда-то роди-
вшийся, ныне развивающийся
и имеющий пока не очень по-
нятную судьбу в будущем.
Все видимое (то есть то, ко-
торое можно наблюдать с по-
мощью приборов) вещество
Вселенной состоит из нукло-
нов — протонов и нейтронов,
а также электронов и фотонов.
Протоны входят в состав водо-
рода, а нейтроны «упакованы»
в легкие ядра — дейтерий и ге-
лий. Другие химические эле-
менты присутствуют в космо-
се лишь в малых количествах.
Вещество собрано в звезды,
звезды образуют галактики,
галактики — скопления и
сверхскопления галактик, рас-
стояния между которыми го-
раздо больше их размеров. Но
если все это вещество и меж-
галактическую пыль равно-
мерно размешать, как газ, по
всему объему Вселенной, то
на каждый кубический метр
пространства придется всего
по одному протону. Как-то пу-
стовато.
«Внутри бескрайнего пространства, среди
энергий, сжатых в нем...»
Спиральная галактика М 106 находится
в созвездии Гончих Псов, куда также входят
около 20 галактик. Ее можно увидеть в телескоп
с Северного полушария. В ядре (центре)
галактики находится огромная черная дыра
140 Космос от рождения до...
Что можно увидеть в ночном небе?
Изучая через телескоп пространство, ас-
трономы, можно сказать, вглядываются в
прошлое — и чем мощнее телескоп, тем
глубже проникает их взгляд. Причина в том,
что свет распространяется с большой, но не бес-
конечной скоростью. Это значит, что ему требу-
ется какое-то время, чтобы долететь от одного
небесного тела до другого. Поэтому, приходя к
нам от космических объектов, свет показывает
их состояние в прошлом, а не в настоящее вре-
мя. Например, Солнце мы видим таким, каким
оно было 8 мин назад.
ВОПРОС 1
Почему мерцают звезды?
Самые яркие звезды на небе посылают нам
свет из прошлого «глубиной» в несколько лет
или десятков лет. А наблюдая квазары — объ-
екты, отстоящие от Земли на миллиарды свето-
вых лет, — мы, по сути, видим не только отда-
ленные в пространстве области Вселенной, но
и ее очень давнее прошлое. Электромагнитное
излучение от наиболее далеких квазаров было
рождено в эпоху, когда звезды только-только
начинали формироваться. Другими словами,
мы наблюдаем юную Вселенную.
«Открылась бездна, звезд полна, звездам числа
нет, бездне дна».
Из стихотворения М. Ломоносова
КАК ИЗМЕРЯЮТ РАССТОЯНИЯ
В КОСМОСЕ?
Для указания расстояний в космическом
пространстве используют несколько единиц
измерения. В популярных книгах и учебни-
ках по астрономии расстояния выражают
в световых годах. Световой год — это путь,
который луч света проходит за один земной
год. Он равен 9,46 трлн км. Профессиональ-
ные астрономы вместо этой величины ис-
пользуют парсек. 1 парсек равен примерно
31 трлн км, или 3,26 светового года. Напри-
мер, ближайшая к Солнцу звезда Проксима
Центавра удалена от него на расстояние 1,3
парсека или 4,2 светового года.
Космос от рождения до... 141
ЗВЕЗДЫ СВЕТЯТ ВСЕМ
Невооруженным глазом мы видим примерно 5000 звезд, а в
нашей галактике их около 200 млрд. Значит, нам для обозре-
ния доступна только ничтожная часть Млечного Пути. Но
не только человек видит небо, но и животные. Например, у
ночных охотников — крыс и сов — зрение намного чувстви-
тельнее, чем у человека; для них небо усеяно звездами го-
раздо гуще, чем для нас. Зато по остроте зрения у человека
почти нет соперников. В этом отношении ему не уступают
только обезьяны, крысы и хищные птицы. А вот кошка, ку-
рица и лошадь видят во много раз менее четко.
ВОПРОС 2
На каком небесном теле мы
можем невооруженным гла-
зом видеть следы его стол-
кновения с другими косми-
ческими объектами?
Звезды не распределены
по Вселенной равномерной
«взвесью», они собираются
в обширные группы — га-
лактики. К примеру, наше
Солнце находится в галактике
Млечный Путь, в которой на-
считывается около 200 млрд
звезд. Присмотритесь вни-
мательнее — и увидите иду-
щую через все звездное небо
широкую полосу из близко
расположенных звезд, слегка
беловатую, за что она и полу-
чила название Млечный Путь.
Это и есть наша галактика, а
вокруг нее расположены эле-
менты других галактик.
Приблизительно установ-
лено, что во Вселенной трил-
лион (тысяча миллиардов) га-
лактик. А звезд — 1 000 000 000
000 000 000 000 000 (число с 24
нулями)!
Это, конечно, приблизитель-
ная цифра. Ведь существуют и
очень далекие тусклые или за-
Млечный Путь на ночном небе Земли
темненные плотными газопы-
левыми облаками галактики,
которые невидимы для теле-
скопа, работающего в оптиче-
ском диапазоне.
ВОПРОС 3
У каких небесных тел есть
хвосты?
142 Космос от рождения до...
Загадай желание
Втемную безоблачную ночь можно заме-
тить, как что-то похожее на звезду вдруг
срывается со своего места, оставляя на не-
босводе яркий светящийся след, и почти мгно-
венно исчезает. Такая падающая «звезда» назы-
вается метеором. Метеоры появляются потому,
что в земную атмосферу влетают метеороиды —
падающие с неба камни или куски железа. Они
представляют собой осколки астероидов — не-
бесных тел, заполонивших пространство между
орбитами Марса и Юпитера. Поскольку асте-
роидов много, они сталкиваются между собой
и раскалываются на более мелкие части, порой
изменяя свои орбиты. Некоторые осколки пе-
ресекают орбиту Земли, иногда притягиваясь к
ней и являясь нам в виде метеоров.
