Объяснение природных явлений с точки зрения физики

Мир окружающей нас природы просто кишит разными тайнами и загадками. Учёные столетиями ищут ответы и пытаются объяснить порой необъяснимые факты, но даже самым лучшим умам человечества до сих пор не поддаются некоторые удивительные явления природы.

Порой складывается впечатление, что непонятные вспышки в небе, спонтанно двигающиеся камни не подразумевают под собой ничего особенного. Но, вникая в загадочные проявления, наблюдаемые на нашей планете, понимаешь, что дать ответ на многие вопросы невозможно. Природа тщательно скрывает свои секреты, а люди выдвигают все новые гипотезы, пытаясь разгадать их.

Сегодня мы рассмотрим физические явления в живой природе, которые заставят вас по-новому взглянуть на окружающий мир.

Каждое тело состоит из определенных веществ, но обратите внимание на то, что различные действия влияют по-разному на одни и те же тела. К примеру, при разрыве бумаги пополам бумага останется бумагой. А вот если её поджечь, то от неё останется пепел.

Когда меняется размер, форма, состояние, но вещество остается прежним и не трансформируется в другое, такие явления называют физическими. Они могут быть разными.

Явления природы, примеры которых мы можем наблюдать в обычной жизни, бывают:

• Механические. Движение облаков по небу, полёт самолета, падение яблока.
• Тепловые. Вызванные переменой температур. В ходе этого меняются характеристики тела. Если нагреть лёд, то он станет водой, которая трансформируется в пар.
• Электрические. Наверняка при быстром снятии с себя шерстяной одежды вы хоть раз слышали специфический треск, схожий на электрический разряд. А если будете всё это делать в темной комнате, то ещё сможете понаблюдать искры. Предметы, которые после трения начинают притягивать более легкие тела, называются наэлектризованными. Северное сияние, молния во время грозы — яркие примеры электрического явления.
• Световые. Тела, излучающие свет, называют световыми явлениями. Сюда можно отнести Солнце, лампы и даже представителей животного мира: некоторые виды глубинных рыб и светлячки.

Физические явления природы, примеры которых мы рассмотрели выше, успешно используются людьми в повседневной жизни. Но есть и такие, которые по сей день будоражат умы ученых и вызывают всеобщее восхищение.

Северное сияние

Пожалуй, это природное явление по праву носит статус самого романтического. Высоко в небе образуются разноцветные реки, которые покрывают нескончаемое количество ярких звёзд.

Если хотите насладиться этой красотой, то лучше всего делать это в северной части Финляндии (Лапландия). Существовало поверье, что причина возникновения Северного сияния — гнев верховных богов. Но большей популярностью пользовалась легенда народа саама о сказочном лисе, который ударял своим хвостом по заснеженным равнинам, из-за чего цветные искры взмывались в высь и озаряли ночное небо.

Облака в форме труб

Такое явление природы может любого человека надолго затянуть в состояние релакса, вдохновения, иллюзий. Такие ощущения создаются за счет формы больших труб, меняющих свой оттенок.

Увидеть его можно в тех местах, где начинает образовываться грозовой фронт. Это явление природы чаще всего наблюдается в странах с тропическим климатом.

Камни, которые двигаются в Долине Смерти

Встречаются различные явления природы, примеры которых вполне объяснимы с научной точки зрения. Но есть такие, которые не поддаются человеческой логике. Одной из загадок природы считаются движущиеся камни. Это явление можно наблюдать в американском национальном парке, именуемом Долиной Смерти. Многие ученые пытаются объяснить передвижение сильными ветрами, которые часто встречаются в пустынной местности, и наличием льда, так как именно зимой движение камней становилось интенсивней.

Во время исследований ученые произвели наблюдения за 30 камнями, вес которых составлял не более 25 кг. За семь лет 28 каменных глыб из 30 переместились на 200 метров от начальной точки.

Какими бы ни были догадки ученых, однозначного ответа относительно этого явления у них нет.

Шаровые молнии

Огненный шар, появляющийся после грозы или во время неё, называется шаровой молнией. Есть предположение, что Николе Тесле удалось создать в условиях своей лаборатории шаровую молнию. Он так и написал о том, что не видел ничего подобного в природе (речь шла об огненных шарах), но он разобрался, как они формируются, и даже сумел воссоздать это явление.

Ученые современности не смогли достичь подобных результатов. А некоторые даже ставят под сомнение существование этого явления как такового.

Мы рассмотрели только некоторые явления природы, примеры которых показывают, как удивителен и загадочен наш окружающий мир. Сколько еще неизведанного и интересного нам предстоит узнать в процессе развития и совершенствования науки. Как много открытий нас ждет впереди?

10 физических явлений на кухне: учим физику (и объясняем детям)

1. Диффузия. С этим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Его название образовано от латинского diffusio — взаимодействие, рассеивание, распространение. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения тела (объему), и разности концентраций, температур смешиваемых веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) — от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.

Это явление на кухне можно наблюдать при распространении запахов. Благодаря диффузии газов, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Как известно, природный газ не имеет запаха, и к нему примешивают добавку, чтобы легче было обнаружить утечку бытового газа. Резкий неприятный запах добавляет одорант, например, этилмеркаптан. Если с первого раза конфорка не загорелась, то мы можем чувствовать специфический запах, который с детства мы знаем, как запах бытового газа.

