Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Физика»Содержание №23/2009

Материал к уроку

Почему же, почему?..

рис.1? Какой должна быть пушка, чтобы запустить спутник на орбиту?

Ответ. У жерла каждой пушки есть диаметр и длина. Диаметр в данном случае важен лишь с той точки зрения, что чем больше диаметр снаряда, тем больше сопротивление воздуха. Можно, однако, сделать узкий снаряд, и запускать его в оболочке по размеру широкого ствола, чтобы он легко двигался нём. По данным NASA, пушка со стволом длиной в 1 милю (1,6 км) могла бы «запустить» спутник, если он выдержит ускорение 4000g. Действительно, предположим, что снаряд движется в стволе с постоянным ускорением a (м/c2). Его скорость υ = at (м/c), а путь s = (at2)/2 (м). Отсюда υ2 = 2as. При длине ствола около1600 м скорость снаряда на вылете должна быть 11 300 м/с, т.е. υ2 ≈ 128 000 000 (м/с)2a ≈ 40 000 м/c2 ≈ 4000g.

NewScientist.com.27Jul2009

рис.2? Я слышал, что в сырую погоду, в частности, в тропиках, где высокая влажность, ветер сильнее действует на парус, потому что масса влажного воздуха больше, чем сухого того же объёма. Следовательно, и сила, действующая на парус, больше при равных скоростях ветра. Можно ли это подтвердить математическим расчётом?

Ответ олимпийского чемпиона в классе «Лазер» Пауля Гудисона. Сейчас яхтсмены предпочитают тканым парусам ламинатные, т.к. последние практически не пропускают воздух. Это, конечно, не прямой ответ на вопрос, но всё же отчасти проясняет ситуацию. Как правило, холодные ветра дуют ровнее, чем тёплые и влажные, к тому же в них меньше вихрей. Это очень заметно при плавании во внутренних водах. Каждый яхтсмен знает, что для достижения хорошего хода надо настраивать такелаж (паруса и рангоут) под конкретный ветер, а настроиться легче, если ветер ровный. Чемпионы как раз и отличаются от просто хороших гонщиков тем, что умеют подстраивать такелаж даже при непрерывно меняющемся ветре. В гонках на короткие дистанции плотность воздуха – слабый фактор, т.к. она остаётся постоянной. Гораздо большее влияние на ход оказывают изменение силы, скорости и направления ветра. В итоге я бы сделал такой вывод: при холодных ветрах ход лучше, чем при тёплых. Во-первых, вопреки интуитивным предположениям холодный воздух более плотный, во-вторых, он позволяет легче настраивать паруса, поскольку дует ровно, без порывов. К этим выводам я пришёл в результате многих лет занятий парусным спортом.

Ответ 2. Яхта движется за счёт энергии ветра, потому что воздушный поток с одной стороны паруса отклоняется и замедляется, тем самым создаётся разность давлений и возникает движущая сила (в случае летательных аппаратов она называется подъёмной). Если воздух более плотный, то и движущая сила больше. Однако вряд ли влажность играет большую роль. Более значительно влияние атмосферного давления. Например, в Карибском море в сезон ураганов оно может падать до 607 мм рт.ст. при 30 °С (плотность воздуха 0,92 кг/м3), а зимой в Норвегии повышаться до 815 мм рт.ст. (плотность 1,31 кг/м3), так что энергия карибского ветра составляет лишь 2/3 от норвежского.

Ответ 3. Парус является движителем, поскольку имеет форму крыла. Движущая сила равна произведению динамического давления q на аэродинамический коэффициент и на поверхность паруса, а q = ρυ2, где ρ – плотность воздуха, υ – скорость потока. Плотность газа пропорциональна его молекулярному весу. Воздух состоит из N2 (80%, мол. вес М = 28), O2 (примерно 20%, М = 32), в среднем М = 29. Во влажном воздухе содержатся пары воды, её М =18, т.е. влажный воздух менее плотный, чем сухой. Поэтому и ход яхты при прочих равных условиях при сырой погоде будет хуже.

Ответ 4. Метеорологи используют понятие виртуальной температуры Tυ. Это температура (в кельвинах), которую должен иметь сухой воздух при данном барометрическом давлении р, если его плотность равна плотности влажного воздуха при том же давлении: Tυ = T (1 + r/e)/(1 + r), где r – масса водяных паров (в г) в 1 г сухого воздуха, е = 18/28,966. Всегда Tυ > T.

Ответ 5. Так-то оно так, но мяч при игре в гольф в сырую погоду летит хуже, чем в ясную.

Ответ 6. В случае с гольфом скорее всего дело в том, что при уменьшении плотности среды, в которой летит мяч, лобовое сопротивление действительно уменьшается, но уменьшается и подъёмная сила, возникающая при кручёном ударе. Поэтому и высота подъёма мяча, и дальность его полёта меньше.

Ответ 7. Армейские парашютисты точно знают, что в сырую погоду спуск значительно медленнее, чем в сухую.

Ответ 8. Может быть, когда влага оседает на парусах, они меньше пропускают воздух? Как-то я был в Шри-Ланке, и местные рыбаки взяли меня в море. Я заметил, что они для лучшего хода старались намочить паруса, брызгая на них водой. Паруса у них, правда, были тканые, а сейчас на спортивных яхтах ставят ламинатные, без пор.

NewScientist.com.10Jun2009

? Почему мы не можем направить наши телескопы, с помощью которых рассматриваем галактики, удалённые от нас на много световых лет, на Луну и рассмотреть там следы астронавтов? Ведь многие сомневаются в том, что люди были на Луне, а это было бы явным доказательством, тем более что скоро 40-я годовщина посещения.

Ответ 1. С помощью телескопа Хаббл на Луне можно рассмотреть детали размером не меньше 70 м. Чтобы увидеть следы, необходим телескоп с апертурой 250 м.

Ответ 2. Самым прямым доказательством того факта, что люди побывали на Луне, является наличие на нашем спутнике лазерного уголкового отражателя, который уже 40 лет служит для точного измерения расстояния Земля–Луна.

NewScientist.com.08Jul2009

Пер. с англ. Н.Д.Козловой