В основном метеороиды — это мельчайшие
твердые крупинки, весящие доли грамма. Такие
крупинки в бесчисленном количестве переме-
щаются в межпланетном пространстве и почти
непрерывно налетают на Землю. Они движутся
с огромной скоростью — 30—40 км/с, то есть во
много раз быстрее, чем пуля или снаряд.
Влетев в земную атмосферу с такой скоро-
стью, метеороид встречает очень сильное со-
противление воздуха. Поэтому он мгновенно
нагревается до такой высокой температуры, что
вскипает и превращается в раскаленный газ,
быстро рассеивающийся в воздухе. Вот этот све-
тящийся из-за высокой температуры газ мы и
замечаем в виде быстро пролетающего по небу
метеора.
Падение «звезды» — метеора
Вторгаясь в земную атмосферу, метеороиды
испытывают сильнейшее трение о ее молекулы.
В результате они нагреваются до очень больших
температур и чаще всего просто испаряются, не
долетев до поверхности планет
Космос от рождения до... 143
Падение метеорита сопровождается громо-
подобными звуками. А если масса влетевше-
го тела столь велика, что атмосфера не может
погасить всю его скорость, оно врезается в по-
верхность Земли, оставляя на ней метеоритный
кратер в виде воронки. Наиболее известный из
таких следов — Аризонский кратер.
Если мы посмотрим в телескоп на Луну, то
увидим, что вся ее поверхность буквально изры-
та кратерами — следами метеоритной бомбар-
дировки, которой наш спутник подвергался в
прошлом.
Падение крупного метеороида
ВОПРОС 4
Американские астронавты, побывавшие
на Луне, утверждали, что по ее поверхно-
сти ходить легко, однако они часто теря-
ли равновесие, потому что даже при не-
большом наклоне вперед можно упасть.
Как объяснить это явление?
Поверхность Луны
Метеоритный кратер в штате
Аризона, США. Его диаметр —
1250 м, глубина — около 175 м.
Этот кратер образовался
почти 50 000 лет назад в
результате падения железного
метеорита — глыбы диаметром
40 м и весом 300 000 т. Правда,
до Земли долетела только
половина этого объекта,
остальное рассыпалось и
испарилось по дороге
144 Космос от рождения до...
Межзвездное
пространство
Пространство Вселенной — между плане-
тами, звездами, галактиками — вовсе не
пустое. Оно заполнено веществом и эле-
ментарными частицами, излучением и поля-
ми — гравитационным и электромагнитным.
Вещество представлено газом, пылью и плаз-
мой. Больше всего в пространстве газа — около
99%. В основном это водород (три четверти) и ге-
лий. Космической пыли по массе почти в 100 раз
меньше, чем газа. Тем не менее в космическом
пространстве царит почти идеальная пустота: в
среднем в одном его литре можно обнаружить
один атом вещества. Сравним с воздухом, кото-
рым мы дышим: в одном его кубическом санти-
метре снуют 30 000 000 000 000 000 000 молекул.
А вот все звезды, включая Солнце, а также
верхние слои планетных атмосфер (их называют
ионосферами) находятся в состоянии плазмы, то
есть ионизованного вещества. В этом состоянии
пребывает 99% материи в нашей галактике.
Космическое пространство
Космическая
ПЫЛЬ
Одна из составляющих межзвездной сре-
ды — мелкая пыль. Пылью астрономы
называют совсем маленькие, размером
около тысячной доли миллиметра, твердые
частицы, летающие в космическом простран-
стве. Пыль можно разделить на межпланетную
и межзвездную. Первая заполняет все про-
странство Солнечной системы. Каждый год на
поверхность Земли оседает около 40 000 т этой
пыли. Кстати, ее можно увидеть. В хорошую
погоду на западе сразу после заката Солнца и
на востоке перед восходом можно разглядеть
Зодиакальный свет после захода Солнца
Космос от рождения до... 145
бледный конус света над гори-
зонтом. Это так называемый
зодиакальный свет. Он пред-
ставляет собой солнечные лу-
чи, рассеянные космическими
пылинками.
Пыль за пределами Солнеч-
ной системы считается меж-
звездной. Ее частицы имеют
твердую середину — ядро — и
оболочку. Ядро состоит из ме-
таллов, кремния и углерода. А
оболочка — из намерзших на
поверхности ядра газов.
Распределенная в простран-
стве пыль приводит к ослаб-
лению света далеких звезд.
Свет частично поглощается,
а частично рассеивается мел-
кими твердыми пылинками.
Наиболее значительное ослаб-
ление наблюдается в направ-
лениях, близких к курсу на
Млечный Путь.
Туманности
Туманностями называются обособленные
в пространстве скопления пыли и га-
зов. Вместе их удерживает гравитация.
Встречаются мелкие (около одной десятой доли
массы Солнца) и впечатляющие по величине
(до 10 000 солнечных масс и размером от 1 до 10
парсек) туманности.
Межзвездные туманности бывают светлыми
и темными. Эти объекты светятся, если горячие,
поскольку при высокой температуре их газ из-
лучает свет. Однако может быть и так, что сама
туманность холодная и не способна светиться,
но ее пыль рассеивает лучи находящейся за ней
яркой звезды.
Темные туманности не испускают свет, а по-
глощают. Когда через них проходят лучи звез-
ды, пыль может полностью поглотить их. При
наблюдении такие туманности выглядят как
дыры в небе. Самая впечатляющая из них назы-
вается Конская Голова.
Туманности играют роль космических «ро-
дильных домов»: именно в них больше всего мо-
лодых горячих звезд и их скоплений. При опре-
деленных условиях облако туманности может
начать сжиматься и его температура возрастает
до тех пор, пока не вспыхивает термоядерная
реакция — и загорается новая звезда. Ведь ту-
манности кроме пыли содержат водород, ядра
которого при очень высокой температуре сли-
ваются друг с другом, выделяя огромное коли-
чество энергии. Это и есть термоядерная реак-
ция.
Туманность М 16 в созвездии Орла.
