Физика в нашем доме

Вступление.

1. Письменный стол и все на нем.

2. Стеклянная окно.

3. Швейная машина.

4. Керосиновая лампа и явления на кухне.

5. Наблюдение во дворе.

Большую часть своего времени мы, конечно, проводим дома. Здесь нам все знакомо, мы знаем, где, что и как лежит. Однако часто мы даже не задумываемся над тем, что у нас дома, и в любом другом доме, очень многие физические явления. Мы просто не обращаем на это внимания. А если заинтересоваться, то убедимся, что у нас не квартира, а целая «физическая лаборатория».

Давайте вместе немного понаблюдаем за некоторыми физически простыми явлениями, которые мы все наблюдаем дома, в быту. При этом будем иметь в виду только те физические явления, которые сами бросятся в глаза. Наш письменный стол и все на нем.

С чего начать? Вот мы заканчиваем домашнее задание. Начнём хотя бы с письменного стола. На нем лежит морская ракушка. Мы и не подозреваем, что в ней происходят интересные физические явления. Если приблизим ракушку к уху, то услышим звуки, напоминающие шум моря. Чем объясняется происхождение этого шума? Здесь происходит обычное акустическое явление. Слабые звуки поступающих из окружающей среды, содержат ту частоту колебаний, которая совпадает с частотой колебаний воздуха в раковине, и здесь происходит явление звукового резонанса.

Рядом лежит авторучка. Мы ежедневно пишем ней, набираем в нее чернила, но не задумываемся над тем, что наполняя её чернилами, имеем дело с физическим явлением. Сжимая резиновый баллончик авторучки, мы выдавливаем из него воздух. Когда баллончик вследствие упругости резины приобретает своей предыдущей формы, внутри его давление будет меньше атмосферного, из-за чего чернила набираются в авторучку.

Нам приходится писать не только чернилами, а иногда и тушью (на уроках черчения). Мы, конечно, замечаем, что написанное тушью высыхает гораздо быстрее, чем написанное чернилами. Но почему? Очевидно, потому, что тушь – раствор краски в спирте, а чернила – в воде. Спирт испаряется значительно быстрее, чем вода. Когда нам приходится писать на неровной, шероховатой бумаге, то перо разбрызгивает чернила. В чем здесь дело? Здесь мы наблюдаем явление инерции покоя. Все мы хорошо знаем, что и карандаш, и ручка представляют собой рычаги, однако никогда не задумываемся над тем, где находится точка опоры при письме. Конечно, на среднем пальце руки.

Мы иногда наблюдаем, как при рассеянном обращении с тетрадью или книгой уголки листов загибаются и тогда им не удаётся придать предыдущей формы. Здесь имеет место явление остаточной деформации. Если мы выполним самые простые вычисления, то убедимся, что сила давления столба воздуха на поверхность обычной тетради составляет около 300 кг. Тогда почему же мы так легко можем поднять тетрадь? Дело в том, что силы давления воздуха с обоих сторон тетради уравновешиваются. Нам приходится побеждать только вес самой тетради.

Рассмотрим настольную лампу – один из самых востребованных предметов на нашем столе. Лампа имеет массивную подставку. Это делает её более устойчивой, поскольку центр тяжести лампы расположен очень низко. Теперь поговорим об электрической лампочке. Очень часто говорят так: «Лампочка загорелась», «лампочка горит» и др. Действительно нить электрической лампочки находится в состоянии горения? Ведь для горения в подлинном смысле этого слова нужен кислород, чтобы поддерживать процесс горения непрерывно. А баллон лампы, из которого выкачан воздух, заполнен инертным газом, который не поддерживает горение. Поэтому такие достаточно распространённые выражения сугубо бытовые и совсем не соответствуют сути настоящих физических процессов.

Стеклянное окно. Теперь посмотрим на окна. Сразу же бросается в глаза, что между их двойными рамами лежит гигроскопическая вата, а иногда стоит ещё стакан с небольшим количеством концентрированной серной кислоты. Это делают для того, чтобы высушить воздух между рамами, так кислота впитывает влагу. Посмотрим через окно на улицу, чтобы узнать, какая погода на улице. Предметы, на которые мы смотрим сквозь оконное стекло, кажутся нам искривлёнными. Почему? Оптическая плотность и толщина стекла в разных местах неодинакова, что создаёт видимое смещение частей разных предметов. Ещё больше искажёнными кажутся нам предметы, когда мы смотрим сквозь стекло, смоченное дождём. Тогда толщина прозрачного слоя в отдельных местах увеличивается за счёт воды.

