Богданов до, чому ж, чому, журнал «фізика» № 23 за 2018 рік
Чому ж, чому.
? Чому взимку не буває гроз?
Федір Іванович Тютчев, написавши «Люблю грозу на початку травня, // Коли весняний перший грім. », Очевидно, теж знав, що взимку гроз не буває. Але чому, справді, їх не буває взимку? Щоб відповісти на це питання, спочатку розберемося в тому, звідки в хмарі з'являються електричні заряди. До кінця механізми поділу зарядів в хмарі ще не з'ясовані, проте, згідно з сучасними уявленнями, грозова хмара - це фабрика з виробництва електричних зарядів.
Грозову хмару містить величезну кількість пара, частина якого конденсувалась у вигляді дрібних крапельок або крижинок. Верх грозової хмари може перебувати на висоті 6-7 км, а низ нависати над землею на висоті 0,5-1 км. Вище 3-4 км хмари складаються з крижинок різного розміру, тому що температура там завжди нижче нуля.
Крижинки в хмарі постійно рухаються через висхідних потоків теплого повітря від нагрітої поверхні землі. При цьому дрібні крижинки легше, ніж великі, захоплюються висхідними потоками повітря. «Спритні» дрібні крижинки, рухаючись в верхню частину хмари, весь час стикаються з великими. При кожному такому зіткненні відбувається електризація, при якій великі крижинки заряджаються негативно, а дрібні - позитивно.
Згодом позитивно заряджені дрібні крижинки виявляються у верхній частині хмари, а негативно заряджені великі - внизу. Іншими словами, верхівка грозової хмари заряджається позитивно, а його низ - негативно. Таким чином, кінетична енергія висхідних потоків повітря перетворюється в електричну енергію розділених зарядів. Все готово для розряду блискавки: відбувається пробій повітря, і негативний заряд з нижньої частини грозової хмари перетікає на землю.
Отже, щоб утворилося грозову хмару, необхідні висхідні потоки теплого і вологого повітря. Відомо, що концентрація насичених парів зростає з підвищенням температури і максимальна влітку. Різниця температур, від якої залежать висхідні потоки повітря, тим більше, чим вище його температура біля поверхні землі, тому що на висоті кількох кілометрів температура не залежить від пори року. Значить, інтенсивність висхідних потоків максимальна теж влітку. Тому і грози у нас найчастіше влітку, а на півночі, де і влітку холодно, грози досить рідкісні.
? Чому лід слизький?
Дізнатися, чому по льоду можна ковзати, вчені намагаються протягом останніх 150 років. У 1849 році брати Джеймс і Вільям Томсон (лорд Кельвін) висунули гіпотезу, згідно з якою лід під нами плавиться від того, що ми на нього тиснемо. І тому ми сковзаємо вже не по льоду, а по утворилася плівці води на його поверхні. Дійсно, якщо збільшити тиск, то температура плавлення льоду знизиться. Однак, як показали експерименти, щоб знизити температуру плавлення льоду на один градус, необхідно тиск збільшити до 121 атм (12,2 МПа). Спробуємо порахувати, який тиск чинить спортсмен на лід, коли ковзає по ньому на одному конику довжиною 20 см і товщиною 3 мм. Якщо вважати, що маса спортсмена 75 кг, то його тиск на лід складе близько 12 атм. Таким чином, стоячи на ковзанах, ми навряд чи можемо знизити температуру плавлення льоду більше, ніж на десяту градуса за шкалою Цельсія. Значить, пояснити ковзання по льоду в ковзанах і тим більше в звичайному взутті, спираючись на припущення братів Томсон, неможливо, якщо температура за вікном, наприклад, -10 ° С.
У 1939 р коли стало ясно, що зниженням температури плавлення слизькість льоду не пояснює, Ф.Бауден і Т.Хьюз припустили, що тепло, необхідне для плавлення льоду під коником, дає сила тертя. Однак ця теорія не могла пояснити, чому так важко буває навіть стояти на льоду, нерухомо.
Схематичне зображення кристала льоду в глибині (внизу) і на поверхні
Товщина рідкої плівки зростає з ростом температури, тому що більше молекул виривається з гексагональних решіток. За деякими даними, товщина водного плівки на поверхні льоду, що дорівнює близько 10 нм при -35 ° С, збільшується до 100 нм при -5 ° С.
Наявність домішок (молекул, відмінних від води) теж заважає поверхневих шарів утворювати кристалічні решітки. Тому збільшити товщину рідкої плівки можна, розчинивши в ній будь-які домішки, наприклад, звичайну сіль. Цим і користуються комунальні служби, коли борються взимку з обмерзанням доріг і тротуарів.