Физика. Серия И.М. Перышкина. 7 класс

Древесина состоит, в основном, из молекул целлюлозы, между которыми еще дохрена пространства. Хоть ты употей, полируя их, два деревянных бруска соединить, просто прижав их друг к другу, не удастся. Нужен клей, длинные молекулы которого а) заполнят пространство между молекулами целлюлозы, б) организуют необходимую межмолекулярную связь, в) сами будут достаточно прочны, чтобы не дать брускам отвалиться под нагрузкой.

Но это сложно. Поэтому для иллюстрации межмолекулярного притяжения на помощь приходит свинец. Как же меня это все censored...

Автор, нарисуй мне молекулу свинца. Пожалуйста. Расскажи, из каких атомов она состоит, какими связями держится, в общем, давай, опиши все, что по науке требуется знать о молекуле вещества под названием свинец.

Молекула - электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных химическими связями атомов.

Это определение. Простое, строгое, понятное. Сколько атомов в молекуле свинца?

Свинец - это металл! Он не образует молекул. У него по определению связи между атомами другие, в твердом состоянии там кристаллическая решетка, через которую свободно перемещаются электроны. К тому же этот металл очень мягкий, поэтому проехаться два раза напильником достаточно, чтобы свинцовые цилиндры слиплись - между атомами и электронами притяжение намного сильнее, чем между молекулами. А если при этом поверхности еще и хорошо потереть друг о друга, то температура, а значит и амплитуда колебаний атомов в решетке, возрастет, и им будет еще проще образовать связь. Только причем тут молекулы???

Да и откуда вообще взялось межмолекулярное притяжение? Разговор о фундаментальных взаимодействиях для седьмого класса рановат, но все же. Отталкивание молекул можно понять интуитивно - две молекулы столкнулись и отлетели, как два шарика, это, в сущности, модель идеального газа, а вот почему молекулы притягиваются - вопрос. 

Вообще, межмолекулярные связи довольно слабые и относительно легко рвутся при нагревании вещества. Их природа - электромагнитная. Хоть молекула, в целом, не несет заряда, но в некоторых ее точках может концентрироваться избыточный положительный или избыточный отрицательный заряд. Такой эффект называется поляризацией. Вот этими точками молекулы и притягиваются друг к другу.

В целом, это химия, но настолько непростая, что в 7 классе ее не объяснить. Но и про "молекулы свинца" рассказывать тоже - свинство. Там никакого "притяжения молекул" по определению быть не может.

Дальше идем. Если два металла расплавить, то что??? У них появятся молекулы? Нет, атомы разных металлов просто перемешаются или расслоятся, как и любые другие жидкости. Сварка - это процесс соединения двух деталей, чаще всего сделанных из одного металла. Края деталей плавятся, два ранее отдельных куска после охлаждения создают единую кристаллическую структуру. При пайке... вашу мышь... при пайке медного электрода оловянным припоем медь не плавится вообще! Чтоб это сделать, нужен не паяльник, а доменная печь. При пайке используется эффект смачивания, в результате которого атомы олова оказываются достаточно близко к атомам меди, чтобы создать с ними общую кристаллическую решетку.

Возможно, вы видели, как хранят стекла... Стекло - аморфный оксид кремния, по своему агрегатному состоянию это не твердое тело, хотя и не жидкость. Что-то среднее. Если два листа стекла положить друг на друга, то потом будет сложно их разделить. Разумеется! Потому что жидкости диффундируют друг в друга быстрее, чем твердые тела. Есть даже такой способ сварки стекол, называется "диффузионная сварка". Для ускорения процесса стекла нагреваются, но не плавятся - это увеличивает скорость диффузии и позволяет сохранить форму сплавляемых деталей.

Что за бред...

