Элек­три­че­ская дуга  — это один из видов га­зо­во­го раз­ря­да. По­лу­чить ее можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом. В шта­ти­ве за­креп­ля­ют два уголь­ных стерж­ня за­ост­рен­ны­ми кон­ца­ми друг к другу и при­со­еди­ня­ют к ис­точ­ни­ку тока. Когда угли при­во­дят в со­при­кос­но­ве­ние, а затем слег­ка раз­дви­га­ют, между кон­ца­ми углей об­ра­зу­ет­ся яркое пламя, а сами угли рас­ка­ля­ют­ся до­бе­ла. Дуга горит устой­чи­во, если через нее про­хо­дит по­сто­ян­ный элек­три­че­ский ток. В этом слу­чае один элек­трод яв­ля­ет­ся все время по­ло­жи­тель­ным (анод), а дру­гой  — от­ри­ца­тель­ным (катод). Между элек­тро­да­ми на­хо­дит­ся столб рас­ка­лен­но­го газа, хо­ро­шо про­во­дя­ще­го элек­три­че­ство. По­ло­жи­тель­ный уголь, имея более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, сго­ра­ет быст­рее, и в нем об­ра­зу­ет­ся углуб­ле­ние  — по­ло­жи­тель­ный кра­тер. Тем­пе­ра­ту­ра кра­те­ра в воз­ду­хе при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии до­хо­дит до 4000 °C.

Дуга может го­реть и между ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми. При этом элек­тро­ды пла­вят­ся и быст­ро ис­па­ря­ют­ся, на что рас­хо­ду­ет­ся боль­шая энер­гия. По­это­му тем­пе­ра­ту­ра кра­те­ра ме­тал­ли­че­ско­го элек­тро­да обыч­но ниже, чем уголь­но­го (2000−2500 °C). При го­ре­нии дуги в газе при вы­со­ком дав­ле­нии (около 2·10⁶ Па) тем­пе­ра­ту­ру кра­те­ра уда­лось до­ве­сти до 5900 °C, т. е. до тем­пе­ра­ту­ры по­верх­но­сти Солн­ца. Столб газов или паров, через ко­то­рые идет раз­ряд, имеет еще более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру  — до 6000−7000 °C. По­это­му в стол­бе дуги пла­вят­ся и об­ра­ща­ют­ся в пар почти все из­вест­ные ве­ще­ства.

Для под­дер­жа­ния ду­го­во­го раз­ря­да нужно не­боль­шое на­пря­же­ние, дуга горит при на­пря­же­нии на ее элек­тро­дах 40 В. Сила тока в дуге до­воль­но зна­чи­тель­на, а со­про­тив­ле­ние не­ве­ли­ко; сле­до­ва­тель­но, све­тя­щий­ся га­зо­вый столб хо­ро­шо про­во­дит элек­три­че­ский ток. Иони­за­цию мо­ле­кул газа в про­стран­стве между элек­тро­да­ми вы­зы­ва­ют сво­и­ми уда­ра­ми элек­тро­ны, ис­пус­ка­е­мые ка­то­дом дуги. Боль­шое ко­ли­че­ство ис­пус­ка­е­мых элек­тро­нов обес­пе­чи­ва­ет­ся тем, что катод на­грет до очень вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры. Когда для за­жи­га­ния дуги вна­ча­ле угли при­во­дят в со­при­кос­но­ве­ние, то в месте кон­так­та, об­ла­да­ю­щем очень боль­шим со­про­тив­ле­ни­ем, вы­де­ля­ет­ся огром­ное ко­ли­че­ство теп­ло­ты. По­это­му концы углей силь­но разо­гре­ва­ют­ся, и этого до­ста­точ­но для того, чтобы при их раз­дви­же­нии между ними вспых­ну­ла дуга. В даль­ней­шем катод дуги под­дер­жи­ва­ет­ся в на­ка­лен­ном со­сто­я­нии самим током, про­хо­дя­щим через дугу.

Все на­гре­тые тела из­лу­ча­ют элек­тро­маг­нит­ные волны. Чтобы экс­пе­ри­мен­таль­но ис­сле­до­вать за­ви­си­мость ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния от длины волны, не­об­хо­ди­мо:

1)  раз­ло­жить из­лу­че­ние в спектр;

2)  из­ме­рить рас­пре­де­ле­ние энер­гии в спек­тре.

Для по­лу­че­ния и ис­сле­до­ва­ния спек­тров слу­жат спек­траль­ные ап­па­ра­ты -спек­тро­гра­фы. Схема приз­мен­но­го спек­тро­гра­фа пред­став­ле­на на ри­сун­ке. Ис­сле­ду­е­мое из­лу­че­ние по­сту­па­ет сна­ча­ла в трубу, на одном конце ко­то­рой име­ет­ся ширма с узкой щелью, а на дру­гом - со­би­ра­ю­щая линза L₁. Щель на­хо­дит­ся в фо­ку­се линзы. По­это­му рас­хо­дя­щий­ся све­то­вой пучок, по­па­да­ю­щий на линзу из щели, вы­хо­дит из нее па­рал­лель­ным пуч­ком и па­да­ет на приз­му Р.

Так как раз­ным ча­сто­там со­от­вет­ству­ют раз­лич­ные по­ка­за­те­ли пре­лом­ле­ния, то из приз­мы вы­хо­дят па­рал­лель­ные пучки раз­но­го цвета, не сов­па­да­ю­щие по на­прав­ле­нию. Они па­да­ют на линзу L₂. На фо­кус­ном рас­сто­я­нии от этой линзы рас­по­ла­га­ет­ся экран, ма­то­вое стек­ло или фо­то­пла­стин­ка. Линза L₂ фо­ку­си­ру­ет па­рал­лель­ные пучки лучей на экра­не, и вме­сто од­но­го изоб­ра­же­ния щели по­лу­ча­ет­ся целый ряд изоб­ра­же­ний. Каж­дой ча­сто­те (точ­нее, уз­ко­му спек­траль­но­му ин­тер­ва­лу) со­от­вет­ству­ет свое изоб­ра­же­ние в виде цвет­ной по­лос­ки. Все эти изоб­ра­же­ния вме­сте и об­ра­зу­ют спектр. Энер­гия из­лу­че­ния вы­зы­ва­ет на­гре­ва­ние тела, по­это­му до­ста­точ­но из­ме­рить тем­пе­ра­ту­ру тела и по ней су­дить о ко­ли­че­стве по­гло­щен­ной в еди­ни­цу вре­ме­ни энер­гии. В ка­че­стве чув­стви­тель­но­го эле­мен­та можно взять тон­кую ме­тал­ли­че­скую пла­сти­ну, по­кры­тую тон­ким слоем сажи, и по на­гре­ва­нию пла­сти­ны су­дить об энер­гии из­лу­че­ния в дан­ной части спек­тра.

По­ляр­ное си­я­ние  — одно из самых кра­си­вых яв­ле­ний в при­ро­де. Формы по­ляр­но­го си­я­ния очень раз­но­об­раз­ны: то это свое­об­раз­ные свет­лые стол­бы, то изу­мруд­но-зе­ле­ные с крас­ной ба­хро­мой пы­ла­ю­щие длин­ные ленты, рас­хо­дя­щи­е­ся мно­го­чис­лен­ные лучи-стре­лы, а то и про­сто бес­фор­мен­ные свет­лые, ино­гда цвет­ные пятна на небе.

При­чуд­ли­вый свет на небе свер­ка­ет, как пламя, охва­ты­вая порой боль­ше чем пол­не­ба. Эта фан­та­сти­че­ская игра при­род­ных сил длит­ся не­сколь­ко часов, то уга­сая, то раз­го­ра­ясь.

По­ляр­ные си­я­ния чаще всего на­блю­да­ют­ся в при­по­ляр­ных ре­ги­о­нах, от­ку­да и про­ис­хо­дит это на­зва­ние. По­ляр­ные си­я­ния могут быть видны не толь­ко на да­ле­ком Се­ве­ре, но и южнее. На­при­мер, в 1938 году по­ляр­ное си­я­ние на­блю­да­лось на южном бе­ре­гу Крыма, что объ­яс­ня­ет­ся уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти воз­бу­ди­те­ля све­че­ния  — сол­неч­но­го ветра.

На­ча­ло изу­че­нию по­ляр­ных си­я­ний по­ло­жил ве­ли­кий рус­ский уче­ный М. В. Ло­мо­но­сов, вы­ска­зав­ший ги­по­те­зу о том, что при­чи­ной этого яв­ле­ния слу­жат элек­три­че­ские раз­ря­ды в раз­ре­жен­ном воз­ду­хе.

Опыты под­твер­ди­ли на­уч­ное пред­по­ло­же­ние уче­но­го.

По­ляр­ные си­я­ния  — это элек­три­че­ское све­че­ние верх­них очень раз­ре­жен­ных слоев ат­мо­сфе­ры на вы­со­те (обыч­но) от 80 до 1000 км. Све­че­ние это про­ис­хо­дит под вли­я­ни­ем быст­ро дви­жу­щих­ся элек­три­че­ски за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов и про­то­нов), при­хо­дя­щих от Солн­ца. Вза­и­мо­дей­ствие сол­неч­но­го ветра с маг­нит­ным полем Земли при­во­дит к по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц в зонах, окру­жа­ю­щих гео­маг­нит­ные по­лю­са Земли. Имен­но в этих зонах и на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний.

Столк­но­ве­ния быст­рых элек­тро­нов и про­то­нов с ато­ма­ми кис­ло­ро­да и азота при­во­дят атомы в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. Вы­де­ляя из­бы­ток энер­гии, атомы кис­ло­ро­да дают яркое из­лу­че­ние в зе­ле­ной и крас­ной об­ла­стях спек­тра, мо­ле­ку­лы азота  — в фи­о­ле­то­вой. Со­че­та­ние всех этих из­лу­че­ний и при­да­ет по­ляр­ным си­я­ни­ям кра­си­вую, часто ме­ня­ю­щу­ю­ся окрас­ку. Такие про­цес­сы могут про­ис­хо­дить толь­ко в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры, по­то­му что, во-пер­вых, в ниж­них плот­ных слоях столк­но­ве­ния ато­мов и мо­ле­кул воз­ду­ха друг с дру­гом сразу от­ни­ма­ют у них энер­гию, по­лу­ча­е­мую от сол­неч­ных ча­стиц, а во-вто­рых, сами кос­ми­че­ские ча­сти­цы не могут про­ник­нуть глу­бо­ко в зем­ную ат­мо­сфе­ру.

По­ляр­ные си­я­ния про­ис­хо­дят чаще и бы­ва­ют ярче в годы мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти, а также в дни по­яв­ле­ния на Солн­це мощ­ных вспы­шек и дру­гих форм уси­ле­ния сол­неч­ной ак­тив­но­сти, так как с ее по­вы­ше­ни­ем уси­ли­ва­ет­ся ин­тен­сив­ность сол­неч­но­го ветра, ко­то­рый яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния по­ляр­ных си­я­ний.

Возь­мем в руки кусок са­ха­ра и кос­нем­ся им по­верх­но­сти ки­пят­ка. Ки­пя­ток втя­нет­ся в сахар и дой­дет до наших паль­цев. Од­на­ко мы не по­чув­ству­ем ожога, как по­чув­ство­ва­ли бы, если бы вме­сто са­ха­ра был кусок ваты. Это на­блю­де­ние по­ка­зы­ва­ет, что рас­тво­ре­ние са­ха­ра со­про­вож­да­ет­ся охла­жде­ни­ем рас­тво­ра. Если бы мы хо­те­ли со­хра­нить тем­пе­ра­ту­ру рас­тво­ра не­из­мен­ной, то долж­ны были бы под­во­дить к рас­тво­ру энер­гию. От­сю­да сле­ду­ет, что при рас­тво­ре­нии са­ха­ра внут­рен­няя энер­гия си­сте­мы сахар-вода уве­ли­чи­ва­ет­ся.

То же самое про­ис­хо­дит при рас­тво­ре­нии боль­шин­ства дру­гих кри­стал­ли­че­ских ве­ществ. Во всех по­доб­ных слу­ча­ях внут­рен­няя энер­гия рас­тво­ра боль­ше, чем внут­рен­няя энер­гия взя­тых в от­дель­но­сти кри­стал­ла и рас­тво­ри­те­ля при той же тем­пе­ра­ту­ре.

В при­ме­ре с са­ха­ром не­об­хо­ди­мое для его рас­тво­ре­ния ко­ли­че­ство теп­ло­ты от­да­ет ки­пя­ток, охла­жде­ние ко­то­ро­го за­мет­но даже по не­по­сред­ствен­но­му ощу­ще­нию.

Если рас­тво­ре­ние про­ис­хо­дит в воде при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, то тем­пе­ра­ту­ра по­лу­чив­шей­ся смеси в не­ко­то­рых слу­ча­ях может ока­зать­ся даже ниже 0 °C, хотя смесь и оста­ет­ся жид­кой, по­сколь­ку тем­пе­ра­ту­ра за­сты­ва­ния рас­тво­ра может быть зна­чи­тель­но ниже нуля. Этот эф­фект ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния силь­но охла­жден­ных сме­сей из снега и раз­лич­ных солей.

Снег, на­чи­ная таять при 0 °C, пре­вра­ща­ет­ся в воду, в ко­то­рой рас­тво­ря­ет­ся соль; не­смот­ря на по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры, со­про­вож­да­ю­щее рас­тво­ре­ние, по­лу­чив­ша­я­ся смесь не за­твер­де­ва­ет. Снег, сме­шан­ный с этим рас­тво­ром, про­дол­жа­ет таять, за­би­рая энер­гию от рас­тво­ра и, со­от­вет­ствен­но, охла­ждая его. Про­цесс может про­дол­жать­ся до тех пор, пока не будет до­стиг­ну­та тем­пе­ра­ту­ра за­мер­за­ния по­лу­чен­но­го рас­тво­ра. Смесь снега и по­ва­рен­ной соли в от­но­ше­нии 2 : 1 поз­во­ля­ет, таким об­ра­зом, по­лу­чить охла­жде­ние до −21 °C; смесь снега с хло­ри­стым каль­ци­ем (СаСl₂) в от­но­ше­нии 7 : 10 — до −50 °C.

Гало  — оп­ти­че­ское яв­ле­ние, за­клю­ча­ю­ще­е­ся в об­ра­зо­ва­нии све­тя­ще­го­ся коль­ца во­круг ис­точ­ни­ка света. Тер­мин про­изо­шел от фр. halo и греч. halos -«све­то­вое коль­цо».

Гало обыч­но воз­ни­ка­ют во­круг Солн­ца или Луны, ино­гда  — во­круг дру­гих мощ­ных ис­точ­ни­ков света, таких как улич­ные огни. Они вы­зва­ны пре­иму­ще­ствен­но от­ра­же­ни­ем и пре­лом­ле­ни­ем света ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми в пе­ри­стых об­ла­ках и ту­ма­нах. Для воз­ник­но­ве­ния не­ко­то­рых гало не­об­хо­ди­мо, чтобы ле­дя­ные кри­стал­лы, име­ю­щие форму ше­сти­гран­ных призм, были ори­ен­ти­ро­ва­ны по от­но­ше­нию к вер­ти­ка­ли оди­на­ко­вым или хотя бы пре­иму­ще­ствен­ным об­ра­зом.

От­ра­жен­ный и пре­лом­лен­ный ле­дя­ны­ми кри­стал­ла­ми свет не­ред­ко раз­ла­га­ет­ся в спектр, что де­ла­ет гало по­хо­жим на ра­ду­гу, од­на­ко гало в усло­ви­ях низ­кой осве­щен­но­сти имеет малую цвет­ность. Окра­шен­ные гало об­ра­зу­ют­ся при пре­лом­ле­нии света в ше­сти­гран­ных кри­стал­лах ле­дя­ных об­ла­ков; не­окра­шен­ные (бес­цвет­ные) формы  — при его от­ра­же­нии от гра­ней кри­стал­лов. Ино­гда в мо­роз­ную по­го­ду гало об­ра­зу­ет­ся очень близ­ко к зем­ной по­верх­но­сти. В этом слу­чае кри­стал­лы на­по­ми­на­ют си­я­ю­щие дра­го­цен­ные камни.

Вид на­блю­да­е­мо­го гало за­ви­сит от формы и рас­по­ло­же­ния кри­стал­лов. Наи­бо­лее обыч­ные формы гало: ра­дуж­ные круги во­круг диска Солн­ца или Луны; пар­ге­лии, или «лож­ные Солн­ца», - слег­ка окра­шен­ные свет­лые пятна на одном уров­не с Солн­цем спра­ва и слева от него; пар­ге­ли­че­ский круг  — белый го­ри­зон­таль­ный круг, про­хо­дя­щий через диск све­ти­ла; столб  — часть бе­ло­го вер­ти­каль­но­го круга, про­хо­дя­ще­го через диск све­ти­ла; он в со­че­та­нии с пар­ге­ли­че­ским кру­гом об­ра­зу­ет белый крест.

Гало сле­ду­ет от­ли­чать от вен­цов, ко­то­рые внеш­не схожи с ним, но имеют дру­гое про­ис­хож­де­ние. Венцы воз­ни­ка­ют в тон­ких во­дя­ных об­ла­ках, со­сто­я­щих из мел­ких од­но­род­ных ка­пель (обыч­но это вы­со­ко­ку­че­вые об­ла­ка) и за­кры­ва­ю­щих диск све­ти­ла, за счет ди­фрак­ции. Они могут по­явить­ся также в ту­ма­не около ис­кус­ствен­ных ис­точ­ни­ков света. Ос­нов­ная, а часто един­ствен­ная часть венца  — свет­лый круг не­боль­шо­го ра­ди­у­са, окру­жа­ю­щий вплот­ную диск све­ти­ла (или ис­кус­ствен­ный ис­точ­ник света). Круг в ос­нов­ном имеет го­лу­бо­ва­тый цвет и лишь по внеш­не­му краю  — крас­но­ва­тый. Его на­зы­ва­ют также орео­лом. Он может быть окру­жен одним или не­сколь­ки­ми до­пол­ни­тель­ны­ми коль­ца­ми такой же, но более свет­лой окрас­ки, не при­мы­ка­ю­щи­ми вплот­ную к кругу и друг к другу.

Кра­си­вое и не­без­опас­ное яв­ле­ние при­ро­ды — мол­ния — пред­став­ля­ет собой ис­кро­вой раз­ряд в ат­мо­сфе­ре.

Уже в се­ре­ди­не XVIII в. ис­сле­до­ва­те­ли об­ра­ти­ли вни­ма­ние на внеш­нее сход­ство мол­нии с элек­три­че­ской ис­крой. Вы­ска­зы­ва­лось пред­по­ло­же­ние, что гро­зо­вые об­ла­ка несут в себе боль­шие элек­три­че­ские за­ря­ды и мол­ния есть ги­гант­ская искра, ничем, кроме раз­ме­ров, не от­ли­ча­ю­ща­я­ся от искры между ша­ра­ми элек­тро­фор­ной ма­ши­ны. На это ука­зы­вал М. В. Ло­мо­но­сов, за­ни­мав­ший­ся изу­че­ни­ем ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства.

Ло­мо­но­сов по­стро­ил «гро­мо­вую ма­ши­ну» — кон­ден­са­тор, на­хо­див­ший­ся в его ла­бо­ра­то­рии и за­ря­жав­ший­ся ат­мо­сфер­ным элек­три­че­ством по­сред­ством про­во­да, конец ко­то­ро­го был вы­ве­ден из по­ме­ще­ния и под­нят на вы­со­ком шесте. Во время грозы из кон­ден­са­то­ра можно было из­вле­кать искры. Таким об­ра­зом, было по­ка­за­но, что гро­зо­вые об­ла­ка дей­стви­тель­но несут на себе огром­ный элек­три­че­ский заряд.

Раз­ные части гро­зо­во­го об­ла­ка несут за­ря­ды раз­ных зна­ков. Чаще всего ниж­няя часть об­ла­ка (об­ра­щен­ная к Земле) бы­ва­ет за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но, а верх­няя — по­ло­жи­тель­но. По­это­му если два об­ла­ка сбли­жа­ют­ся раз­но­имен­но за­ря­жен­ны­ми ча­стя­ми, то между ними про­ска­ки­ва­ет мол­ния.

Од­на­ко гро­зо­вой раз­ряд может про­изой­ти и иначе. Про­хо­дя над Зем­лей, гро­зо­вое об­ла­ко со­зда­ет на ее по­верх­но­сти боль­шой ин­ду­ци­ро­ван­ный заряд, и по­это­му об­ла­ко и по­верх­ность Земли об­ра­зу­ют две об­клад­ки боль­шо­го кон­ден­са­то­ра. На­пря­же­ние между об­ла­ком и Зем­лей до­сти­га­ет не­сколь­ких мил­ли­о­нов вольт, и в воз­ду­хе воз­ни­ка­ет силь­ное элек­три­че­ское поле. В ре­зуль­та­те может про­изой­ти про­бой, т. е. мол­ния, ко­то­рая уда­рит в землю. При этом мол­ния ино­гда по­ра­жа­ет людей, дома, де­ре­вья.

Гром, воз­ни­ка­ю­щий после мол­нии, имеет такое же про­ис­хож­де­ние, что и треск при про­ска­ки­ва­нии искры. Он по­яв­ля­ет­ся из-за того, что воз­дух внут­ри ка­на­ла мол­нии силь­но разо­гре­ва­ет­ся и рас­ши­ря­ет­ся, от­че­го и воз­ни­ка­ют зву­ко­вые волны. Эти волны, от­ра­жа­ясь от об­ла­ков, гор и дру­гих объ­ек­тов, со­зда­ют дли­тель­ное мно­го­крат­ное эхо, по­это­му и слыш­ны гро­мо­вые рас­ка­ты.

Чи­стая руда почти ни­ко­гда не встре­ча­ет­ся в при­ро­де. Почти все­гда по­лез­ное ис­ко­па­е­мое пе­ре­ме­ша­но с «пу­стой», не­нуж­ной гор­ной по­ро­дой. Про­цесс от­де­ле­ния пу­стой по­ро­ды от по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го на­зы­ва­ют обо­га­ще­ни­ем руды.

Одним из спо­со­бов обо­га­ще­ния руды, ос­но­ван­ным на яв­ле­нии сма­чи­ва­ния, яв­ля­ет­ся фло­та­ция. Сущ­ность фло­та­ции со­сто­ит в сле­ду­ю­щем. Раз­дроб­лен­ная в мел­кий по­ро­шок руда взбал­ты­ва­ет­ся в воде. Туда же до­бав­ля­ет­ся не­боль­шое ко­ли­че­ство ве­ще­ства, об­ла­да­ю­ще­го спо­соб­но­стью сма­чи­вать одну из под­ле­жа­щих раз­де­ле­нию ча­стей, на­при­мер кру­пи­цы по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го, и не сма­чи­вать дру­гую часть  — кру­пи­цы пу­стой по­ро­ды. Кроме того, до­бав­ля­е­мое ве­ще­ство не долж­но рас­тво­рять­ся в воде. При этом вода не будет сма­чи­вать по­верх­ность кру­пи­цы руды, по­кры­тую слоем до­бав­ки. Обыч­но при­ме­ня­ют какое-ни­будь масло.

В ре­зуль­та­те пе­ре­ме­ши­ва­ния кру­пи­цы по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го об­во­ла­ки­ва­ют­ся тон­кой плен­кой масла, а кру­пи­цы пу­стой по­ро­ды оста­ют­ся сво­бод­ны­ми. В по­лу­чив­шу­ю­ся смесь очень мел­ки­ми пор­ци­я­ми вду­ва­ют воз­дух. Пу­зырь­ки воз­ду­ха, при­шед­шие в со­при­кос­но­ве­ние с кру­пи­цей по­лез­ной по­ро­ды, по­кры­той слоем масла и по­то­му не сма­чи­ва­е­мой водой, при­ли­па­ют к ней. Это про­ис­хо­дит по­то­му, что тон­кая плен­ка воды между пу­зырь­ка­ми воз­ду­ха и не сма­чи­ва­е­мой ею по­верх­но­стью кру­пи­цы стре­мит­ся умень­шить свою пло­щадь, по­доб­но капле воды на про­мас­лен­ной бу­ма­ге, и об­на­жа­ет по­верх­ность кру­пи­цы.

Кру­пи­цы по­лез­ной руды с пу­зырь­ка­ми воз­ду­ха под­ни­ма­ют­ся вверх, а кру­пи­цы пу­стой по­ро­ды опус­ка­ют­ся вниз. Таким об­ра­зом, про­ис­хо­дит более или менее пол­ное от­де­ле­ние пу­стой по­ро­ды и по­лу­ча­ет­ся так на­зы­ва­е­мый кон­цен­трат, бо­га­тый по­лез­ной рудой.

Из­вест­но, что по мере спус­ка в недра Земли тем­пе­ра­ту­ра по­сте­пен­но по­вы­ша­ет­ся. Это об­сто­я­тель­ство и сам факт из­вер­же­ния вул­ка­на­ми жид­кой лавы не­воль­но на­тал­ки­ва­ли на мысль, что на опре­де­лен­ных глу­би­нах ве­ще­ство зем­но­го шара на­хо­дит­ся в рас­плав­лен­ном со­сто­я­нии. Од­на­ко на самом деле все не так про­сто. Од­но­вре­мен­но с по­вы­ше­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры рас­тет дав­ле­ние в зем­ных глу­би­нах. А ведь чем боль­ше дав­ле­ние, тем выше тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния (см. рис.).

Со­глас­но со­вре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям боль­шая часть зем­ных недр со­хра­ня­ет твер­дое со­сто­я­ние. Од­на­ко ве­ще­ство асте­но­сфе­ры (обо­лоч­ка Земли от 100 км до 300 км в глу­би­ну) на­хо­дит­ся в почти рас­плав­лен­ном со­сто­я­нии. Так на­зы­ва­ют твер­дое со­сто­я­ние, ко­то­рое легко пе­ре­хо­дит в жид­кое (рас­плав­лен­ное) при не­боль­шом по­вы­ше­нии тем­пе­ра­ту­ры (про­цесс 1) или по­ни­же­нии дав­ле­ния (про­цесс 2).

Ис­точ­ни­ком пер­вич­ных рас­пла­вов магмы яв­ля­ет­ся асте­но­сфе­ра. Если в каком-то рай­о­не сни­жа­ет­ся дав­ле­ние (на­при­мер, при сме­ще­нии участ­ков ли­то­сфе­ры), то твер­дое ве­ще­ство асте­но­сфе­ры тот­час пре­вра­ща­ет­ся в жид­кий рас­плав, то есть в магму.

Но какие фи­зи­че­ские при­чи­ны при­во­дят в дей­ствие ме­ха­низм из­вер­же­ния вул­ка­на?

В магме на­ря­ду с па­ра­ми воды со­дер­жат­ся раз­лич­ные газы (уг­ле­кис­лый газ, хло­ри­стый и фто­ри­стый во­до­род, ок­си­ды серы, метан и дру­гие). Кон­цен­тра­ция рас­тво­рен­ных газов со­от­вет­ству­ет внеш­не­му дав­ле­нию. В фи­зи­ке из­ве­стен закон Генри: кон­цен­тра­ция газа, рас­тво­рен­но­го в жид­ко­сти, про­пор­ци­о­наль­на его дав­ле­нию над жид­ко­стью. Те­перь пред­ста­вим, что дав­ле­ние на глу­би­не умень­ши­лось. Газы, рас­тво­рен­ные в магме, пе­ре­хо­дят в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние. Магма уве­ли­чи­ва­ет­ся в объ­е­ме, вспе­ни­ва­ет­ся и на­чи­на­ет под­ни­мать­ся вверх. По мере подъ­ема магмы дав­ле­ние па­да­ет еще боль­ше, по­это­му про­цесс вы­де­ле­ния газов уси­ли­ва­ет­ся, что, в свою оче­редь, при­во­дит к уско­ре­нию подъ­ема.

Один из ме­то­дов опре­де­ле­ния воз­рас­та Земли ос­но­ван на ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де урана. Уран (атом­ная масса 238) рас­па­да­ет­ся са­мо­про­из­воль­но с по­сле­до­ва­тель­ным вы­де­ле­ни­ем вось­ми альфа-ча­стиц, а ко­неч­ным про­дук­том рас­па­да яв­ля­ет­ся сви­нец с атом­ной мас­сой 206 и газ гелий. На ри­сун­ке пред­став­ле­на це­поч­ка пре­вра­ще­ний урана-238 в сви­нец-206.

Каж­дая осво­бо­див­ша­я­ся при рас­па­де альфа-ча­сти­ца про­хо­дит опре­де­лен­ное рас­сто­я­ние, ко­то­рое за­ви­сит от ее энер­гии. Чем боль­ше энер­гия альфа-ча­сти­цы, тем боль­шее рас­сто­я­ние она про­хо­дит. По­это­му во­круг урана, со­дер­жа­ще­го­ся в по­ро­де, об­ра­зу­ет­ся во­семь кон­цен­три­че­ских колец. Такие коль­ца (плео­хро­и­че­ские гало) были най­де­ны во мно­гих гор­ных по­ро­дах всех гео­ло­ги­че­ских эпох. Были сде­ла­ны точ­ные из­ме­ре­ния, по­ка­зав­шие, что для раз­ных вкрап­ле­ний урана коль­ца все­гда от­сто­ят на оди­на­ко­вых рас­сто­я­ни­ях от на­хо­дя­ще­го­ся в цен­тре урана.

Когда пер­вич­ная ура­но­вая руда за­твер­де­ва­ла, в ней, ве­ро­ят­но, не было свин­ца. Весь сви­нец с атом­ной мас­сой 206 был на­коп­лен за время, про­шед­шее с мо­мен­та об­ра­зо­ва­ния этой гор­ной по­ро­ды. Раз так, то из­ме­ре­ние ко­ли­че­ства свин­ца-206 по от­но­ше­нию к ко­ли­че­ству урана-238  — вот все,  — что нужно знать, чтобы опре­де­лить воз­раст об­раз­ца, если пе­ри­од по­лу­рас­па­да из­ве­стен. Для урана-238 пе­ри­од по­лу­рас­па­да со­став­ля­ет при­бли­зи­тель­но 4,5 млрд лет. В те­че­ние этого вре­ме­ни по­ло­ви­на пер­во­на­чаль­но­го ко­ли­че­ства урана рас­па­да­ет­ся на сви­нец и гелий.

