Четыре стихии Эмпедокла

Когда мы переворачиваем бокал с водой, накрытый листом бумаги, обычно из него успевает вылиться несколько капель, а иногда и струйка воды. Кроме того, лист чуть-чуть выгибается вниз под тяжестью воды. Всё это приводит к тому, что воздуху в перевёрнутом бокале достаётся больше места, чем было раньше. Поэтому в перевёрнутом бокале давление воздуха над водой, то есть под дном бокала, меньше атмосферного (см. рисунок слева внизу).

В результате снизу на лист бумаги действует большая сила, чем сверху, и он как бы прилипает к перевёрнутому стакану.

Чтобы убедиться в правильности этого объяснения, проведём аналогичный опыт, но со стаканом, в дне которого сделана маленькая дырочка (см. рисунок справа). Нальём в стакан воды. Затем закроем указательным пальцем дырочку, положим на стакан лист бумаги и перевернём их вместе. Как и в предыдущем опыте, лист бумаги удерживается стаканом, но стоит нам приподнять указательный палец и уравнять давление воздуха в стакане с атмосферным, как сразу же вода выливается из стакана.

Таким образом, мы доказали, что причиной прилипания листа к бокалу с водой является меньшее давление воздуха внутри него. Другими словами, одна из стихий Эмпедокла (воздух) менее плотная внутри бокала, чем снаружи, а любовь здесь ни при чём.

Молекулы жидкостей и твёрдых предметов притягиваются друг к другу. Иначе все жидкости и твёрдые тела рассыпались бы на отдельные молекулы и превратились бы в газ.

Молекулы воды очень сильно притягиваются между собой, а молекулы мыльного раствора — гораздо меньше. Поэтому, когда на поверхности воды оказывается капелька мыльного раствора, мыльным молекулам не удаётся проникнуть между молекулами воды, и они расползаются по всей поверхности воды и образуют тонкую плёнку.

На верхнем рисунке схематически показана спичка, головка которой покрыта мыльным раствором, а пунктиром обведено мыльное пятно вокруг неё. Сразу после погружения головки спички в воду мыльные молекулы устремляются во все стороны, пытаясь увеличить площадь мыльного пятна. Вдоль спички эти молекулы двигаются слева направо, увлекая с собой спичку. Следовательно, увеличение мыльного пятна на поверхности воды является причиной движения спички. Ненависть, о которой говорил Эмпедокл, мы обнаружить не смогли.

Очевидно, что если взять другую спичку, окунуть её в мыльный раствор и положить в уже «мыльную» воду, эта спичка будет лежать без движения. Попробуйте убедиться в этом сами.

При нагреве воды скорость её молекул увеличивается, и некоторые молекулы, находящиеся на поверхности воды, разрывают связи с соседними молекулами и улетают, становясь водяным паром. Этот процесс называют испарением. Чем выше температура воды, тем больше плотность и давление пара над её поверхностью. Таким образом, герметичный пакет с водой при нагреве в микроволновке раздувался из-за того, что внутри него образовывался водяной пар. Вот откуда в герметичном пакете появился воздух.

Если в герметичный пакет не наливать воды, поместить в микроволновку и включить её, то пакет раздуваться не будет. Через минуту он только слегка нагреется.

Воздух над Землёй, то есть её атмосфера, тоже содержит водяные пары, так как с поверхности луж, озёр, рек, морей и океанов непрерывно происходит испарение воды. Водяные пары легче воздуха, и поэтому они поднимаются высоко над землёй, а ветер может переносить их на большие расстояния. Когда температура водяного пара уменьшается, его молекулы опять притягиваются друг к другу, образуя мельчайшие капельки воды, или туман. Этот процесс называют конденсацией. Облака над нами — это тоже скопление мельчайших капелек воды или снежинок, если наверху очень холодно. Из облаков падают крупные капли или снег. Так вода возвращается в озёра, реки, моря и океаны и, как говорят, происходит круговорот воды в природе (см. рисунок справа).

