Физические постоянные
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 августа 2022 года; проверки требуют 2 правки.
Слово постоянная в физике употребляется в двояком смысле:
Например, гелиоцентрическая постоянная, равная произведению гравитационной постоянной на массу Солнца, уменьшается из-за уменьшения массы Солнца, происходящего вследствие излучения им энергии и испускания солнечного ветра. Однако, поскольку относительное уменьшение массы Солнца составляет величину порядка 10−14, то для большинства задач небесной механики гелиоцентрическая постоянная с удовлетворительной точностью может рассматриваться как постоянная. Также в физике высоких энергий постоянная тонкой структуры, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, растёт с ростом переданного импульса (на малых расстояниях), однако её изменение несущественно для широкого круга обычных явлений, например, для спектроскопии.
Размерные и безразмерные постоянные
Физические постоянные делятся на две основные группы — размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории. Среди размерных физических постоянных следует выделять постоянные, которые не образуют между собой безразмерных комбинаций, их максимальное число равно числу основных единиц измерения — это и есть собственно фундаментальные физические постоянные (скорость света, постоянная Планка и др.). Все остальные размерные физические постоянные сводятся к комбинациям безразмерных постоянных и фундаментальных размерных постоянных. С точки зрения фундаментальных постоянных, эволюция физической картины мира — это переход от физики без фундаментальных постоянных (классическая физика) к физике с фундаментальными постоянными (современная физика). Классическая физика при этом сохраняет своё значение как предельный случай современной физики, когда характерные параметры исследуемых явлений далеки от фундаментальных постоянных.
Фундаментальные физические постоянные
Скорость света появилась ещё в классической физике в XVII веке, но тогда она не играла фундаментальной роли. Фундаментальный статус скорости света приобрела после создания электродинамики Дж. К. Максвеллом и специальной теории относительности А. Эйнштейном (1905). После создания квантовой механики (1926) фундаментальный статус приобрела постоянная Планка, введенная М. Планком в 1901 году как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную, постоянную Больцмана, элементарный заряд (или постоянную тонкой структуры) и космологическую постоянную. К фундаментальным постоянным в силу исторической традиции также относятся и некоторые другие физические постоянные, связанные с конкретными телами (например, массы элементарных частиц), однако эти постоянные должны, согласно современным представлениям, каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии), так называемого вакуумного среднего поля Хиггса.
Здесь и далее приведены значения, рекомендованные CODATA в 2018 году.
Значения фундаментальных постоянных
Скорость света
| Название | Значение |
|---|---|
| Скорость света в вакууме | 299 792 458 м/с |
Гравитационная постоянная
| Название | Значение |
|---|---|
| Гравитационная постоянная | 6,674 30(15) x 10^-11 м^3·кг^-1·с^-2 |
Постоянная Планка
| Название | Значение |
|---|---|
| Постоянная Планка | 6,626 070 15 x 10^-34 Дж·с |
Элементарный заряд
| Название | Значение |
|---|---|
| Элементарный заряд | 1,602 176 634 x 10^-19 Кл |
Постоянная Больцмана
| Название | Значение |
|---|---|
| Постоянная Больцмана | 1,380 649 x 10^-23 Дж·К^-1 |
Планковские величины
Размерные комбинации постоянных c, G, h, k
| Название | Значение |
|---|---|
| Постоянная тонкой структуры | 7,297 352 5693 x 10^-3 |