А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей. Примером диффузии в твердом теле может быть засолка помидор, огурцов, грибов или капусты. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы Na и Cl, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе овощей или грибов.

2. Смена агрегатного состояния. Мало кто из нас замечал, что в оставленном стакане с водой через несколько дней испаряется такая же часть воды при комнатной температуре, как и при кипячении в течение 1−2 минут. А замораживая продукты или воду для кубиков льда в холодильнике, мы не задумываемся, как это происходит. Между тем, эти самые обыденные и частые кухонные явления легко объясняются. Жидкость обладает промежуточным состоянием между твердыми веществами и газами. При температурах, отличных от кипения или замерзания, силы притяжения между молекулами в жидкости не так сильны или слабы, как в твердых веществах и в газах. Поэтому, например, только получая энергию (от солнечных лучей, молекул воздуха комнатной температуры) молекулы жидкости с открытой поверхности постепенно переходят в газовую фазу, создавая над поверхностью жидкости давление пара. Скорость испарения растет при увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Если температуру повышать, то давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения. Температура кипения снижается при уменьшении внешнего давления. Поэтому в горной местности вода закипает быстрее.

Темная материя: загадочное вещество вселенной

Как сделать ткань полностью непромокаемой: российское ноу-хау

И наоборот, молекулы воды при понижении температуры теряют кинетическую энергию до уровня сил притяжения между собой. Они уже не двигаются хаотично, что позволяет образоваться кристаллической решетке как у твердых тел. Температура 0 °C, при которой это происходит, называется температурой замерзания воды. При заморозке вода расширяется. Многие могли познакомиться с таким явлением, когда помещали пластиковую бутылку с напитком в морозилку для быстрого охлаждения и забывали об этом, а после бутылку распирало. При охлаждении до температуры 4 °C сначала наблюдается увеличение плотности воды, при которой достигается ее максимальная плотность и минимальный объем. Затем при температуре от 4 до 0 °C происходит перестройка связей в молекуле воды, и ее структура становится менее плотной. При температуре 0 °C жидкая фаза воды меняется на твердую. После полного замерзания воды и превращения в лед ее объем вырастает на 8,4%, что и приводит к распиранию пластиковой бутылки. Содержание жидкости во многих продуктах мало, поэтому они при заморозке не так заметно увеличиваются в объеме.

3. Абсорбция и адсорбция. Эти два почти неразделимых явления, получивших название от латинского sorbeo (поглощать), наблюдаются, например, при нагревании воды в чайнике или кастрюле. Газ, не действующий химически на жидкость, может, тем не менее, поглощаться ею при соприкосновении с ней. Такое явление называется абсорбцией. При поглощении газов твердыми мелкозернистыми или пористыми телами большая их часть плотно скапливается и удерживается на поверхности пор или зерен и не распределяется по всему объему. В этом случае процесс называют адсорбцией. Эти явления можно наблюдать при кипячении воды — со стенок кастрюли или чайника при нагревании отделяются пузырьки. Воздух, выделяемый из воды, содержит 63% азота и 36% кислорода. А в целом атмосферный воздух содержит 78% азота и 21% кислорода.

Поваренная соль в незакрытой емкости может стать влажной из-за своих гигроскопических свойств — поглощения из воздуха водяного пара. А сода выступает в качестве адсорбента, когда ее ставят в холодильник для удаления запаха.

4. Проявление закона Архимеда. Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на ¾ в зависимости от размера курицы. Погружая тушку в кастрюлю с водой, мы замечаем, что вес курицы в воде заметно уменьшается, а вода поднимается к краям кастрюли.

Это явление объясняется выталкивающей силой или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда, как и сам закон, объясняющий это явление.

5. Поверхностное натяжение. Многие помнят опыты с пленками жидкостей, которые показывали на уроках физики в школе. Небольшую проволочную рамку с одной подвижной стороной опускали в мыльную воду, а затем вытаскивали. Силы поверхностного натяжения в образовавшейся по периметру пленке поднимали нижнюю подвижную часть рамки. Чтобы сохранить ее неподвижной, к ней подвешивали грузик при повторном проведении опыта. Это явление можно наблюдать в дуршлаге — после использования в дырочках дна этой кухонной посуды остается вода. Такое же явление можно наблюдать после мойки вилок — на внутренней поверхности между некоторыми зубьями также есть полоски воды.

Физика жидкостей объясняет это явление так: молекулы жидкости настолько близки друг к другу, что силы притяжения между ними создают поверхностное натяжение в плоскости свободной поверхности. Если сила притяжения молекул воды пленки жидкости слабее силы притяжения к поверхности дуршлага, то водная пленка разрывается. Также силы поверхностного натяжения заметны, когда мы будем сыпать в кастрюлю с водой крупу или горох, бобы, или добавлять круглые крупинки перца. Некоторые зерна останутся на поверхности воды, тогда как большинство под весом остальных опустятся на дно. Если кончиком пальца или ложкой слегка надавить на плавающие крупинки, то они преодолеют силу поверхностного натяжения воды и опустятся на дно.

6. Смачивание и растекание. На кухонной плите с жировой пленкой пролитая жидкость может образовать маленькие пятна, а на столе — одну лужицу. Все дело в том, что молекулы жидкости в первом случае сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности плиты, где есть несмачиваемая водой жировая пленка, а на чистом столе притяжение молекул воды к молекулам поверхности стола выше, чем притяжение молекул воды между собой. В результате лужица растекается.

