Ответы к задачам и вопросам раздела «Мысленный эксперимент»
№ 1
Если инерция мышления не помешала нашим читателям, то они могли бы различить правильный ответ в самом вопросе. Это пресная вода.
№ 2
Первое ощущение – нет же никаких необходимых для решения задачи данных и слишком большая неопределённость в формулировке задачи: «А сколько льда плавало? В каких широтах? Насколько высоко поднялась температура нижнего слоя атмосферы?». На эти вопросы ответа нет. Но чем больше неопределённость, тем больше свободы для мысленных экспериментов. Поставим мысленно сосуд с водой, где плавает кусок льда, на весы. Пусть стенки сосуда будут достаточно прочными, невесомыми и плотно прилегают к поверхности чаши весов, а дно сосуда отсутствует – вода непосредственно опирается на чашу весов. Но давление воды на чашу не изменится, даже если весь лёд в воде растает – ведь вес содержимого сосуда останется прежним. Так что чаше безразлично, что происходит в сосуде – плавает кусок льда или уже давно растаял. Значит, не меняется и уровень воды в сосуде, так как давление пропорционально высоте столба воды.
На самом деле всё не так просто. Ведь Земля – планета, а не банка с водой и даже не блин на слонах, китах и черепахе. Толщина мирового океана в разных частях планеты (и даже в соседних областях одного и того же моря) отличается, тогда как в идеализированной модели сосуда до дна в любой точке поверхности воды одинаковое расстояние. Земля имеет ядро: оно, судя по всему, не находится точно по центру планеты, а напоминает яичный желток. Вокруг не вполне круглой планеты Земля двигается ещё и Луна, влияя своим тяготением на приливы и отливы. Так что если средний уровень воды в океанах Земли и не изменится от таяния всех айсбергов, плавающих в них, то вследствие разницы в распределении льда по поверхности воды могут быть затоплены значительные (прибрежные) территории. Это пример изначально некорректно сформулированной задачи и идеализированной модели, далёкой от практики (Латыпов, 2009).
№ 3
В порту Санкт-Петербурга вода пресная (в этом виновата полноводная Нева и мелководная Балтика). Плотность её можно принять за единицу. В Бискайском заливе вода солёная, её плотность – около 1,03. Согласно закону Архимеда, в Бискайском заливе по сравнению с Санкт-Петербургом корабль тех же размеров при той же осадке может быть на 3 % тяжелее. А если полезный груз составляет только половину всей массы корабля, то 3 % от массы всего корабля составляют 6 % полезного груза. После того как корабль в Санкт-Петербурге нагружен до ватерлинии, можно прибавить еще 6 % груза (считая уже размещённый груз за 100 %).
Часто для облегчения расчётов при погрузке на корпус корабля наносят две ватерлинии, одна из которых соответствует пресной речной воде, вторая – солёной морской (Маковецкий, 1984, № 98).
№ 4
Остывание нагретого тела происходит тем сильнее, чем больше разность температур между этим телом и окружающей средой, посему выгоднее остудить воду, а потом положить лёд.
№ 5
Потому что отражение света от стен всегда больше, чем от прозрачных, то есть пропускающих свет, окон.
№ 6
Давление стен на фундамент (и на грунт) зависит от веса стены и прилегающей к ней части здания. Под действием веса здания происходит уплотнение (усадка) грунта. Если бы здание строилось неравномерно по высоте, то происходило бы неравномерное оседание грунта под ним. А это могло бы привести к авариям (Тульчинский, 1976, № 108).
№ 7
Конструктивное решение. Чтобы смычок не задевал корпус инструмента при игре на крайних струнах.
№ 8
Если речь идёт об одной и той же воде с одним и тем же содержанием солей, то не будет, поскольку неизбежны тепловые потери при передаче тепла от кипящей воды через стенки плавающей кастрюли к воде, которая за ними содержится. Однако если вода снаружи содержит больше солей, чем вода внутри плавающей кастрюли, то кипение возможно.
Повышение температуры кипения воды при увеличении концентрации соли в ней можно объяснить образованием дополнительных связей между молекулами воды и ионами соли. Поэтому увеличивается потенциальная энергия их взаимодействия и, как следствие, для начала процесса кипения должна увеличиться и средняя кинетическая энергия молекул. Именно поэтому для кипения необходимо повышение температуры воды. А для свободной от солей воды требуется меньшая температура начала кипения.