Значительную ее часть составляют молекулы
водорода и космическая пыль. Внутри
образованных ими облаков рождаются звезды.
Именно они подсвечивают облака, что хорошо
видно на снимке
Туманность Конская Голова
146 Космос от рождения до...
Звезды
Звезды отличаются тем-
пературой, размерами и
цветом. По температу-
ре различают красные, жел-
тые, белые, голубые. Среди
них самые холодные красные:
температура на поверхности
такой звезды составляет не бо-
лее 3000°С. Желтые звезды — к
ним относится и наше Солн-
це — имеют температуру око-
ло 6000°С; белые «разогреты»
от 10 000 до 20 000°С; голубова-
тые же звезды — самые горя-
чие — раскалены более чем до
30 000°С (иногда до 100 000°С).
Но это температура поверхно-
сти звезд. Внутри этих светил
еще жарче — до 20 млн °C.
Белый карлик — звезда,
имеющая большую массу
(порядка солнечной) и малый
радиус, близкий к радиусу
Земли. Зато плотность белого
карлика огромна: масса 1 см3
его вещества равняется 29 т
ВОПРОС 5
Чем звезды отличаются
от планет?
В зависимости от размеров
звезды величают гигантами
(самые большие) и карликами
(наименьшие). Диаметр так
называемых белых карликов
может быть в 100 с лишним
раз меньше диаметра Солн-
ца, при этом масса таких звезд
примерно равна солнечной.
По численности такие кар-
лики составляют от 3 до 10%
звездного «населения» нашей
галактики.
ВОПРОС 6
Какую форму имеют
звезды?
Чем больше звезды, тем
реже они встречаются в про-
странстве. Особенно редки ги-
ганты. Самыми крупными яв-
Гигантской называется звезда,
значительно превосходящая
Солнце размерами.
Температура поверхности
такой звезды вдвое ниже, чем
наружного слоя Солнца, а
диаметр примерно в 40 раз
больше солнечного. Цвет
гигантов бывает оранжевым
или красным
ляются красные гиганты. К
примеру, диаметр красной
звезды Бетельгейзе из созвез-
дия Ориона более чем в 300
раз превосходит диаметр Сол-
нца. А красный Антарес в со-
звездии Скорпиона по диаме-
тру в 450 раз больше нашего
светила и даже превышает ор-
биту Марса.
ВОПРОС 7
Изменится ли движе-
ние Земли, если Солнце
станет красным гиган-
том?
Одной из самых больших
ныне известных звезд является
красный сверхгигант Мю Це-
фея. Внутри этой звезды могли
бы уместиться орбиты планет
Солнечной системы вплоть до
Юпитера. Мю Цефея, также
известная как «гранатовая звез-
да Гершеля», является красным
сверхгигантом и находится в
созвездии Цефея.
Космос от рождения до... 147
Нейтронные звезды, или пульсары
Нейтронная звезда — аст-
рономический объект,
состоящий из нейтрон-
ной сердцевины-ядра и тонкой
(толщиной 1—2 км) коры из
особого вещества, содержаще-
го тяжелые атомные ядра, на-
пример ядра железа. Другими
словами, это быстро враща-
ющийся шар плотно упако-
ванных внутри железной обо-
лочки нейтронов. Чудовищ-
ные силы тяжести делают
эту оболочку очень гладкой и
блестящей. Массы нейтрон-
ных звезд сравнимы с массой
Солнца, но их радиусы состав-
ляют лишь 20—30 км. Веще-
ство нейтронной звезды — са-
мая плотная форма материи
(чайная ложка такого суперъ-
ядра весит около 1 млрд т).
ВОПРОС 8
Что произойдет, если ве-
щество нашей планеты
потеряет все свои элек-
троны?
Пульсар — вращающаяся нейтронная звезда, излучающая
периодические электромагнитные импульсы
Со временем эти звез-
ды стали называть пульсара-
ми. Пульсар — космический
источник электромагнитного
(радио-, оптического, рентге-
новского или гамма-) излуче-
ния, приходящего на Землю в
виде периодических импуль-
сов. Пульсары, как выяснилось,
и есть быстро вращающиеся
нейтронные звезды. Именно
они излучают очень корот-
кие, длительностью около со-
той доли секунды, импульсы,
повторяющиеся через строго
определенный интервал вре-
мени (порядка 1 с). Из-за этой
регулярности сигналов ученые
поначалу решили, что импуль-
сы могут быть весточками от
внеземных цивилизаций.
Нейтронные звезды облада-
ют самыми сильными магнит-
ными полями во Вселенной, в
миллиарды раз превосходя-
щими земное. Пульсар мож-
но представить в виде огром-
ного намагниченного волч-
ка, крутящегося вокруг оси,
не совпадающей с осью маг-
нита. Этот волчок имеет ко-
лоссальную массу и высокую
температуру поверхности, а
вращающееся магнитное поле
создает огромное по величи-
не электрическое поле, спо-
собное разгонять протоны и
электроны почти до световых
скоростей. Причем все эти за-
ряженные частицы, носящи-
еся вокруг пульсара, зажаты в
ловушке из его колоссального
магнитного поля и могут вы-
рваться на волю только в пре-
делах небольшого угла около
магнитной оси. Именно эти
потоки заряженных частиц и
являются источником того ра-
диоизлучения, благодаря ко-
торому и были открыты пуль-
сары.
148 Космос от рождения до...
Черные дыры
Наверное, нет более популярного «в наро-
де» космического объекта, чем черные
дыры. Они образуются из чрезвычай-
но массивных звезд, которые сжимаются (кол-
лапсируют) в небольшое тело, имеющее ту же
массу, что и исходная звезда. В этих объектах
фундаментальные законы физики, а также про-
странство и время, прекращают свое существо-
вание: вещество в центре черной дыры имеет
нулевой объем и бесконечную плотность. Труд-
но такое вообразить, правда?
