Надувной мяч изобрели древние греки. По-видимому, он не был прыгучим, но был легким. В Европу же упругие каучуковые мячи завез из Америки Христофор Колумб.
В начале XIX века был изобретен современный надувной резиновый мяч. Со временем он улучшался и специализировался для самых разнообразных игр — футбола, волейбола, баскетбола, тенниса.
Во всех этих играх очень важен отскок. От чего же зависит, каким он получится? Это очень сложный вопрос с точки зрения механики. Практика подтверждает это необыкновенно большим количеством мячей разного типа, технологий их изготовления, а также всевозможных конструкций покрытий. Поэтому можно дать лишь качественный ответ.
Отскок характеризуется длительностью времени и высотой. Например, по этим параметрам теннисные травяные, земляные корты, корты с твердым и ковровым покрытиями отличаются настолько, что ни у кого из игроков не получается одинаково хорошо играть на всех.
Чтобы отскок мяча был высоким, необходимо, чтобы мяч не отдавал энергию при ударе о поверхность поля. Для этого он должен быть менее упругим, чем покрытие, и достаточно тяжелым. При этом чем больше отношение массы мяча к его упругости и чем мягче покрытие, тем медленнее отскок.
Упругость надувного мяча в основном зависит не от свойств материала оболочки, а от величины давления воздуха внутри него. В футбольном мяче внутреннее давление составляет 1,6–1,7 атмосферы. Для этого мяч подкачивают насосом, а судьи перед игрой проверяют давление манометром. В теннисном мяче внутреннее давление составляет 1,0–1,2 атмосферы. Такое давление в нем создается за счет того, что при изготовлении внутрь помещают таблетки нитрита натрия и хлорида аммония. Когда заготовку нагревают для вулканизации резины, эти вещества разлагаются с выделением азота, и давление внутри мяча повышается.
Упругость мяча для настольного тенниса в основном определяется упругостью оболочки, а не давлением воздуха внутри. Такой шарик может плохо отскакивать от тонкого стола, так как будет возбуждать в нем колебания. По этой причине проектировщики очень внимательно относятся к конструкции стола.
Конечно, когда мы смотрим футбол или теннис, вовсе не думаем о том, как отскакивает мяч, а получаем удовольствие от хорошей игры. Правда, когда мяч отскакивает плохо, хорошей игры не получается.
Почему вода мокрая?
Говорить про воду, что она мокрая, не совсем корректно. Правильнее говорить, что вода делает мокрым то, что смачивает или пропитывает. При этом бывают такие объекты, которые никак не намокают. Например, если вода попадает на поверхность, покрытую жиром или парафином, смачивания не происходит. Нельзя, скажем, смочить поверхность листа кувшинки или лотоса, хотя они и не покрыты никаким жиром. Как показали исследования, все дело в особой структуре их поверхности, поэтому к ним не липнет даже пыль и они всегда чистые. Сейчас пытаются создать такую автомобильную краску, которая давала бы поверхность с подобными свойствами, и тогда машины всегда будут чистыми.
Ну, да я отвлекся. Почему же вода в некоторых случаях смачивает поверхности, а в некоторых нет? Дело, оказывается, во взаимодействии молекул воды, воздуха и твердого вещества. Чтобы легче понять, что может произойти, сначала рассмотрим каплю воды в невесомости, когда взаимодействуют только вода и газ. В этих условиях капля примет форму шара. Дело в том, что среди всех тел одинакового объема наименьшую площадь поверхности имеет шар. Это обеспечивает то, что запас энергии в шарообразной капле оказывается меньшим, чем запас энергии в капле любой другой формы. А механические системы приходят в устойчивое равновесие именно при минимальной энергии.
Воссоздать условия невесомости я не могу, но если возьму тонкую пипетку и попробую сформировать небольшую нетяжелую каплю, то ее поверхность в основном будет окружена воздухом, как и в условиях невесомости, так как место контакта капли и пипетки имеет малую площадь. Капля, как и в невесомости, получится почти круглой. Запас ее энергии минимален. Чтобы изменить форму капли, надо придумать способ дополнительного уменьшения ее энергии. Для этого ее можно разместить на твердой поверхности. Если поверхность жирная, капля так и останется круглой. Значит, взаимодействие воды с жирной поверхностью приведет не к уменьшению, а к увеличению энергии капли. Поэтому капля не сможет растечься и останется шариком. Значит, жирная поверхность, например утиное перо, не намокнет.
