5 фізичних експериментів, які здивували світ
Три кити та велика черепаха
Вважається, що в давнину всі люди думали, що Земля — плоский диск. Однак такої думки дотримувалися лише невігласи, тому що вченим про кулястість Землі було відомо давно. Так, один із перших досить точних експериментів у цій галузі провів грецький математик та астроном Ератосфен Кіренський. Справа відбувалася за 200 років до Різдва Христового.
Ератосфен зауважив, що у віддалених один від одного містах тінь від сонця в один і той же час буває різною довжиною. Отже, сонячні промені падають у різні точки планети під різним кутом. Для вимірів Ератосфен обрав два міста: Олександрію та Сієну. Міста перебували з відривом 5000 стадій (близько 850 км) друг від друга. Поняття меридіана тоді вже було відоме, а спостереження за зірками дозволяло припустити, що якщо Земля і справді куля, то зазначені два міста знаходяться на одному меридіані, що робить нижченаведені виміри можливими.
Вчений вибрав день і час, коли тінь у Сієні відсутня - тобто сонце знаходиться в повному зеніті, довжина тіней дорівнює нулю. У цей же час сонячний годинник в Олександрії відкидав тінь ненульової довжини. Після цього достатньо було заміряти кут між напрямом сонячних променів (для цього потрібно з'єднати лінією кінець тіні з верхньою точкою предмета, який цю тінь відкидає) і вертикаллю — він рівний 7,2 градуса. Такий кут є 1/50 частиною всього кола (у ньому, як відомо, 360 градусів), а отже дуга між Сієною та Олександрією є 1/50 земного кола, довжина якого, таким чином, виходить рівною приблизно 42 000 км.
Насправді довжина земного екватора дорівнює 40075 км, але в масштабах планети помилка в пару тисяч км незначна, особливо якщовраховувати, що досвід проводився понад 2000 років тому без спеціального обладнання.
Все одно не вірю
Однак люди, які заперечували здоровий глузд і наукове пізнання, були за всіх часів. Наприклад, до 2001 року існувало так зване Товариство плоскої Землі (Flat Earth Society), члени якого серйозно стверджували, що планета таки плоска, а фотографії з космосу та наукові докази — фальсифікація та частина глобальної всесвітньої змови. Звісно, у ХХІ столітті таких людей уже ніхто всерйоз не сприймав, а ось наприкінці ХІХ століття сумніви все ще були.
Уоллес вибрав прямий канал із водою, довжина якого становила 6 миль (майже 10 км). Ніхто не сумнівався, що рівень води досить близько повторює форму земної поверхні, якою б ця форма не була. Якщо вона плоска, то й канал має бути плоским по всій своїй довжині.
Вчений розмістив у середині каналу вішку певної висоти (яка відлічувалася від рівня води), а наприкінці на такій же висоті поставив дошку з горизонтальною чорною лінією. На початку каналу, знову ж таки на висоті вішки та дошки, було встановлено потужний телескоп. Якщо Земля — диск, то, дивлячись у телескоп, спостерігач мав побачити збіг вішки та лінії наприкінці. Зрозуміло, насправді віша візуально виявилася вище лінії, тому що Земля опукла.
На жаль, як це часто буває з людьми, які не мають рації, Джон Хемден відмовився брати участь у досвіді і не став дивитися в телескоп. Однак після тривалого судового процесу його таки зобов'язали виплатити обіцяні 500 фунтів.
Сила з нізвідки
Процеси, що відбуваються в рідкому середовищі, представляють для вчених загадку і сьогодні. Наприклад, рішення рівнянь Навье – Стокса, що описують рухрідини, є одним із так званих завдань тисячоліття: тому, хто зможе скласти математично вірну відповідь, належить премія в розмірі 1 млн доларів.
Втім, навіть у тих сферах гідродинаміки, які давно вже розкладені за формулами, можна знайти багато цікавого. Яскравим прикладом є гідростатичний парадокс, який продемонстрував у 1648 році французький фізик Блез Паскаль.
Цей досвід може повторити будь-який, оскільки він не потребує спецобладнання. Паскаль використовував бочку, довгу трубку та звичайну чашку. Діжку він доверху наповнив водою і накрив кришкою з проробленим в ній отвором, в який встромив тонку трубку заввишки кілька метрів (товщина трубки може бути як завгодно малою, аби по ній могла пройти вода). Паскаль піднявся на другий поверх і вилив у люльку чашку води. На подив публіки, міцну дерев'яну бочку, обшите залізом, розірвало на частини. Додавши лише 200 мл води, Паскаль підвищив тиск у бочці в кілька разів.
Секрет у тому, що тиск у точці рідкого середовища залежить від висоти рідини над цією точкою. Чи не від маси, не від кількості, а саме від висоти рівня рідини. Так, якщо ми візьмемо трубку діаметром 1 см і завдовжки 10 метрів, то в ній поміститься всього 3 літри води. Однак, поставивши цю трубку з водою вертикально і встромивши її у звичайну літрову пляшку (попередньо теж заповнену водою), ми виявимо, що вода тисне на дно такої пляшки з силою близько 80 кг.