| 137,035 999 084 | |
| Электрическая постоянная | 8,854 187 8128 x 10^-12 Ф/м |
| Атомная единица массы | 1,660 539 066 60 x 10^-27 кг |
| Электронвольт | 1,602 176 634 x 10^-19 Дж |
Другие физические постоянные
Массы элементарных частиц:
Масса электрона: 9,109 383 7015 x 10^-31 кг
Масса протона: 1,672 621 923 69 x 10^-27 кг
Масса нейтрона: 1,674 927 498 04 x 10^-27 кг
Масса протона плюс электрон: ≈ 1,673 5328 x 10^-27 кг
Магнитный момент электрона: -928,476 470 43 x 10^-26 Дж·Тл
Магнитный момент протона: 1,410 606 797 36 x 10^-26 Дж·Тл
Ядерный магнетон: 5,050 783 7461 x 10^-27 Дж·Тл
Физические константы
| Название | Значение |
|---|---|
| g-фактор свободного электрона | 2,002 319 304 362 56(35) |
| Гиромагнитное отношение протона | 2,675 221 8744(11)⋅10^8 с−1·Тл−1 |
| Стандартное атмосферное давление (н.у.) | 101 325 Па точно |
| Боровский радиус | 0,529 177 210 903(80)⋅10^−10 м |
| Энергия Хартри | 4,359 744 722 2071(85)⋅10^−18 Дж |
| Постоянная Ридберга | 10 973 731,568 160(21) м−1 |
| Стандартное ускорение свободного падения | 9,806 65 м·с−2 |
| Температура тройной точки воды | 273,16 K |
Семейства элементарных частиц
Фермионы
- Кварки
- Лептоны
- Нейтрино
Бозоны
- Фотон
- Векторные бозоны W+, W−, Z0
Слабое взаимодействие
Слабое взаимодействие – фундаментальное взаимодействие в физике элементарных частиц. Оно ответственно за процессы бета-распада атомных ядер, слабые распады элементарных частиц, нарушения законов сохранения пространственной и комбинированной чётности. Хотя слабое взаимодействие названо слабым из-за его низкой интенсивности по сравнению с сильным и электромагнитным взаимодействиями, оно все же сильнее гравитационного.
Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны W+, W− и Z0. Существуют два типа взаимодействия: заряженные слабые токи и нейтральные слабые токи. Заряженные токи изменяют заряд частиц и превращают одни лептоны и кварки в другие. Нейтральные токи не меняют заряд частиц и превращают их в те же самые частицы.
В 1960-х годах была создана теория электрослабых взаимодействий, объединяющая слабое и электромагнитное взаимодействия. Калибровочные поля и векторные бозоны W+, W− и Z0 были введены в эту теорию. Они сыграли ключевую роль в предсказании слабых нейтральных токов, обнаруженных экспериментально в 1973 году.
Интенсивность взаимодействия
Длина свободного пробега частиц в веществе зависит от интенсивности взаимодействия. Например, чтобы остановить адрон за счет сильного взаимодействия, требуется плита из железа. Нейтрино, участвующее только в слабом взаимодействии, может пролететь через слой железа без взаимодействий.
Этот обзор дает краткое представление о физических константах, семействах элементарных частиц и слабом взаимодействии. Понимание этих основ является ключом к более глубокому изучению мира элементарных частиц.
Введение
В физике элементарных частиц, константа Ферми, символизируемая как ( G_F ), численно равна порядку величины ((1.1663787(6) \times 10^{-5} , \text{GeV}^{-2})) или массе протона в системе единиц, где (c = \hbar = 1), ( G_F = 1.1663787(6) \times 10^{-5} , \text{GeV}^{-2} ) . Оператор рождения протона (( a_p ), уничтожения антипротона (( a_{\overline{p}} )), оператор уничтожения нейтрона (( b_n ), рождения антинейтрона (( b_{\overline{n}} ))), оператор рождения электрона (( c_e ), уничтожения позитрона (( c_{\overline{e}} ))), оператор уничтожения нейтрино (( b_\nu ), рождения антинейтрино (( b_{\overline{\nu}} ))).
Универсальная V-A теория
Диаграмма Фейнмана для бета-минус распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточный W-бозон. Является примером заряженного тока.