Швейная машина Недалеко от письменного стола стоит швейная машина. Ножки у нее расходятся внизу шире, чем вверху. Понятно, что ножки такой конструкции делают для повышения устойчивости машины благодаря увеличению площади опоры. Во время работы швейной машины есть возможность наблюдать различные виды движения (поступательное, вращательное), а также рассмотреть различные виды передач. Поступательное движение вверх и вниз осуществляет, например, игла. Правильнее назвать это движение возвратно-поступательным. Круговое движение осуществляют маховое колесо, колесо шпулько-моталки и другие части машины. Если же машина не ножная, а ручная, то при определённой скорости её вращения стол, на котором она стоит, начинает дрожать. Здесь мы наблюдаем явление механического резонанса.

Если рассмотреть швейную иглу, то сразу заметим, она очень гладкая и отполирована до блеска. Чем вызвана такая полировка? Легко ли будет шить заржавелой иглой? Здесь мы непосредственно ощущаем ту роль, которую играет в быту трение. Трудно найти швею, которая не пользовалась напёрстком во время шитья иглой. Оказывается, что и здесь мы встречаемся с физическим явлением. Суть этого явления такова. При нажатии пальцем на иглу, она с равной силой давит своим ушком на палец. Из-за того, что площадь, на которую действует в этом случае сила давления иглы, очень мала, усилие на кожу пальца будет заметным – вполне достаточно, чтобы ранить палец, конкретно, проколоть кожу. Этого заметного давления совсем недостаточно, чтобы проколоть прочный металлический напёрсток.

Керосиновая лампа и явления на кухне. Ежеминутно мы все больше убеждаемся, что наша комната очень богата физическими явлениями. Куда ни посмотришь – везде физика. Однако будем последовательными и проведём наблюдения до конца. Сделаем «путешествие» на кухню. Здесь сразу бросается в глаза керосиновая лампа и свеча на окне. Это на всякий случай: вдруг по какой-либо причине электрическая подстанция выключит электролинию, которая питает наш дом. Наша мама очень предусмотрительна. В керосиновой лампе для создания тяги применяется высокое стекло. Возникает вопрос, почему в керосиновой лампе надо создавать тягу с помощью высокого стекла, а у форсунки принуждения возникает сильная тяга без каких-либо дополнительных устройств? Это объясняется очень просто. Уменьшение давления в струе газа, который вырывается из форсунки, вызывает усиленный приток наружного воздуха. Мы не раз убеждались, что керосиновую лампу труднее погасить, когда дуть снизу сквозь сетку (поддувало), но она быстро гаснет, если подуть сверху. Но почему? Если подуть в ламповое стекло сверху, то лампа гаснет, потому что прекращается доступ кислорода с тем воздухом, который входит через решётку. Иногда случается так, что случайно на горячее стекло керосиновой лампы попадают капельки воды. Горячее стекло сразу же лопается. Почему? А потому, что стекло – плохой проводник тепла и быстро сжимается в месте мгновенного охлаждения.

Мы полагаем, что всем понятно, для чего утюги, самовары, ухваты и прочее кухонные принадлежности изготавливают с деревянными или пластмассовыми ручками. Здесь мы имеем дело с простым физическим явлением – теплопроводностью. Вот мы хотим зажечь огонь в печи, но оказывается, что спички увлажнились и не воспламеняются. Почему? На испарение воды, содержащейся во влажной спичке, нужна большая часть энергии, которая предоставляется спичке при трении серной головки о шероховатую поверхность коробка. Спичка не может нагреться до вспышки, а, кроме того, головка при этом разрушается. Наконец, мы нашли сухие спички, зажгли огонь. Но дрова были сырые и, разгоревшись, начали очень трещать. Это происходит потому, что вода, содержащаяся в дровах, превращается в пар, а пар давит на волокна древесины, которые разрываются с треском. Однако сырые дрова горят значительно хуже, чем сухие, и меньше нагревают печь. Почему? А потому, что большая часть теплоты, выделяющейся при сгорании древесины, расходуется не на нагрев печи, а на собственно испарение воды, которая содержится в сырых дровах. Слышно уже потрескивание в духовке. Это свидетельствует о том, что она начала нагреваться, и в результате расширения при нагревании (или сжатия при охлаждении) духовка и металлическая заслонка немного деформируются.

Если капли воды попадают на лдо красна раскалённую плиту, то они начинают подпрыгивать. Почему? Раскалённая плита, быстро нагревая поверхность капли, создает вокруг нее оболочку из паров воды. Эти пары подбрасывают каплю вверх. Быстрое превращение воды в пар создаёт в воздухе колебания, которые воспринимаются как шипение. Все мы не раз наблюдали, как водой насятогонь. Почему же вода тушит огонь? Испарение воды так снижает температуру горящего предмета, что реакция горения прекращается. Кроме того, пар покрывает горящий предмет, в результате чего прекращается доступ кислорода к нему.