Это явление также относится к физике жидкостей и связано с поверхностным натяжением. Как известно, мыльный пузырь или капли жидкости имеют шарообразную форму из-за сил поверхностного натяжения. В капле молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильней, чем к молекулам газа, и стремятся внутрь капли жидкости, уменьшая площадь ее поверхности. Но, если есть твердая смачиваемая поверхность, то часть капли при соприкосновении растягивается по ней, потому что молекулы твердого тела притягивают молекулы жидкости, и эта сила превосходит силу притяжения между молекулами жидкости. Степень смачивания и растекание по твердой поверхности будет зависеть от того, какая сила больше — сила притяжения молекул жидкости и молекул твердого тела между собой или сила притяжения молекул внутри жидкости.

Это физическое явление с 1938 года широко стали использовать в промышленности, в производстве бытовых товаров, когда в лаборатории компании DuPont был синтезирован материал Teflon (политетрафлуороэтилен). Его свойства используются не только в изготовлении посуды с антипригарным покрытием, но и в производстве непромокаемых, водоотталкивающих тканей и покрытий для одежды и обуви. Teflon отмечен в «Книге рекордов Гинесса» как самая скользкая субстанция в мире. Он имеет очень низкие поверхностное натяжение и адгезию (прилипание), не смачивается ни водой, ни жирами, ни многими органическими растворителями.

7. Теплопроводность. Одно из самых частых явлений на кухне, которое мы можем наблюдать — это нагрев чайника или воды в кастрюле. Теплопроводность — это передача теплоты через движение частиц, когда есть разница (градиент) температуры. Среди видов теплопроводности есть и конвекция. В случае одинаковых веществ, у жидкостей теплопроводность меньше, чем у твердых тел, и больше по сравнению с газами. Теплопроводность газов и металлов возрастает с повышением температуры, а жидкостей — уменьшается. С конвекцией мы сталкиваемся постоянно, помешиваем ли мы ложкой суп или чай, или открываем окно, или включаем вентиляцию для проветривания кухни. Конвекция — от латинского convectiō (перенесение) — вид теплообмена, когда внутренняя энергия газа или жидкости передается струями и потоками. Различают естественную конвекцию и принудительную. В первом случае слои жидкости или воздуха сами перемешиваются при нагревании или остывании. А во втором случае — происходит механическое перемешивание жидкости или газа — ложкой, вентилятором или иным способом.

8. Электромагнитное излучение. Микроволновку иногда называют сверхвысокочастотной печью, или СВЧ-печью. Основной элемент каждой микроволновки — магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение частотой до 2,45 гигагерц (ГГц). Излучение разогревает еду, взаимодействуя с ее молекулами. В продуктах есть дипольные молекулы, содержащие на противоположных своих частях положительные электрические и отрицательные заряды. Это молекулы жиров, сахара, но больше всего дипольных молекул в воде, которая содержится почти в любом продукте. СВЧ-поле, постоянно меняя свое направление, заставляет с высокой частотой колебаться молекулы, которые выстраиваются вдоль силовых линий так, что все положительные заряженные части молекул «смотрят», то в одну, то в другую сторону. Возникает молекулярное трение, выделяется энергия, что и нагревает пищу.

9. Индукция. На кухне все чаще можно встретить индукционные плиты, в основе работы которых заложено это явление. Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году и с тех пор без нее невозможно представить нашу жизнь. Фарадей обнаружил возникновение электрического тока в замкнутом контуре из-за изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. Известен школьный опыт, когда плоский магнит перемещается внутри спиралеобразного контура из проволоки (соленоида), и в ней появляется электрический ток. Есть и обратный процесс — переменный электроток в соленоиде (катушке) создает переменное магнитное поле.

По такому же принципу работает и современная индукционная плита. Под стеклокерамической нагревательной панелью (нейтральна к электромагнитным колебаниям) такой плиты находится индукционная катушка, по которой течет электроток с частотой 20−60 кГц, создавая переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в тонком слое (скин-слое) дна металлической посуды. Из-за электрического сопротивления посуда нагревается. Эти токи не более опасны, чем раскаленная посуда на обычных плитах. Посуда должна быть стальной или чугунной, обладающей ферромагнитными свойствами (притягивать магнит).

10. Преломление света. Угол падения света равен углу отражения, а распространение естественного света или света от ламп объясняется двойственной, корпускулярно-волновой природой: с одной стороны — это электромагнитные волны, а с другой — частицы-фотоны, которые двигаются с максимально возможной во Вселенной скоростью. На кухне можно наблюдать такое оптическое явление, как преломление света. Например, когда на кухонном столе стоит прозрачная ваза с цветами, то стебли в воде как бы смещаются на границе поверхности воды относительно своего продолжения вне жидкости. Дело в том, что вода, как линза, преломляет лучи света, отраженные от стеблей в вазе. Подобное наблюдается и прозрачном стакане с чаем, в который опущена ложка. Также можно видеть искаженное и увеличенное изображение фасоли или крупы на дне глубокой кастрюли с прозрачной водой.

LiveInternetLiveInternet

—Музыка

—Поиск по дневнику

—Подписка по e-mail

—Постоянные читатели

—Сообщества

—Статистика

Необъяснимые факты физики.