Более того, если в кастрюлю с кипячёной водой поставить кастрюльку с сырой водой и нагревать, то вода в маленькой кастрюльке закипит быстрее. Температура кипения кипячёной воды выше, чем для сырой.
№ 9
Сферические и овальные яйца катились бы по прямой. Асимметричные же яйца, у которых один конец тупее, а другой острее, при скатывании стремятся катиться по кругу. Если яйцо лежит на краю обрыва или в другом ненадёжном месте, стремление катиться по кругу, а не по прямой – большое преимущество. Сама природа в ряде своих построений решила, что асимметрия выгоднее симметрии в конструктивном плане.
№ 10
Трудно жить под гнётом инерции мышления. Летающий объект живой. Груз – либо нектар, либо пыльца. Речь идёт о пчеле.
№ 11
Начнётся интенсивная реакция, сопровождающаяся выделением белых паров. Это бензин, поэтому горелку под колбой лучше погасить, ведь мы не предусмотрели отвода бензиновых паров через холодильник в приёмник. В тяжёлые годы экономической разрухи, когда Советская Россия была отрезана от нефтеносных районов и остро нуждалась в авиационном моторном топливе, академик Н. Д. Зелинский наладил производство бензина из тяжёлых низкосортных нефтепродуктов, применив хлористый алюминий в качестве катализатора (Николаев, 1961, С. 53).
№ 12
«По-видимому, никто из организаторов производства в то время не удосужился разобраться в химическом процессе нейтрализации хлора гипосульфитом. Как известно, реакция при этом идет следующим образом:
Na2S2O3 * 5Н20 + 4 Сl2 = Na2SO4 + H2SO4 + 8 НСl.
Образовавшиеся серная и соляная кислоты в свою очередь реагируют с гипосульфитом с выделением серы и сернистого газа.
Na2S2O3 + 2 НСl = 2 NaCl + H2O + SO2,
Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + Н20 + SO2 + S.
Таким образом, если бы маска, пропитанная одним гипосульфитом, и достигала своей цели – защиты от хлора, то всё равно должно было бы наступить отравление сернистым газом, попадавшим в дыхательные пути с воздухом, прошедшим через маску. Эта ошибка была обнаружена химиками, к тому времени уже выехавшими на фронт…
Уже летом 1915 г. рецепт пропитки был изменен, и в нее была введена сода (в достаточном количестве), а также и глицерин как предохраняющее средство от быстрого высыхания маски. Тогда же было организовано производство сухой смеси солей, из которой изготовлялась простым растворением пропитывающая жидкость. Такая смесь доставлялась на фронт в запаянных жестяных коробках, причем содержимого каждой из них было достаточно для пропитки 100 масок… К началу 1916 г., когда армия в большинстве своем была снабжена лишь влажными масками, выяснилось, что немцы применяют фосген… Пропитка масок гипосульфитом совершенно не гарантировала защиты от фосгена, и поэтому приступили к поискам специальных средств для дополнительной пропитки маски. После испытания некоторых случайных средств ‹…› в Московском техническом училище „вспомнили“ об уротропине, полученном впервые A. M. Бутлеровым за полвека до Первой Мировой» (Фигурновский, 1942).
№ 13
При «разведённой» пиле пропил имеет ширину, большую толщины полотна пилы. Этим уменьшается трение движущейся пилы о стенки пропила (Тульчинский, 1976, № 64).
№ 14
Если мокрые листья салата посолить заранее, то концентрация соли внутри и вне листьев будет различной. Из-за разности осмотических давлений раствор соли как бы отсасывает (или выдавливает) соки из салата. Вследствие этого листья увядают, салат становится невкусным. Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества растворенных в нём веществ (или ионов, если молекулы вещества диссоциируют). Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление.
№ 15
Это бытовое наблюдение показывает, что растворение сахара сопровождается охлаждением раствора. Потребная для растворения сахара теплота заимствуется от кипятка, а вата нерастворима (Ландсберг, 1956, т. 1, С. 442).
№ 16
Руководитель сапёрной группы распорядился срочно привезти с ближайшего завода ёмкости с жидким азотом. Им стали поливать бомбу, и когда холод распространился по механизму, тот остановился. Температура жидкого азота – минус 193 оС. Сильный холод и замедляет химические процессы, и может остановить любой механизм, не подготовленный для работы при низких температурах; замерзает смазка, попавшие внутрь пары воды, изменятся размеры некоторых деталей, где-то что-то заклинит…
№ 17
Вода смачивает стекло, ртуть – нет. Чтобы можно было отмерять ртуть каплями, пузырёк должен быть из олова, цинка, золота или других металлов (Тульчинский, 1976, № 83).
