Текст книги "Кто ест пчел? 101 ответ на, вроде бы, идиотские вопросы"
Автор книги: Мик О'Хара
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 16 страниц)
Убегающие волны
Как-то раз мы с женой отдыхали, и у нас вышел спор: если бросить камни в воду средиземноморской гавани Сьютаделла, расположенной на Менорке, достигнут ли образовавшиеся волны берегов Северной Америки? Жена утверждала, что не достигнут, потому что им пришлось бы миновать Гибралтарский пролив и пересечь Атлантику, преодолевая противодействие других волн, берега, морского дна и штормов. Я же сказал, что волны, пока они не разобьются о берег, могут существовать бесконечно.
Кто прав? Дейв Джонстон (Хаунзлоу, Великобритания)
Права ваша жена. Волны, возникающие на поверхности жидкости, не могут существовать бесконечно. Они теряют энергию, ведь прохождение волны вызывает колебание воды, и ее энергия рассеивается за счет сил внутреннего трения. Кроме того, по мере распространения волны энергия распределяется по все большему периметру, в связи с чем плотность энергии уменьшается до тех пор, пока она не перестает поддаваться измерению на фоне флуктуационных шумов. Волны, распространяющиеся в глубине жидкой среды, не вызывают больших колебаний воды, поэтому их энергия рассеивается относительно медленно. Вот почему цунами могут проходить огромные расстояния. Однако в мелком водоеме или даже в относительно неглубоких водах Средиземного моря энергия волн рассеивается гораздо быстрее.
Саймон Айвсон (Национальный университет, Индонезия)
Волны на поверхности жидкости, вызванные падением камня, распространяются концентрическими кругами, радиус которых постоянно увеличивается. Если допустить в идеале, что высота такой волны прямо пропорциональна энергии, за счет которой она возникает и сохраняет свою силу, и что нет потерь энергии за счет трения, тогда высота этой волны обратно пропорциональна ее радиусу – в силу того, что энергия, которую она несет, распределяется по всему замкнутому контуру постоянно увеличивающейся окружности. Таким образом, к тому времени, когда волны пройдут через Гибралтарский пролив, удалившись на 1000 км от места возникновения, их радиус увеличится в 1 млн раз и высота уменьшится в 1 млн раз в сравнении с той, какую они имели, когда их радиус составлял 1 м. То есть волны, изначально имевшие высоту 10 см, по выходе из Средиземноморья уменьшатся до 100 нм, что практически не поддается измерению. В принципе волны, вызванные падением камня, должны спокойно проходить сквозь другие волны. Но если волнам, о которых говорит ваш корреспондент, удастся преодолеть 6500 км и достичь берегов Америки, они к тому времени будут иметь высоту около 10 нм, что равно толщине 100 атомов. На самом деле даже такой высоты они не достигнут из-за трения о воздух и внутреннего трения самой воды. Более того, Гибралтарский пролив лежит не на линии прямой видимости от Сьютаделлы, поэтому волнам предстоит отразиться от Северной Африки или какого-нибудь проходящего судна, что повлечет еще большие потери энергии. Обычно источником энергии волн является ветер. Изначально энергия волны от брошенного камня очень мала, и скорость ее убывания обратно пропорциональна длине волны. А поскольку волны, вызванные падением камня, имеют малую длину, их энергия очень скоро угаснет. С другой стороны, разрушительные цунами, как то, что возникло в Индийском океане в конце 2004 года, образуются при высвобождении огромного количества энергии в результате таких явлений, как подводные землетрясения. Обычно волны цунами имеют длину 500 км, поэтому они теряют мало энергии при движении в направлении отдаленного берега. В районе больших глубин эти волны могут двигаться быстрее реактивного самолета, но, имея высоту около 1 м, они остаются незамеченными, даже переваливаясь через палубы кораблей. Однако, приближаясь к побережью, волны цунами замедляют ход и начинают «расти», зачастую достигая высоты нескольких метров и порой продвигаясь далеко в глубь суши. В масштабе это сравнимо с бросанием камушков в прибрежную лужу.
Майкл Фоллоуз (Уилленхолл, Великобритания)
Вы когда-нибудь видели, как быстро затихает рябь на поверхности стоячей воды, вызванная падением камешка? Внутреннее трение воды погасит спровоцированную вами волну задолго до того, как она смогла бы достичь Гибралтарского пролива, разве что бросить камень поистине гигантских размеров.