Учитывая три поколения элементарных частиц, лептонный ток по теории Ферми представляется суммой следующего вида:
[ j^\mu_{\text{lepton}} = \sum_{l = e, \mu, \tau} \bar{\nu}{lL} \gamma^\mu \nu{lL} + \bar{l}_L \gamma^\mu l_L ]Аналогично, адронный ток является суммой кварковых токов всех поколений:
[ j^\mu_{\text{hadron}} = \sum_{q = u, d, c, s, t, b} \bar{q} \gamma^\mu q ]Основа -теории представлена лагранжианом вида:
[ \mathcal{L}_\text{CC} = – \frac{4G_F}{\sqrt{2}} ( \bar{\nu}e \gamma^\mu (1-\gamma^5) e) (\bar{u} \gamma\mu (1 – \gamma^5)d ) + \text{э.щ.} ]Теория Вайнберга — Салама
В этой форме теория слабого взаимодействия входит в современную Стандартную модель, которое является единственным взаимодействием, нарушающим симметрии ( \text{CP} ) и ( \text{P} ).
Согласно теории электрослабого взаимодействия, слабое взаимодействие не является контактным и имеет своих переносчиков – векторные бозоны ( W^+, W^-, Z^0 ) с ненулевой массой и спином, равным 1. Масса этих бозонов составляет около 90 ГэВ/ ( c^2 ), что определяет малую длину взаимодействия.
Для описания взаимодействия нейтральных токов лагранжиан должен быть дополнен членом вида:
[ \mathcal{L} = – \frac{g}{2 \cos\theta_w} Z^\mu \bar{\nu}{\ell L} \gamma\mu \nu_{\ell L} + \text{э.щ.} ]Роль в природе
Слабое взаимодействие играет важную роль во многих природных процессах. Например, именно за счет слабого взаимодействия происходит ядерный синтез в звездах, включая Солнце. Данный процесс является основным источником энергии для большинства звезд.
- Ссылка на источник: A. Lesov. The Weak Force: From Fermi to Feynman. — Thesis, University of South Carolina, 2009.
- Намбу, Йоитиро. Симметрия и законы сохранения / Кварки / Д-р физ.-мат. наук Р. М. Мир-Касимов. — М.: Мир, 1984.
Эффект памяти формы
Эффект памяти формы – это интересное явление, которое широко применяется в различных материалах. На примере проволоки из сплавов титана с никелем демонстрируется данный эффект. Он также применим к полимерным материалам.
Эффект памяти формы, чаще всего ассоциируемый с матрасами и подушками, фактически представляет собой удивительное свойство материалов, способных запоминать и восстанавливать свою изначальную форму.
Опыт простой. Берем проволоку из титана-никеля, которая скручена в пружинку, нагреваем зажигалкой эту пружинку и видим, что спираль начала распрямляться и опять стала ровной проволоченной.
После остывания проволока так и останется прямой. Холодный образец можно вновь скрутить и вновь распрямить зажигалкой. Причём, форму можно придать абсолютно любую. Скажем, можно сделать импровизированную скрепку, которая при нагревании опять станет прямой.
Главный вопрос, который следует из опыта, тут логичен – что такое происходит с этой проволокой и что это за особая уличная магия?
Для объяснения эффекта нужно иметь общее представление о кристаллической структуре металлов и о процессе закалки. Давайте вспомним самые основы. Попрошу тут не придираться к формулировкам, так как хочется адаптировать текст для самых разных читателей с самыми разными уровнями знаний по теме.
Металлы в обычном состоянии имеют кристаллическую структуру и кристаллическую решётку. Кристаллической решеткой называется мнимая конструкция, которую мы можем изобразить, если в пространстве соединим атомы элемента друг с другом линиями.
При этом атомы металла будут расположены в точках пересечения этих мнимых линий или, как это называется более правильно, в узлах решётки. Та часть, которая регулярно повторяется, будет называться элементарной ячейкой решётки. И так всё здорово будет до тех пор, пока речь идёт о чистом компоненте.
Если сплавить два металла вместе, то атомам второго компонента сплава тоже нужно где-то расположиться. У второго компонента, как правило, есть собственная кристаллическая структура, но пока оба компонента системы жидкие, атомы спокойно сосуществуют друг с другом, как хлопья разного типа в молоке.
Когда система начинает затвердевать или кристаллизоваться, то атомам второго компонента нужно найти для себя место. При этом основной компонент старается доминировать и его атомы образуют уверенные каркасы, обладая высокой энергией связи. Примесные атомы стараются занять оставшиеся свободные места.
