Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Как-то в США появилась компания «по поставке дождя». Было объявлено, что отныне каждая ферма может заказать себе дождь в должном количестве и требуемой продолжительности.

Это было шарлатанство. Героями истории оказались охотники не за облаками, а за содержимым чужих карманов, умело сыгравшие на надеждах и ожиданиях людей.

Однако настоящая охота за облаками началась и уже дала вполне положительные результаты. Особенно больших успехов в этом направлении добились советские ученые. Так, еще с 1951 года аэрологи из Центральной аэрологической обсерватории начали применять практику «открывания» аэродромов, затянутых облаками. На самолете они подлетали к «закрытым» аэродромам Казани, Саратова, Арзамаса, Перми и других городов и, выпуская в облака несколько килограммов углекислоты, рассеивали их и открывали аэродромы для регулярных взлетов и посадок самолетов.

Теперь в Советском Союзе успешную борьбу с облаками ведут и в интересах сельского хозяйства. На Кавказе и в Молдавии проделывали интересные опыты: палили по градоносным облакам специальными ракетами из многоствольных установок, чем-то напоминающих знаменитые «катюши». Ракеты вводили в облака большое количество мелких кристалликов, не дававших дождевым каплям охладиться до града. В конце концов опасные тучи рассеивались, и небо становилось чистым. Сады и виноградники были спасены.

Великое начинается с малого. Умение улавливать небольшие аэрозоли — первый шаг на пути к победе над облаками. В быту и на производстве сейчас десятки остроумнейших ловушек подстерегают «малые облака», мешающие человеку работать или угрожающие его здоровью. Особенно распространены:

центробежные сепараторы, среди них так называемые циклоны, — аппараты, где отделение плотного от неплотного, твердых частиц от газовой среды производится при помощи закручивания аэрозолей и расслаивания этой среды на две вращающиеся сферы с разным удельным весом;

аппараты налипания, основанные на свойстве частиц прилипать к слегка охлажденным, особенно металлическим поверхностям;

фильтры тканевые и волокнистые — простейшая, но в то же время надежнейшая разновидность пылевых ловушек;

ванны-барботеры, приспособленные для промывания в целях очищения от пыли запыленных газовых потоков;

звуковые и ультразвуковые коагуляторы (буквально «слипатели»), в которых правильно подобранное акустическое облучение ускоряет процесс слипания частиц;

электрофильтры — аппараты, в которых склонность частиц к прилипанию усиливается во много раз их искусственной электризацией.

Из перечисленных ловушек всего эффективнее обычные тканевые или волокнистые фильтры. К сожалению, у них существенный недостаток: высокие сопротивления движению загрязненного потока.

Интересную идею разработал эстонский инженер Семен Лазаревич Эпштейн. Он предложил перегораживать путь движения аэрозолей в аппаратах не неподвижным фильтром, как обычно, а завесой из сыплющегося вниз тяжелого взвешенного порошка. Движение фильтрующих частиц увеличивает вероятность столкновения частиц аэрозолей с фильтром, то есть делает последний как бы более густым. В то же время фактически между фильтрующими частицами остаются большие промежутки для прохода газа, а отсюда — незначительное сопротивление его движению.

Человек научился обуздывать и частицы покрупнее тех, что текут по трубопроводам и аппаратам. Ограничимся одним, но очень интересным и поучительным примером.

Страшен взрыв в каменноугольной шахте! Он быстр, внезапен и грозит большими бедствиями. Чем его остановить? Оказывается, это можно сделать с помощью аэрозоля.

Было установлено, что поднимаемая взрывной волной пыль (обычно известняковая) останавливает распространение взрыва. Важно лишь, чтобы применяемый для этой цели порошок хорошо распылялся. И вот стали делать так: добавлять к измельченному известняку полпроцента сажи. Сажа уменьшает силу сцепления известняка и улучшает распыляемость его при взрыве. Полученную смесь щедро рассыпали во всех местах, где могли скопиться газы или куда могла дойти взрывная волна.

С аэрозолями здесь стараются бороться аэрозолями же. Смекалкой превращают еще одну их разновидность в помощников человека.