Плитка уже хорошо нагрелась. Теперь мы хотели бы выпить чаю. Но его надо вскипятить. Тут-то мы и встретимся с рядом интересных физических явлений. Сразу же возникает проблема: в каком чайнике вода закипит быстрее – в новом или старом? Конечно, в новом. Ведь на стенках старого чайника есть заметный слой накипи, который снижает теплопроводность стенок чайника. Через некоторое время чайник зашумел, следовательно, скоро в нем закипит вода. Чайник шумит из-за того, что пузырьки воздуха, которые образуются у дна чайника, поднимаются и попадают в верхние холодные слои воды. В них пар конденсируется, пузырьки лопаются. Массовое лопание пузырьков с паром создаёт шум. Теперь мы видим, что понадобится и отверстие в крышке чайника. Ведь без него пара может выгнать воду через носик чайника, а то и поднять его крышку. Наконец, мы увидели, что чайник немного закоптился. В каком чайнике вода нагреется быстрее: в закопчённом или в чистом? Конечно, в закопчённом. Часто чайники и самовары изготавливают блестящими, для уменьшения излучения. Вот вода закипела. Подумаем над тем, отличается ли температура воды, которая кипит в чайнике, от температуры её пары? Температура пара при нормальных условиях и атмосферном давлении равна 100 °С. Температура воды может быть несколько выше, поскольку в природной воде есть примеси растворенных солей.

Оказывается, что наполовину полный чайник перед закипанием воды «шумит» больше, чем полный. Здесь мы наблюдаем обычное явление акустического резонанса. Легко также догадаться, какая вода – сырая или кипячёная – скорее закипит при прочих равных условиях. Теперь можно выпить чаю. Берём блюдце, стакан и ложечку. Но прежде чем наливать кипяток в стакан, мы опускаем в нее чайную ложечку. Это делаем потому, что чайная ложечка, имея хорошую теплопроводность, охлаждает первую порцию кипятка, ослабляя нагрев стакана (он может треснуть).

Вот мы напились чаю. Теперь можно немного отдохнуть, потом помочь маме, ведь она сейчас начнёт готовить обед. К обеду надо также немного почитать. Прошло некоторое время. Уже готов и обед. Мы хотим быстро пообедать. Но здесь поспешность не нужна. Ведь суп только что сварили, и он очень горячий. Всем известно, что зубные врачи не советуют есть очень горячие или очень холодные блюда, чтобы не образовывались щели в зубной эмали, поскольку поверхность зубов (эмаль), быстро нагреваясь, расширяется, что и приводит к её разрушению. Прочную связь эмали с телом зуба приводит к тому, что при этом часто разрушается и зуб. Хотя суп и налитый в тарелку, которая имеет сравнительно большую поверхность, однако жирный суп долго не остывает. Дело в том, что жиры, масло – вещества, которые испаряются очень медленно по сравнению с водой. Поэтому тонкий слой жира, который находится на поверхности супа, задерживает испарение воды, вследствие чего охлаждение супа замедляется.

Рядом лежит хлеб, приготовленный для обеда. Не все, конечно, знают, что свежий из печки хлеб весит больше, чем тот же хлеб, когда остынет. Когда хлеб черствеет, его часть влаги испаряется, поэтому вес хлеба все время уменьшается. Хорошо известно также, что хлеб медленнее черствеет, если его хранить в холодильнике. На столе лежат консервные банки. Мы видим, что на дне крышек консервных банок отштампованные концентрические кольца – крышки гофрированные. Оказывается, что это играет очень важную роль. Дно и гофрированная крышка немного прогибаются, если содержимое банки нагревается в теплом помещении и расширяется. В противном случае банка могла бы лопнуть.

Наблюдение во дворе Чтобы разнообразить наши наблюдения, пройдёмся по двору, поможем отцу в домашней работе, вытащим пару вёдер воды из колодца, побываем на приусадебном участке и т.д. Конечно, и в этих местах мы сможем наблюдать различные физические явления. Вот мы уже во дворе. У сарая у нас есть специальное место для рубки и сушки дров. Здесь лежит весь нужный инструмент для распилки и разделки дров: «козлы», пила, топор, клин и др. На опыте мы не раз убеждаемся, что когда хотим сильнее навалиться топором, то берём его за обух, а если хотим сильнее ударить им, то берём за конец топорища. Почему? При нажатии на обух усилия руки передаётся лезвию топора полностью, а при нажатии на рукоятку – лишь частично. При размахивании лучше держаться за топорище, так как при этом топору предоставляется большая скорость и большая энергия движения. Мы знаем, что обычно топор на топорище насаживают ударами последнего о массивный предмет или ударами молотка. В первом случае здесь используется инерция подвижной опоры, а во втором – инерция неподвижной опоры. Известно, что смазка гладких трущихся поверхностей в значительной степени уменьшает силу трения между ними. Почему же труднее удерживать рукоятку топора сухой рукой, чем влажной? В этом мы убеждаемся каждый раз, как только приходится колоть дрова. Оказывается, что при смазке дерева мелкие волокна на его поверхности набухают и выпячиваются, поэтому трение между рукой и топорищем увеличивается, что и помогает удерживать топор в руках. Для того чтобы легче было рубить дрова, мы всегда пользуемся массивной подставкой. Опыт показывает, что на ней значительно легче рубить дрова, чем на мягком грунте. На почве труднее рубить дрова потому, что большая часть энергии расходуется на деформацию грунта, чего избегают, рубя дрова на массивной колоде. Мы также хорошо знаем, что полено легче разрубить по волоконам, чем поперек. Почему? Потому что дерево – анизотропный материал и его свойства против волокон и по их направлению различны. Отделить некоторое количество волокон друг от друга значительно легче, чем перерубить их.