Четверг, 16 Октября 2014 г. 01:12 + в цитатник

Факты не имеющиу научного объяснения

1. Эффект плацебо
Не пытайтесь повторить это дома! В течение нескольких дней вы причиняете кому-то боль по нескольку раз в день. Вы уменьшаете боль при помощи морфия, вплоть до последнего дня эксперимента, а потом заменяете морфий физиологическим раствором. И угадайте, что происходит? Физиологический раствор снимает боль.
Это — эффект плацебо: каким-то образом состав из ничего может оказать очень мощное воздействие. Врачи знают об эффекте плацебо уже давно. Но кроме того, что, по-видимому, он имеет биохимическую природу, мы не знаем ничего. Ясно одно: разум может влиять на биохимию организма.

2. Проблема горизонта
Наша Вселенная оказывается необъяснимо едина. Посмотрите на пространство от одного края видимой Вселенной до другого, и вы увидите, что на всем протяжении фон микроволнового излучения в космосе имеет одинаковую температуру. Это не кажется удивительным до тех пор, пока вы не вспомните, что эти два края находятся на расстоянии 28 миллиардов световых лет друг от друга, а нашей Вселенной всего лишь 14 миллиардов лет.
Ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света, поэтому невозможно, чтобы тепловое излучение смогло пропутешествовать между двумя горизонтами и уравновесить горячие и холодные зоны, образовавшиеся во время Большого взрыва, установив то тепловое равновесие, которое мы видим сейчас.
С научной точки зрения одинаковая температура фонового излучения является аномалией. Объяснить ее можно было бы признанием того, что скорость света не постоянна. Но даже в этом случае мы все равно бессильны перед вопросом: почему?

3. Ультра-энергетические космические лучи
Вот уже более десяти лет физики в Японии наблюдают космические лучи, которые не должны существовать. Космические лучи — это частицы, которые путешествуют во Вселенной со скоростью близкой к скорости света. Некоторые космические лучи приходят на Землю в результате насильственных событий, таких как взрыв сверхновой. Но мы ничего не знаем о происхождении высокоэнергетических частиц, наблюдаемых в природе. И даже это еще не настоящая тайна.
Когда частицы космических лучей перемещаются в пространстве, они теряют энергию при столкновении с фотонами низкого уровня энергии, например, из космического микроволнового фонового излучения. Однако в Токийском университете обнаружили космические лучи с очень высокой энергией. Теоретически они могли появиться только из нашей галактики, но найти источник этих космических лучей в нашей галактике астрономы не могут.

4. Феномен гомеопатии
Мадлен Эннис (Madeleine Ennis), фармаколог из Королевского университета Белфаста — настоящее бедствие для гомеопатии. Она выступила против заявлений гомеопатов о том, что химическое средство может быть разбавлено до такой степени, что образец не будет содержать практически ничего, кроме воды, и в то же время обладать исцеляющей силой. Эннис решила раз и навсегда доказать, что гомеопатия является просто болтовней.
В своей последней работе она описывает, как ее группа в четырех разных лабораториях исследовала воздействие ультра-разбавленных растворов гистамина на белые кровяные тельца, участвующие в воспалении. К удивлению ученых выяснилось, что гомеопатические растворы (разведенные до такой степени, что, по всей видимости, не содержали даже одной молекулы гистамина), работали так же, как и гистамин.
До этих экспериментов ни одно гомеопатическое средство никогда не срабатывало в клинических испытаниях. Но белфастское исследование свидетельствует о том, что все-таки что-то происходит. «Мы, — говорит Эннис, — не может объяснить наши находки и сообщаем о них для поощрения других к расследованию этого явления».
Если результаты окажутся реальными, считает она, то последствия могут быть весьма существенными: нам, возможно, придется переписывать физику и химию.

5. Темная материя
Возьмите наше самое лучшее знание о гравитации, примените его к вращению галактик, и вы сразу же обнаружите проблему: согласно нашему знанию, галактики должны распадаться. Галактическая материя вращается вокруг центральной точки, поскольку ее гравитационное притяжение создает центростремительные силы. Но для создания наблюдаемого вращения в галактиках не хватает массы.
Вера Рубин (Vera Rubin), астроном из отдела земного магнетизма института Карнеги в Вашингтоне, заметила эту аномалию в конце семидесятых годов прошлого века. Лучший ответ, которые смогли дать физики, заключался в предположении, что во Вселенной имеется больше вещества, чем мы можем наблюдать. Проблема заключалась в том, что никто не мог объяснить, чем является эта «темная материя».
Объяснить ее ученые не могут до сих пор, и это неприятный пробел в нашем понимании. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что темная материя должна составлять примерно 90% от массы Вселенной, и все же мы поразительно невежественны в отношении того, что это за 90%.

