「物理学と生命。自然の法則:キッチンから宇宙へ」

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ビデオ: 【理学部】宇宙創成の謎に挑む-素粒子物理学- 2023, 2月
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Anonim

物理法則はどこでも機能します。お茶やコーヒーにミルクを加え、スプーンですばやくかき混ぜると、一瞬、液体がらせん状に互いに連行するのを見ることができます。暖かい空気と冷たい空気の流れが互いに出会ってサイクロンを形成すると、同様の「乱気流」が宇宙から見えます。明らかな違いにもかかわらず、両方の現象は同じように説明することができます。本の中で物理学と生命。自然の法則:キッチンから宇宙まで "(出版社" Mann、Ivanov and Ferber ")、Ivan Veriginによってロシア語に翻訳された、物理学者のHelen Cherskiは、物理原理の知識によって日常の些細なことをどのように異なって見ることができるかを例を挙げて示します。巨大科学をよりよく理解し、興味深いつながりやパターンにも注目してください。たとえば、サイクリストとサソリを結び付けるもの、ハッブル宇宙望遠鏡の鶏の卵とジャイロスコープ、ポップコーンの飛び出し、宇宙へのロケットの発射などです。 N + 1は、科学者が表面張力を研究するのを助けたドイツの主婦の実験に関する抜粋を読むように読者を招待しています。

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小さな物体が特定の液体の中を移動するとき、粘度が重要になります。ミルクの中で脂肪の小球が上昇したり、小さな病原菌が空気中に沈んだりします。ミクロワールドの粘度のパートナーである表面張力は、2つの異なる流体が接触する場所に影響を与えます。日常生活では、空気が水面に触れるとこの現象が見られます。空気と水を混ぜる典型的な例は気泡*です。それでは、泡風呂から始めましょう。

*これは特に私に当てはまります。結局のところ、私の専門は気泡の物理学です。

湯船が水で満たされる音が気持ちいいです。彼は、ハードな一日の仕事、ストレスの多いテニスの試合から回復する機会、またはほんの少しの甘やかしの後に、当然の報酬を発表します。しかし、泡風呂を注ぐとすぐに音が変わります。泡が形成されると、深いランブルが消えて柔らかくなり、浴の表面が空気と接触する境界を特定することが困難になります。エアポケットは水セルの中に閉じ込められており、必要なのはバブルバスボトルからの液体だけでした。

表面張力の謎を解き明かす名誉は、19世紀の終わりにそれを行ったヨーロッパの科学者のグループに属しています。ビクトリア朝の人々は泡が大好きでした。 1800年から1900年にかけて、産業革命の創造者が石鹸なしでは成し得なかったため、石鹸の生産は劇的に増加しました。泡はビクトリア朝時代の人々に道徳的な純粋さと罪のないことの理想的な象徴である道徳的な食べ物を豊富に提供しました。さらに、それは実際の古典物理学の素晴らしい例でした-特殊相対性理論と量子力学が出現するほんの数年前に、そのようなきちんとした、居心地の良い、立派な宇宙の不当に膨らんだ概念に鋭い針を置きました。しかし、なめらかなシルクハットとあごひげを生やした真面目な紳士でさえ、泡の科学の秘密を突き抜けることはできませんでした。泡は非常に用途が広いので、「単純なドイツの主婦」とよく言われるアグネス・ポッケルを除いて、誰もあえて近づくことはありませんでしたが、実際には彼女は非常に限られたものを使用した非常に賢明で批判的思考の人でしたさまざまな材料とかなりの機知に富んでいます。表面張力を独自に調査します。

1862年にヴェネツィアで生まれたアグネスは、女性の居場所が炉床にあると固く確信した世代に属していました。彼女の兄が大学に留学するために送られたとき、彼女が滞在していたのはそこにありました。しかし、アグネスは彼女の兄弟が彼女に送った教材の助けを借りて物理学の知恵を習得し、自宅で彼女自身の物理実験を行い、科学の世界で起こっていることを綿密に追跡しました。有名な英国の物理学者であるレイリー卿が表面張力に興味を持ち始めたことを知ったとき、彼女は多くの実験を行った現象であり、アグネスは彼に彼女の結果を説明する手紙を書きました。それは科学者に非常に感銘を与えたので、彼はそれをジャーナルNatureに掲載するために送り、当時の最も偉大な科学思想家がそれに慣れることができました。

アグネスがしたことは、非常にシンプルで機知に富んだものでした。彼女は小さな金属製の円盤(ボタンほどの大きさ)をひもに掛けて水面に置き、水面から持ち上げるのに必要な力の量を測定しました。なぞなぞは、水がディスクを保持しようとしていたことであり、テーブルトップから持ち上げるよりも、ディスクを引き剥がすのにより多くの力が必要でした。この余分な力は表面張力と呼ばれるため、アグネスは表面張力を測定しました。その後、彼女は水面を研究することができましたが、この力の作用を決定する分子の薄層は非常に小さかったため、アグネスはそれを直接研究する機会がありませんでした。彼女がどれほど正確にそれをしたか、以下で調べますが、最初に風呂に戻りましょう。

