ФИЗИКА НА ПЛЯЖЕ

Давайте совместим отдых на пляже с рассмотрением физической сущности происходящих при этом явлений. Привычное чудо - солнечный свет. Благодаря ему мы, не прикасаясь к предметам, имеем представление об их форме, взаимном расположении и характере их поверхности. Свету мы обязаны многоцветьем мира. А на пляже наслаждаемся солнечным теплом - энергией электромагнитного излучения Солнца.

Напомним, что между источником излучения - Солнцем и нашей Землей лежит 150 миллионов километров почти полного вакуума. Электромагнитное излучение преодолевает это расстояние за восемь минут почти без потерь, ощутимо нагревая все предметы на пляже.

Подставив тело жарким лучам, представим, какую же мощность имеет их источник - термоядерный реактор Солнце, если ослабление расходящегося от него излучения пропорционально квадрату расстояния и на долю Земли приходится только около половины миллиардной части (0,45.10-9) его излучения. Но и этого вполне достаточно для создания благоприятного климата и условий жизни на планете.

Спектр излучения Солнца шире видимой области. Воздействию лежащих за ее коротковолновой границей ультрафиолетовых лучей мы обязаны появлением загара на коже.

Сравните, как нагрелись под солнцем белое полотенце и черный мяч. Если светлые предметы нагрелись относительно слабо, то темные почти обжигают при прикосновении к ним. Почему?

Цвет тел зависит от того, как их поверхность отражает электромагнитные волны. Предметы, которые поглощают электромагнитные волны всего, в том числе видимого, диапазона, испускают инфракрасные, тепловые лучи. Они воспринимаются нами как темные. Отражающие видимый свет - как светлые. Поэтому-то темные предметы нагреваются гораздо сильнее светлых: они поглощают больше энергии. Тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому при их соприкосновении также путем теплопроводности. Теплопроводность материалов, покрывающих пляж, будь то песок или галька, невелика. Стоит в самый жаркий день разрыть нагретую поверхность, как доберешься до лежащих под ней холодных слоев. Не зря врачи предупреждают: если долго лежать на одном месте даже в жару, можно простудиться. И виновата в этом теплопередача между телом человека и отбирающими тепло холодными слоями песка.

Посмотрим на другое чудо природы - обычную воду и ее, казалось бы, очевидные для нас, но на самом деле удивительные свойства.

Вода, в отличие от твердых тел, легко меняет свою форму, но, в отличие от воздуха, оказывает при этом ощутимое сопротивление движению и сохраняет постоянный объем.

Твердые тела сохраняют форму и объем благодаря большим силам взаимодействия, удерживающим составляющие их частицы на строго определенных местах. Для разрушения требуется большая сила, и оно почти всегда необратимо. В газе молекулы беспорядочно перемещаются и взаимодействуют лишь при соударениях.

В воде (и в других жидкостях) молекулы связаны силами меньшими, чем в твердых телах, и довольно легко перемещаются. Поэтому вода способна изменять форму, но сохраняет постоянным объем. Именно благодаря этому можно легко входить в воду и двигаться в ней, плавая и ныряя, а также разделять ее на порции, обливаясь и брызгаясь.

Ощущение почти полной невесомости - наиболее яркое впечатление при купании - результат действия выталкивающей силы.

Плавая в жидкости, любое тело замещает, вытесняя, определенную ее массу. А так как та находилась в равновесии, ибо ее сила тяжести (вес) уравновешивалась выталкивающей силой со стороны окружающей жидкости, то и на любое плавающее тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом (см. "Наука и жизнь" № 5, 2003 г.).

... А теперь пора в воду.

Если спуск на глубину идет по склону, покрытому острыми камешками, то по мере погружения в воду камешки режут ступни босых ног все меньше. От неприятных ощущений спасает выталкивающая сила, из-за действия которой уменьшается вес тела, а значит, и его давление на дно.