6. Жизнь на Марсе
20 июля 1976 года. Гилберт Левин (Gilbert Levin) сидит на самом краешке своего кресла. На расстоянии миллионов километров от него, на Марсе, спускаемый космический аппарат «Викинг» взял образцы почвы. Аппаратура Левина смешала их с веществом, содержащим углерод-14. Ученые, участвующие в эксперименте, считают, что если в почве обнаружатся выбросы метана, содержащие углерод-14, то на Марсе должна быть жизнь.
Анализаторы «Викинга» дают положительный результат. Нечто поглощает питательные вещества, преобразовывает их, а затем выделяет газ, содержащий углерод-14. Но почему же нет праздника?
Потому что другой анализатор, предназначенный для определения органических молекул, являющихся необходимыми признаками жизни, ничего не нашел. Ученые состорожничали и объявили открытия «Викинга» ложноположительными. Но так ли это?
Результаты, переданные с последнего космического аппарата НАСА, показывают, что в прошлом поверхность Марса почти наверняка содержала воду и потому была благоприятна для жизни. Существуют и другие доказательства. «Каждый полет на Марс, — говорит Гилберт Левин, — предоставляет данные, подтверждающие мое заключение. Ни одно из них ему не противоречит».
Левин отстаивает свои взгляды уже не в одиночку. Джо Миллер (Joe Miller), микробиолог из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, проанализировал данные заново и считает, что выбросы демонстрируют признаки циркадного цикла. А это с высокой долей вероятности предполагает наличие жизни. Правы ли эти ученые — пока неизвестно.

7. Тетранейтроны
Четыре года назад были обнаружены шесть частиц, которые не должны были существовать. Их назвали тетранейтронами — четыре нейтрона, которые находятся в связи, игнорирующей законы физики.
Группа ученых из Кана под руководством Франсиско Мигеля Маркеса (Francisco Miguel Marquès) выстреливала ядра бериллия в небольшую углеродную цель и анализировала их траектории с помощью детекторов. Ученые ожидали увидеть, что четыре разных нейтрона попадут в разные детекторы. Вместо этого они обнаружили только одну вспышку света в одном детекторе.
Энергия этой вспышки показала, что все четыре нейтрона попали в один и тот же детектор. Возможно, это просто совпадение, и четыре нейтрона случайно попали в одно и то же место в одно и то же время. Но это до смешного маловероятно.
Вместе с тем, такое поведение не маловероятно для тетранейтронов. Правда, некоторые могут возразить, что согласно стандартной модели физики элементарных частиц, тетранейтроны просто не могут существовать. Ведь по принципу Паули, в одной системе не существует даже двух протонов или нейтронов, которые могли бы обладать одинаковыми квантовыми свойствами. Удерживающая их вместе ядерная сила такова, что не может удержать даже два одиночных нейтрона, не говоря о четырех.
Маркес и его группа были настолько ошеломлены полученными результатами, что «похоронили» эти данные в научном труде, который гласил о некой вероятности открытия тетранейтронов в будущем. Ведь если начать менять законы физики, чтобы обосновать связь четырех нейтронов, возникнет хаос.
Признание существования тетранейтронов означало бы, что сочетание элементов, образовавшихся после Большого взрыва, не согласуется с тем, что мы сейчас наблюдаем. И, что еще хуже, сформированные элементы становятся слишком тяжелыми для космоса. «Вероятно, Вселенная сколлапсировала бы прежде, чем стала расширяться», — говорит Наталья Тимофеюк (Natalia Timofeyuk), теоретик из университета Суррей в Гилфорде, Великобритания.
Вместе с тем, имеются и другие доказательства, говорящие в пользу того, что материя может состоять из многочисленных нейтронов. Это — нейтронные звезды. Они содержат огромное количество связанных нейтронов, и это означает, что когда нейтроны собираются в массы, в действие вступают все еще необъяснимые для нас силы.

8. Аномалия Pioneer
В 1972 американцами был запущен космический аппарат Pioneer-10. На его борту находилось послание внеземным цивилизациям — табличка с изображениями мужчины, женщины и схемы расположения Земли в космосе. Год спустя вслед за ним отправился Pioneer-11. К настоящему времени оба аппарата уже должны были находиться в дальнем космосе. Однако необычным образом их траектории сильно отклонились от расчетных.
Что-то начало их тянуть (или толкать), в результате чего они начали двигаться с ускорением. Оно было крошечным — меньше нанометра в секунду, что эквивалентно одной десятимиллиардной доли гравитации на поверхности Земли. Но этого оказалось достаточно, чтобы сместить Pioneer-10 с его траектории на 400 000 километров.
С Pioneer-11 НАСА потеряла связь в 1995 году, но до того момента он отклонялся от траектории точно так же, как и его предшественник. Чем это было вызвано? Никто не знает.
Некоторые из возможных объяснений уже были отвергнуты, в том числе программные ошибки, солнечный ветер и утечки топлива. Если причиной явился некий гравитационный эффект, то мы об этом ничего не знаем. Физики находятся просто в растерянности.

9. Темная энергия
Это одна из самых известных и наиболее трудноразрешимых проблем физики. В 1998 году астрономы обнаружили, что Вселенная расширяется со все большей скоростью. До этого считалось, что после Большого взрыва расширение Вселенной замедляется.
Разумного объяснения этому открытию ученые до сих пор не нашли. Одно из предположений — за это явление ответственно некое свойство пустого пространства. Космологи назвали его темной энергией. Но все попытки идентифицировать ее потерпели неудачу.

10. Десятая планета
Если вы отправитесь в путешествие к самому краю Солнечной системы, в холодную зону пространства за Плутоном, то увидите нечто странное. После прохождения пояса Койпера — области космоса, изобилующей ледяными скалами, — вы внезапно увидите пустое пространство.
Астрономы называют эту границу скалой Койпера, так как после нее плотность космического каменного пояса резко уменьшается. Что является причиной? Единственным ответом на это может быть наличие десятой планеты в нашей Солнечной системе. Причем, чтобы так очистить пространство от мусора, она должна быть такой же массивной как Земля или Марс.
Но, хоть расчеты и показывают, что такое тело могло стать причиной существования пояса Койпера, никто и никогда не видел эту легендарную десятую планету.