№ 18
Лягушки не видят неподвижные объекты, они реагируют лишь на перемещающиеся. Лягушка будет голодать и может даже погибнуть среди съедобных для неё, но неподвижных животных. Множество парадоксов такого рода можно найти в книге «Физика в живой природе» (№ 347).
№ 19
Сравним куриное яйцо с подводной лодкой. У них много общего. Ведь субмарина погружается в пучину морскую или всплывает на поверхность в зависимости от своей плотности. Её регулируют принудительно. В специальные полые цистерны на лодке впускают забортную воду, тогда средняя плотность судна становится больше, и оно погружается. Для всплытия воду вытесняют обратно сжатым воздухом. При длительном хранении содержимое яйца высыхает, то есть объём воздуха внутри яйца увеличивается, и его средняя плотность уменьшается (Эльшанский, 2000, С. 21).
№ 20
Отклонение вращающегося обтекаемого тела от траектории связано с противодействием встречного (потока) воздуха. Его подъёмная сила отклоняет и снаряд, и мяч, воздух закручивается около летящего тела и вносит свою лепту в распределение действующих сил. В аэродинамике это называется эффектом Магнуса (Ландсберг, 1956, т. 1, С. 315).
№ 21
При соприкосновении с пальцами поверхность лезвия становится жирной. Так как жир водой не смачивается, над лезвием слой воды отсутствует, и лезвие плавает «по закону Архимеда», а вес лезвия уравновешивается силой давления воды снизу. В случае чистого, обезжиренного лезвия, вода растекается по нему и увлекает на дно, нарушив «равновесие» (Ландсберг, 1956, т. 1, С. 406, 522).
№ 22
Нет такого места: ртутный столбик не может опуститься ниже 38 градусов мороза, когда замерзает ртуть.
№ 23
Угол, под которым световые лучи от предметов падают на границу вода-воздух, постоянно меняется. Вследствие этого меняется и угол преломления. Поэтому наблюдатель видит предметы в воде колеблющимися.
№ 24
Двигаясь по ровной дороге, мы затрачиваем мускульную силу в основном на преодоление трения и сопротивления воздуха. На подъёме же приходится преодолевать не только эти силы, но и часть собственного веса (Физика в живой природе, 1984, № 38).
№ 25
У сухого материала поверхность шероховата. Поэтому отражённый свет оказывается рассеянным. Если материал смочить, то шероховатость уменьшится. Кроме того, в тонкой плёнке воды свет испытывает многократное полное отражение и поглощается.
№ 26
Молекулы спирта и воды взаимно проникают в имеющиеся между ними промежутки и вступают в химическое взаимодействие. Вследствие этого объем смеси воды и спирта меньше, чем сумма первоначальных объемов. (Тульчинский, 1976, № 5).
№ 27
Они удерживаются восходящими потоками воздуха, поднимающимися от более тёплой поверхности планеты. Благодаря таким потокам птицы способны парить, не махая крыльями. Облако в принципе не есть что-то стационарное, это непрерывный процесс.
Мелкодисперсные капли не могут упасть на землю, так как их хаотично ударяют бесчисленные молекулы газов, составляющих воздух, находящиеся в постоянном тепловом движении. А поскольку у земной поверхности молекул несколько больше, так как их число убывает с высотой, то и действие их снизу более заметно. При этом каждая капля совершает движение по изломанной траектории. Крупнодисперсные капли не могут удерживаться в облаке и начинают падать под влиянием земного притяжения. Но тут на них начинает действовать сила сопротивления, противоположная силе тяжести. Капля может быть остановлена и снова подброшена вверх восходящими потоками воздуха.
Длительность существования облаков объясняется малыми скоростями падения частиц, так капли радиусом до 0,01 мм падают со скоростью до 1,2 см/сек.
№ 28
За те же семь дней. Пример запутанности условий. Необходимо исключить из условий задачи умышленно введённый или лишний материал, не относящийся к сути (Кедров, 1987, С. 164).
№ 29
Устойчивость ходьбы человека определяется силой трения между подошвой обуви и почвой. Сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле. Во столько же раз (при прочих равных условиях) там меньше и сила трения, а сила мышц такая же, как и на Земле. Это всё равно, что на Земле стать в шесть раз сильнее. Ходьба сразу превратится в прыжки и устойчивость потеряется (Тульчинский, 1976, № 79).