Если же разместить каплю воды на чистом стекле, она растечется. Это значит, что взаимодействие молекул воды и стекла уменьшает энергию капли по сравнению с тем случаем, когда они взаимодействуют только с молекулами газов воздуха и между собой. Вот, собственно, и все объяснение: дело в молекулярных взаимодействиях. Это объяснение касается не только воды, но и любых других веществ в жидком состоянии.
Можно ли еще как-то повлиять на смачивание? Можно. Поскольку взаимодействие между молекулами зависит от температуры, то при нагреве могут произойти такие изменения, что поверхность станет смачиваемой. Например, если мы пытаемся спаять две медные проволочки оловянным припоем, его надо нагреть до высокой температуры. Нагретое олово начинает смачивать медную поверхность. Если его остудить, проволочки окажутся крепко спаянными.
Иногда со смачиванием приходится бороться. Например, покрывать ботинки кремом, чтобы они не промокали; пропитывать ткани, чтобы изготовить водоотталкивающую одежду. В производстве, например, важно, чтобы расплавленный металл не прилипал к стенкам форм для литья.
Замечательно, что вода смачивает нашу посуду и у нас есть возможность мыть ее дочиста. Смачивает она и нашу кожу, поэтому мы можем быть чисто вымытыми, а это так приятно!
Почему днем все хорошо видно?
Вопрос о том, почему днем все хорошо видно, может показаться странным: на то и день, чтобы было светло и все было хорошо видно. А между тем не все так просто. Хорошо видеть предметы можно двояко: либо когда они сами светятся, либо когда от них отражается свет, излучаемый другими источниками.
Древние греки называли первый случай коротким огнем, а второй — длинным. И их очень занимало то, как человеку удается видеть. Они даже обсуждали вопрос, не исходят ли из глаз некие невидимые щупальца, которыми обследуются предметы.
Сейчас мы знаем, что нам удается видеть благодаря рецепторам в сетчатке глаза, которые приспособлены для восприятия солнечного электромагнитного излучения в определенном диапазоне длин волн — 0,37–0,58 микрометра. Этот диапазон длин волн называется оптическим. Солнечная подсветка позволяет в отраженном свете увидеть все предметы. Казалось бы, больше и думать-то не о чем.
Но выясняется, что есть другие живые существа, которые видят плохо даже в том диапазоне, в котором видим мы. Это ночные животные. Их больше устраивает инфракрасный диапазон. Это несколько более длинные электромагнитные волны, чем у оптического диапазона. Но для этих животных картина мира такая же ясная, как и для нас. Они хорошо ориентируются, могут охотиться, обходить препятствия и т. д. Что важно, в этом случае излучение исходит от самих наблюдаемых объектов. Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение. И чем выше температура тела, тем более смещается к волнам с короткой длиной значение длины волны, на которой мощность излучения максимальна. Например, пока кусок железа нагрет не слишком сильно, мы чувствуем исходящее тепло, но не видим излучения. А если нагреть посильнее, то мы сначала увидим красное свечение, а потом и белое.
Но если есть животные с инфракрасным зрением, то существуют с такими рецепторами, которые реагируют на инфракрасное тепловое излучение, — почему бы не сделать прибор, предназначенный принимать инфракрасный свет и разглядывать, как излучают тепло разные предметы? И такая аппаратура уже изобретена. На этом принципе основаны военные приборы ночного видения: там все как в телевизоре. Инфракрасный датчик принимает тепловое излучение и преобразует его в электрический сигнал. Затем электрический сигнал преобразуется и поступает на телевизионный экран, формирующий оптическое изображение, которое человек и рассматривает. Вы сможете увидеть любые теплые объекты.
Существуют и такие мирные приборы — тепловизоры. Они применяются в медицинской диагностике, чтобы увидеть, какие части тела сильнее нагреты, какие слабее. А при разных нарушениях обмена карта нагрева получается разная. Это и позволяет ставить диагнозы.
Мы также можем смотреть через такой прибор на дом и видеть, где есть щели, откуда уходит тепло и хорошо ли оно удерживается крышей и окнами.
Но вернемся к тому, с чего начали. Получается, что днем нам все хорошо видно потому, что как раз в это время солнце освещает весь мир лучами, на восприятие которых рассчитаны рецепторы сетчатки наших глаз. Не могу не отметить, что смотреть на мир своими глазами гораздо приятнее, чем через тепловизор.