11. Космический сигнал WOW
Он продолжался 37 секунд и пришел из космоса. 15 августа 1977 года на распечатке радиотелескопа в штате Делавэр самописцы начертили: WOW. И двадцать восемь лет спустя никто не знает, что было причиной этого сигнала.
Импульсы пришли из созвездия Стрельца на частоте около 1420 МГц. Передачи в этом диапазоне запрещены международным соглашением. Природные источники излучения, такие как термические выбросы планет, охватывают гораздо более широкий диапазон частот. Что же явилось причиной излучения этих импульсов? Ответа до сих пор нет.
Ближайшая к нам звезда в этом направлении находится на расстоянии 220 световых лет. Если сигнал пришел оттуда, то это должно быть либо огромным астрономическим событием, либо развитой внеземной цивилизацией с удивительно мощным передатчиком.
Все последующие наблюдения на том же участке неба ни к чему не привели. Сигнала подобного WOW больше не зарегистрировано.

2. Такие непостоянные постоянные
В 1997 году астроном Джон Уэбб (John Webb ) и его группа из университета Нового Южного Уэльса в Сиднее проанализировали свет, приходящий на Землю от далеких квазаров. В своем путешествии длительностью в 12 миллиардов лет свет проходит через межзвездные облака, состоящие из металлов, таких как железо, никель и хром. Исследователи обнаружили, что эти атомы поглощают фотоны света квазара, однако совсем не те, что ожидалось.
Единственное более-менее разумное объяснение этому явлению состоит в том, что физическая постоянная, называемая постоянной тонкой структуры, или альфой, имеет другую величину при прохождения света через облака.
Но это ересь! Альфа является чрезвычайно важной постоянной, определяющей, как свет взаимодействует с материей, и она не должна изменяться! Ее значение, среди прочего, зависит от заряда электрона, скорости света и постоянной Планка. Возможно ли, чтобы какие-то из этих параметров действительно изменились?!
Никто из физиков не хотел верить в правильность измерений. Уэбб и его группа в течение многих лет пытались найти ошибки в своих результатах. Но им до сих пор это не удалось.
Результаты Уэбба — не единственные, подтверждающие, что в нашем понимании альфы что-то не так. Недавний анализ единственно известного природного ядерного реактора, действовавшего почти 2 миллиарда лет тому назад там, где в настоящее время находится Окло в Габоне, также говорит о том, что во взаимодействии света с материей что-то изменилось.
Пропорция определенных радиоактивных изотопов, выработанных в таком реакторе, зависит от альфы, и поэтому анализ продуктов деления, сохранившихся в почве Окло, дает возможность определить значение постоянной во время их образования.
Используя этот метод, Стив Ламорей (Steve Lamoreaux) и его коллеги из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико предположили, что с момента действия в Окло альфа уменьшилась более чем на 4%. И это означает, что наши представления о постоянных может оказаться неверным.

13. Низкотемпературный ядерный синтез (НТС)
После шестнадцатилетнего отсутствия он вернулся. Хотя, на самом деле НТС никогда и не исчезал. Начиная с 1989 года, лаборатории ВМФ США провели более 200 экспериментов, призванных выяснить, могут ли ядерные реакции при комнатной температуре генерировать больше энергии, чем потреблять (считается, что это возможно только внутри звезд).
Управляемый ядерный синтез решил бы многие мировые энергетические проблемы. Неудивительно, что Министерство энергетики США так в нем заинтересовано. В декабре прошлого года после длительного рассмотрения всех доказательств, оно заявило, что открыто для предложений по новым НТС экспериментам.
Это довольно крутой поворот. Пятнадцать лет назад это же самое министерство заключило, что первоначальные результаты по НТС, полученные Мартином Флейшманом (Martin Fleischmann) и Стэнли Понсом (Stanley Pons) из университета штата Юта и торжественно представленные на пресс-конференции в 1989 году, невозможно подтвердить, и таким образом они, вероятно, являются ложными.
Основной принцип НТС заключается в том, что погружение электродов палладия в тяжелую воду (в которой кислород соединен с изотопом тяжелого водорода) может освободить большое количество энергии. Загвоздка состоит в том, что все общепризнанные научные теории считают, что ядерный синтез при комнатной температуре невозможен.

Обоснование природы погодных явлений с точки зрения физики

Секция: Физико-математические науки

XLI Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Обоснование природы погодных явлений с точки зрения физики

Тема: «Обоснование природы погодных явлений с точки зрения физики» достаточно изучена на сегодняшний момент. Но при этом своей актуальности данный вопрос не потерял. Это связано с тем, что достаточно много людей не знают самых простых вещей, например что такое радуга, как возникает молния, почему дождь идёт в виде округлых капель, почему снежинки имеют такую замысловатую форму. Поэтому главной целью работы является рассказ о природе погодных явлений и доказательство их неразрывной связи с физикой. Так же изучив этот вопрос, стоит заметить, что физика бывает не только «сухой» формульной наукой, которую мы изучали в школе и познаём сейчас в университете, физика может быть красивой, интересной, а множество экспериментов можно наблюдать в реальном мире, проводя аналогии между лабораторными исследованиями и природными явлениями.