№ 30
При открытии склянки воздух в ней разредился и охладился. Охлаждение привело к тому, что пары воды дошли до насыщения и конденсировались. Пыль, даже мельчайшая, становится центрами конденсации. При её отсутствии испарение мельчайшего конденсата происходит так быстро, что мы не можем этого уловить. Скорость испарения жидкости зависит от формы её поверхности. Молекулы водяного пара удерживаются на пылинках силами сцепления… (Ландсберг, 1956, т. 1, С. 475)
№ 31
Странно, что ни один биолог до сих пор не сообщил этой элементарной вещи. Не столь важно, клоп у нас или какой-нибудь жук-долгоносик. Температура тела неподвижных насекомых равна температуре окружающей среды. Организм насекомых не способен самостоятельно поддерживать постоянство своей температуры, и потому на зиму им приходится впадать в спячку. Изменение же температуры тела у летающих насекомых (выделение тепла – у пчёл, ос, шмелей) связано с интенсивной работой грудных «мышц». Неподвижное насекомое снова быстро остывает до температуры окружающей среды. Так что это редкий случай, когда ошибся создатель ТРИЗ (как в своё время Аристотель неправильно сосчитал число лап у мухи – 8 вместо 6), а за ним и другие, не подходившие критически к прочитанному. Можно оставить градусник в покое и не собирать жуков в стакан. Температура на градуснике или термометре в помещении, где находится жук, и будет температурой его тела.
№ 32
Инерция мышления часто заставляет делать вывод, что в каждом из стаканов будет что-то, отличное от наблюдаемого в другом. Но научная логика должна подсказать, что во всех трёх случаях суть наблюдения будет одна и та же.
Мы увидим интенсивное разложение перекиси водорода, сопровождающееся газообразованием – будет выделяться кислород. В тканях животных и растительных организмов содержатся сложные катализаторы – ферменты. Один из них – каталаза, он есть и в мясе, и в моркови, и в картофеле. На свету перекись водорода медленно разлагается, а фермент ускоряет ход реакции. Кстати, если мясо или овощи отварить, каталаза разрушится, и в варёном виде они не окажут на перекись никакого каталитического воздействия (Николаев, 1961, С. 5–6).
№ 33
При включённой линии бумага – чаще всего это бумажные флажки – выходит из висячего вертикального положения и поворачивается на некоторый угол, выстраиваясь вдоль силовых линий поля, создаваемого током согласно законам электростатики (Ландсберг, 1956, т. 2, С. 49, 438).
№ 34
Надпись можно увидеть, если вода в реке вновь опустится до того минимального уровня, какой был во время особо жестоких засух, уносивших из-за неурожая тысячи жизней.
№ 35
Перевёрнутая черепаха представляет собой тяжёлый шаровой сегмент, лежащий на выпуклой поверхности. Такой сегмент очень устойчив, чтобы перевернуть его, нужно достаточно высоко поднять его центр тяжести. Многие черепахи не могут поднять свой центр тяжести так высоко, чтобы перевернуться, и поэтому погибают, лёжа вверх лапами (Физика в живой природе, 1984, № 51).
№ 36
Ответ на эту и многие другие поучительные задачи можно найти на специализированном сайте http://www.trizland.ru/. «Надо решиться и переступить через узкоспецифичную зону действия. Отстраненный профессионализм только в одной области, без применения более обширных взглядов и других подходов – губителен. Надо учиться решать разные задачи: социальные, биологические, литературные, технические и т. д. Ведь в основе лежат универсальные принципы мышления, а не внешняя сторона мира», – справедливо указывает изобретатель.
№ 37
Утверждение это неверно. Сами жидкости мало способны к сжатию, и для того, чтобы это сделать, да ещё с такой силой – получить нагрев, нужна совершенно герметичная и прочная изолированная емкость. Креветка, наоборот, растягивает воду – это проще, чем сжимать её. При этом возникает кавитационный пузырёк, который, схлопываясь, создаёт микроскопическую ударную струю и, соответственно, волну. Возникать пузырёк по сравнению со временем схлопывания может достаточно долго, а поэтому в нём могут появляться и высокие температуры, и высокие давления в конечной фазе.