Система уравновешивается в некоторой конфигурации и атомы второго компонента пытаются позанимать вакантные места в новой кристаллической решетке.
Теперь представим себе, что такой двухкомпонентный сплав мы нагрели и видим, что атомы и первого, и второго компонентов пытаются начать интенсивное тепловое движение. Если остудить это великолепие с нормальной скоростью, то система вернется к равновесному состоянию.
Зато вот если охлаждать сплав резко, то второй компонент не успеет распределиться стандартным образом и будут образовываться новые конструкции. Такая структура может называться, например, мартенсит, а процесс именуется закалкой.
Это пример для стали, но он хороший. Видите – перестраивается и сама решетка с ОЦК на ГПУ, и углерод перераспределяется в системе.
Структура после закалки обычно напряжена и напоминает что-то типа сжатой пружины в ящике. Атомы уже не могут свободно двигаться, а сам ящик становится твёрже. Поэтому, повышаются хрупкость и ломкость.
В некоторых случаях наблюдается интересное явление, которое, как раз-таки и свойственно сплавам титана и никеля.
Структуры, образованные в результате закалки, остаются относительно подвижными. Закаленная проволока из такого сплава хоть и имеет мартенситную структуру, но обладает ещё и памятью формы.
Если мы деформируем такой сплав после закалки (распрямление проволоки из примера), то иглы в структуре закаленного сплава не разрушатся, а просто поменяют конфигурацию. Где-то сместятся, а где-то начнут распрямляться.
Тот стресс, который структура испытала при закалке и та конфигурация, которая получилась при процессе, требовала большой энергии. Эта энергия была отнята у системы с помощью резкой охлаждения. Пока не проведется, например, длительный отжиг для нормализации получившейся структуры, именно конфигурация с иглами станет равновесной. Система будет стремиться к ней.
Эта картинка, на самом деле, не очень удачная. Все после этого думают, что каждый раз происходит полиморфное превращение от нагрева свечкой.
При простой механической деформации иглы не сломаются и не перестроятся, а пластично деформируются. Этим и отличаются сплавы с памятью формы. В распрямленном образце будет происходить борьба между механическим удержанием каркаса структуры и попыткой системы вернуться к зафиксированному виду после закалки. Когда это только лишь механическая деформация, то напряжений недостаточно и образец остается прямым. Зато если начать его нагревать, то в работу вступают диффузионные процессы.
Эти диффузионные процессы первым делом не заставят структуру вернуться к самой ранней модификации, а потянут её к варианту "после закалки". Иглы мартенсита, деформируемые механическим образом, начнут возвращаться к закаленной конфигурации. Это будет проявляться, как обратное скручивание в форму пружинки. Исходя из схемы чуть выше, стоило бы рассматривать только нижние два состояния.
Подобные сюрпризы, которые появляются при работе внутренних напряжений и температур, могут происходить в самых разных случаях и с разными материалами. Например, на ранних автомобилях сформованная торпеда из полимерного материала выворачивалась обратно при воздействии сильного нагрева из-за стремления вернуться к форме обычного листа. Причем, сворачивалась вместе со всем оборудование. Это было настоящим сюрпризом для разработчиков, которые не учли этот эффект. Ну и для владельцев легковушек.
Ну и на пикабушке подписывайтесь 😉
У этого термина существуют и другие значения, см. Явление.
вокруг лунного диска. Калифорния (США), декабрь 2013 года.
Солнечное гало. 41-я параллель ю. ш. (юго-западная часть Тихого океана), февраль 2006 года.
Оптические явления делятся на четыре группы:
Также в нижеследующем списке перечислены необъяснимые явления, которые могли бы иметь оптическое объяснение, и «оптические иллюзии», для которых оптические объяснения были исключены.
