Ваш браузер устарел, поэтому сайт может отображаться некорректно. Обновите ваш браузер для повышения уровня безопасности, скорости и комфорта использования этого сайта.
Обновить браузер

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение

Впрочем, над однозначным разрешением некоторых из них ученым еще придется поработать

13 июня 2023Обсудить

Законы физики, известные нам со школы, принято считать непреложными, но даже в повседневной жизни можно столкнуться с явлениями, которые противоречат физическим законам. Автор просветительского YouTube-канала «Физика от Побединского» Дмитрий Побединский рассказал Vokrugsveta.ru о нескольких подобных парадоксах, которым наука смогла (или пока не смогла) найти объяснение.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Эффектом Мпембы, о котором пойдет речь ниже, обычно объясняют стремительное превращение в снег кипятка, выплеснутого на морозе. С холодной водой такой кадр снять не получится
Источник:
Maridav / Alamy via Legion Media
Автор научно-популярного видеоблога «Физика от Побединского»

Парадокс чайного листа

Если вы знакомы с понятием центробежной силы, то наверняка знаете, что под ее воздействием помещенные в жидкость частицы стремятся к стенкам сосуда при вращении. Но если заварить в чашке рассыпной чай и помешать ложкой, то чаинки будут вращаться у центра. Это явление называют парадоксом чайного листа.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

— При размешивании по всему объему чашки создается определенный баланс сил. С одной стороны, центробежная сила стремится вышвырнуть каждую частицу жидкости наружу, а с другой, в чашке возникает градиент давления, который возрастает от центра к краям и давит к оси вращения, — рассказывает Дмитрий Побединский.

В результате частицы жидкости вращаются ровно по окружности. Если прекратить размешивать чай, то баланс нарушится у стенок и дна чашки. Из-за трения о поверхность скорость жидкости уменьшается, но давление сохраняется, смещая жидкость в центр, а она утягивает за собой и чаинки.

— Парадокс чайного листа кажется пустяком только на первый взгляд. Подобные процессы происходят в атмосфере, в реках, океане, а также в насосах и прочих устройствах, например в агрегате для отделения красных кровяных частиц от плазмы крови, — отмечает популяризатор науки.

Загрязнение вверх по течению

Есть и другой феномен, который можно наблюдать в чашке с чаем. Речь идет о движении частиц в жидкости против течения. Если заварить травяной чай, в котором фрагменты сушеных трав не тонут, и подливать воду, держа носик чайника близко к поверхности, то можно заметить, как чаинки поднимаются по струе. Этот парадокс загрязнения вверх по течению действует и с любыми другими частицами, плавающими на поверхности жидкости.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

— Виноваты здесь поверхностное натяжение и закрученные потоки, но полного описания этого процесса нет до сих пор, — отмечает Дмитрий Побединский.

Колесо Аристотеля

Со школьной скамьи всем известно, что длина окружности измеряется по формуле 2πr, где r — ее радиус. Отсюда следует, что за один оборот колесо проходит расстояние, равное длине его окружности.

— Но что если жестко прикрепить на ту же ось колесо поменьше и опять сделать один оборот? Естественно, колесо с меньшим радиусом пройдет точно такое же расстояние, что и большое. Из этого можно сделать ошибочный вывод, что окружности колес (а, следовательно, и радиусы) равны, и длина окружности не зависит от ее радиуса, — рассказывает Побединский.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

На деле парадокс, именуемый колесом Аристотеля, объясняется довольно просто. Маленькое колесо движется с проскальзыванием — увидеть это можно, если вместо колес использовать правильные многоугольники. Меньший из них будет «перепрыгивать» между некоторыми точками, проходя путь, превышающий периметр этого многоугольника.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

— В пределе, когда многоугольники становятся кругами, меньший просто скользит по воображаемой поверхности, а его пусть оказывается больше длины окружности. Наблюдать этот парадокс можно и в жизни. Если парковаться слишком близко к бордюру, можно услышать визг, производимый ободом. В то время как шина колеса автомобиля просто катится по асфальту, обод движется с проскальзыванием и задевает бордюр, происходит то же, что и с колесом Аристотеля, — отмечает физик.

Парадокс теплообмена 

Согласно законам термодинамики, тепло переходит от горячего вещества к холодному до тех пор, пока их температуры не сравняются. Но это не всегда так. Парадокс теплообмена состоит в том, что при определенных условиях нагреваемое вещество будет иметь температуру выше, чем теплоноситель.

Если взять равные объемы масла, нагретого до 100 °С и керосина с температурой 0 °С (это могут быть и любые другие вещества), а затем поочередно нагревать в масле по 1/10 доле керосина, переливая его затем в отдельную емкость, то в итоге масло охладится до 39 °С, а температура керосина составит 61 °С. Если бы мы просто нагревали весь объем керосина, то температуры сравнялись бы на отметке в 50 °С.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

— Благодаря тому, что мы каждую небольшую порцию керосина нагреваем с 0 °С, разница температур каждый раз оказывается значительной, из масла удается вытянуть максимум теплоты. В пределе, если порции керосина будут бесконечно малы, то керосин получится нагреть до 63 °С, а масло охладить до 37 °С, — объясняет Дмитрий Побединский.

Это явление широко применяется в теплотехнике, оно лежит в основе так называемого противоточного теплообменника. В самом простом случае это две трубы, по которым движутся жидкости с разной температурой. Ключевую роль играет направление движения этих жидкостей.