Черная дыра — это область пространства, в
которой гравитационное притяжение настоль-
ко сильное, что ни вещество, ни излучение не
могут эту область покинуть. Для находящихся
там тел скорость «убегания» должна превышать
скорость света, но вещество и излучение не спо-
собны двигаться быстрее света, поэтому из чер-
ной дыры ничто не может вылететь.
Черная дыра и белый карлик
Если бы кто-то приблизился к черной дыре,
то его просто растянуло бы до смерти. Этот не-
счастный не был бы раздавлен или что-то в этом
роде — просто растянут до состояния нити и
разорван.
Теория относительности Эйнштейна ут-
верждает, что гравитация влияет на простран-
ство и время. Чем массивнее космический объ-
ект, тем больше он замедляет время. Гравита-
ция же черной дыры настолько огромна, что
практически останавливает ход времени. Если,
стоя снаружи черной дыры, наблюдать, как в
нее падает космический корабль, то можно уви-
деть, что он все больше и больше замедляется и
в конце концов исчезает.
Черная дыра, «засасывающая» в себя вещество
расположенной неподалеку звезды. Иногда
утверждают, что черные дыры всасывают всю
материю вокруг себя. Но это не так. Черные
дыры захватывают только ту материю, которая
находится на определенном расстоянии от
них, а в остальном действуют как обычные
массивные звезды. Если, например, наше Солнце
станет черной дырой, то планеты продолжат
вращаться по своим орбитам, как они это
делают сегодня
Космос от рождения до... 149
Черная дыра искривляет
пространство...
...и время
ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ
Г равитация какого-либо
объекта зависит от двух ве-
щей — массы самого объ-
екта и нашего расстояния
до него. Если начать при-
ближаться к черной дыре,
то гравитация будет посте-
пенно расти и в какой-то
момент станет настолько
чудовищной, что ничто
уже не сможет преодолеть
ее. Эта граница, на кото-
рой скорость отрыва равна
скорости света, называет-
ся горизонтом событий.
Любое событие, которое
произойдет за этим гори-
зонтом, останется невиди-
мым навсегда.
Они не совсем черные
Несмотря на то что чер-
ную дыру нельзя уви-
деть, вокруг многих из
них наблюдается яркое сия-
ние, порой даже ярче, чем у
звезд. Дело в том, что материя,
падающая в черную дыру, за-
сасывается по спирали. В со-
ответствии с законами пове-
дения вращающихся объектов
(их примером может служить
вода, вытекающая из ванны),
материя собирается в диск, кру-
жащийся вокруг черной дыры
с бешеной скоростью. Обла-
сти диска, которые находятся
ближе к черной дыре, враща-
ются быстрее удаленных, из-
за чего между этими слоями
происходит трение. Посколь-
ку скорости вращения велики,
материя нагревается до мил-
лионов градусов и ярко све-
тится.
ПРОВЕРЕНО: ЧЕРНЫХ ДЫР ПОБЛИЗОСТИ НЕТ!
В Солнечной системе черных дыр нет. Самый близкий к
Земле такой объект удален на 1600 световых лет. Зато есть
одна невероятно огромная черная дыра прямо в цен-
тре нашей галактики Млечный Путь. Она находится в
30 000 световых лет от Земли. Дыра настолько огромна, что
превышает размеры Солнца в несколько миллионов раз.
Падающее в черную дыру вещество ярко светится
150 Космос от рождения до...
Квазары
Зти сверкающие объекты излучают самое
большое количество энергии, обнаружен-
ное во Вселенной. Это не звезды, а вид еще
неизвестных науке звездообразных объектов.
Квазар — это активное ядро галактики, где про-
текают процессы с выделением чудовищной
энергии. Весьма вероятно, что это черная дыра
гигантского масштаба, поглощающая окружа-
ющее вещество. Под воздействием притяжения
частицы набирают огромную скорость и стал-
киваются друг с другом. От этого их температу-
ра повышается, появляется видимое свечение.
Энергия квазаров может быть равна энергии
3 млн солнц. Некоторые из них излучают в 10—
100 раз больше энергии, чем все звезды в нашей
галактике, причем вся она производится в обла-
сти пространства, примерно равной Солнечной
системе. Находясь на колоссальном расстоянии
от Земли — около 10 млрд световых лет — ква-
зары видны нам лучше, чем космические тела,
расположенные в 1000 раз ближе. Количество
найденных учеными квазаров составляет при-
мерно 200 000.
Квазар — самый отдаленный и яркий объект
во Вселенной
Галактики
Звезды во Вселенной не распределены рав-
номерно, а собраны в галактики — гигант-
ские системы из звезд, звездных скоплений
и межзвездного газа, между которыми находит-
ся пустое пространство. Расстояние между галак-
тиками во много раз превышает их собственные
размеры. Каждая из них насчитывает десятки и
сотни миллиардов звезд. Все составляющие га-
лактику объекты участвуют в движении относи-
тельно некоторого общего центра.
Галактики находятся чрезвычайно далеко
от нас. Невооруженным глазом на небе видны
лишь три из них: туманность Андромеды (в Се-
верном полушарии), Большое и Малое Магел-
лановы Облака (в Южном).
Изучение свойств галактик имеет решающее
значение для понимания развития Вселенной,
так как именно галактики и их скопления — ос-
новные ее элементы (как города в государстве).
Спиральная галактика
Космос от рождения до... 151
Например, измерив скорости
движения нескольких десят-
ков галактик, американский
астроном Эдвин Хаббл в 1929 г.
обнаружил, что они удаляют-
ся друг от друга, и скорость
удаления прямо пропорцио-
нальна расстоянию между га-
лактиками. Так было открыто
расширение Вселенной.
Галактика Андромеды
«Темные» галактики
Во Вселенной есть огром-
ное количество галактик,
в которых очень мало
или вовсе нет звезд. Они состо-
ят только из так называемой
темной материи и именуются
темными галактиками.
В некоторых галактиках, ко-
торые доступны для наблюде-
ния, звезд явно недостаточно,
чтобы составить галактику и
существовать как единое целое.
