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

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

Парадокс чайного листа

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

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

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

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

Загрязнение вверх по течению

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

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

Колесо Аристотеля

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

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

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

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

Парадокс теплообмена 

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

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

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

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

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

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

Эффект Мпембы

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

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

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

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

Парадокс тритона

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

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

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

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

 Эффект Оберта

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

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

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

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

* * *

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

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