120 детских вопросов о физике и окружающем мире

Кажется, мы ответили на вопрос, и думать здесь больше не о чем. Однако всё не так просто. Дело в том, что эта задача, кажущаяся шутливой, довольно давно волнует умы учёных, и только в 1987 году было приведено точное её математические доказательство. Правда, расчёт проводился для идеальных условий – вертикального дождя с одинаковыми каплями и безветренной погоды. И был получен именно тот ответ, что мы нашли умозрительным путём.

Но в 2011 году появились расчёты для реальных условий, и оказалось, что во многих ситуациях наши выводы ошибочны. Особенно, если мы примем во внимание наличие ветра. Оказалось, что меньше шансов промокнуть, если бежать по направлению ветра и примерно с его скоростью. Оно и понятно: при движении по ветру на вас будет падать меньше капель, чем при движении против ветра, так как во втором случае их скорость выше, и за единицу времени через условную призму пройдёт значительно больше капель.

Хотя, когда ты уже промок до ниток, несколько лишних капель никак не изменят ситуацию.

Откуда берутся искры при трении кремня?

Мы часто в своей жизни встречаемся с искрами, возникающими при трении – целые снопы искр высекает наждачный круг из инструмента во время заточки, вылетают искры из-под колодок при торможении поезда, даже случайный удар металлических предметов или камней сопровождается несколькими слабыми искорками. И, конечно, появляются искры при трении кремня о кресало, причём эти искры способны зажечь легковоспламеняющиеся материалы, на чём основано действие огнива.

Но откуда возникают эти искры? И откуда, в частности, берутся искры в огниве? Оказывается, причина искр – вовсе не кремень, как принято считать, а металлическое кресало!

Мысленно «заглянем» внутрь любого металла – там мы увидим кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные ионы, а пространство между ионами заполнено свободными электронами (этим и объясняется электропроводность металлов). В кристаллической решётке ионы удерживаются довольно прочно, однако при механическом воздействии их относительно легко «оторвать» – именно поэтому металлы так легко поддаются разнообразной механической обработке.

И именно поэтому из металлов легко высекаются искры. При ударе о заострённые предметы или просто при трении от поверхности металла откалываются микроскопические частицы. Эти частицы за счёт трения разогреваются до очень высоких температур (вплоть до 1000 °C!) и загораются при контакте с кислородом воздуха – эти горящие частицы нам и представляются в виде искр.

А что же кремень? А то, что из этого камня (издревле в качестве кремня использовался оксид кремния SiO₂) искры не высекаются. Точнее, при большом усилии и из куска кремня могут вылетать отдельные искры, но они очень редки, малы и не обладают воспламеняющей способностью. Потому что в минералах кристаллические решётки образованы целыми атомами, а не ионами, и связь между атомами очень часто оказывается более прочной – вспомните хотя бы алмаз. Зато на поверхности кремня много очень прочных заострённых граней, при трении о которые от металлического кресала легко откалываются кусочки – именно они загораются и становятся искрами. В общем-то, то же происходит при трении металла о наждачный круг, который состоит из мелких заострённых зёрен высокой прочности, и в других ситуациях.

Так что в огниве искры образуются из металла, и трением двух кремней друг о друга вы костёр не зажжёте.

Почему острые предметы колючи?

Почему иголка колется, острый нож режет, а хорошие гвозди легко входят в дерево? И почему эти же предметы, перевёрнутые обратной стороной, никак не хотят выполнять свою работу? Всё дело в такой физической величине, как удельное давление. Эта же величина позволяет нам кататься на лыжах, гусеничному трактору не утопать в заболоченном грунте, йогу лежать на гвоздях и происходить многим другим явлениям нашего мира.

Удельное давление – величина, показывающая, какое давление тело (либо среда – жидкость или газ) оказывает на единицу площади опоры (стенок сосуда для газов и жидкостей). Данная величина определяется по простой формуле p=F/S, где p – это удельное давление, F – сила давления, а S – площадь опоры. Внимательно посмотрев на формулу, мы найдём ответ на заданный в заголовке вопрос.

Дело в том, что тела с неодинаковой площадью опоры при приложении одинаковой силы создают разное удельное давление на свою опору. Яркий пример – лыжи и ботинки. Вес человека в лыжах распределяется по в 15 – 20 раз большей площади, чем в ботинках. Поэтому давление от подошв ботинок таково, что снег проваливается, а давления от лыж хватает лишь для деформирования верхнего слоя снега, поэтому лыжник свободно прокладывает себе путь по снежной целине.