Но вернемся к тому, с чего начали. Получается, что днем нам все хорошо видно потому, что как раз в это время солнце освещает весь мир лучами, на восприятие которых рассчитаны рецепторы сетчатки наших глаз. Не могу не отметить, что смотреть на мир своими глазами гораздо приятнее, чем через тепловизор.
Почему зимой холодно?
Обычно кажется, что если от огня подальше, то и холоднее. А Земля, обогреваемая Солнцем, обращается вокруг него по практически круговой орбите — или совсем чуть-чуть вытянутой. И тем не менее бывает то холодно, то тепло. Почему?
Правильный и строгий ответ я нашел во втором томе «Физической энциклопедии» в статье «Земля»: «Вращение вокруг оси вызывает смену дня и ночи, наклон оси и обращение вокруг Солнца — смену времен года»[1].
Действительно, со школьных времен мы знаем, что Земля вращается вокруг Солнца по плоской, практически круговой орбите радиусом приблизительно 150 млн километров. Она вращается также вокруг своей оси, проходящей через Северный и Южный полюса и наклоненной по отношению к плоскости орбиты под углом чуть менее 67 градусов. Если ось вращения Земли наклонена по отношению к орбите, то получается, что угол наклона падения лучей на поверхность Земли при движении по орбите меняется. Он становится то ближе к вертикальному, то дальше. Если лучи падают косо, получается, что одно и то же излучение распределяется по большой площади. А если более прямо, этого не происходит. Поэтому просто величина солнечной радиации, попадающей на поверхность, летом больше, а зимой меньше.
Наверное, вы обращали внимание, что летом на крыше очень жарко. Это потому, что крыша имеет угол, добавляющийся к широтному углу, и поэтому в российских широтах часто крыша почти перпендикулярна направлению солнечных лучей. Именно поэтому там безумно жарко.
Таким образом, получается, что холод и тепло настигают нас только потому, что меняется угол падения солнечных лучей. Если хотите использовать такие лучи для подогрева воды на даче, вы должны ваш бачок поставить под углом, чтобы туда попадало побольше солнца. Мало того, если вы сделаете горку, на которой посадите, например, клубнику, она будет лучше вызревать. Вы и сами знаете, что на солнечном склоне ягоды всегда вкуснее.
На Земле есть две параллели, где Солнце раз в году бывает точно над головой. Они называются Северным и Южным тропиками — это примерно широта 23-го градуса, а поскольку наклон оси вращения по отношению к плоскости орбиты составляет 67 градусов, в сумме получается 90 градусов. Именно поэтому на этих широтах бывает такой момент, когда Солнце находится прямо над головой и предметы не отбрасывают тени. Это очень жаркие места.
Понижение температуры — объективная причина холода. Но иногда нам бывает холодно и летом, — когда человек говорит, что ему холодно, а на самом деле ощущает происходящий теплообмен. Если отдается много тепла — неважно, по каким причинам: например, человек мокрый и на него дует ветер, — то мы ощущаем холод.
В итоге получается, что вращение Земли вокруг Солнца при наклонной оси приводит к изменению температуры, но мы воспринимаем холод и тепло по степени теплообмена. Так что зимой холодно потому, что действительно устанавливается низкая температура, которую мы ощущаем благодаря росту теплообмена.
Почему и как люди стареют?
Как ни удивительно, с научной точки зрения проблема старения весьма молода. Пока старых людей на Земле было мало, эта проблема не казалась актуальной. Так, в Европе конца XIX века средняя продолжительность жизни составляла 39 лет, а Россия в 1917 году отметила этот показатель на возрасте 32 года. В нынешнее же время средняя продолжительность жизни в развитых странах превышает 70 лет и постоянно увеличивается число людей, возраст которых преодолел психологически значимую отметку 100 лет. Рекордсменами в этой области считаются Япония и Швейцария.
Геронтологи прогнозируют дальнейший рост средней продолжительности жизни. Сейчас люди в возрасте старше 60 лет составляют около 10 % населения планеты. Через 50 лет их будет уже 20 %, а доля детей до 14 лет снизится с 30 до 20 %. Поэтому человечеству необходимо научиться жить в таком возрасте, подобно тому как в течение всего прошлого столетия учились сохранять жизнь и здоровье детей.