Для того чтобы объяснить на-
блюдаемые перемещения звезд
под влиянием гравитации це-
лой галактики, нужно предпо-
ложить существование допол-
нительной массы, которую мы
не видим. Ее и назвали темной
материей.
Возможно, на самом деле
таких галактик гораздо боль-
ше, чем обычных — с сияю-
щими звездами и светящимся
газом. К тому же яркие галак-
тики тоже содержат большие
количества темной материи,
масса которой часто в 10 раз
превышает массу всех звезд га-
лактики.
Некоторые галактики состоят в основном из загадочной темной
материи и содержат очень мало звезд
152 Космос от рождения до...
Наше звездное «государство» —
Млечный Путь
По форме Млечный Путь напоминает спи-
ралевидный диск диаметром 80 000 све-
товых лет и толщиной около 1000. Диск
погружен в сферу, называемую галактическим
гало, которое распространяется за пределы
Млечного Пути на 5000—10 000 световых лет.
Гало состоит из горячего газа, звезд и темной
материи.
В галактическом центре находится балдж (от
английского Bulge — «утолщение»), состоящий
из старых звезд, движущихся по вытянутым ор-
битам вокруг сверхмассивной черной дыры, из-
вестной как Стрелец А. Протяженность нашего
балджа составляет 26 000 световых лет. Общее
Центр галактики Млечный Путь
количество звезд в галактике оценивается в пре-
делах от 200 до 400 млрд.
Закон Хаббла
В прошлом столетии американский астро-
ном Эдвин Хаббл экспериментально об-
наружил эффект разбегания галактик.
Согласно закону, названному его именем, ско-
рость удаленных объектов (звезд, галактик и
т. д.) пропорциональна их расстоянию от на-
блюдателя. Значит, чем дальше от нас галакти-
ка, тем быстрее она отодвигается.
Математически закон Хаббла выражается
формулой: v = Hr, где v — скорость, с которой
от нас движется галактика, удаленная на рассто-
яние г; Н — константа, называемая постоянной
Хаббла.
Этот рисунок демонстрирует процесс
расширения всего пространства Вселенной.
Две любые точки (например, под лапками
обезьянки) надувающегося шарика «убегают»
друг от друга, и чем дальше одна от второй, тем
выше скорость удаления
Все объекты во Вселенной разбегаются
в разные стороны
Космос от рождения до... 153
ВОПРОС 9
Какой известный вам за-
кон механики, применен-
ный к раздувающемуся
шарику, дает закон Хаб-
бла для этого шарика: ско-
рость, с которой удаляются
друг от друга две точки на
его поверхности, пропорци-
ональна расстоянию меж-
ду ними?
Галактики удаляются не только от Земли, но и друг от друга.
Где бы ни находился наблюдатель, везде он увидит одну и ту же
картину: все галактики «бегут» от него. Можно наглядно проде-
монстрировать такое расширение. Представим себе воздушный
шарик, на котором нарисованы различные космические объекты.
Когда мы начнем его надувать, то расстояние между всеми нари-
сованными объектами будет увеличиваться. Причем чем больше
расстояние между рисунками, там быстрее оно будет расти. Та-
ким образом, мы получаем модель расширения Вселенной под
действием закона Хаббла.
Все начиналось с точки
Если сейчас Вселенная рас-
ширяется, значит, мож-
но предположить, что
когда-то давно она была очень
маленькой. И действитель-
но, как подсчитали ученые,
13 млрд 800 млн лет назад Все-
ленная была во столько же раз
меньше протона, во сколько
Диаграмма истории Вселенной
протон меньше Луны. В этой
невообразимо малой точке не
было разделения на несколько
видов сил — гравитационную,
электромагнитную и иные.
Действовала единая и недели-
мая сила.
По какой-то причине прои-
зошел взрыв, из-за которого все
содержимое точки стало разле-
таться. Скорость расширения
была особенно велика в первые
мгновения, и за совершенно ни-
чтожное время размер Вселен-
ной вырос с нуля до 1 см. Этот
период ее эволюции назвали
до боли знакомым нам словом
«инфляция». При этом нако-
пившаяся кинетическая энер-
гия стала переходить в энергию
рождающихся и разлетающих-
ся элементарных частиц. Из-за
этого материя нагрелась до чу-
довищных температур. Появи-
лось огромное количество кван-
тов света. Со временем все это
стало остывать, а кванты раз-
летелись по расширявшемуся
пространству.
Само событие, ознамено-
вавшее зарождение Вселенной,
а также последующее ее разви-
тие с расширением и остыва-
нием назвали Большим взры-
вом.
Спустя одну десятимилли-
ардную долю секунды с начала
взрыва единая сила стала рас-
падаться на отдельные типы.
Появились электроны и квар-
ки в свободном виде. Веще-
ство в таком состоянии назы-
154 Космос от рождения до...
вается кварк-глюонной плаз-
мой.
Примерно через одну сто-
тысячную долю секунды квар-
ки слились в элементарные
частицы — протоны и ней-
троны. Начиная с четвертой
минуты Вселенная остыла
настолько, что при столкно-
вениях протонов и нейтро-
нов стали образовываться
атомные ядра. Причем в про-
цессе соударений с новыми
частицами ядра постепенно
утяжелялись за счет присо-
единения к ним протонов
или нейтронов. На этой ста-
дии сформировались ядра
лишь самых легких химиче-
ских элементов, поскольку
вскоре Вселенная расшири-
лась уже настолько, что стол-
кновения между частицами
стали огромной редкостью.
Примерно через 300 000 лет
после Большого взрыва Вселен-
ная остыла настолько, что элек-
троны начали прочно удер-
живаться ядрами, и появились
стабильные атомы. Постепен-
но формирование атомов из
моря свободных ядер и элек-
тронов привело к образова-
нию всех существующих сего-
дня во Вселенной химических
элементов.