Существует множество оптических явлений, которые обусловлены свойством природы, известным как корпускулярно-волновой дуализм (свет может одновременно быть и частицей и волной). Некоторые из этих явлений практически (или совершенно) незаметны невооружённым глазом и регистрируются только с помощью специальных приборов. Среди известных оптических явлений такого рода можно отметить искривление света от звезды Солнцем, наблюдаемое во время солнечного затмения. Это доказывает, что пространство-время искривлено, как и утверждает теория относительности.
Атмосферные оптические явления
Основная статья — Список атмосферных оптических явлений
Неатмосферные оптические явления
Основная статья — Оптическая иллюзия
Необъяснённые оптические явления
Некоторые явления пока не получили окончательного объяснения и, возможно, они являются какой-то формой оптических явлений. Некоторые считают многие из этих «таинственных явлений» просто выдумкой, местными туристическими достопримечательностями, которые не заслуживают тщательного изучения. Ниже перечислены несколько наиболее известных таких явлений, которые вполне могли бы иметь оптическое объяснение.
См. также статьи Блуждающие огни и Неопознанный летающий объект
Ежедневно мы проводим на кухне 1-2 часа. Кто-то меньше, кто-то больше. При этом мы редко задумываемся о физических явлениях, когда готовим завтрак, обед или ужин. А ведь большей их концентрации в бытовых условиях, чем на кухне, в квартире и быть не может. Поэтому опыты по физике на кухне — хорошая возможность объяснить законы этой науки детям!
Диффузия
С этим физическим явлением на кухне мы сталкиваемся постоянно. Его название образовано от латинского diffusio — взаимодействие, рассеивание, распространение. Это процесс взаимного проникновения молекул или атомов двух граничащих веществ. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения тела (объему), и разности концентраций, температур смешиваемых веществ. Если есть разница температуры, то она задает направление распространения (градиент) — от горячего к холодному. В итоге происходит самопроизвольное выравнивание концентраций молекул или атомов.
На кухне это физическое явление можно наблюдать при распространении запахов. Благодаря диффузии газов, сидя в другой комнате, можно понять, что готовится. Как известно, природный газ не имеет запаха, и к нему примешивают добавку, чтобы легче было обнаружить утечку бытового газа. Резкий неприятный запах добавляет одорант, например, этилмеркаптан. Если с первого раза конфорка не загорелась, то мы можем чувствовать специфический запах, который с детства мы знаем, как запах бытового газа.
А если бросить в кипяток крупинки чая или заварной пакетик и не размешивать, то можно увидеть, как распространяется чайный настой в объеме чистой воды. Это диффузия жидкостей. Хорошей иллюстрацией физики на кухне – диффузии в твердом теле — может быть засолка помидоров, огурцов, грибов или капусты. Кристаллы соли в воде распадаются на ионы Na и Cl, которые, хаотически двигаясь, проникают между молекулами веществ в составе овощей или грибов.
Конечно, все мы знаем, что чай надо заваривать кипятком. Оказывается, при высокой температуре диффузия в жидкостях происходит быстрее
Смена агрегатного состояния
Мало кто из нас замечал, что в оставленном стакане с водой через несколько дней испаряется такая же часть воды при комнатной температуре, как и при кипячении в течение 1−2 минут. А замораживая продукты или воду для кубиков льда в холодильнике, мы не задумываемся, как это происходит. Между тем, эти самые обыденные и частые кухонные явления легко объясняются физикой. Жидкость обладает промежуточным состоянием между твердыми веществами и газами. При температурах, отличных от кипения или замерзания, силы притяжения между молекулами в жидкости не так сильны или слабы, как в твердых веществах и в газах. Поэтому, например, только получая энергию (от солнечных лучей, молекул воздуха комнатной температуры) молекулы жидкости с открытой поверхности постепенно переходят в газовую фазу, создавая над поверхностью жидкости давление пара. Скорость испарения растет при увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Если температуру повышать, то давление пара этой жидкости достигает внешнего давления. Температуру, при которой это происходит, называют температурой кипения. Температура кипения снижается при уменьшении внешнего давления. Поэтому в горной местности вода закипает быстрее.