Це відбувається тому, що тиск від самого стовпа розподіляється всередині пляшки на всі боки, в тому числі і вгору. Стіни судини відповідають воді силою реакції опори, що складається з масою води при розрахунку сили, що діє на дно. У результаті виходить значно більше, ніж загальна вага води.
Космічна лінійка
Ще одним цікавим фізичним досвідом є вимірювання відстаней до зірок. Люди звикли міряти великі відстані за допомогою ехолокації — посилаючи сигнал і чекаючи на його відображення від об'єкта, а потім заміряючи час, за який він дійшов. Але у випадку із зірками очікувати довелося б століттями, тому що найшвидший сигнал, який ми можемо надіслати, — електромагнітний — рухається лише зі швидкістю світла, що за космічними мірками досить повільно. Можливо, тієї зірки вже давно немає.
Використовують інший ефект – паралакс. Всі ми знаємо, що об'єкти, що знаходяться на різній відстані від нас, коли ми їдемо повз, візуально рухаються з різною швидкістю: ті, що далі, переміщаються зовсім мало, а близькі — буквально проносяться повз. Так от, вимірявши, наскільки візуально перемістився такий об'єкт, і точно знаючи, наскільки ми перемістилися, досить легко геометрично обчислити відстань до нього. Один із перших вдалих дослідів, в основу яких було покладено цей метод, провів український астроном Василь Якович Струве у 1837 році.
Але не все так просто. По-перше, як взагалі зрозуміти, що зірка зрушила? Має бути якийсь орієнтир — своєрідна «точка відліку». З очевидних причин Землі її шукати безглуздо, оскільки Земля постійно змінює своє становище у просторі. У цьому випадку на допомогу приходять наддалекі зірки. Якщо об'єкт дуже-дуже далеко, його зсув прагне до нуля, отже ми можемо вважати його зовсім нерухомим. На щастя, на небесній сфері достатньо таких зірок, щодо яких можна виміряти решту.
По-друге, що більше відстань до об'єкта, то менше візуально він зміщується. Коли ви їдете на машині, то не помічаєте зміщення Сонця, хоча воно порівняно близько - всього о 8-й.світлові хвилини від нас. Що робити із зірками, які у сотнях світлових років? Відповідь – зміщуватися самим ще сильніше. Адже чим більша відстань, на яку ви самі пересунетеся, тим більшим буде і візуальне зміщення далекого об'єкта.
У випадку із зірками відстані на нашій крихітній планеті не підійдуть. Навіть десятки тисяч кілометрів все ще замало. Проте наша планета рухається сама — обертається навколо Сонця. Роблячи половину обороту, вона ніби переміщається на 300 млн км — цілком достатньо. Таким чином, один вимір буде займати щонайменше півроку: спочатку ми «запам'ятовуємо» зірки в одній крайній точці на орбіті, якою Земля обертається навколо Сонця, потім чекаємо, коли вона переміститься в протилежну точку, і знову дивимося на небо. І ще потрібно постаратися уникнути помилок, бо швидко повторити досвід буде досить проблематично.
Грають як вміють
Широко відомий ефект Доплера, коли звуки від об'єкта, що наближається до нас, здаються вищими, ніж звуки від того ж об'єкта, що віддаляється від нас. Це пов'язано з тим, що висота звуку залежить від частоти звукових хвиль, а сама частота (при певній швидкості звуку) - від того, як близько один до одного знаходяться окремі «гребні» хвилі: чим ближче, тим вища частота, тому що за одиницю часу наше вухо вловлює більшу кількість «гребенів».
Тепер уявімо об'єкт, який звучить — тобто посилає звукові хвилі на всі боки від себе з однаковою швидкістю. Якщо об'єкт починає рухатися, то хвилі, які йдуть вперед, знаходяться ближче один до одного, оскільки попередня хвиля не встигає відійти занадто далеко від наступної, адже її «наздоганяє» об'єкт, що рухається. Відстань між такими хвилями менша, їх частота більша, ічутний нами звук стає вищим. Якщо ж хвилі йдуть назад, дистанція між ними, навпаки, збільшується, їхня частота знижується, і звук теж стає для нашого вуха нижчим.
1845 року голландський хімік і метеоролог Христофор Бейс-Баллот вирішив перевірити цю теорію на практиці. Те, що він зробив, не є науковим експериментом, тому що не проводилося жодних точних вимірів. Проте досвід заслуговує на увагу.
Бейс-Баллот найняв паровоз із причепом, на якому розмістив двох музикантів-трубачів. Потрібно було отримати безперервний звук заданої висоти, тому музикантам була дана команда грати певну ноту поперемінно (один грав, поки інший відновлював дихання, і навпаки).
Паровоз рухався з різною швидкістю назад і вперед повз платформу, на якій стояли спостерігачі з ідеальним музичним слухом і намагалися визначити висоту ноти, що звучить. Це не був разовий експеримент — перевірка проводилася два дні, а на зміну одним музикантам регулярно викликалися інші.
В результаті ефект Доплера, звичайно, був підтверджений.