Горизонты техники для детей, 1964 №8 (27) - [5]
Повозка с колесами в виде дисков.
На таких повозках ездили древние ассирийцы.
Ассирийскую телегу тянули волы.
Древняя повозка с конной упряжью.
Римская повозка, изображенная на древнем саркофаге.
Японская двуколка, в которую впрягались рикши.
Физика вокруг нас
Накачивая камеру велосипедного насоса, вы, наверное, заметили, что насос быстро разогревается, причем довольно сильно. Некоторые считают, что это происходит в результате трения поршня насоса о стенки. Правильно, всякое трение сопровождается выделением тепла, благодаря чему, например, можно очень просто разогреть руки потиранием ладони о ладонь. В данном же случае с насосом трение невелико, так как насос обильно смазан для достижения контакта между поршнем и стенками насоса.
Причиной разогрева насоса является сжатый воздух.
Почему сжатие воздуха вызывает повышение температуры?
Все тела, как вам известно, в том числе и газа, состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. На рисунках мы будем изображать их в виде шариков, действительная же форма весьма разнообразна и порой довольно сложная. Шарики-молекулы настолько малы, что в одном кубическом сантиметре газа находится 27 миллиардов миллиардов молекул (27 с восемнадцатью нулями).
Казалось бы, что молекулы располагаются, как селедки в бочке: плотно по отношению друг к другу. В действительности же расстояние между ними достаточно велико по сравнению с их размерами, поэтому молекулы могут свободно передвигаться. Молекулы газа, например, находятся в непрерывном движении и между ними почти не существует взаимодействия. В связи с этим газ не образует никаких капель, кусочков и т. п.
В жидкостях имеется уже довольно большое притяжение молекул; отсюда понятно появление капель, луж, рек и даже морей. В твердых телах взаимодействие молекул очень велико. Стремление молекул к движению в твердых телах выражается в том, что они колеблются на своих местах вокруг некоторой средней точки, называемой узлом.
Давайте, однако, вернемся к газам, а точнее к воздуху, который является смесью газов. В своем хаотичном движении молекулы газа часто сталкиваются, изменяют направление движения и скорость. Скорость одной молекулы измерить нельзя, поэтому всегда говорится лишь о средней скорости. Довольно важным свойством является зависимость скорости от температуры газа, а точнее: чем больше средняя скорость молекул, тем выше температура газа. Между средней скоростью и температурой газа существует строгая зависимость.
Как мы уже говорили, средние скорости движения молекул можно измерить, как, например, можно измерить средний вес одной рыбы в аквариуме, где имеется несколько десятков рыб.
Измеренные скорости движения молекул оказались удивительно большими. Скорость молекулы воздуха равна 500 метрам в секунду (спортсмен-спринтер делает не более 10 метров в секунду).
Беспорядочное движение молекул газа является источником тепла. Обладая большой скоростью, маленькие (с малой массой) молекулы несут такую энергию, что человек ощущает её как теплоту воздуха. Теплота газа и энергия движения молекул — это два выражения одного и того же ощущения теплоты воздуха.
Молекула сама по себе не обладает какой-либо температурой, а несет в себе лишь кинетическую энергию, которая измеряется термометром как теплота (очень неточным термометром является поверхность нашего тела вместе с нервной системой).
Давление воздуха возникает в результате движения молекул. Каждая молекула, ударяясь об имеющуюся на её пути преграду, передает свой толчок. Сумма толчков молекул и есть давление. На уровне моря давление воздуха равно 1 атмосфере, то есть 1 кг на квадратный сантиметр поверхности преграды.
Зная, что такое давление и температура воздуха, выясним теперь, почему же нагревается наш насос.
При вдвигании поршня в цилиндр насоса количество молекул, находящихся в воздухе и движущихся с некоторой средней скоростью, вынуждено занять гораздо меньший
объем. Молекулам становится тесно. Они начинают чаще наталкиваться одна на другую, энергичнее и чаще стучаться о стенки насоса. Чем больше сжимается газ, тем сильнее его молекулы добиваются своих прав на свободное и беспрепятственное движение. Это ощущается термометром или просто рукой человека как повышение температуры газа. Горячий газ вполне можно назвать агрессивным.
Рассуждая аналогично, нетрудно прийти к заключению, что при разряжении воздуха температура его понижается. Это можно проверить, приставляя палец к ниппелю камеры при выпускании воздуха. Ниппель будет холодный.
Эти свойства газов нашли широкое применение в технике. В дизельных двигателях, например, горючая смесь зажигается не от искры, создаваемой свечой, а в результате такого сжатия воздуха, при котором его температура возрастает на несколько сот градусов, в результате чего горючая смесь загорается.
На использовании принципа охлаждения при разрежении газа работают холодильники.
Свойства "воздуха играют огромную роль также и в природе. Атмосфера — этот великий океан окружающего Землю воздуха подчиняется законам, о которых мы с вами уже знаем. Массы воздуха довольно редко находятся в спокойном состоянии. Чаще всего человек наблюдает ветер — движение масс воздуха в горизонтальном и вертикальном направлениях. Если бы воздух не охлаждался при разрежении, не было бы дождей. Нагретый воздух поднимается вверх, где давление ниже. При охлаждении из воздуха выделяется в виде мельчайших капель вода, которая всегда присутствует в воздухе. Из капелек воды образуются облака, возникновение которых удобнее всего наблюдать в жаркую летнюю погоду.