И наоборот, молекулы воды при понижении температуры теряют кинетическую энергию до уровня сил притяжения между собой. Они уже не двигаются хаотично, что позволяет образоваться кристаллической решетке как у твердых тел. Температура 0 °C, при которой это происходит, называется температурой замерзания воды. При заморозке вода расширяется. Многие могли познакомиться с таким физическим явлением на кухне, когда помещали пластиковую бутылку с напитком в морозилку для быстрого охлаждения и забывали об этом, а после бутылку распирало. При охлаждении до температуры 4 °C сначала наблюдается увеличение плотности воды, при которой достигается ее максимальная плотность и минимальный объем. Затем при температуре от 4 до 0 °C происходит перестройка связей в молекуле воды, и ее структура становится менее плотной. При температуре 0 °C жидкая фаза воды меняется на твердую. После полного замерзания воды и превращения в лед ее объем вырастает на 8,4%, что и приводит к распиранию пластиковой бутылки. Содержание жидкости во многих продуктах мало, поэтому они при заморозке не так заметно увеличиваются в объеме.
С этим физическим явлением — сменой агрегатного состояния — на кухне хозяйки сталкиваются при кипячении жидкостей, заморозке продуктов, например сливочного масла. Когда мы помещаем воду в морозилку, она остывает, молекулы уже не двигаются хаотично, а образуют кристаллическую решетку, как у твердых тел
Абсорбция и адсорбция
Эти два почти неразделимых физических явления, которые получили свое название от латинского sorbeo (поглощать), на кухне наблюдаются, например, при нагревании воды в чайнике или кастрюле. Газ, не действующий химически на жидкость, может, тем не менее, поглощаться ею при соприкосновении с ней. Такое явление называется абсорбцией. При поглощении газов твердыми мелкозернистыми или пористыми телами большая их часть плотно скапливается и удерживается на поверхности пор или зерен и не распределяется по всему объему. В этом случае процесс называют адсорбцией. Эти явления можно наблюдать при кипячении воды — со стенок кастрюли или чайника при нагревании отделяются пузырьки. Воздух, выделяемый из воды, содержит 63% азота и 36% кислорода. А в целом атмосферный воздух содержит 78% азота и 21% кислорода.
Поваренная соль в незакрытой емкости может стать влажной из-за своих гигроскопических свойств — поглощения из воздуха водяного пара. А сода выступает в качестве адсорбента, когда ее ставят в холодильник для удаления запаха.
Научное определение адсорбции — это поглощение пара, газа жидкостью или твердым телом. Например, типичным адсорбентом является активированный уголь. А вот на кухне наблюдать физическое явление адсорбции можно с помощью поваренной соли в емкости без крышки, которая впитывает влагу из водяного пара
Проявление закона Архимеда
Приготовившись сварить курицу, мы наполняем кастрюлю водой примерно наполовину или на ¾ в зависимости от размера курицы. Погружая тушку в кастрюлю с водой, мы замечаем, что вес курицы в воде заметно уменьшается, а вода поднимается к краям кастрюли.
Это физическое явление объясняется выталкивающей силой или законом Архимеда. В этом случае на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме погруженной части тела. Эта сила называется силой Архимеда, как и сам физический закон, объясняющий это явление.
Свой физический закон Архимед придумал, занимаясь будничным делом — принимая ванну. Легенда гласит, что нагой Архимед бежал по улице и кричал «Эврика!» («Нашёл!»)
Поверхностное натяжение
Многие помнят опыты с пленками жидкостей, которые показывали на уроках физики в школе. Небольшую проволочную рамку с одной подвижной стороной опускали в мыльную воду, а затем вытаскивали. Силы поверхностного натяжения в образовавшейся по периметру пленке поднимали нижнюю подвижную часть рамки. Чтобы сохранить ее неподвижной, к ней подвешивали грузик при повторном проведении опыта. Это же физическое явление можно наблюдать и на вашей кухне в дуршлаге — после использования в дырочках дна этой кухонной посуды остается вода. Такое же явление можно наблюдать после мойки вилок — на внутренней поверхности между некоторыми зубьями также есть полоски воды.