Ну, понеслась... Я все это подробно обсуждал в анализе учебника башкирских "физиков", здесь просто будут тезисы:

- для химии я готов согласиться, что агрегатных состояний три - в иных состояниях вещество уже не может вступать в химические реакции, там действуют иные силы и условия, но для физики состояний вещества набирается штук двадцать, и все они друг от друга отличаются. От сверхтекучей жидкости до кварк-глюоной плазмы - это все разные состояния вещества, изучаемые физикой. Как минимум, обычная плазма уже давно признана четвертым состоянием вещества;

- "другие вещества" далеко не всегда могут находиться не то что в газообразном, но даже и в жидком состоянии. Желающим предлагаю испарить бумагу, то есть, целлюлозу. Не поджечь, а именно испарить. Ну а примеров такого рода, конечно, сотни.

Мутно как-то, да и обман тут тоже имеет место. А если я воду на блюдце капну вместо масла - она в шар соберется? Нет? Так может и нет у жидкостей собственной формы? Не стыдно семиклассников дурить?

Во-первых, что за "обычные условия"? Ну да, наверное, это те, к которым все мы привыкли. Если записать строго, то это означает температуру 25 градусов Цельсия, ускорение свободного падения 1g, атмосферное давление 760 мм рт. ст., блюдечко из кухонного набора - стеклянное, фарфоровое и так далее. Довольно стандартные земные условия.

Тогда нет, не будет капелька масла шарообразной. Она будет сплюснутой, просто чем она меньше, тем труднее это заметить. А вообще тут целый рой неявных предположений и допущений, которые ни один семиклассник не увидит.

Капля воды на "обычном" блюдце никогда не примет сферическую форму или, хотя бы, форму эллипсоида, поскольку молекулы воды сильно поляризованы (см. выше), и это позволяет воде притягиваться к молекулам оксида кремния, которые тоже поляризованы. Капля просто растекается по поверхности блюдца. Это очень слабое притяжение, любой наклон блюдца разрывает эти связи, так что вода перемещается в новое положение. А что такое наклон?.. Хммм...

А это изменение угла, под которым сила тяжести действует на воду. Да-да, знаю, это самое начало курса физики, 7 класс, не было еще никаких сил. Но это не повод дурить головы школьникам, тем более, что очень скоро учебнику про силы придется рассказать. Будет повод вернуться к началу.

Так вот. У жидкостей есть особое свойство - их поверхности представляют собой как бы пленки, в которые "упакована" вся жидкость. Мешочек такой. Реальной пленки, разумеется, нет, это чисто физический эффект, но он настолько заметен, что в живой природе есть организмы, которые умеют буквально "ходить по воде". Например, водомерки. И эта "пленка" равномерно распределена по всей поверхности жидкости, то есть, по ее границе с другой средой. По-научному она называется силой поверхностного натяжения.

Если бы на жидкость не действовали никакие другие силы, то сила поверхностного натяжения собрала бы воду, масло, жидкий водород и расплавленный вольфрам в идеальный шар. Вне зависимости от температуры, плотности и объема. Все видели, как космонавты выпускают воду из бутылок летать в кабине корабля? Здоровенные такие капли получаются. Они не шарообразные, поскольку там и сопротивление воздуха есть, и изначальное ускорение присутствует, да и много чего еще. Но вот как раз работу сил поверхностного натяжения на этих кадрах можно увидеть очень наглядно.

А в чем отличие с "обычными условиями"? В кабине корабля тела находятся в состоянии невесомости, а про невесомость тот же учебник тоже будет рассказывать, только чуть позже. Нет веса, и вуаля - капли сами собираются в шары, да еще какие! Вывод: капли большого размера "в обычных условиях" не выдерживают собственного веса. Он намного больше силы поверхностного натяжения, так что вся жидкость разливается ровным слоем по поверхности блюдца. С маслом будет то же самое.

А что с маленькими каплями? Почему масло собирается в шар, а вода - нет. Так потому что масло хуже взаимодействует с поверхностью блюдца. Это все тот же упомянутый выше эффект смачивания. Молекулы воды охотно притягиваются к молекулам стекла, а вот молекулы масла - нет. Для капелек воды силы притяжения разных молекул хватает, чтобы разорвать поверхностное натяжение, а для капелек масла - не хватает. Вот и весь фокус.

