Билеты 6, 18

1. Много и плодотворно занимался изучением различных физических явлений бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике (1602 – 1686). В 1650 г. Отто фон Герике изобрёл воздушный насос и в мае 1654 г. осуществил опыт, который неопровержимо доказал существование атмосферного давления.

Для опыта подготовили два металлических полушария, одно из которых имело трубу для откачивания воздуха. Их сложили вместе, между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском. С помощью насоса откачали воздух из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелось прочное железное кольцо. Две восьмёрки лошадей, впряжённых в эти кольца, потянули в разные стороны, пытаясь разъединить полушария, но это им не удалось. Когда внутрь полушарий впустили воздух, они распались без внешнего воздействия.

1 октября 1963 года в Магдебурге, на родине великого естествоиспытателя, на площади перед ратушей был полностью повторён исторический опыт. Изготовили всё, как в 1654 году. Все действующие лица надели костюмы XVII столетия. Шестнадцать лошадей пытались разъединить полушария – и всё напрасно! Только после того, как девочка школьница повернула кран и впустила внутрь полушарий воздух, они сами собой распались.

Полушария сжимала сила атмосферного давления. Чем больше воздуха выкачивали из полости, образованной двумя полушариями, тем сильнее они прижимались друг к другу силой атмосферного давления. Проникновению воздуха в полость, образованную полушариями, мешало пропитанное воском кожаное кольцо.

Интересно отметить, что «магдебургские полушария» имеются у каждого человека: головки бедренных костей удерживаются в тазовом суставе атмосферным давлением.

2. В физике тепловых явлений к концу ХVIII века сложились представления о том, что теплота есть форма проявления кинетической энергии частиц вещества. Для количественной оценки их связи необходимо было знать тепловые свойства веществ, в частности как (на сколько градусов) повышается температура различных материалов при подведении к ним одинаковых количеств теплоты, т.е. фактически речь шла об измерении удельной теплоёмкости вещества. Первые её измерения произвёл шотландский учёный
Дж. Блэк.

В одинаковые сосуды, находящиеся на одном и том же расстоянии от огня, были налиты равные объёмы воды и ртути. Наблюдение велось за скоростью нагревания. Блэк ожидал, что температура ртути будет повышаться медленнее, так как её масса была гораздо больше. Результат эксперимента поразил учёного: температура ртути повышалась вдвое быстрее. Впоследствии это было объяснено зависимостью удельной теплоёмкости химических элементов от их атомного веса: чем тяжелее элемент, тем меньше его удельная теплоёмкость.

3. Справедливость первого закона термодинамики для биологии можно доказать, если живой организм изолировать от окружающей среды, измерить количество выделенной им теплоты и сравнить его с тепловым эффектом биохимических реакций внутри организма. С этой целью ещё в 1780 году Лавуазье и Лаплас помещали морскую свинку в калориметр и измеряли количество выделенной теплоты и углекислого газа. После этого определяли количество теплоты, выделяющееся при прямом сжигании исходных продуктов питания. В обоих случаях получались близкие значения.

Более точные результаты были получены при измерении количеств теплоты углекислого газа, азота и мочевины, выделенных человеком. На основании этих данных вычисляли баланс обмена белков, жиров и углеводов. И здесь совпадение оказалось достаточно хорошим.

В настоящее время калориметрические измерения позволяют делать важные выводы о жизнедеятельности человека, давать направление к диагностике некоторых заболеваний.

Недавно создан тепловизор – прибор, наглядно показывающий температурные изменения в теле человека. Этот метод позволяет распознавать самые разные недуги, связанные с воспалительными процессами, сопровождающимися повышением температуры данного участка тела.

4. Рассвет над итальянским городом Флоренцией ещё только занялся, но слуги великого герцога уже готовились к празднеству. Главный сюрприз – новый фонтан. Струи фонтана, словно серебряные колонны, опояшут террасу замка. Но прошёл назначенный час и ещё час. А из фонтана не пробилось и капли воды. Оказалось, что вода ни с того ни с сего вдруг перестала подниматься и остановилась на высоте около десяти метров. Как ни старались мастера, вода, достигнув прежнего уровня, останавливалась. Праздник был испорчен.

