От сияющей луны до хрустящего снега: учёный объясняет 12 загадок природы
Вы когда-нибудь задумывались, почему небо голубое или почему луна ночью выглядит такой яркой? Мир вокруг нас полон загадок, и даже в повседневных явлениях скрываются интригующие законы природы. Бенас Габриэлис Урбонавичюс, доцент кафедры физики факультета математики и естественных наук Каунасского технологического университета (КТУ МГМФ), руководитель учебных программ, рассматривает 12 повседневных явлений, научные объяснения которых часто неизвестны широкой публике.
1. Почему небо голубое?
Небо кажется голубым из-за явления, называемого рэлеевским рассеянием. Это явление объясняет рассеяние света в среде, содержащей частицы размером меньше длины волны света, например молекулы, из которых состоит воздух. Более короткие волны света (синего и фиолетового) рассеиваются сильнее, придавая небу голубоватый оттенок.
Но когда Солнце садится, свету приходится пройти через более толстый слой атмосферы, прежде чем он достигнет наших глаз. На этом более длинном пути синий свет рассеивается выше в атмосфере, позволяя большему количеству зеленого, желтого и красного света достичь наших глаз.
2. Действительно ли Луна светит ночью?
Хотя мы часто говорим «лунный свет» или «луна светит», на самом деле это всего лишь отражение света, излучаемого Солнцем. По мере смены фаз Луны мы видим разные части освещенной поверхности Луны. Хотя фазы Луны на Земле одинаковы, их внешний вид меняется в зависимости от местоположения наблюдателя. Например, в Северном полушарии Луна прибывает и убывает справа налево, а в Южном — наоборот. В это время фазовые изменения происходят вертикально на экваторе.
Из-за синхронной орбиты Луны вокруг Земли мы всегда можем видеть с Земли только одну сторону Луны.
3. Как одежда согревает нас?
Одежда не согревает нас напрямую, но задерживает тепло, излучаемое телом. Надев больше слоев одежды, мы чувствуем себя теплее, потому что воздух — плохой проводник тепла. Создавая большие воздушные пространства между телом и окружающей средой, мы уменьшаем потери тепла.
4. Почему молния всегда настигает гром?
Все мы замечали это явление – молния и гром доходят до нас в разное время. Это связано с огромной разницей в скорости вспышки молнии (света ~300 000 000 м/с) и грома (звука ~330 м/с).
Используя эту разницу, мы можем вычислить, на каком расстоянии от нас ударила молния. Поскольку вспышку молнии мы замечаем практически сразу из-за скорости света, то отсчитываем секунды от вспышки до звука грома. Разделив количество секунд на 3, узнаем расстояние до места молнии, выраженное в километрах.
5. Почему снег скрипит под ногами?
Хруст под ногами — это звук разбивающихся кристаллов льда. Особенно хорошо этот звук слышен в сухую и холодную погоду, когда кристаллы льда становятся чрезвычайно жесткими и хрупкими. В то время во влажных погодных условиях мы не замечаем такого эффекта, поскольку кристаллы льда прижимаются друг к другу и не ломаются.
6. Почему лед плавает в воде?
Абсолютное большинство веществ увеличивается в плотности при понижении их температуры, но есть несколько исключений, среди них вода. Это уникальное свойство обусловлено химическими водородными связями между молекулами воды. Эти связи противостоят сжатию молекул и образуют кристаллические структуры, которые, например, приводят к тому, что не бывает двух одинаковых снежинок.
Плотность воды самая высокая при температуре около 4°C. В результате на поверхности плавает лед, который менее плотен, чем жидкая вода. Это специфическое свойство воды жизненно важно для экосистем Земли. Это позволяет устойчивым водным экосистемам существовать даже в более холодном климате, поскольку лед, замерзший на поверхности, предотвращает полное замерзание воды внизу. Кроме того, лед отражает солнечное излучение, регулируя температуру Земли. Без этого ледникового покрова температура планеты резко возросла бы, и жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не смогла бы существовать.
7. Почему горячий воздух поднимается вверх?
Этот процесс называется конвекцией. Конвекция описывает движение жидкостей и газов из-за разницы их плотностей. Более горячие газы или жидкости имеют меньшую плотность, чем более холодные, поэтому они поднимаются за счет плавучести.
