5 Фізичних експериментів, які здивували світ
Три кити і велика черепаха
Вважається, що в давнину всі люди думали, ніби Земля - плоский диск. Однак подібної думки дотримувалися лише невігласи, бо вченим про кулястості Землі було відомо давно. Так, один з перших досить точних експериментів в цій області провів грецький математик і астроном Ератосфен Киренский. Було це 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 різної довжини. А значить, сонячні промені падають в різні точки планети під різним кутом. Для вимірювань Ератосфен вибрав два міста: Олександрію і Сієну. Міста перебували на відстані 5000 стадій (близько 850 км) один від одного. Поняття меридіана тоді вже було відомо, а спостереження за зірками дозволяло припустити, що якщо Земля і правда куля, то зазначені два міста знаходяться на одному меридіані, що робить описані надалі вимірювання можливими.
Вчений вибрав день і час, коли тінь в Сієні відсутня - тобто сонце знаходиться в повному зеніті, довжина тіней дорівнює нулю. В цей же час сонячний годинник в Олександрії відкидали тінь ненульовий довжини. Після чого досить було заміряти кут між напрямком сонячних променів (для цього потрібно з`єднати лінією кінець тіні з верхньою точкою предмета, який цю тінь відкидає) і вертикаллю - він вийшов рівним 7,2 градуса. Такий кут є 1/50 частиною всього кола (в ньому, як відомо, 360 градусів), а значить дуга між Сієною і Олександрією є 1/50 земного кола, довжина якої, таким чином, виходить рівної приблизно 42 000 км.
Насправді довжина земного екватора становить 40 075 км, але в масштабах планети помилка в пару тисяч км незначна, особливо якщо враховувати, що експеримент проводився більше 2000 років тому без спеціального обладнання.
Все одно не вірю
Відео: 5 модних трендів, які ПОТРЯСЛИ СВІТ
Однак люди, які заперечують здоровий глузд і наукове пізнання, були в усі часи. Наприклад, до 2001 року існувало так зване Товариство плоскої Землі (Flat Earth Society), члени якого всерйоз стверджували, що планета все-таки плоска, а фотографії з космосу і наукові докази - фальсифікація і частина глобального всесвітньої змови. Звичайно, в XXI столітті таких людей вже ніхто всерйоз не сприймав, а ось в кінці XIX століття сумніви все ще були.
Так, в 1870 році Джон Хемден - автор книги про плоску Землю - пообіцяв 500 фунтів стерлінгів тому, хто придумає простий і зрозумілий будь-якому обивателю спосіб довести, що наша планета - куля. Виклик прийняв англійський натураліст і географ Альфред Рассел Уоллес.
Уоллес вибрав прямий канал з водою, довжина якого становила 6 миль (майже 10 км). Ніхто не сумнівався, що рівень води досить близько повторює форму земної поверхні, який би ця форма не була. Якщо вона плоска - то і канал повинен бути плоским по всій своїй довжині.
Відео: Discovery Злочини, які потрясли світ (5 фільм)
Вчений розмістив в середині каналу вішку певної висоти (яка відраховується від рівня води), а в самому кінці на такій же висоті поставив дошку з горизонтальною чорною лінією. На початку каналу, знову ж на висоті вішки і дошки, був встановлений потужний телескоп. Якщо Земля - диск, то, дивлячись в телескоп, спостерігач повинен був побачити збіг вішки і лінії в кінці. Зрозуміло, в реальності вішка візуально виявилася вище лінії, тому що Земля кругла.
На жаль, як це часто буває з людьми, які не мають рації, Джон Хемден відмовився брати участь в досвіді і не став дивитися в телескоп. Однак після довгого судового процесу його все-таки зобов`язали виплатити обіцяні 500 фунтів.
Сила з нізвідки
Процеси, що відбуваються в рідкому середовищі, представляють для вчених загадку і по сей день. Наприклад, рішення рівнянь Нав`є - Стокса, що описують рух рідини, є однією з так званих завдань тисячоліття: тому, хто зможе скласти математично вірну відповідь, покладається премія в розмірі 1 млн доларів.
Втім, навіть в тих областях гідродинаміки, які давно вже розкладені по формулам, можна знайти багато цікавого. Яскравий приклад - гідростатичний парадокс, який продемонстрував в 1648 році французький фізик Блез Паскаль.
