Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

Дирижабль в Германии отвязывали от причальной мачты, легкий газ водород поднимал махину вверх, включались моторы, и пропеллеры тащили корабль вперед, в Америку. Полет через океан длился не неделю, как на пароходе, а всего три ночи и два дня, которые пассажиры проводили с комфортом. Конечно, бассейна, как на «Титанике», на дирижабле не было, но были вполне комфортабельные каюты, ресторан, библиотека, музыкальный салон, прогулочная палуба и даже курительная комната.

Да-да, курительная комната! Несмотря на страшную опасность пожаров из-за большой летучести и горючести водорода, конструкторы понимали, что два дня курильщикам без курения не продержаться. Поэтому оборудовали курительный салон. Именно там и находилась единственная на борту электрическая зажигалка, не дававшая открытого пламени. Техника безопасности строго соблюдалась: перед входом на борт все, включая членов экипажа, сдавали зажигалки и спички, а внутри курительной комнаты создавалось избыточное давление, чтобы чрезвычайно летучий и постоянно просачивающийся через оболочку водород не мог проникнуть в курительный салон. Входили в курительную комнату через особый шлюз, выравнивающий давление.

Несмотря на то, что огромный водородный баллон обладал большой подъемной силой, конструкторы экономили каждый грамм веса, поэтому пассажирский салон дирижабля был для облегчения сделан из самого легкого доступного металла – алюминия. И даже рояль в музыкальном салоне был алюминиевым. Что понятно: чем меньше необходимой нагрузки, тем больше полезной.

Кстати, найдите-ка в таблице бородатого Менделеева этот самый металл – алюминий. Нашли? Видите, где он там находится? Ближе к верхнему левому углу. Чем левее и выше вещество в таблице, тем оно легче (менее плотное). А самое легкое какое вещество в мире? Посмотрите в табличку…

Правильно, водород!

В общем, как уже было сказано, водородный пузырь «Гинденбурга» подлетал к Нью-Йорку. Из-за сильного встречного ветра он опаздывал почти на 10 часов, и это было не единственной неприятностью – на месте посадки бушевала гроза. Что и послужило причиной катастрофы. Очередной разряд вызвал вспышку водорода, и несчастный «Гинденбург» сгорел за считаные секунды. Из 97 человек, находящихся на борту немецкого дирижабля (пассажиры и члены экипажа), погибло 35.

При спасении людей большое мужество проявил немецкий пилот Эдуард Боециус. Находившийся в то время у власти Гитлер даже наградил его за отвагу.

Но пожар на «Гинденбурге», как мы уже знаем, не единственная катастрофа с водородными дирижаблями.

В 1913 году в Германии сгорел дирижабль LZ 18. Погибло 28 человек.

Пятью годами позже над островом Мальта сгорел дирижабль военно-воздушных сил Германии LZ 104. Он готовился бомбить британскую военную базу, но не успел – водородный пузырь охватило пламя, он взорвался и унес жизни более двадцати человек.

В 1922 году в США сгорел, задев высоковольтную линию, армейский дирижабль. Погибло 34 человека.

На следующий год над Средиземным морем из-за удара молнии взорвался французский дирижабль «Диксмуд». Погибло 48 человек.

В 1930 году вспыхнул и взорвался огромный английский дирижабль R101. Это был его первый дальнемагистральный перелет. Погибло почти пятьдесят человек.

А можно ли было чем-то заменить взрывоопасный водород? Да, есть другой легкий газ – гелий. Найдите его в таблице Менделеева… Газ гелий, правда, в 2 раза тяжелее (правильнее сказать, плотнее) водорода, а значит обладает меньшей подъемной силой, но зато он совершенно не горючий!.. Правда, в ту пору, когда сгорел «Гинденбург», месторождения, на которых шла добыча гелия, были открыты только в США. А американское правительство не хотело снабжать ценным газом гитлеровское правительство.

Почему же сами американцы не стали строить гелиевые дирижабли? Потому что к тому времени эти воздушные динозавры проиграли эволюционную гонку более юрким самолетам, скорость которых была много выше, чем у громоздких дирижаблей.

А что же водород? Он не исчез с технической арены. Многие предрекают ему большое будущее. Считается, что водород может стать топливом для наземного транспорта завтрашнего дня. Он будет сгорать в автомобильных двигателях вместо бензина. По сравнению с бензином у водорода есть большое преимущество – при его окислении (горении) не образуются вредные вещества, а получается только чистая вода.