№ 38
Специалисты ТРИЗ (Злотин, Зусман, 1991, № 22) советуют обратить задачу. Задаться вопросом, как обеспечить взрыв пороха при его сушке. Снова вездесущая дихотомия – «вещество-поле». И триада «вещество-поле-вещество». Невидимый диверсант, осуществляющий взрыв – это либо механическая сила (но, как уже сказано, диверсантов нет), либо тепловая – но как раз температура подсыхающего пороха и окружающего воздуха контролируется. Химически молодой порох также постоянен по составу. Остаётся электростатика. Движение воздуха создавало трение между дегидратированными частицами взрывчатого вещества. Значит, от просушки воздухом придётся отказаться, но вставала задача высушивания. Её решил Д. И. Менделеев, который предложил поглощать влагу спиртом. Тот прекрасно растворяет воду. Сырой порох промывается спиртом. Спирт, поглотивший воду, сливают и утилизируют. Остатки спирта на частицах пороха быстро испаряются сами. Порох становится сухим. Подходит также вымораживание влаги жидким азотом.
№ 39
Падая на руку, жидкий азот интенсивно испаряется от её тепла, ещё не достигнув кожи. Между поверхностью тела и льющимся каплями азота возникает газовая «подушка» с низкой теплопроводностью. Эта подушка и предохраняет кожу от прямого соприкосновения с каплями и собственно ожога (Капица, 1998, № 76).
№ 40
Охлаждая воду, мы как бы «провоцируем» её изменить фазовое состояние, что, в свою очередь, приводит к совершению работы за счёт уменьшения внутренней энергии. То есть источником, за счёт которого совершается работа, является внутренняя энергия воды.
№ 41
Охлаждать кастрюлю надо, и чем скорее – тем лучше. Тем быстрее будут сжиматься нагар и металл. Между нагаром и металлом завязываются силы межмолекулярного притяжения. Так что внешние силы необходимы, превышающие их по величине. Поливать же водой лучше внешнюю часть кастрюли – дно, лить холодную воду внутрь тотчас не надо. Металл и слой нагара за счёт разной теплопроводности будут охлаждаться по-разному. Металл лучше проводит тепло, поэтому он станет и охлаждаться и сжиматься быстрее, чем нагар. И тем больший градиент температур возникнет между пригоревшим слоем и металлом, если их охлаждать последовательно снаружи (сперва металл, а через него и нагар), а не одновременно – изнутри. При медленном самостоятельном охлаждении на воздухе, конечно, за счёт разных коэффициентов линейного расширения, тоже возникают силы, старающиеся оторвать нагар от металла, но их недостаточно, чтобы преодолеть силы межмолекулярного притяжения (Задачник по физике журнала «Квант», № 627).
№ 42
Пар пропускали долго, но теплоизолятор был плохой и сам прогрелся. Если диаметр трубки был 1 см, а слой изолятора 0,5 см, то диаметр трубки со слоем изолятора стал 2 см, то есть площадь поверхности увеличилась в 2 раза. Во столько же раз возросли потери на излучение и конвекцию при неизменной температуре поверхности. Если же температура поверхности и упала, но не слишком сильно, всё равно теплопотери могут возрасти.
№ 43
Энергия от сжатия-растяжения пластинки перейдёт в теплоту. Кислота нагреется чуть больше, чем при растворении прямой пластинки. Из области напряжения (деформации) будут легче «вымываться» частицы, ударяясь о частицы раствора кислоты, они будут разогревать окружающее пространство, инициируя реакцию всё сильнее и сильнее. Также, если намагниченную пластинку растворить в кислоте, магнитная энергия пластинки перейдёт во внутреннюю энергию раствора.
№ 44
При таком соотношении все полосы кажутся равными по ширине. Свойства же восприятия цветовой гаммы человеческим глазом таково, что, будь полосы изначально одной ширины, синее и белое полотнища казались бы шире красного. Но, в конечном счёте, решили пренебречь этим эффектом и из соображений производственной целесообразности изготавливать полосы равной ширины.
№ 45
На объём воды действует сила тяжести и вес того, что сверху, иначе именуемый давлением. При этом снизу тоже будет действовать давление, но чуть больше, чтобы компенсировать вес этого объёма. «Вода в воде» весит, и именно этот вес вызывает рост давления с глубиной и давление на дно сосуда.
№ 46
Струя воздуха, удаляя от фитиля свечи пламя, снижает температуру паров стеарина ниже той, при которой стеарин может взаимодействовать с кислородом воздуха.