Таким же об­ра­зом можно из­ме­рить воз­раст дру­гих не­бес­ных тел, на­при­мер ме­тео­ри­тов. По дан­ным таких из­ме­ре­ний воз­раст верх­ней части ман­тии Земли и боль­шин­ства ме­тео­ри­тов со­став­ля­ет 4,5 млрд лет.

В пе­ри­од ак­тив­но­сти на Солн­це на­блю­да­ют­ся вспыш­ки. Вспыш­ка пред­став­ля­ет собой нечто по­доб­ное взры­ву, в ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся на­прав­лен­ный поток очень быст­рых за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов, про­то­нов и др.). По­то­ки за­ря­жен­ных ча­стиц, не­су­щих­ся с огром­ной ско­ро­стью, из­ме­ня­ют маг­нит­ное поле Земли, то есть при­во­дят к по­яв­ле­нию маг­нит­ных бурь на нашей пла­не­те.

За­хва­чен­ные маг­нит­ным полем Земли за­ря­жен­ные ча­сти­цы дви­жут­ся вдоль маг­нит­ных си­ло­вых линий и наи­бо­лее близ­ко к по­верх­но­сти Земли про­ни­ка­ют в об­ла­сти маг­нит­ных по­лю­сов Земли. В ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний за­ря­жен­ных ча­стиц с мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха воз­ни­ка­ет элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние  — по­ляр­ное си­я­ние.

Цвет по­ляр­но­го си­я­ния опре­де­ля­ет­ся хи­ми­че­ским со­ста­вом ат­мо­сфе­ры. На вы­со­тах от 300 до 500 км, где воз­дух раз­ре­жен, пре­об­ла­да­ет кис­ло­род. Цвет си­я­ния здесь может быть зе­ле­ным или крас­но­ва­тым. Ниже уже пре­об­ла­да­ет азот, да­ю­щий си­я­ния ярко-крас­но­го и фи­о­ле­то­во­го цве­тов.

Наи­бо­лее убе­ди­тель­ным до­во­дом в поль­зу того, что мы пра­виль­но по­ни­ма­ем при­ро­ду по­ляр­но­го си­я­ния, яв­ля­ет­ся его по­вто­ре­ние в ла­бо­ра­то­рии. Такой экс­пе­ри­мент, по­лу­чив­ший на­зва­ние «Араке», был про­ве­ден в 1985 году сов­мест­но рос­сий­ски­ми и фран­цуз­ски­ми ис­сле­до­ва­те­ля­ми.

В ка­че­стве ла­бо­ра­то­рий были вы­бра­ны две точки на по­верх­но­сти Земли, ле­жа­щие вдоль одной и той же си­ло­вой линии маг­нит­но­го поля. Этими точ­ка­ми слу­жи­ли в Южном по­лу­ша­рии фран­цуз­ский ост­ров Кер­ге­лен в Ин­дий­ском оке­а­не и в Се­вер­ном по­лу­ша­рии по­се­лок Согра в Ар­хан­гель­ской об­ла­сти. С ост­ро­ва Кер­ге­лен стар­то­ва­ла гео­фи­зи­че­ская ра­ке­та с не­боль­шим уско­ри­те­лем ча­стиц, ко­то­рый на опре­де­лен­ной вы­со­те со­здал поток элек­тро­нов. Дви­га­ясь вдоль маг­нит­ной си­ло­вой линии, эти элек­тро­ны про­ник­ли в Се­вер­ное по­лу­ша­рие и вы­зва­ли ис­кус­ствен­ное по­ляр­ное си­я­ние над Со­грой.

При опре­де­лен­ных усло­ви­ях во­дя­ные пары, на­хо­дя­щи­е­ся в воз­ду­хе, ча­стич­но кон­ден­си­ру­ют­ся, в ре­зуль­та­те чего и воз­ни­ка­ют во­дя­ные ка­пель­ки ту­ма­на. Ка­пель­ки воды имеют диа­метр от 0,5 до 100 мкм.

Возь­мем сосуд, на­по­ло­ви­ну за­пол­ним водой и за­кро­ем крыш­кой. Наи­бо­лее быст­рые мо­ле­ку­лы воды, пре­одо­лев при­тя­же­ние со сто­ро­ны дру­гих мо­ле­кул, вы­ска­ки­ва­ют из воды и об­ра­зу­ют пар над по­верх­но­стью воды. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся ис­па­ре­ни­ем воды. С дру­гой сто­ро­ны, мо­ле­ку­лы во­дя­но­го пара, стал­ки­ва­ясь друг с дру­гом и с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха, слу­чай­ным об­ра­зом могут ока­зать­ся у по­верх­но­сти воды и пе­рей­ти об­рат­но в жид­кость. Это кон­ден­са­ция пара. В конце кон­цов, при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния и кон­ден­са­ции вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, то есть уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. Во­дя­ной пар, на­хо­дя­щий­ся в этом слу­чае над по­верх­но­стью жид­ко­сти, на­зы­ва­ет­ся на­сы­щен­ным.

Если тем­пе­ра­ту­ру по­вы­сить, то ско­рость ис­па­ре­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и. рав­но­ве­сие уста­нав­ли­ва­ет­ся при боль­шей плот­но­сти во­дя­но­го пара. Таким об­ра­зом, плот­ность на­сы­щен­но­го пара воз­рас­та­ет с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры (см. рис.).

Для воз­ник­но­ве­ния ту­ма­на не­об­хо­ди­мо, чтобы пар стал не про­сто на­сы­щен­ным, а пе­ре­сы­щен­ным. Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным (и пе­ре­сы­щен­ным) при до­ста­точ­ном охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). Со­от­вет­ствен­но вы­па­да­ю­щий туман на­зы­ва­ют ту­ма­ном охла­жде­ния и ту­ма­ном ис­па­ре­ния.

Вто­рое усло­вие, не­об­хо­ди­мое для об­ра­зо­ва­ния ту­ма­на,  — это на­ли­чие ядер (цен­тров) кон­ден­са­ции. Роль ядер могут иг­рать ионы, мель­чай­шие ка­пель­ки воды, пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния. Чем боль­ше за­гряз­нен­ность воз­ду­ха, тем боль­шей плот­но­стью от­ли­ча­ют­ся ту­ма­ны.

Окрас­ка раз­лич­ных пред­ме­тов, осве­щен­ных одним и тем же ис­точ­ни­ком света (на­при­мер, Солн­цем), бы­ва­ет весь­ма раз­но­об­раз­на. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что свет, па­да­ю­щий на пред­мет, ча­стич­но от­ра­жа­ет­ся (рас­се­и­ва­ет­ся), ча­стич­но про­пус­ка­ет­ся и ча­стич­но по­гло­ща­ет­ся им. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­ще­го в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния, про­пус­ка­ния, по­гло­ще­ния.

Эти ко­эф­фи­ци­ен­ты могут за­ви­сеть от длины све­то­вой волны, по­это­му при осве­ще­нии тел на­блю­да­ют­ся раз­лич­ные све­то­вые эф­фек­ты. Тела, у ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния бли­зок к еди­ни­це, будут чер­ны­ми не­про­зрач­ны­ми те­ла­ми, а те тела, у ко­то­рых ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це, будут бе­лы­ми не­про­зрач­ны­ми те­ла­ми.

Кроме обо­зна­че­ния цвета  — крас­ный, жел­тый, синий и т. д.  — мы не­ред­ко раз­ли­ча­ем цвет по на­сы­щен­но­сти, то есть по чи­сто­те от­тен­ка, от­сут­ствию бе­ле­со­ва­то­сти. При­ме­ром глу­бо­ких или на­сы­щен­ных цве­тов яв­ля­ют­ся спек­траль­ные цвета. В них пред­став­ле­на узкая об­ласть длин волн без при­ме­си дру­гих цве­тов. Цвета же тка­ней и кра­сок, по­кры­ва­ю­щих пред­ме­ты, обыч­но бы­ва­ют менее на­сы­щен­ны­ми и в боль­шей или мень­шей сте­пе­ни бе­ле­со­ва­ты­ми.

При­чи­на в том, что ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния боль­шин­ства кра­ся­щих ве­ществ не равен нулю ни для одной длины волны. Таким об­ра­зом, при осве­ще­нии окра­шен­ной в крас­ный цвет ткани белым све­том мы на­блю­да­ем в рас­се­ян­ном свете пре­иму­ще­ствен­но одну об­ласть цвета (крас­ную), но к ней при­ме­ши­ва­ет­ся за­мет­ное ко­ли­че­ство и дру­гих длин волн, да­ю­щих в со­во­куп­но­сти белый свет. Но если такой рас­се­ян­ный тка­нью свет с пре­об­ла­да­ни­ем од­но­го цвета (на­при­мер, крас­но­го) на­пра­вить не прямо в глаз, а за­ста­вить вто­рич­но от­ра­зить­ся от той же ткани, то доля пре­об­ла­да­ю­ще­го цвета уси­лит­ся по срав­не­нию с осталь­ны­ми, и бе­ле­со­ва­тость умень­шит­ся. Мно­го­крат­ное по­вто­ре­ние та­ко­го про­цес­са может при­ве­сти к по­лу­че­нию до­ста­точ­но на­сы­щен­но­го цвета.

По­верх­ност­ный слой любой крас­ки все­гда рас­се­и­ва­ет белый свет в ко­ли­че­стве не­сколь­ких про­цен­тов. Это об­сто­я­тель­ство пор­тит на­сы­щен­ность цве­тов кар­тин. По­это­му кар­ти­ны, на­пи­сан­ные мас­ля­ны­ми крас­ка­ми, обыч­но по­кры­ва­ют слоем лака. За­ли­вая все не­ров­но­сти крас­ки, лак со­зда­ет глад­кую зер­каль­ную по­верх­ность кар­ти­ны. Белый свет от этой по­верх­но­сти не рас­се­и­ва­ет­ся во все сто­ро­ны, а от­ра­жа­ет­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии. Ко­неч­но, если смот­реть на кар­ти­ну из не­удач­но вы­бран­но­го по­ло­же­ния, то такой свет будет очень ме­шать (от­све­чи­вать). Но если рас­смат­ри­вать кар­ти­ну с дру­гих по­ло­же­ний, то бла­го­да­ря ла­ко­во­му по­кры­тию белый свет от по­верх­но­сти в этих на­прав­ле­ни­ях не рас­про­стра­ня­ет­ся, и цвета кар­ти­ны вы­иг­ры­ва­ют в на­сы­щен­но­сти.

Гей­зе­ры рас­по­ла­га­ют­ся вб­ли­зи дей­ству­ю­щих или не­дав­но уснув­ших вул­ка­нов. Для из­вер­же­ния гей­зе­ров не­об­хо­ди­ма теп­ло­та, по­сту­па­ю­щая от вул­ка­нов.

Чтобы по­нять фи­зи­ку гей­зе­ров, на­пом­ним, что тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды за­ви­сит от дав­ле­ния (см. рис.).

За­ви­си­мость тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния воды от дав­ле­ния

Пред­ста­вим себе 20-мет­ро­вую гей­зер­ную труб­ку, на­пол­нен­ную го­ря­чей водой. По мере уве­ли­че­ния глу­би­ны тем­пе­ра­ту­ра воды рас­тет. Од­но­вре­мен­но воз­рас­та­ет и дав­ле­ние  — оно скла­ды­ва­ет­ся из ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния и дав­ле­ния стол­ба воды в труб­ке. При этом везде по длине труб­ки тем­пе­ра­ту­ра воды ока­зы­ва­ет­ся не­сколь­ко ниже тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния, со­от­вет­ству­ю­щей дав­ле­нию на той или иной глу­би­не. Те­перь пред­по­ло­жим, что по од­но­му из бо­ко­вых про­то­ков в труб­ку по­сту­пи­ла пор­ция пара. Пар вошел в труб­ку и под­нял воду до не­ко­то­ро­го но­во­го уров­ня, а часть воды вы­ли­лась из труб­ки в бас­сейн. При этом тем­пе­ра­ту­ра под­ня­той воды может ока­зать­ся выше тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния при новом дав­ле­нии, и вода не­мед­лен­но за­ки­па­ет.

При ки­пе­нии об­ра­зу­ет­ся пар, ко­то­рый еще выше под­ни­ма­ет воду, за­став­ляя ee вы­ли­вать­ся в бас­сейн. Дав­ле­ние на ниж­ние слои воды умень­ша­ет­ся, так что за­ки­па­ет вся остав­ша­я­ся в труб­ке вода. В этот мо­мент об­ра­зу­ет­ся боль­шое ко­ли­че­ство пара; рас­ши­ря­ясь, он с огром­ной ско­ро­стью устрем­ля­ет­ся вверх, вы­бра­сы­вая остат­ки воды из труб­ки  — про­ис­хо­дит из­вер­же­ние гей­зе­ра.

Но вот весь пар вышел, труб­ка по­сте­пен­но вновь за­пол­ня­ет­ся охла­див­шей­ся водой. Время от вре­ме­ни внизу слы­шат­ся взры­вы  — это в труб­ку из бо­ко­вых про­то­ков по­па­да­ют пор­ции пара. Од­на­ко оче­ред­ной вы­брос воды нач­нет­ся толь­ко тогда, когда вода в труб­ке на­гре­ет­ся до тем­пе­ра­ту­ры, близ­кой к тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния.

Тем­пе­ра­ту­ра у по­верх­но­сти Земли за­ви­сит от от­ра­жа­тель­ной спо­соб­но­сти пла­не­ты  — аль­бе­до. Аль­бе­до по­верх­но­сти  — это от­но­ше­ние по­то­ка энер­гии от­ра­жен­ных сол­неч­ных лучей к по­то­ку энер­гии па­да­ю­щих на по­верх­ность сол­неч­ных лучей, вы­ра­жен­ное в про­цен­тах или долях еди­ни­цы. Аль­бе­до Земли в ви­ди­мой части спек­тра  — около 40%. В от­сут­ствие об­ла­ков оно было бы около 15%.

Аль­бе­до за­ви­сит от мно­гих фак­то­ров: на­ли­чия и со­сто­я­ния об­лач­но­сти, из­ме­не­ния лед­ни­ков, вре­ме­ни года и со­от­вет­ствен­но от осад­ков. В 90-х годах XX века стала оче­вид­на зна­чи­тель­ная роль аэро­зо­лей  — мель­чай­ших твер­дых и жид­ких ча­стиц в ат­мо­сфе­ре. При сжи­га­нии топ­ли­ва в воз­дух по­па­да­ют га­зо­об­раз­ные ок­си­ды серы и азота; со­еди­ня­ясь в ат­мо­сфе­ре с ка­пель­ка­ми воды, они об­ра­зу­ют сер­ную, азот­ную кис­ло­ты и ам­ми­ак, ко­то­рые пре­вра­ща­ют­ся потом в суль­фат­ный и нит­рат­ный аэро­зо­ли. Аэро­зо­ли не толь­ко от­ра­жа­ют сол­неч­ный свет, не про­пус­кая его к по­верх­но­сти Земли. Аэро­золь­ные ча­сти­цы слу­жат яд­ра­ми кон­ден­са­ции ат­мо­сфер­ной влаги при об­ра­зо­ва­нии об­ла­ков и тем самым спо­соб­ству­ют уве­ли­че­нию об­лач­но­сти. А это, в свою оче­редь, умень­ша­ет при­ток сол­неч­но­го тепла к зем­ной по­верх­но­сти.

Про­зрач­ность для сол­неч­ных лучей в ниж­них слоях зем­ной ат­мо­сфе­ры за­ви­сит также от по­жа­ров. Из-за по­жа­ров в ат­мо­сфе­ру под­ни­ма­ет­ся пыль и сажа, ко­то­рые плот­ным экра­ном за­кры­ва­ют Землю и уве­ли­чи­ва­ют аль­бе­до по­верх­но­сти.

Чи­стая руда почти ни­ко­гда не встре­ча­ет­ся в при­ро­де. Почти все­гда по­лез­ное ис­ко­па­е­мое пе­ре­ме­ша­но с «пу­стой», не­нуж­ной гор­ной по­ро­дой. Про­цесс от­де­ле­ния пу­стой по­ро­ды от по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го на­зы­ва­ют обо­га­ще­ни­ем руды.

Одним из спо­со­бов обо­га­ще­ния руды, ос­но­ван­ным на яв­ле­нии сма­чи­ва­ния, яв­ля­ет­ся фло­та­ция. Сущ­ность фло­та­ции со­сто­ит в сле­ду­ю­щем. Раз­дроб­лен­ная в мел­кий по­ро­шок руда взбал­ты­ва­ет­ся в воде. Туда же до­бав­ля­ет­ся не­боль­шое ко­ли­че­ство ве­ще­ства, об­ла­да­ю­ще­го спо­соб­но­стью сма­чи­вать одну из под­ле­жа­щих раз­де­ле­нию ча­стей, на­при­мер кру­пи­цы по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го, и не сма­чи­вать дру­гую часть  — кру­пи­цы пу­стой по­ро­ды. Кроме того, до­бав­ля­е­мое ве­ще­ство не долж­но рас­тво­рять­ся в воде. При этом вода не будет сма­чи­вать по­верх­ность кру­пи­цы руды, по­кры­тую слоем до­бав­ки. Обыч­но при­ме­ня­ют какое-ни­будь масло.

В ре­зуль­та­те пе­ре­ме­ши­ва­ния кру­пи­цы по­лез­но­го ис­ко­па­е­мо­го об­во­ла­ки­ва­ют­ся тон­кой плен­кой масла, а кру­пи­цы пу­стой по­ро­ды оста­ют­ся сво­бод­ны­ми. В по­лу­чив­шу­ю­ся смесь очень мел­ки­ми пор­ци­я­ми вду­ва­ют воз­дух. Пу­зырь­ки воз­ду­ха, при­шед­шие в со­при­кос­но­ве­ние с кру­пи­цей по­лез­ной по­ро­ды, по­кры­той слоем масла и по­то­му не сма­чи­ва­е­мой водой, при­ли­па­ют к ней. Это про­ис­хо­дит по­то­му, что тон­кая плен­ка воды между пу­зырь­ка­ми воз­ду­ха и не сма­чи­ва­е­мой ею по­верх­но­стью кру­пи­цы стре­мит­ся умень­шить свою пло­щадь, по­доб­но капле воды на про­мас­лен­ной бу­ма­ге, и об­на­жа­ет по­верх­ность кру­пи­цы.

Кру­пи­цы по­лез­ной руды с пу­зырь­ка­ми воз­ду­ха под­ни­ма­ют­ся вверх, а кру­пи­цы пу­стой по­ро­ды опус­ка­ют­ся вниз. Таким об­ра­зом, про­ис­хо­дит более или менее пол­ное от­де­ле­ние пу­стой по­ро­ды и по­лу­ча­ет­ся так на­зы­ва­е­мый кон­цен­трат, бо­га­тый по­лез­ной рудой.

На ско­рость света не вли­я­ет ни ско­рость ис­точ­ни­ка света, ни ско­рость на­блю­да­те­ля. По­сто­ян­ство ско­ро­сти света в ва­ку­у­ме имеет огром­ное зна­че­ние для фи­зи­ки и аст­ро­но­мии. Од­на­ко ча­сто­та и длина све­то­вой волны ме­ня­ют­ся с из­ме­не­ни­ем ско­ро­сти ис­точ­ни­ка или на­блю­да­те­ля. Этот факт из­ве­стен как эф­фект До­пле­ра.

Пред­по­ло­жим, что ис­точ­ник, рас­по­ло­жен­ный в точке О, ис­пус­ка­ет свет с дли­ной волны λ₀. На­блю­да­те­ли в точ­ках A и B, для ко­то­рых ис­точ­ник света на­хо­дит­ся в покое, за­фик­си­ру­ют из­лу­че­ние с дли­ной волны λ₀ (рис. 1). Если ис­точ­ник света на­чи­на­ет дви­гать­ся со ско­ро­стью v, то длина волны ме­ня­ет­ся. Для на­блю­да­те­ля A, к ко­то­ро­му ис­точ­ник света при­бли­жа­ет­ся, длина све­то­вой волны умень­ша­ет­ся. Для на­блю­да­те­ля B, от ко­то­ро­го ис­точ­ник света уда­ля­ет­ся, длина све­то­вой волны уве­ли­чи­ва­ет­ся (рис. 2). Так как в ви­ди­мой части элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния наи­мень­шим дли­нам волн со­от­вет­ству­ет фи­о­ле­то­вый свет, а наи­боль­шим  — крас­ный, то го­во­рят, что для при­бли­жа­ю­ще­го­ся ис­точ­ни­ка света на­блю­да­ет­ся сме­ще­ние длины волны в фи­о­ле­то­вую сто­ро­ну спек­тра, а для уда­ля­ю­ще­го­ся ис­точ­ни­ка света  — в крас­ную сто­ро­ну спек­тра.

Из­ме­не­ние длины све­то­вой волны за­ви­сит от ско­ро­сти ис­точ­ни­ка от­но­си­тель­но на­блю­да­те­ля (по лучу зре­ния) и опре­де­ля­ет­ся фор­му­лой До­пле­ра:

Эф­фект До­пле­ра нашел ши­ро­кое при­ме­не­ние, в част­но­сти в аст­ро­но­мии, для опре­де­ле­ния ско­ро­стей ис­точ­ни­ков из­лу­че­ния.

Рис. 1

Рис. 2

В 1880 году фран­цуз­ские уче­ные  — бра­тья Пьер и Поль Кюри  — ис­сле­до­ва­ли свой­ства кри­стал­лов. Они за­ме­ти­ли, что если кри­сталл квар­ца сжать с двух сто­рон, то на его гра­нях, пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­нию сжа­тия, воз­ни­ка­ют элек­три­че­ские за­ря­ды: на одной грани по­ло­жи­тель­ные, на дру­гой  — от­ри­ца­тель­ные. Таким же свой­ством об­ла­да­ют кри­стал­лы тур­ма­ли­на, се­гне­то­вой соли, даже са­ха­ра. За­ря­ды на гра­нях кри­стал­ла воз­ни­ка­ют и при его рас­тя­же­нии. При­чем если при сжа­тии на грани на­кап­ли­вал­ся по­ло­жи­тель­ный заряд, то при рас­тя­же­нии на этой грани будет на­кап­ли­вать­ся от­ри­ца­тель­ный заряд, и на­о­бо­рот. Это яв­ле­ние было на­зва­но пье­зо­элек­три­че­ством (от гре­че­ско­го слова «пьезо»  — давлю). Кри­сталл с таким свой­ством на­зы­ва­ют пъ­е­зо­элек­три­ком.

В даль­ней­шем бра­тья Кюри об­на­ру­жи­ли, что пье­зо­элек­три­че­ский эф­фект об­ра­тим: если на гра­нях кри­стал­ла со­здать раз­но­имен­ные элек­три­че­ские за­ря­ды, он либо со­жмет­ся, либо рас­тя­нет­ся в за­ви­си­мо­сти от того, к какой грани при­ло­жен по­ло­жи­тель­ный и к какой  — от­ри­ца­тель­ный заряд.

На яв­ле­нии пье­зо­элек­три­че­ства ос­но­ва­но дей­ствие ши­ро­ко рас­про­стра­нен­ных пье­зо­элек­три­че­ских за­жи­га­лок. Ос­нов­ной ча­стью такой за­жи­гал­ки яв­ля­ет­ся пье­зо­эле­мент  — ке­ра­ми­че­ский пье­зо­элек­три­че­ский ци­линдр с ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми на ос­но­ва­ни­ях. При по­мо­щи ме­ха­ни­че­ско­го устрой­ства про­из­во­дит­ся крат­ко­вре­мен­ный удар по пье­зо­эле­мен­ту. При этом на двух его сто­ро­нах, рас­по­ло­жен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию дей­ствия де­фор­ми­ру­ю­щей силы, по­яв­ля­ют­ся раз­но­имен­ные элек­три­че­ские за­ря­ды. На­пря­же­ние между этими сто­ро­на­ми может до­сти­гать не­сколь­ких тысяч вольт. По изо­ли­ро­ван­ным про­во­дам на­пря­же­ние под­во­дит­ся к двум элек­тро­дам, рас­по­ло­жен­ным в на­ко­неч­ни­ке за­жи­гал­ки на рас­сто­я­нии 3-4 мм друг от друга. Воз­ни­ка­ю­щий между элек­тро­да­ми ис­кро­вой раз­ряд под­жи­га­ет смесь газа и воз­ду­ха.

Не­смот­ря на очень боль­шие на­пря­же­ния (-10 кВ), опыты с пье­зо­за­жи­гал­кой со­вер­шен­но без­опас­ны, так как даже при ко­рот­ком за­мы­ка­нии сила тока ока­зы­ва­ет­ся такой же ни­чтож­но малой и без­опас­ной для здо­ро­вья че­ло­ве­ка, как при элек­тро­ста­ти­че­ских раз­ря­дах при сни­ма­нии шер­стя­ной или син­те­ти­че­ской одеж­ды в сухую по­го­ду.

Ре­ак­тив­ным на­зы­ва­ет­ся дви­же­ние, ко­то­рое про­ис­хо­дит под дей­стви­ем силы ре­ак­ции, дей­ству­ю­щей на дви­жу­ще­е­ся тело со сто­ро­ны струи ве­ще­ства, вы­бра­сы­ва­е­мо­го из дви­га­те­ля. По­яс­нить прин­цип ре­ак­тив­но­го дви­же­ния можно на при­ме­ре дви­же­ния ра­ке­ты.

Пусть в дви­га­те­ле, уста­нов­лен­ном на ра­ке­те, про­ис­хо­дит сго­ра­ние топ­ли­ва и про­дук­ты го­ре­ния (го­ря­чие газы) под вы­со­ким дав­ле­ни­ем вы­бра­сы­ва­ют­ся из сопла дви­га­те­ля. На каж­дую пор­цию газов, вы­бро­шен­ных из сопла, со сто­ро­ны дви­га­те­ля дей­ству­ет не­ко­то­рая сила, ко­то­рая при­во­дит эту пор­цию газов в дви­же­ние. В со­от­вет­ствии с тре­тьим за­ко­ном Нью­то­на, на дви­га­тель со сто­ро­ны вы­бра­сы­ва­е­мых газов дей­ству­ет сила, такая же по мо­ду­лю и про­ти­во­по­лож­ная по на­прав­ле­нию. Эта сила на­зы­ва­ет­ся ре­ак­тив­ной. Под ее дей­стви­ем ра­ке­та при­об­ре­та­ет уско­ре­ние и раз­го­ня­ет­ся в на­прав­ле­нии, про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нию вы­бра­сы­ва­ния газов. Мо­дуль F ре­ак­тив­ной силы может быть вы­чис­лен при по­мо­щи про­стой фор­му­лы:

где u  — мо­дуль ско­ро­сти ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля от­но­си­тель­но ра­ке­ты, а μ  — ско­рость рас­хо­да топ­ли­ва (масса ве­ще­ства, вы­бра­сы­ва­е­мо­го дви­га­те­лем в еди­ни­цу вре­ме­ни, из­ме­ря­ет­ся в кг/с). На­прав­ле­на ре­ак­тив­ная сила все­гда в на­прав­ле­нии, про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нию ис­те­че­ния га­зо­вой струи. Ре­ак­тив­ное дви­же­ние также можно объ­яс­нить и при по­мо­щи за­ко­на со­хра­не­ния им­пуль­са.

Прин­цип ре­ак­тив­но­го дви­же­ния ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в тех­ни­ке. По­ми­мо ракет ре­ак­тив­ные дви­га­те­ли при­во­дят в дви­же­ние са­мо­ле­ты и вод­ные ка­те­ра. На ос­но­ва­нии этого прин­ци­па кон­стру­и­ру­ют раз­лич­ные при­спо­соб­ле­ния  — по­ли­валь­ные устрой­ства с вер­туш­ка­ми, на­зы­ва­е­мы­ми «се­гне­ро­вым» ко­ле­сом, иг­руш­ки и т. п. Ре­ак­тив­ное дви­же­ние встре­ча­ет­ся и в живой при­ро­де. Не­ко­то­рые мор­ские ор­га­низ­мы (каль­ма­ры, ка­ра­ка­ти­цы) дви­га­ют­ся, вы­бра­сы­вая пред­ва­ри­тель­но за­со­сан­ные внутрь себя пор­ции воды. В ка­че­стве лю­бо­пыт­но­го при­ме­ра из мира рас­те­ний можно при­ве­сти так на­зы­ва­е­мый «бе­ше­ный огу­рец». После со­зре­ва­ния семян из плода этого рас­те­ния под боль­шим дав­ле­ни­ем вы­бра­сы­ва­ет­ся жид­кость, в ре­зуль­та­те чего огу­рец от­ле­та­ет на не­ко­то­рое рас­сто­я­ние от места сво­е­го про­из­рас­та­ния.

При ре­ак­тив­ном дви­же­нии ра­ке­ты ее масса не­пре­рыв­но умень­ша­ет­ся из-за сго­ра­ния топ­ли­ва и вы­бра­сы­ва­ния на­ру­жу про­дук­тов сго­ра­ния. По этой при­чи­не мо­дуль уско­ре­ния ра­ке­ты все время из­ме­ня­ет­ся, а ско­рость ра­ке­ты не­ли­ней­но за­ви­сит от массы сго­рев­ше­го топ­ли­ва. Впер­вые за­да­ча об отыс­ка­нии мо­ду­ля ко­неч­ной ско­ро­сти v ра­ке­ты, масса ко­то­рой из­ме­ни­лась от зна­че­ния m₀ до ве­ли­чи­ны m, была ре­ше­на рус­ским уче­ным, пи­о­не­ром кос­мо­нав­ти­ки К. Э. Циол­ков­ским. Гра­фик за­ви­си­мо­сти, ил­лю­стри­ру­ю­щей по­лу­чен­ную им фор­му­лу, по­ка­зан на ри­сун­ке.

Из гра­фи­ка видно, что по­лу­чен­ная Циол­ков­ским за­ко­но­мер­ность может быть крат­ко сфор­му­ли­ро­ва­на сле­ду­ю­щим об­ра­зом: если ско­рость ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля по­сто­ян­на, то при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в гео­мет­ри­че­ской про­грес­сии мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты воз­рас­та­ет в ариф­ме­ти­че­ской про­грес­сии. Иными сло­ва­ми, если при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в 2 раза мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты уве­ли­чи­ва­ет­ся на 1 км/с, то при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в 4 раза мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты воз­рас­тет еще на 1 км/с. Из-за такой за­ко­но­мер­но­сти раз­гон ра­ке­ты до вы­со­кой ско­ро­сти тре­бу­ет очень боль­шо­го рас­хо­да топ­ли­ва.