Кстати, автор, а ты не пробовал взять вместо стеклянного блюдца металлическое?.. Ты уверен, что капельки масла у тебя в шар соберутся? Масло смачивает металлы намного лучше, не правда ли, иначе зачем его в двигатели льют?

Теперь, внимательный школьник, подсчитай, сколько разных эффектов и нюансов решил утаить автор, чтобы сообщить тебе, что жидкость имеет форму шара. Как думаешь, если вылить автору на голову ведро воды с достаточно большой высоты, то будет ли вода в момент соприкосновения иметь форму идеального шара? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Дорогой товарищ автор, ты так пишешь, что будто в космосе нашли вещества и соединения, которых нет на Земле. Приведи пример, будь добер, а? В любом состоянии. Не забывай, что агрегатных состояний всего три - сам же написал.

Где вы взяли этого неуча? Молекулы в твердом теле и в жидкости разные? Нет, одни и те же. Так с чего вдруг у них будет разная сила притяжения? Автор, давай, объясняй.

Может расстояния между молекулами жидкости больше, чем в твердом теле? Увы. Берем кусок льда - это вода в твердом состоянии, его плотность равна примерно 0.9 грамма на кубический сантиметр. Плавим лед, получаем воду, ее плотность около 1 грамма на кубический сантиметр, но масса вещества не изменилась, значит, при плавлении льда объем вещества уменьшается. А это что значит? Молекулы жидкой воды расположены плотнее, чем молекулы льда, то есть, в среднем, они находятся ближе друг к другу, и притяжение между ними, по идее, должно быть даже сильнее.

Разница между жидкостью и твердым телом не в силе взаимодействия между молекулами, а в кинетической энергии (да, это не 7 класс) этих самых молекул. Для простоты - в скорости их движения. В твердых телах этой энергии (скорости) не хватает, чтобы молекула могла оторваться от других, хотя очень редко такое тоже возможно.

Но в жидкости средняя энергия молекул больше, чем в твердом теле, и они спокойно могут перемещаться друг относительно друга, хотя сила притяжения остается той же самой. Это немного напоминает запуск ракеты - если ее начальная скорость мала, то ракета упадет на Землю, но если скорость преодолевает некоторый порог, то ракета выходит на орбиту и дальше там свободно летает. Аналогия так себе, но иллюстрация неплохая.

Автор, ты в курсе, как устроена тормозная система автомобиля? Пару параграфов назад ты на машине отправился из Москвы в Орел... ой, не хотел бы я тебя встретить на дороге.

Покрытие дороги, разумеется, влияет на скорость автомобиля, но любой, кто хоть раз садился за руль, знает, что при нажатии на педаль тормоза срабатывают тормозные колодки. Колодки неподвижны относительно автомобиля, но в момент нажатия на тормоз они прижимаются к вращающемуся колесу (точнее, к диску, но это уже детали). Колесо испытывает сильное трение, энергия вращения быстро переходит в тепло, скорость вращения колеса уменьшается, соответственно, уменьшается и скорость самого автомобиля. Где тут покрытие дороги, скажи?

Оно появляется после срабатывания тормоза и носит вторичный, хоть и важный характер. Чем больше трение между колесом и дорожным полотном, тем дольше колесо будет вращаться под действием силы трения, тем больше энергии смогут рассеять тормозные колодки, и тем быстрее остановится автомобиль. В гололед все происходит ровно так же, главная задача шофера - не допустить полной блокировки колес. На сухом асфальте колеса обычно продолжают вращаться даже если полностью выдавить педаль тормоза - работает сила трения. Но вот на льду эта сила намного меньше - достаточно среднего усилия на педаль, и колеса останавливаются (в технике принят термин - блокируются). Автомобиль, как говорят, идет юзом или, иначе, уходит в занос, то есть, просто скользит по поверхности дороги. Именно скользит, а не катится. И только в этом случае действие покрытия дороги на автомобиль начинает играть решающую роль, поскольку тормоза становятся бесполезны. Их задача остановить вращение колес, а если после этого автомобиль продолжает двигаться вперед, то тормоз уже не поможет.