Радуга – атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель дождя или тумана. Она имеет форму дуги или окружности. Радуга является характерным примером такого физического явления, как дисперсия. Дисперсия- явление разложение света в спектр. В повседневной жизни радугу «разделяют» на семь цветов: красный, желтый, зеленый, голубой, оранжевый, синий, фиолетовый. Но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и цвета плавно переходят друг в друга.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капли по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее отклоняется красный свет – на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый – на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр. Наблюдатель, стоящий спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, исходящее из пространства по концентрическим окружностям или дугам. Стоит заметить, что радугу невозможно наблюдать, стоя лицом к солнцу, также одновременно радугу и солнце увидеть невозможно.

Радуга, которая появляется под воздействием лунного света, явление гораздо более редкое, чем привычная нам «дневная» радуга. Лунную радугу можно наблюдать только в местах с повышенной влажностью воздуха, и только тогда, когда Луна полная.

В природе существуют явления, похожие на радугу, такие как гало (оптический феномен, представляющий собой светящееся кольцо вокруг источника света), глория (цветные кольца света на облаке вокруг тени наблюдателя). Особое внимание стоит уделить явлению, называемому «Брокенский призрак». Брокенский призрак- это явление, представляющее собой тень наблюдателя на поверхности облаков или тумана в направлении, противоположном солнцу. Эта тень может достигать достаточно больших размеров, быть окружённой глорией, а в некоторых случаях даже двигаться. Движение Брокенского призрака связано с перемещением слоёв облака или тумана, и колебания их плотности. Свою известность Брокенский призрак приобрел благодаря пику Брокен в горах Гарц в Германии, где постоянные туманы и доступность малых высот позволяют наблюдать его особенно часто. Это способствовало возникновению легенды, по которой и дали явлению название. Брокенский призрак наблюдался и впервые был описан Иоганном Зильбершлагом в 1780 году и с тех пор не раз о нем писали в литературе о горах Гарц.

Молния – это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно происходящий во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Сила тока молнии достигает 500000 ампер, напряжение доходит до миллиарда вольт, а мощность до 1000 ГВт.

Молнии бывают двух видов наземные (они ударяют в землю) и внутриоблачные (они проходят в самих облаках). Процесс появления и развития наземной молнии состоит из нескольких этапов. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает максимального значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. После этого и происходит разряд молнии.

Существуют ещё несколько видов молний: эльфы (молнии в верхней атмосфере, представляющие собой больших размеров слабосветящиеся вспышки в виде конуса, которые появляются из верхней части грозового облака), джеты (молнии в виде трубок-конусов синего цвета), спрайты (некое подобие молнии, бьющей из облака вверх).

Дождь – это вид атмосферных осадков, выпадающих из облаков в виде водяных капель или капель другой жидкости со средним диаметром от 0,5 до 6–7 мм. Если диаметр капель меньше 0,5 мм, то этот вид осадков называется моросью. Интенсивность дождя может достигать 100 мм/ч.

Чаще всего осадки в виде дождя выпадают из смешанных облаков, которые при температуре 0 0 С содержат переохлажденные капли и ледяные кристаллы. У водяного пара упругость насыщения над каплями больше, чем над ледяными кристаллами при той же температуре, в связи с этим даже ненасыщенное по отношению к каплям воды облако, будет пересыщено по отношению к кристаллам. Это приводит к росту кристаллов при одновременном испарении капель. Укрупняясь и утяжеляясь, кристаллы выпадают из облака, примораживая к себе при этом переохлаждённые капли. Входя под облако или в его нижнюю часть, имеющую температуру 0 0 С они тают, превращаясь в дождевые капли.

Снег – это вид атмосферных осадков, состоящий из кристаллов льда.

Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к частицам пыли и замерзают. Появляющиеся в самом начале кристаллы льда не превышают одной десятой миллиметра в диаметре, падая вниз, они растут из-за конденсации на них влаги из воздуха. При этом происходит образование кристаллов шестиконечной формы. Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них – новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.

Первым, кто серьезно задумался о том, почему снежинки имеют именно шестиугольную форму был немецкий астроном Иоганн Кепплер. Он в 1611 занялся изучением формы снежинок и издал трактат «О шестиугольных снежинках».

Иоганн Кепплер в своём трактате пытается объяснить шестиугольную форму кристалла снега. В рассуждениях он использует скудеющие аргументы:

· правильный шестиугольник возникает из-за того, что он является из всех правильных фигур первой, из который нельзя собрать объемное тело, поскольку правильным шестиугольником можно покрыть плоскость без зазоров;

· поскольку свойством покрывать плоскость обладает и треугольник, и квадрат, то, возможно, из всех фигур, способных покрыть плоскость, шестиугольник ник больше всего приближён к кругу;

· возможно причина в том, что существует различие между плодотворящей силой и силой, вызывающей бесплодие. первая порождает равносторонние треугольники и правильные шестиугольники, а вторая правильные пятиугольники;

· может быть, наконец, сама формообразующая природа в своей глубочайшей сущности сопричастна правильному шестиугольнику.

Далее Иоганн Кепплер продолжил свои рассуждения на тему происхождения формы снежинок, но окончательного ответа на вопрос он не дал. Не смотря на это, учёный внёс большой вклад в развитие кристаллографии.