Жизнь со­вре­мен­но­го че­ло­ве­ка не­воз­мож­но пред­ста­вить без раз­лич­ных элек­тро­при­бо­ров. Элек­три­че­ские лампы, элек­тро­пли­ты, элек­тро­чай­ни­ки, те­ле­ви­зо­ры, хо­ло­диль­ни­ки, аудио- и ви­део­си­сте­мы, фены и мно­гие дру­гие элек­тро­при­бо­ры проч­но вошли в нашу жизнь. Для обес­пе­че­ния ра­бо­ты этих при­бо­ров все по­ме­ще­ния, пред­на­зна­чен­ные для по­сто­ян­но­го или вре­мен­но­го про­жи­ва­ния че­ло­ве­ка, элек­три­фи­ци­ру­ют­ся. Стан­дар­ты, при­ня­тые в нашей стра­не, преду­смат­ри­ва­ют под­клю­че­ние элек­тро­при­бо­ров к пе­ре­мен­но­му на­пря­же­нию (220 В, 50 Гц). В по­ме­ще­ние обыч­но вво­дят­ся три про­во­да  — ну­ле­вой, фаз­ный и за­зем­ля­ю­щий. При под­клю­че­нии вилки элек­тро­при­бо­ра между ну­ле­вым и фаз­ным про­во­дом (по­сред­ством ро­зет­ки) на при­бор по­да­ет­ся нуж­ное пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние, и в цепи при­бо­ра на­чи­на­ет про­те­кать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток. За­зем­ля­ю­щий про­вод при по­мо­щи спе­ци­аль­но­го кон­так­та, име­ю­ще­го­ся в ро­зет­ке, под­клю­ча­ет­ся к кор­пу­су при­бо­ра.

По­сколь­ку пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние, о ко­то­ром идет речь, опас­но для жизни, важ­ной за­да­чей яв­ля­ет­ся обес­пе­че­ние без­опас­но­сти под­клю­че­ния элек­тро­при­бо­ров. В част­но­сти, не­об­хо­ди­мы спе­ци­аль­ные при­спо­соб­ле­ния, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют от­клю­че­ние по­ме­ще­ния от сети пе­ре­мен­но­го на­пря­же­ния в слу­чае воз­ник­но­ве­ния утеч­ки элек­три­че­ско­го тока из фаз­но­го про­во­да на за­зем­ля­ю­щий про­вод  — через по­вре­жден­ную изо­ля­цию или че­ло­ве­че­ское тело. Такое при­спо­соб­ле­ние на­зы­ва­ет­ся устрой­ством за­щит­но­го от­клю­че­ния (УЗО).

По­яс­ним прин­цип дей­ствия УЗО при по­мо­щи ри­сун­ка. Вхо­дя­щие в по­ме­ще­ние ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да (0 и Ф) под­клю­ча­ют­ся к вход­ным кон­так­там (1) УЗО, а про­во­да, иду­щие к ро­зет­кам - к вы­ход­ным кон­так­там (2) УЗО. За­зем­ля­ю­щий про­вод (3) к УЗО не под­клю­ча­ет­ся, он под­со­еди­ня­ет­ся на­пря­мую к спе­ци­аль­ной клем­ме в ро­зет­ке. Для вклю­че­ния УЗО (и по­да­чи на­пря­же­ния в ро­зет­ки) нужно на­жать кноп­ку (3) - в ре­зуль­та­те этого пру­жин­ные кон­так­ты (4) за­мы­ка­ют­ся, и УЗО про­пус­ка­ет ток. При этом од­но­вре­мен­но вклю­ча­ет­ся пи­та­ние элек­тро­маг­ни­та (5), ко­то­рый удер­жи­ва­ет кон­так­ты (4) в за­мкну­том со­сто­я­нии. Ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да рас­по­ло­же­ны па­рал­лель­но друг другу и про­хо­дят через от­вер­стие в кар­ка­се, на ко­то­ром на­мо­та­на ка­туш­ка (6), со­дер­жа­щая много вит­ков про­во­ло­ки (ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да не имеют элек­три­че­ско­го кон­так­та с ка­туш­кой). При нор­маль­ной ра­бо­те элек­тро­при­бо­ров ток, те­ку­щий по фаз­но­му про­во­ду, в точ­но­сти равен току, те­ку­ще­му по ну­ле­во­му про­во­ду, при­чем в каж­дый мо­мент вре­ме­ни эти токи текут в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях. По­это­му при нор­маль­ной ра­бо­те элек­тро­при­бо­ров маг­нит­ное поле, со­зда­ва­е­мое сов­мест­но то­ка­ми, те­ку­щи­ми в ну­ле­вом и в фаз­ном про­во­де, близ­ко к нулю. При воз­ник­но­ве­нии утеч­ки тока из фаз­но­го про­во­да в за­зем­ля­ю­щий про­вод (на­при­мер, в ре­зуль­та­те од­но­вре­мен­но­го при­кос­но­ве­ния че­ло­ве­ка к фаз­но­му и к за­зем­ля­ю­ще­му про­во­ду) ба­ланс на­ру­ша­ет­ся - ток, те­ку­щий по ну­ле­во­му про­во­ду, ста­но­вит­ся мень­ше тока, те­ку­ще­го по фаз­но­му про­во­ду (часть тока уте­ка­ет через за­зем­ля­ю­щий про­вод «мимо» ну­ле­во­го). Вслед­ствие этого во­круг ну­ле­во­го и фаз­но­го про­во­да воз­ни­ка­ет за­мет­ное пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле, ко­то­рое вы­зы­ва­ет по­яв­ле­ние ЭДС ин­дук­ции в на­мо­тан­ной на кар­кас ка­туш­ке (6). В ре­зуль­та­те в ка­туш­ке на­чи­на­ет про­те­кать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток, ко­то­рый ре­ги­стри­ру­ет­ся сле­дя­щим элек­трон­ным устрой­ством (7). Это устрой­ство сразу же раз­мы­ка­ет ключ (8) и тем самым от­клю­ча­ет пи­та­ние элек­тро­маг­ни­та (5), ко­то­рый, в свою оче­редь, пе­ре­ста­ет удер­жи­вать в за­мкну­том со­сто­я­нии кон­так­ты (4), и они под дей­стви­ем пру­жи­ны также раз­мы­ка­ют­ся, от­клю­чая ро­зет­ки от ну­ле­во­го и фаз­но­го про­во­да.

Из при­ве­ден­но­го опи­са­ния ясно, что УЗО будет сра­ба­ты­вать во всех слу­ча­ях, когда будет ста­но­вить­ся от­лич­ным от нуля сум­мар­ный ток, те­ку­щий через ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да, про­пу­щен­ные через ка­туш­ку (6). УЗО кон­стру­и­ру­ют так, чтобы оно сра­ба­ты­ва­ло и раз­ры­ва­ло пи­та­ю­щую цепь за мак­си­маль­но ко­рот­кий про­ме­жу­ток вре­ме­ни, чтобы элек­три­че­ский ток не успел на­не­сти вред че­ло­ве­че­ско­му ор­га­низ­му.

Ве­ще­ства во­круг нас чаще всего на­хо­дят­ся в одном из трех ос­нов­ных аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний  — твер­дом, жид­ком либо га­зо­об­раз­ном. При опре­де­лен­ных усло­ви­ях, своих для каж­до­го ве­ще­ства, воз­мож­ны пе­ре­хо­ды ве­ще­ства из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое. Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства часто на­зы­ва­ют фа­за­ми, а пе­ре­хо­ды между ними  — фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми. На­при­мер, вода при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. пе­ре­хо­дит из жид­кой фазы в твер­дую (при от­во­де теп­ло­ты) либо из твер­дой фазы в жид­кую (при под­во­де теп­ло­ты). При от­сут­ствии теп­ло­об­ме­на с окру­жа­ю­щи­ми те­ла­ми две фазы ве­ще­ства могут су­ще­ство­вать од­но­вре­мен­но (на­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. лед и вода могут на­хо­дить­ся в теп­ло­вом рав­но­ве­сии друг с дру­гом). Опыт по­ка­зы­ва­ет, что тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход, за­ви­сит от дав­ле­ния. На­при­мер, при по­ни­же­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды по­ни­жа­ет­ся, и по­это­му вы­со­ко в горах вода кипит при тем­пе­ра­ту­ре, мень­шей 100 °C.

Для того чтобы опре­де­лять, в какой фазе будет на­хо­дить­ся ве­ще­ство при дан­ных усло­ви­ях, а также на­хо­дить, как будут про­ис­хо­дить вза­им­ные пре­вра­ще­ния между фа­за­ми, ис­поль­зу­ют­ся спе­ци­аль­ные гра­фи­ки, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся фа­зо­вы­ми диа­грам­ма­ми. В ка­че­стве при­ме­ра на ри­сун­ке по­ка­за­на фа­зо­вая диа­грам­ма для воды.

Фа­зо­вая диа­грам­ма пред­став­ля­ет собой гра­фик, по го­ри­зон­таль­ной оси ко­то­ро­го от­ло­же­на тем­пе­ра­ту­ра t (в °С), а по вер­ти­каль­ной оси  — дав­ле­ние р (в атм.). Ли­ни­я­ми на диа­грам­ме по­ка­за­ны все воз­мож­ные на­бо­ры тем­пе­ра­ту­ры и дав­ле­ния, при ко­то­рых про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход. На нашем ри­сун­ке линия АО со­от­вет­ству­ет фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду лед-пар (и об­рат­но), линия ВО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду пар-жид­кость (и об­рат­но), линия СО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду жид­кость-лед (и об­рат­но). Со­от­вет­ствен­но, об­ла­сти I на диа­грам­ме со­от­вет­ству­ет твер­дое со­сто­я­ние воды, об­ла­сти II  — га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, а об­ла­сти III  — жид­кое со­сто­я­ние. Для того чтобы опре­де­лить, в каком со­сто­я­нии на­хо­дит­ся вода при дан­ных усло­ви­ях, нужно вы­яс­нить, в какой из этих об­ла­стей на диа­грам­ме лежит со­от­вет­ству­ю­щая точка. На­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре +70 °C и дав­ле­нии 0,2 атм. со­от­вет­ству­ю­щая точка 1 лежит на диа­грам­ме в об­ла­сти II, что со­от­вет­ству­ет га­зо­об­раз­но­му со­сто­я­нию. Также при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно опре­де­лять, какой фа­зо­вый пе­ре­ход будет со­вер­шать ве­ще­ство при из­ме­не­нии од­но­го из па­ра­мет­ров. На­при­мер, если при по­сто­ян­ном дав­ле­нии 1,3 атм. уве­ли­чи­вать тем­пе­ра­ту­ру от −50 °C до +40 °C, то вода будет пе­ре­хо­дить из твер­до­го со­сто­я­ния 2 в жид­кое со­сто­я­ние 3. На­ко­нец, при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно вы­яс­нить, как из­ме­ня­ет­ся тем­пе­ра­ту­ра фа­зо­во­го пе­ре­хо­да при из­ме­не­нии дав­ле­ния. На­при­мер, из диа­грам­мы видно, что при по­вы­ше­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся (кри­вая ОВ).

Из фа­зо­вой диа­грам­мы видно, что линии АО, ВО и СО схо­дят­ся в одной точке О. Это озна­ча­ет, что при тем­пе­ра­ту­ре и дав­ле­нии, со­от­вет­ству­ю­щих точке О, три фазы воды (твер­дая, жид­кая и га­зо­об­раз­ная) могут од­но­вре­мен­но су­ще­ство­вать в рав­но­ве­сии друг с дру­гом. Точка О на­зы­ва­ет­ся трой­ной точ­кой.

Ве­ще­ства во­круг нас чаще всего на­хо­дят­ся в одном из трех ос­нов­ных аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний  — твер­дом, жид­ком либо га­зо­об­раз­ном. При опре­де­лен­ных усло­ви­ях, своих для каж­до­го ве­ще­ства, воз­мож­ны пе­ре­хо­ды ве­ще­ства из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое. Аг­ре­гат­ные со­сто­я­ния ве­ще­ства часто на­зы­ва­ют фа­за­ми, а пе­ре­хо­ды между ними  — фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми. На­при­мер, вода при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. пе­ре­хо­дит из жид­кой фазы в твер­дую (при от­во­де теп­ло­ты) либо из твер­дой фазы в жид­кую (при под­во­де теп­ло­ты). При от­сут­ствии теп­ло­об­ме­на с окру­жа­ю­щи­ми те­ла­ми две фазы ве­ще­ства могут су­ще­ство­вать од­но­вре­мен­но (на­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре 0 °C и дав­ле­нии 1 атм. лед и вода могут на­хо­дить­ся в теп­ло­вом рав­но­ве­сии друг с дру­гом). Опыт по­ка­зы­ва­ет, что тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход, за­ви­сит от дав­ле­ния. На­при­мер, при по­ни­же­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды по­ни­жа­ет­ся, и по­это­му вы­со­ко в горах вода кипит при тем­пе­ра­ту­ре, мень­шей 100 °C.

Для того чтобы опре­де­лять, в какой фазе будет на­хо­дить­ся ве­ще­ство при дан­ных усло­ви­ях, а также на­хо­дить, как будут про­ис­хо­дить вза­им­ные пре­вра­ще­ния между фа­за­ми, ис­поль­зу­ют­ся спе­ци­аль­ные гра­фи­ки, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся фа­зо­вы­ми диа­грам­ма­ми. В ка­че­стве при­ме­ра на ри­сун­ке по­ка­за­на фа­зо­вая диа­грам­ма для воды.

Фа­зо­вая диа­грам­ма пред­став­ля­ет собой гра­фик, по го­ри­зон­таль­ной оси ко­то­ро­го от­ло­же­на тем­пе­ра­ту­ра t (в °С), а по вер­ти­каль­ной оси  — дав­ле­ние р (в атм.). Ли­ни­я­ми на диа­грам­ме по­ка­за­ны все воз­мож­ные на­бо­ры тем­пе­ра­ту­ры и дав­ле­ния, при ко­то­рых про­ис­хо­дит тот или иной фа­зо­вый пе­ре­ход. На нашем ри­сун­ке линия АО со­от­вет­ству­ет фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду лед-пар (и об­рат­но), линия ВО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду пар-жид­кость (и об­рат­но), линия СО  — фа­зо­во­му пе­ре­хо­ду жид­кость-лед (и об­рат­но). Со­от­вет­ствен­но, об­ла­сти I на диа­грам­ме со­от­вет­ству­ет твер­дое со­сто­я­ние воды, об­ла­сти II  — га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, а об­ла­сти III  — жид­кое со­сто­я­ние. Для того чтобы опре­де­лить, в каком со­сто­я­нии на­хо­дит­ся вода при дан­ных усло­ви­ях, нужно вы­яс­нить, в какой из этих об­ла­стей на диа­грам­ме лежит со­от­вет­ству­ю­щая точка. На­при­мер, при тем­пе­ра­ту­ре +70 °C и дав­ле­нии 0,2 атм. со­от­вет­ству­ю­щая точка 1 лежит на диа­грам­ме в об­ла­сти II, что со­от­вет­ству­ет га­зо­об­раз­но­му со­сто­я­нию. Также при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно опре­де­лять, какой фа­зо­вый пе­ре­ход будет со­вер­шать ве­ще­ство при из­ме­не­нии од­но­го из па­ра­мет­ров. На­при­мер, если при по­сто­ян­ном дав­ле­нии 1,3 атм. уве­ли­чи­вать тем­пе­ра­ту­ру от −50 °C до +40 °C, то вода будет пе­ре­хо­дить из твер­до­го со­сто­я­ния 2 в жид­кое со­сто­я­ние 3. На­ко­нец, при по­мо­щи фа­зо­вой диа­грам­мы можно вы­яс­нить, как из­ме­ня­ет­ся тем­пе­ра­ту­ра фа­зо­во­го пе­ре­хо­да при из­ме­не­нии дав­ле­ния. На­при­мер, из диа­грам­мы видно, что при по­вы­ше­нии дав­ле­ния тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся (кри­вая ОВ).

Из фа­зо­вой диа­грам­мы видно, что линии АО, ВО и СО схо­дят­ся в одной точке О. Это озна­ча­ет, что при тем­пе­ра­ту­ре и дав­ле­нии, со­от­вет­ству­ю­щих точке О, три фазы воды (твер­дая, жид­кая и га­зо­об­раз­ная) могут од­но­вре­мен­но су­ще­ство­вать в рав­но­ве­сии друг с дру­гом. Точка О на­зы­ва­ет­ся трой­ной точ­кой.

Не­об­хо­ди­мость в отоп­ле­нии воз­ник­ла в не­за­па­мят­ные вре­ме­на, од­но­вре­мен­но с тем, как люди на­учи­лись стро­ить для себя самые при­ми­тив­ные жи­ли­ща. Пер­вые жи­ли­ща отап­ли­ва­лись ко­стра­ми, потом их сме­ни­ли очаги, затем  — печи. В ходе тех­ни­че­ско­го про­грес­са си­сте­мы отоп­ле­ния по­сто­ян­но со­вер­шен­ство­ва­лись и улуч­ша­лись. Люди учи­лись при­ме­нять новые виды топ­ли­ва, при­ду­мы­ва­ли раз­ные кон­струк­ции ото­пи­тель­ных при­бо­ров, стре­ми­лись умень­шить рас­ход го­рю­че­го и сде­лать ра­бо­ту ото­пи­тель­ной си­сте­мы ав­то­ном­ной, не тре­бу­ю­щей по­сто­ян­но­го кон­тро­ля че­ло­ве­ка. В на­сто­я­щее время наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли си­сте­мы во­дя­но­го отоп­ле­ния, ко­то­рое при­ме­ня­ет­ся для обо­гре­ва как мно­го­квар­тир­ных домов в го­ро­дах, так и не­боль­ших зда­ний в сель­ской мест­но­сти. Прин­цип ра­бо­ты си­сте­мы во­дя­но­го отоп­ле­ния (см. рис.) удоб­но по­яс­нить на при­ме­ре ото­пи­тель­ной си­сте­мы не­боль­шо­го жи­ло­го дома.

Ис­точ­ни­ком теп­ло­ты для ото­пи­тель­ной си­сте­мы слу­жит печь 1, в ко­то­рой могут сго­рать раз­лич­ные виды ор­га­ни­че­ско­го топ­ли­ва  — дрова, торф, ка­мен­ный уголь, при­род­ный газ, неф­те­про­дук­ты и пр. Печь на­гре­ва­ет воду в котле 2. При на­гре­ва­нии вода рас­ши­ря­ет­ся и ее плот­ность умень­ша­ет­ся, в ре­зуль­та­те чего она под­ни­ма­ет­ся из котла вверх по вер­ти­каль­но­му глав­но­му сто­я­ку 3. В верх­ней части глав­но­го сто­я­ка рас­по­ло­жен име­ю­щий выход в ат­мо­сфе­ру рас­ши­ри­тель­ный бак 4, ко­то­рый не­об­хо­дим из-за того, что объем воды уве­ли­чи­ва­ет­ся при на­гре­ва­нии. От верх­ней части глав­но­го сто­я­ка от­хо­дит труба 5 («го­ря­чий тру­бо­про­вод»), по ко­то­ро­му вода по­да­ет­ся к ото­пи­тель­ным при­бо­рам  — ба­та­ре­ям 6, со­сто­я­щим из не­сколь­ких сек­ций каж­дая. После про­те­ка­ния через ба­та­реи остыв­шая вода по об­рат­но­му тру­бо­про­во­ду 7 вновь по­па­да­ет в котел, опять на­гре­ва­ет­ся и снова под­ни­ма­ет­ся по глав­но­му сто­я­ку. При наи­бо­лее про­стой од­но­труб­ной схеме все ба­та­реи со­еди­ня­ют­ся друг с дру­гом таким об­ра­зом, что все сек­ции ока­зы­ва­ют­ся па­рал­лель­но под­со­еди­нен­ны­ми к го­ря­че­му и к об­рат­но­му тру­бо­про­во­ду. По­сколь­ку вода при про­те­ка­нии через ба­та­реи по­сте­пен­но осты­ва­ет, для под­дер­жа­ния оди­на­ко­вой тем­пе­ра­ту­ры в раз­ных по­ме­ще­ни­ях в них де­ла­ют ба­та­реи с раз­ным чис­лом сек­ций (то есть с раз­ной пло­ща­дью по­верх­но­сти). В тех ком­на­тах, в ко­то­рые вода по­сту­па­ет рань­ше и по­это­му имеет более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, ко­ли­че­ство сек­ций в ба­та­ре­ях де­ла­ют мень­ше, и на­о­бо­рот. Вода в такой ото­пи­тель­ной си­сте­ме цир­ку­ли­ру­ет ав­то­ма­ти­че­ски, до тех пор пока в печи горит топ­ли­во. Для того чтобы цир­ку­ля­ция была воз­мож­на, все го­ря­чие тру­бо­про­во­ды и об­рат­ные тру­бо­про­во­ды в си­сте­ме де­ла­ют либо вер­ти­каль­ны­ми, либо с не­боль­шим укло­ном в нуж­ную сто­ро­ну  — так, чтобы вода по ним шла от глав­но­го сто­я­ка об­рат­но к котлу под дей­стви­ем силы тя­же­сти («са­мо­те­ком»). Ско­рость цир­ку­ля­ции воды и сте­пень обо­гре­ва можно ре­гу­ли­ро­вать, умень­шая или уве­ли­чи­вая ко­ли­че­ство топ­ли­ва, сго­ра­ю­ще­го в печи в еди­ни­цу вре­ме­ни. Вода цир­ку­ли­ру­ет в ото­пи­тель­ных си­сте­мах та­ко­го типа тем лучше, чем боль­ше рас­сто­я­ние по вы­со­те между кот­лом и го­ря­чим тру­бо­про­во­дом. По­это­му печь с кот­лом ста­ра­ют­ся рас­по­ла­гать как можно ниже -обыч­но их ста­вят в под­ва­ле либо, при его от­сут­ствии, опус­ка­ют до уров­ня земли, а го­ря­чий тру­бо­про­вод про­во­дят по чер­да­ку.

Для нор­маль­ной ра­бо­ты ото­пи­тель­ной си­сте­мы очень важно, чтобы внут­ри нее не было воз­ду­ха. Для вы­пус­ка воз­душ­ных про­бок, ко­то­рые могут воз­ни­кать в тру­бах и в ба­та­ре­ях, слу­жат спе­ци­аль­ные воз­ду­хо­от­вод­чи­ки, ко­то­рые от­кры­ва­ют­ся при за­пол­не­нии си­сте­мы водой (на ри­сун­ке не по­ка­за­ны). Также на тру­бах в ниж­ней части си­сте­мы уста­нав­ли­ва­ют­ся краны 8, при по­мо­щи ко­то­рых из ото­пи­тель­ной си­сте­мы при не­об­хо­ди­мо­сти сли­ва­ет­ся вода.

В со­вре­мен­ных тех­ни­че­ских устрой­ствах, при­ме­ня­е­мых для за­пи­си и транс­ля­ции звука, не­воз­мож­но обой­тись без мик­ро­фо­на. Мик­ро­фон  — это устрой­ство, пред­на­зна­чен­ное для пре­об­ра­зо­ва­ния зву­ко­вой волны в элек­три­че­ский сиг­нал, ко­то­рый затем может ис­поль­зо­вать­ся для за­пи­си звука, для его уси­ле­ния или вос­про­из­ве­де­ния. Мик­ро­фо­ны могут иметь раз­лич­ные кон­струк­ции, их ра­бо­та ос­но­вы­ва­ет­ся на раз­лич­ных фи­зи­че­ских прин­ци­пах. Од­на­ко все мик­ро­фо­ны имеют общие эле­мен­ты кон­струк­ции  — это мем­бра­на, ко­то­рая вос­при­ни­ма­ет зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, и элек­тро­ме­ха­ни­че­ская часть, ко­то­рая пре­об­ра­зу­ет ме­ха­ни­че­ские ко­ле­ба­ния в элек­тро­маг­нит­ные.

Рас­смот­рим в ка­че­стве наи­бо­лее про­сто­го при­ме­ра элек­тро­ди­на­ми­че­ский мик­ро­фон с по­движ­ной ка­туш­кой. Он со­сто­ит из кор­пу­са, внут­ри ко­то­ро­го не­по­движ­но за­креп­лен по­ло­со­вой по­сто­ян­ный маг­нит ПМ. Упру­гая мем­бра­на М вы­не­се­на на один из тор­цов кор­пу­са мик­ро­фо­на. К мем­бра­не при­креп­ле­на ка­туш­ка К, на ко­то­рую на­мо­та­но много вит­ков про­во­да. Ка­туш­ка рас­по­ло­же­на так, что она на­хо­дит­ся вб­ли­зи од­но­го из по­лю­сов маг­ни­та. При воз­дей­ствии зву­ко­вых волн на мем­бра­ну она при­хо­дит в ко­ле­ба­тель­ное дви­же­ние, и вме­сте с ней на­чи­на­ет ко­ле­бать­ся ка­туш­ка, дви­га­ясь вдоль про­доль­ной оси маг­ни­та. В ре­зуль­та­те этого из­ме­ня­ет­ся маг­нит­ный поток через ка­туш­ку, и в ней, в со­от­вет­ствии с за­ко­ном элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции, воз­ни­ка­ет пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние. Закон из­ме­не­ния этого на­пря­же­ния со­от­вет­ству­ет за­ко­ну ко­ле­ба­ний мем­бра­ны под дей­стви­ем зву­ко­вых волн. Таким об­ра­зом, ме­ха­ни­че­ский сиг­нал (зву­ко­вая волна) пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­три­че­ский (ко­ле­ба­ния на­пря­же­ния между вы­во­да­ми на­мо­тан­но­го на ка­туш­ку про­во­да), ко­то­рый затем по­да­ет­ся на спе­ци­аль­ную элек­три­че­скую схему. Сле­до­ва­тель­но, в дан­ном типе мик­ро­фо­на элек­тро­ме­ха­ни­че­ская часть со­сто­ит из по­сто­ян­но­го маг­ни­та, по­движ­ной про­во­лоч­ной ка­туш­ки и элек­три­че­ской цепи, к ко­то­рой она под­клю­че­на.

Су­ще­ству­ют и дру­гие типы мик­ро­фо­нов  — кон­ден­са­тор­ный мик­ро­фон (в нем мем­бра­на при­креп­ле­на к одной из пла­стин вклю­чен­но­го в элек­три­че­скую цепь кон­ден­са­то­ра, в ре­зуль­та­те чего при ко­ле­ба­ни­ях мем­бра­ны из­ме­ня­ет­ся его элек­три­че­ская ем­кость), уголь­ный мик­ро­фон (в нем мем­бра­на при ко­ле­ба­ни­ях давит на уголь­ный по­ро­шок, вклю­чен­ный в элек­три­че­скую цепь, в ре­зуль­та­те чего из­ме­ня­ет­ся его со­про­тив­ле­ние), пье­зо­мик­ро­фон (его ра­бо­та ос­но­ва­на на свой­стве не­ко­то­рых ве­ществ  — пье­зо­элек­три­ков  — со­зда­вать элек­три­че­ское поле при де­фор­ма­ци­ях), а также ряд мо­ди­фи­ка­ций этих типов мик­ро­фо­нов.

По­жа­ры в жилых и про­из­вод­ствен­ных по­ме­ще­ни­ях, как из­вест­но, пред­став­ля­ют се­рьез­ную опас­ность для жизни и здо­ро­вья людей и могут слу­жить при­чи­ной боль­ших ма­те­ри­аль­ных по­терь. По этой при­чи­не важ­ной за­да­чей яв­ля­ет­ся об­на­ру­же­ние по­жа­ра в самом на­ча­ле его воз­ник­но­ве­ния и ран­нее опо­ве­ще­ние людей о на­ча­ле воз­го­ра­ния. Для ре­ше­ния этой за­да­чи ис­поль­зу­ют­ся раз­лич­ные си­сте­мы по­жар­ной сиг­на­ли­за­ции, ос­нов­ным эле­мен­том ко­то­рой яв­ля­ет­ся по­жар­ный из­ве­ща­тель. Пред­на­зна­че­ние по­жар­но­го из­ве­ща­те­ля  — сре­а­ги­ро­вать на раз­лич­ные про­яв­ле­ния по­жа­ра и при­ве­сти в дей­ствие сиг­наль­ную часть по­жар­ной сиг­на­ли­за­ции (на­при­мер, си­ре­ну). По­жар­ные из­ве­ща­те­ли бы­ва­ют двух ос­нов­ных типов: теп­ло­вые (ре­а­ги­ру­ют на по­вы­ше­ние тем­пе­ра­ту­ры) и ды­мо­вые (ре­а­ги­ру­ют на по­яв­ле­ние в воз­ду­хе ча­стиц дыма). Из­ве­ща­те­ли обоих типов могут иметь раз­лич­ные прин­ци­пы дей­ствия и кон­струк­тив­ные осо­бен­но­сти.

