Каждый слой воздуха, в том числе и такой тонкий, как молекулярный, имеет свою толщину и свои границы, свои силы поверхностного натяжения, внутреннего напряжения, и т.д., но давление в слое будет тем ниже, чем выше находится слой в «бутерброде», который называется атмосферой. Твердость слоя, наоборот, будет более высокой у более нижнего слоя. Поэтому любое тело, находящееся в атмосфере, воспринимает своими частями разные внешние давления воздуха.
Любое вещество, твердое, жидкое или газообразное, состоит из миллионов и миллионов крошечных молекул, расположенных, казалось бы, вплотную друг к другу. В действительности, однако, расстояния между молекулами не так уж малы по сравнению с их размерами, и молекулы удерживаются на этих расстояниях друг от друга благодаря действию сил, которое можно сравнить с действием пружин.
Молекулы нечувствительны к тому, какие именно другие молекулы становятся их соседями, но сильно реагируют на степень их близости.
Из сказанного становится ясно, каким образом твердые тела, жидкость и газ, проявляют упругость при приложении напряжения – молекулы либо теснее сдвигаются, либо расходятся, а их пружинно подобные связи сжимаются или растягиваются. Как только напряжение снимается, «пружины» вернут молекулы в исходное положение равновесия. О молекулах газа правильнее сказать, что «пружины» не оттягивают их в прежнее положение, а раздвигают друг от друга на прежнее расстояние.
Молекулы воздуха, удерживаемые на некотором расстоянии друг от друга силами упругого типа, – это мельчайшие частицы вещества, и, следовательно, они обладают массой. Каждая молекула все-таки кое-что весит, а поскольку она обладает массой, она проявляет инерционные свойства. Припомним первый закон Ньютона:
Каждое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешняя сила не выведет его из этого состояния.
СИЛА – в механике – мера механического действия на данное материальное тело со стороны других тел. Это действие вызывает изменение скоростей точек тела или его деформацию и может иметь место как при непосредственном контакте (давлении прижатых друг к другу тел), так и через посредство создаваемых телами полей (поле тяготения, электромагнитное поле). Сила – величина векторная и в каждый момент времени характеризуется численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.
Например, как бы хорошо ни были смазаны петли тяжелой дубовой двери, чтобы закрыть ее, обязательно нужно приложить известное усилие, потому что из-за своей массивности она как бы сопротивляется и не приходит сразу в движение. Когда же она придет в движение, понадобится почти такое же усилие, чтобы ее остановить.
Подобным образом, но в малом масштабе сопротивляются изменению движения молекулы воздуха, ближайшие к поверхности слоя. Когда слой двигается, инерция не позволяет этим молекулам мгновенно прийти в движение, поэтому «пружины», отделяющие их от поверхности тела, сожмутся.
Потенциальная энергия, сообщенная телом этим «пружинам», заставит молекулы двигаться вперед. Придя в движение, молекулы, обладающие определенной массой, приобретут кинетическую энергию; потенциальная энергия «пружин» превратится в кинетическую энергию молекул. Затем этот процесс повторится, молекулы первого слоя начнут толкать молекулы следующего слоя, вследствие инерции те также сопротивляются и приходят в движение только после того, как сожмутся «пружины», действующие между молекулами первого и второго слоев. Аналогичное явление (в гораздо более крупном масштабе) наблюдается, когда маневренный паровоз толкает на запасной путь состав железнодорожных вагонов. Вследствие инерции первого вагона – и в меньшей мере трения – пружины его буферов сожмутся, и только после того, как они запасут достаточную потенциальную энергию, первый вагон начнет катиться по рельсам. При этом, он сожмет пружины буферов между первым и вторым вагонами и т. д.; в результате пройдет заметное время, прежде чем покатится также и последний вагон. Теперь легко понять, почему при быстром движении тела на небольшое расстояние весь воздушный столб в целом не приходит в движение мгновенно. Ведь каждому молекулярному слою нужно время, чтобы сдвинуть с места следующий слой.
Потребуется целая секунда для того, чтобы на протяжении 344 м воздух продвинулся вдоль трубы на расстояние, пройденное поршнем. Если бы молекулы были тяжелее или молекулярные силы слабее, времени понадобилось бы больше. Расстояние в 344 м относится к температуре в 20 °С, при 0 °С оно уменьшится до 332 м (с точностью до одного метра). Такое сокращение расстояния обусловлено тем, что при охлаждении молекулы сближаются, и, если бы мы могли подсчитать число слоев молекул воздуха в столбе длиной 344 м при 20 °С, оно равнялось бы числу слоев в столбе воздуха длиной 332 м при 0 °С.
Все эти рассуждения вполне применимы и при движении тела назад. В этом случае оно не сжимает «пружины», а растягивает их до тех пор, пока ближайший к нему молекулярный слой не начнет также двигаться назад. Молекулы первого слоя, кинетическая энергия которых обусловлена этим движением, в свою очередь растянут «пружины», связывающие их со следующим слоем, и т. д. В результате, после того, как тело сдвинулось сначала вперед, а потом назад, все молекулы вернутся на свои исходные места. При этом они передадут «толчок», не получив в итоге никакого остаточного перемещения.