Пловцы высокого класса на соревнованиях поднимают голову над водой только для вдоха, а выдох делают в воду. И это не прихоть, а необходимость. Дело здесь в учете действия выталкивающей силы. Благодаря ей взрослый человек массой 75-80 кг весит при полном погружении тела в воду всего 4-5 кгс. Но стоит ему приподнять голову и плечи над поверхностью, как вес его увеличивается до 30-35 кгс. И пловцы стараются не тратить лишние силы, чтобы удержаться на плаву.

... Какое же купание без прыжков в воду? Но прыгунов наряду с удовольствием подстерегает неприятность - соударение с водой, кратковременный процесс торможения ею прыгуна. Торможение может быть резким или плавным, в зависимости от скорости прыгуна и конфигурации его тела в момент соприкосновения с водой. Чем выше скорость (чем с большей высоты совершен прыжок) и чем больше площадь касания тела с водой в начальный момент погружения, тем резче торможение и, следовательно, болезненней соударение с водой. Поэтому прыжки в воду с возвышения следует совершать не распластавшись, а головой или ногами вперед - "ласточкой" или "солдатиком".

Если нет желания прыгать, можно провести менее масштабный опыт воздействия на воду: ударьте по поверхности водоема сначала плоскостью ладони, а затем ее ребром. При резком ударе ладонью можно отбить руку! А сопротивление воды очень сильно зависит от скорости движения. Если в воде двигаться медленно, сопротивление почти не чувствуется. Но с ростом скорости сила сопротивления резко возрастает, и в какой-то момент уже не хватает сил, чтобы двигаться быстрее. Многие рыбы, правда, способны развивать огромную скорость: тунец - до 90 км/ч, меч-рыба - до 120 км/ч, но они "умеют" сильно понижать сопротивление воды (см. "Наука и жизнь" № 12, 2001 г.).

... Среди гальки обязательно найдутся плоские камешки, которыми можно пускать "блинчики" по воде. Почему брошенные плоской стороной вдоль поверхности воды камни не тонут сразу, а рикошетом прыгают и даже скользят по поверхности воды?

Чтобы вода отбросила камень, нужно, чтобы он не смог преодолеть ее инертность, или, проще говоря, вода не успела расступиться перед камнем за время удара. Для этого необходимо ограничить силу и время вертикального воздействия камня на воду, то есть выбрать камень с большой площадью и, следовательно, малым давлением на поверхность воды, и создать небольшую вертикальную составляющую скорости камня при значительной горизонтальной. Камень быстро проскакивает место очередного удара о воду, совершая несколько прыжков.

Рикошет от воды в прошлом использовали в военном деле. Он позволял канонирам морских орудий повышать дальность стрельбы в 2-3 раза. По свидетельствам очевидцев тех лет, ядра, выпущенные по настильной траектории, прыгали с волны на волну, поражая суда противника вблизи их ватерлинии.

... Вот вы достигли глубины, где можно плавать, нырять и брызгаться вволю.

Наберите пригоршню воды и бросьте ее в воздух. От ладони оторвется бесформенный комок. И поскольку в полете этот комок находится в состоянии невесомости (как и любое свободно падающее тело), за его формирование берется сила поверхностного натяжения. Она возникает из-за особых свойств поверхностного слоя воды, благодаря взаимодействию молекул в котором вода как бы находится в упругой сжимающейся оболочке. Сила поверхностного натяжения стремится максимально сократить поверхность воды. В тонких местах комка и его отростков образуются перетяжки, и он разбивается на множество шариков-брызг, ибо шар имеет минимальную поверхность для данного объема вещества.

А теперь наберите в ладони воду и выпустите ее тонкой струйкой. Льющаяся струйка заметно сужается: наглядный пример того, что свободное падение тел происходит с ускорением. Поскольку струя неразрывна, то в единицу времени через ее сечение внизу и вверху проходят одинаковые объемы воды. А поскольку скорость растет, диаметр струйки уменьшается.