Физика жидкостей объясняет это явление так: молекулы жидкости настолько близки друг к другу, что силы притяжения между ними создают поверхностное натяжение в плоскости свободной поверхности. Если сила притяжения молекул воды пленки жидкости слабее силы притяжения к поверхности дуршлага, то водная пленка разрывается. Также силы поверхностного натяжения заметны, когда мы будем сыпать в кастрюлю с водой крупу или горох, бобы, или добавлять круглые крупинки перца. Некоторые зерна останутся на поверхности воды, тогда как большинство под весом остальных опустятся на дно. Если кончиком пальца или ложкой слегка надавить на плавающие крупинки, то они преодолеют силу поверхностного натяжения воды и опустятся на дно.
Наблюдать за физическим явлением поверхностного натяжения на кухне можно не только на вилках или дуршлаге. Есть и другие способы — например, в турке. Если вы привыкли варить кофе в турке, то можете заметить поверхностное натяжение во время закипания воды. Для этого нужно налить жидкость почти по горлышко турки. И во время закипания она поднимется прямо к краю и образует такой «грибочек» — вода поднимется над краем, но переливаться не будет
Смачивание и растекание
Вот еще одно знакомое всем физическое явление, которое можно наблюдать на кухне: на плите с жировой пленкой пролитая жидкость может образовать маленькие пятна, а на столе — одну лужицу. Все дело в том, что молекулы жидкости в первом случае сильнее притягиваются друг к другу, чем к поверхности плиты, где есть несмачиваемая водой жировая пленка, а на чистом столе притяжение молекул воды к молекулам поверхности стола выше, чем притяжение молекул воды между собой. В результате лужица растекается.
Это явление также относится к физике жидкостей и связано с поверхностным натяжением. Как известно, мыльный пузырь или капли жидкости имеют шарообразную форму из-за сил поверхностного натяжения. В капле молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильней, чем к молекулам газа, и стремятся внутрь капли жидкости, уменьшая площадь ее поверхности. Но, если есть твердая смачиваемая поверхность, то часть капли при соприкосновении растягивается по ней, потому что молекулы твердого тела притягивают молекулы жидкости, и эта сила превосходит силу притяжения между молекулами жидкости. Степень смачивания и растекание по твердой поверхности будет зависеть от того, какая сила больше — сила притяжения молекул жидкости и молекул твердого тела между собой или сила притяжения молекул внутри жидкости.
Это физическое явление с 1938 года широко стали использовать в промышленности, в производстве бытовых товаров, когда в лаборатории компании DuPont был синтезирован материал Teflon (политетрафлуороэтилен). Его свойства используются не только в изготовлении посуды с антипригарным покрытием, но и в производстве непромокаемых, водоотталкивающих тканей и покрытий для одежды и обуви. Teflon отмечен в «Книге рекордов Гинесса» как самая скользкая субстанция в мире. Он имеет очень низкие поверхностное натяжение и адгезию (прилипание), не смачивается ни водой, ни жирами, ни многими органическими растворителями.
На жировой пленке воде не за что цепляться, так как маслянистая субстанция отталкивает ее, и молекулы сцепляются между собой. А на столе притяжение к поверхности выше. Поэтому при соприкосновении с деревом, пластиком капли притягиваются к материалу и просто растекаются по нему
Теплопроводность
Одно из самых частых физических явлений на кухне, которое мы можем наблюдать — это нагрев чайника или воды в кастрюле. Теплопроводность — это передача теплоты через движение частиц, когда есть разница (градиент) температуры. Среди видов теплопроводности есть и конвекция. В случае одинаковых веществ, у жидкостей теплопроводность меньше, чем у твердых тел, и больше по сравнению с газами. Теплопроводность газов и металлов возрастает с повышением температуры, а жидкостей — уменьшается. С конвекцией мы сталкиваемся постоянно, помешиваем ли мы ложкой суп или чай, или открываем окно, или включаем вентиляцию для проветривания кухни. Конвекция — от латинского convectiō (перенесение) — вид теплообмена, когда внутренняя энергия газа или жидкости передается струями и потоками. Различают естественную конвекцию и принудительную. В первом случае слои жидкости или воздуха сами перемешиваются при нагревании или остывании. А во втором случае — происходит механическое перемешивание жидкости или газа — ложкой, вентилятором или иным способом.
