Как рассказывать гуманитариям о физике
В книге "Как всё работает. Законы физики нашей жизни" профессор Луис Блумфилд рассматривает основные физические законы на примере работы бытовой техники и других вещей, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Дина Бойко прочитала это пособие по физике для гуманитариев и законспектировала самые интересные главы.
Механические устройства: велосипед
Простое устройство велосипеда понятно даже ребёнку. Трёхколёсный мы считаем безопасным, а на двухколёсном главное научиться держать равновесие. Оказывается, безопасная устойчивость трёхколёсного велосипеда возможна только без большого ускорения. При резком и быстром повороте такой велосипед завалится набок, потому что он обладает высокой статической и низкой динамической устойчивостью.
Безопасность двухколёсного велосипеда на высокой скорости объясняется его способностью самопроизвольно поворачивать в сторону крена. Стоящий двухколёсный велосипед предсказуемо падает, если его вывести из состояния равновесия. Движущийся легко удерживается под центром масс всей системы и возвращается в состояние равновесия.
Если в заднем колесе вашего велосипеда есть трещотка, необходимость постоянно крутить педали отпадает. Но для снижения скорости на таком лучше использовать не тормоза, а сопротивление воздуха, чтобы избежать перегрева шин.
Текучие среды: водопровод
Для водоснабжения наших домов достаточно двух вещей: водопровода и давления воды в нём. Для того чтобы вода текла из крана, ей нужно придать ускорение силой. Если вы живете в одноэтажном доме в равнинной местности, это очень просто — тогда можно игнорировать гравитацию.
Но если вода должна попасть на 25-й этаж, нужно учитывать, что давление уменьшается с увеличением высоты и возрастает с увеличением глубины. В этом случае вода потечёт по трубам вверх только в ответ на некомпенсированное давление, и для этого нужен насос. Чтобы понять его работу, достаточно представить открытую пластиковую бутылку с водой, при нажатии на которую получается фонтан. Насосы для перекачивания воды работают по тому же принципу. Но в отличие от бутылки цилиндр насоса легко вновь наполнить водой, чтобы она могла бесперебойно течь по трубам до наших квартир.
Если вода должна попасть выше третьего этажа, ей придётся преодолеть гравитацию. Для этого в городах устанавливают водонапорные башни. В небоскрёбах водопровод устроен по этому же принципу, только внутри него на разных участках есть свои водонапорные башни.
Как работают потоки: пылесос
Внутри шланга пылесоса создаётся вакуум, который уменьшает давление воздуха, но повышает его скорость. Именно низкое давление позволяет воздуху с частицами пыли быстро двигаться внутрь пылесоса и уже чистому воздуху покидать пылесос через выходное отверстие.
Если на шланг надеть щелевую насадку, физический процесс усложняется, но нам это только на руку. Резкое увеличение скорости и уменьшение давления при прохождении устойчивого потока через сужение в трубе называется эффектом Вентури. Этот эффект подсказывает, что удалять пыль, крепко вбитую в ворс ковра, лучше узкой насадкой.
Пылинки, что заметны на свету, не опускаются вниз благодаря вязкости силы сопротивления. Удивительно, но та же самая сила вязкого сопротивления будет затягивать эти пылинки в пылесос. И если с пылью, к счастью, всё просто, то по законам физики пылесос не сможет засосать стеклянный шарик. Вес шарика слишком велик, чтобы возникнуть сопротивлению давления.