Хлор Cl₂

Зеленоватый ядовитый газ. Открыли его еще в XVIII веке, но широкомасштабно применить придумали только в начале ХХ-го, во время Первой мировой войны – для удушения солдат противника.

Идея была грамотная, но немецкие военные в нее не верили, считая каким-то чудачеством ученых. Они привыкли к осязаемой смерти – пуля, снаряд, штык… А тут какой-то газ. Несерьезно. Однако боевой эксперимент решили провести, ждали только попутного ветра, который должен был подуть в сторону вражеских окопов, а иначе свои задохнутся.

Любопытно, что французы, против которых немцы воевали, знали о том, что немцы готовят какое-то новое оружие. В апреле 1915 года возле деревни Лангемарк французские солдаты захватили в плен немца. Во время обыска у него были найдены зашитые в марлю куски ткани и пузырек с какой-то жидкостью. Это сочли перевязочными материалами и даже не обратили на них внимания. Однако на допросе пленный немец сказал, что указанные предметы – часть подготовки для испытания нового немецкого чудо-оружия.

Солдат про оружие никаких подробностей, разумеется, не знал, но заявил, что оно представляет собой какие-то металлические цилиндры, зарытые на нейтральной полосе ночью. И вот для защиты своих солдат от этого оружия немецких бойцам и раздали марлевые повязки с пузырьками – ткань нужно намочить жидкостью из пузырька и через нее дышать.

Французы немцу не поверили. А между тем их радиоразведка доносила, что немецкое командование в радиопереговорах очень интересуется погодой. Точнее ветром. Все время об этом говорят… Но и на эти донесения никто внимания не обратил.

Между тем изобретатель нового чудо-оружия немецкий доктор Фриц Габер тоже с нетерпением ждал нужного ветра. Этот штатский человек в пенсне наивно полагал, что его оружие ускорит конец кровопролитной войны, поскольку быстро принесет победу Германии.

И вот 25 апреля, дождавшись устойчивого ветра в сторону вражеских окопов, немцы открыли вентили. Зеленоватые клубы хлора полетели в сторону французов. Те сначала ничего не поняли и с интересом наблюдали за приближением зеленоватого тумана, стелившегося вдоль поверхности земли. Затем они почувствовали неприятный запах. Потом резь в глазах. Затем удушье. Газ буквально выжигал легкие, глаза! Ослепшие солдаты бегали, кричали, падали, корчились в судорогах и умирали, умирали, умирали.

Немногие тогда выжили. Вот как описывал выживших английский военный журналист: «Среди нас, шатаясь, появились французские солдаты, ослепленные, кашляющие, тяжело дышащие, с лицами темно-багрового цвета, безмолвные от страданий, а позади их в отравленных газом траншеях остались, как мы узнали, сотни их умирающих товарищей».

Передовая перед наступающими немцами оказалась полностью очищенной от французских солдат. Но этот успех оказался столь неожиданным для самих немцев, которые хотели всего лишь провести боевые испытания, что они как следует не подготовились и не смогли воспользоваться своим успехом: в пробитую, точнее протравленную хлором брешь в обороне противника ввели лишь один пехотный батальон. А могли через эту дырку, воспользовавшись эффектом неожиданности, взломать весь фронт!

О том, что случилось, написали все мировые газеты. Сразу выяснилось, что спастись от хлора не очень сложно – нужно дышать через повязку, смоченную раствором соды. А если нет соды, то хотя бы намочить портянку в ближайшей луже или просто помочиться на нее. Неприятно, конечно, но если жить захочешь, о брезгливости лучше забыть.

Именно поэтому вторая газовая атака немцам уже не удалась. Они атаковали позиции французских союзников – канадцев, выпустив несколько баллонов с хлором по ветру. Канадцы вооружились мокрыми повязками и переждали ползущее облако, которое сначала накрыло их, а потом было унесено ветром в тыл. Когда же вслед за зеленым туманом на траншеи стали наступать немцы, их встретил плотный огонь канадских пулеметов. Стреляли те канадцы, которым с помощью мокрых повязок удалось выжить и сохранить зрение.