Все тела, находящиеся в воздушной среде, не имеют полностью гладких поверхностей. Поверхности тел, как правило, шероховаты, имеют различные выступы, наросты или впадины, а также волосяной покров, увеличивающие площадь поверхности тел и дающие возможность большего зацепления с воздухом.
При движении тела все эти шероховатости захватывают часть воздуха с собой. Молекулярное натяжение увеличивается, и часть воздуха устремляется вслед за движущимся телом. Если в этот момент резко остановить тело, то движущийся за телом поток воздуха «врежется» в тело и произведет толчок, направленный в сторону движения тела.
ГЛАВА 2
СЕМЯ ОДУВАНЧИКА
При исследовании растительного и животного мира, необходимо всегда помнить одну очень важную деталь. Все представители флоры и фауны, которые не обладают интеллектом, не могут сами что- либо производить по своей воле. Они в состоянии лишь пользоваться тем, что дано им от природы.
Растительный мир очень разнообразен. Почти всё лето и начало осени по воздуху летают различные семена деревьев, кустарников и трав. Некоторые семена снабжены различного рода парашютными системами.
Прежде, чем перейти к описанию полёта птиц и насекомых, есть необходимость рассказать немного о том, каким образом совершают свой полёт листья деревьев, семена клёна, одуванчика и др. растений.
Казалось бы, всё уже известно, что здесь можно рассказать нового?
И всё-таки, я попытаюсь показать кое-что, что может оказать помощь людям, заинтересованным и стремящимся познать физические причины горизонтального полёта многих семян растений, а также основы средств торможения, которыми они снабжены.
Полёт семян, это пассивный полёт, пассивное передвижение тела сверху вниз и, в некоторых случаях, даже снизу-вверх.
Но, если бы семена не обладали возможностью к горизонтальному перемещению, то они падали бы непосредственно под ветками и распространение растений по поверхности земли не происходило бы столь интенсивно, как мы это наблюдаем.
Все падающие семена, имеющие средства торможения, даже при незначительном ветре меняют направление своего движения, вплоть до противоположного. Как и за счет чего, это происходит?
Чтобы это понять, рассмотрим для начала одуванчик, семя которого снабжено парашютиком. (См. II Часть «Наглядное приложение»).
Семя одуванчика имеет вертикальный стержень, наверху которого под почти прямым углом к стержню, расположено множество маленьких, но крепких веточек, на которых тоже расположено множество волосков и крючочков. Находясь в непосредственной близости друг к другу и переплетаясь между собой, горизонтальные веточки и волоски создают множество препятствий для движения потоков воздуха через них.
В верхней части вертикального стержня семени, где расположен парашют, создается повышенный перепад давления воздуха. Если давление воздуха выше над парашютиком, то семя остаётся на цветке. Если давление под парашютиком становится выше, чем над ним, то семя отрывается от цветка и начинает свой полёт вместе с ветром. Движение ветра, особенно кратковременное, обычно направлено горизонтально и вверх, закручиваясь, поэтому парашютик, начиная своё движение почти горизонтально в сторону от цветка, довольно-таки быстро устремляется кверху. Высота, на которую первоначально поднимается семя, зависит от силы ветра и продолжительности дуновения.
Дальнейшее вертикальное перемещение зависит оттого, имеется ли движение воздуха на той высоте, куда попал парашютик. Если там присутствует движение воздуха, а оно, как было сказано, направлено, в основном, прямо (горизонтально) и вверх, то парашютик, захваченный новым потоком воздуха, снова устремляется кверху. Если, по каким-то причинам, всякое движение воздуха прекращается, то парашютик начинает свое движение вниз, на землю. В связи с особенностью конструкции (семя плюс парашютик), движение его происходит не строго вертикально, но и горизонтально тоже.
Особенность конструкции заключается в следующем.
Во-первых, стержень, на котором находится парашютик, выходит из семени под некоторым углом к нему или само семя имеет изгиб. Таким образом, при падении семени создается дополнительная площадь лобового сопротивления, которая является причиной горизонтального смещения семени, а значит, и парашютика в целом. Горизонтальное смещение падающего семени приводит к тому, что семя всё дальше и дальше удаляется от своего цветка.
Во-вторых, веточки парашютика, расположенные близко друг к другу и имеющие множество ещё меньших волосков, находящихся под острым углом к веточке, увеличивают площадь сопротивления потоку, не ограничиваясь лишь геометрическим радиусом, как это наблюдается у листьев. Площадь лобового сопротивления парашютика является суммой площадей всех без исключения веточек и волосков в связи с тем, что они находятся на разных уровнях. Веточки парашютика, находясь на разных уровнях, и не образуя одну непрерывную горизонтальную поверхность, в одно и тоже время воспринимают различные импульсы сил лобового сопротивления, направляя их на центральный стержень.
В-третьих, стержень семени плотный, крепкий и вместе с парашютиком, расположенным в его верхней части, составляют одно целое. Жесткая конструкция напоминает гантели со смещённым центром тяжести относительно ее середины.