Что такое свежий воздух

53

ЛАБ ОР АТ ОР ИЯ

Что такое свежий воздух

А.КНЯЗЕВ, А.КНЯЗЕВ ( МЛ. )

ГОВОРЯ О ВОЗДУХЕ, КОТОРЫМ МЫ дышим, обычно интересуются его химическим составом и содержанием, например, пыли в нем. Не стоит забывать и про бактерии и вирусы. Для улучшения состава воздуха в помещениях, на некоторых производствах, на космических станциях и т.п. используются химические и физические фильтры и маски – противогазы, респираторы, вентиляция. Все эти меры в разной степени эффективны как отдельные слагаемые в борьбе за чистоту воздуха. Однако остаются дополнительные факторы, влияющие на физический состав воздуха. Так, важно и то, что мы живем в электромагнитных полях естественного и технологического происхождения. В этой статье мы рассмотрим именно физический состав воздуха, которым мы дышим, и влияние на него электрических полей. В настоящее время этот аспект приобретает особенную важность, хотя исследования начались еще в 30-е годы прошлого века. Приведенный на рисунке 1 коллаж условно показывает, какие физические препятствия стоят на пути света при рассматривании нами нашей ладони. Это прежде всего частицы пыли размером до 10 мкм. Их концентрация даже в чистом комнатном воздухе составляет

« КВА Н ТА »

около $50000 1 м^{3}$. Тогда как, например, в помещениях полупроводникового производства концентрация пыли поддерживается в пределах $300 1 м^{3}$. Далее – бактерии и вирусы размером до 100 нм, их концентрация 5000 – $1000000 1 м^{3}$ (в зависимости от состояния помещения). Уже только эти данные, которые легко найти хотя бы в статьях интернета, наводят на вопрос о том, как мы видим через все это сложное пространство воздуха и чем мы дышим. В школе иногда решают задачу об оценке расстояния видимости в тумане. Ученики 9–11 классов дают ответы разной сложности – от применения простейших геометрических представлений до довольно сложного рассуждения с использованием знаний о дифракции света. Здесь мы не будем этим заниматься, чтобы не уйти в сторону от главного для этой статьи вопроса. Что же такое свежий воздух, которым мы восхищаемся, попадая «на природу»? Многие знают, что свежесть – это чистый воздух, которым приятно и легко дышать, и что эффекта свежести можно достичь путем проветривания помещения или размещения в нем живых растений. Вы когда-нибудь замечали, как приятно пахнет белье, просушенное на улице и внесенное в помещение? Некоторые связывают это с добавками в стиральные порошки, забывая, что эту свежесть отмечали и тогда, когда никаких стиральных порошков еще не было. А некоторые считают, что этот воздух насыщен и пахнет озоном, хотя известно, что озон может и убивает бактерии, но очень опасен для дыхания – стоит лишь постоять около сварочного аппарата. Особенно легко дышится на берегу моря, реки, в поле, в горах. Этот эффект ни в какой мере не достигается ни масками, ни кондиционерами. Таким образом, свежесть воздуха не такое простое явление, каким кажется на первый взгляд. Рассмотрим его с физической точки зрения и постараемся выяснить, каков механизм создания свежести воздуха.

Общие сведения

Рис. 1

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20221106

В начале XX века русский ученый Александр Леонидович Чижевский исследовал явление аэроионизации, т.е. насыщения воздуха аэроионами – частицами атмосферного воздуха, которые несут положительный или отрицательный заряд. По утверждениям Чижевского, его опытные исследования дали четкий результат: положительно заряженные

56

КВА НT 2022/№11-12

вает, что чем меньше будет радиус кривизны острия и больше напряженность поля, тем больше будет эффект разрыва молекулы и аэроионизации. Для конкретного расчета можно показать, что сила, действующая на мягкий (деформирующийся в сильном внешнем поле) диполь вблизи острия, обратно пропорциональна пятой (!) степени радиуса. И тогда атомы диполя оказываются в неоднородных полях, сравнимых с внутриатомным полем. При этом энергия поля в этой области будет по порядку величины равна нескольким электронвольтам, что вполне достаточно для ионизации атома. Добавим, что если напряженность внешнего поля, создаваемого на уровне земли, составляет примерно 150 В м в обычном состоянии атмосферы, то в грозовую погоду она достигает значений около 800 В м. Аэроиоионизация на остриях предметов и живых тел. Области с повышенной напряженностью электрического поля вполне можно визуализировать. Так, на фотографии на рисунке 5 видно свечение краев листа ком-