Применяли немцы газовое оружие и против русских войск. В мае того же года они распылили 12 тысяч газовых баллонов по фронту шириной в 12 километров. После чего пошли в атаку. Русские потеряли 75 % личного состава, однако оставшиеся в строю 25 % пулеметным огнем остановили противника.

Впрочем, и самим немцам на своем веку пришлось «хлебнуть газку»! Во время одной из газовых атак со стороны французов молодой немецкий ефрейтор Адольф Гитлер был сильно отравлен и даже на время потерял зрение. Жалко, что не умер.

Глава 2. Что такое тепло?

Ой, ребят, в свое время ученые головы себе сломали, раздумывая над этим вопросом!

Таких вопросов в истории науки было множество. Например, что такое время? Ну, в самом деле? Что такое вещество, мы понимаем, его можно потрогать, об него можно набить шишку. Ясно, что такое пространство. Это место, где вещество помещается. А вот что такое время? Что это за неуловимая субстанция такая?..

В этой книге мы ответим и на этот вопрос. А сейчас вернемся к теплу.

Вот лежит холодное тело. Мертвый мужик. Нет, лучше кирпич. Да, холодный кирпич. А рядом другой такой же кирпич, но теплый. Или даже горячий. Чем они отличаются?

Температурой, говорите вы?

А что это такое?

Состав вещества у кирпичей один. Свойства одинаковые – цвет, хрупкость, пористость, плотность, шершавость и т. д. Но один кирпич теплый, а другой холодный. Что такого есть в теплом кирпиче, что отличает его от холодного?

По простоте душевной ученые прежних времен предположили, будто теплота – это такая невидимая и невесомая жидкость, которая притекает в физическое тело. И чем ее больше притекло, тем горячее стало тело. Этой жидкости даже название дали – теплород, то есть рождающий тепло.

Вот какие фантазеры!

Но вы-то уже знаете, что такое тепло. Точнее, того, что вы уже знаете, вполне достаточно для ответа. Нужно только сделать одно ма-аленькое усилие, чтобы догадаться.

Я вам помогу. Подтолкну, так сказать, на скользкую дорожку знаний.

Смотрите, мы нагреваем тело, то есть накачиваем в него тепло, и что же с ним происходит? Сначала тело расширяется. Почему? А все тела при нагревании расширяются, так как амплитуда, то есть размах колебаний, молекул этого тела увеличивается.

Потом тело постепенно нагревается до температуры плавления, тает, становится жидкостью, а затем, достигнув температуры кипения, и вовсе быстренько испаряется, превращаясь в газ. При этом мы уже знаем, что происходит с молекулами этого тела.

С повышением температуры они начинают двигаться все быстрее и быстрее и быстрее.

Если раньше в твердом теле они чуть шевелились, шлепая синими губами от холода, то потом ускорились настолько, что разломали всю кристаллическую структуру, в которой состояли. Как солдаты, отпущенные из строя, ломают строй, разбредаясь в разные стороны.

Вот почему тело при нагревании расширяется

Затем, по мере дальнейшего нагрева, молекулы становятся еще более активными и быстрыми. Им тесно в сумасшедшей толчее! Расстояние между молекулами растет. И в конце концов их скорости становятся такими большими, что пересиливают взаимное притяжение, самые шустрые улетают прочь, испаряясь. И в конце концов вся жидкость превращается в газ – ее молекулы разлетаются в разные стороны к чертовой матери.

Отсюда, кстати, понятно, почему летают воздушные шары, наполненные горячим воздухом. Потому что теплый воздух легче холодного! Что это значит? Это значит, что один объем теплого воздуха весит меньше, чем тот же объем воздуха холодного. Почему? А потому что в теплом воздухе скорости молекул и расстояния между молекулами больше, чем в холодном. При нагревании предметы расширяются, и газ – не исключение. Значит, в одном и том же объеме теплого воздуха помещается меньше молекул. Оттого и вес меньше.

Вот почему горячий воздух легче холодного – там вещества меньше! Или, иначе говоря, теплый воздух разряженнее.

А что происходит, когда мы даем телу тепло?

Что мы делаем? Мы разгоняем его молекулы, сообщая им все большую и большую скорость.

То есть что такое тепло? Тепло – это и есть скорость молекул, составляющих тело!

