Качественные задачи по физике в средней школе и не только…

Слово «водонапорная» подсказывает ответ: в башне запасается вода, которая течет оттуда под напором, поскольку высокий водяной столб (а типичная высота башни 20–25 метров) создает нужное давление (вычислите его!). Это означает, что если уж мы подняли воду на такую высоту, то дальше насос для подачи воды в систему водоснабжения не нужен. Это хорошо тем, что расход воды в течение дня может сильно меняться: есть пиковое время, когда все дома и заняты хозяйством, а есть время относительного покоя. Если бы мы создавали давление воды в системе непосредственно насосом, нужен был бы мощный насос, рассчитанный на большую пиковую нагрузку, который простаивал бы в периоды затишья. Водонапорную же башню мы можем потихонечку наполнять маломощным насосом, чтобы в тот момент, когда всем понадобится вода, ее наличие обеспечил запас в башне.

Есть у башен и недостатки – например, склонность обмерзать зимой, а также невозможность снабжать водой современные многоэтажки (не хватает давления). Поэтому водонапорные башни потихоньку становятся экзотикой, а им на смену приходят современные «умные» насосные станции.

74. Космическое письмо

Обычная шариковая ручка для использования на космической станции в условиях невесомости не подходит: паста поступает к кончику стержня под действием силы тяжести, которая на орбитальной станции отсутствует.

Есть красочная история о том, как американские разработчики потратили огромный бюджет на создание ручки, которой можно писать в невесомости, а советские инженеры гордо продемонстрировали в ответ карандаши, но это не более чем легенда. Поначалу в космосе действительно писали карандашами и фломастерами (в которых краска просачивается по капиллярам – процесс, не зависящий от гравитации). Карандаши в действительности были не так уж хороши, как может показаться: графитовая пыль создает в условиях невесомости неудобства и даже может вывести их строя технику. В конце концов была разработана специальная шариковая ручка для невесомости – но это была частная инициатива производителя шариковых ручек Пола Фишера. Такие ручки закупали у Фишера как NASA, так и Советский Союз.

75. Конкурс на лучшую жидкость для барометра

Конструктивно жидкостный барометр – это заполненная жидкостью трубка, один конец которой запаян, а второй опущен в емкость с той же жидкостью. Столбик жидкости опускается до тех пор, пока его давление не уравновесит наружное атмосферное давление. (Можно описать это иначе: поскольку между уровнем жидкости в трубке и запаянным концом нет воздуха, там нет и атмосферного давления. Наружное атмосферное давление «загоняет» жидкость в трубку до тех пор, пока сила тяжести, действующая на столб жидкости, не уравновесит внешнее давление.) Плотность ртути примерно в 13,5 раз больше плотности воды и почти в 15 раз больше плотности масла. Это означает, что столбик воды, создающий давление, равное атмосферному, будет в 13,5 раз выше столбика ртути, а столбик масла – в 15 раз выше. Вы наверняка слышали, что метеорологи измеряют атмосферное давление в «миллиметрах ртутного столба» – речь идет как раз о высоте столбика ртути в ртутном барометре: нормальному атмосферному давлению отвечает ртутный столбик высотой 760 миллиметров. Соответствующий водяной столб будет иметь высоту около 10 метров, а масляный – еще выше. Барометр такого размера очень неудобен в использовании. Зато точность водяного или масляного барометра будет намного выше: изменению давления в 1 миллиметр ртутного столба отвечают 13,5 и 15 миллиметров на шкалах водяного и масляного барометров. Возникает довольно частый в физике и технике выбор между удобством и точностью измерений.

Важно помнить, что любая жидкость испаряется, так что в запаянном конце трубки в действительности находится не пустота, а насыщенный пар рабочей жидкости барометра. Поэтому брать для барометра интенсивно испаряющуюся жидкость не стоит.

76. Грохот космической катастрофы

Числовые данные, приведенные в этой задаче, ничем нам не помогут: чтобы прояснить детали столкновения (например, определить скорость осколков), их совершенно недостаточно. Но эти детали и не нужны нам для ответа на вопрос. Если осколки вообще долетят до катера, то их попадание в обшивку Винкель и Нуллибер услышат раньше – просто потому, что грохот столкновения они не услышат вообще. Звуковая волна в газах и в жидкостях – это чередование более высокого и более низкого давления, а в твердых телах – более деформированных и менее деформированных участков. Для распространения звуковой волны нужна среда, которая будет уплотняться и разрежаться, передавая колебания дальше. Другими словами, звук распространяется в воздухе, в воде, в толще земли, по корпусу корабля – но не в открытом космосе, потому что в космосе почти совсем пусто (несколько атомов вещества на кубический метр пространства не в счет).