Мортон Нэдлер (Блэксберг, США)
Даже если изначально круговой волновой фронт не встречает на своем пути берегов, высота гребня его волны уменьшается в обратной пропорции к квадратному корню из значения пройденного расстояния. Первоначально волны, вызванные падением небольшого камня в море в районе больших глубин, имеют круговую диаграмму направленности. Но этот рисунок нарушается, если сегменты волнового фронта отражаются от различных береговых линий под разными углами в разное время. Если берег пологий и песчаный или болотистый, практически вся энергия сегмента волнового фронта, достигшего этого берега, будет поглощена его элементами и сколь-нибудь значительного отражения не произойдет. Почти идеального отражения без существенных потерь энергии в единственном главном направлении можно ожидать только в том случае, если сегмент волнового фронта ударится обо что-то вроде гладкой и твердой боковой поверхности скалы, находящейся в районе больших глубин. Но если горизонтальный контур стенки скалы от уровня моря до высоты гребня волны имеет неровности, сегмент волны рассеивается, отражаясь в разных направлениях. Взгляните на подробную карту Средиземноморья, и вам сразу станет очевидно, что все до единого сегменты волнового фронта, вызванного падением камня в гавани Сьютаделла на Менорке, прежде чем докатиться до Гибралтарского пролива и выйти в Атлантический океан, сначала отразятся от множества берегов. Еще один фактор – ветер. Большинство поверхностных волн водного пространства образуются за счет энергии ветра. Если волновой фронт, возникший из-за брошенного в воду камня, движется в том же направлении, в каком дует слабый ветер, волны могут постепенно увеличиться по длине и высоте. Однако сильный ветер полностью деформирует рельеф волнового фронта, так что он полностью утратит свой первоначальный рисунок. На мой взгляд, маловероятно, что сколь-нибудь существенная часть изначального волнового фронта, образовавшегося в результате падения в воду камня в гавани Сьютаделла, достигнет Гибралтарского пролива, а тем более берегов Северной Америки. Но я признателен за столь оригинальный вопрос.
Патрик Джонсон (Портленд, США)
Превратности погоды
Снежки не лепятся
Прошлой зимой я отдыхал в Шотландии и как-то попытался слепить снежок из свежевыпавшего снега, но у меня ничего не получилось. В этот день было очень холодно, и снег попросту не склеивался в комок, как это обычно бывает. Мой друг наблюдал подобное в Альпах. Чем это можно объяснить?
Мораг Чалленор (Данди, Великобритания)
Неудивительно, что подобный вопрос возник у жителя Великобритании. Ни один канадец или житель северных районов США не стал бы утверждать, что из снега всегда можно слепить снежок. Все дети, живущие в Канаде и на севере США, знают, что снег не всегда лепится. Насколько я помню из детства, проведенного в Северной Америке, такое свойство снега, как клейкость, зависит от температурного режима. Если температура воздуха чуть ниже 0°C, как это часто бывает при выпадении снега в Великобритании, снег обычно сырой, падает большими хлопьями и хорошо лепится. Если очень холодно, скажем −20°C, снег, как правило, сухой, рыхлый и не лепится. Вероятно, степень влажности снега определяет количество льда, образующегося под давлением рук того, кто лепит снежок, и именно благодаря этому льду снег становится липким. Один мой коллега, тоже выросший в холодном регионе Северной Америки, напомнил мне, что, когда температура намного выше 0°C, снежки тают прямо в руках. Таким образом, существует определенный диапазон температур воздуха, при которых снег лепится, и так уж случается, что в Великобритании снег обычно выпадает при одном из значений этого диапазона.
Боб Лэдд (Эдинбург, Великобритания)
Только мокрый снег, в котором содержится до 50 % воды в жидком состоянии, хорошо лепится в снежки. А чтобы снег оставался мокрым, температура воздуха должна быть около 0°C. В 1842 году Майкл Фарадей высказал предположение, что ледяные частички мокрого снега покрыты тонкой пленкой воды, благодаря которой снежинки и склеиваются друг с другом. Он подвесил в ванне с замерзающей водой два кубика льда, доказывая на опыте, что эти кубики склеиваются друг с другом при одном лишь соприкосновении. Лорд Кельвин предложил другое объяснение. При сдавливании снежков точки поверхностей ледяных кристаллов вступают в контакт. Давление ладоней человека невелико, но в местах соприкосновения точек поверхности кристаллов оно может быть достаточно сильным и вызвать таяние. Как только давление ослабевает, вода опять замерзает. Но для утрамбовки более холодного снега сила давления должна быть большей. Теперь нам больше известно о природе поверхности веществ. Молекулы воды на поверхности ледяных частиц ни к чему не привязаны со стороны воздушной зоны, поэтому они обладают избытком энергии. Этой избыточной энергии может стать меньше, если две поверхности вступят в контакт, как это продемонстрировал Фарадей. Но если бы дело было только в этом, мы могли бы лепить снежки при температуре воздуха намного ниже 0°C. При очень низких температурах снежинки, имеющие разные формы и размеры, плотно не сцепляются. Однако при температуре воздуха близкой к 0°C отдельные молекулы воды становятся более мобильными и, перемещаясь по поверхности, заполняют щели между кристаллами, как бы связывая снежинки. Если площадь соприкосновения между снежинками больше, они связываются быстрее.