— Если они движутся в одном направлении, то в скором времени их температуры сравняются и теплообмен фактически остановится. Но если они движутся в противоположных направлениях, то на всем протяжении теплообменника остается разница температур, теплопередача происходит по всей его длине, что очень эффективно. При определенной конструкции теплообменника исходные температуры жидкостей могут «поменяться местами», — поясняет видеоблогер.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

Противоточная схема используется и в природе: у птиц и млекопитающих вены с более холодной кровью обволакивают артерии с более теплой. Между ними происходит непрерывный теплообмен, в результате которого конечности оказываются немного холоднее, а организм в целом теряет меньше тепла. Например, многим птицам благодаря такой системе кровообращения удается не отмораживать лапы зимой.

Эффект Мпембы

По-настоящему загадочный парадокс Мпембы состоит в том, что горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, вопреки законам физики. В этом можно убедиться, поместив в морозилку две идентичные емкости с водой разной температуры и замерив время замерзания воды.

Внимание научного сообщества к этому парадоксу было привлечено в 1960-х годах, когда школьник из Танзании по имени Эрасто Мпемба заметил, что теплая смесь мороженого в школьной столовой застывает быстрее холодной. Об этом он рассказал посетившему Танзанию профессору Деннису Осборну, который вместе с Эрасто провел ряд экспериментов с водой, подтвердивших существование парадокса. Вот только однозначного объяснения ему до сих пор не нашли, да и в самом существовании эффекта Мпембы некоторые ученые до сих пор сомневаются, указывая на нечеткость его формулировки и возможные погрешности при измерении температуры.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Эрасто Мпемба
Источник:
PA Images / Alamy via Legion Media

— Эффект Мпембы пытались обосновать и тем, что горячая емкость проплавляет намерзший лед и напрямую соприкасается с поверхностью, и что горячая вода сильней испаряется и ее остается меньше, и что в ней больше растворенных газов и есть пузырьки, ускоряющие теплообмен. Даже водородные связи рассматривали, которые в горячей воде пропадают, и в дальнейшем не тратится энергия на их разрушение, — рассказывает Дмитрий Побединский.

Экспериментаторы не оставляют попыток разобраться в этом вопросе, попутно вникая во все тонкости устройства термодинамически неравновесных систем.

Парадокс тритона

Всем хорошо знакомы оптические иллюзии, но существуют и иллюзии, направленные на обман других органов чувств. Парадокс тритона — слуховая иллюзия, при которой последовательность определенных звуков одни люди воспринимают как восходящую, а другие — как нисходящую. И те, и другие при этом ошибаются.

— С математической точки зрения, тон и не повышается, и не понижается. Дело в том, что каждый из этих звуков представляет собой так называемый тон Шепарда. Он состоит из нескольких синусоид, частота которых получается умножением на два. Другими словами, это одна и та же нота, взятая во всех октавах сразу. Но громкость всех нот разная, так что низкие и высокие звучат тихо, а средние — громко. Получается, что у каждого тона Шепарда есть конкретная нота, но нет определенной частоты, это целый спектр, — поясняет физик.

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

Если последовательно воспроизвести два тона Шепарда, сдвинутые на пол-октавы (этот интервал в музыке называется тритон), то возникнет слуховая иллюзия: ноты будут разными на слух, но частота звука по всему спектру не изменится. При этом восприятие второго звука более высоким или низким зависит от индивидуальных особенностей слушателя, а также, судя по некоторым исследованиям, от языка и страны проживания.

Парадокс тритона находит практическое применение. Например, с помощью тонов Шепарда можно создать крайне гнетущий звуковой ряд, в котором звук для слушателя будет непрерывно повышаться или понижаться. Этим пользуются композиторы при написании напряженной музыки к фильмам.

 Эффект Оберта

— Физический парадокс, называемый эффектом Оберта, заключается в том, что ракетный двигатель на высокой скорости, совершает больше полезной работы, чем такой же двигатель, движущийся медленно или находящийся в покое. Тяга постоянная, расход топлива не меняется, всё абсолютно одинаковое, но при этом в покое двигатель имеет одну мощность, а на скорости — бóльшую, словно КПД оказывается выше 100%. Попахивает нарушением закона сохранения энергии, — рассказывает Побединский.

Парадокс объясняется тем, что мощность ракетного двигателя тратится как на разгон самого аппарата, так и на разгон реактивной струи».  Чем выше скорость, тем меньшая доля мощности расходуется на разгон реактивной струи, которая направлена против движения. В итоге с увеличением скорости струя получает меньше энергии, поэтому чем выше скорость, тем эффективнее работает двигатель. 

Не как учили в школе: 7 поразительных физических парадоксов, которым сложно, но можно найти объяснение
Источник:
«Физика от Побединского» / YouTube

— Но дополнительная энергия не возникает просто так. Она берется из кинетической энергии топлива, накопленной при разгоне. В двигателе происходит высвобождение не только химической энергии топлива, но и передача кинетической. Она отбирается у топлива и передается аппарату. И никакого нарушения закона сохранения энергии тут нет. Хотя поначалу кажется именно так, — говорит Побединский.

Эффект Оберта применяется при орбитальном маневрировании космических аппаратов — для максимального разгона их двигатели включаются не в произвольный момент, а при прохождении перицентра (ближайшей к центральному телу точки орбиты), когда скорость максимальна.

* * *

Знание физических парадоксов, даже незначительных, позволяет ученым и техническим специалистам избежать ошибок в экспериментах и на практике.

— Именно с парадоксов начинается не наука, но исследовательский процесс. Просыпается интерес, загораются глаза, начинается поиск решений, строятся и проверяются гипотезы. Так шаг за шагом мы узнаём, как устроен мир и как использовать физические законы еще эффективней. А чем дольше тот или иной парадокс остается необъясненным, тем лучше мы понимаем всё вокруг него, — подытоживает Дмитрий Побединский.

Подписываясь на рассылку вы принимаете условия пользовательского соглашения