Рис. 5

натного растения, заряженного до высокого (около 15 кВ) напряжения (так называемый эффект Кирлиан). Эксперимент выполнен в 2020 году в лицее №15 города Саратова М.Ледником (11 класс). Подобные фотографии можно получить с помощью аппаратуры ночного видения, используемой при наблюдениях за утечками в линиях электропередач. Для следующего демонстрационного опыта используется пробник (о нем чуть дальше) и простейшая конструкция прибора Чижевского – бытовой аэроионизатор (рис. 6). Важная часть этого прибора – крохотное одиночное острие, позволяющее ионизировать воздух. В обычном положении пробник

Рис. 6

не фиксирует поля, но при включении прибора пробник начинает фиксировать электрическое поле и по мере приближения к острию диод загорается ярче. А вблизи острия можно ощутить явную свежесть воздуха. Ионизаторы такого типа много лет используются авторами статьи для ионизации небольшой зоны в квартире, например в спальне. Аэроиоионизация при сушке белья. Телами, создающими вокруг себя существенно неоднородное поле с высокой напряженностью, могут быть даже мелкие капельки, образующиеся при испарении сохнущего белья. Это – баллоэлектрический эффект. Сначала мы вывешиваем сухое белье и проверяем наличие небольшого заряда на нем. После стирки и отжима белья вывешиваем его и спустя некоторое время, после стекания воды, начинаем наблюдения. Теперь заряд поверхности легко фиксируется. Опыты проводились в разные годы учениками Лицея прикладных наук и Физико-технического лицея №1 г. Саратова Д.Яковлевым (2010 г.) и А.Алешиным (2022 г.). Для обнаружения электрического поля насыщенного водяного пара поначалу мы использовали обычный школьный электроскоп с маленьким шариком на приемном стержне-головке. Собирали заряд с поверхности сохнущего полотна на металлический шарик с изолирующей ручкой и переносили его на головку электроскопа. На рисунке 7 прибор показывает потенциал более 600 В. Однако позднее мы отказались от электроскопа в пользу электронного пробника, используемого при поиске скрытой электропроводки. Такой пробник имеет форму отвертки со светодиодом, полевым диодом и батарейкой. При внесении пробника в область интенсивного электрического поля диод

ОТВЕТЫ, УКАЗАНИЯ, РЕШЕНИЯ

«Квант» для младших школьников

Задачи

(см. «Квант» №10)

1. В 2,2 раза. Длина очереди с зонтиками складывается из 11 диаметров зонтов, т.е. из 22 частей-радиусов длины 50 см. Длина очереди без зонтиков – это 10 промежутков между 11 людьми, причем каждый из промежутков также равен 50 см. Значит, длина очереди уменьшилась в 22: 10 2,2 раза. 2. Возможные $варианты:_{i} 66$ эльфов, 34 гнома (или наоборот – 66 гномов, $34 эльфа);_{i} 9$ эльфов, 91 гном (или наоборот – 9 гномов, 91 эльф).

Комментарий. От участников требовалось найти лишь один пример. Покажем, как найти их все.

Пусть по крайней мере 222 раза написана цифра A. Кто-то написал A хотя бы три раза (иначе цифр A в ответах будет не больше, чем 100 ˜ 2 222 ). Назовем этого члена Совета Магистром. Числа Магистра в сумме дают либо 102, либо 98. Несложно убедиться, что случаи, когда одно из этих чисел 100 или 101, не подходят. Значит, можно считать оба написанных Магистром числа двузначными (если одно из них однозначное, напишем на месте десятков ноль). Итак, одно из чисел Магистра – это AA. Если второе начинается на цифру A, то их сумма либо не больше 44 49 98, либо не меньше 55 50! 102. Значит, Магистр написал AA и BA. Поскольку сумма этих чисел оканчивается на 2 или на 8, то цифра A может быть равна 1, 6, 4 или 9. Возможны следующие 4 случая: 1) если AA 11, то BA 102 – 11 91; 2) если AA 66, то BA 102 – 66 36; 3) если AA 44, то BA 98 – 44 54; 4) если AA 99, то BA 98 – 99 0 – не подходит. При AA 11, BA 91 на самом деле гномов и эльфов (в каком-то порядке) либо 11 и 89, либо 9 и 91. В первом случае цифра 1 названа не более чем трижды каждым из 11 человек и максимум по разу каждым из 89, т.е. всего менее 200 раз. Во втором случае 1 может быть названа трижды каждым из 91 человека и ни разу каждым из 9, т.е. всего максимум 91 ˜ 3 273 раза. Этот случай подходит и дает два варианта: 9 эльфов и 91 гном, 9 гномов и 91 эльф. Аналогичные рассуждения показывают, что в случае 2 в совете могло быть 66 эльфов, 34 гнома (или наоборот – 66 гномов, 34 эльфа), а случай 3 не подходит.