№ 47
Под подъёмной силой понимается разность Архимедовой силы и силы тяжести, действующей на газ в дирижабле. Архимедова сила вообще не меняется, поскольку определяется объёмом вытесненного воздуха (а он постоянный). Меняется только масса газа и, соответственно, действующая на него сила тяжести.
Для простоты возьмём плотности: воздуха ρвозд = 1,29, водорода ρв = 0,09 и гелия г = 0,18 кг/м3; тогда, если V – объём дирижабля, то подъёмная сила водородного дирижабля: Fвозд пропорциональна произведению V(ρвозд – ρв), для гелиевого дирижабля Fг пропорциональна V(ρвозд – ρг). Очевидно, ответом является величина (ρг – ρв)/(ρвозд – ρв) = 0,07, т. е. 7 %.
№ 48
В процессе готовки происходит выкипание жидкости (по сути дела – воды) из готовящихся продуктов, поэтому температура поверхности сковороды ограничивается прежде всего температурой кипения воды, а не масла. Конечно, она несколько выше, ведь сковорода соприкасается с водой не непосредственно и не всей площадью, но при этом эта температура, скорее всего, ниже температуры плавления олова (232 °С).
№ 49
Набегающий поток, попадающий в щели под черепицей, не имеет выхода. Давление резко возрастает, края приподнимаются, соответственно растёт и подъёмная сила… Если же чердачное окно есть, то есть и выход для избыточного давления.
№ 50
Не надо забывать, что результат действия силы на тело, которое сопротивляется этой силе, зависит не только от её величины, но и от времени действия. При беге по тонкому льду время действия силы тяжести очень мало – за это малое время сопротивление льда не преодолевается, лед не успевает проломиться (Капица, 1998, № 17).
№ 51
Очевидно, что в обоих случаях вроде бы производится одинаковая работа. Роль второго кузнеца, ударяющего по куску железа, когда тот лежит, берёт на себя наковальня. При ударах в первом случае железо нагревается и механически расширяется (сплющиваясь в месте удара). Центр тяжести куска железа при каждом ударе приподнимается. Совершается работа против сил тяжести. Во втором случае, когда железо подвешено, центр тяжести при ударах опускается, работы против силы тяжести нет. То есть во втором случае кусок железа за один удар будет нагреваться сильнее. В тепло переходит ещё и потенциальная энергия куска железа («Квант», 1970, № 11, С. 42).
№ 52
Кофемолку включить в сеть и подвесить в воздухе, держась за провод. Корпус кофемолки будет вращаться в сторону, противоположную вращению ротора двигателя.
№ 53
Количество жидкости, проходящей каждую секунду через поперечное сечение струи, в силу непрерывности потока должно оставаться на протяжении всей струи постоянным. Поскольку скорость воды при падении увеличивается, то чем ниже, тем меньшее сечение должна иметь струя.
№ 54
Удары по магниту нарушают правильное расположение доменов в веществе, и постоянный магнит из любого материала размагнитится. Напротив, постукивание по стальному стержню, расположенному параллельно линиям магнитного поля, даже такого слабого, как земное, способствует выстраиванию доменов вдоль поля, и стержень таким способом можно намагнитить («Квант», 2010, № 3, С. 32–33).
№ 55
Надо увеличивать плотность воды, растворяя в ней соль, до тех пор, пока яйцо не займёт устойчивое положение.
№ 56
За ночь в прохладном воздухе стеклянный сосуд с соляным раствором охлаждается. Жидкость сжимается и становится плотнее. Выталкивающая сила увеличивается. Скорлупа яйца, будучи твёрдым телом, уменьшает свой объём в гораздо меньшей степени, чем жидкость. Раствор соли, потяжелев, выталкивает яйцо на поверхность. В течение дня раствор прогрелся, а к вечеру всё получилось наоборот. У жидкостей тепловое расширение во много раз больше, чем у твёрдых тел (Эльшанский, 2000, С. 21).
№ 57
При опускании полена в лодку, она должна сильнее погрузиться в озеро, вытеснив некий объём воды, пропорционально изменению своей массы. Но уровень воды в самой лодке должен измениться точно так же, как если бы вместо полена мы долили в лодку воды той же массы, что и масса полена, и объёмом тем же, что и погружённая часть плавающего дерева. Мысленно уберём полено и заполним пустоту эквивалентным объёмом воды. Уровень воды в лодке не изменится. Такой же объём воды вытесняет лодка из озера, если бросить в неё полено. Уровень воды в лодке будет совпадать с уровнем воды в озере, если пренебречь толщиной стенок судна. А если стенки толстые, будет несколько выше уровня воды в озере.
