Đường cong lộn ngược

QUAN SÁT CỦA CHÚNG TÔI

Một đường cong lộn ngược trong hài hước “Các nhà vật lý tiếp tục đùa” chứa một giai thoại về nhà vật lý lý thuyết xuất sắc Ykov Ilyich Frenkel: “Người ta nói về Ya.I. Frenkel rằng được cho là ở Viện Vật lý và Công nghệ vào những năm 30, một nhà thí nghiệm nào đó đã bắt gặp anh ta ở hành lang và cho anh ta xem đường cong thu được từ thực nghiệm. Sau khi suy nghĩ một phút, Ya.I. đưa ra lời giải thích về diễn biến của đường cong này. Tuy nhiên, hóa ra đường cong đó đã vô tình bị đảo lộn. đường cong đã được thiết lập và sau khi suy nghĩ một chút, Ya.I. cũng đã giải thích hành vi này của đường cong.” Dù nó có vẻ buồn cười đến thế nào đi chăng nữa thì chúng ta vẫn thực sự bắt gặp những “giai thoại” như vậy ở mỗi bước. Không, không phải là “các nhà lý thuyết có thể giải thích bất cứ điều gì”. Và những hiện tượng dường như mâu thuẫn với nhau, tuy nhiên, cần có lời giải thích riêng. Bạn không cần phải đi xa. Hãy tưởng tượng rằng bạn đang trượt tuyết và bắt gặp một bức ảnh được chụp trên hình 1. Có vẻ như không có gì đáng ngạc nhiên:

một chiếc ô tô chạy ngang qua, tạo thành một đường mòn trên tuyết mùa xuân, và tuyết ở đường mòn này tan chảy - nhanh hơn một chút so với tốc độ tan xung quanh nó. Nhưng sau đó bạn đi bộ thêm vài km và đột nhiên bạn nhìn thấy điều gì đó ngược lại. Trên hình 2 đường ray ô tô có thể nhìn thấy rõ ràng, nhưng chúng không tan chảy - mọi thứ xung quanh đều tan chảy, nhưng chúng không tan chảy! Hãy để chúng tôi cảnh báo ngay với bạn rằng không có trò đùa nào ở đây: những bức ảnh này thực sự được chụp trong cùng một ngày, chỉ cách nhau vài km. Thời gian trong năm, khí hậu, điều kiện thời tiết - mọi thứ đều giống nhau ở đây. Và sự kiện dường như cũng giống như vậy: một chiếc ô tô lao qua tuyết. Nhưng kết quả thì ngược lại. Chà, chúng ta hãy nhớ đến Frenkel với sự tôn trọng và cố gắng giải thích những hiện tượng này? Trước hết, chúng tôi thừa nhận rằng hiện tượng được mô tả ở hình 1 hiếm hơn nhiều (trong mọi trường hợp, nếu nó xảy ra trong rừng hoặc cánh đồng chứ không phải gần mỏ đá nào đó), nhưng sẽ dễ giải thích hơn. Chúng ta hãy làm rõ rằng “giải thích” có nghĩa là đặt tên cho hiện tượng vật lý làm nền tảng cho bức tranh mà chúng ta quan sát, mô tả các điều kiện mà hiện tượng này biểu hiện và hiểu chính xác tại sao những điều kiện đó lại nảy sinh ở đây. Tuy nhiên, giai đoạn thứ ba thường vượt xa bài toán thuần túy về thể chất. Nhưng - điều đầu tiên trước tiên. Hãy cố gắng vượt qua tất cả các giai đoạn. Hiện tượng vật lý nào có thể là cơ sở cho sự tan chảy nhanh chóng của tuyết ở