а)

б)

в)

Рас­смот­рим в ка­че­стве при­ме­ра иони­за­ци­он­ный ды­мо­вой из­ве­ща­тель. Его ос­нов­ным эле­мен­том яв­ля­ет­ся иони­за­ци­он­ная ка­ме­ра (рис. а), в ко­то­рой на­хо­дит­ся ис­точ­ник ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния - на­при­мер, изо­топ хи­ми­че­ско­го эле­мен­та аме­ри­ция . При ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де аме­ри­ций ис­пус­ка­ет альфа-ча­сти­цы, ко­то­рые иони­зи­ру­ют мо­ле­ку­лы воз­ду­ха, при столк­но­ве­ни­ях «раз­би­вая» их на по­ло­жи­тель­но и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные ионы. Также в иони­за­ци­он­ной ка­ме­ре на­хо­дят­ся два элек­тро­да. После под­клю­че­ния элек­тро­дов к по­лю­сам ис­точ­ни­ка по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния по­ло­жи­тель­ные ионы при­тя­ги­ва­ют­ся к от­ри­ца­тель­но

за­ря­жен­но­му элек­тро­ду, а от­ри­ца­тель­ные ионы  — к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­му элек­тро­ду, и через иони­за­ци­он­ную ка­ме­ру на­чи­на­ет про­те­кать элек­три­че­ский ток (рис. б). Если в такую ка­ме­ру по­па­да­ют ча­сти­цы дыма, то ионы при­тя­ги­ва­ют­ся к ним и осе­да­ют на этих ча­сти­цах (рис. в). В ре­зуль­та­те ко­ли­че­ство ионов в ка­ме­ре резко умень­ша­ет­ся, число но­си­те­лей за­ря­да па­да­ет, и сила тока, те­ку­ще­го через ка­ме­ру, также умень­ша­ет­ся. Имен­но ве­ли­чи­на силы тока, те­ку­ще­го через иони­за­ци­он­ную ка­ме­ру, слу­жит ин­ди­ка­то­ром на­ли­чия дыма, а зна­чит, и по­жа­ра.

Обыч­но при кон­стру­и­ро­ва­нии иони­за­ци­он­но­го ды­мо­во­го из­ве­ща­те­ля в него по­ме­ща­ют сразу две иони­за­ци­он­ные ка­ме­ры: одну от­кры­тую (она яв­ля­ет­ся ра­бо­чей), а вто­рую  — за­кры­тую (она яв­ля­ет­ся эта­лон­ной). В за­кры­тую ка­ме­ру, в от­ли­чие от от­кры­той, дым по­пасть не может, и по­это­му сила те­ку­ще­го через нее тока все время по­сто­ян­на. Элек­три­че­ская схема из­ве­ща­те­ля срав­ни­ва­ет силы токов, те­ку­щих через от­кры­тую и за­кры­тую ка­ме­ры. В слу­чае если эти силы токов силь­но от­ли­ча­ют­ся друг от друга (что про­ис­хо­дит как раз тогда, когда в от­кры­тую ка­ме­ру по­па­да­ет дым), сиг­на­ли­за­ция сра­ба­ты­ва­ет  — элек­три­че­ская схема вклю­ча­ет ее сиг­наль­ную часть (на­при­мер, си­ре­ну), и на­чи­на­ет­ся опо­ве­ще­ние о по­жа­ре. Опи­сан­ный иони­за­ци­он­ный ды­мо­вой из­ве­ща­тель лучше ре­а­ги­ру­ет на дым, со­сто­я­щий из боль­шо­го ко­ли­че­ства мел­ких ча­стиц. В этом слу­чае сум­мар­ная пло­щадь по­верх­но­сти ча­стиц дыма боль­ше, и ионы лучше оса­жда­ют­ся на ча­сти­цах.

По­жа­ры в жилых и про­из­вод­ствен­ных по­ме­ще­ни­ях, как из­вест­но, пред­став­ля­ют се­рьез­ную опас­ность для жизни и здо­ро­вья людей и могут слу­жить при­чи­ной боль­ших ма­те­ри­аль­ных по­терь. По этой при­чи­не важ­ной за­да­чей яв­ля­ет­ся об­на­ру­же­ние по­жа­ра в самом на­ча­ле его воз­ник­но­ве­ния и ран­нее опо­ве­ще­ние людей о на­ча­ле воз­го­ра­ния. Для ре­ше­ния этой за­да­чи ис­поль­зу­ют­ся раз­лич­ные си­сте­мы по­жар­ной сиг­на­ли­за­ции, ос­нов­ным эле­мен­том ко­то­рой яв­ля­ет­ся по­жар­ный из­ве­ща­тель. Пред­на­зна­че­ние по­жар­но­го из­ве­ща­те­ля  — сре­а­ги­ро­вать на раз­лич­ные про­яв­ле­ния по­жа­ра и при­ве­сти в дей­ствие сиг­наль­ную часть по­жар­ной сиг­на­ли­за­ции (на­при­мер, си­ре­ну). По­жар­ные из­ве­ща­те­ли бы­ва­ют двух ос­нов­ных типов: теп­ло­вые (ре­а­ги­ру­ют на по­вы­ше­ние тем­пе­ра­ту­ры) и ды­мо­вые (ре­а­ги­ру­ют на по­яв­ле­ние в воз­ду­хе ча­стиц дыма). Из­ве­ща­те­ли обоих типов могут иметь раз­лич­ные прин­ци­пы дей­ствия и кон­струк­тив­ные осо­бен­но­сти.

а)

б)

в)

Рас­смот­рим в ка­че­стве при­ме­ра иони­за­ци­он­ный ды­мо­вой из­ве­ща­тель. Его ос­нов­ным эле­мен­том яв­ля­ет­ся иони­за­ци­он­ная ка­ме­ра (рис. а), в ко­то­рой на­хо­дит­ся ис­точ­ник ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния - на­при­мер, изо­топ хи­ми­че­ско­го эле­мен­та аме­ри­ция . При ра­дио­ак­тив­ном рас­па­де аме­ри­ций ис­пус­ка­ет альфа-ча­сти­цы, ко­то­рые иони­зи­ру­ют мо­ле­ку­лы воз­ду­ха, при столк­но­ве­ни­ях «раз­би­вая» их на по­ло­жи­тель­но и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные ионы. Также в иони­за­ци­он­ной ка­ме­ре на­хо­дят­ся два элек­тро­да. После под­клю­че­ния элек­тро­дов к по­лю­сам ис­точ­ни­ка по­сто­ян­но­го на­пря­же­ния по­ло­жи­тель­ные ионы при­тя­ги­ва­ют­ся к от­ри­ца­тель­но

за­ря­жен­но­му элек­тро­ду, а от­ри­ца­тель­ные ионы  — к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­му элек­тро­ду, и через иони­за­ци­он­ную ка­ме­ру на­чи­на­ет про­те­кать элек­три­че­ский ток (рис. б). Если в такую ка­ме­ру по­па­да­ют ча­сти­цы дыма, то ионы при­тя­ги­ва­ют­ся к ним и осе­да­ют на этих ча­сти­цах (рис. в). В ре­зуль­та­те ко­ли­че­ство ионов в ка­ме­ре резко умень­ша­ет­ся, число но­си­те­лей за­ря­да па­да­ет, и сила тока, те­ку­ще­го через ка­ме­ру, также умень­ша­ет­ся. Имен­но ве­ли­чи­на силы тока, те­ку­ще­го через иони­за­ци­он­ную ка­ме­ру, слу­жит ин­ди­ка­то­ром на­ли­чия дыма, а зна­чит, и по­жа­ра.

Обыч­но при кон­стру­и­ро­ва­нии иони­за­ци­он­но­го ды­мо­во­го из­ве­ща­те­ля в него по­ме­ща­ют сразу две иони­за­ци­он­ные ка­ме­ры: одну от­кры­тую (она яв­ля­ет­ся ра­бо­чей), а вто­рую  — за­кры­тую (она яв­ля­ет­ся эта­лон­ной). В за­кры­тую ка­ме­ру, в от­ли­чие от от­кры­той, дым по­пасть не может, и по­это­му сила те­ку­ще­го через нее тока все время по­сто­ян­на. Элек­три­че­ская схема из­ве­ща­те­ля срав­ни­ва­ет силы токов, те­ку­щих через от­кры­тую и за­кры­тую ка­ме­ры. В слу­чае если эти силы токов силь­но от­ли­ча­ют­ся друг от друга (что про­ис­хо­дит как раз тогда, когда в от­кры­тую ка­ме­ру по­па­да­ет дым), сиг­на­ли­за­ция сра­ба­ты­ва­ет  — элек­три­че­ская схема вклю­ча­ет ее сиг­наль­ную часть (на­при­мер, си­ре­ну), и на­чи­на­ет­ся опо­ве­ще­ние о по­жа­ре. Опи­сан­ный иони­за­ци­он­ный ды­мо­вой из­ве­ща­тель лучше ре­а­ги­ру­ет на дым, со­сто­я­щий из боль­шо­го ко­ли­че­ства мел­ких ча­стиц. В этом слу­чае сум­мар­ная пло­щадь по­верх­но­сти ча­стиц дыма боль­ше, и ионы лучше оса­жда­ют­ся на ча­сти­цах.

Из­вест­но, что при из­ме­не­нии внеш­них усло­вий  — тем­пе­ра­ту­ры или дав­ле­ния  — ве­ще­ство может из­ме­нять свое аг­ре­гат­ное со­сто­я­ние (пе­ре­хо­дить из га­зо­об­раз­ной формы в жид­кую, из жид­кой в твер­дую, либо из га­зо­об­раз­ной в твер­дую, и об­рат­но). Од­на­ко, как по­ка­зы­ва­ет опыт, воз­мо­жен и дру­гой тип пре­вра­ще­ния ве­ще­ства. Ве­ще­ство при из­ме­не­нии внеш­них усло­вий может из­ме­нять какие-либо свои свой­ства, оста­ва­ясь при этом в преж­нем аг­ре­гат­ном со­сто­я­нии. Такие из­ме­не­ния свойств ве­ще­ства на­зы­ва­ют фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми, и го­во­рят, что ве­ще­ство пе­ре­шло из одной фазы в дру­гую. Любое из­ме­не­ние аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния, есте­ствен­но, яв­ля­ет­ся фа­зо­вым пе­ре­хо­дом. Об­рат­ное утвер­жде­ние не­вер­но. Таким об­ра­зом, фа­зо­вый пе­ре­ход  — более ши­ро­кое по­ня­тие, чем из­ме­не­ние аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния.

Раз­ли­ча­ют два ос­нов­ных типа фа­зо­вых пе­ре­хо­дов. Их так и на­зы­ва­ют  — фа­зо­вый пе­ре­ход пер­во­го рода и фа­зо­вый пе­ре­ход вто­ро­го рода. При фа­зо­вом пе­ре­хо­де пер­во­го рода скач­ком из­ме­ня­ют­ся плот­ность ве­ще­ства и его внут­рен­няя энер­гия (при этом дру­гие ха­рак­те­ри­сти­ки также могут ме­нять­ся). По­след­нее озна­ча­ет, что при фа­зо­вом пе­ре­хо­де пер­во­го рода вы­де­ля­ет­ся или по­гло­ща­ет­ся теп­ло­та. При­ме­ра­ми фа­зо­во­го пе­ре­хо­да пер­во­го рода как раз могут слу­жить упо­мя­ну­тые выше из­ме­не­ния аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния ве­ще­ства. На­при­мер, при пре­вра­ще­нии воды в лед плот­ность ве­ще­ства умень­ша­ет­ся (ве­ще­ство рас­ши­ря­ет­ся) и вы­де­ля­ет­ся теп­ло­та за­мер­за­ния (рав­ная по мо­ду­лю теп­ло­те плав­ле­ния, по­гло­ща­ю­щей­ся при об­рат­ном фа­зо­вом пе­ре­хо­де). При этом умень­ша­ет­ся удель­ная теп­ло­ем­кость ве­ще­ства.

При фа­зо­вом пе­ре­хо­де вто­ро­го рода плот­ность ве­ще­ства и его внут­рен­няя энер­гия оста­ют­ся не­из­мен­ны­ми, по­это­му такие пе­ре­хо­ды могут быть внеш­не не­за­мет­ны­ми. Зато скач­ко­об­раз­но из­ме­ня­ют­ся удель­ная теп­ло­ем­кость ве­ще­ства, его ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­во­го рас­ши­ре­ния и не­ко­то­рые дру­гие ха­рак­те­ри­сти­ки. При­ме­ра­ми фа­зо­вых пе­ре­хо­дов вто­ро­го рода могут слу­жить пе­ре­ход ме­тал­лов и спла­вов из обыч­но­го со­сто­я­ния в сверх­про­во­дя­щее, а также пе­ре­ход твер­дых ве­ществ из аморф­но­го со­сто­я­ния в стек­ло­об­раз­ное.

Ин­те­рес­ные при­ме­ры фа­зо­вых пе­ре­хо­дов пер­во­го рода на­блю­да­ют­ся у не­ко­то­рых ме­тал­лов. На­при­мер, если на­гре­вать же­ле­зо, то при до­сти­же­нии тем­пе­ра­ту­ры +917 °C про­ис­хо­дит пе­ре­строй­ка его кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки, в ре­зуль­та­те чего на­блю­да­ет­ся уве­ли­че­ние плот­но­сти ве­ще­ства и по­гло­ща­ет­ся теп­ло­та фа­зо­во­го пе­ре­хо­да. Этот фа­зо­вый пе­ре­ход об­ра­тим  — при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но до +917 °C плот­ность же­ле­за, на­о­бо­рот, умень­ша­ет­ся, и про­ис­хо­дит вы­де­ле­ние теп­ло­ты фа­зо­во­го пе­ре­хо­да.

Фа­зо­вые пе­ре­хо­ды могут быть и не­об­ра­ти­мы­ми. Ярким при­ме­ром та­ко­го пе­ре­хо­да может слу­жить пре­вра­ще­ние так на­зы­ва­е­мо­го «бе­ло­го олова» в так на­зы­ва­е­мое «серое олово». При ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре белое олово яв­ля­ет­ся пла­стич­ным ме­тал­лом. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры до при­мер­но +13 °C оно на­чи­на­ет мед­лен­но пе­ре­хо­дить в дру­гое фа­зо­вое со­сто­я­ние  — серое олово  — в ко­то­ром олово су­ще­ству­ет в виде по­рош­ка. Фа­зо­вый пе­ре­ход про­ис­хо­дит с очень малой ско­ро­стью (то есть после по­ни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры ниже точки фа­зо­во­го пе­ре­хо­да олово все еще оста­ет­ся белым, но это со­сто­я­ние не­ста­биль­но). Од­на­ко фа­зо­вый пе­ре­ход резко уско­ря­ет­ся при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры до –33 °C, а также при кон­так­те се­ро­го олова с белым оло­вом. По­сколь­ку при дан­ном фа­зо­вом пе­ре­хо­де про­ис­хо­дит рез­кое умень­ше­ние плот­но­сти (и уве­ли­че­ние объ­е­ма), то оло­вян­ные пред­ме­ты рас­сы­па­ют­ся в по­ро­шок, при­чем по­па­да­ние этого по­рош­ка на «не по­ра­жен­ные» пред­ме­ты при­во­дит к их быст­рой порче (пред­ме­ты как бы «за­ра­жа­ют­ся»). Вер­нуть серое олово в ис­ход­ное со­сто­я­ние воз­мож­но толь­ко путем его пе­ре­плав­ки.

Опи­сан­ное яв­ле­ние по­лу­чи­ло на­зва­ние «оло­вян­ная чума». Оно яви­лось ос­нов­ной при­чи­ной ги­бе­ли экс­пе­ди­ции Р. Ф. Скот­та к Юж­но­му по­лю­су в 1912 г. (экс­пе­ди­ция оста­лась без топ­ли­ва  — оно вы­тек­ло из баков, за­па­ян­ных оло­вом, ко­то­рое по­ра­зи­ла «оло­вян­ная чума»). Также су­ще­ству­ет ле­ген­да, со­глас­но ко­то­рой одной из при­чин не­уда­чи армии На­по­лео­на в Рос­сии яви­лись силь­ные зим­ние мо­ро­зы, ко­то­рые пре­вра­ти­ли в по­ро­шок оло­вян­ные пу­го­ви­цы на мун­ди­рах сол­дат. «Оло­вян­ная чума» по­гу­би­ла мно­гие цен­ней­шие кол­лек­ции оло­вян­ных сол­да­ти­ков. На­при­мер, в за­пас­ни­ках пе­тер­бург­ско­го музея Алек­сандра Су­во­ро­ва пре­вра­ти­лись в труху де­сят­ки фи­гу­рок  — в под­ва­ле, где они хра­ни­лись, во время су­ро­вой зимы лоп­ну­ли ба­та­реи отоп­ле­ния.

Из­вест­но, что при из­ме­не­нии внеш­них усло­вий  — тем­пе­ра­ту­ры или дав­ле­ния  — ве­ще­ство может из­ме­нять свое аг­ре­гат­ное со­сто­я­ние (пе­ре­хо­дить из га­зо­об­раз­ной формы в жид­кую, из жид­кой в твер­дую, либо из га­зо­об­раз­ной в твер­дую, и об­рат­но). Од­на­ко, как по­ка­зы­ва­ет опыт, воз­мо­жен и дру­гой тип пре­вра­ще­ния ве­ще­ства. Ве­ще­ство при из­ме­не­нии внеш­них усло­вий может из­ме­нять какие-либо свои свой­ства, оста­ва­ясь при этом в преж­нем аг­ре­гат­ном со­сто­я­нии. Такие из­ме­не­ния свойств ве­ще­ства на­зы­ва­ют фа­зо­вы­ми пе­ре­хо­да­ми, и го­во­рят, что ве­ще­ство пе­ре­шло из одной фазы в дру­гую. Любое из­ме­не­ние аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния, есте­ствен­но, яв­ля­ет­ся фа­зо­вым пе­ре­хо­дом. Об­рат­ное утвер­жде­ние не­вер­но. Таким об­ра­зом, фа­зо­вый пе­ре­ход  — более ши­ро­кое по­ня­тие, чем из­ме­не­ние аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния.

Раз­ли­ча­ют два ос­нов­ных типа фа­зо­вых пе­ре­хо­дов. Их так и на­зы­ва­ют  — фа­зо­вый пе­ре­ход пер­во­го рода и фа­зо­вый пе­ре­ход вто­ро­го рода. При фа­зо­вом пе­ре­хо­де пер­во­го рода скач­ком из­ме­ня­ют­ся плот­ность ве­ще­ства и его внут­рен­няя энер­гия (при этом дру­гие ха­рак­те­ри­сти­ки также могут ме­нять­ся). По­след­нее озна­ча­ет, что при фа­зо­вом пе­ре­хо­де пер­во­го рода вы­де­ля­ет­ся или по­гло­ща­ет­ся теп­ло­та. При­ме­ра­ми фа­зо­во­го пе­ре­хо­да пер­во­го рода как раз могут слу­жить упо­мя­ну­тые выше из­ме­не­ния аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния ве­ще­ства. На­при­мер, при пре­вра­ще­нии воды в лед плот­ность ве­ще­ства умень­ша­ет­ся (ве­ще­ство рас­ши­ря­ет­ся) и вы­де­ля­ет­ся теп­ло­та за­мер­за­ния (рав­ная по мо­ду­лю теп­ло­те плав­ле­ния, по­гло­ща­ю­щей­ся при об­рат­ном фа­зо­вом пе­ре­хо­де). При этом умень­ша­ет­ся удель­ная теп­ло­ем­кость ве­ще­ства.

При фа­зо­вом пе­ре­хо­де вто­ро­го рода плот­ность ве­ще­ства и его внут­рен­няя энер­гия оста­ют­ся не­из­мен­ны­ми, по­это­му такие пе­ре­хо­ды могут быть внеш­не не­за­мет­ны­ми. Зато скач­ко­об­раз­но из­ме­ня­ют­ся удель­ная теп­ло­ем­кость ве­ще­ства, его ко­эф­фи­ци­ент теп­ло­во­го рас­ши­ре­ния и не­ко­то­рые дру­гие ха­рак­те­ри­сти­ки. При­ме­ра­ми фа­зо­вых пе­ре­хо­дов вто­ро­го рода могут слу­жить пе­ре­ход ме­тал­лов и спла­вов из обыч­но­го со­сто­я­ния в сверх­про­во­дя­щее, а также пе­ре­ход твер­дых ве­ществ из аморф­но­го со­сто­я­ния в стек­ло­об­раз­ное.

Ин­те­рес­ные при­ме­ры фа­зо­вых пе­ре­хо­дов пер­во­го рода на­блю­да­ют­ся у не­ко­то­рых ме­тал­лов. На­при­мер, если на­гре­вать же­ле­зо, то при до­сти­же­нии тем­пе­ра­ту­ры +917 °C про­ис­хо­дит пе­ре­строй­ка его кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки, в ре­зуль­та­те чего на­блю­да­ет­ся уве­ли­че­ние плот­но­сти ве­ще­ства и по­гло­ща­ет­ся теп­ло­та фа­зо­во­го пе­ре­хо­да. Этот фа­зо­вый пе­ре­ход об­ра­тим  — при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры об­рат­но до +917 °C плот­ность же­ле­за, на­о­бо­рот, умень­ша­ет­ся, и про­ис­хо­дит вы­де­ле­ние теп­ло­ты фа­зо­во­го пе­ре­хо­да.

Фа­зо­вые пе­ре­хо­ды могут быть и не­об­ра­ти­мы­ми. Ярким при­ме­ром та­ко­го пе­ре­хо­да может слу­жить пре­вра­ще­ние так на­зы­ва­е­мо­го «бе­ло­го олова» в так на­зы­ва­е­мое «серое олово». При ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре белое олово яв­ля­ет­ся пла­стич­ным ме­тал­лом. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры до при­мер­но +13 °C оно на­чи­на­ет мед­лен­но пе­ре­хо­дить в дру­гое фа­зо­вое со­сто­я­ние  — серое олово  — в ко­то­ром олово су­ще­ству­ет в виде по­рош­ка. Фа­зо­вый пе­ре­ход про­ис­хо­дит с очень малой ско­ро­стью (то есть после по­ни­же­ния тем­пе­ра­ту­ры ниже точки фа­зо­во­го пе­ре­хо­да олово все еще оста­ет­ся белым, но это со­сто­я­ние не­ста­биль­но). Од­на­ко фа­зо­вый пе­ре­ход резко уско­ря­ет­ся при по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры до –33 °C, а также при кон­так­те се­ро­го олова с белым оло­вом. По­сколь­ку при дан­ном фа­зо­вом пе­ре­хо­де про­ис­хо­дит рез­кое умень­ше­ние плот­но­сти (и уве­ли­че­ние объ­е­ма), то оло­вян­ные пред­ме­ты рас­сы­па­ют­ся в по­ро­шок, при­чем по­па­да­ние этого по­рош­ка на «не по­ра­жен­ные» пред­ме­ты при­во­дит к их быст­рой порче (пред­ме­ты как бы «за­ра­жа­ют­ся»). Вер­нуть серое олово в ис­ход­ное со­сто­я­ние воз­мож­но толь­ко путем его пе­ре­плав­ки.

Опи­сан­ное яв­ле­ние по­лу­чи­ло на­зва­ние «оло­вян­ная чума». Оно яви­лось ос­нов­ной при­чи­ной ги­бе­ли экс­пе­ди­ции Р. Ф. Скот­та к Юж­но­му по­лю­су в 1912 г. (экс­пе­ди­ция оста­лась без топ­ли­ва  — оно вы­тек­ло из баков, за­па­ян­ных оло­вом, ко­то­рое по­ра­зи­ла «оло­вян­ная чума»). Также су­ще­ству­ет ле­ген­да, со­глас­но ко­то­рой одной из при­чин не­уда­чи армии На­по­лео­на в Рос­сии яви­лись силь­ные зим­ние мо­ро­зы, ко­то­рые пре­вра­ти­ли в по­ро­шок оло­вян­ные пу­го­ви­цы на мун­ди­рах сол­дат. «Оло­вян­ная чума» по­гу­би­ла мно­гие цен­ней­шие кол­лек­ции оло­вян­ных сол­да­ти­ков. На­при­мер, в за­пас­ни­ках пе­тер­бург­ско­го музея Алек­сандра Су­во­ро­ва пре­вра­ти­лись в труху де­сят­ки фи­гу­рок  — в под­ва­ле, где они хра­ни­лись, во время су­ро­вой зимы лоп­ну­ли ба­та­реи отоп­ле­ния.

Этот важ­ный закон был от­крыт в 1738 году Да­ни­и­лом Бер­нул­ли  — швей­цар­ским фи­зи­ком, ме­ха­ни­ком и ма­те­ма­ти­ком, ака­де­ми­ком и ино­стран­ным по­чет­ным чле­ном Пе­тер­бург­ской ака­де­мии наук. Закон Бер­нул­ли поз­во­ля­ет по­нять не­ко­то­рые яв­ле­ния, на­блю­да­е­мые при те­че­нии по­то­ка жид­ко­сти или газа.

В ка­че­стве при­ме­ра рас­смот­рим поток жид­ко­сти плот­но­стью ρ, те­ку­щей по на­кло­нен­ной под углом к го­ри­зон­ту трубе. Если жид­кость пол­но­стью за­пол­ня­ет трубу, то закон Бер­нул­ли вы­ра­жа­ет­ся сле­ду­ю­щим про­стым

урав­не­ни­ем:

В этом урав­не­нии h – вы­со­та, на ко­то­рой на­хо­дит­ся вы­де­лен­ный объем жид­ко­сти, v  — ско­рость этого объ­е­ма, p  — дав­ле­ние внут­ри по­то­ка жид­ко­сти на дан­ной вы­со­те. За­пи­сан­ное урав­не­ние сви­де­тель­ству­ет о том, что сумма трех ве­ли­чин, пер­вая из ко­то­рых за­ви­сит от вы­со­ты, вто­рая  — от квад­ра­та ско­ро­сти, а тре­тья  — от дав­ле­ния, есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная.

В част­но­сти, если жид­кость течет вдоль го­ри­зон­та­ли (то есть вы­со­та h не из­ме­ня­ет­ся), то участ­кам по­то­ка, ко­то­рые дви­жут­ся с боль­шей ско­ро­стью, со­от­вет­ству­ет мень­шее дав­ле­ние, и на­о­бо­рот. Это можно

про­де­мон­стри­ро­вать при по­мо­щи сле­ду­ю­ще­го про­сто­го при­бо­ра.

Про­те­ка­ние жид­ко­сти

через трубу с суже­ни­ем

Возь­мем го­ри­зон­таль­ную стек­лян­ную трубу, в цен­траль­ной части ко­то­рой сде­ла­но суже­ние (см. рис.). При­па­я­ем к от­вер­сти­ям в этой трубе три тон­ких стек­лян­ных тру­боч­ки – две около краев трубы (там, где она толще) и одну – в цен­траль­ной части трубы (там, где на­хо­дит­ся суже­ние). Рас­по­ло­жим эту трубу го­ри­зон­таль­но и будем про­пус­кать через нее воду под дав­ле­ни­ем – так, как по­ка­за­но стрел­кой на ри­сун­ке. Из на­прав­лен­ных вверх тру­бо­чек нач­нут бить фон­тан­чи­ки. По­сколь­ку пло­щадь по­пе­реч­но­го се­че­ния цен­траль­ной части трубы мень­ше, то ско­рость про­те­ка­ния воды через эту часть будет боль­ше, чем через левый и пра­вый участ­ки трубы. По этой при­чи­не в со­от­вет­ствии с за­ко­ном Бер­нул­ли дав­ле­ние в жид­ко­сти в цен­траль­ной части трубы будет мень­ше, чем в осталь­ных ча­стях трубы, и вы­со­та сред­не­го фон­тан­чи­ка будет мень­ше, чем край­них фон­тан­чи­ков.

Опи­сан­ное яв­ле­ние легко объ­яс­ня­ет­ся и с по­мо­щью вто­ро­го за­ко­на Нью­то­на. Дей­стви­тель­но, ча­сти­цы жид­ко­сти при пе­ре­хо­де из на­чаль­но­го участ­ка трубы в цен­траль­ный долж­ны уве­ли­чить свою ско­рость, то есть уско­рить­ся. Для этого на них долж­на дей­ство­вать сила, на­прав­лен­ная в сто­ро­ну цен­траль­ной части трубы. Эта сила пред­став­ля­ет собой раз­ность сил дав­ле­ния. Сле­до­ва­тель­но, дав­ле­ние в цен­траль­ной части трубы долж­но быть мень­ше, чем в ее на­чаль­ной части. Со­вер­шен­но ана­ло­гич­но рас­смат­ри­ва­ет­ся и пе­ре­ход жид­ко­сти из цен­траль­ной части трубы в ее ко­неч­ную часть, при ко­то­ром ча­сти­цы жид­ко­сти за­мед­ля­ют­ся.

При по­мо­щи за­ко­на Бер­нул­ли могут быть объ­яс­не­ны раз­но­об­раз­ные яв­ле­ния, воз­ни­ка­ю­щие при те­че­нии по­то­ков жид­ко­сти или газа. На­при­мер, из­вест­но, что двум боль­шим ко­раб­лям, дви­жу­щим­ся по­пут­ны­ми кур­са­ми, за­пре­ща­ет­ся про­хо­дить близ­ко друг от друга. При таком дви­же­нии между близ­ки­ми бор­та­ми ко­раб­лей воз­ни­ка­ет более быст­рый поток дви­жу­щей­ся воды, чем со сто­ро­ны внеш­них бор­тов. Вслед­ствие этого дав­ле­ние в по­то­ке воды между ко­раб­ля­ми ста­но­вит­ся мень­ше, чем сна­ру­жи, и воз­ни­ка­ет сила, ко­то­рая на­чи­на­ет под­тал­ки­вать ко­раб­ли друг к другу. Если рас­сто­я­ние между ко­раб­ля­ми мало, то может про­изой­ти их столк­но­ве­ние.

Этот важ­ный закон был от­крыт в 1738 году Да­ни­и­лом Бер­нул­ли  — швей­цар­ским фи­зи­ком, ме­ха­ни­ком и ма­те­ма­ти­ком, ака­де­ми­ком и ино­стран­ным по­чет­ным чле­ном Пе­тер­бург­ской ака­де­мии наук. Закон Бер­нул­ли поз­во­ля­ет по­нять не­ко­то­рые яв­ле­ния, на­блю­да­е­мые при те­че­нии по­то­ка жид­ко­сти или газа.

В ка­че­стве при­ме­ра рас­смот­рим поток жид­ко­сти плот­но­стью ρ, те­ку­щей по на­кло­нен­ной под углом к го­ри­зон­ту трубе. Если жид­кость пол­но­стью за­пол­ня­ет трубу, то закон Бер­нул­ли вы­ра­жа­ет­ся сле­ду­ю­щим про­стым

урав­не­ни­ем:

В этом урав­не­нии h – вы­со­та, на ко­то­рой на­хо­дит­ся вы­де­лен­ный объем жид­ко­сти, v  — ско­рость этого объ­е­ма, p  — дав­ле­ние внут­ри по­то­ка жид­ко­сти на дан­ной вы­со­те. За­пи­сан­ное урав­не­ние сви­де­тель­ству­ет о том, что сумма трех ве­ли­чин, пер­вая из ко­то­рых за­ви­сит от вы­со­ты, вто­рая  — от квад­ра­та ско­ро­сти, а тре­тья  — от дав­ле­ния, есть ве­ли­чи­на по­сто­ян­ная.