Майкл Фоллоуз (Уилленхолл, Великобритания)
Какой курс, капитан?
В романе «Моbу Dick» на деревянное китобойное судно, находившееся в море к юго-востоку от Японии, обрушивается тайфун. Гром, молния, огни святого Эльма. По утверждению автора романа Германа Мелвилла, «в такие свирепые штормы… нередко приходится замечать, что стрелки корабельных компасов вдруг начинают описывать круг за кругом». Или порой, когда в оснастку ударяет молния, компас и вовсе размагничивается. Правда это или вымысел? Если правда, почему это происходит?
Алан Слоун (Бакстон, Великобритания)
Утверждение Мелвилла абсолютно верно. Молнии характеризуются токами высокой мощности, порождающими сильные магнитные поля. Эти поля с легкостью перенамагничивают обнаженные высококоэрцитивные (устойчивые к воздействию магнитного поля) породы. За счет намагничивания горных пород возникают токи силой более 10 000 А. Образовавшиеся магнитные поля могут легко размагнитить компас или изменить его полярность.
Алан Рид (Лидс, Великобритания)
В результате движения электрического поля образуется магнитное поле, и такой мощный электрический разряд, как молния, вполне может размагнитить стрелку компаса или изменить ее полярность. Ваш корреспондент забыл упомянуть, что капитан Ахав смастерил новый компас, ударив мушкелем по парусной игле и таким образом намагнитив ее. Это не выдумка. Я и сам не раз демонстрировал это явление, случайно роняя дорогой пинцет для работы с образцами металлов. От удара при падении пинцет намагничивался. Ферромагнетики состоят из микроскопических магнитных доменов, которые могут быть ориентированы в произвольных направлениях таким образом, что результирующая намагниченность ферромагнитного образца равна нулю. При выстраивании доменов более или менее в одном и том же направлении материал становится намагниченным. В некоторых случаях материал намагничивается от резкого сильного удара, при котором передается энергия.
Роджер Ристо (Институт материаловедения Университета штата Коннектикут, Сторрс, США)
Ледяные узоры
Иногда холодным утром замечаешь, что окна домов и машин покрыты морозным узором в форме листьев, папоротника и ветвей. Как это происходит?
Боб Кларк (Нью-Майнас, Канада)
Разукрашенные морозом окна спален по утрам – это уже дело прошлого благодаря центральному отоплению и изоляционным свойствам окон с двойным остеклением. Но если у вас до сих пор окна с одинарным остеклением, тогда, проснувшись зимним утром, вместо улицы вы увидите папоротникообразные узоры на стекле. В морозную ночь оконное стекло очень быстро теряет тепло, охлаждая молекулы водяного пара в воздухе помещения возле окна. Температура молекул воды в воздухе может упасть ниже точки замерзания, но сами молекулы при этом не замерзнут. Однако при соприкосновении с холодным стеклом этот переохлажденный водяной пар мгновенно, минуя стадию воды, превращается в лед. Из молекул, скопившихся в крошечных царапинах на стекле, формируется затравочный кристалл, из которого затем произрастают замысловатые узоры. Если взглянуть на этот кристалл с очень близкого расстояния, можно заметить множество химических связей, отходящих от точек его поверхности. Молекулы водяного пара цепляются за эти химические связи, и кристаллы быстро растут. Структура замысловатых разветвлений зависит от температуры и влажности воздуха, а также от степени гладкости и чистоты стекла. Если воздух сухой, молекулы воды медленно конденсируются из воздуха, группируясь в устойчивые шестигранники. Шесть прямых относительно гладких граней этих кристаллов имеют очень мало свободных связей, так что молекулам воды почти не за что зацепиться. Узоры в виде перьев, как правило, формируются на чистых оконных стеклах, когда воздух насыщен молекулами воды. В этих условиях большое количество молекул водяного пара бомбардируют затравочный кристалл и устойчивые шестигранники не успевают сформироваться. Молекулы цепляются за свободные связи, торчащие из выпуклостей кристалла, вследствие чего эти выпуклости увеличиваются в размерах еще быстрее и в итоге вырастают в большие ответвления, а выпуклости на ответвлениях, в свою очередь, превращаются в кружевные листья.