Hình 1

Hình 2

V. PTUSHENKO

BỘ SƯU TẬP HUYỀN THOẠI KHOA HỌC

44

KVANT 2017/№1

vết bánh xe ô tô? Về nguyên tắc, chúng ta hãy xem xét các lựa chọn mà về nguyên tắc, tốc độ nóng chảy (nóng chảy) của một chất có thể phụ thuộc: vào nhiệt dung, độ dẫn nhiệt, cường độ loại bỏ nhiệt và sự hấp thụ của nó từ bên ngoài… Dừng lại, có vẻ như có điều gì đó hợp lý trong danh sách này, cụ thể là sự hấp thụ nhiệt. Tuyết lấy nhiệt từ đâu? Từ những vật thể hoặc môi trường mà nó tương tác thông qua trao đổi nhiệt hoặc bức xạ trực tiếp (có thể nói là “tiếp xúc”): đây là đất, không khí, nước (ở dạng mưa hoặc nước rỗng), mặt trời. Mặt đất thực sự có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc làm tan tuyết vào mùa thu. Nhiều người có thể nhận thấy tuyết sớm rơi trên mặt đất chưa nguội đến mức nào - ngay cả khi có rất nhiều và nếu trời lạnh, nó vẫn tan chảy bên dưới và bám vào ván trượt của bạn nếu bạn quyết định đứng trên chúng mà không chờ đợi mùa đông thực sự, sâu thẳm. Nhưng vào cuối mùa đông (và trong các bức ảnh của chúng tôi là cuối mùa đông), trái đất vẫn có thời gian để hạ nhiệt - trừ khi mặt trời sưởi ấm nó ở nơi không có tuyết. Không khí ấm cũng có thể đóng vai trò làm tan tuyết - nhưng nhiệt độ của nó không thay đổi nhiều trong vài mét dọc theo bề mặt trái đất và quan trọng nhất là không thể duy trì những khác biệt này trong thời gian dài (không khí hòa trộn nhanh chóng) để gây ra sự tan chảy không đồng đều như vậy. Nước - à, nó có thể giúp ích rất nhiều. Nếu các bánh xe cắt một kênh dẫn nước trong tuyết và những dòng nước tan đầu tiên lao qua lớp tuyết này, thì chúng có thể đẩy nhanh quá trình tan chảy của tuyết gần kênh nhất. Để đề phòng, chúng ta hãy nhớ lại phiên bản này, mặc dù có thể nhận thấy một số khuyết điểm của nó: không có dấu vết của nước, dòng nước chảy yếu hơn nhiều, đáng chú ý trong các rãnh tan băng. Một dòng nước mạnh sẽ cuốn trôi đáy và trông nó sẽ hơi khác một chút. Ngoài ra, các đường ray đi theo mọi hướng và tất cả đều tan chảy tốt như nhau - khó có khả năng các dòng suối sẽ chạy dễ dàng như nhau theo mọi hướng, bất kể độ dốc. Tất nhiên, nghi phạm chính là

Mặt trời vẫn đang chiếu sáng. Bánh xe có thể tạo ra bụi bẩn trên tuyết, ở một số nơi, chúng thậm chí có thể làm thủng một lỗ trên lớp phủ tuyết lỏng lẻo xuống đất. Và nơi lớp tuyết phản chiếu hoàn hảo biến mất hoặc bị xỉn màu, các vùng tối bắt đầu hấp thụ tích cực năng lượng mặt trời. Sự khác biệt về độ phản xạ này ảnh hưởng đến tốc độ tan chảy mạnh đến mức nào có thể được quan sát qua những cành cây “tan chảy” vào tuyết mùa xuân (hình3): từng ngọn cỏ mỏng tan chảy

Hình 3

tuyết bên dưới và chìm vào đó như một con dao nóng đâm vào bơ. Vì vậy, với “âm bản” – dấu chân đen trên tuyết trắng – thì rõ ràng. Hiện tượng vật lý giải thích điều đó là sự khác biệt trong sự hấp thụ bức xạ mặt trời của các vùng tối hơn và sáng hơn trên bề mặt trái đất. Tình trạng mà nó biểu hiện là sự xuất hiện của những vùng tối sau khi bánh xe đi qua - bụi bẩn hoặc đất trống. Và tại sao chính xác ở đây việc một chiếc ô tô đi qua lại dẫn đến hiệu ứng như vậy là một câu hỏi phức tạp hơn và đòi hỏi kiến ​​​​thức về khu vực, phương tiện và đơn giản là các tình huống cụ thể của sự kiện mà chúng ta chỉ có thể đoán được. Chà, còn những điều “tích cực”, tức là dấu chân trắng trên nền đất tối thì sao? Làm sao có thể có một con đường băng giá trắng xóa giữa cánh đồng tan băng? Nhưng nhân tiện, từ khóa đã được đề cập: băng giá. Trong bức ảnh (xem hình 2), điều này không đáng chú ý lắm, nhưng nếu bạn nhìn kỹ vào tấm thảm trắng thật và thậm chí chạm vào nó, nó sẽ trở thành