Спустя примерно 1 млрд
лет начали формироваться
галактики. Вселенная понем-
ногу стала принимать тот вид,
который мы наблюдаем сегод-
ня. Со временем образовались
звезды, планеты, включая и
нашу Землю.
А оставшееся с момента
Большого взрыва электромаг-
нитное излучение до сих пор
наполняет Вселенную. Оно на-
зывается реликтовым, или фо-
новым, излучением.
Судьба Вселенной
Поскольку Вселенная рас-
ширяется уже милли-
арды лет, законен во-
прос: как долго это будет про-
должаться и чем закончится?
Силы гравитационного при-
тяжения, действующие между
отдельными частями Вселен-
ной, стремятся затормозить
разбегание этих частей. К
чему торможение приведет,
зависит от суммарной массы
Вселенной. Если она достаточ-
но велика, силы тяготения по-
степенно остановят расшире-
ние, и оно сменится сжатием.
В результате Вселенная в кон-
це концов опять «схлопнется»
в точку, из которой когда-то
начала расширяться. Если же
масса меньше некоторой кри-
тической величины, то рас-
ширение будет продолжаться
вечно. Обычно принято гово-
рить не о массе, а о плотно-
сти, которая связана с массой
простым соотношением: плот-
ность есть масса, деленная на
объем.
Значение концентрации ча-
стиц, усредненное по всему
объему Вселенной, десятки и
сотни раз измеряли, тщатель-
но подсчитывая разными ме-
тодами количество звезд и га-
зопылевых облаков. Результа-
ты таких измерений несколько
различаются, но вывод неиз-
менен: значение плотности
Вселенной едва дотягивает до
нескольких процентов от кри-
тической.
Поэтому вплоть до 70-х гг.
прошлого века общеприня-
тым был прогноз о вечном рас-
ширении нашего мира, кото-
рое неизбежно должно приве-
сти к постепенному остыванию
всего вещества. Все процессы
во Вселенной прекратятся, и
разные ее части будут иметь
одинаковую температуру. Та-
кой финал назвали тепловой
смертью.
Космос от рождения до... 155
Темная материя
и темная энергия
Однако со временем ста-
ло ясно, что истинная
масса Вселенной на-
много больше видимой мас-
сы, заключенной в звездах и
газопылевых облаках, и, ско-
рее всего, близка к критиче-
ской. А возможно, в точности
равна ей. Это значит, что су-
ществуют какие-то невиди-
мые материя и энергия, на-
полняющие все мироздание
и скрепляющие его так, что
оно не сможет рассеяться и
превратиться в бесконечную
мертвую пустыню.
Что известно сегодня о тем-
ной материи? Почти ничего. И
все же нет никаких сомнений
в том, что она существует: об
этом неопровержимо свиде-
тельствуют многие научные
факты, приведенные выше.
Темная материя составляет
95% массы Вселенной.
Доказательством существо-
вания темной материи явля-
Темная
энергия (74%)
Темная
Диаграмма распределения
массы во Вселенной
ется ее сила гравитации, ко-
торая, словно клей, сохраняет
целостность Вселенной, в том
числе и галактик. Было обна-
ружено, что многие галакти-
ки вращаются быстрее, чем
ожидалось. Согласно теории
гравитации Эйнштейна, они
должны разлетаться в разные
стороны. Однако что-то неви-
димое будто удерживает их
вместе.
О темной энергии мож-
но сказать еще меньше, чем о
темной материи. Во-первых,
она равномерно распределе-
на по Вселенной, в отличие
от обычного вещества и тем-
ной материи. В галактиках и
их скоплениях ее столько же,
сколько вне их. Во-вторых,
темная энергия обладает не-
сколькими весьма странными
свойствами. Например, она
создает антигравитацию: за
счет ее присутствия темп рас-
ширения Вселенной растет.
Темная энергия как бы растал-
кивает саму себя, ускоряя при
этом и разбегание обычной
материи, собранной в галак-
тиках. А еще темная энергия
обладает отрицательным дав-
лением, благодаря которому в
веществе возникает сила, пре-
пятствующая его растяжению.
В общем, темная энергия
представляет собой совершен-
но необычную субстанцию, аб-
солютно непохожую на все то,
с чем имела дело физика до
сих пор.
Темная материя, недоступная
наблюдениям, присутствует во
Вселенной в гораздо больших
количествах, чем обычная
156 Космос от рождения до...
Мы не одиноки в мироздании!
Большой взрыв не был уникальным со-
бытием прошлого. Множество взрывов
случилось прежде и несчетное число их
еще произойдет в будущем. В мироздании су-
ществует огромное количество точек, в которых
могут возникнуть особые условия, приводящие
к взрыву и рождению новых вселенных, совсем
не похожих на нашу.
Едва зародившись, «пузыри» будущих вселен-
ных начинают расширяться со скоростью света.
Но они очень редко сталкиваются, поскольку про-
странство между ними расширяется еще быстрее,
образуя место для все новых и новых пузырей. Мы
живем в одном из них и видим только малую его
часть. Каждый пузырь является самодостаточной
отдельной Вселенной, у которой нет связи с дру-
гими пузырями. В ходе вечной инфляции рож-
дается бесконечное число таких пузырей-вселен-
ных. Так что впереди нас ждет что-то совершенно
неизвестное.
Ну, может, не нас, людей, а тех существ, ко-
торые появятся на Земле через миллионы лет.
Мультивселенная, или множественные вселенные
Космос от рождения до... 157
ОТВЕТЫ
1 (с. 140). Если смотреть на
звезды из космоса, где нет ат-
мосферы, то никакого мерца-
ния мы не увидим: они будут
сиять спокойным, постоян-
ным светом. Причина мер-
цания — в наличии земной
атмосферы, через которую
свет звезд проходит, прежде
чем достигает глаз. По пути
лучам приходится преодоле-
вать не однородную среду, а
области газа различной плот-
ности. В воздухе постоянно
существуют слабые потоки
и завихрения. Свет в разных
местах такой среды прелом-
ляется различно и меняется
со временем. Таким образом,
основная причина мерцания
звезд — неоднородность воз-
духа и его движение.