Еще раз: тепло – это средняя скорость движения частичек тела. Чем выше температура, тем выше скорость молекул.

В холодном кирпиче молекулы еле шевелятся. В горячем уже энергично пихаются и активно толкаются локтями. Вот именно эти толчки мы, приложив руку к кирпичу, ощущаем, как тепло. Поняли? Молекулы активно барабанят по нашей ладони, а мы думает, что это «тепло». Никакого отдельного от физического тела «тепла» нет. Оно всего лишь – наши ощущения от скорости движения его молекул.

Чем больше скорость колебания молекул, тем горячее нам кажется. А чем меньше – тем холоднее. Но тогда получается, что должна быть предельно низкая температура, ниже которой уже и быть не может – когда молекулы тела уже практически не дрожат, а замерли в оцепенении.

Именно так! Это для высокой температуры пределов практически нет – внутри Солнца, например, температура достигает 20 миллионов градусов – вот как быстро там носятся частицы. А для низкой температуры предел есть, он называется Абсолютным нулем температуры. Существует даже температурная шкала, названная по имени британского ученого шкалой Кельвина, которая начинает свой отсчет от абсолютного нуля. Абсолютный нуль Кельвина по привычной нам шкале Цельсия составляет минус 273 градуса. Ниже температур не бывает.

Ладно. А как передается тепло?

Ну, как мы нагреваем тело, то есть разгоняем его молекулы? Как мы сообщаем им дополнительную скорость? С помощью чего? С помощью другого нагретого тела, а как же иначе! То есть с помощью других энергичных молекул! Например, мы можем нагреть сковородку, поставив ее на горячую печку или раскаленную плиту. Мы можем нагреть холодный камень, положив его в горячую воду. Вода нагреет камень, а сама остынет. Их температуры сравняются. Это значит, что очень энергичные, то есть быстрые молекулы воды начинают барабанить по лежащему в воде камню. Точнее, по его еле шевелящимся холодным молекулам. И расталкивают их! При этом молекулы камня начинают двигаться быстрее (то есть камень нагревается), а молекулы воды «стынут», то есть начинают двигаться медленнее, поделившись с молекулами камня своим движением.

Другими словами, вода поделится с камнем своей энергией. И вскоре, как уже было сказано, температуры воды и камня выравняются. Это просто.

Но вы заметили, что я постепенно и незаметно ввел в оборот новое слово – «энергия»?

Это что еще такое?

Это весьма смутная категория в физике. И вместе с тем очень простая для понимания.

Думаю, интуитивно, что такое энергия, ясно каждому ребенку и в особых объяснениях не нуждается.

Мальчик бежит быстро, он весь красный и взъерошенный. Это очень энергичный мальчик! А вялый мальчик, который лежит на диване бледный, обладает низкой энергией. Ему нужно побольше каши есть, то есть подзарядиться слегка.

Если батарейка села, мы говорим, что энергия в ней кончилась.

Если мы разогнали тело до большой скорости – например, пулю, – то она стала высокоэнергичной и может пробить толстую доску. А пуля низкой энергии, то есть брошенная рукой, доску не пробьет. И газету может не пробить, если скорость низкая. Видите, энергия может быть связана со скоростью. Такая энергия называется кинетической (от греческого слова kinetikos – движение).

Автомобиль накапливает энергию для движения путем заполнения бака горючим. А почему оно называется «горючим»? Да потому что горит (окисляется, то есть химически реагирует с кислородом) и при этом выделяется много энергии. В бензине уйма энергии – если бензин сжечь, она высвободится в виде тепла и света. Это внутренняя, химическая энергия, запасенная внутри самого вещества. Вещество нужно разрушить, чтобы она высвободилась.

А еще энергия может быть связана с положением тела в пространстве. Часы с кукушкой видели? Они работают от гири с цепочкой. У вас есть такие часы? Если нет, это совершенно недопустимо, нужно непременно приобрести! Велите маме. Потому что это очень хорошие часы. Гирю поднимаешь, и она начинает постепенно опускаться. А цепочка, на которой висит гиря, медленно крутит шестерни часов. И они идут себе. Настоящее механическое чудо. Кукушка кукует. Плохо ли?