Автор-составитель
Непогода
Можно ли путем наземных наблюдений вычислить, сколько воды содержится в том или ином облаке? Если это возможно, как это можно сделать? Имеют ли значение размер и цвет облака? Если нет, как определить содержание воды в облаке более научными методами?
Я хочу произвести впечатление на друзей. Джеймс Даун (Хемел-Хемпстид, Великобритания)
Как объясняется ниже, существует метод приблизительных расчетов, благодаря которому вы произведете впечатление на друзей. А чтобы получить точный ответ, вам понадобятся система доплеровской радиолокации и крупный правительственный грант. Автор-составитель В облаке содержится столько же воды, сколько в окружающем его чистом воздухе. Однако если в прозрачном воздухе содержатся водяные пары, то, конденсируясь, они образуют облако. Различия между состояниями определяет, скорее, разность температур, а не количество воды. Цвет облака не имеет большого значения. В верхней части облака вода находится в форме кристаллов льда. Нижняя часть облака состоит из смеси льда и воды. Цвет облака зависит главным образом от этой смеси льда и воды и размера водяных капель, в меньшей степени – от общего содержания воды. Содержание воды в облаке можно определить по количеству дождя, выпадающего из облака. Если бы вся атмосфера была насыщена водой, вода лилась бы непрерывным потоком, что составило бы 35 мм осадков. На самом деле из самых тяжелых облаков выпадает около 20 мм осадков. Во время ливня может выпасть более 50 мм осадков, но для этого потребуется дополнительная влага из окружающей атмосферы. Соответственно, ливни – локализованные явления. Количество выпавшей воды при самом сильном ливне можно вычислить по следующей формуле: количество осадков в миллиметрах равно коэффициенту 6,5, умноженному на корень квадратный из значения времени в минутах, в течение которого шел дождь. При более типичном ливне выпадает слой воды в несколько миллиметров с интенсивностью приблизительно 0,1 мм/мин. Обычно 1 мм осадков соответствует 1000 м3 воды, имеющей вес 1000 т в объеме облака 1 км3, хотя самые тяжелые облака могут содержать в 20 раз больше воды. Также можно определить содержание воды в облаке по его объему. Частичка облака, насыщенного водой, составляет 0,0001 % его объема. Площадь поперечного сечения облака можно измерить по его тени. Маленькое облако размером 500×500×100 м имеет объем 25 млн м3, из которых примерно 25 м3 составляет вода весом 25 т. Даже если вы не можете вычислить точное количество воды в облаке, эти цифры должны произвести впечатление на ваших друзей.
Альберт Зиджлстра (физический факультет Института науки и техники при Манчестерском университете, Великобритания)
К сожалению, просто взглянув на облако, нельзя установить точное содержание в нем воды. Цвет облака зависит исключительно от положения наблюдателя по отношению к нему и от его физической структуры. Кажущийся размер облака зависит от того, на какой высоте оно находится, а с одной точки наблюдения это, как правило, трудно определить. Но синоптикам, чтобы дать точный прогноз погоды, необходимо знать содержание воды в облаке. К счастью, в Великобритании есть очень современные информационные системы, например в Центральной лаборатории научного совета Чилболтонской обсерватории. Это учреждение использует доплеровский радиолокатор. Очень важно настроить луч радиолокатора на правильно выбранную частоту. Если луч будет слишком активно взаимодействовать с водой в облаке, так что вода будет отражать либо смягчать его сигнал, то радиолокатор, соответственно, будет получать неполную информацию о структуре облака. Если же взаимодействие с водой будет слишком слабое, тогда и вовсе не будет поступать никакой информации. Чилболтонская установка может анализировать и извлекать самые разные данные. Ее максимальный радиус действия – 160 км. С ее помощью получают сведения о концентрации капель, их размере и интенсивности выпадения, а также о том, что представляют собой эти капли – воду или лед. Используя эту установку, ваш корреспондент мог бы относительно точно вычислить содержание воды в облаке и, на основе данных о структуре облака определить, когда пойдет дождь. В последние годы этот метод широко применяется на Уимблдонских теннисных турнирах, где матчи часто прерываются из-за дождей. Такие радиолокаторы позволяют получить подробные сведения о состоянии атмосферы: помогают отслеживать ураганы, составлять ежедневные прогнозы погоды и предсказывать зоны турбулентности на авиатрассах.