В част­но­сти, если жид­кость течет вдоль го­ри­зон­та­ли (то есть вы­со­та h не из­ме­ня­ет­ся), то участ­кам по­то­ка, ко­то­рые дви­жут­ся с боль­шей ско­ро­стью, со­от­вет­ству­ет мень­шее дав­ле­ние, и на­о­бо­рот. Это можно

про­де­мон­стри­ро­вать при по­мо­щи сле­ду­ю­ще­го про­сто­го при­бо­ра.

Про­те­ка­ние жид­ко­сти

через трубу с суже­ни­ем

Возь­мем го­ри­зон­таль­ную стек­лян­ную трубу, в цен­траль­ной части ко­то­рой сде­ла­но суже­ние (см. рис.). При­па­я­ем к от­вер­сти­ям в этой трубе три тон­ких стек­лян­ных тру­боч­ки – две около краев трубы (там, где она толще) и одну – в цен­траль­ной части трубы (там, где на­хо­дит­ся суже­ние). Рас­по­ло­жим эту трубу го­ри­зон­таль­но и будем про­пус­кать через нее воду под дав­ле­ни­ем – так, как по­ка­за­но стрел­кой на ри­сун­ке. Из на­прав­лен­ных вверх тру­бо­чек нач­нут бить фон­тан­чи­ки. По­сколь­ку пло­щадь по­пе­реч­но­го се­че­ния цен­траль­ной части трубы мень­ше, то ско­рость про­те­ка­ния воды через эту часть будет боль­ше, чем через левый и пра­вый участ­ки трубы. По этой при­чи­не в со­от­вет­ствии с за­ко­ном Бер­нул­ли дав­ле­ние в жид­ко­сти в цен­траль­ной части трубы будет мень­ше, чем в осталь­ных ча­стях трубы, и вы­со­та сред­не­го фон­тан­чи­ка будет мень­ше, чем край­них фон­тан­чи­ков.

Опи­сан­ное яв­ле­ние легко объ­яс­ня­ет­ся и с по­мо­щью вто­ро­го за­ко­на Нью­то­на. Дей­стви­тель­но, ча­сти­цы жид­ко­сти при пе­ре­хо­де из на­чаль­но­го участ­ка трубы в цен­траль­ный долж­ны уве­ли­чить свою ско­рость, то есть уско­рить­ся. Для этого на них долж­на дей­ство­вать сила, на­прав­лен­ная в сто­ро­ну цен­траль­ной части трубы. Эта сила пред­став­ля­ет собой раз­ность сил дав­ле­ния. Сле­до­ва­тель­но, дав­ле­ние в цен­траль­ной части трубы долж­но быть мень­ше, чем в ее на­чаль­ной части. Со­вер­шен­но ана­ло­гич­но рас­смат­ри­ва­ет­ся и пе­ре­ход жид­ко­сти из цен­траль­ной части трубы в ее ко­неч­ную часть, при ко­то­ром ча­сти­цы жид­ко­сти за­мед­ля­ют­ся.

При по­мо­щи за­ко­на Бер­нул­ли могут быть объ­яс­не­ны раз­но­об­раз­ные яв­ле­ния, воз­ни­ка­ю­щие при те­че­нии по­то­ков жид­ко­сти или газа. На­при­мер, из­вест­но, что двум боль­шим ко­раб­лям, дви­жу­щим­ся по­пут­ны­ми кур­са­ми, за­пре­ща­ет­ся про­хо­дить близ­ко друг от друга. При таком дви­же­нии между близ­ки­ми бор­та­ми ко­раб­лей воз­ни­ка­ет более быст­рый поток дви­жу­щей­ся воды, чем со сто­ро­ны внеш­них бор­тов. Вслед­ствие этого дав­ле­ние в по­то­ке воды между ко­раб­ля­ми ста­но­вит­ся мень­ше, чем сна­ру­жи, и воз­ни­ка­ет сила, ко­то­рая на­чи­на­ет под­тал­ки­вать ко­раб­ли друг к другу. Если рас­сто­я­ние между ко­раб­ля­ми мало, то может про­изой­ти их столк­но­ве­ние.

В воз­ду­хе все­гда при­сут­ству­ют во­дя­ные пары, кон­цен­тра­ция ко­то­рых может быть раз­лич­ной. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что кон­цен­тра­ция паров не может пре­вы­шать не­ко­то­ро­го мак­си­маль­но воз­мож­но­го зна­че­ния nmax (для каж­дой тем­пе­ра­ту­ры это зна­че­ние свое). Пары с кон­цен­тра­ци­ей, рав­ной n_max, на­зы­ва­ют­ся на­сы­щен­ны­ми. С ро­стом тем­пе­ра­ту­ры мак­си­маль­но воз­мож­ная кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров также рас­тет. От­но­ше­ние кон­цен­тра­ции n

во­дя­ных паров при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре к мак­си­маль­но воз­мож­ной кон­цен­тра­ции при той же тем­пе­ра­ту­ре на­зы­ва­ет­ся от­но­си­тель­ной влаж­но­стью, ко­то­рая обо­зна­ча­ет­ся бук­вой f. От­но­си­тель­ную влаж­ность

при­ня­то из­ме­рять в про­цен­тах. Из ска­зан­но­го сле­ду­ет, что f  =  (n/n_max) · 100%.

При этом от­но­си­тель­ная влаж­ность не может пре­вы­шать 100%.

Пусть при не­ко­то­рой тем­пе­ра­ту­ре t кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров в воз­ду­хе равна n, а от­но­си­тель­ная влаж­ность мень­ше, чем 100%. Если тем­пе­ра­ту­ра будет по­ни­жать­ся, то вме­сте с ней будет умень­шать­ся и ве­ли­чи­на nmax, а зна­чит, от­но­си­тель­ная влаж­ность будет уве­ли­чи­вать­ся. При не­ко­то­рой кри­ти­че­ской тем­пе­ра­ту­ре от­но­си­тель­ная влаж­ность до­стиг­нет зна­че­ния 100% (в этот мо­мент кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров ста­нет мак­си­маль­но воз­мож­ной при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре). По­это­му даль­ней­шее по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры при­ве­дет к пе­ре­хо­ду во­дя­ных паров в жид­кое со­сто­я­ние  — в воз­ду­хе об­ра­зу­ют­ся капли ту­ма­на, а на пред­ме­тах вы­па­дут капли росы. По­это­му упо­мя­ну­тая выше кри­ти­че­ская тем­пе­ра­ту­ра на­зы­ва­ет­ся точ­кой росы (обо­зна­ча­ет­ся tр).

На из­ме­ре­нии точки росы ос­но­ва­но дей­ствие при­бо­ра для опре­де­ле­ния от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха  — кон­ден­са­ци­он­но­го гиг­ро­мет­ра. Он со­сто­ит из зер­каль­ца, ко­то­рое может охла­ждать­ся при по­мо­щи ка­ко­го-либо

устрой­ства, и точ­но­го тер­мо­мет­ра для из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры зер­каль­ца. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры зер­каль­ца до точки росы на нем вы­па­да­ют капли жид­ко­сти. Ве­ли­чи­ну от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха опре­де­ля­ют по из­ме­рен­но­му зна­че­нию точки росы при по­мо­щи спе­ци­аль­ных таб­лиц.

Су­ще­ству­ет еще одна раз­но­вид­ность ту­ма­на  — ле­дя­ной туман. Он на­блю­да­ет­ся при тем­пе­ра­ту­рах ниже −(10 ÷ 15) °C и со­сто­ит из мел­ких кри­стал­ли­ков льда, ко­то­рые свер­ка­ют либо в лучах солн­ца, либо в свете луны или фо­на­рей. Осо­бен­но­стью ле­дя­но­го ту­ма­на яв­ля­ет­ся то, что он может на­блю­дать­ся и при от­но­си­тель­ной влаж­но­сти, мень­шей 100% (даже менее 50%). Усло­ви­ем воз­ник­но­ве­ния ле­дя­но­го ту­ма­на при низ­кой от­но­си­тель­ной влаж­но­сти яв­ля­ет­ся очень низ­кая тем­пе­ра­ту­ра (ниже −30 °C) и на­ли­чие обиль­ных ис­точ­ни­ков во­дя­но­го пара (на­при­мер, труб и сточ­ных во­до­е­мов

про­мыш­лен­ных пред­при­я­тий, печ­ных труб жилых по­ме­ще­ний, вы­хлоп­ных труб мощ­ных дви­га­те­лей внут­рен­не­го сго­ра­ния и т. п.). По­это­му ле­дя­ной туман при низ­кой влаж­но­сти на­блю­да­ет­ся в на­се­лен­ных пунк­тах, на круп­ных же­лез­но­до­рож­ных стан­ци­ях, на ак­тив­но дей­ству­ю­щих аэро­дро­мах и т. п.

В воз­ду­хе все­гда при­сут­ству­ют во­дя­ные пары, кон­цен­тра­ция ко­то­рых может быть раз­лич­ной. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что кон­цен­тра­ция паров не может пре­вы­шать не­ко­то­ро­го мак­си­маль­но воз­мож­но­го зна­че­ния nmax (для каж­дой тем­пе­ра­ту­ры это зна­че­ние свое). Пары с кон­цен­тра­ци­ей, рав­ной n_max, на­зы­ва­ют­ся на­сы­щен­ны­ми. С ро­стом тем­пе­ра­ту­ры мак­си­маль­но воз­мож­ная кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров также рас­тет. От­но­ше­ние кон­цен­тра­ции n

во­дя­ных паров при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре к мак­си­маль­но воз­мож­ной кон­цен­тра­ции при той же тем­пе­ра­ту­ре на­зы­ва­ет­ся от­но­си­тель­ной влаж­но­стью, ко­то­рая обо­зна­ча­ет­ся бук­вой f. От­но­си­тель­ную влаж­ность

при­ня­то из­ме­рять в про­цен­тах. Из ска­зан­но­го сле­ду­ет, что f  =  (n/n_max) · 100%.

При этом от­но­си­тель­ная влаж­ность не может пре­вы­шать 100%.

Пусть при не­ко­то­рой тем­пе­ра­ту­ре t кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров в воз­ду­хе равна n, а от­но­си­тель­ная влаж­ность мень­ше, чем 100%. Если тем­пе­ра­ту­ра будет по­ни­жать­ся, то вме­сте с ней будет умень­шать­ся и ве­ли­чи­на nmax, а зна­чит, от­но­си­тель­ная влаж­ность будет уве­ли­чи­вать­ся. При не­ко­то­рой кри­ти­че­ской тем­пе­ра­ту­ре от­но­си­тель­ная влаж­ность до­стиг­нет зна­че­ния 100% (в этот мо­мент кон­цен­тра­ция во­дя­ных паров ста­нет мак­си­маль­но воз­мож­ной при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре). По­это­му даль­ней­шее по­ни­же­ние тем­пе­ра­ту­ры при­ве­дет к пе­ре­хо­ду во­дя­ных паров в жид­кое со­сто­я­ние  — в воз­ду­хе об­ра­зу­ют­ся капли ту­ма­на, а на пред­ме­тах вы­па­дут капли росы. По­это­му упо­мя­ну­тая выше кри­ти­че­ская тем­пе­ра­ту­ра на­зы­ва­ет­ся точ­кой росы (обо­зна­ча­ет­ся tр).

На из­ме­ре­нии точки росы ос­но­ва­но дей­ствие при­бо­ра для опре­де­ле­ния от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха  — кон­ден­са­ци­он­но­го гиг­ро­мет­ра. Он со­сто­ит из зер­каль­ца, ко­то­рое может охла­ждать­ся при по­мо­щи ка­ко­го-либо

устрой­ства, и точ­но­го тер­мо­мет­ра для из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры зер­каль­ца. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры зер­каль­ца до точки росы на нем вы­па­да­ют капли жид­ко­сти. Ве­ли­чи­ну от­но­си­тель­ной влаж­но­сти воз­ду­ха опре­де­ля­ют по из­ме­рен­но­му зна­че­нию точки росы при по­мо­щи спе­ци­аль­ных таб­лиц.

Су­ще­ству­ет еще одна раз­но­вид­ность ту­ма­на  — ле­дя­ной туман. Он на­блю­да­ет­ся при тем­пе­ра­ту­рах ниже −(10 ÷ 15) °C и со­сто­ит из мел­ких кри­стал­ли­ков льда, ко­то­рые свер­ка­ют либо в лучах солн­ца, либо в свете луны или фо­на­рей. Осо­бен­но­стью ле­дя­но­го ту­ма­на яв­ля­ет­ся то, что он может на­блю­дать­ся и при от­но­си­тель­ной влаж­но­сти, мень­шей 100% (даже менее 50%). Усло­ви­ем воз­ник­но­ве­ния ле­дя­но­го ту­ма­на при низ­кой от­но­си­тель­ной влаж­но­сти яв­ля­ет­ся очень низ­кая тем­пе­ра­ту­ра (ниже −30 °C) и на­ли­чие обиль­ных ис­точ­ни­ков во­дя­но­го пара (на­при­мер, труб и сточ­ных во­до­е­мов

про­мыш­лен­ных пред­при­я­тий, печ­ных труб жилых по­ме­ще­ний, вы­хлоп­ных труб мощ­ных дви­га­те­лей внут­рен­не­го сго­ра­ния и т. п.). По­это­му ле­дя­ной туман при низ­кой влаж­но­сти на­блю­да­ет­ся в на­се­лен­ных пунк­тах, на круп­ных же­лез­но­до­рож­ных стан­ци­ях, на ак­тив­но дей­ству­ю­щих аэро­дро­мах и т. п.

Если взять тон­кую чи­стую стек­лян­ную труб­ку (она на­зы­ва­ет­ся ка­пил­ля­ром), рас­по­ло­жить ее вер­ти­каль­но и по­гру­зить ее ниж­ний конец в ста­кан с водой, то вода в труб­ке под­ни­мет­ся на не­ко­то­рую вы­со­ту над уров­нем воды в ста­ка­не. По­вто­ряя этот опыт с труб­ка­ми раз­ных диа­мет­ров и с раз­ны­ми жид­ко­стя­ми, можно уста­но­вить, что вы­со­та под­ня­тия жид­ко­сти в ка­пил­ля­ре по­лу­ча­ет­ся раз­лич­ной. В узких труб­ках одна и та же жид­кость под­ни­ма­ет­ся выше, чем в ши­ро­ких. При этом в одной и той же труб­ке раз­ные жид­ко­сти под­ни­ма­ют­ся на раз­ные вы­со­ты. Ре­зуль­та­ты этих опы­тов, как и еще целый ряд дру­гих эф­фек­тов и яв­ле­ний, объ­яс­ня­ют­ся на­ли­чи­ем по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния жид­ко­стей.

Воз­ник­но­ве­ние по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния свя­за­но с тем, что мо­ле­ку­лы жид­ко­сти могут вза­и­мо­дей­ство­вать как между собой, так и с мо­ле­ку­ла­ми дру­гих тел  — твер­дых, жид­ких и га­зо­об­раз­ных,  — с ко­то­ры­ми на­хо­дят­ся в со­при­кос­но­ве­нии. Мо­ле­ку­лы жид­ко­сти, ко­то­рые на­хо­дят­ся на ее по­верх­но­сти, «су­ще­ству­ют» в осо­бых усло­ви­ях  — они кон­так­ти­ру­ют и с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми жид­ко­сти, и с мо­ле­ку­ла­ми иных тел. По­это­му рав­но­ве­сие по­верх­но­сти жид­ко­сти до­сти­га­ет­ся тогда, когда об­ра­ща­ет­ся в ноль сумма всех сил вза­и­мо­дей­ствия мо­ле­кул, на­хо­дя­щих­ся на по­верх­но­сти жид­ко­сти, с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми. Если мо­ле­ку­лы, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти жид­ко­сти, вза­и­мо­дей­ству­ют пре­иму­ще­ствен­но с мо­ле­ку­ла­ми самой жид­ко­сти, то жид­кость при­ни­ма­ет форму, име­ю­щую ми­ни­маль­ную пло­щадь сво­бод­ной по­верх­но­сти. Это свя­за­но с тем, что для уве­ли­че­ния пло­ща­ди сво­бод­ной по­верх­но­сти жид­ко­сти нужно пе­ре­ме­стить мо­ле­ку­лы жид­ко­сти из ее глу­би­ны на по­верх­ность, для чего не­об­хо­ди­мо «раз­дви­нуть» мо­ле­ку­лы, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти, то есть со­вер­шить ра­бо­ту про­тив сил их вза­им­но­го при­тя­же­ния. Таким об­ра­зом, со­сто­я­ние жид­ко­сти с ми­ни­маль­ной пло­ща­дью сво­бод­ной по­верх­но­сти яв­ля­ет­ся наи­бо­лее вы­год­ным с энер­ге­ти­че­ской точки зре­ния. По­верх­ность жид­ко­сти ведет себя по­доб­но на­тя­ну­той упру­гой плен­ке  — она стре­мит­ся мак­си­маль­но со­кра­тить­ся. Имен­но с этим и свя­за­но по­яв­ле­ние тер­ми­на «по­верх­ност­ное на­тя­же­ние».

При­ве­ден­ное выше опи­са­ние можно про­ил­лю­стри­ро­вать при по­мо­щи опыта Плато. Если по­ме­стить каплю ани­ли­на в рас­твор по­ва­рен­ной соли, по­до­брав кон­цен­тра­цию рас­тво­ра так, чтобы капля пла­ва­ла внут­ри рас­тво­ра, на­хо­дясь в со­сто­я­нии без­раз­лич­но­го рав­но­ве­сия, то капля под дей­стви­ем по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния при­мет ша­ро­об­раз­ную форму, по­сколь­ку среди

всех тел имен­но шар об­ла­да­ет ми­ни­маль­ной пло­ща­дью по­верх­но­сти при за­дан­ном объ­е­ме.

Если мо­ле­ку­лы, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти жид­ко­сти, кон­так­ти­ру­ют с мо­ле­ку­ла­ми твер­до­го тела, то по­ве­де­ние жид­ко­сти будет за­ви­сеть от того, на­сколь­ко силь­но вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом мо­ле­ку­лы жид­ко­сти и твер­до­го тела. Если силы при­тя­же­ния между мо­ле­ку­ла­ми жид­ко­сти и твер­до­го тела ве­ли­ки, то жид­кость будет стре­мить­ся рас­течь­ся по по­верх­но­сти твер­до­го тела. В этом слу­чае го­во­рят, что жид­кость хо­ро­шо сма­чи­ва­ет твер­дое тело (или пол­но­стью сма­чи­ва­ет его). При­ме­ром хо­ро­ше­го сма­чи­ва­ния может слу­жить вода, при­ве­ден­ная в кон­такт с чи­стым стек­лом. Капля воды, по­ме­щен­ная на стек­лян­ную пла­стин­ку, сразу же рас­те­ка­ет­ся по ней тон­ким слоем. Имен­но из-за хо­ро­ше­го сма­чи­ва­ния стек­ла водой и на­блю­да­ет­ся под­ня­тие уров­ня воды в тон­ких стек­лян­ных труб­ках. Если же силы при­тя­же­ния мо­ле­кул жид­ко­сти друг к другу зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ют силы их при­тя­же­ния к мо­ле­ку­лам твер­до­го тела, то жид­кость будет стре­мить­ся при­нять такую форму, чтобы пло­щадь ее кон­так­та с твер­дым телом была как можно мень­ше. В этом слу­чае го­во­рят, что жид­кость плохо сма­чи­ва­ет твер­дое тело (или пол­но­стью не сма­чи­ва­ет его). При­ме­ром пло­хо­го сма­чи­ва­ния могут слу­жить капли ртути, по­ме­щен­ные на стек­лян­ную пла­стин­ку. Они при­ни­ма­ют форму почти сфе­ри­че­ских ка­пель, не­мно­го де­фор­ми­ро­ван­ных из-за дей­ствия силы тя­же­сти. Если опу­стить конец стек­лян­но­го ка­пил­ля­ра не в воду, а в сосуд с рту­тью, то ее уро­вень ока­жет­ся ниже уров­ня ртути в со­су­де.

Если взять тон­кую чи­стую стек­лян­ную труб­ку (она на­зы­ва­ет­ся ка­пил­ля­ром), рас­по­ло­жить ее вер­ти­каль­но и по­гру­зить ее ниж­ний конец в ста­кан с водой, то вода в труб­ке под­ни­мет­ся на не­ко­то­рую вы­со­ту над уров­нем воды в ста­ка­не. По­вто­ряя этот опыт с труб­ка­ми раз­ных диа­мет­ров и с раз­ны­ми жид­ко­стя­ми, можно уста­но­вить, что вы­со­та под­ня­тия жид­ко­сти в ка­пил­ля­ре по­лу­ча­ет­ся раз­лич­ной. В узких труб­ках одна и та же жид­кость под­ни­ма­ет­ся выше, чем в ши­ро­ких. При этом в одной и той же труб­ке раз­ные жид­ко­сти под­ни­ма­ют­ся на раз­ные вы­со­ты. Ре­зуль­та­ты этих опы­тов, как и еще целый ряд дру­гих эф­фек­тов и яв­ле­ний, объ­яс­ня­ют­ся на­ли­чи­ем по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния жид­ко­стей.

Воз­ник­но­ве­ние по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния свя­за­но с тем, что мо­ле­ку­лы жид­ко­сти могут вза­и­мо­дей­ство­вать как между собой, так и с мо­ле­ку­ла­ми дру­гих тел  — твер­дых, жид­ких и га­зо­об­раз­ных,  — с ко­то­ры­ми на­хо­дят­ся в со­при­кос­но­ве­нии. Мо­ле­ку­лы жид­ко­сти, ко­то­рые на­хо­дят­ся на ее по­верх­но­сти, «су­ще­ству­ют» в осо­бых усло­ви­ях  — они кон­так­ти­ру­ют и с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми жид­ко­сти, и с мо­ле­ку­ла­ми иных тел. По­это­му рав­но­ве­сие по­верх­но­сти жид­ко­сти до­сти­га­ет­ся тогда, когда об­ра­ща­ет­ся в ноль сумма всех сил вза­и­мо­дей­ствия мо­ле­кул, на­хо­дя­щих­ся на по­верх­но­сти жид­ко­сти, с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми. Если мо­ле­ку­лы, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти жид­ко­сти, вза­и­мо­дей­ству­ют пре­иму­ще­ствен­но с мо­ле­ку­ла­ми самой жид­ко­сти, то жид­кость при­ни­ма­ет форму, име­ю­щую ми­ни­маль­ную пло­щадь сво­бод­ной по­верх­но­сти. Это свя­за­но с тем, что для уве­ли­че­ния пло­ща­ди сво­бод­ной по­верх­но­сти жид­ко­сти нужно пе­ре­ме­стить мо­ле­ку­лы жид­ко­сти из ее глу­би­ны на по­верх­ность, для чего не­об­хо­ди­мо «раз­дви­нуть» мо­ле­ку­лы, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти, то есть со­вер­шить ра­бо­ту про­тив сил их вза­им­но­го при­тя­же­ния. Таким об­ра­зом, со­сто­я­ние жид­ко­сти с ми­ни­маль­ной пло­ща­дью сво­бод­ной по­верх­но­сти яв­ля­ет­ся наи­бо­лее вы­год­ным с энер­ге­ти­че­ской точки зре­ния. По­верх­ность жид­ко­сти ведет себя по­доб­но на­тя­ну­той упру­гой плен­ке  — она стре­мит­ся мак­си­маль­но со­кра­тить­ся. Имен­но с этим и свя­за­но по­яв­ле­ние тер­ми­на «по­верх­ност­ное на­тя­же­ние».

При­ве­ден­ное выше опи­са­ние можно про­ил­лю­стри­ро­вать при по­мо­щи опыта Плато. Если по­ме­стить каплю ани­ли­на в рас­твор по­ва­рен­ной соли, по­до­брав кон­цен­тра­цию рас­тво­ра так, чтобы капля пла­ва­ла внут­ри рас­тво­ра, на­хо­дясь в со­сто­я­нии без­раз­лич­но­го рав­но­ве­сия, то капля под дей­стви­ем по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния при­мет ша­ро­об­раз­ную форму, по­сколь­ку среди

всех тел имен­но шар об­ла­да­ет ми­ни­маль­ной пло­ща­дью по­верх­но­сти при за­дан­ном объ­е­ме.

Если мо­ле­ку­лы, на­хо­дя­щи­е­ся на по­верх­но­сти жид­ко­сти, кон­так­ти­ру­ют с мо­ле­ку­ла­ми твер­до­го тела, то по­ве­де­ние жид­ко­сти будет за­ви­сеть от того, на­сколь­ко силь­но вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом мо­ле­ку­лы жид­ко­сти и твер­до­го тела. Если силы при­тя­же­ния между мо­ле­ку­ла­ми жид­ко­сти и твер­до­го тела ве­ли­ки, то жид­кость будет стре­мить­ся рас­течь­ся по по­верх­но­сти твер­до­го тела. В этом слу­чае го­во­рят, что жид­кость хо­ро­шо сма­чи­ва­ет твер­дое тело (или пол­но­стью сма­чи­ва­ет его). При­ме­ром хо­ро­ше­го сма­чи­ва­ния может слу­жить вода, при­ве­ден­ная в кон­такт с чи­стым стек­лом. Капля воды, по­ме­щен­ная на стек­лян­ную пла­стин­ку, сразу же рас­те­ка­ет­ся по ней тон­ким слоем. Имен­но из-за хо­ро­ше­го сма­чи­ва­ния стек­ла водой и на­блю­да­ет­ся под­ня­тие уров­ня воды в тон­ких стек­лян­ных труб­ках. Если же силы при­тя­же­ния мо­ле­кул жид­ко­сти друг к другу зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ют силы их при­тя­же­ния к мо­ле­ку­лам твер­до­го тела, то жид­кость будет стре­мить­ся при­нять такую форму, чтобы пло­щадь ее кон­так­та с твер­дым телом была как можно мень­ше. В этом слу­чае го­во­рят, что жид­кость плохо сма­чи­ва­ет твер­дое тело (или пол­но­стью не сма­чи­ва­ет его). При­ме­ром пло­хо­го сма­чи­ва­ния могут слу­жить капли ртути, по­ме­щен­ные на стек­лян­ную пла­стин­ку. Они при­ни­ма­ют форму почти сфе­ри­че­ских ка­пель, не­мно­го де­фор­ми­ро­ван­ных из-за дей­ствия силы тя­же­сти. Если опу­стить конец стек­лян­но­го ка­пил­ля­ра не в воду, а в сосуд с рту­тью, то ее уро­вень ока­жет­ся ниже уров­ня ртути в со­су­де.

Что про­изой­дет, если сосуд с не­ко­то­рым ко­ли­че­ством жид­ко­сти за­крыть крыш­кой? Наи­бо­лее быст­рые мо­ле­ку­лы воды, пре­одо­лев при­тя­же­ние со сто­ро­ны дру­гих мо­ле­кул, вы­ска­ки­ва­ют из воды и об­ра­зу­ют пар над вод­ной по­верх­но­стью. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся ис­па­ре­ни­ем воды. С дру­гой сто­ро­ны, мо­ле­ку­лы во­дя­но­го пара, стал­ки­ва­ясь друг с дру­гом и с дру­ги­ми мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха, слу­чай­ным об­ра­зом могут ока­зать­ся у по­верх­но­сти воды и пе­рей­ти об­рат­но в жид­кость. Это есть кон­ден­са­ция пара. В конце кон­цов при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре про­цес­сы ис­па­ре­ния и кон­ден­са­ции вза­им­но ком­пен­си­ру­ют­ся, то есть уста­нав­ли­ва­ет­ся со­сто­я­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия. Во­дя­ной пар, на­хо­дя­щий­ся в этом слу­чае над по­верх­но­стью жид­ко­сти, на­зы­ва­ет­ся на­сы­щен­ным.

Дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара  — наи­боль­шее дав­ле­ние, ко­то­рое может иметь пар при дан­ной тем­пе­ра­ту­ре. При уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры дав­ле­ние и плот­ность на­сы­щен­но­го пара уве­ли­чи­ва­ют­ся (см. рис.).

За­ви­си­мость плот­но­сти на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры

Во­дя­ной пар ста­но­вит­ся на­сы­щен­ным при до­ста­точ­ном охла­жде­нии (про­цесс АВ) или в про­цес­се до­пол­ни­тель­но­го ис­па­ре­ния воды (про­цесс АС). При до­сти­же­нии со­сто­я­ния на­сы­ще­ния на­чи­на­ет­ся кон­ден­са­ция во­дя­но­го пара в воз­ду­хе и на телах, с ко­то­ры­ми он со­при­ка­са­ет­ся. Роль цен­тров кон­ден­са­ции могут иг­рать ионы, мель­чай­шие ка­пель­ки воды, пы­лин­ки, ча­стич­ки сажи и дру­гие мел­кие за­гряз­не­ния. Если убрать цен­тры кон­ден­са­ции, то можно по­лу­чить пе­ре­сы­щен­ный пар.

На свой­ствах пе­ре­сы­щен­но­го пара ос­но­ва­но дей­ствие ка­ме­ры Виль­со­на – при­бо­ра для ре­ги­стра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц. След (трек) ча­сти­цы, вле­тев­шей в ка­ме­ру с пе­ре­сы­щен­ным паром, виден на фо­то­гра­фии как линия, вдоль ко­то­рой кон­ден­си­ру­ют­ся ка­пель­ки жид­ко­сти.

Длина трека ча­сти­цы за­ви­сит от за­ря­да, массы, на­чаль­ной энер­гии ча­сти­цы. Длина трека уве­ли­чи­ва­ет­ся с воз­рас­та­ни­ем на­чаль­ной энер­гии ча­сти­цы. Од­на­ко при оди­на­ко­вой на­чаль­ной энер­гии тя­же­лые ча­сти­цы об­ла­да­ют мень­ши­ми ско­ро­стя­ми, чем лег­кие. Мед­лен­но дви­жу­щи­е­ся ча­сти­цы вза­и­мо­дей­ству­ют с ато­ма­ми среды более эф­фек­тив­но и будут иметь мень­шую длину про­бе­га.

