Объяснение этого парадокса заключается в том, что вследствие несмачиваемости парафина водой она не проникает между куском парафина и дном сосуда, а следовательно, на нижнюю поверхность куска парафина не действуют силы давления воды. Однако эти силы действуют на его верхнюю поверхность и прижимают парафин ко дну. Если же наклонить кусок парафина так, чтобы вода проникла под его нижнюю поверхность, то возникнет выталкивающая сила и парафин всплывет.

Известны случаи, когда подводные лодки, легшие на мягкий грунт, не могли оторваться от него, даже освободив от воды балластные цистерны. Это также объясняется тем, что вода не может проникнуть под корпус лодки, плотно прилегший к грунту.

Рис. 43

Послушные молекулы

На поверхность чистой горячей воды поместите небольшой кусок парафина (воска, нафталина). Парафин расплавится и растечется по поверхности воды тонкой пленкой. Теперь дайте воде и парафину остыть. Парафин застынет в виде тонкой пластинки. Осторожно выньте эту пластинку, стараясь не касаться ее поверхности, и разделите на две части. Поместите их на горизонтальную поверхность, причем одну из них переверните. Теперь при помощи пипетки нанесите на поверхности пластинок капли чистой воды.

В результате мы сможем наблюдать несколько противоречивое явление: капли одной и той же жидкости на поверхности одного и того же материала ведут себя совершенно по-разному. На поверхности парафина, которая во время застывания соприкасалась с воздухом, капли воды не растекаются и имеют форму, аналогичную той, которую принимает ртуть на стекле, то есть в этом случае вода не смачивает парафин. На поверхности парафина, которая соприкасалась с водой, капли медленно растекутся, образуя тонкую пленку, то есть в этом случае вода смачивает парафин.

Почему же одно и то же твердое вещество в одном случае не смачивается жидкостью, а в другом смачивается?

Объясняется этот феномен так. Молекулы многих веществ, особенно органических, довольно сложны, и благодаря этому разные части таких молекул способны проявлять различные силы сцепления при взаимодействии с другими молекулами. Если каким-либо образом расположить подобные молекулы так, что в одну сторону будут обращены концы молекул, сильно взаимодействующие с водой, а в другую – слабо взаимодействующие, то из оного и того же материала получится пластинка с различными свойствами поверхности: одна не смачиваемая, а другая смачиваемая.

Итак, что же происходило в начале эксперимента? Парафин на горячей воде плавился, и молекулы жидкого парафина переориентировались, притягиваясь своими сильно взаимодействующими с водой концами к поверхности воды. Застыв в таком положении, они образовали двухстороннюю пластинку, свойства которой мы обнаружили в данном опыте.

Наиболее сильно влияние определенного расположения молекул в поверхностном слое у маслянистых веществ, обладающих смазочным действием.

«Дерни за веревочку»

Несмотря на кажущуюся простоту, предлагаемый опыт (рис. 40) весьма показателен, поскольку объединяет в себе действие нескольких физических законов – упругих деформаций и инерции.

Если нижнюю нить натягивать медленно, то оборвется верхняя нить (рис. 44, а).

Если же за нижнюю нить резко дернуть, можно ее разорвать, но при этом верхняя нить останется целой (рис. 44, б).

Рис. 44

Чтобы объяснить, почему разрушение нити произошло в том или ином месте, следует рассмотреть процессы, предшествующие этому. Итак, тяжелый груз подвешен на нити, а снизу к грузу прикреплена нить той же прочности.

Следовательно, верхняя нить уже растянута до определенной длины и ее сила натяжения уравновешивает гравитационную силу притяжения груза. Медленно натягивая нижнюю нить, мы вызываем перемещение груза вниз.

При этом растягиваются обе нити, однако верхняя нить оказывается растянута сильнее, поскольку уже была частично растянута, и поэтому рвется верхняя нить.

Если же резко дернуть за нижнюю нить, то вследствие большой массы и инертности груза он даже при значительной силе, действующей со стороны нити, лишь незначительно ускоряется; за короткое время рывка груз не успевает приобрести заметную скорость и сколько-нибудь заметно переместиться.

Следовательно, верхняя нить практически не удлиняется и остается целой, а нижняя нить испытывает критические и запредельные деформации и рвется.

Подобным образом происходят разрывы и разрушения различных движущихся тел и в других случаях. Чтобы избежать нежелательных деформаций при резком изменении скорости, нужно применять демпфирующие (амортизирующие) устройства. Так, например, на подъемных кранах со стальными нерастягивающимися тросами между тросом и крюком устанавливают специальную пружину (амортизатор), которая может, не разрываясь, удлиняться и таким образом предохранять трос от разрыва.

Газовый термометр

Трудно переоценить значение влияния температуры на физические и биохимические процессы, протекающие вокруг и внутри нас. Поэтому во все времена ученые работали над совершенствованием способов и технологий измерения температуры. Один из методов измерения температуры основан на законе Шарля (известнейшего французского физика), гласящего, что при постоянном объеме газа давление пропорционально температуре, то есть чем выше температура, тем выше давление. (Для жидкостей это соотношение также справедливо, но коэффициент температурного расширения жидкостей намного меньше, чем у газов, и, следовательно, жидкостные термометры менее чувствительны.)

Именно основываясь на этом принципе, предлагаем вам создать свой термометр (рис. 45). Возьмите стеклянную бутылку (1) (важно, чтобы она была сухой и чистой; чем больше объем бутылки, тем точнее и чувствительнее будет прибор) и герметично заткните ее пробкой (2). Предварительно вставьте в пробку толстую иглу (3) капельницы, при этом разрезать капельницу нигде не нужно – она сможет послужить и для других опытов. Затем, используя все ту же капельную систему, изготовим жидкостный манометр, который будет показывать изменения давления и соответственно температуры внутри бутылки.

Рис. 45

После заполнения рабочей жидкостью для выравнивания, то есть обнуления показаний манометра, нужно разъединить на короткое время и снова соединить трубочки между пробкой бутылки и манометром. При проведении этой операции очень выручает соединительная пластиковая муфта (4) на конце капельницы.

Таким образом мы выравниваем давление до атмосферного и в бутылке, и в манометре. В принципе, прибор уже готов к работе и будет реагировать на изменения температуры, но его еще необходимо торрировать и откалибровать (сделать его показания понятными и точными).

Для этого поместите бутылку в кастрюлю (5) с чистой водой так, чтобы из воды выглядывало 2–3 см горлышка бутылки.

Для того чтобы исключить температурное влияние металлического дна на показания прибора, подставьте под дно бутылки деревянный брусок (6) толщиной не менее 50 мм. Затем в воду добавьте лед в достаточном количестве, чтобы охладить ее до 0 °C, то есть до температуры плавления льда (для облегчения измерений можно воспользоваться обыкновенным уличным термометром). При понижении температуры давление газа в бутылке будет понижаться, и соответственно столбик жидкости на выходном конце (плече) манометра будет опускаться. Когда температура воды в кастрюли достигнет 0 °C, отметьте на манометре-термометре значение 0.