Дейв Ричардс (Кембридж, Великобритания)
Ливень или морось
Отчего дождь бывает разный? Порой он льет «прутьями» – удлиненными каплями, падающими с огромной скоростью и высоко отскакивающими от земли. А иногда это просто туманная изморось – мелкие брызги, роящиеся на ветру. Почему порой дождь льет с такой силой, что может причинить физическую боль, а иногда просто обволакивает влажной пеленой? При каких условиях образуются промежуточные разновидности дождя?
Мартин Ривз (Лестер, Великобритания)
Длинные «прутья» – это оптический обман. На самом деле крупные капли сплющиваются под воздействием силы сопротивления воздуха. На языке африкаанс (и, по-моему, по-валлийски) такие капли называют «старухи с дубинками»: круг воды, образующийся при ударе капли о землю, напоминает широкую юбку, а отскакивающая от его центра капля – дубинку. Определяющим фактором при образовании того или иного типа дождя является размер капель, который, в свою очередь, зависит от условий, сложившихся в период их формирования: влажности и температуры воздуха, а также находящихся в нем ядер конденсации и, в частности, частичек пыли. Например, умеренное количество ядер конденсации в насыщенных влагой восходящих потоках способствует укрупнению капель, потому что вокруг много воды, а сами ядра не могут упасть, не достигнув размера, при котором они приобретают заметную скорость падения. Скапливаясь, ядра соревнуются друг с другом: каждое стремится впитать в себя как можно больше водяных паров и в результате образуют крошечные капельки, которые испаряются прежде, чем успевают достигнуть земли. В неподвижном воздухе большие капли падают стремительно и грузно. Капли диаметром около 1 см развивают скорость до 30 км/ч и разбиваются на более мелкие под воздействием создаваемой ими струи, если только они частично не заморожены. Поэтому дождевые капли не могут достигать больших размеров. Но большое количество падающих капель может создать нисходящий поток, в котором капли обретают способность падать с еще более высокой скоростью и при этом не разбиваться. Из-за сильных ветров, дующих в горизонтальном направлении, скорость соударения капель увеличивается более чем вдвое. А кинетическая энергия, как известно, возрастает пропорционально квадрату скорости.
Джон Ричфилд (Сомерсет-Уэст, ЮАР)
Интенсивность выпадения дождя зависит от мощности облака и от силы восходящих потоков. Быстро поднимающийся воздух способствует быстрой конденсации водяных паров в капли и образованию больших масс дождя – главным образом в тех случаях, когда облако простирается достаточно высоко, так что из переохлажденных капель воды не успевают сформироваться кристаллы льда. В облаках небольшой толщины со слабыми восходящими потоками формируется только мелкий дождь, скорость выпадения которого редко превышает 3 м/с. Конечная скорость крупных дождевых капель – около 10 м/с. Чем больше размер капель, тем выше скорость их падения. Но, достигая 6 мм в диаметре, капли подвергаются воздействию ветрового сопротивления: их основание сплющивается и увеличивается сила торможения, что препятствует дальнейшему ускорению. Однако, если капли попадают в зону нисходящего ветра, где атмосферный столб понижается со скоростью более 20 м/с, они ложатся на землю более тяжеловесно. Нисходящие порывы часто ассоциируются с кучево-дождевыми облаками, для которых характерны почти вертикальные воздушные потоки. Перенасыщение облака осадками может вызвать их выпадение. Выпадение дождя из глубоких горизонтальных слоев облака обычно вызвано медленным подъемом воздуха по диагонали вдоль наклонной фронтальной поверхности. Такой дождь, как правило, бывает затяжным, но редко сильным. Ситуация может измениться, если в результате длительного подъема воздуха слой становится нестабильным. Тогда из него поднимаются вверх мощные атмосферные столбы, содержащие восходящие потоки, и дождь средней интенсивности может смениться сильным ливнем.
Том Брэдбери (Страуд, Великобритания)