Не забывайте, что вода, обладающая большой теплоемкостью и сравнительно низкой температурой, непрерывно отбирает тепло у вашего тела. И чем больше разница температур между телом человека и водой, тем быстрее идет этот процесс. Чтобы восполнить потерю тепла, нужно энергично двигаться и не доводить себя до появления озноба.

А теперь на прогретый песок, под жаркие лучи солнца!

Вы энергично растираетесь полотенцем, поворачиваетесь к солнцу то одним, то другим боком и чувствуете, как по телу разливается приятное тепло. Если же вы не вытерли кожу, да еще подул ветер, то сразу ощутите неприятный холод. Испарение воды с влажной кожи сопровождается понижением температуры тела, так как оно теряет тепловую энергию. Самые быстрые молекулы воды тратят часть своей кинетической энергии на совершение работы выхода (преодолевается сопротивление поверхностного слоя воды), а остаток уносят с собой. При ветре теплоотдача усиливается: воздух уносит испарившиеся с тела молекулы воды, а с ними и тепловую энергию.

А задумывались ли вы, почему, выйдя из воды, человек вообще должен сохнуть? Почему вода остается у него на коже после купания, а не скатывается?

Дело в том, что кожа человека, в отличие, скажем, от покрытого жиром оперения водоплавающих птиц, смачивается водой - молекулы воды притягиваются силами межмолекулярного взаимодействия к коже сильнее, чем друг к другу. Также благодаря смачиванию становится возможным вытираться полотенцем. Молекулы воды притягиваются к ткани полотенца сильнее, чем к коже, и переходят при вытирании с кожи на полотенце. Представим, что полотенце сшито из синтетической ткани, отталкивающей воду. Тогда оно просто размазывало бы воду, не впитывая ее.

Продолжим разговор о смачивании, тем более, что одно из его проявлений во время пребывания на пляже находится в прямом смысле у вас под ногами.

Если начать раскапывать сухой песок на пляже (что мы уже делали), то очень скоро дойдем до влажного песка. И чем глубже копать, тем больше воды в нем будет, несмотря на то, что уровень водоема расположен гораздо ниже. В зависимости от размеров песчинок вода поднимается на высоту 30-60 сантиметров!

Здесь мы имеем дело с капиллярным явлением, основанным на поверхностном натяжении воды и ее смачивающем свойстве. Неплотно прилегающие друг к другу песчинки образуют множество узких ходов - капилляров. Вода смачивает песчинки, обволакивает их и поднимается по стенкам капилляров за счет значительных сил молекулярного притяжения. Чем уже капилляры (мельче песчинки), тем меньше масса находящейся в них воды и соответственно на большую высоту она может подняться.

А теперь понаблюдаем в деталях, как происходит смачивание сухого песка. Высыпем на мелководье горку сухого песка и проследим за границей между сухим и влажным песком. Вода, смачивая песок, поднимается по капиллярам конуса-горки. Она охватывает и втягивает, укладывая с максимальной плотностью, одну песчинку за другой. Основание конуса, где песок уже намок, получается более пологим и плотным, чем его сухая вершина.

Сила молекулярного притяжения довольно велика. Именно она позволяет строить дворцы и крепости на пляже и в песочнице. Возведенные из сырого песка затейливые сооружения, высохнув, неминуемо осыпаются. Вся игра детей с формочками и влажным песком основана на силе молекулярного взаимодействия между песком (строительным материалом) и водой (связующим веществом) (см. "Наука и жизнь" № 6, 1998 г.). Это утверждение нетрудно проверить, попытавшись построить что-то из песка под водой: ничего, кроме пологих холмов (словно из сухого песка), не получится, так как сила взаимодействия с водой уже не скрепляет песчинки друг с другом. Вода находится теперь не только между песчинками, а со всех сторон окружает их, действие молекул воды на песчинки взаимно уравновешивается.

