Наталья Сердцева - 99 секретов науки

Измерив Эйфелеву башню два раза в год, холодной зимой и жарким летом, можно обнаружить, что во втором случае она выросла на несколько десятков сантиметров. В чем тут дело? Неужели сооружение из стали ведет себя подобно зеленому растению и тянется вверх, к солнцу, в теплое время года? Конечно, нет. Секрет этого явления кроется в тепловом расширении.

Очень многие вещества при нагревании расширяются, так как при повышении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, атомы колеблются на своих орбитах и занимают больше места. Физики даже вывели формулу, по которой, зная размеры тела и температуру окружающей среды, можно рассчитать величину расширения.

Эта формула очень помогает инженерам при проектировании архитектурных сооружений. Например, если построить стальной мост через реку в месте, где бывают перепады температуры от +40 до –40 °C, без учета эффекта теплового расширения, это может привести к очень неприятным последствиям. Летом мост будет вздыбливаться, как спина разъяренной кошки, а зимой, пережив летнее растяжение, может просто разрушиться. То же относится к знаменитой достопримечательности Парижа – Эйфелевой башне. Металлическая конструкция не выдержала бы перепадов температур, если бы при ее постройке не учитывался эффект теплового расширения.

Подобные сооружения строятся с использованием температурных компенсаторов, которые представляют собой конструкцию с рядами зубьев. Зубья соединены не жестко, они находятся в зацеплении, которое может либо растягиваться, либо сжиматься, в зависимости от температуры. Поэтому Эйфелева башня, так же как и другие постройки из материалов, подверженных тепловому расширению, остается устойчивой и может простоять еще века. Так что у тех, кто еще не видел Париж с немного большей высоты, по-прежнему есть все шансы.

Вся материя нашего мира состоит из очень маленьких частиц. Раньше считалось, что мельчайший компонент материи – атом, но уже в начале ХХ века стало понятно, что это не предел. Каждый атом содержит в себе нейтроны, протоны и электроны. Протоны и электроны обладают электрическим зарядом, первые – положительным, вторые – отрицательным. У нейтрона заряда нет.

У атома есть ядро, в нем собираются нейтроны и протоны, то есть оно заряжено положительно. Вокруг ядра движутся электроны, создавая оболочку, орбиты их движения хаотичны и непредсказуемы.

Чем же отличаются атомы одного вещества от атомов другого? Прежде всего, количеством протонов. Именно это число указано в таблице Менделеева, классифицирующей все вещества. С квантовой точки зрения атомы веществ различаются строением электронной оболочки.

Изобретатель Джеймс Ватт, в честь которого назвали единицу мощности, был увлечен паровыми механизмами. Одну из первых машин он сконструировал для знакомого пивовара. Договоренность была такая: машина должна заменить лошадь, которая ходила по кругу и тянула ремень, тем самым приводя в действие водяной насос. Пивовар, чтобы получить более продуктивный механизм, сжульничал: демонстрируя работу насоса, он взял самую сильную лошадь и нещадно ее загнал.

Ватт сделал машину с такой мощностью, какую показала лошадь, и эта цифра стала называться лошадиной силой. Она равна 735,5 ватта, или 75 кгс·м/с, что означает мощность, достаточную для поднятия на высоту одного метра 75 килограммов. Если взять обычную лошадь, то она не дотянет до этого уровня, лошадиная сила включает в себя приблизительно полторы средних лошади.

Всем нам попадались на пути машины пожарных, скорые и другой транспорт с сиренами и мигалками. Если мы стоим на месте, а они проезжают мимо, то можно заметить, как меняется звук спецсигнала. Тон приближающейся сирены высокий; когда она оказывается прямо напротив нас, тон понижается, а когда машина вместе с сиреной уносится вдаль, тон становится еще ниже. Так, стоя на обочине, сами того не желая, мы наблюдаем важнейшее свойство всех волн, которое описал австрийский физик Кристиан Доплер.

Для описания волн используют две основные характеристики: частоту – число пиков волн в секунду и длину – расстояние между верхними точками волн. В формуле они связаны через скорость: если мы знаем две из этих трех величин, то можем вычислить оставшуюся.