Снежинки бывают не только шестиугольной формы. Формируясь в пространстве, кристаллы льда принимают самые разнообразные, удивительные, порой даже причудливые формы.

Самыми распространёнными являются следующие форму снежинок: пластинки, звезды, столбики, иглы, пространственные дендриты, увенчанные столбики.

Такая классификация была утверждена в 1951 году Международной комиссией по снегу и льду. В последствии к ним добавились ещё три вида осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

В данной работе были рассмотрены различные природные явления. Этими явлениями являются гало, глория и Брокенский призрак. Была изучена форма дождевых капель и снега. Рассмотрен процесс формирования снежинки- вода притягивается к небольшой пылинке, замерзает, а затем к получившейся льдинке примерзают небольшие кристаллы воды, наращивая и изменяя форму снежинки- от льдинки до шестиугольника, столбика или даже большого замысловатого кристалла. Были рассмотрены различные виды молний, а именно: наземные и внутриоблачные, а также эльфы, спрайты и джеты.

Подводя итоги, хотелось бы отметить, что любое погодное явление заслуживает внимания и отдельного изучения. И каждый человек, изучающий физику, должен знать почему возникает то или иное природное явление, потому что не зная простых вещей, происходящих вокруг нас, невозможно понять сложных физических процессов, описываемых в научной литературе.

Объяснение природных явлений с точки зрения физики

Нас окружает бесконечно разнообразный мир веществ и явлений.

В нем непрерывно происходят изменения.

Любые изменения, которые происходят с телами, называют явлениями. Рождение звезд, смена дня и ночи, таяние льда, набухание почек на деревьях, сверкание молнии при грозе и так далее – все это явления природы.

Физические явления

Вспомним, что тела состоят из веществ. Заметим, что при одних явлениях вещества тел не меняются, а при других – меняются. Например, если разорвать листок бумаги пополам, то, несмотря на произошедшие изменения, бумага останется бумагой. Если же бумагу сжечь, то она превратится в пепел и дым.

Явления, при которых могут изменяться размеры, форма тел, состояние веществ, но вещества остаются прежними, не превращаются в другие, называют физическими явлениями (испарение воды, свечение электрической лампочки, звучание струн музыкального инструмента и т. д.).

Физические явления чрезвычайно разнообразны. Среди них различают механические, тепловые, электрические, световые и др.

Давайте вспомним, как плывут по небу облака, летит самолет, едет автомобиль, падает яблоко, катится тележка и т. д. Во всех перечисленных явлениях предметы (тела) движутся. Явления, связанные с изменением положения какого-либо тела по отношению к другим телам, называют механическими (в переводе с греческого «механе» означает машина, орудие).

Многие явления вызываются сменой тепла и холода. При этом происходят изменения свойств самих тел. Они меняют форму, размеры, изменяется состояние этих тел. Например, при нагревании лед превращается в воду, вода – в пар; при понижении температуры пар превращается в воду, вода – в лед. Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел, называют тепловыми (рис. 35).

Рис. 35. Физическое явление: переход вещества из одного состояния в другое. Если заморозить капли воды, вновь возникнет лед

Рассмотрим электрические явления. Слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон» – янтарь. Вспомните, что, когда вы быстро снимаете с себя шерстяной свитер, вы слышите легкий треск. Проделав то же в полной темноте, вы увидите еще и искры. Это простейшее электрическое явление.

Чтобы познакомиться еще с одним электрическим явлением, проделайте следующий опыт.

Нарвите маленькие кусочки бумаги, положите их на поверхность стола. Расчешите чистые и сухие волосы пластмассовой расческой и поднесите ее к бумажкам. Что произошло?

Рис. 36. Небольшие кусочки бумаги притягиваются к расческе

Тела, которые способны после натирания притягивать легкие предметы, называют наэлектризованными (рис. 36). Молнии при грозе, полярные сияния, электризация бумаги и синтетических тканей – все это электрические явления. Работа телефона, радио, телевизора, разнообразных бытовых приборов – это примеры использования человеком электрических явлений.

Явления, которые связаны со светом, называют световыми. Свет излучают Солнце, звезды, лампы и некоторые живые существа, например жуки-светлячки. Такие тела называются светящимися.

Мы видим при условии воздействия света на сетчатку глаза. В абсолютной темноте мы видеть не можем. Предметы, которые сами не излучают свет (например, деревья, трава, страницы этой книги и др.), видны только тогда, когда они получают свет от какого-нибудь светящегося тела и отражают его от своей поверхности.

Луна, о которой мы часто говорим как о ночном светиле, в действительности является лишь своеобразным отражателем солнечного света.

Изучая физические явления природы, человек научился использовать их в повседневной жизни, быту.

1. Что называют явлениями природы?

2. Прочитайте текст. Перечислите, какие явления природы называются в нем: «Наступила весна. Солнце греет все сильнее. Тает снег, бегут ручьи. На деревьях набухли почки, прилетели грачи».

3. Какие явления называют физическими?

4. Из перечисленных ниже физических явлений в первый столбик выпишите механические явления; во второй – тепловые; в третий – электрические; в четвертый – световые явления.

Физические явления: вспышка молнии; таяние снега; спуск с горы на санках; плавление металлов; работа электрического звонка; радуга на небе; солнечный зайчик; перемещение камней, песка водой; кипение воды.