Рас­смот­рим про­стей­ший опыт, де­мон­стри­ру­ю­щий воз­ник­но­ве­ние ин­дук­ци­он­но­го тока в за­мкну­том витке из про­во­да, по­ме­щен­ном в из­ме­ня­ю­ще­е­ся маг­нит­ное поле. Су­дить о на­ли­чии в витке ин­дук­ци­он­но­го тока можно по на­гре­ва­нию про­вод­ни­ка. Если, со­хра­няя преж­ние внеш­ние раз­ме­ры витка, сде­лать его из более тол­сто­го про­во­да, то со­про­тив­ле­ние витка умень­шит­ся, а ин­дук­ци­он­ный ток воз­рас­тет. Мощ­ность, вы­де­ля­е­мая в витке в виде тепла, уве­ли­чит­ся.

Ин­дук­ци­он­ные токи при из­ме­не­нии маг­нит­но­го поля воз­ни­ка­ют и в мас­сив­ных об­раз­цах ме­тал­ла, а не толь­ко в про­во­лоч­ных кон­ту­рах. Эти токи обыч­но на­зы­ва­ют вих­ре­вы­ми то­ка­ми, или то­ка­ми Фуко, по имени от­крыв­ше­го их фран­цуз­ско­го фи­зи­ка. На­прав­ле­ние и сила вих­ре­во­го тока за­ви­сят от формы об­раз­ца, от на­прав­ле­ния и ско­ро­сти из­ме­ня­ю­ще­го­ся маг­нит­но­го поля, от свойств ма­те­ри­а­ла, из ко­то­ро­го сде­лан об­ра­зец. В мас­сив­ных про­вод­ни­ках вслед­ствие ма­ло­сти элек­три­че­ско­го со­про­тив­ле­ния токи могут быть очень боль­ши­ми и вы­зы­вать зна­чи­тель­ное на­гре­ва­ние.

Если по­ме­стить внутрь ка­туш­ки мас­сив­ный же­лез­ный сер­деч­ник и про­пу­стить по ка­туш­ке пе­ре­мен­ный ток, то сер­деч­ник на­гре­ва­ет­ся очень силь­но. Чтобы умень­шить на­гре­ва­ние, сер­деч­ник на­би­ра­ют из тон­ких пла­стин, изо­ли­ро­ван­ных друг от друга слоем лака.

Токи Фуко ис­поль­зу­ют­ся в ин­дук­ци­он­ных печах для силь­но­го на­гре­ва­ния и даже плав­ле­ния ме­тал­лов. Для этого ме­талл по­ме­ща­ют в пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле, со­зда­ва­е­мое током ча­сто­той 500–2000 Гц.

Тор­мо­зя­щее дей­ствие токов Фуко ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния маг­нит­ных успо­ко­и­те­лей  — демп­фе­ров. Если под ка­ча­ю­щей­ся в го­ри­зон­таль­ной плос­ко­сти маг­нит­ной стрел­кой рас­по­ло­жить мас­сив­ную мед­ную пла­сти­ну, то воз­буж­да­е­мые в мед­ной пла­сти­не токи Фуко будут тор­мо­зить ко­ле­ба­ния стрел­ки. Маг­нит­ные успо­ко­и­те­ли та­ко­го рода ис­поль­зу­ют­ся в галь­ва­но­мет­рах и дру­гих при­бо­рах.

Рас­про­стра­нен­ным при­бо­ром для ре­ги­стра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц яв­ля­ет­ся га­зо­раз­ряд­ный счет­чик Гей­ге­ра–Мюл­ле­ра. Га­зо­раз­ряд­ный счет­чик пред­став­ля­ет собой ме­тал­ли­че­ский ци­линдр, по оси ко­то­ро­го на­тя­ну­та тон­кая про­во­ло­ка, изо­ли­ро­ван­ная от ци­лин­дра. Ци­линдр за­пол­ня­ет­ся спе­ци­аль­ной сме­сью газов (на­при­мер, аргон + пары спир­та), дав­ле­ние ко­то­рых 1000–1500 мм рт. ст. Счет­чик вклю­ча­ет­ся в цепь: ци­линдр со­еди­ня­ет­ся с от­ри­ца­тель­ным по­лю­сом ис­точ­ни­ка тока, а нить с по­ло­жи­тель­ным; на них по­да­ет­ся на­пря­же­ние по­ряд­ка 1000 В.

По­па­да­ние в счет­чик быст­рой за­ря­жен­ной ча­сти­цы вы­зы­ва­ет иони­за­цию газа. При этом об­ра­зу­ет­ся сво­бод­ный элек­трон. Он дви­жет­ся к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ной нити, и в об­ла­сти силь­но­го поля вб­ли­зи нити иони­зи­ру­ет атомы газа. Про­дук­ты иони­за­ции  — элек­тро­ны  — уско­ря­ют­ся полем и в свою оче­редь иони­зи­ру­ют газ, об­ра­зуя новые сво­бод­ные элек­тро­ны, ко­то­рые участ­ву­ют в даль­ней­шей иони­за­ции ато­мов газа.

Число иони­зи­ро­ван­ных ато­мов ла­ви­но­об­раз­но воз­рас­та­ет  — в газе счет­чи­ка вспы­хи­ва­ет элек­три­че­ский раз­ряд. При этом по цепи счет­чи­ка про­хо­дит крат­ко­вре­мен­ный им­пульс элек­три­че­ско­го тока. От­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны со­би­ра­ют­ся вб­ли­зи нити, а более мас­сив­ные по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ионы мед­лен­но дви­жут­ся к стен­кам ци­лин­дра. Элек­тро­ны умень­ша­ют по­ло­жи­тель­ный заряд нити, а по­ло­жи­тель­ные ионы  — от­ри­ца­тель­ный заряд ци­лин­дра; со­от­вет­ствен­но, элек­три­че­ское поле внут­ри ци­лин­дра осла­бе­ва­ет. Через про­ме­жу­ток вре­ме­ни по­ряд­ка мик­ро­се­кун­ды поле ослаб­ля­ет­ся на­столь­ко, что элек­тро­ны не будут иметь ско­ро­сти, не­об­хо­ди­мой для иони­за­ции. Иони­за­ция пре­кра­ща­ет­ся, и раз­ряд об­ры­ва­ет­ся.

За счет при­то­ка за­ря­дов из ис­точ­ни­ка тока счет­чик снова будет готов к ра­бо­те через 100–2000 мкс после вспыш­ки. Таким об­ра­зом, в счет­чи­ке воз­ни­ка­ют крат­ко­вре­мен­ные раз­ря­ды, ко­то­рые могут быть под­счи­та­ны спе­ци­аль­ным устрой­ством. По их числу можно оце­нить число ча­стиц, по­па­да­ю­щих в счет­чик.

Уро­вень по­верх­но­сти оке­а­нов и морей пе­ри­о­ди­че­ски, при­бли­зи­тель­но два раза в те­че­ние суток, из­ме­ня­ет­ся. Эти ко­ле­ба­ния на­зы­ва­ют­ся при­ли­ва­ми и от­ли­ва­ми. Во время при­ли­ва уро­вень воды в оке­а­не по­сте­пен­но по­вы­ша­ет­ся и ста­но­вит­ся наи­выс­шим. При от­ли­ве уро­вень воды по­сте­пен­но по­ни­жа­ет­ся и ста­но­вит­ся наи­низ­шим. При при­ли­ве вода течет к бе­ре­гам, а при от­ли­ве  — от бе­ре­гов.

При­ли­вы и от­ли­вы об­ра­зу­ют­ся вслед­ствие вли­я­ния на Землю таких кос­ми­че­ских тел, как Луна и Солн­це. В со­от­вет­ствии с за­ко­ном все­мир­но­го тя­го­те­ния Луна и Земля при­тя­ги­ва­ют­ся друг к другу. Это при­тя­же­ние на­столь­ко ве­ли­ко, что по­верх­ность оке­а­на стре­мит­ся при­бли­зить­ся к Луне, про­ис­хо­дит при­лив. При дви­же­нии Луны во­круг Земли при­лив­ная волна как бы дви­жет­ся за ней. При до­ста­точ­ном уда­ле­нии Луны от того места, где был при­лив, волна отой­дет от бе­ре­га, и будет на­блю­дать­ся отлив.

При­тя­же­ние Земли Солн­цем также при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию при­ли­вов и от­ли­вов. Од­на­ко по­сколь­ку рас­сто­я­ние от Земли до Солн­ца зна­чи­тель­но боль­ше рас­сто­я­ния от Земли до Луны, то воз­дей­ствие Солн­ца на вод­ную по­верх­ность Земли су­ще­ствен­но мень­ше.

При­ли­вы от­ли­ча­ют­ся друг от друга про­дол­жи­тель­но­стью и вы­со­той (ве­ли­чи­ной при­ли­ва).

Ве­ли­чи­на при­ли­вов до­ста­точ­но раз­но­об­раз­на. Тео­ре­ти­че­ски один лун­ный при­лив равен 0,53 м, сол­неч­ный  — 0,24 м, по­это­му самый боль­шой при­лив дол­жен быть равен 0,77 м. В от­кры­том оке­а­не, около ост­ро­вов, ве­ли­чи­на при­ли­вов близ­ка к этому зна­че­нию. У ма­те­ри­ков ве­ли­чи­на при­ли­вов ко­леб­лет­ся от 1,5 м до 2 м. Во внут­рен­них морях при­ли­вы очень не­зна­чи­тель­ны: в Чер­ном море  — 13 см, в Бал­тий­ском  — 4,8 см.

Зна­че­ние при­ли­вов очень ве­ли­ко для мор­ско­го су­до­ход­ства, для устрой­ства пор­тов. Каж­дая при­лив­ная волна несет боль­шую энер­гию, ко­то­рая может быть ис­поль­зо­ва­на.

По­ляр­ное си­я­ние  — одно из самых кра­си­вых яв­ле­ний в при­ро­де. Формы по­ляр­но­го си­я­ния очень раз­но­об­раз­ны: то это свое­об­раз­ные свет­лые стол­бы, то изу­мруд­но-зе­ле­ные с крас­ной ба­хро­мой пы­ла­ю­щие длин­ные ленты, рас­хо­дя­щи­е­ся мно­го­чис­лен­ные лучи-стре­лы, а то и про­сто бес­фор­мен­ные свет­лые, ино­гда цвет­ные пятна на небе.

При­чуд­ли­вый свет на небе свер­ка­ет, как пламя, охва­ты­вая порой боль­ше чем пол­не­ба. Эта фан­та­сти­че­ская игра при­род­ных сил длит­ся не­сколь­ко часов, то уга­сая, то раз­го­ра­ясь.

По­ляр­ные си­я­ния чаще всего на­блю­да­ют­ся в при­по­ляр­ных ре­ги­о­нах, от­ку­да и про­ис­хо­дит это на­зва­ние. По­ляр­ные си­я­ния могут быть видны не толь­ко на да­ле­ком Се­ве­ре, но и южнее. На­при­мер, в 1938 году по­ляр­ное си­я­ние на­блю­да­лось на южном бе­ре­гу Крыма, что объ­яс­ня­ет­ся уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти воз­бу­ди­те­ля све­че­ния  — сол­неч­но­го ветра.

На­ча­ло изу­че­нию по­ляр­ных си­я­ний по­ло­жил ве­ли­кий рус­ский уче­ный М. В. Ло­мо­но­сов, вы­ска­зав­ший ги­по­те­зу о том, что при­чи­ной этого яв­ле­ния слу­жат элек­три­че­ские раз­ря­ды в раз­ре­жен­ном воз­ду­хе.

Опыты под­твер­ди­ли на­уч­ное пред­по­ло­же­ние уче­но­го.

По­ляр­ные си­я­ния  — это элек­три­че­ское све­че­ние верх­них очень раз­ре­жен­ных слоев ат­мо­сфе­ры на вы­со­те (обыч­но) от 80 до 1000 км. Све­че­ние это про­ис­хо­дит под вли­я­ни­ем быст­ро дви­жу­щих­ся элек­три­че­ски за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов и про­то­нов), при­хо­дя­щих от Солн­ца. Вза­и­мо­дей­ствие сол­неч­но­го ветра с маг­нит­ным полем Земли при­во­дит к по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц в зонах, окру­жа­ю­щих гео­маг­нит­ные по­лю­са Земли. Имен­но в этих зонах и на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний.

Столк­но­ве­ния быст­рых элек­тро­нов и про­то­нов с ато­ма­ми кис­ло­ро­да и азота при­во­дят атомы в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. Вы­де­ляя из­бы­ток энер­гии, атомы кис­ло­ро­да дают яркое из­лу­че­ние в зе­ле­ной и крас­ной об­ла­стях спек­тра, мо­ле­ку­лы азота  — в фи­о­ле­то­вой. Со­че­та­ние всех этих из­лу­че­ний и при­да­ет по­ляр­ным си­я­ни­ям кра­си­вую, часто ме­ня­ю­щу­ю­ся окрас­ку. Такие про­цес­сы могут про­ис­хо­дить толь­ко в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры, по­то­му что, во-пер­вых, в ниж­них плот­ных слоях столк­но­ве­ния ато­мов и мо­ле­кул воз­ду­ха друг с дру­гом сразу от­ни­ма­ют у них энер­гию, по­лу­ча­е­мую от сол­неч­ных ча­стиц, а во-вто­рых, сами кос­ми­че­ские ча­сти­цы не могут про­ник­нуть глу­бо­ко в зем­ную ат­мо­сфе­ру.

По­ляр­ные си­я­ния про­ис­хо­дят чаще и бы­ва­ют ярче в годы мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти, а также в дни по­яв­ле­ния на Солн­це мощ­ных вспы­шек и дру­гих форм уси­ле­ния сол­неч­ной ак­тив­но­сти, так как с ее по­вы­ше­ни­ем уси­ли­ва­ет­ся ин­тен­сив­ность сол­неч­но­го ветра, ко­то­рый яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния по­ляр­ных си­я­ний.

Сред­няя ско­рость по­ез­дов на же­лез­ных до­ро­гах не пре­вы­ша­ет 150 км/ч. Скон­стру­и­ро­вать поезд, спо­соб­ный со­стя­зать­ся по ско­ро­сти с са­мо­ле­том, не­про­сто. При боль­ших ско­ро­стях ко­ле­са по­ез­дов не вы­дер­жи­ва­ют на­груз­ку. Выход один: от­ка­зать­ся от колес, за­ста­вив поезд ле­теть. Один из спо­со­бов «под­ве­сить» поезд над рель­са­ми  — ис­поль­зо­вать от­тал­ки­ва­ние маг­ни­тов.

В 1910 году бель­ги­ец Э. Башле по­стро­ил первую в мире мо­дель ле­та­ю­ще­го по­ез­да и ис­пы­тал ее. 50-ки­ло­грам­мо­вый си­га­ро­об­раз­ный ва­гон­чик ле­та­ю­ще­го по­ез­да раз­го­нял­ся до ско­ро­сти свыше 500 км/ч! Маг­нит­ная до­ро­га Башле пред­став­ля­ла собой це­поч­ку ме­тал­ли­че­ских стол­би­ков с укреп­лен­ны­ми на их вер­ши­нах ка­туш­ка­ми. После вклю­че­ния тока ва­гон­чик со встро­ен­ны­ми маг­ни­та­ми при­под­ни­мал­ся над ка­туш­ка­ми и раз­го­нял­ся тем же маг­нит­ным полем, над ко­то­рым был под­ве­шен.

Прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но с Башле в 1911 году про­фес­сор Том­ско­го тех­но­ло­ги­че­ско­го ин­сти­ту­та Б. Вейн­берг раз­ра­бо­тал го­раз­до более эко­но­мич­ную под­вес­ку ле­та­ю­ще­го по­ез­да. Вейн­берг пред­ла­гал не от­тал­ки­вать до­ро­гу и ва­го­ны друг от друга, что чре­ва­то огром­ны­ми за­тра­та­ми энер­гии, а при­тя­ги­вать их обыч­ны­ми элек­тро­маг­ни­та­ми. Элек­тро­маг­ни­ты до­ро­ги были рас­по­ло­же­ны над по­ез­дом, чтобы своим при­тя­же­ни­ем ком­пен­си­ро­вать силу тя­же­сти по­ез­да. Же­лез­ный вагон рас­по­ла­гал­ся пер­во­на­чаль­но не точно под элек­тро­маг­ни­том, а по­за­ди него. При этом элек­тро­маг­ни­ты мон­ти­ро­ва­лись по всей длине до­ро­ги. При вклю­че­нии тока в пер­вом элек­тро­маг­ни­те ва­гон­чик под­ни­мал­ся и про­дви­гал­ся впе­ред, по на­прав­ле­нию к маг­ни­ту. Но за мгно­ве­ние до того, как ва­гон­чик дол­жен был при­лип­нуть к элек­тро­маг­ни­ту, ток вы­клю­чал­ся. Поезд про­дол­жал ле­теть по инер­ции, сни­жая вы­со­ту. Вклю­чал­ся сле­ду­ю­щий элек­тро­маг­нит, поезд опять при­под­ни­мал­ся и уско­рял­ся. По­ме­стив свой вагон в мед­ную трубу, из ко­то­рой был от­ка­чан воз­дух, Вейн­берг разо­гнал вагон до ско­ро­сти 800 км/ч!

Масс-спек­тро­граф  — это при­бор для раз­де­ле­ния ионов по ве­ли­чи­не от­но­ше­ния их за­ря­да к массе. В самой про­стой мо­ди­фи­ка­ции схема при­бо­ра пред­став­ле­на на ри­сун­ке.

Ис­сле­ду­е­мый об­ра­зец спе­ци­аль­ны­ми ме­то­да­ми (ис­па­ре­ни­ем, элек­трон­ным уда­ром) пе­ре­во­дит­ся в га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние, затем об­ра­зо­вав­ший­ся газ иони­зи­ру­ет­ся в ис­точ­ни­ке 1. Затем ионы уско­ря­ют­ся элек­три­че­ским полем и фор­ми­ру­ют­ся в узкий пучок в уско­ря­ю­щем устрой­стве 2, после чего через узкую вход­ную щель по­па­да­ют в ка­ме­ру 3, в ко­то­рой со­зда­но од­но­род­ное маг­нит­ное поле. Маг­нит­ное поле из­ме­ня­ет тра­ек­то­рию дви­же­ния ча­стиц. Под дей­стви­ем силы Ло­рен­ца ионы на­чи­на­ют дви­гать­ся по дуге окруж­но­сти и по­па­да­ют на экран 4, где ре­ги­стри­ру­ет­ся место их по­па­да­ния. Ме­то­ды ре­ги­стра­ции могут быть раз­лич­ны­ми: фо­то­гра­фи­че­ские, элек­трон­ные и т. д. Ра­ди­ус тра­ек­то­рии опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

где U  — элек­три­че­ское на­пря­же­ние уско­ря­ю­ще­го элек­три­че­ско­го поля; B  — ин­дук­ция маг­нит­но­го поля; m и q  — со­от­вет­ствен­но масса и заряд ча­сти­цы.

Так как ра­ди­ус тра­ек­то­рии за­ви­сит от массы и за­ря­да иона, то раз­ные ионы по­па­да­ют на экран на раз­лич­ном рас­сто­я­нии от ис­точ­ни­ка, что и поз­во­ля­ет их раз­де­лять и ана­ли­зи­ро­вать со­став об­раз­ца.

В на­сто­я­щее время раз­ра­бо­та­ны мно­го­чис­лен­ные типы масс-спек­тро­мет­ров, прин­ци­пы ра­бо­ты ко­то­рых от­ли­ча­ют­ся от рас­смот­рен­но­го выше. Из­го­тав­ли­ва­ют­ся, на­при­мер, ди­на­ми­че­ские масс-спек­тро­мет­ры, в ко­то­рых массы ис­сле­ду­е­мых ионов опре­де­ля­ют­ся по вре­ме­ни про­ле­та от ис­точ­ни­ка до ре­ги­стри­ру­ю­ще­го устрой­ства.

При по­мо­щи на­бо­ров аку­сти­че­ских ре­зо­на­то­ров можно уста­но­вить, какие тоны вхо­дят в со­став дан­но­го звука и ка­ко­вы их ам­пли­ту­ды. Такое уста­нов­ле­ние спек­тра слож­но­го звука на­зы­ва­ет­ся его гар­мо­ни­че­ским ана­ли­зом.

Рань­ше ана­лиз звука вы­пол­нял­ся с по­мо­щью ре­зо­на­то­ров, пред­став­ля­ю­щих собой полые шары раз­но­го раз­ме­ра, име­ю­щих от­кры­тый от­ро­сток, встав­ля­е­мый в ухо, и от­вер­стие с про­ти­во­по­лож­ной сто­ро­ны. Для ана­ли­за звука су­ще­ствен­но, что вся­кий раз, когда в ана­ли­зи­ру­е­мом звуке со­дер­жит­ся тон, ча­сто­та ко­то­ро­го равна ча­сто­те ре­зо­на­то­ра, по­след­ний на­чи­на­ет гром­ко зву­чать в этом тоне.

Такие спо­со­бы ана­ли­за, од­на­ко, очень не­точ­ны и кро­пот­ли­вы. В на­сто­я­щее время они вы­тес­не­ны зна­чи­тель­но более со­вер­шен­ны­ми, точ­ны­ми и быст­ры­ми элек­тро­аку­сти­че­ски­ми ме­то­да­ми. Суть их сво­дит­ся к тому, что аку­сти­че­ское ко­ле­ба­ние сна­ча­ла пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­три­че­ское ко­ле­ба­ние с со­хра­не­ни­ем той же формы, а сле­до­ва­тель­но, име­ю­щее тот же спектр, а затем это ко­ле­ба­ние ана­ли­зи­ру­ет­ся элек­три­че­ски­ми ме­то­да­ми.

Один из су­ще­ствен­ных ре­зуль­та­тов гар­мо­ни­че­ско­го ана­ли­за ка­са­ет­ся зву­ков нашей речи. По темб­ру мы можем узнать голос че­ло­ве­ка. Но чем раз­ли­ча­ют­ся зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, когда один и тот же че­ло­век поет на одной и той же ноте раз­лич­ные глас­ные? Дру­ги­ми сло­ва­ми, чем раз­ли­ча­ют­ся в этих слу­ча­ях пе­ри­о­ди­че­ские ко­ле­ба­ния воз­ду­ха, вы­зы­ва­е­мые го­ло­со­вым ап­па­ра­том при раз­ных по­ло­же­ни­ях губ и языка и из­ме­не­ни­ях формы по­ло­сти рта и глот­ки? Оче­вид­но, в спек­трах глас­ных долж­ны быть какие-то осо­бен­но­сти, ха­рак­тер­ные для каж­до­го глас­но­го звука, сверх тех осо­бен­но­стей, ко­то­рые со­зда­ют тембр го­ло­са дан­но­го че­ло­ве­ка. Гар­мо­ни­че­ский ана­лиз глас­ных под­твер­жда­ет это пред­по­ло­же­ние, а имен­но: глас­ные звуки ха­рак­те­ри­зу­ют­ся на­ли­чи­ем в их спек­трах об­ла­стей обер­то­нов с боль­шой ам­пли­ту­дой, при­чем эти об­ла­сти лежат для каж­дой глас­ной все­гда на одних и тех же ча­сто­тах не­за­ви­си­мо от вы­со­ты про­пе­то­го глас­но­го звука.

Мираж яв­ля­ет­ся оп­ти­че­ским яв­ле­ни­ем в ат­мо­сфе­ре, ко­то­рое де­ла­ет ви­ди­мы­ми пред­ме­ты, ко­то­рые в дей­стви­тель­но­сти на­хо­дят­ся вдали от места на­блю­де­ния, отоб­ра­жа­ет их в ис­ка­жен­ном виде или со­зда­ет мни­мое изоб­ра­же­ние.

Ми­ра­жи бы­ва­ют не­сколь­ких видов: ниж­ние, верх­ние, бо­ко­вые ми­ра­жи и дру­гие. Об­ра­зо­ва­ние ми­ра­жей свя­за­но с ано­маль­ным из­ме­не­ни­ем плот­но­сти в ниж­них слоях ат­мо­сфе­ры (что, в свою оче­редь, свя­за­но с быст­ры­ми из­ме­не­ни­я­ми тем­пе­ра­ту­ры).

Ниж­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют пре­иму­ще­ствен­но в тех слу­ча­ях, когда слои воз­ду­ха у по­верх­но­сти Земли (на­при­мер, в пу­сты­не) очень силь­но разо­гре­ты и их плот­ность ста­но­вит­ся ано­маль­но низ­кой. Лучи света, ко­то­рые ис­хо­дят от пред­ме­тов, на­чи­на­ют пре­лом­лять­ся и силь­но ис­крив­лять­ся. Они опи­сы­ва­ют дугу у по­верх­но­сти и под­хо­дят к глазу снизу. В таком слу­чае можно уви­деть пред­ме­ты как будто зер­каль­но от­ра­жен­ны­ми в воде, а на самом деле это пе­ре­вер­ну­тые изоб­ра­же­ния от­да­лен­ных объ­ек­тов (рис. 1). А мни­мое изоб­ра­же­ние неба со­зда­ет при этом ил­лю­зию воды на по­верх­но­сти.

Рис. 1. Схема по­яв­ле­ния ниж­не­го ми­ра­жа

Верх­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но охла­жден­ной по­верх­но­стью, когда над слоем хо­лод­но­го воз­ду­ха у по­верх­но­сти об­ра­зу­ет­ся более теп­лый верх­ний слой (рис. 2). Верх­ние ми­ра­жи яв­ля­ют­ся наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ны­ми в по­ляр­ных ре­ги­о­нах, осо­бен­но на боль­ших ров­ных льди­нах со ста­биль­ной низ­кой тем­пе­ра­ту­рой. Изоб­ра­же­ния пред­ме­тов, на­блю­да­е­мые прямо в воз­ду­хе, могут быть и пря­мы­ми, и пе­ре­вер­ну­ты­ми.

Рис. 2. Схема по­яв­ле­ния верх­не­го ми­ра­жа

По мере при­бли­же­ния к по­верх­но­сти Земли плот­ность ат­мо­сфе­ры рас­тет (рис. 3).

Рис. 3. Из­ме­не­ние плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той от­но­си­тель­но уров­ня моря

Для по­лу­че­ния за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов, про­то­нов, атом­ных ядер, ионов) боль­ших энер­гий при­ме­ня­ют­ся спе­ци­аль­ные устрой­ства  — уско­ри­те­ли за­ря­жен­ных ча­стиц. В ос­но­ве ра­бо­ты уско­ри­те­ля лежит вза­и­мо­дей­ствие за­ря­жен­ных ча­стиц с элек­три­че­ским и маг­нит­ным по­ля­ми. Элек­три­че­ское поле спо­соб­но на­пря­мую со­вер­шать ра­бо­ту над ча­сти­цей, то есть уве­ли­чи­вать ее энер­гию. Маг­нит­ное же поле, со­зда­вая силу Ло­рен­ца, лишь от­кло­ня­ет ча­сти­цу, не из­ме­няя ее энер­гии, и за­да­ет тра­ек­то­рию, по ко­то­рой дви­жут­ся ча­сти­цы.

Уско­ри­те­ли за­ря­жен­ных ча­стиц можно клас­си­фи­ци­ро­вать по раз­ным при­зна­кам. По типу уско­ря­е­мых ча­стиц раз­ли­ча­ют элек­трон­ные уско­ри­те­ли, про­тон­ные уско­ри­те­ли и уско­ри­те­ли ионов. По ха­рак­те­ру тра­ек­то­рий ча­стиц раз­ли­ча­ют ли­ней­ные уско­ри­те­ли, в ко­то­рых пучок ча­стиц од­но­крат­но про­хо­дит уско­ря­ю­щие про­ме­жут­ки и тра­ек­то­рии ча­стиц близ­ки к пря­мой линии, и цик­ли­че­ские уско­ри­те­ли, в ко­то­рых пучки дви­жут­ся по за­мкну­тым кри­вым (на­при­мер, окруж­но­стям или спи­ра­лям), про­хо­дя уско­ря­ю­щие про­ме­жут­ки по многу раз.

На ри­сун­ке 1 пред­став­ле­на схема ра­бо­ты цик­ло­тро­на  — цик­ли­че­ско­го уско­ри­те­ля про­то­нов (или ионов). Ча­сти­цы из ион­но­го ис­точ­ни­ка 1 не­пре­рыв­но по­сту­па­ют в ва­ку­ум­ную ка­ме­ру и уско­ря­ют­ся элек­три­че­ским полем, со­зда­ва­е­мым элек­тро­да­ми 3. Маг­нит­ное поле, на­прав­лен­ное пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти ри­сун­ка, за­став­ля­ет за­ря­жен­ную ча­сти­цу от­кло­нять­ся от пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния.

Каж­дый раз, про­хо­дя зазор между элек­тро­да­ми, за­ря­жен­ная ча­сти­ца по­лу­ча­ет новую пор­цию энер­гии и до­пол­ни­тель­но уско­ря­ет­ся. Тра­ек­то­ри­ей дви­же­ния уско­ря­ю­щей­ся ча­сти­цы в по­сто­ян­ном маг­нит­ном поле по­лу­ча­ет­ся рас­кру­чи­ва­ю­ща­я­ся спи­раль.

Рис. 1. Схема дви­же­ния ча­стиц в цик­ло­тро­не; маг­нит­ное поле пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти

чер­те­жа. 1 − ион­ный ис­точ­ник; 2 − ор­би­та уско­ря­е­мой ча­сти­цы (спи­раль); 3 − уско­ря­ю­щие

элек­тро­ды; 4 − вы­вод­ное устрой­ство (от­кло­ня­ю­щие пла­сти­ны); 5 − ис­точ­ник уско­ря­ю­ще­го

поля

Цик­ло­трон  — пер­вый из цик­ли­че­ских уско­ри­те­лей. Впер­вые был раз­ра­бо­тан и по­стро­ен в 1931 году. До сих пор цик­ло­тро­ны ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся для уско­ре­ния тя­же­лых ча­стиц до от­но­си­тель­но не­боль­ших энер­гий.

