Главная страница

Богданов - Прогулки с физикой. А. И. Черноуцан (ученый секретарь)


Скачать 7,32 Mb.
НазваниеА. И. Черноуцан (ученый секретарь)
АнкорБогданов - Прогулки с физикой.pdf
Дата20.10.2017
Размер7,32 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаBogdanov_-_Progulki_s_fizikoy.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипКнига
#5449
страница8 из 10
Каталогid187134627

С этим файлом связано 79 файл(ов). Среди них: Zubrilina_S_N_-_Spravochnik_po_yuvelirnomu_delu_Spravochnik_-_20, Russkiy_graficheskiy_diazayn_-_1880-1917.pdf и ещё 69 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
меньше, чем у взрослых? Как зависит количество жертв от разброса параметров людей? Кто страдает в первую очередь?
Мало того что мы в своей модели сделали всех людей одинаковыми, мы лишили их разума, наделив только стремлени- ем – вектором, направленным к двери. На самом деле, каждый человек даже в условиях паники оглядывается по сторонам и,
если видит, что движение в направлении выхода затруднено,
начинает искать обходные пути. Если ваша программа уже написана, попробуйте включить «оглядывание» в ее текст —
полученные данные вас, по-видимому, удивят.
Таблица 11

140
ГЛАВА 16
МОЛНИЯ: БОЛЬШЕ ВОПРОСОВ,
ЧЕМ ОТВЕТОВ
В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более чем 2000 гроз, каждую секунду около 50
молний ударяют в землю, и в среднем один квадратный километр поражается молнией около шести раз в году. Еще Б.Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, –
это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд. При этом каждый из разрядов снабжает Землю несколь- кими десятками кулонов, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА.
Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких более коротких (рис.100). Молнии издавна интересуют ученых,
но и в наше время об их природе мы знаем лишь не- много больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли об- наружить молнии даже на других планетах.
Молния – вечный источ- ник подзарядки электричес- кого поля Земли. С помо- щью измерительных прибо- ров, установленных на ат- мосферных зондах, в начале
XX века было измерено элек- трическое поле Земли, на- пряженность которого у поверхности оказалась равной около
100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты прибли- зительно 400000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием косми- ческого излучения образовался электропроводящий слой – ионос- фера. Поэтому электрическое поле Земли – это поле сферичес- кого конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ.
Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все
Рис. 100. Разряд молнии

141
время течет ток порядка 2 – 4 кА, плотность которого составляет


12 2
1 2 10 А м
-
-
Ч
, и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если не было бы молний!
Получается, что в хорошую погоду электрический конденсатор
Земли разряжается, а при грозе – заряжается.
Человек не чувствует электрического поля Земли, так как является хорошим проводником. Поэтому заряд находится и на поверхности человека, ло- кально искажая электричес- кое поле Земли (рис.101).
Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных за- рядов может значительно возрастать, а напряжен- ность электрического поля может достигать 100 кВ/м,
т.е. в 1000 раз превышать ее значение в хорошую по- году. В результате во столько же раз увеличива- ется положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под гро- зовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.
Электризация – удаление «заряженной» пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним,
что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением – самый старый способ получе- ния электрических зарядов. Само слово «электрон» в переводе с греческого означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.
Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое,
электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы, в результате чего через некоторое время тело окажется электронейтральным. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой заряжен- ной пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением – это процесс частичного снятия заряженной пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, насколько лучше или хуже снимается заряженная пыль с трущихся тел.
Рис. 101. Эквипотенциальные линии электрического поля Земли без чело- века и их искажение стоящим челове- ком

142
Облако – фабрика по производству электрических заря- дов. Грозовое облако – это огромное количество пара, часть которого сконденсировалась в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте
6–7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5–1 км. Выше
3–4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками тепло- го воздуха, поднимающегося снизу от нагретой поверхности
Земли. Мелкие льдинки легче, чем более крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому шустрые мелкие льдин- ки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит элект- ризация, в результате которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие – положительно. Со временем положи- тельно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные – внизу. Другими словами, верхушка грозового облака теперь заряжена положи- тельно, а низ – отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю (рис.102).
Молния – привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектри- зовать себя, чтобы вызвать разряд между нижней частью облака и землей. Напряженность электрического поля в грозовом обла- ке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м.
Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще,
кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый
А.Гуревич из Физического института им. П.Н.Лебедева РАН
предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи – частицы высоких энергий, обрушива- ющиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями.
Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.
Рис. 102. Отрицательно заряженная нижняя часть облака поляризует по- верхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и ког- да возникают условия для электри- ческого пробоя, происходит разряд молнии