№ 58
Если пренебречь сжимаемостью воды и материала шара, то глубина погружения не изменится. Если сжимаемость шара велика в сравнении сжимаемостью воды, шар будет погружаться при увеличении внешнего давления (Задачник по физике журнала «Квант», № 714).
№ 59
Чтобы уменьшить потери воды на марше, то есть снизить в дальней перспективе жажду и интенсивность потовыделения. Ионы натрия, содержащиеся в пищевой соли, легче прочих притягивают к себе молекулы воды, образуя вокруг себя толстую гидратную оболочку, препятствующую проходу самого натрия через мембрану клеток.
Потребление соли способствует созданию определённой концентрации ионов натрия в плазме крови, то есть во внеклеточном пространстве, если за клетки принимать эритроциты. Разность же электрохимических потенциалов, возникшая благодаря ионам натрия, является источником энергии для доставки питательных веществ клетке (Терлецкий, 1986).
№ 60
Поверхность флага не является абсолютно плоской и гладкой. Какие-то участки флага вогнуты, а какие-то выпуклы. В точке вогнутости давление воздуха будет больше, чем в точке выпуклости. За выпуклостью, если смотреть по направлению потока воздуха, давление меньше, чем перед ней. Таким образом, выступ-выпуклость будет смещаться по направлению движения ветра – к концу флага. Поскольку вся поверхность состоит из таких зон, мы и наблюдаем эффект «полоскания» (Задачник по физике журнала «Квант», № 59).
№ 61
Если тело не перемещается относительно воды, двигаясь вместе с потоком горизонтально, то действия трения со стороны воды нет. Поскольку поверхность реки наклонная, то сила тяжести (её составляющая, параллельная поверхности воды) будет разгонять тело, пока не произойдёт уравновешивания силой трения. При этом тело будет плыть со скоростью большей, чем скорость течения. Но не стоит забывать, что течение имеет профиль и меняет его как в зависимости от ширины течения, так и глубины. Скорость увеличивается ото дня до поверхности и от берегов к середине реки. Таким образом, тело будет плыть по наклонной плоскости со скоростью больше минимальной скорости воды в реке, но всё же меньше максимальной. Тело не материальная точка, и будет тормозиться (разворачиваться и тереться о воду) за счёт своей пространственной протяжённости относительно меняющегося профиля течения (Задачник по физике журнала «Квант», № 95).
№ 62
Пар как на улице, так и в комнате при закрытых форточке и двери насыщен. Но температура на улице ниже, чем в помещении. Таким образом, давление пара на улице ниже, чем в комнате. При открывании форточки пар из кухни будет выходить наружу. То есть пар в комнате будет ненасыщенным. Бельё будет сохнуть быстрее (Слободецкий, Орлов, 1982, № 33).
№ 63
При беге центр тяжести человека испытывает вертикальные перемещения в значительной степени большие, чем при езде на велосипеде, когда тот, фактически, движется параллельно земле и ездок не затрачивает мощность на подъём центра масс. А сила упругости мышц человека бегущего должна быть равной или большей mg. Да и сила трения-качения шин меньше, чем сила трения подошв о поверхность (Там же, № 17).
№ 64
Нужно достать всего лишь один, любой, фрукт из коробки, на которой написано «апельсины и груши».
№ 65
На чём утром ходят, днём сидят, вечером отдыхают, а ночью спят?
По тому, как сформулирована задача, можно подумать, что речь идёт об одном и том же предмете. Но этого прямо не сказано. Преодолейте же барьер недоговорённости и назовите четыре разных предмета: пол (ноги), стул, диван, кровать (Кедров, 1987, С. 168).
№ 66
Загвоздка в следующем: «Как вы определите, что к чему притянулось? Ведь притягивается как железо к намагниченному железу, так и намагниченное железо к железу?» Значит, надо не просто приставить торец одного стержня к середине другого, а перемещать торец одного стержня относительно всей длины второго стержня, создавая переменное магнитное поле. И следить за поведением стержней. Есть вариант: положить стержень горизонтально на кончик другого стержня – намагниченный повернется подобно стрелке компаса, не намагниченный останется на прежнем месте в равновесии. Такое решение предложили молодые специалисты сборной команды филиалов «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» на интеллектуальных состязаниях под г. Нижний Новгород на открытии «Академии молодого инноватора». В качестве судей мы засчитали ответ, хотя вес стержней может помешать осуществить это на практике, но мысленный эксперимент вывел ребят на красивое решение.