Ат­мо­сфер­ное элек­три­че­ство об­ра­зу­ет­ся и кон­цен­три­ру­ет­ся в об­ла­ках  — об­ра­зо­ва­ни­ях из мел­ких ча­стиц воды, на­хо­дя­щей­ся в жид­ком или твер­дом со­сто­я­нии. При дроб­ле­нии во­дя­ных ка­пель и кри­стал­лов льда, при столк­но­ве­ни­ях их с иона­ми ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха круп­ные капли и кри­стал­лы при­об­ре­та­ют из­бы­точ­ный от­ри­ца­тель­ный заряд, а мел­кие  — по­ло­жи­тель­ный. Вос­хо­дя­щие по­то­ки воз­ду­ха в гро­зо­вом об­ла­ке под­ни­ма­ют мел­кие капли и кри­стал­лы к вер­ши­не об­ла­ка, круп­ные капли и кри­стал­лы опус­ка­ют­ся к его ос­но­ва­нию.

За­ря­жен­ные об­ла­ка на­во­дят на зем­ной по­верх­но­сти под собой про­ти­во­по­лож­ный по знаку заряд. Внут­ри об­ла­ка и между об­ла­ком и Зем­лей со­зда­ет­ся силь­ное элек­три­че­ское поле, ко­то­рое спо­соб­ству­ет иони­за­ции воз­ду­ха и воз­ник­но­ве­нию ис­кро­вых раз­ря­дов (мол­ний) как внут­ри об­ла­ка, так и между об­ла­ком и по­верх­но­стью Земли.

Гром воз­ни­ка­ет вслед­ствие рез­ко­го рас­ши­ре­ния воз­ду­ха при быст­ром по­вы­ше­нии тем­пе­ра­ту­ры в ка­на­ле раз­ря­да мол­нии. Вспыш­ку мол­нии мы видим прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но с раз­ря­дом, так как ско­рость рас­про­стра­не­ния света очень ве­ли­ка (3·10⁸ м/с). Раз­ряд мол­нии длит­ся всего 0,1–0,2 с. Звук рас­про­стра­ня­ет­ся зна­чи­тель­но мед­лен­нее. В воз­ду­хе его ско­рость равна при­мер­но 330 м/с. Чем даль­ше от нас про­изо­шел раз­ряд мол­нии, тем длин­нее пауза между вспыш­кой света и гро­мом. Гром от очень да­ле­ких мол­ний во­об­ще не до­хо­дит: зву­ко­вая энер­гия рас­се­и­ва­ет­ся и по­гло­ща­ет­ся по пути. Такие мол­нии на­зы­ва­ют зар­ни­ца­ми. Как пра­ви­ло, гром слы­шен на рас­сто­я­нии до 15–20 ки­ло­мет­ров; таким об­ра­зом, если на­блю­да­тель видит мол­нию, но не слы­шит грома, то гроза на­хо­дит­ся на рас­сто­я­нии более 20 ки­ло­мет­ров.

Гром, со­про­вож­да­ю­щий мол­нию, может длить­ся в те­че­ние не­сколь­ких се­кунд. Су­ще­ству­ет две при­чи­ны, объ­яс­ня­ю­щие, по­че­му вслед за ко­рот­кой мол­нией слы­шат­ся более или менее дол­гие рас­ка­ты грома. Во-пер­вых, мол­ния имеет очень боль­шую длину (она из­ме­ря­ет­ся ки­ло­мет­ра­ми), по­это­му звук от раз­ных ее участ­ков до­хо­дит до на­блю­да­те­ля в раз­ные мо­мен­ты вре­ме­ни. Во-вто­рых, про­ис­хо­дит от­ра­же­ние звука от об­ла­ков и туч  — воз­ни­ка­ет эхо. От­ра­же­ни­ем звука от об­ла­ков объ­яс­ня­ет­ся про­ис­хо­дя­щее ино­гда уси­ле­ние гром­ко­сти звука в конце гро­мо­вых рас­ка­тов.

Ме­ха­ни­че­ские ко­ле­ба­ния, рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся в упру­гой среде,  — газе, жид­ко­сти или твер­дом теле  — на­зы­ва­ют­ся вол­на­ми или ме­ха­ни­че­ски­ми вол­на­ми. Эти волны могут быть по­пе­реч­ны­ми либо про­доль­ны­ми.

Для того, чтобы в среде могла су­ще­ство­вать по­пе­реч­ная волна, эта среда долж­на про­яв­лять упру­гие свой­ства при де­фор­ма­ци­ях сдви­га. При­ме­ром такой среды яв­ля­ют­ся твер­дые тела. На­при­мер, по­пе­реч­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся в гор­ных по­ро­дах при зем­ле­тря­се­нии или в на­тя­ну­той сталь­ной стру­не. Про­доль­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся в любых упру­гих сре­дах, так как для их рас­про­стра­не­ния в среде долж­ны воз­ни­кать толь­ко де­фор­ма­ции рас­тя­же­ния и сжа­тия, ко­то­рые при­су­щи всем упру­гим сре­дам. В газах и жид­ко­стях могут рас­про­стра­нять­ся толь­ко про­доль­ные волны, так как в этих сре­дах от­сут­ству­ют жест­кие связи между ча­сти­ца­ми среды, и по этой при­чи­не при де­фор­ма­ци­ях сдви­га ни­ка­кие упру­гие силы не воз­ни­ка­ют.

Че­ло­ве­че­ское ухо вос­при­ни­ма­ет как звук ме­ха­ни­че­ские волны, име­ю­щие ча­сто­ты в пре­де­лах при­бли­зи­тель­но от 20 Гц до 20 кГц (для каж­до­го че­ло­ве­ка ин­ди­ви­ду­аль­но). Звук имеет не­сколь­ко ос­нов­ных ха­рак­те­ри­стик. Ам­пли­ту­да зву­ко­вой волны од­но­знач­но свя­за­на с ин­тен­сив­но­стью звука. Ча­сто­та же зву­ко­вой волны опре­де­ля­ет вы­со­ту его тона. По­это­му звуки, име­ю­щие одну, впол­не опре­де­лен­ную, ча­сто­ту, на­зы­ва­ют­ся то­наль­ны­ми.

Если звук пред­став­ля­ет собой сумму не­сколь­ких волн с раз­ны­ми ча­сто­та­ми, то ухо может вос­при­ни­мать такой звук как то­наль­ный, но при этом он будет об­ла­дать свое­об­раз­ным «окра­сом», ко­то­рый при­ня­то на­зы­вать темб­ром. Тембр за­ви­сит от на­бо­ра ча­стот тех волн, ко­то­рые при­сут­ству­ют в звуке, а также от со­от­но­ше­ния ин­тен­сив­но­стей этих волн. Обыч­но ухо вос­при­ни­ма­ет в ка­че­стве ос­нов­но­го тона зву­ко­вую волну, име­ю­щую наи­боль­шую ин­тен­сив­ность. На­при­мер, одна и та же нота, вос­про­из­ве­ден­ная при по­мо­щи раз­ных му­зы­каль­ных ин­стру­мен­тов (на­при­мер, рояля, тром­бо­на и ор­га­на), будет вос­при­ни­мать­ся ухом как звуки од­но­го и того же тона, но с раз­ным темб­ром, что и поз­во­ля­ет от­ли­чать «на слух» один му­зы­каль­ный ин­стру­мент от дру­го­го.

Еще одна важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка звука  — гром­кость. Эта ха­рак­те­ри­сти­ка яв­ля­ет­ся субъ­ек­тив­ной, то есть опре­де­ля­ет­ся на ос­но­ве слу­хо­во­го ощу­ще­ния. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что гром­кость за­ви­сит как от ин­тен­сив­но­сти звука, так и от его ча­сто­ты, то есть при раз­ных ча­сто­тах звуки оди­на­ко­вой ин­тен­сив­но­сти могут вос­при­ни­мать­ся ухом как звуки раз­ной гром­ко­сти (а могут и как звуки оди­на­ко­вой гром­ко­сти!). Уста­нов­ле­но, что че­ло­ве­че­ское ухо при вос­при­я­тии звука ведет себя как не­ли­ней­ный при­бор  — при уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти звука в 10 раз гром­кость воз­рас­та­ет всего в 2 раза. По­это­му ухо может вос­при­ни­мать звуки, от­ли­ча­ю­щи­е­ся друг от друга по ин­тен­сив­но­сти более чем в 100 тысяч раз!

Ме­ха­ни­че­ские ко­ле­ба­ния, рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся в упру­гой среде,  — газе, жид­ко­сти или твер­дом теле  — на­зы­ва­ют­ся вол­на­ми или ме­ха­ни­че­ски­ми вол­на­ми. Эти волны могут быть по­пе­реч­ны­ми либо про­доль­ны­ми.

Для того, чтобы в среде могла су­ще­ство­вать по­пе­реч­ная волна, эта среда долж­на про­яв­лять упру­гие свой­ства при де­фор­ма­ци­ях сдви­га. При­ме­ром такой среды яв­ля­ют­ся твер­дые тела. На­при­мер, по­пе­реч­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся в гор­ных по­ро­дах при зем­ле­тря­се­нии или в на­тя­ну­той сталь­ной стру­не. Про­доль­ные волны могут рас­про­стра­нять­ся в любых упру­гих сре­дах, так как для их рас­про­стра­не­ния в среде долж­ны воз­ни­кать толь­ко де­фор­ма­ции рас­тя­же­ния и сжа­тия, ко­то­рые при­су­щи всем упру­гим сре­дам. В газах и жид­ко­стях могут рас­про­стра­нять­ся толь­ко про­доль­ные волны, так как в этих сре­дах от­сут­ству­ют жест­кие связи между ча­сти­ца­ми среды, и по этой при­чи­не при де­фор­ма­ци­ях сдви­га ни­ка­кие упру­гие силы не воз­ни­ка­ют.

Че­ло­ве­че­ское ухо вос­при­ни­ма­ет как звук ме­ха­ни­че­ские волны, име­ю­щие ча­сто­ты в пре­де­лах при­бли­зи­тель­но от 20 Гц до 20 кГц (для каж­до­го че­ло­ве­ка ин­ди­ви­ду­аль­но). Звук имеет не­сколь­ко ос­нов­ных ха­рак­те­ри­стик. Ам­пли­ту­да зву­ко­вой волны од­но­знач­но свя­за­на с ин­тен­сив­но­стью звука. Ча­сто­та же зву­ко­вой волны опре­де­ля­ет вы­со­ту его тона. По­это­му звуки, име­ю­щие одну, впол­не опре­де­лен­ную, ча­сто­ту, на­зы­ва­ют­ся то­наль­ны­ми.

Если звук пред­став­ля­ет собой сумму не­сколь­ких волн с раз­ны­ми ча­сто­та­ми, то ухо может вос­при­ни­мать такой звук как то­наль­ный, но при этом он будет об­ла­дать свое­об­раз­ным «окра­сом», ко­то­рый при­ня­то на­зы­вать темб­ром. Тембр за­ви­сит от на­бо­ра ча­стот тех волн, ко­то­рые при­сут­ству­ют в звуке, а также от со­от­но­ше­ния ин­тен­сив­но­стей этих волн. Обыч­но ухо вос­при­ни­ма­ет в ка­че­стве ос­нов­но­го тона зву­ко­вую волну, име­ю­щую наи­боль­шую ин­тен­сив­ность. На­при­мер, одна и та же нота, вос­про­из­ве­ден­ная при по­мо­щи раз­ных му­зы­каль­ных ин­стру­мен­тов (на­при­мер, рояля, тром­бо­на и ор­га­на), будет вос­при­ни­мать­ся ухом как звуки од­но­го и того же тона, но с раз­ным темб­ром, что и поз­во­ля­ет от­ли­чать «на слух» один му­зы­каль­ный ин­стру­мент от дру­го­го.

Еще одна важ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка звука  — гром­кость. Эта ха­рак­те­ри­сти­ка яв­ля­ет­ся субъ­ек­тив­ной, то есть опре­де­ля­ет­ся на ос­но­ве слу­хо­во­го ощу­ще­ния. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что гром­кость за­ви­сит как от ин­тен­сив­но­сти звука, так и от его ча­сто­ты, то есть при раз­ных ча­сто­тах звуки оди­на­ко­вой ин­тен­сив­но­сти могут вос­при­ни­мать­ся ухом как звуки раз­ной гром­ко­сти (а могут и как звуки оди­на­ко­вой гром­ко­сти!). Уста­нов­ле­но, что че­ло­ве­че­ское ухо при вос­при­я­тии звука ведет себя как не­ли­ней­ный при­бор  — при уве­ли­че­нии ин­тен­сив­но­сти звука в 10 раз гром­кость воз­рас­та­ет всего в 2 раза. По­это­му ухо может вос­при­ни­мать звуки, от­ли­ча­ю­щи­е­ся друг от друга по ин­тен­сив­но­сти более чем в 100 тысяч раз!

Ме­ха­ни­че­ские волны, рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся в Земле от оча­гов зем­ле­тря­се­ний или каких-ни­будь мощ­ных взры­вов, на­зы­ва­ют­ся сей­сми­че­ски­ми вол­на­ми.

Для ис­сле­до­ва­ния зем­ле­тря­се­ний и внут­рен­не­го стро­е­ния Земли наи­боль­ший ин­те­рес вы­зы­ва­ют два вида сей­сми­че­ских волн: про­доль­ные (волны сжа­тия) и по­пе­реч­ные. В от­ли­чие от про­доль­ных волн, по­пе­реч­ные волны не рас­про­стра­ня­ют­ся внут­ри жид­ко­стей и газов. Ско­рость этих волн в одном и том же ве­ще­стве раз­ная: про­доль­ные рас­про­стра­ня­ют­ся быст­рее по­пе­реч­ных. На­при­мер, на глу­би­не 500 км ско­рость по­пе­реч­ных сей­сми­че­ских волн при­мер­но 5 км/с, а ско­рость про­доль­ных волн: 10 км/с

Рас­про­стра­ня­ясь из очага зем­ле­тря­се­ния, пер­вы­ми на сей­сми­че­скую стан­цию при­хо­дят про­доль­ные волны, а спу­стя не­ко­то­рое время  — по­пе­реч­ные. Зная ско­рость рас­про­стра­не­ния сей­сми­че­ских волн в зем­ной коре и время за­паз­ды­ва­ния по­пе­реч­ной волны, можно опре­де­лить рас­сто­я­ние до цен­тра зем­ле­тря­се­ния. Для более точ­ных из­ме­ре­ний ис­поль­зу­ют дан­ные не­сколь­ких сей­сми­че­ских стан­ций. Еже­год­но на зем­ном шаре ре­ги­стри­ру­ют сотни тысяч зем­ле­тря­се­ний.

Сей­сми­че­ские волны ис­поль­зу­ют­ся для ис­сле­до­ва­ния глу­бо­ких слоев Земли. Когда сей­сми­че­ские волны про­хо­дят через среду, плот­ность и со­став ко­то­рой из­ме­ня­ют­ся, то ско­ро­сти волн также ме­ня­ют­ся, что про­яв­ля­ет­ся в пре­лом­ле­нии волн. В более плот­ных слоях Земли ско­рость волн воз­рас­та­ет; со­от­вет­ствен­но, воз­рас­та­ет угол пре­лом­ле­ния. Ха­рак­тер пре­лом­ле­ния сей­сми­че­ских волн поз­во­ля­ет ис­сле­до­вать плот­ность и внут­рен­нее стро­е­ние Земли. От­сут­ствие по­пе­реч­ных волн, про­шед­ших через цен­траль­ную об­ласть Земли, поз­во­ли­ло ан­глий­ско­му сей­смо­ло­гу Ол­дге­му сде­лать вывод о су­ще­ство­ва­нии жид­ко­го ядра Земли.

Сей­сми­че­ский метод от­ра­жен­ных волн ис­поль­зу­ет­ся для по­ис­ка по­лез­ных ис­ко­па­е­мых (на­при­мер, ме­сто­рож­де­ний нефти и газа). Этот метод ос­но­ван на от­ра­же­нии ис­кус­ствен­но со­здан­ной сей­сми­че­ской волны на гра­ни­це пород с раз­ны­ми плот­но­стя­ми. В сква­жи­не, про­бу­рен­ной в ис­сле­ду­е­мом рай­о­не, взры­ва­ют не­боль­шой заряд. Воз­ни­ка­ю­щая сей­сми­че­ская волна рас­про­стра­ня­ет­ся по всем на­прав­ле­ни­ям. До­стиг­нув гра­ниц ис­сле­ду­е­мой по­ро­ды, волна от­ра­жа­ет­ся и воз­вра­ща­ет­ся об­рат­но к зем­ной по­верх­но­сти, где ее «ловит» спе­ци­аль­ный при­бор (сей­смо­при­ем­ник).

Ат­мо­сфер­ное элек­три­че­ство об­ра­зу­ет­ся и кон­цен­три­ру­ет­ся в об­ла­ках  — об­ра­зо­ва­ни­ях из мел­ких ча­стиц воды, на­хо­дя­щей­ся в жид­ком или твер­дом со­сто­я­нии. При дроб­ле­нии во­дя­ных ка­пель и кри­стал­лов льда, при столк­но­ве­ни­ях их с иона­ми ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха круп­ные капли и кри­стал­лы при­об­ре­та­ют из­бы­точ­ный от­ри­ца­тель­ный заряд, а мел­кие  — по­ло­жи­тель­ный. Вос­хо­дя­щие по­то­ки воз­ду­ха в гро­зо­вом об­ла­ке под­ни­ма­ют мел­кие капли и кри­стал­лы к вер­ши­не об­ла­ка, круп­ные капли и кри­стал­лы опус­ка­ют­ся к его ос­но­ва­нию.

За­ря­жен­ные об­ла­ка на­во­дят на зем­ной по­верх­но­сти под собой про­ти­во­по­лож­ный по знаку заряд. Внут­ри об­ла­ка и между об­ла­ком и Зем­лей со­зда­ет­ся силь­ное элек­три­че­ское поле, ко­то­рое спо­соб­ству­ет иони­за­ции воз­ду­ха и воз­ник­но­ве­нию ис­кро­вых раз­ря­дов (мол­ний) как внут­ри об­ла­ка, так и между об­ла­ком и по­верх­но­стью Земли.

Гром воз­ни­ка­ет вслед­ствие рез­ко­го рас­ши­ре­ния воз­ду­ха при быст­ром по­вы­ше­нии тем­пе­ра­ту­ры в ка­на­ле раз­ря­да мол­нии. Вспыш­ку мол­нии мы видим прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но с раз­ря­дом, так как ско­рость рас­про­стра­не­ния света очень ве­ли­ка (3·10⁸ м/с). Раз­ряд мол­нии длит­ся всего 0,1–0,2 с. Звук рас­про­стра­ня­ет­ся зна­чи­тель­но мед­лен­нее. В воз­ду­хе его ско­рость равна при­мер­но 330 м/с. Чем даль­ше от нас про­изо­шел раз­ряд мол­нии, тем длин­нее пауза между вспыш­кой света и гро­мом. Гром от очень да­ле­ких мол­ний во­об­ще не до­хо­дит: зву­ко­вая энер­гия рас­се­и­ва­ет­ся и по­гло­ща­ет­ся по пути. Такие мол­нии на­зы­ва­ют зар­ни­ца­ми. Как пра­ви­ло, гром слы­шен на рас­сто­я­нии до 15–20 ки­ло­мет­ров; таким об­ра­зом, если на­блю­да­тель видит мол­нию, но не слы­шит грома, то гроза на­хо­дит­ся на рас­сто­я­нии более 20 ки­ло­мет­ров.

Гром, со­про­вож­да­ю­щий мол­нию, может длить­ся в те­че­ние не­сколь­ких се­кунд. Су­ще­ству­ет две при­чи­ны, объ­яс­ня­ю­щие, по­че­му вслед за ко­рот­кой мол­нией слы­шат­ся более или менее дол­гие рас­ка­ты грома. Во-пер­вых, мол­ния имеет очень боль­шую длину (она из­ме­ря­ет­ся ки­ло­мет­ра­ми), по­это­му звук от раз­ных ее участ­ков до­хо­дит до на­блю­да­те­ля в раз­ные мо­мен­ты вре­ме­ни. Во-вто­рых, про­ис­хо­дит от­ра­же­ние звука от об­ла­ков и туч  — воз­ни­ка­ет эхо. От­ра­же­ни­ем звука от об­ла­ков объ­яс­ня­ет­ся про­ис­хо­дя­щее ино­гда уси­ле­ние гром­ко­сти звука в конце гро­мо­вых рас­ка­тов.

Ле­ту­чие мыши обыч­но живут огром­ны­ми ста­я­ми в пе­ще­рах, в ко­то­рых они пре­крас­но ори­ен­ти­ру­ют­ся в пол­ной тем­но­те. Вле­тая и вы­ле­тая из пе­ще­ры, каж­дая мышь из­да­ет не­слы­ши­мые нами звуки. Од­но­вре­мен­но эти звуки из­да­ют ты­ся­чи мышей, но это никак не ме­ша­ет им пре­крас­но ори­ен­ти­ро­вать­ся в про­стран­стве в пол­ной тем­но­те и ле­тать, не стал­ки­ва­ясь друг с дру­гом. По­че­му ле­ту­чие мыши могут уве­рен­но ле­тать в пол­ней­шей тем­но­те, не на­ты­ка­ясь на пре­пят­ствия? Уди­ви­тель­ное свой­ство этих ноч­ных жи­вот­ных  — уме­ние ори­ен­ти­ро­вать­ся в про­стран­стве без по­мо­щи зре­ния  — свя­за­но с их спо­соб­но­стью ис­пус­кать и улав­ли­вать уль­тра­зву­ко­вые волны.

Ока­за­лось, что во время по­ле­та мышь из­лу­ча­ет ко­рот­кие сиг­на­лы на ча­сто­те около 80 кГц, а затем при­ни­ма­ет от­ра­жен­ные эхо-сиг­на­лы, ко­то­рые при­хо­дят к ней от бли­жай­ших пре­пят­ствий и от про­ле­та­ю­щих вб­ли­зи на­се­ко­мых.

Для того, чтобы сиг­нал был от­ра­жен пре­пят­стви­ем, наи­мень­ший ли­ней­ный раз­мер этого пре­пят­ствия дол­жен быть не мень­ше длины волны по­сы­ла­е­мо­го звука. Ис­поль­зо­ва­ние уль­тра­зву­ка поз­во­ля­ет об­на­ру­жить пред­ме­ты мень­ших раз­ме­ров, чем можно было бы об­на­ру­жить, ис­поль­зуя более низ­кие зву­ко­вые ча­сто­ты. Кроме того, ис­поль­зо­ва­ние уль­тра­зву­ко­вых сиг­на­лов свя­за­но с тем, что с умень­ше­ни­ем длины волны легче ре­а­ли­зу­ет­ся на­прав­лен­ность из­лу­че­ния, а это очень важно для эхо­ло­ка­ции.

Ре­а­ги­ро­вать на тот или иной объ­ект мышь на­чи­на­ет на рас­сто­я­нии по­ряд­ка 1 метра, при этом дли­тель­ность по­сы­ла­е­мых мышью уль­тра­зву­ко­вых сиг­на­лов умень­ша­ет­ся при­мер­но в 10 раз, а ча­сто­та их сле­до­ва­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся до 100–200 им­пуль­сов (щелч­ков) в се­кун­ду. То есть, за­ме­тив объ­ект, мышь на­чи­на­ет щел­кать более часто, а сами щелч­ки ста­но­вят­ся более ко­рот­ки­ми. Наи­мень­шее рас­сто­я­ние, ко­то­рое мышь может опре­де­лить таким об­ра­зом, со­став­ля­ет при­мер­но 5 см.

Во время сбли­же­ния с объ­ек­том охоты ле­ту­чая мышь как бы оце­ни­ва­ет угол между на­прав­ле­ни­ем своей ско­ро­сти и на­прав­ле­ни­ем на ис­точ­ник от­ра­жен­но­го сиг­на­ла и из­ме­ня­ет на­прав­ле­ние по­ле­та так, чтобы этот угол ста­но­вил­ся все мень­ше и мень­ше.

Еже­днев­но мы на­блю­да­ем, как вода и ее пар пе­ре­хо­дят друг в друга. Лужи на ас­фаль­те после дождя вы­сы­ха­ют, а во­дя­ной пар в воз­ду­хе по утрам часто пре­вра­ща­ет­ся в мель­чай­шие ка­пель­ки ту­ма­на.

Что про­изой­дет, если сосуд с не­ко­то­рым объ­е­мом жид­ко­сти за­крыть крыш­кой? Каж­дую се­кун­ду по­верх­ность жид­ко­сти по-преж­не­му будут по­ки­дать самые быст­рые мо­ле­ку­лы, ее масса будет умень­шать­ся, а кон­цен­тра­ция мо­ле­кул пара – уве­ли­чи­вать­ся. Од­но­вре­мен­но с этим в жид­кость из пара будет воз­вра­щать­ся часть его мо­ле­кул, и чем боль­ше будет кон­цен­тра­ция пара, тем ин­тен­сив­ней будет про­цесс кон­ден­са­ции. На­ко­нец на­сту­пит такое со­сто­я­ние, когда число мо­ле­кул, воз­вра­ща­ю­щих­ся в жид­кость в еди­ни­цу вре­ме­ни, в сред­нем ста­нет рав­ным числу мо­ле­кул, по­ки­да­ю­щих ее за это время. Такое со­сто­я­ние на­зы­ва­ют ди­на­ми­че­ским рав­но­ве­си­ем, а со­от­вет­ству­ю­щий пар  — на­сы­щен­ным паром.

Дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара за­ви­сит от вида жид­ко­сти и тем­пе­ра­ту­ры. Чем тя­же­лее ото­рвать мо­ле­ку­лы жид­ко­сти друг от друга, тем мень­ше будет дав­ле­ние ее на­сы­щен­но­го пара. За­ви­си­мость дав­ле­ния на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры пред­став­ле­на на ри­сун­ке.

За­ви­си­мость дав­ле­ния на­сы­щен­но­го во­дя­но­го пара от тем­пе­ра­ту­ры

Ки­пе­ни­ем на­зы­ва­ет­ся про­цесс об­ра­зо­ва­ния боль­шо­го числа пу­зырь­ков пара, про­ис­хо­дя­щий по всему объ­е­му жид­ко­сти и на ее по­верх­но­сти при на­гре­ва­нии. На самом деле эти пу­зырь­ки при­сут­ству­ют в жид­ко­сти все­гда, но их раз­ме­ры рас­тут и они ста­но­вят­ся за­мет­ны толь­ко при ки­пе­нии. Пу­зырь­ки рас­ши­ря­ют­ся и под дей­стви­ем вы­тал­ки­ва­ю­щей силы Ар­хи­ме­да от­ры­ва­ют­ся от дна, всплы­ва­ют и ло­па­ют­ся на по­верх­но­сти.

Ки­пе­ние на­чи­на­ет­ся при той тем­пе­ра­ту­ре, когда пу­зырь­ки газа имеют воз­мож­ность рас­ши­рять­ся, а это про­ис­хо­дит, если дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара вы­рас­тет до ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния. Таким об­ра­зом, тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния  — это тем­пе­ра­ту­ра, при ко­то­рой дав­ле­ние на­сы­щен­но­го пара дан­ной жид­ко­сти равно ат­мо­сфер­но­му дав­ле­нию (дав­ле­нию над по­верх­но­стью жид­ко­сти).

Сред­няя ско­рость по­ез­дов на же­лез­ных до­ро­гах не пре­вы­ша­ет 150 км/ч. Скон­стру­и­ро­вать поезд, спо­соб­ный со­стя­зать­ся по ско­ро­сти с са­мо­ле­том, не­про­сто. При боль­ших ско­ро­стях ко­ле­са по­ез­дов не вы­дер­жи­ва­ют на­груз­ки. Выход один: от­ка­зать­ся от колес, за­ста­вив поезд ле­теть. Один из спо­со­бов «под­ве­сить» поезд над рель­са­ми  — ис­поль­зо­вать от­тал­ки­ва­ние маг­ни­тов.

В 1910 году бель­ги­ец Э. Башле по­стро­ил первую в мире мо­дель ле­та­ю­ще­го по­ез­да и ис­пы­тал ее. 50-ки­ло­грам­мо­вый си­га­ро­об­раз­ный ва­гон­чик ле­та­ю­ще­го по­ез­да раз­го­нял­ся до ско­ро­сти свыше 500 км/ч! Маг­нит­ная до­ро­га Башле пред­став­ля­ла собой це­поч­ку ме­тал­ли­че­ских стол­би­ков с укреп­лен­ны­ми на их вер­ши­нах ка­туш­ка­ми. После вклю­че­ния тока ва­гон­чик со встро­ен­ны­ми маг­ни­та­ми при­под­ни­мал­ся над ка­туш­ка­ми и раз­го­нял­ся тем же маг­нит­ным полем, над ко­то­рым был под­ве­шен.

Прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но с Башле в 1911 году про­фес­сор Том­ско­го тех­но­ло­ги­че­ско­го ин­сти­ту­та Б. Вейн­берг раз­ра­бо­тал го­раз­до более эко­но­мич­ную под­вес­ку ле­та­ю­ще­го по­ез­да. Вейн­берг пред­ла­гал не от­тал­ки­вать до­ро­гу и ва­го­ны друг от друга, что чре­ва­то огром­ны­ми за­тра­та­ми энер­гии, а при­тя­ги­вать их обыч­ны­ми элек­тро­маг­ни­та­ми. Элек­тро­маг­ни­ты до­ро­ги были рас­по­ло­же­ны над по­ез­дом, чтобы своим при­тя­же­ни­ем ком­пен­си­ро­вать силу тя­же­сти по­ез­да. Же­лез­ный вагон рас­по­ла­гал­ся пер­во­на­чаль­но не точно под элек­тро­маг­ни­том, а по­за­ди него. При этом элек­тро­маг­ни­ты мон­ти­ро­ва­лись по всей длине до­ро­ги. При вклю­че­нии тока в пер­вом элек­тро­маг­ни­те ва­гон­чик под­ни­мал­ся и про­дви­гал­ся впе­ред, по на­прав­ле­нию к маг­ни­ту. Но за мгно­ве­ние до того, как ва­гон­чик дол­жен был при­лип­нуть к элек­тро­маг­ни­ту, ток вы­клю­чал­ся. Поезд про­дол­жал ле­теть по инер­ции, сни­жая вы­со­ту. Вклю­чал­ся сле­ду­ю­щий элек­тро­маг­нит, поезд опять при­под­ни­мал­ся и уско­рял­ся. По­ме­стив свой вагон в мед­ную трубу, из ко­то­рой был от­ка­чан воз­дух, Вейн­берг разо­гнал вагон до ско­ро­сти 800 км/ч!