Исследования обнаружили множество изменений в организме, происходящих при старении. Так, изменения касаются и клеток, и клеточных элементов — органелл, и тканей, и функционирования генетического аппарата, и состояния сенсорных систем. Изменения затрагивают также психику и мышление. Достоверно доказано, что старение всегда связано с повышением предрасположенности к смертельным заболеваниям. При этом разобраться, что выступает причиной, а что следствием, не так легко.
По данным, которые мне удалось найти, существует две основные теории старения. Одна говорит о генетической обусловленности этого процесса, объясняя его необходимость тем, что организм, давший потомство, должен освободить место новому, чтобы эволюция генов, обеспечивающая сохранение вида, могла продолжаться, отслеживая постоянные изменения условий существования. В пользу этой теории говорит то, что с увеличением возраста меняется активность 10–15 % генов. Часть из них теряет активность, что приводит к нарушению различных важных функций, например: производства эластина, обеспечивающего упругость кожи; производства переносчиков кислорода — эритроцитов и т. д. Часть же генов, наоборот, активируется.
Некоторые ученые сделали из этого вывод, что если суметь задержать половое созревание особи, то удастся и увеличить продолжительность ее жизни. Эксперименты на животных подтверждают такую гипотезу. В ее пользу говорят также и сравнительные эволюционные данные. Так, возраст полового созревания и максимальная продолжительность жизни составляют для гиббона 6 и 30 лет, а для шимпанзе — 9 и 48 лет. Статистика подтверждает также, что чем раньше женщина рожает первенца, тем меньше средняя продолжительность ее жизни.
Вторая теория говорит о старости как о следствии накопления случайных ошибок в структуре воспроизводимых организмом молекул, что приводит к повреждению клеток, тканей и т. д. Одним из основных, но не единственным фактором повреждения считаются так называемые свободные радикалы, обладающие высокой химической активностью. Они вступают в реакцию с важными биологическими молекулами, тем самым повреждая их.
Современная наука говорит о том, что у человечества достаточно велики шансы на обоих фронтах. Но если на генном уровне мы с вами с собой лично ничего поделать не можем, то за счет правильного образа жизни в состоянии задержать процессы нашего старения и долго сохранять хорошую форму.
Почему кошки умываются?
Кошки были известны еще в древнем мире. Так, при раскопках Иерихона археологами найдены останки кошек, живших в VI–V тысячелетиях до н. э. Считается, что они тогда еще не были полностью домашними. В Египте они жили с IV века до н. э. и очень высоко ценились. Мумии кошек находят в пирамидах — а кого попало в пирамиды не клали.
В Европе кошки известны с I века н. э. Они попали туда через Грецию и Италию и ценились очень высоко. Например, в Британии в XI–XII веках зафиксированы сделки, когда в перечень имущества при продаже фермы включалась кошка. Бывали в Европе и гонения на кошек как на представителей нечистой силы.
На территории Руси кошка появилась в начале XI века и быстро заняла важное место в жизни человека; с ней связано много обычаев, поверий и примет. В XIV веке на Руси за похищение кошки полагалось отдать три гривны, в то время как за жеребца всего одну. За собаку, впрочем, тоже требовалось три гривны.
Люди всегда обращали внимание, что кошка любит умываться. Она делает это по естественной причине: кошка — чистоплотное животное и вылизывание своей шкурки, включающее массаж тела, — неотъемлемая часть кошачьего поведения. Иногда кошки даже собираются на нейтральной территории и вылизывают друг друга, скажем голову или шею, то есть места, недоступные для «санитарной обработки» самой кошке. Получается такая социальная акция.
Но есть еще несколько причин, по которым кошки умываются. Например, они чувствительны к перемене погоды и беспокоятся накануне, поэтому возникла соответствующая примета. По приметам японцев кошка умывается к дождю. А по русским — это еще и к снегу.
В наши дни животные в городах достигли численности, сопоставимой с человеческой. Поэтому, хотим или нет, мы фактически налаживаем социальные отношения с кошками, собаками и между собой по поводу кошек и собак. У людей с домашними питомцами в целом хорошие отношения. Чаще всего их любят и о них заботятся. Есть даже индустрия по производству для них аксессуаров, еды, посуды, одежды. И можно над этим смеяться, но кошки и собаки, живущие в городе с людьми, нуждаются в особой пище и гигиенических процедурах.