В современных автомобилях устанавливается АБС - антиблокировочная система, предотвращающая полную остановку вращения колес. Катящийся на колесах автомобиль управляем, скользящий - практически нет, для выхода из заноса применяются особые приемы вождения при условии, что у водителя есть для этого время и место.

Действие покрытия дороги на автомобиль не является решающим фактором времени остановки автомобиля, хотя и влияет на него. Гораздо важнее то, насколько эффективно работают тормоза и АБС. Автор, ты взялся физику преподавать, а не рекламные агитки ГАИ цитировать.

Нет, неверно. К центру Земли направлена сила гравитационного притяжения, и это не то же самое, что сила тяжести. Гравитационное взаимодействие в классической механике происходит по прямой, соединяющей центры масс двух тел, так что все верно. А вот сила тяжести в ее классическом понимании складывается из двух разных сил. Первая - это как раз гравитация, а вторая - центробежная сила, возникающая из-за вращения Земли. Вращение Земли оказывает небольшой, но вполне заметный эффект, из-за которого сила тяжести на полюсе больше, чем на экваторе. Естественно, мы считаем Землю идеальным шаром с абсолютно равномерным распределением массы, хотя в реальности это далеко не так.

Дядя, ты пошутил что-ли? Во-первых, в СИ, то есть, в международной системе единиц измерения, нет такой величины как жесткость. Правда-правда, можете сами проверить. Далеко не каждая единица измерения вообще удостоена упоминания в СИ, и жесткость - одна из них. Ньютон есть, метр есть, а зачем в СИ нужен ньютон на метр? Он там, кстати, имеется, но в качестве примера того, как из базовых величин получаются производные. В ньютонах на метр, согласно СИ, измеряется поверхностное натяжение.

Кроме того, жесткость материала может отличаться в зависимости от того, какой вид деформации рассматривается. Изгиб, растяжение, кручение. В случае кручения, например, единицей измерения будет ньютон-метр на радиан.

В общем, что и как доказывать - непонятно, зато вспоминается старый анекдот.

- Гоги, скажи теорему Пифагора.
- Сумма квадратов катетов равна квадрату гипотенузы, учитель.
- Докажи!
- Мамой клянусь
- Садись, пять!

Классика жанра. В одном абзаце у нас Земля и материальная точка, и тело, имеющее очень таки немалые размеры, да так, что в разных регионах ускорение свободного падения имеет разные значения. Шизофрения.

Про то, что сила тяжести включает в себя еще и центробежный компонент, в школе, разумеется, никто не расскажет - не каждый учитель про это знает. А школьник может и не спросить, по какой такой причине ускорение свободного падения на разных широтах отличается. Ну вот так оно устроено. Закон бытия.

А чего нельзя-то? Религия не позволяет? Спорим, можно, причем, очень легко.

В чем хитрость вопроса: рычажные весы - это инструмент, где вес тела давит на одну из чашек, а на другую чашку мы кладем гирьки, вес которых мы знаем абсолютно точно. Как только весы пришли в равновесие, то есть, чашки замерли на одном уровне, мы считаем вес тела равным суммарному весу гирь. Все просто. Автор имеет в виду ситуацию, когда мы катаемся по миру с весами, гирями и периодически взвешиваем тело. Понятно, что в любой точке планеты вес тела будет уравновешиваться одними и теми же гирьками, поскольку, если вес тела меняется, то точно так же меняется и суммарный вес гирь.