143
Согласно теории Гуревича, частица космического излучения,
сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей,
эти электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизи- руя молекулы воздуха на пути своего движения и таким образом вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ним к земле.
Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов,
сразу же используется молнией для разряда.
Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светя- щаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия.
Поэтому проводящий канал для разряда молнии называют ее
«ступенчатым лидером». Каждая из таких «ступенек» – это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электро- ны вынуждены были остановиться из-за столкновений с молеку- лами воздуха и изменить направление движения. Доказатель- ство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии –
вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами,
когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию.
Недавние исследования показали, что молния является довольно мощным источником рентгеновского излучения, энергия которо- го может составлять до 250000 электрон-вольт, что примерно в два раза превышает энергию, используемую при рентгеновском просвечивании грудной клетки.
Как можно вызвать разряд молнии? Изучать то, что про- изойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молнии. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк,
и нам не дано знать его планы. Однако ученые давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б.Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связ- кой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды,
стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния –
это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными.
Один из тех, кто пытался их повторить, русский физик Г.Рихман в 1753 году погиб от удара молнии.
В 1990-х годах ученые научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию – запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу (рис.103). Вдоль всей траектории ракета ионизирует воз- дух и создает таким образом проводящий канал между тучей и

144
землей. И если отрицатель- ный заряд нижней части тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происхо- дит разряд молнии, все пара- метры которого регистриру- ют приборы, расположенные рядом со стартовой площад- кой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для раз- ряда молнии, к такой ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.
Молния: подарившая жизнь и являющаяся двига- телем эволюции. В 1953 году биохимики эксперименталь- но показали, что одни из
«кирпичиков» жизни – аминокислоты – могут быть созданы путем пропускания разряда молнии через воду, в которой растворены газы «первобытной» атмосферы Земли (метан, ам- миак и водород). Спустя 50 лет эти опыты были повторены и дали те же результаты. Вот почему научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.
При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий. Таким образом, гены от одного вида бактерий могут переходить к другому, и это может быть одним из механизмов эволюции.
Фульгурит – след молнии на земле. При разряде молнии выделяется энергия порядка
9 10 10 10 Дж
-
. Бульшая часть этой энергии тратится на гром, нагрев воздуха, световую вспыш- ку и другие электромагнитные излучения, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю.
Однако и этой маленькой части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека или разрушить здание. Молния может разогревать канал, по которому она движется, до
30000
°
С, что в 5 раз выше, чем температура на поверхности
Солнца. Температура внутри молнии гораздо выше температу- ры плавления песка (1600–2000
°
C), но расплавится песок или нет, зависит также от длительности молнии, которая мо- жет составлять от десятков микросекунд до долей секунды.
Рис. 103. Несколько разрядов мол- ний, вызванных пуском ракеты в гро- зовую тучу. Самая левая верти- кальная линия – след от запущен- ной ракеты

145
Амплитуда тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Лишь самые мощные молнии вызывают рождение фульгуритов – полых цилиндров, сделанных из оплавленного песка (рис.104, 105).
Наиболее длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров.
Зимой грозы очень редки. Знал об этом и Ф.И.Тютчев, когда писал «люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…» Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы вос- ходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с температурой и максимальна летом. Разность температур, от которой зависит возникновение восходящих
Рис. 104. Крупный фульгурит массой 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы (слева) и его полые цилиндрические фрагменты, об- разованные из оплавленного песка
Рис.105. Сосна, расположенная на западной окраине Москвы. Под со- сной находится огромный фульгурит, поэтому корни сосны уходят в землю на большом расстоянии от ствола. По мнению автора, семечко сосны оказалось внутри полого цилиндра фульгурита, образованного разрядом молнии