№ 67
Пар повалит как на улицу, так и внутрь бани. Содержание паров воды в бане можно считать насыщенным. Точка росы при высокой температуре выше, чем при низкой. Если открыть форточку, то тёплый воздух ринется наружу. Пары воды, которые он унесёт с собой на морозе, сконденсируются. Человек с улицы увидит пары, поднимающиеся из форточки вверх. Через ту же форточку в баню будет проникать холодный воздух. Соприкасаясь со слоями встречного тёплого воздуха, холодный будет на границе между ними конденсировать водяные пары. Холодный воздух тяжелее тёплого, поэтому наблюдатель внутри бани увидит, что клубы пара из форточки «падают» на пол (Задачник по физике журнала «Квант», № 594).
№ 68
Поставим мысленный эксперимент. Что бы вы сами сделали, чтобы изготовить часы, не требующие механического завода? Гд е взять такой ресурс энергии, который бы действовал постоянно, в течение неограниченного времени, и сам бы «подзаводил» часы?
«Тепло, ветер, посетители, атмосферное давление. Тепло и ветер исключаются, так как часы расположены в закрытой комнате. Посетители могут открывать двери, давить своим весом на какие-то рычаги в полу. Но если их нет? Остаётся предположить, что использовались перепады атмосферного давления. Изменение высоты столба ртути большого ртутного барометра заводило часы» (Злотин, Зусман, 1991, № 34).
№ 69
«Чудеса» объяснялись довольно просто: картина была написана кобальтово-никелевыми красками. Во время показа Парацельс незаметно подогревал картину. Смесь хлористого кобальта с хлористым же никелем почти бесцветна. При её нагревании теряется содержащаяся в этих солях кристаллизационная влага, и цвет комплексного соединения сразу же меняется (Терлецкий, 1986).
№ 70
Молоко свернулось в пластмассовом ведре. Металлическое ведро сыг рало роль экрана. Процесс сворачивания объясняется денатурацией белков молока, то есть изменением пространственной формы молекул белка. В молекулах действует несколько типов взаимодействия, включая электростатическое, по закону Кулона. Молоко можно принять за равновесную систему, но во время грозы воздух насыщается электрическими зарядами – электризуется.
По закону Шарля Кулона «сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению величины этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними». Если вспомнить школьный курс физики, то коэффициент этой пропорциональности записывается так: относительная диэлектрическая проницаемость среды. Она во время грозы растёт, сила кулоновского взаимодействия снижается, происходят пространственные превращения молекул белка.
Пластик – изолятор, зато металлическое окружение, особенно, если ведро поставлено на землю, – хороший «громоотвод». Экранный эффект не позволяет молоку преждевременно испортиться во время грозы. Ива нужна, чтобы исключить попадание в молоко дождя.
№ 71
Один из весьма красивых вариантов решения проблемы можно найти в журнале «Наука и жизнь», 1989, № 9. А как решить аналогичную задачу для условий российской тундры?
№ 72
Парадоксальный, но вполне научный ответ можно найти в мировом бестселлере – книге «Физический фейерверк» (Уокер, 1989, № 6.14, С. 153, 251).
№ 73
Разгадка этого «чудесного» явления дана в журнале «Наука и техника», 1987, № 11.
№ 74
Если сахар не размешан, то коэффициент преломления жидкости в сосуде меняется с глубиной, причём так, что у дна, где концентрация сахара самая высокая, он максимален. Когда луч от лазерной указки входит сосуд с небольшим наклоном вниз, он непрерывно загибается. Наклон луча увеличивается по мере того, как он входит в оптически более плотные слои с непрерывно меняющимся коэффициентом преломления и опять загибается (Уокер, 1989, № 5.17, С.120, 226). Обычно такого рода «школьный» опыт проводят с насыщенным раствором поваренной соли, в который сверху осторожно доливают воды. Концентрация вещества, соответственно, меняется с высотой «аквариума». Сверху концентрация соли существенно ниже, чем на глубине.
№ 75
Всё дело в том, что пузырьковый уровень заполнен диамагнитной жидкостью. Когда такую жидкость помещают в магнитное поле, внутри неё создаётся магнитное поле противоположного направления, и жидкость выталкивается из поля. Пузырёк воздуха будет сдвигаться к магниту, создавая иллюзию того, что воздух сам магнитен (Уокер, 1989, № 6.20, С. 154, 251).