Когда гиря коснулась пола и опускаться ей больше некуда, часы, естественно, останавливаются. Но горевать не надо. Нужно просто потянуть за цепочку и поднять гирю снова. Что мы таким образом сделали с точки зрения энергетики? Запасли в гире энергию, изменив ее высоту. Если тело на высоте, оно в принципе может падать к земле. Значит обладает энергией. Какой? Такая энергия называется потенциальной, то есть возможной. Отпустим тело с высоты, чтобы оно падало, и этот потенциал реализуется – тело начнет набирать скорость и его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую, то есть в скорость.

Выводы? Они прекрасны! И их два.

Первый. Энергия одних видов может переходить в другие, например, потенциальная в кинетическую, химическая в тепловую.

Второй. Энергию можно запасать. Поднял гирю – запас энергию.

Сжал пружину – запас энергию.

Зарядил аккумулятор – запас энергию.

Покушал – запас энергию в виде жира на боках.

Разогнал тело – придал ему энергию.

Значит, что такое энергия? Это некое свойство, способность тела совершить полезное действие, какую-то работу. Запустить ход часов, если это гиря. Вытолкнуть присоску на палочке из ствола детского пистолета, если это сжатая пружина. Зажечь лампочку, если это батарея или аккумулятор. Разогнать машину, если речь о бензине. Насытить хилого мальчика, придав ему скорость, если речь о пище.

Вот что такое энергия.

Ну, а если нужно что-то сделать, а энергии нету?

Идите ищите! Не будет энергии – не будет работы. Чудес не бывает. Сходите в магазин, купите аккумулятор. Постройте электростанцию. Разверните солнечную батарею. Поднимите гирю. Покушайте.

Но помните – за все за это придется заплатить. И за батареку, и за еду из магазина. И за электричество в розетке. Даже на поднятие гири часов вы потратите свою личную энергию, которую получили из пищи.

Совсем немножечко, но потратите.

Так уж устроен этот мир, что за все хорошее в нем приходится платить – за любое строительство, за любое созидание. Только за разрушение платить ничего не нужно: если опустить ручки и ничего не делать, все рано или поздно разрушится или испортится. Отчего это так, мы поймем позже. А пока нам нужно запомнить то, что все и так знают: энергия из ниоткуда не берется. Сколько позаимствовал, столько и потратишь, и ни капелькой больше.

А где позаимствовать? Где взять энергию? Откуда она вообще в природе берется?

Ну, за всю природу говорить пока рано, а вот откуда энергия на нашей планете, я скажу вам по секрету. В конечном счете от Солнца! Почти вся энергия, которой мы пользуемся – солнечная. Исключение – энергия земных недр, которую мы выковыриваем в виде полезных ископаемых. Например, топливо для атомных электростанций – ископаемый дар планеты. А вот энергия гидроэлектростанций имеет солнечную природу. Если б не было Солнца, все на планете вымерзло бы, не текли бы реки, а, значит, их течение не вращало бы турбины электростанций.

Энергия ветра, который крутит лопасти ветряков, – тоже солнечная в конечном итоге. Ведь Солнце нагревает атмосферу, отчего и случаются ветры, дожди, ураганы…

И пища, которую мы едим, – тоже дар звезды по имени Солнце. Потому как без света не могут расти растения, которые мы кушаем. Растениями питаются также животные, которых мы едим. Кушать было бы нечего без Солнца!

В Солнце энергии много, ее хватит еще на сотни миллионов лет, а там что-нибудь придумаем…

Про энергию мы еще поговорим. А сейчас я озвучу один хитрый вопрос, который должен был прийти вам в голову еще в прошлой главке.

Вот мы говорили о делимости вещества. Узнали, что все сложные вещества состоят из простых (элементарных). Простых веществ, которые еще называют химическими элементами, около сотни, и все они занесены в табличку Менделеева.

Самая маленькая частичка сложного (то есть сложенного из простых) вещества называется молекулой.

И если молекулу разделить, получатся атомы уже совсем других веществ – те самые детальки мирового конструктора. У них уже совсем другие свойства: поваренная соль белая и полезная, а натрий и хлор, из которых сделана соль, очень даже агрессивные и ведут себя совершенно по-другому. Это понятно.

Но что будет, если попробовать разделить атом химического элемента, то есть детальку конструктора? Атом вообще делим?

Вот какой вопрос должен был прийти вам в голову. Приходил?