Естественную конвекцию мы можем наблюдать, например, при кипячении воды в кастрюле – хорошо видно перемешивание воды, поскольку более теплые слои поднимаются, а более холодные опускаются. Другой пример — горящая свеча: нагретый воздух вокруг пламени быстро поднимается вверх, одновременно «поднимая» само пламя.
Важно отметить, что для возникновения естественной конвекции необходима гравитация. По этой причине, например, на Международной космической станции, где гравитация почти не видна, естественного смешивания горячего и холодного воздуха не происходит. Для этого используется принудительная циркуляция воздуха.
8. Почему мыльные пузыри цветные?
Это явление называется интерференцией в тонких покрытиях. Стенка мыльного пузыря подобна «сэндвичу», состоящему из чрезвычайно тонкого слоя воды (толщиной от нанометров до нескольких микрометров), окруженного с обеих сторон слоями молекул мыла.
Когда свет достигает внешнего слоя мыльного пузыря, часть его отражается, а другая часть проходит глубже и отражается от внутреннего слоя мыла. В результате от поверхности пузырька отражаются два луча света: один от первого (внешнего) слоя, другой от второго (внутреннего) слоя. При встрече этих лучей возникает интерференция — сумма волн; некоторые волны усиливают друг друга, а другие нейтрализуют друг друга.
Поскольку свет Солнца состоит из волн всего спектра, которые мы видим как цвета, при интерференции часть световых волн «исчезает» (гасится), а остальные образуют цветовые узоры. Цвета мыльного пузыря зависят от толщины слоя воды, который постоянно меняется из-за движения молекул. В результате поверхность пузыря постоянно меняется, меняя цвет.
9. Почему после дождя мы видим радугу?
Радуга образуется в результате преломления, отражения и рассеивания света. Чтобы оно образовалось, в воздухе должны быть небольшие капли дождя, а Солнце должно находиться позади наблюдателя.
Сначала свет попадает в каплю дождя, где внутри происходит преломление и дисперсия света – свет разной длины волны (цвета) разделяется на спектр. Затем свет отражается от противоположной поверхности капли и возвращается обратно к наблюдателю, снова преломляясь через первую поверхность капли. Это еще больше улучшает разделение разных цветов.
Радуга видна, когда между Солнцем, каплей воды и наблюдателем образуется угол около 40°. Из-за этого значения угла наблюдатель никогда не сможет достичь начала радуги, поскольку она всегда будет находиться за горизонтом или двигаться вместе с наблюдателем.
10. Почему растения зеленые?
Растения производят некоторые необходимые им питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом. В этом процессе под действием света углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород. Важную роль в этой реакции играет пигмент хлорофилл, который поглощает большую часть видимого спектра солнечного света, за исключением зеленой области, которая просто отражается от листьев растений. Вот почему растения кажутся нам зелеными.
По той же причине лампы для выращивания растений также не излучают зеленый свет, поскольку растениям не нужен этот цвет для процесса фотосинтеза.
11. Как капли дождя сохраняют свою круглую форму при падении?
Это происходит из-за явления, называемого поверхностным натяжением жидкостей. Как и все в природе, молекулы воды в капле стараются занять состояние, в котором их энергия была бы наименьшей. Это достигается тогда, когда площадь поверхности капли наименьшая. Геометрическая форма с наименьшей площадью поверхности при том же объеме (количестве молекул) — сфера. Поэтому мы видим капли воды как маленькие шарики.
12. Что весит больше – килограмм гвоздей или килограмм пуха?
Классический вопрос, который также является игрой слов. Вес и масса не являются идентичными величинами, хотя в повседневном языке они часто используются как синонимы. Вес — это сила, действующая телом на опору или подвеску, а масса — это свойство объекта, описывающее количество материи.
Поскольку все современные весы измеряют вес (силу), а затем преобразуют его в массу, объекты разной плотности, но одинаковой массы, могут весить по-разному. Происходит это за счет разного их объема: объем килограмма ногтей будет гораздо меньше, чем килограмма пуха. На все тела в газе или жидкости действует архимедова сила или плавучесть: чем больше объем объекта, тем больше архимедова сила. Поскольку пушистый воздух «поднимется» вверх с более сильной архимедовой силой, чем гвоздь, весы покажут большую массу гвоздей, чем пуха.
Чтобы заметить эту разницу, предметы пришлось бы взвесить в вакууме, а затем провести эксперимент на воздухе, где возникает эффект плавучести.