146
Рис. 106. Распределение частоты гроз по поверхности суши и океа- нов: самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые –
более 50 гроз в год на квадратный километр потоков воздуха, тем больше, чем выше температура у поверхно- сти Земли, так как на высоте нескольких километров температу- ра не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходя- щих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас, в средней полосе, чаще всего бывают летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще бывают над сушей, чем над морем?
Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе анало- гично тому, как электризуются при трении друг от друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще (рис.106). Замечено также, что особенно часто молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей – выбросов предприятий нефтеперера- батывающей промышленности.
Как Франклин отклонил молнию? К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому не угрожают здоровью людей. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара

147
молнии страдают около 1000 чело- век и более ста из них погибают.
Ученые давно пытались защитить людей от этой «кары божьей». На- пример, изобретатель первого элек- трического конденсатора (лейденс- кая банка, 1745 г.) голландский физик Питер ван Мушенбрук в статье об электричестве, написан- ной для знаменитой французской
«Энциклопедии», защищал тради- ционные способы предотвращения молнии – колокольный звон и стрельбу из пушек, которые он счи- тал довольно эффективными.
Б.Франклин, пытаясь защитить ка- питолий столицы штата Мэриленд,
в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, воз- вышающийся над куполом на не- сколько метров и соединенный с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям. Впрочем... громоотвод прикреп- лялся не только к зданиям (рис.107).
Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Ев- ропе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую.
Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие божьего гнева,
казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопыт- ный случай произошел в 1780 году в одном небольшом городке на севере Франции, где горожане потребовали снести желез- ную мачту громоотвода и дело дошло до судебного разбира- тельства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от напа- док мракобесов, построил защиту на том, что и разум челове- ка, и его способность покорять силы природы имеют боже- ственное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо – доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан
Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода –
самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает извес- тную всем стодолларовую купюру.
Рис. 107. Зонт с громоотво- дом. Модель продавалась в
XIX веке и пользовалась спросом

148
Как можно защититься от молнии с помощью струи и лазера? Ученые предложили принципиально новый способ борьбы с молниями – создать громоотвод из... струи жидкости,
которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который будут добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер будет препятствовать «распаду» струи на отдельные капельки.
Диаметр струи составит примерно один сантиметр, а максималь- ная высота – 300 метров. Когда жидкий громоотвод будет доработан, им оснастят спортивные и детские площадки, где струя будет включаться автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии – максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет «стекать» заряд, делая молнию безопасной для окружающих.
Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.
Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г.Мелвилла «Моби Дик, или
Белый Кит» описан именно такой случай, когда разряд молнии,
сопровождающийся сильным изменением магнитного поля, пе- ремагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял обыч- ную швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.
Может ли поразить молния, если вы находитесь внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом, например, по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что безопаснее говорить по радиотелефону или по мобильному. Небезопасно касаться во время грозы труб центрального отопления, которые тоже явля- ются электрическим проводником, соединяющим дом с землей.
Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.
Что касается самолетов, то они, вообще говоря, стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в каждый из самолетов попадает молния. Но в подавляющем большинстве случаев при попадании молнии ниче- го не происходит, так как алюминий, покрывающий самолет снаружи, легко пропускает ее вниз к земле.

149
ГЛАВА 17
КАК БЫСТРЕЕ СПУСТИТЬСЯ НА ЛИФТЕ
В ЧАС ПИК
Мы всегда куда-то торопимся, спешка уже стала признаком деловитости. И поэтому неудивительно, что наше стремление не опоздать часто сталкивается с аналогичным же- ланием других людей. Как правило, это происходит утром,
когда мы все идем на работу или учебу. Многих из нас, кто живет в многоэтажных домах, спешка охватывает уже на лест- ничной площадке, когда мы вызываем лифт, чтобы спуститься на первый этаж и выйти из дома. Мы смотрим на часы,
понимая, что опять опаздываем, и если подъезд обслуживают два лифта, то, чтобы лифт пришел быстрее, нажимаем обе кнопки.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

перейти в каталог файлов
связь с админом