Твердое — первое состояние вещества

Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир построен из четырех стихий, или элементов: земли, воды, воздуха и огня. Учение Эмпедокла разделяли многие ученые древности, в том числе и Аристотель. Потом оно проникло в средние века и тоже пользовалось признанием.

А ведь если чуть перефразировать, сказать вместо Эмпедокловых «стихий» — «состояния», мы, пожалуй, согласились бы, что древние верно видели природу. Ведь и мы считаем, что вещество бывает в четырех состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы.

Среди причин, обусловливающих то или иное состояние, одна из первых, разумеется, температура: при очень низкой температуре станет жидким, а потом и твердым телом воздух, а при достаточно высокой испарится любой металл. Наша жизнь протекает при не слишком больших колебаниях температуры: скажем, если брать две крайности в природе — от минус 50 до плюс 40, — перепад в 90 градусов. Но это такой перепад, в котором вещества встречаются в разных состояниях.

Конечно, живи мы на Луне, естественные контрасты выступали бы сильнее: там разница суточных колебаний такова, что жители Луны могли бы днем купаться в расплавленной сере (плюс 129,5 градуса), а ночью кататься на коньках по замерзшему спирту (минус 127,5 градуса). Но мы живем в условиях высоких научных достижений и не нуждаемся в помощи природы, чтобы посмотреть, как выглядит вещество при сильных колебаниях температуры.

Ученые получают в лабораториях температуру ниже минус 273 градусов, всего на несколько десятитысячных градуса выше абсолютного нуля, предельно низкой в природе температуры (равной приблизительно минус 273,16 градуса; при этой температуре прекращаются все механические, или тепловые, движения молекул, остаются лишь особые движения, связанные с наличием так называемой нулевой энергии, открытой квантовой теорией). Наряду с такими низкими температурами в лабораториях достигают и невероятно высоких температур. Советскими учеными проведены эксперименты, в которых получалась устойчивая дейтериевая плазма с температурой 60 миллионов градусов.

Огромное большинство окружающих нас твердых тел представляют собой кристаллы — иногда в виде отдельных больших кристаллов, но чаще в виде очень прочно сцепившихся между собой мелких (бывает меньше тысячной доли миллиметра) кристаллических зернышек. Некристаллы — это стекло и пластмассы. Но, может быть, и их следовало бы отнести если не к кристаллам, то, по меньшей мере, к кандидатам в кристаллы. Известно много случаев, когда с течением времени стеклянные вазы в музеях постепенно теряли прозрачность, кристаллизовались. Кристаллизуются, простояв довольно долгое время, и другие, сперва некристаллические изделия.

Отличительная особенность кристаллов — их правильное, симметричное построение. Симметрично выглядит снаружи отдельное кристаллическое зернышко, симметрично и внутри расположение каждой частицы по отношению ко всем другим.

Если бы мы решили с помощью воображения прогуляться внутри кристалла и шли бы, никуда не сворачивая, все время прямо, то, попадая в разные местности, мы обнаруживали бы смену пейзажей лишь определенное, сравнительно небольшое, число раз. Потом все начиналось бы сначала, в той же последовательности.

Кристалл неоднороден по свойствам в разных направлениях: его прочность, электрические и оптические свойства, проводимость тепла в одних направлениях отличаются от этих свойств в других направлениях. Такая особенность кристаллов называется анизотропией. Некристаллические твердые вещества (стекло, пластмассы, — их называют еще аморфными веществами, что значит бесформенные), а также жидкости и газы изотропны («изо» по-гречески — «одинаково», а «тропос» — «направление»): их свойства одинаковы во всех направлениях.

Какие силы заставляют кристаллические тела сохранять неизменными свои формы? Даже не вдаваясь еще в детали этого вопроса, можно сказать уверенно, что там должны быть два рода сил — притяжения и отталкивания. Если бы не было первых, кристалл рассыпался бы на части, не будь вторых — он уменьшился бы в размерах и достиг фактически ненаблюдаемых плотностей.

А что происходит при нагревании кристаллического тела? Атомы начинают интенсивнее двигаться, но так как из-за действующих в твердом теле сил притяжения они не могут оторваться один от другого, они колеблются вокруг своих средних, равновесных положений.