Пройдите по полосе сырого песка у воды. Обратите внимание на возникающие вокруг ступней валики светлого, не содержащего воды песка, которые вскоре темнеют, пропитываясь водой (см. "Наука и жизнь" № 9, 1978 г.).

Посветление песка объясняется просто: в выдавленном вверх песке расстояния между соседними песчинками увеличиваются и содержавшаяся в нем вода уже не может заполнить пустоты, особенно снаружи. Происходит разрушение прежних капилляров, а на подъем новой порции воды и восстановление капилляров нужно время. Сам же механизм выдавливания песка довольно любопытен. Наряду с простым перемещением песчинок имеет место следующее: в насыщенном водой песке песчинки расположены с максимально возможной плотностью (что мы уже наблюдали), а внешнее воздействие, вызывающее деформацию сдвига, приводит к увеличению занимаемого песком объема. Это явление впервые объяснил английский физик О. Рейнольдс в 1885 году.

Покрывающий пляж песок, подобно другим сыпучим веществам, может проявлять себя как жидкость или как твердое тело, в зависимости от внешних условий. Все слышали о зыбучих песках и знают, как песок течет сквозь пальцы. И в то же время, согласно мнению строителей и вопреки известной поговорке, нет лучшего фундамента, чем слежавшийся песок.

Вот вы ступили на песок пляжа. Идти по сухому песку не так-то просто - ноги в нем вязнут. Если песок столь легко уступает действию ног, то как же удобно будет лежать на нем!

Вы с размаху бросаетесь на песок и ощущаете, что ваши надежды не оправдались: лежать на песке не очень-то мягко. Все его неровности не спешат разгладиться под весом тела.

то же получается? Песок слишком мягок, чтобы по нему ходить, и недостаточно податлив, чтобы было удобно лежать на нем. Чем объясняется данное различие?

Ну, конечно, разной величиной силы, действующей на единицу площади поверхности, - разным давлением веса человека. Устройте в песке ложе, повторяющее все изгибы тела, - вес распределится на большую площадь, давление станет малым и лежать будет очень комфортно.

Наберите теперь две пригоршни сухого песка и медленно высыпайте его через щель между ладонями. Обратите внимание на то, что вначале высыпаются песчинки, лежащие непосредственно над отверстием. А затем - песчинки из верхнего слоя песка, в котором образуется воронка. Наклоните ладони. Воронка все равно образуется точно по вертикали над отверстием. Что мешает раньше высыпаться другим песчинкам, расположенным вокруг отверстия в нижних слоях, то есть ближе к нему?

Продолжим эксперимент. Возьмем лист бумаги, свернем его в трубку, положим горизонтально и засыпем снаружи сухим песком. Конструкция из бумаги будет выдерживать довольно большие нагрузки. Прочность ей придает не только трубчатая форма; нужно, чтобы вокруг трубки и сверху толстым слоем лежал сухой песок. Почему песок не расплющивает трубку, даже если надавить сверху на песок ладонью? Дело в том, что под давлением песчинки перестраиваются так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному перемещению. В науке это явление носит название "появление арочных структур". В арке каждый отдельный элемент не может переместиться в направлении действия внешней силы - он зажат враспор соседними элементами, которым и передает действующую нагрузку. В результате под давлением (внешним и внутренним) песок утрачивает подвижность и приобретает свойства твердого тела.

По этой причине в песочных часах песок пересыпается равномерно, независимо от высоты его столба (в отличие от воды!). И первыми высыпаются песчинки именно верхнего слоя, потому что не связаны арочными структурами.

После захода солнца воздух и песок, обладающие малой теплоемкостью, быстро теряют накопленное тепло. Они неприятно холодят тело. А вода с ее большой теплоемкостью дольше сохраняет дневное тепло и манит напоследок искупаться.

На этом прогулку по пляжу с привлечением физических знаний закончим. Ее можно продолжить самостоятельно, было бы желание и знание курса физики. О том, что у вас получилось, напишите в редакцию. Желаем успехов!