Иногда, нарубив дров, их составляют «клеточкой». Это делают для того, чтобы они быстрее высохли, то есть здесь используют законы испарения жидкостей.

А теперь принесём пару вёдер воды. Берём ведра и идём к колодцу. Обратим внимание на форму вёдер. Чем объяснить, что ведра V форме усечённого конуса очень распространены, хотя они менее устойчивы, и из них при переносе больше расплёскивается вода по сравнению с вёдрами цилиндрической формы и такой же высоты? Более того, конусообразные ведра неудобно нести, потому что приходится широко расставлять руки. Кроме того, раскрой материала при их изготовлении менее выгоден, чем для вёдер цилиндрической формы. Оказывается, что в чаще ведра выходят из строя из-за того, что из них вываливается дно. Итак, прочность дна определяет долговечность ведра. В ведре конической формы площадь дна меньше, чем в ведре цилиндрической формы той самой ёмкости, а поэтому сила давления воды на дно меньше. Эта единственное преимущество конических вёдер искупает все другие их недостатки. Чтобы во время ходьбы из вёдер не расплёскивалась вода, в нее следует положить деревянный кружок, который, плавая, препятствует образованию волн большой амплитуды.

Когда мы несём ведра на коромысле, то при определённой скорости хождения они начинают очень раскачиваться. Чтобы уменьшить раскачивание, мы уменьшаем темп ходьбы. Здесь мы наблюдаем явление механического резонанса, поскольку происходит совпадение периода собственных колебаний ведра и вынужденных колебаний тела человека, создаваемых шагами. Иногда нам приходится носить воду одним ведром. Тогда, чтобы сохранить устойчивое равновесие, мы отклоняем корпус в сторону, противоположную ведру, в результате чего перпендикуляр, опущенный из центра тяжести нашего тела, остаётся в пределах площади опоры, и равновесие сохраняется.

Как ни странно, но оказывается, что обычные ведра, которыми мы только что принесли воду, имеют непосредственную связь с магнитными силами, то есть они сами являются магнитами, хотя и очень слабыми. Это может проверить каждый. Дело в том, что наш дом вместе со всеми другими домами находится всегда в магнитном поле Земли. Все железные предметы, в том числе и ведра, сами становятся магнитами вследствие длительного пребывания в магнитном поле Земли. В этом можно легко убедиться на опыте. Возьмём обычный школьный компас и поднимем его в нижней части нашего ведра. Мы заметим, что стрелка компаса уже не показывает направление север – юг, а её южный конец вернулся в сторону ведра. Далее поднимем компас к верхнему краю ведра. Мы заметим, что стрелка компаса повернётся на 180° и к ведру теперь будет возвращён её северный край. Это объясняется тем, что нижняя часть ведра представляет собой северный магнитный полюс, поэтому к нему возвращается южный конец стрелки. Верхний край ведра – это южный магнитный полюс, поэтому к нему возвращается северный конец стрелки. Легко таким же способом проверить, что в нашем доме магнитами являются не только ведра, но и железные печи, кровати, батареи центрального отопления и т.п. В этих предметах также вверху будет южный магнитный полюс, а внизу – северный. Такое размещение магнитных полюсов будет только в северном полушарии Земли. А железные предметы, которые содержатся в южном полушарии Земли, в верхней части имеют северный магнитный полюс, а внизу – южный.

Наконец, наступил вечер. Осталось поужинать, посмотреть телевизор и лечь отдыхать. Ведь завтра в школу. Итак, день закончился, закончились и наши наблюдения. Мы убедились, что в нашем доме без знания физики не обойтись. Мы понимаем, что увидеть все за один день невозможно. Однако и то, что мы увидели, очень интересное.

Автор статьи Семенов Борис Иванович.