Около трёх лет прошло со дня злополучного празднества в замке герцога Тосканского. Но о фонтане, который так и не сумели пустить, не забыли. Размышлял об этом и придворный математик Эванджелиста Торричелли.

«Вода,- рассуждал Торричелли, - держалась всё время на одном уровне, словно груз на чашке весов, уравновешенный таким же грузом. Что же это за таинственный «груз»? Для того чтобы уравновесить столб воды в трубах фонтана, он должен находиться над поверхностью пруда. Значит, это – воздух. Другого ответа быть не может».

Это было ещё только предположение, догадка. Доказать справедливость мог только опыт. Опыт, воссоздающий случай с герцогским фонтаном.

Допустим, «прудом», из которого брали воду, мог стать любой сосуд с жидкостью. А трубы? Для опыта нужно брать трубу длиной около двадцати метров, к тому же стеклянную, чтобы наблюдать за процессом. Нет, пользоваться такой трубкой неудобно: того и гляди разобьёшь. Но и уменьшить трубку как будто нельзя. «А что если заменить воду каким-нибудь веществом потяжелее? – подумал Торричелли. – Его понадобится гораздо меньше, чем воды. Достоверность опыта не пострадает, а провести его будет гораздо проще». Учёный заменил воду «живым серебром» - ртутью. Она в тринадцать с лишним раз тяжелее воды. Значит, можно было взять трубку значительно короче. И вот, наконец, всё готово.

На дощатом столе стеклянная, запаянная с одного конца трубка длиной около полутора метров. Она наполнена ртутью. Рядом - стеклянный сосуд. Достаточный запас «живого серебра».

Торричелли закрыл пальцем открытый конец трубки, перевернул её и погрузил в сосуд с ртутью. Затем отнял палец – ртуть из трубки не вылилась. Столбик ртути застыл на высоте семьдесят шесть сантиметров, считая от поверхности ртути в стеклянном сосуде. Для воды эта высота должна составлять как раз около десяти метров. Торричелли несколько раз повторял опыт. То пользовался сосудом высоким, то круглым, то с шарообразным утолщением. Уровень ртути в трубке оставался неизменным.

Теперь существование давления воздуха можно было считать доказанным. А вместе с тем появился и способ его измерения.

5. Какова форма капель? Силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить поверхность жидкости, однако, обычно встречают противодействие со стороны других сил. Шар имеет наименьшую из всех фигур поверхность при заданном объёме, но капля жидкости почти никогда не является шаром. Когда капля покоится на неподвижной горизонтальной поверхности, она оказывается сплющенной. Сложную форму имеет падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в невесомости, принимает совершенную сферическую форму.

Устранить действие силы тяжести при изучении поверхностного натяжения жидкостей впервые догадался в середине XIX века бельгийский учёный Ж. Плато. Плато просто предложил уравновесить силу тяжести архимедовой выталкивающей силой. Он поместил исследуемую жидкость (масло) в раствор, обладающий такой же плотностью, и, как пишет его биограф,
«с удивлением увидел, что масло приняло сферическую форму; он тотчас же применил своё правило «вовремя удивляться», и это явление послужило затем для него предметом долгих размышлений».

Для того чтобы увидеть это необычайное явление, можно «повторить» опыт Плато. Для этого необходимы пробирка, спирт, чернила, масло, пипетка, чистая вода. В пробирку наливают до середины спирт, слегка подкрашенный, например, чернилами для авторучки. С помощью глазной пипетки вводят в пробирку каплю масла диаметром приблизительно 5 мм. Наблюдают, как она, чётко выделяясь, медленно погрузится на дно пробирки со спиртом и примет овальную приплюснутую форму. Глазной пипеткой подливают в пробирку чистую воду и, слегка помешивая её той же пипеткой, добиваются необходимой плотности воды и спирта. Подливать воду надо очень осторожно, сначала тонкой струйкой, а затем по каплям. При этом капля масла постепенно будет подниматься со дна пробирки, принимать форму шара и плавать внутри раствора.

Если ввести внутрь капли кончик нетолстой проволочки с петелькой и заставить медленно повёртываться, то можно увидеть, что форма капли строго сферическая. При разделении капли на две – три части, можно убедиться, что каждая из них принимает форму шара.

Опыт Плато можно показать и с другими жидкостями.