При мерцании изменяется
цвет звезд. Дело в том, что
их свет, в том числе и сол-
нечный, состоит из разно-
образных лучей, которые
по-разному преломляются
атмосферой.
2 (с. 141). Лунные моря, кото-
рые легко увидеть невоору-
женным глазом на диске на-
шего спутника, — результат
столкновений Луны 4 млрд
лет назад с другими косми-
ческими телами.
3 (с. 141). У комет. Хвосты у
них появляются при при-
ближении к Солнцу.
4 (с. 143). Устойчивость при
ходьбе зависит от силы тре-
ния между подошвой обу-
ви и почвой. Сила тяжести
на Луне в 6 раз меньше, чем
на Земле, поэтому там при
ходьбе возникает и малая
сила трения.
5 (с. 146). Звезды — это мас-
сивные раскаленные газо-
вые (точнее, плазменные)
тела, излучающие собствен-
ный свет, в отличие от пла-
нет, которые светят отра-
женными от их звезды луча-
ми. В недрах большинства
звезд идут термоядерные
реакции, «снабжающие» их
энергией. На планетах такие
реакции не происходят.
6 (с. 146). Невращающиеся
одиночные звезды имеют
форму шара. Вращающиеся
звезды, как и Земля, сплюс-
нуты с полюсов. В двойных
звездных системах форма
светил более сложная.
7 (с. 146). Движение Земли
останется прежним, так как
сила гравитационного при-
тяжения между двумя не-
бесными телами зависит от
расстояния между их цен-
трами. А оно не изменит-
ся, если Солнце состарится
и превратится в красного
гиганта. Однако у таких
гигантов есть «нехорошая
привычка»: со временем они
сильно раздуваются. Так что
солнышко через каких-ни-
будь пару миллиардов лет
сможет дотянуться до нас...
8 (с. 147). В материи Земли
останутся только протоны
и нейтроны, и она превра-
тится в громадный положи-
тельно заряженный шар.
Однако он просуществует
очень недолго. Протоны
разлетятся в разные сторо-
ны, поскольку между ними
действуют силы отталкива-
ния. Останутся одни ней-
троны, и Земля станет похо-
жей на нейтронную звезду.
9 (с. 153). Согласно закону
Гука для упругих веществ,
удлинение тела под действи-
ем силы пропорционально
ее величине, а также длине
этого тела. В примере с раз-
дувающимся шариком мож-
но представить, что любые
две точки на его поверхно-
сти соединены тонкой упру-
гой полоской резины. Роль
растягивающей силы играет
давление воздуха внутри ша-
рика. Чем оно больше, тем
сильнее растягиваются эти
тонкие полоски между точ-
ками. Соответственно, чем
больше расстояние между
ними, тем больше удлинит-
ся полоска за время вдува-
ния воздуха. Следовательно,
и скорость, с которой две
точки удаляются друг от
друга, будет больше.
158 Содержание
t СОДЕРЖАНИЕ
ФИЗИКА - ГЛАВНАЯ ИЗ НАУК.....3
Агрегатные состояния вещества......35
Плазма.............................35
ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ,
ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ..........................4
О главном в физике просто и нескучно.4
Пространство в классической механике.5
Время................................6
Движение............................ 6
Координаты.......................... 6
Скорость..........................
Векторы..............Ж®.™ л......8
Материя..............................8
Атомы................................9
Силы.................................9
Закон тяготения.....................11
Гравитационное поле.................12
Импульс.............................13
Третий закон Ньютона................13
Энергия.............................14
Теплота и газы......................15
Газовые законы......................15
Абсолютный нуль.....................16
Заряды и магниты....................16
Ом против Ньютона...................18
Магниты и токи......................18
Электромагнитные волны..............20
Свет и цвет.........................21
Электроны...........................22
Первая модель атома.................22
Ядро................................23
Излучение атомов....................24
Кванты..............................24
Частицы-волны.......................25
Квантовая механика..................26
Ответы..............................27
ФИЗИКА В КВАРТИРЕ..................28
Наружное окно...................28
Термос..........................29
Теплопроводность................30
Конвекция.......................30
Излучение тепла Трение 1 г я ! 31 32
Работа.............1.5.............. 32
Испарение........................33
Не просто вода...................33
Микроволновка....................34
Кристаллические вещества
Аморфные вещества.....
Утюг..................
Энергосберегающая лампа
Термометр.............
Жидкостный термометр..
Инфракрасный термометр (пирометр*)
о
36
37
37
38
39
39
40
40
41
41
42
42
43
43
44
44
45
45
Зеркало............................
Зеркальная симметрия...............
Вращательная симметрия.............
Симметрии всякие нужны.............
Симметрия физических законов.......
Инерциальные системы отсчета.......
Симметрия и законы сохранения......
Аквариум...........................
Преломление в нас и вокруг нас.....
Полное внутреннее отражение........
Оптоволокно........................
Ответы.........................46
ЗАКОНЫ ФИЗИКИ
НА ДЕТСКОЙ ПЛОЩАДКЕ..............47
Качели-лодочки...................47
Качели-маятник...................48
Параметрические колебания........48
Карусели.........................49
Центробежная сила................50
Закон Ньютона для вращающегося тела.50
Детские батуты...................51
Горка............................53
Ответы...........................53
КАК УСТРОЕНА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ?......54
Физические поля нашей планеты....54
Гравитационное поле..............54
Вращение Земли...................55
Смена времен года................56
Магнитное поле Земли.............56
Электрическое поле планеты.......58
О природе магнитных полей........58
Магнитный момент атома...........59
Магнитные свойства вещества......59
Полярное сияние..................60
Цвет неба........................61
Восход и закат Солнца............63
Содержание 159
В глубине земных недр............63
Физические условия в земных недрах.64
Вулканы..........................65
Ответы...........................67
ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА
ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ................68
Атмосфера........................68
Слои атмосферы...................68
Атмосферное давление.............69
Атмосферы других планет..........70
Над Плутоном небо голубое!.......71
Экзопланеты......................72
Климат...........................73
Роса.............................74
Дождь............................75
Ледяной дождь....................76
Всемирный водный цикл............77
Радуга...........................78
Как образуется град?.............79
Снег.............................81
Гало..............................