В ос­но­ве дей­ствия ин­дук­ци­он­ной плиты лежит яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции  — яв­ле­ние воз­ник­но­ве­ни элек­три­че­ско­го тока в за­мкну­том про­вод­ни­ке при из­ме­не­нии маг­нит­но­го по­то­ка через пло­щад­ку, огра­ни­чен­ную кон­ту­ром про­вод­ни­ка. Ин­дук­ци­он­ные токи при из­ме­не­нии маг­нит­но­го поля воз­ни­ка­ют и в мас­сив­ных об­раз­цах ме­тал­ла, а не толь­ко в про­во­лоч­ных кон­ту­рах. Эти токи обыч­но на­зы­ва­ют вих­ре­вы­ми то­ка­ми, или то­ка­ми Фуко, по имени от­крыв­ше­го их фран­цуз­ско­го фи­зи­ка. На­прав­ле­ние и сила вих­ре­во­го тока за­ви­сят от формы об­раз­ца, от на­прав­ле­ния век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции и ско­ро­сти его из­ме­не­ния, от свойств ма­те­ри­а­ла, из ко­то­ро­го сде­лан об­ра­зец. В мас­сив­ных про­вод­ни­ках вслед­ствие ма­ло­сти элек­три­че­ско­го со­про­тив­ле­ния токи могут быть очень боль­ши­ми и вы­зы­вать зна­чи­тель­ное на­гре­ва­ние.

Прин­цип ра­бо­ты ин­дук­ци­он­ной плиты по­ка­зан на ри­сун­ке. Под стек­ло­ке­ра­ми­че­ской по­верх­но­стью плиты на­хо­дит­ся ка­туш­ка ин­дук­тив­но­сти, по ко­то­рой про­те­ка­ет пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток, со­зда­ю­щий пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле. Ча­сто­та тока со­став­ля­ет 20–60 кГц. В дне по­су­ды на­во­дят­ся токи ин­дук­ции, ко­то­рые на­гре­ва­ют его, а за­од­но и по­ме­щен­ные в по­су­ду про­дук­ты. Нет ни­ка­кой теп­ло­пе­ре­да­чи снизу вверх, от кон­фор­ки через стек­ло к по­су­де, а зна­чит, нет и теп­ло­вых по­терь. С точки зре­ния эф­фек­тив­но­сти ис­поль­зо­ва­ния по­треб­ля­е­мой элек­тро­энер­гии ин­дук­ци­он­ная плита вы­год­но от­ли­ча­ет­ся от всех дру­гих типов ку­хон­ных плит: на­грев про­ис­хо­дит быст­рее, чем на га­зо­вой или обыч­ной элек­три­че­ской плите, а КПД на­гре­ва у ин­дук­ци­он­ной плиты выше, чем у этих плит.

Ин­дук­ци­он­ные плиты тре­бу­ют при­ме­не­ния ме­тал­ли­че­ской по­су­ды, об­ла­да­ю­щей фер­ро­маг­нит­ны­ми свой­ства­ми (к по­су­де дол­жен при­тя­ги­вать­ся маг­нит). При­чем чем толще дно, тем быст­рее про­ис­хо­дит на­грев.

Рис. 1

В 1946 году со­вет­ские уче­ные при про­ве­де­нии ис­сле­до­ва­ний в Япон­ском море об­на­ру­жи­ли очень ин­те­рес­ное яв­ле­ние. Зву­ко­вые волны от взры­вов (под­ры­ва­лись про­ти­во­ло­доч­ные мины на глу­би­не 100 мет­ров) рас­про­стра­ня­лись без за­мет­но­го ослаб­ле­ния на очень боль­шие рас­сто­я­ния  — на мно­гие сотни ки­ло­мет­ров. Было вы­яс­не­но, что это про­ис­хо­дит из-за свое­об­раз­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти звука в оке­а­не от его глу­би­ны.

Ско­рость звука в мор­ской воде, во­об­ще го­во­ря, ме­ня­ет­ся с из­ме­не­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры, со­ле­но­сти и гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния. Во время работ в Япон­ском море со­ле­ность из­ме­ня­лась с глу­би­ной не­зна­чи­тель­но, и ее вли­я­ние не ска­зы­ва­лось. При по­гру­же­нии с по­верх­но­сти до глу­би­ны при­мер­но 300 мет­ров ско­рость звука умень­ша­лась из-за па­де­ния тем­пе­ра­ту­ры. При даль­ней­шем по­гру­же­нии тем­пе­ра­ту­ра из­ме­ня­лась мало (всего лишь на 0,3-0,5 °C). Од­на­ко по мере уве­ли­че­ния глу­би­ны (мак­си­маль­ная глу­би­на в Япон­ском море около 3700 м) су­ще­ствен­но росло гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние. Это при­во­ди­ло к воз­рас­та­нию ско­ро­сти звука. В ре­зуль­та­те фор­ми­ро­ва­лась слож­ная за­ви­си­мость ско­ро­сти звука от глу­би­ны (см. рис. 1). Как видно из гра­фи­ка, ми­ни­мум ско­ро­сти звука со­от­вет­ству­ет глу­би­не 300 м. Выше и ниже этого уров­ня ско­рость звука боль­ше. К чему при­во­дит такой про­филь ско­ро­сти звука?

Ответ на дан­ный во­прос можно найти с по­мо­щью оп­ти­че­ской ана­ло­гии. Из за­ко­на пре­лом­ле­ния света сле­ду­ет, что в среде с из­ме­ня­ю­щим­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния (т. е. при из­ме­не­нии ско­ро­сти света в среде) све­то­вой луч ис­крив­ля­ет­ся. Точно по та­ко­му же за­ко­ну про­ис­хо­дит ис­крив­ле­ние «зву­ко­вых лучей» при рас­про­стра­не­нии звука в не­од­но­род­ной среде, в ко­то­рой ско­рость звука ме­ня­ет­ся. Част­ный слу­чай такой среды и пред­став­ля­ет собой вода в море.

На рис. 2 изоб­ра­жен ход не­сколь­ких «зву­ко­вых лучей», вы­хо­дя­щих в на­прав­ле­нии мор­ско­го дна из из­лу­ча­те­ля (И), по­ме­щен­но­го на глу­би­не 100 м. Лучи по­па­да­ют в при­ем­ник (П), ко­то­рый на­хо­дит­ся на глу­би­не 300 м на рас­сто­я­нии 184 км от из­лу­ча­те­ля. Вслед­ствие не­пре­рыв­но­го «пре­лом­ле­ния» в воде зву­ко­вые лучи ис­крив­ля­ют­ся  — они снова и снова воз­вра­ща­ют­ся к го­ри­зон­таль­но­му уров­ню, ко­то­рый со­от­вет­ству­ет ми­ни­му­му ско­ро­сти звука. При этом целое се­мей­ство зву­ко­вых лучей (как по­ка­за­но на рис. 2) не до­сти­га­ет дна, где зву­ко­вые сиг­на­лы могли бы по­гло­тить­ся, и не вы­хо­дит на вол­ну­ю­щу­ю­ся по­верх­ность воды, на ко­то­рой они могли бы рас­се­ять­ся. В ре­зуль­та­те звук при­хо­дит в при­ем­ник, все время рас­про­стра­ня­ясь в толще воды, или, как го­во­рят, по «под­вод­но­му зву­ко­во­му ка­на­лу» (со­кра­щен­но  — ПЗК) почти без за­ту­ха­ния. Это поз­во­ля­ет ре­ги­стри­ро­вать зву­ко­вые сиг­на­лы за мно­гие ты­ся­чи ки­ло­мет­ров от ис­точ­ни­ка звука.

Рис. 2

На­ли­чи­ем ПЗК и объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ние «сверх­даль­не­го» рас­про­стра­не­ния звука, на­блю­дав­ше­е­ся в 1946 году в Япон­ском море. Ока­зы­ва­ет­ся, ПЗК может воз­ни­кать в любом море или оке­а­не при усло­вии их до­ста­точ­ной глу­би­ны.

С дав­них вре­мен и по сей день на мор­ских и реч­ных судах ко­ман­ды с ка­пи­тан­ско­го мо­сти­ка в ма­шин­ное от­де­ле­ние пе­ре­да­ют­ся при по­мо­щи так на­зы­ва­е­мой пе­ре­го­вор­ной трубы. За­ту­ха­ние звука в воз­ду­хе при рас­про­стра­не­нии по такой трубе очень мало. Пе­ре­го­вор­ная труба яв­ля­ет­ся ярким при­ме­ром аку­сти­че­ско­го вол­но­во­да  — ка­на­ла, в ко­то­ром зву­ко­вые волны рас­про­стра­ня­ют­ся в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии прак­ти­че­ски без ослаб­ле­ния.

Ока­зы­ва­ет­ся, ана­ло­ги таких вол­но­во­дов при опре­де­лен­ных усло­ви­ях могут воз­ни­кать в морях и оке­а­нах. Уче­ные на­зва­ли такие «вол­но­во­ды» «под­вод­ны­ми зву­ко­вы­ми ка­на­ла­ми» (со­кра­щен­но  — ПЗК). Рас­про­стра­ня­ю­щи­е­ся по таким ка­на­лам зву­ко­вые волны могут быть при­ня­ты за ты­ся­чи ки­ло­мет­ров от их ис­точ­ни­ка.

Каков же ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния та­ко­го вол­но­во­да, и что в нем слу­жит от­ра­жа­ю­щи­ми гра­ни­ца­ми? По­верх­ность оке­а­на и его дно слу­жить та­ки­ми гра­ни­ца­ми не могут из-за того, что звук на них силь­но рас­се­и­ва­ет­ся или по­гло­ща­ет­ся. Ис­сле­до­ва­те­ли вы­яс­ни­ли, что гра­ни­ца­ми ги­гант­ско­го под­вод­но­го вол­но­во­да слу­жат слои воды, ко­то­рые на раз­ных глу­би­нах об­ла­да­ют раз­ны­ми свой­ства­ми, бла­го­да­ря чему ско­рость звука в оке­а­не за­ви­сит от глу­би­ны.

С глу­би­ной уве­ли­чи­ва­ет­ся гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние, что, в свою оче­редь при­во­дит к росту ско­ро­сти звука. При по­ни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры ско­рость звука убы­ва­ет. В оке­а­не тем­пе­ра­ту­ра воды сна­ча­ла до­воль­но быст­ро па­да­ет по мере уда­ле­ния от по­верх­но­сти, а на боль­шой глу­би­не тем­пе­ра­ту­ра воды ста­но­вит­ся прак­ти­че­ски по­сто­ян­ной. Сов­мест­ное вли­я­ние этих фак­то­ров при­во­дит к слож­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти звука от глу­би­ны, ко­то­рая по­ка­за­на на гра­фи­ке.

Вна­ча­ле вб­ли­зи по­верх­но­сти оке­а­на пре­об­ла­да­ю­щее вли­я­ние ока­зы­ва­ет быст­рое па­де­ние тем­пе­ра­ту­ры  — по­это­му в верх­них слоях воды ско­рость звука с умень­ша­ет­ся с ро­стом глу­би­ны z. По мере по­гру­же­ния тем­пе­ра­ту­ра ме­ня­ет­ся все мед­лен­нее, а гид­ро­ста­ти­че­ское дав­ле­ние про­дол­жа­ет воз­рас­тать. На не­ко­то­рой глу­би­не zm вли­я­ние этих двух фак­то­ров урав­но­ве­ши­ва­ет­ся  — на дан­ной глу­би­не ско­рость звука ми­ни­маль­на. При даль­ней­шем по­гру­же­нии ско­рость звука на­чи­на­ет воз­рас­тать за счет роста гид­ро­ста­ти­че­ско­го дав­ле­ния.

Чтобы по­нять, как рас­про­стра­ня­ют­ся зву­ко­вые лучи в оке­а­не, об­ра­тим­ся к оп­ти­че­ской ана­ло­гии. Из за­ко­на пре­лом­ле­ния света сле­ду­ет, что в среде с из­ме­ня­ю­щим­ся по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния (т. е. при из­ме­не­нии ско­ро­сти света в среде) све­то­вой луч ис­крив­ля­ет­ся. Точно по та­ко­му же за­ко­ну про­ис­хо­дит ис­крив­ле­ние «зву­ко­вых лучей» при рас­про­стра­не­нии звука в не­од­но­род­ной среде, в ко­то­рой ско­рость звука ме­ня­ет­ся. Част­ный слу­чай такой среды и пред­став­ля­ет собой вода в море.

Пред­по­ло­жим, что ис­точ­ник звука на­хо­дит­ся на глу­би­не zm. Луч, иду­щий вдоль го­ри­зон­та­ли z  =  zm, будет пря­мо­ли­ней­ным. А те лучи, ко­то­рые вы­хо­дят под не­ко­то­ры­ми уг­ла­ми j к этой го­ри­зон­та­ли, будут ис­крив­лять­ся со­глас­но за­ко­ну пре­лом­ле­ния. Это яв­ле­ние на­зы­ва­ют ре­фрак­ци­ей звука. По­сколь­ку и выше, и ниже уров­ня zm ско­рость звука воз­рас­та­ет, зву­ко­вые лучи будут (в со­от­вет­ствии с за­ко­ном пре­лом­ле­ния) ис­крив­лять­ся в на­прав­ле­нии го­ри­зон­та­ли z  =  zm. В какой-то мо­мент луч ста­нет «па­рал­лель­ным» этой го­ри­зон­та­ли, и, «от­ра­зив­шись», по­вер­нет об­рат­но к ней.

Итак, ре­фрак­ция звука в море при­во­дит к тому, что не­ко­то­рые зву­ко­вые волны, ис­пус­ка­е­мые ис­точ­ни­ком, могут рас­про­стра­нять­ся, не вы­хо­дя на по­верх­ность воды и не до­хо­дя до дна. А это и озна­ча­ет, что в такой среде ре­а­ли­зу­ет­ся вол­но­вод­ный ме­ха­низм рас­про­стра­не­ния звука  — под­вод­ный зву­ко­вой канал. Роль «сте­нок» этого вол­но­во­да вы­пол­ня­ют слои воды на тех глу­би­нах, где про­ис­хо­дит «по­во­рот» зву­ко­во­го луча.

Рас­смот­рим цепь, со­став­лен­ную из про­вод­ни­ков, из­го­тов­лен­ных из раз­ных ме­тал­лов (см. рис.). Если места спаев ме­тал­лов на­хо­дят­ся при одной тем­пе­ра­ту­ре, то тока в цепи не на­блю­да­ет­ся. По­ло­же­ние ста­нет со­вер­шен­но иным, если мы на­гре­ем какой-ни­будь из спаев, на­при­мер, спай a. В этом слу­чае галь­ва­но­метр по­ка­зы­ва­ет на­ли­чие в цепи элек­три­че­ско­го тока, про­те­ка­ю­ще­го все время, пока су­ще­ству­ет раз­ность тем­пе­ра­тур между спа­я­ми a и b.

Зна­че­ние силы тока, про­те­ка­ю­ще­го в цепи, при­бли­зи­тель­но про­пор­ци­о­наль­но раз­но­сти тем­пе­ра­тур спаев. На­прав­ле­ние тока за­ви­сит от того, какой из спаев на­хо­дит­ся при более вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ре. Если спай a не на­гре­вать, а охла­ждать (по­ме­стить, на­при­мер, в сухой лед), то ток по­те­чет в об­рат­ном на­прав­ле­нии.

Опи­сан­ное яв­ле­ние было от­кры­то в 1821 г. не­мец­ким фи­зи­ком Зее­бе­ком и по­лу­чи­ло на­зва­ние тер­мо­элек­три­че­ства, а вся­кую ком­би­на­цию про­вод­ни­ков из раз­ных ме­тал­лов, об­ра­зу­ю­щих за­мкну­тую цепь, на­зы­ва­ют тер­мо­эле­мен­том.

Важ­ным при­ме­не­ни­ем ме­тал­ли­че­ских тер­мо­эле­мен­тов яв­ля­ет­ся их ис­поль­зо­ва­ние для из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры. Тер­мо­эле­мен­ты, ис­поль­зу­е­мые для из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры (так на­зы­ва­е­мые тер­мо­па­ры), об­ла­да­ют перед обыч­ны­ми жид­кост­ны­ми тер­мо­мет­ра­ми рядом пре­иму­ществ: тер­мо­па­ры можно ис­поль­зо­вать для из­ме­ре­ния как очень вы­со­ких (до 2000 °C), так и очень низ­ких тем­пе­ра­тур. Более того, тер­мо­па­ры дают более вы­со­кую точ­ность из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры и го­раз­до быст­рее ре­а­ги­ру­ют на из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры.

Рис. 1

Зна­ме­ни­тый ита­льян­ский физик Алес­сан­дро Воль­та в конце 18-го века уста­но­вил, что в элек­три­че­ской цепи, со­став­лен­ной толь­ко из ме­тал­ли­че­ских про­вод­ни­ков (от­но­ся­щих­ся к так на­зы­ва­е­мым про­вод­ни­кам пер­во­го рода, в ко­то­рых элек­три­че­ский ток не вы­зы­ва­ет хи­ми­че­ских пре­вра­ще­ний), элек­три­че­ский ток не воз­ни­ка­ет. Это верно, од­на­ко, толь­ко в том слу­чае, если все спаи, то есть места со­еди­не­ния про­вод­ни­ков, на­хо­дят­ся при оди­на­ко­вой тем­пе­ра­ту­ре.

В 1821 году не­мец­кий физик Томас Иоганн Зее­бек, про­во­дя опыты с ме­тал­ли­че­ски­ми про­вод­ни­ка­ми, за­ме­тил, что в за­мкну­той цепи, со­став­лен­ной из двух раз­ных ме­тал­лов, воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток вся­кий раз, когда места кон­так­та про­вод­ни­ков имеют раз­лич­ные тем­пе­ра­ту­ры.

Так, если взять же­лез­ную про­во­ло­ку и к ее кон­цам в точ­ках a и b при­кру­тить по куску мед­ной про­во­ло­ки, а сво­бод­ные мед­ные концы при­со­еди­нить к чув­стви­тель­но­му галь­ва­но­мет­ру, то в по­лу­чен­ной за­мкну­той цепи, тока не будет (рис. 1).

Со­всем иная кар­ти­на будет на­блю­дать­ся, если на­греть какое-ни­будь место со­еди­не­ния про­во­лок (на­при­мер, точку a), под­не­ся к нему го­рел­ку (рис. 2). В этом слу­чае ам­пер­метр фик­си­ру­ет в цепи элек­три­че­ский ток, ко­то­рый про­те­ка­ет в

Рис. 2

Опи­сан­ное яв­ле­ние, от­кры­тое Зее­бе­ком, по­лу­чи­ло на­зва­ние тер­мо­элек­три­че­ства, а вся­кую ком­би­на­цию раз­но­род­ных про­вод­ни­ков пер­во­го рода, об­ра­зу­ю­щих за­мкну­тую цепь, на­зы­ва­ют тер­мо­эле­мен­том.

Тер­мо­эле­мент можно рас­смат­ри­вать как тер­мо­элек­три­че­ский ге­не­ра­тор элек­три­че­ско­го тока, ко­то­рый, не имея дви­жу­щих­ся ча­стей пре­вра­ща­ет часть теп­ло­вой энер­гии, на­гре­ва­ю­щей место со­еди­не­ния про­во­лок a, в элек­три­че­скую энер­гию; при этом осталь­ная часть теп­ло­ты от­да­ет­ся в окру­жа­ю­щую среду через кон­такт b. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что таким спо­со­бом можно по­лу­чить на­пря­же­ние, не пре­вы­ша­ю­щее не­сколь­ких мил­ли­вольт. При этом ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го дей­ствия (КПД) тер­мо­эле­мен­тов, со­став­лен­ных из ме­тал­ли­че­ских про­вод­ни­ков, не пре­вы­ша­ет 0,5 %. Все дело в том, что из-за боль­шой теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов теп­ло­та, пе­ре­хо­дя­щая путем теп­ло­про­вод­но­сти от го­ря­че­го кон­так­та к хо­лод­но­му, зна­чи­тель­но боль­ше, чем теп­ло­та, ко­то­рая пре­вра­ща­ет­ся в элек­три­че­скую энер­гию. Кроме того, часть элек­три­че­ской энер­гии, со­зда­ва­е­мой тер­мо­эле­мен­том, пре­вра­ща­ет­ся в теп­ло­ту внут­ри са­мо­го же тер­мо­эле­мен­та, и она также не может быть ис­поль­зо­ва­на. Эти бес­по­лез­ные траты боль­шей части теп­ло­ты, пе­ре­да­ва­е­мой го­ря­че­му кон­так­ту, на­столь­ко ве­ли­ки, что тер­мо­эле­мен­ты, из­го­тов­лен­ные из ме­тал­ли­че­ских про­во­лок, со­вер­шен­но не при­год­ны как тех­ни­че­ские ге­не­ра­то­ры элек­тро­энер­гии.

Од­на­ко если в ка­че­стве тер­мо­эле­мен­тов ис­поль­зо­вать спе­ци­аль­но из­го­тов­лен­ные по­лу­про­вод­ни­ки в кон­так­те с ме­тал­ла­ми, то со­зда­ва­е­мое ими на­пря­же­ние в де­сят­ки раз пре­вы­ша­ет на­пря­же­ние, ко­то­рое со­зда­ют чисто ме­тал­ли­че­ские тер­мо­эле­мен­ты. Кроме того, КПД по­лу­про­вод­ни­ко­вых тер­мо­эле­мен­тов зна­чи­тель­но выше. По­это­му по­лу­про­вод­ни­ки поз­во­ля­ют ре­шить во­прос о не­по­сред­ствен­ном по­лу­че­нии элек­тро­энер­гии из теп­ло­вой энер­гии.

Рис. 1

Для объ­яс­не­ния мно­гих ин­те­рес­ных оп­ти­че­ских эф­фек­тов, на­блю­да­е­мых в ат­мо­сфе­ре, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать такое яв­ле­ние, как ре­фрак­ция света. Под этим тер­ми­ном по­ни­ма­ют ис­крив­ле­ние све­то­вых лучей при про­хож­де­нии в ат­мо­сфе­ре, вы­зван­ное оп­ти­че­ской не­од­но­род­но­стью ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха. При­чи­на этого кро­ет­ся в из­ме­не­ни­ях плот­но­сти воз­ду­ха (а зна­чит, и по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния) в за­ви­си­мо­сти от вы­со­ты или при на­гре­ва­нии или охла­жде­нии. По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния среды опре­де­ля­ет­ся фор­му­лой где c  — ско­рость света в ва­ку­у­ме, а v  — ско­рость света в дан­ной среде. Ско­рость света v в среде все­гда мень­ше ско­ро­сти c и за­ви­сит, в част­но­сти, от плот­но­сти среды. Чем плот­нее воз­дух, тем мень­ше v и, зна­чит, тем боль­ше по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха. Плот­ность воз­ду­ха по­ни­жа­ет­ся при пе­ре­хо­де от ниж­них слоев ат­мо­сфе­ры к верх­ним. Умень­ша­ет­ся она также при ло­каль­ном на­гре­ва­нии и даже за­ви­сит от ветра.

При ре­фрак­ции света в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­тель видит объ­ект не в том на­прав­ле­нии, какое со­от­вет­ству­ет дей­стви­тель­но­сти; объ­ект может пред­став­лять­ся ис­ка­жен­ным, на­при­мер, диск за­хо­дя­ще­го солн­ца, на­хо­дя­ще­го­ся у самой линии го­ри­зон­та, ка­жет­ся сплюс­ну­тым по вер­ти­ка­ли. Осо­бен­но впе­чат­ля­ют яв­ле­ния, по­лу­чив­шие на­зва­ние ми­ра­жей. Раз­ли­ча­ют верх­ние и ниж­ние («озер­ные») ми­ра­жи.

Ниж­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но на­гре­той по­верх­но­стью, на­при­мер, в зной­ной пу­сты­не или над ас­фаль­то­вой до­ро­гой в жар­кий день. В пу­сты­не не­по­сред­ствен­но над го­ря­чим пес­ком воз­дух так силь­но на­грет, что его плот­ность и, со­от­вет­ствен­но, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния мень­ше, чем в более вы­со­ких воз­душ­ных слоях. На ри­сун­ке 1 по­ка­за­но из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n c вы­со­той h для пу­сты­ни в днев­ное время суток.

Бла­го­да­ря не­од­но­род­но­сти по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха c луч света ис­крив­ля­ет­ся так, как по­ка­за­но на ри­сун­ке 2. По­это­му, когда луч по­па­да­ет в глаз на­блю­да­те­ля, то ему ка­жет­ся, что он ис­хо­дит из точки A', а не из точки A.

Рис. 2

Таким об­ра­зом, если на го­ри­зон­те на­хо­дят­ся паль­мы или дру­гие объ­ек­ты, то на­блю­да­тель видит их пе­ре­вер­ну­ты­ми и вос­при­ни­ма­ет как от­ра­же­ния в не­су­ще­ству­ю­щих озе­рах. Вода в этих «озе­рах»  — от­ра­же­ние го­лу­бо­го не­бо­сво­да. На­блю­да­те­лю ка­жет­ся, что оазис с паль­ма­ми на­хо­дит­ся на рас­сто­я­нии один-два ки­ло­мет­ра. Но по мере про­дви­же­ния впе­ред «озеро» все так же на­хо­дит­ся где-то впе­ре­ди, а во­круг по-преж­не­му одни пески. На­блю­дать ниж­ний мираж можно не толь­ко в пу­сты­нях, но и в наших ши­ро­тах. На­при­мер, при по­езд­ке на ав­то­мо­би­ле в жар­кий лет­ний день на ас­фаль­то­вой до­ро­ге, когда она силь­но на­гре­та солн­цем, можно уви­деть лужи воды впе­ре­ди ав­то­мо­би­ля, хотя до­ро­га сухая. По мере того как ав­то­мо­биль дви­жет­ся по до­ро­ге впе­ред, «лужи» от­сту­па­ют все даль­ше и даль­ше, оста­ва­ясь не­до­ся­га­е­мы­ми.

Рис. 1

Когда мы го­во­рим о чем-то не­ре­аль­ном, не­уло­ви­мом, мы ис­поль­зу­ем слово «мираж». Он воз­ни­ка­ет перед на­блю­да­те­лем чу­дес­ным ви­де­ни­ем, но при по­пыт­ке при­бли­зить­ся к нему ис­че­за­ет. Ми­ра­жи можно на­блю­дать не толь­ко в пу­сты­нях, но и в сте­пях, и даже в более хо­лод­ных ши­ро­тах. Хо­ро­шо из­вест­на ле­ген­да из Сред­них веков о так на­зы­ва­е­мом «Ле­ту­чем

гол­ланд­це»  — ко­раб­ле-при­зра­ке, вы­зы­вав­шем суе­вер­ный страх у мат­ро­сов.

Раз­ли­ча­ют не­сколь­ко видов ми­ра­жей. Ос­нов­ны­ми яв­ля­ют­ся ниж­ние, так на­зы­ва­е­мые озер­ные, ми­ра­жи и верх­ние ми­ра­жи. «Озер­ные» ми­ра­жи воз­ни­ка­ют над силь­но на­гре­той по­верх­но­стью, на­при­мер, днем в пу­сты­не. Верх­ние ми­ра­жи воз­ни­ка­ют, на­о­бо­рот, над силь­но охла­жден­ной по­верх­но­стью, на­при­мер, над хо­лод­ной водой.

Одной из ос­нов­ных при­чин воз­ник­но­ве­ния ми­ра­жей яв­ля­ет­ся ре­фрак­ция света в ат­мо­сфе­ре, то есть ис­крив­ле­ние све­то­вых лучей при про­хож­де­нии в ат­мо­сфе­ре, вы­зван­ное оп­ти­че­ской не­од­но­род­но­стью ат­мо­сфер­но­го воз­ду­ха. Уче­ные уста­но­ви­ли, что по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха  — это не­по­сто­ян­ная ве­ли­чи­на, она за­ви­сит от ряда фак­то­ров, одним из ос­нов­ных яв­ля­ет­ся плот­ность воз­ду­ха. Плот­ность же воз­ду­ха в ат­мо­сфе­ре из­ме­ня­ет­ся как с вы­со­той, так и в за­ви­си­мо­сти от сте­пе­ни ло­каль­но­го на­гре­ва или охла­жде­ния. При уве­ли­че­нии плот­но­сти воз­ду­ха по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Из­вест­но, что плот­ность воз­ду­ха по­ни­жа­ет­ся при пе­ре­хо­де от ниж­них слоев ат­мо­сфе­ры к верх­ним. Кроме того, она умень­ша­ет­ся также при ло­каль­ном на­гре­ва­нии и даже за­ви­сит от ветра. Рас­смот­рим, на­при­мер, как об­ра­зу­ет­ся про­стой верх­ний мираж. На ри­сун­ке 1 по­ка­за­но из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n c вы­со­той h для слу­чая, когда воз­дух у самой по­верх­но­сти земли ло­каль­но силь­но охла­жден. Как видно из гра­фи­ка, по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха n у самой по­верх­но­сти земли боль­ше, чем в более вы­со­ких воз­душ­ных слоях. На не­ко­то­рой вы­со­те на­блю­да­ет­ся плав­ный ска­чок, и далее с ро­стом вы­со­ты по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния n умень­ша­ет­ся уже более мед­лен­но.

Све­то­вые лучи, иду­щие от ка­ко­го-либо объ­ек­та, на­хо­дя­ще­го­ся на такой силь­но охла­жден­ной по­верх­но­сти, будут из­ги­бать­ся так, что их тра­ек­то­рия будет об­ра­ще­на вы­пук­ло­стью вверх (см. рис. 2). По­это­му на­блю­да­тель может даже ви­деть объ­ек­ты, на­хо­дя­щи­е­ся за го­ри­зон­том, при­чем он будет ви­деть их ввер­ху, как бы ви­ся­щи­ми над ли­ни­ей го­ри­зон­та. Не­да­ром такие ми­ра­жи на­зы­ва­ют верх­ни­ми.

Рис. 2