きれいな水で満たされたお風呂は、無秩序に動いて互いに衝突する分子の巨大な蓄積です。しかし、水の特徴の1つは、これらすべての分子が互いに強く引き付けられることです。このような各分子は、大きな酸素原子と2つの小さな水素原子で構成されています(これは、水のよく知られた化学式であるH2Oに対応します)。酸素原子は真ん中にあります。両側に1つの水素原子が付いています。わずかに平らな文字Vのように見えます。酸素原子は2つの水素原子と非常に強く結合しているにもかかわらず、近くにある他の水素原子と一緒にいじってもかまいません。 。したがって、他の水分子に属する水素原子を常に引き付けます。これが、そのプロパティの多くを決定するものです。この現象は水素結合と呼ばれ、耐久性に優れています。お風呂では、水分子は常に他の水分子に引き付けられ、その結果、水は均質で凝集性の物質のように見えます。

水面の分子は、ある意味で「半漂遊」です。それらはそれらの下の分子に引き付けられますが、それらを引き上げるようなものはそれらの上にはありません。したがって、それらは、上ではなく下および横に引っ張る力を経験し、その結果、水面は、最上層の下にあるすべての水分子上にしっかりと引き伸ばされ、内側に収縮する弾性フィルムのように動作します。できるだけサイズを小さくしてみてください。これが表面張力です。

蛇口を回すと、空気が浴槽に引き込まれ、気泡が発生します。しかし、表面化した後、それらは存在し続けることはできません。泡の円形のドームがこの表面を伸ばし、表面張力が泡を引き下げるのに十分なほど強くありません。したがって、泡が破裂します。

アグネスは次の実験を行いました。彼女はボタンを取り、それに作用する力がボタンが水面から外れるには不十分であることを確認しました(ボタンは水面に浮かんでいました)。それから彼女はボタンがあった場所の近くの水面に洗剤のような物質を滴下しました。約1秒後、ボタンが表面から外れました。洗剤は水全体に広がり、表面張力を低下させます。したがって、表面張力を下げるためには、水分子だけがその表面を構成しないように、薄い最上層を作成する必要があります。

バブルバスを追加することで、清潔で滑らかな最小限の表面に別れを告げることができます。少量のフレーバー液体が水に浸透し、すぐに営業を開始します。この液体の各分子は一方の端を愛し、もう一方の端は水を嫌います。水を嫌う端が少しでも空気を見つけることができれば、それはそれに固執しますが、水を愛する端もあきらめません。その結果、水が空気と接触すると、この表面にバスフォームの薄層が形成されます。層の厚さは1つの分子のサイズに等しく、すべての分子のサイズは同じです。その結果、水を好むすべての端が水に浸され、それを嫌う端は空気中にあります。 。コーティングが薄いので、表面積が大きいことは問題ありません。バスフォームは水ほどの張力を発生させないため、弾性フィルムの効果が大幅に弱まります。すべての最も興味深いことが表面で起こる瞬間が来ます-実際、泡が必要です。表面張力を下げることにより、気泡浴は気泡の寿命を延ばします。気泡の大きな表面ははるかに弾力性があるからです。

白い泡をあらゆる種類の汚れを取り除くことと関連付ける傾向があることはおそらく注目に値しますが、現代の洗剤では、水面への付着に最適な物質であり、泡の形成は汚れを取り除くための最良の物質と同等ではありません。衣服や皿からのグリースの汚れ….泡がほとんどまたはまったく発生しない非常に優れた洗剤を作ることができます。さらに、泡はしばしば私たちの邪魔になるだけです。しかし、洗剤メーカーは人々を納得させたので、完璧な白い泡は完璧な洗浄の本当の保証であり、彼らは自分たちを追い詰めました。気泡の出現を確実にし、消費者の不満を避けるために、発泡剤が洗剤にしばしば添加されます。

粘度と同様に、表面張力は日常生活(つまり大宇宙)で観察される現象の1つですが、ほとんどの場合、重力や慣性ほど重要ではありません。しかし、マイクロワールドのレベルへの移行に伴い、力の階層におけるその役割と位置は大幅に増加します。メガネが曇る理由と、タオルで手を乾かすことができる理由を説明しています。しかし、小宇宙の本当の魅力は、1つの巨大な物体の内部で多くの小さなプロセスが発生する可能性があるという事実にあり、それらの結果が要約されています。たとえば、特定の状況ではミクロレベルでのみ支配的な表面張力が、地球上で最も巨大な生物の存在を決定することが判明しました。しかし、このトピックについて議論するには、別の側面を検討する必要があります。気体と液体を分離する表面が固体に当たるとどうなりますか?

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