Присутствует в кухонной чайной церемонии и такое физическое явление, как теплопередача. Не зря ручки у самоваров всегда были деревянными — дерево не самый лучший проводник тепла. Как, впрочем, и пластмасса, из которой сегодня делают электрические чайники
Электромагнитное излучение
У многих людей на кухне есть микроволновка. И она тоже работает на основе физических явлений. Микроволновку иногда называют сверхвысокочастотной печью, или СВЧ-печью. Основной элемент каждой микроволновки — магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение частотой до 2,45 гигагерц (ГГц). Излучение разогревает еду, взаимодействуя с ее молекулами. В продуктах есть дипольные молекулы, содержащие на противоположных своих частях положительные электрические и отрицательные заряды. Это молекулы жиров, сахара, но больше всего дипольных молекул в воде, которая содержится почти в любом продукте. СВЧ-поле, постоянно меняя свое направление, заставляет с высокой частотой колебаться молекулы, которые выстраиваются вдоль силовых линий так, что все положительные заряженные части молекул «смотрят», то в одну, то в другую сторону. Возникает молекулярное трение, выделяется энергия, что и нагревает пищу.
Магнитрон в микроволновых печах — это, по сути, вакуумная лампа, которая создаёт СВЧ-излучение частотой 2,45 ГГц. Такое излучение необычно воздействует на обычную воду, которая содержится в любой пище, а также на молекулы жиров и сахара. В результате прямо у вас на кухне происходит физическое явление — нагревание еды
Индукция
На кухне все чаще можно встретить индукционные плиты, в основе работы которых заложено это физическое явление. Английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию в 1831 году и с тех пор без нее невозможно представить нашу жизнь. Фарадей обнаружил возникновение электрического тока в замкнутом контуре из-за изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. Известен школьный опыт, когда плоский магнит перемещается внутри спиралеобразного контура из проволоки (соленоида), и в ней появляется электрический ток. Есть и обратный процесс — переменный электроток в соленоиде (катушке) создает переменное магнитное поле.
По такому же принципу работает и современная индукционная плита. Под стеклокерамической нагревательной панелью (нейтральна к электромагнитным колебаниям) такой плиты находится индукционная катушка, по которой течет электроток с частотой 20−60 кГц, создавая переменное магнитное поле, наводящее вихревые токи в тонком слое (скин-слое) дна металлической посуды. Из-за электрического сопротивления посуда нагревается. Эти токи не более опасны, чем раскаленная посуда на обычных плитах. Но чтобы это физическое явление запустилось, посуда должна быть стальной или чугунной, обладающей ферромагнитными свойствами (притягивать магнит).
Делая выбор в пользу индукционной плиты, нужно знать об особенности этого физического явления. С индукционной плитой на вашей кухне все сковородки и кастрюли будут нагреваться практически мгновенно
Преломление света
Угол падения света равен углу отражения, а распространение естественного света или света от ламп объясняется двойственной, корпускулярно-волновой природой: с одной стороны — это электромагнитные волны, а с другой — частицы-фотоны, которые двигаются с максимально возможной во Вселенной скоростью. На кухне можно наблюдать такое оптическое явление, как преломление света. Например, когда на кухонном столе стоит прозрачная ваза с цветами, то стебли в воде как бы смещаются на границе поверхности воды относительно своего продолжения вне жидкости. Дело в том, что вода, как линза, преломляет лучи света, отраженные от стеблей в вазе.
Подобное физическое явление наблюдается и прозрачном стакане с чаем, в который опущена ложка. Также можно видеть искаженное и увеличенное изображение фасоли или крупы на дне глубокой кастрюли с прозрачной водой