Чтобы понять, почему поют бокалы, для начала надо понять, что такое звук. Это тема для отдельной статьи, но нам сейчас достаточно того, что звук — это колебания воздуха.

Часто воздух колеблется потому, что свои колебания ему передают твердые тела. Например, когда человек говорит, его голос раздается потому, что у него в горле колеблются голосовые связки. При игре на гитаре звук получается от того, что колеблются струны — для этого музыкант дёргает их или ударяет по ним пальцами. Немного иначе получается звук при игре на скрипке. Когда музыкант ведёт по струне смычком, струна за счёт трения оттягивается на некоторое расстояние. Сила упругости стремится вернуть её обратно; как только эта сила превысит силу трения, струна «срывается» со смычка, совершая колебание, а смычок снова «захватывает» её, и всё повторяется — в итоге струна колеблется, и мы слышим звук.

С поющим бокалом всё устроено почти так же, как со скрипкой: если вести пальцем по краю бокала, мелкие неровности кожи то цепляются за стекло, то срываются, заставляя стекло колебаться. Разница со скрипичной струной в том, что эти колебания — микроскопические, глазом их не увидеть (хотя можно почувствовать пальцем). Впрочем, если в бокал налита вода, то, «играя» на бокале, можно заметить возникающие на поверхности воды волны. Значит, стекло бокала действительно колеблется: колебания бокала передаются воде и становятся видимыми.

Для того, чтобы опыт удался, важно, чтобы стекло и палец не были жирными (ведь тут работает сила трения); палец надо смочить водой для лучшего сцепления (смычок для аналогичной цели натирают канифолью).

Но почему же бокал с водой звучит ниже, чем бокал без воды? Точное объяснение непросто, но примерно это явление можно объяснить так. Более низкими нам кажутся те звуки, при которых воздух колеблется медленнее. А теперь давайте представим себе пружинный маятник — пружинку с прикреплённым к ней грузиком. На видео, размещенном на сайте «Квантика», показаны колебания пружинного маятника, который можно сделать из пластмассовой пружины-слинки и мандарина. Из опыта видно, что пружина с мандарином колеблется гораздо реже, чем без него. Действительно, чем больше груз, тем больше времени требуется пружине, чтобы вернуть его в исходное положение. Примерно то же происходит и с бокалом: заполнив бокал водой, мы увеличиваем массу, которая колеблется, и поэтому частота колебаний уменьшается, как у пружины, когда к ней прикрепили мандарин.

Опыт 5 «Почему вилки не падают?» демонстрирует, что конструкция из двух вилок, скреплённых зубочисткой, оказывается очень устойчивой, если её разместить на краю бокала. Причиной устойчивости является то, что центр тяжести конструкции находится под точкой её опоры (см. слева рисунок с центром тяжести, отмеченным голубой точкой, и точкой опоры, отмеченной красным). Убедиться в справедливости такого объяснения поможет ещё один опыт (см. видео на сайте «Квантика»). Возьмём небольшой отрезок трубки, например корпус фломастера.

Если торец трубки перпендикулярен её оси, то можно поставить трубку вертикально на горизонтальный стол так, чтобы она не упала. В этом случае центр тяжести трубки будет находиться выше точки опоры, и трубку легко будет вывести из положения равновесия и опрокинуть.

Теперь возьмём трубку за нить, привязанную к её торцу, и убедимся в том, что в этом случае равновесие будет устойчивым, ведь после отклонения трубки от вертикального положения она снова возвращается к нему после нескольких колебаний. В этом случае центр тяжести трубки находится под точкой её подвеса.

Крутя бокал, мы всё время давим его стенками на мяч, чтобы тот кружился внутри бокала. Около горлышка стенки сужаются и из-за своего наклона давят на мяч не только вбок, но и вверх. По-другому можно ответить «с точки зрения мяча». Его, как в центрифуге или на карусели, сильно прижимает к стенке бокала, выдавливая в самую дальнюю от оси бокала область.

Для бокала с расширяющимся горлышком этот способ не годится: шарик будет выталкиваться из бокала.