3. 45 q, 60 q, 105 q и 150q. В центре мозаики 6 одинаковых углов с общей вершиной образуют полный угол, значит, каж-

Рис. 1

дый из них $равен^{360} q^{:} 6^{60} q$ (рис.1). Несколько правее полный угол $в^{360q}$ складывается из уже известного нам $угла^{60q}$ и еще двух равных между собой – следовательно, они со-

Рис. 2

ставляют по 150q (рис.2). Аналогичным образом вычисляется еще один

Рис. 3

угол: он $равен^{360} q^{150} q^{:} 2^{105} q$ (рис.3). Последний угол плитки можно вычислить либо воспользовавшись тем, что сумма углов четырехугольника $равна^{360q}$, либо же с помощью еще одной вершины мозаики (рис.4):

59

ОТВЕТЫ,

УКАЗАНИЯ,

РЕШЕНИЯ

Задачи

(см. «Квант» №11-12)

Рис. 4

360 q 150 q 2 ˜ 60 q: 2

45 q.

Таким образом, углы плитки равны $45 q, 60 q, 105 q и^{150q}$.

Комментарии. 1) Заметим также, что такую плитку одна из диагоналей делит на равносторонний и прямоугольный равнобедренный треугольники (рис.5).

Рис. 5

2. Разбиение плоскости на многоугольники без дырок и наложений называется замощением. Замощения бывают как периодические (есть два разных направления, при сдвиге в каждом из которых замощение совмещается само с собой) и непериодические (таких сдвигов нет). В задаче приведена часть непериодического замощения плоскости такими четырехугольными плитками, которое придумал Габор Дамашди. Но такими четырехугольниками можно замостить плоскость и периодически (придумайте, как комментарий 1 поможет). А бывает ли многоугольник, которым можно замостить плоскость только непериодически? Это неизвестно! 4. 338, 336, –332, –342. Разложим 2022 на простые $множители:^{2022} 2 ˜^{3} ˜^{337}$, значит, из пяти перемноженных чисел только три могут быть по модулю больше, чем 1. Остальные по модулю обязаны быть равны 1; таких чисел ровно два (1 и –1), следовательно, 2022 получено $как^{1} ˜^{1}$ ˜ $r^{2}$ ˜ $r^{3}$ ˜ $r^{337}$. Остается заметить, что знак «–» должен стоять либо перед одним из чисел 2, 3, 337, либо перед всеми тремя – итого 4 варианта и, соответственно, 4 возможных суммы: 338, 336, –332, –342.

1. 8743250. Так как число делится на 25, то оно должно заканчиваться на $25, 50 или^{75.}$ В любом случае среди последних двух цифр будет цифра 5. Число тем больше, чем бульшая цифра стоит в более левом разряде. Поэтому нужно, чтобы вместе с цифрой 5 осталась самая маленькая возможная цифра. А это цифра 0. Из оставшихся карточек составляется начало числа. Слева направо ставятся карточки в порядке убывания. В итоге получаем ответ: 8743250. 2. 35 монет. Заметим, что первый и четвертый пираты не могли одновременно сказать правду. Также не могли одновременно сказать правду второй и третий пираты. Действительно, если они оба сказали правду, то у каждого количество монет делится на 5, при этом у всех разное количество, не меньшее 20. Тогда у них вместе не меньше 20 25 30 35 110 монет, чего быть не может. Поэтому среди первого и четвертого пиратов ровно один рыцарь и ровно один лжец (и среди второго и третьего пиратов ровно один рыцарь и ровно один лжец). Если первый пират – рыцарь, то всем досталось по 25 монет (такая ситуация возможна). И в этом случае максимальное количество равно 25. Если же четвертый пират – рыцарь, то каждому досталось не больше 35 монет. В этом случае одному из пиратов могло достаться ровно 35 монет (и тогда ответ в задаче будет 35). Такая ситуация возможна, если, например, пиратам досталось 35, 30, 20 и 15 монет (второй пират солгал, а третий сказал правду). Замечание. Есть и другие способы распределить монеты так, чтобы одному из пиратов досталось 35 монет. Например, пиратам досталось 35, 24, 21 и 20 монет (третий пират солгал, а второй сказал правду). 3. 50. Заметим, что два подряд идущих числа не могут быть положительными (т.е. натуральными). Предположим противное. Тогда их произведение положительно, и перед ними (против часовой стрелки) также стоит натуральное число. Так как оно больше произведения этих двух натуральных чисел, то оно больше каждого из них. Продолжая рассуждения, мы получим, что все числа будут натуральными, причем, если идти против часовой стрелки, числа будут возрастать. Но когда «круг замкнется», мы придем к