Цей досвід може повторити будь-який, оскільки він не вимагає спецобладнання. Паскаль використав бочку, довгу трубку і звичайну чашку. Бочку він доверху наповнив водою і накрив кришкою з проробленим в ній отвором, в яке встромив тонку трубку висотою кілька метрів (товщина трубки може бути як завгодно малої, аби по ній могла пройти вода). Паскаль піднявся на другий поверх і вилив в трубку чашку води. На подив публіки, міцну дерев`яну бочку, обшиту залізом, розірвало на частини. Додавши лише 200 мл води, Паскаль підвищив тиск у бочці в кілька разів.
Секрет в тому, що тиск в 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 довжиною 10 метрів, то в неї поміститься всього 3 літри води. Однак, поставивши цю трубку з водою вертикально і встромивши її в 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. Стінки посудини відповідають воді силою реакції опори, яка складається з масою води при розрахунку сили, що діє на дно. У підсумку виходить куди 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 його відображення від об`єкта, а потім заміряючи час, за яке він дійшов. Але у випадку з зірками очікувати довелося б століттями, тому що найшвидший сигнал, який ми можемо послати, - електромагнітний - рухається лише зі швидкістю світла, що за космічними мірками досить повільно. Може бути, тому 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 мимо. Так ось, вимірявши, наскільки візуально перемістився такий об`єкт, і точно знаючи, наскільки перемістилися ми самі, досить легко геометрично обчислити відстань до нього. Один з перших вдалих дослідів, в основу яких було покладено цей метод, провів російський астроном Василь Якович Струве в 1837 році.
Але не все так просто. По-перше, як взагалі зрозуміти, що зірка зрушила? Повинен бути якийсь орієнтир - своєрідна «точка відліку». З очевидних причин на Землі її шукати безглуздо, оскільки Земля постійно змінює своє положення в просторі. У цьому випадку на допомогу приходять наддалеких зірки. Якщо об`єкт дуже-дуже далеко, то його зміщення прагне до нуля, так що ми можемо вважати його зовсім нерухомим. На щастя, на небесній сфері досить таких зірок, щодо яких можна виміряти всі інші.
По-друге, чим більше відстань до об`єкта, тим менше візуально він зміщується. Коли ви їдете на машині, то не помічаєте зміщення Сонця, хоча воно порівняно близько - всього в 8 світлових хвилинах від нас. Що робити з зірками, які в сотнях світлових років? Відповідь - зміщуватися самим ще сильніше. Адже чим більше відстань, на яке пересунеться ви самі, тим більшим буде і візуальне зміщення далекого об`єкта.
У разі з зірками відстані на нашійкрихітної планеті не підійдуть. Навіть десятки тисяч кілометрів - все ще занадто мало. Зате наша планета рухається сама - обертається навколо Сонця. Роблячи половину обороту, вона як би переміщається убік 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, по якій Земля обертається навколо Сонця, потім чекаємо, коли вона переміститься в протилежну точку, і дивимося на небо знову. І ще потрібно постаратися уникнути помилок, а то 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 такого 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 «гребені» хвилі: чим ближче, тим вище частота, тому що за одиницю часу наше вухо вловлює більшу кількість «гребенів».
Тепер уявімо собі об`єкт, який звучить - тобто посилає звукові хвилі в різні 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» рухомий об`єкт. Відстані між такими хвилями менше, їх частота більше, і чутний нами звук стає вище. Якщо ж хвилі йдуть назад, дистанція між ними, навпаки, збільшується, їх частота знижується, і звук теж стає для нашого вуха нижчим.
У 1845 році голландський хімік і метеоролог Христофор Бейс-Баллот вирішив перевірити цю теорію на практиці. Те, що він зробив, строго кажучи не є науковим експериментом, тому що не проводилося ніяких точних вимірів. Проте досвід заслуговує на увагу.
Бейс-Баллот найняв паровоз з причепом, на якому розмістив двох музикантів-трубачів. Потрібно було отримати безперервний звук заданої висоти, тому музикантам була дана команда по черзі грати певну ноту (один грав, поки інший відновлював дихання, і навпаки).
Паровоз рухався з різною швидкістю назад і вперед повз платформи, на якій стояли спостерігачі з ідеальним музичним слухом і намагалися визначити висоту звучала ноти. Це не був просто разовий експеримент - перевірка проводилася два дні, а на зміну одним музикантам регулярно викликалися інші.
В результаті ефект Доплера, звичайно ж, був підтверджений.