Но кто сказал, что это единственный способ взвешивания. Взвешиваем тело на экваторе, а затем переезжаем с экватора в полярную область. Берем с собой весы, хотя это и не обязательно, можно и местные использовать. Главное - взять с собой то же самое тело, изменение веса которого мы хотим узнать, и использовать местные гирьки, вес которых в полярных условиях тоже известен абсолютно точно. 

Уравновешиваем весы на полюсе, и... да - для этого потребуется уже другое количество гирь. Все: разница между показаниями весов на экваторе с экваториальными гирьками и на полюсе с полярными даст нам изменение веса. Всего-то надо иметь два набора гирь, и никакого волшебства.

Я опишу гипотетическую, но вполне реализуемую в эксперименте ситуацию, при которой данное утверждение неверно.

Допустим, некое тело, назовем его мишенью, свободно падает на Землю. Сопротивлением воздуха пренебрегаем, делаем вид, что все происходит в космосе. Кривизной и вращением Земли тоже пренебрежем, все же знают, что она плоская? Шутка.

Падение происходит без начальной скорости с ускорением свободного падения. Например, мы построили высокую башню и сбросили мишень вниз. Начальная скорость - ноль, ускорение - g. Наверное, ускорение будет чуть меньше, но это неважно. Главное, что на мишень действует только сила тяжести, то есть, она находится в невесомости. Одновременно с мишенью с той же башни по параллельной траектории мы сбрасываем пулемет, который летит рядом и расстреливает мишень. Столкновения считаем абсолютно упругими, пулеметчика из гуманных соображений, сбрасывать не будем.

Вопрос: будет ли мишень в моменты столкновения с пулями находиться в невесомости?

Очевидно - да. Она по-прежнему не воздействует ни на какую вертикальную опору или горизонтальный подвес, значит, ее вес по определению нулевой. Однако, в момент столкновения происходит взаимодействие двух тел, и на мишень действует какая-то сила, изменяющая ее траекторию.

Сила действует? Действует. Невесомость при этом не нарушается. Школьная физика не любит силы, которые действуют мгновенно, этот раздел сразу переходит в законы сохранения импульса, энергии и так далее. Тем более, что реальные пули взаимодействуют с мишенью не абсолютно упруго, и вес там на какое-то время появляться будет. Но это была лишь идея, не нравится пулемет - будем использовать лазерный луч. Сила давления света будет понемногу двигать мишень в горизонтальном направлении, но никакого нарушения невесомости мишени при этом не произойдет. Тут уже не докопаться.

А все почему? Потому что нет важного уточнения: никакие силы, кроме силы тяжести, не действуют на тело вдоль вертикальной составляющей траектории его движения.

Мы уже видели, что автор - тот еще автомобилист, и вот те на - опять. Это не выступы, это канавки, то есть главную функциональную роль в рисунке протектора играют не выдающиеся вперед элементы, а прорези между ними. Их роль становится понятна во время дождя и на мокрых трассах с лужами. Есть такой эффект, отлично известный производителям шин, который называется аквапланирование. Эффект сродни скольжению автомобиля по льду, только в этот раз вместо льда - вода.

На сухой трассе канавки не особенно нужны, но на мокрой дороге при въезде в лужу под колесом образуется слой воды, который препятствует нормальному сцеплению с дорогой. Автомобиль начинает как бы плыть по поверхности воды. Эффект длится какие-то мгновения, после чего масса автомобиля позволяет шинам снова коснуться дороги, но, увы, этих мгновений бывает достаточно, чтобы потерять управление. Так вот эти канавки (еще раз - не выступы) служат для того, чтобы при въезде в лужу успеть отвести лишнюю воду из-под колеса. Под весом автомобиля вода вытесняется наружу и не мешает дальнейшему движению.

Все шины проектируются так, что абсолютный приоритет - это безопасность во время движения. Если автомобиль забуксует на старте, он просто никуда не поедет, а вот если он поплывет в луже, то все может закончиться плохо.

Конечно, у шин с рисунком и абсолютно лысых шин различные показатели трения, но это еще непонятно, у кого оно выше.