Миражи............................
Фата-моргана....р ...84
Гром.............................84
Молния...........................86
Отчего гремит гром?..............87
Шаровая молния...................88
Ответы...........................89
ЖИДКОСТЬ И ЕЕ СВОЙСТВА..............90
От истоков — к устьям............90
Русла............................91
Сила Кориолиса...................92
Иногда реки текут вспять.jyvn.....93
Приливы и отливы.........УКгл.....94
Водовороты...................... 95
Закон Архимеда...................96
Что может плавать?...............97
Почему корабли не тонут?.........97
Как плавает рыба?................98
Кто может бегать по воде?........99
Ответы...........................99
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
НА БЕРЕГУ И В ВОДЕ..............100
Песчаный берег..................100
Чем песок похож на воду?........101
От сухого к мокрому.............102
Капилляры есть не только у людей..103
У самой кромки воды.............104
Капли на теле...................105
Загар и спектр..................106
Выталкивающая сила..............108
«Мокрая» вода...................109
Соленая вода.................... 1Ю
Синее море.........../ /Л 1....111
Звук в воде.................... 113
Волны...........................114
Что такое прибой?...............115
Как движутся частицы воды в волне?.116
Гигантская волна................117
Парус...........................118
На глубине......................119
Ответы..........................122
ЖИЗНЬ В АТОМНОМ ЯДРЕ И ВНЕ ЕГО.........123
Главные обитатели микромира.......123
Мезон.............................124
Как объяснить, что такое частица?.125
Волны де Бройля...................126
Тяжелые и невесомые...............126
«Бессмертные» и эфемерные.........127
Бозоны и фермионы: разделение
обязанностей...................128
Фундаментальные частицы...........129
Каприз природы....................131
«Склеивающая» частица.............132
Частица Бога — бозон Хиггса.......133
Ускорители........................135
БАК, или Большой адронный коллайдер.137
Ответы............................138
КОСМОС ОТ РОЖДЕНИЯ ДО................139
«Этажи» организации Вселенной.....139
Что можно увидеть в ночном небе?...140
Загадай желание...................142
Межзвездное пространство.... .....144
Космическая пыль................. 144
Туманности.................Wj?)....^5
Звезды........................... 146
Нейтронные звезды, или пульсары...147
Черные дыры.......................148
Они не совсем черные..............149
Квазары...........................150
Галактики.........................150
«Темные» галактики................151
Наше звездное «государство» —
Млечный Путь...................152
Закон Хаббла......................152
Все начиналось с точки............153
Судьба Вселенной..................154
Темная материя
и темная энергия...............155
Мы не одиноки в мироздании!.......156
Ответы............................157
Научно-популярное издание
ГУСЕВ Игорь Евгеньевич
ФИЗИКА
ДЛЯ СРЕДНЕГО И СТАРШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА
Ответственный за выпуск И. В. Резъко
Подписано в печать 11.07.2016.
Формат 60x8478. Усл. печ. л. 18,6.
Тираж экз. Заказ
ООО «Издательство АСТ».
129085, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21, стр. 3, комната 5
www.ast.ru
Мы в социальных сетях. Присоединяйтесь!
https://www.facebook.com/IzdatelstvoMalysh
https://www.facebook.com/avantabooks
http ://vk. сот/ izdatelstvomaly sh
http ://vk. сот/ avantabooks
https://instagram.com/malysh_books
«Баспа Аста» деген ООО
129085, г. Мэскеу, жулдызды гулзар, д. 21, 3 курылым, 5 болмс
Бхздхн электрондык мекенжайымыз: www.ast.ru
Казакстан Республикасында дистрибьютор
жэне ошм бойынша арыз-талаптарды кабылдаушынын
oi<Lii «РДЦ-Алматы» ЖШС, Алматы к., Домбровский кош., 3«а», литер Б, офис 1.
Тел.: 8(727) 2 51 59 89,90,91,92
факс: 8 (727) 251 58 12 вн. 107; E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz
Ошмшц жарамдылык мсрз1м1 шектелмеген.
Онд1ргсн мемлекет: Ресей
Сертификация карастырылган
Y 13 q>
7 51 p
W Дж Q
Ек = (mv2)/2
f 9 a о - % рад
О 14 ф a w W 3
? % 41 9,81 ф A
Знаете ли вы, что даже самые серьезные предметы
из школьной программы бывают весьма занимательными?
Не верите? Тогда загляните в книги серии,
которая так и называется: «Увлекательная наука».
Она создана для тех школьников,
которые стремятся знать много больше, чем изучается в школе.
Еп = mgh
Благодаря данной книге вы с головой окунетесь
в волшебный мир физики и с удовольствием начнете
постигать законы этой важной науки,
по которым построена вся Вселенная.
Вы почувствуете себя настоящим ученым, получите ответы
на самые сложные вопросы об окружающем мире и поймете,
почему в нем всё устроено именно так, а не иначе.
А еще удивите учителей и друзей своей эрудицией!
Текст книги написан простым языком, все законы
и факты объясняются без сложных формул,
с использованием аналогий, сравнений, иллюстраций и схем.
Вперед — к новым знаниям!
Познавайте наш удивительный мир, изучая законы физики!
Na п Y Ф о - Вт тс Н Q
1311 Р 55 % W a to ф +
Ом ро NA рад Тс Дж р ро а Вт
УыОВт+стауО 9,81
со р = W а ф 15 С %
+ y рад ф Тс 11 a
ISBN 978-5-17-Q98B1Z-9
9 785170 988129
7
о
47 Вт q ф
% W V со +
А
Р