Римская повозка, изображенная на древнем саркофаге.
Японская двуколка, в которую впрягались рикши.
Физика вокруг нас
Накачивая камеру велосипедного насоса, вы, наверное, заметили, что насос быстро разогревается, причем довольно сильно. Некоторые считают, что это происходит в результате трения поршня насоса о стенки. Правильно, всякое трение сопровождается выделением тепла, благодаря чему, например, можно очень просто разогреть руки потиранием ладони о ладонь. В данном же случае с насосом трение невелико, так как насос обильно смазан для достижения контакта между поршнем и стенками насоса.
Причиной разогрева насоса является сжатый воздух.
Почему сжатие воздуха вызывает повышение температуры?
Все тела, как вам известно, в том числе и газа, состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. На рисунках мы будем изображать их в виде шариков, действительная же форма весьма разнообразна и порой довольно сложная. Шарики-молекулы настолько малы, что в одном кубическом сантиметре газа находится 27 миллиардов миллиардов молекул (27 с восемнадцатью нулями).
Казалось бы, что молекулы располагаются, как селедки в бочке: плотно по отношению друг к другу. В действительности же расстояние между ними достаточно велико по сравнению с их размерами, поэтому молекулы могут свободно передвигаться. Молекулы газа, например, находятся в непрерывном движении и между ними почти не существует взаимодействия. В связи с этим газ не образует никаких капель, кусочков и т. п.
В жидкостях имеется уже довольно большое притяжение молекул; отсюда понятно появление капель, луж, рек и даже морей. В твердых телах взаимодействие молекул очень велико. Стремление молекул к движению в твердых телах выражается в том, что они колеблются на своих местах вокруг некоторой средней точки, называемой узлом.
Давайте, однако, вернемся к газам, а точнее к воздуху, который является смесью газов. В своем хаотичном движении молекулы газа часто сталкиваются, изменяют направление движения и скорость. Скорость одной молекулы измерить нельзя, поэтому всегда говорится лишь о средней скорости. Довольно важным свойством является зависимость скорости от температуры газа, а точнее: чем больше средняя скорость молекул, тем выше температура газа. Между средней скоростью и температурой газа существует строгая зависимость.
Как мы уже говорили, средние скорости движения молекул можно измерить, как, например, можно измерить средний вес одной рыбы в аквариуме, где имеется несколько десятков рыб.
Измеренные скорости движения молекул оказались удивительно большими. Скорость молекулы воздуха равна 500 метрам в секунду (спортсмен-спринтер делает не более 10 метров в секунду).
Беспорядочное движение молекул газа является источником тепла. Обладая большой скоростью, маленькие (с малой массой) молекулы несут такую энергию, что человек ощущает её как теплоту воздуха. Теплота газа и энергия движения молекул — это два выражения одного и того же ощущения теплоты воздуха.
Молекула сама по себе не обладает какой-либо температурой, а несет в себе лишь кинетическую энергию, которая измеряется термометром как теплота (очень неточным термометром является поверхность нашего тела вместе с нервной системой).
Давление воздуха возникает в результате движения молекул. Каждая молекула, ударяясь об имеющуюся на её пути преграду, передает свой толчок. Сумма толчков молекул и есть давление. На уровне моря давление воздуха равно 1 атмосфере, то есть 1 кг на квадратный сантиметр поверхности преграды.
Зная, что такое давление и температура воздуха, выясним теперь, почему же нагревается наш насос.
При вдвигании поршня в цилиндр насоса количество молекул, находящихся в воздухе и движущихся с некоторой средней скоростью, вынуждено занять гораздо меньший
объем. Молекулам становится тесно. Они начинают чаще наталкиваться одна на другую, энергичнее и чаще стучаться о стенки насоса. Чем больше сжимается газ, тем сильнее его молекулы добиваются своих прав на свободное и беспрепятственное движение. Это ощущается термометром или просто рукой человека как повышение температуры газа. Горячий газ вполне можно назвать агрессивным.
Рассуждая аналогично, нетрудно прийти к заключению, что при разряжении воздуха температура его понижается. Это можно проверить, приставляя палец к ниппелю камеры при выпускании воздуха. Ниппель будет холодный.
Эти свойства газов нашли широкое применение в технике. В дизельных двигателях, например, горючая смесь зажигается не от искры, создаваемой свечой, а в результате такого сжатия воздуха, при котором его температура возрастает на несколько сот градусов, в результате чего горючая смесь загорается.
На использовании принципа охлаждения при разрежении газа работают холодильники.
Свойства "воздуха играют огромную роль также и в природе. Атмосфера — этот великий океан окружающего Землю воздуха подчиняется законам, о которых мы с вами уже знаем. Массы воздуха довольно редко находятся в спокойном состоянии. Чаще всего человек наблюдает ветер — движение масс воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях. Если бы воздух не охлаждался при разрежении, не было бы дождей. Нагретый воздух поднимается вверх, где давление ниже. При охлаждении из воздуха выделяется в виде мельчайших капель вода, которая всегда присутствует в воздухе. Из капелек воды образуются облака, возникновение которых удобнее всего наблюдать в жаркую летнюю погоду.
Думаю, что вы со мной согласитесь, ребята, что действительно «физика находится вокруг нас».
Инженер АРС
Наш физический кабинет
В нашем физическом кабинете мы стараемся физические эксперименты, порою очень сложные, иллюстрировать при помощи простейших средств. Как вы сами понимаете, ребята, не всегда легко подобрать такой эксперимент, который не требовал бы специальных приборов. Сегодня мы с вами установим рекорд простоты эксперимента столь сложного и непонятного на первый взгляд физического явления, как нагревание газов при их сжатии. Для проведения опыта нам не нужно ничего, кроме… экспериментатора.
Глубоко вдохните воздух и поднесите руку выше кисти к губам. А теперь энергично выдохните. Сразу же почувствуете, что руке в месте соприкосновения с губами стало горячо. Неужели воздух успел до такой степени нагреться в легких? Нет. Температура воздуха, выходящего из легких, не более 37 °C.
А теперь проделайте еще один опыт. Набрав в легкие воздух, дуньте на руку с расстояния приблизительно 20 сантиметров. Вы почувствуете, что воздух охлаждает руку. Что это за сюрпризы? Ведь не может того быть, чтобы один раз воздух в легких нагревался, а другой раз охлаждался?
Ответ на этот вопрос вы сможете дать, внимательно прочитав статью «Велосипедный насос и молекулы».
Я только коротко подытожу: в первом случае, когда выдыхаем воздух в рукав, воздух сжимается, так как нет для него свободного выхода. Во втором случае воздух разрежается, так как в легких он находится под давлением, большим чем наружное. «Термометром» во всех случаях является рука.
АРС
По белу свету
Если у вас есть фотоаппарат, вы можете делать замечательные фотографии-карикатуры ваших друзей и одноклассников.