45

CỦA CHÚNG TÔI

QUAN SÁT

rõ ràng đó không chỉ là tuyết. Không hẳn là băng, nhưng trong mọi trường hợp, tuyết được nén chặt và không hề lỏng lẻo. Và bị nén bởi nhiều bánh xe đã đi qua nó. Tôi thắc mắc tại sao bánh xe ở đây không làm bẩn tuyết mà chỉ nén chặt nó? Có thể cho rằng con đường này xuất hiện vào mùa đông lạnh giá. Ánh nắng mùa đông không đủ để làm tan tuyết dù “có sự trợ giúp” của những đốm đen, cành cây tan vào tuyết là hiện tượng đặc trưng của tháng Ba; bạn sẽ không thấy điều này vào tháng Giêng. Và sau đó, tuyết có dính bẩn vào bánh xe hay không cũng không thành vấn đề: dù sao thì nó cũng sẽ không tan. Vâng, và nó sẽ được bao phủ bởi tuyết mới: trước khi bạn có thời gian nhìn lại, xung quanh lại trắng xóa. Vì vậy, tất cả các thành phần cần thiết của lời giải thích cũng có ở đó. Mặc dù, không, không phải tất cả. Chúng ta đã quên mất phần quan trọng nhất, “vật lý” nhất: ở đây có loại hiện tượng vật lý nào? Tại sao tuyết hoặc băng nén lại tan chậm hơn? Có vẻ như mọi thứ ở đây đều đơn giản: cả trong tuyết nén và trong băng đều có ít không khí hơn, ít khoảng trống hơn, khiến việc tan chảy nó trở nên khó khăn hơn. Đợi đã, nhưng “sự trống rỗng”, không khí, có khả năng cách nhiệt tuyệt vời! “Một tấm chăn tuyết”, “tuyết bảo vệ mặt đất khỏi bị đóng băng” - chúng ta đã nghe những cụm từ như vậy từ khi còn nhỏ. Do cấu trúc xốp nên tuyết rời dễ dàng “không để” nhiệt của mặt trời vào bên trong hơn băng – độ dẫn nhiệt của nó thấp hơn. Được rồi, nhưng vì cấu trúc xốp này nên lượng nước đóng băng trong tuyết cần phải tan chảy sẽ ít hơn. Vì vậy, nó cần ít nhiệt hơn để tan chảy. Tuy nhiên… Hãy thử một thí nghiệm - làm tan chảy các khối tuyết rời và nén dưới ánh nắng mặt trời, và bạn sẽ thấy rằng ngay cả với cùng một khối lượng, tuyết rời vẫn tan nhanh hơn. Không, tác dụng là cái gì khác. Chúng ta hãy nhìn kỹ hơn vào tuyết mùa xuân đang tan. Không khó để xác minh rằng có nước bên trong, dưới lớp tuyết. Tuyết được bão hòa với nước hình thành từ nó; nó thực sự nằm trong một vũng nước này. Vậy có thể đó là nước tan chảy, chảy xuống qua khối tuyết xốp, lan rộng khắp

nhiệt - nhanh hơn nhiều so với mức nó có thể tự mình truyền qua vật liệu xốp này chỉ bằng cách sử dụng “dịch vụ” dẫn nhiệt? Có vẻ như là một ý tưởng hay. Nhưng làm sao chúng ta có thể xác định được mình đúng hay sai? Chúng ta có thể tiến hành thí nghiệm nào để chứng minh tính đúng đắn của ý tưởng của mình hoặc ngược lại, để bác bỏ nó? Bài toán không hề dễ dàng. Hãy cố gắng tự giải quyết nó! Trước khi chia tay với “những đường cong đảo ngược” của chúng ta, chúng ta hãy nhìn lại lần cuối con đường tuyết, không phải do ô tô mà do những người trượt tuyết để lại (hình4). Đường trượt tuyết vẫn còn trong rừng

Hình 4

rất lâu sau khi tất cả tuyết xung quanh đã tan hết. Nhưng trước khi điều này xảy ra, đường trượt tuyết bị “đảo ngược” - các rãnh ép vào tuyết, dấu vết của hai ván trượt biến thành những con lăn nhô lên trên lớp tuyết xung quanh. Nó như thể đường trượt tuyết được “quay từ trong ra ngoài”, như thể một đường cong “trở nên sống động”, bước ra từ những trang tuyển tập truyện cười về vật lý và các nhà vật lý, đã bị đảo lộn.

48

KVANT 2017/№1

4. Sức mạnh của xương và mô của động vật tỷ lệ thuận với diện tích mặt cắt ngang của chúng. Lực cản của không khí khi cơ thể rơi cũng tỷ lệ thuận với diện tích này, trong khi khối lượng của con vật tỷ lệ thuận với thể tích của nó. Khi kích thước của vật thể giảm đi, thể tích của nó giảm nhanh hơn nhiều so với diện tích bề mặt. Do đó, đối với động vật nhỏ hơn, cả lực phanh và độ bền của xương đều tăng (trên một đơn vị khối lượng). 5. Các lý do được nêu ở đáp số so với bài toán trước đó - việc tăng kích thước của động vật sẽ dẫn đến bộ xương tăng lên không cân xứng cho đến khi cơ thể bị nghiền nát bởi trọng lượng của chính nó. Ở biển, do tác động của lực nổi, các động vật chẳng hạn như cá voi, với bộ xương nhỏ hơn, có thể có kích thước lớn hơn đáng kể so với voi hoặc hà mã. 6. Con chim vẫn khô ráo trong nước vì nước không làm ướt lông vốn được bao phủ bởi một lớp mỡ. Xà phòng sẽ rửa sạch mỡ, nước thấm vào bộ lông, chim sẽ bị ướt sũng, thậm chí có thể bị chết đuối. 7. Để duy trì khối lượng tăng lên khi bay, côn trùng phải tăng lực nâng, dùng cánh ném không khí xuống thường xuyên hơn. Và điều này dẫn đến sự gia tăng âm thanh của âm thanh do con ong phát ra. 8. Khi nước bay hơi, nhiệt độ trong tổ ong giảm và độ ẩm tăng lên. 9. Bằng cách thay đổi diện tích bề mặt tự do của cơ thể, động vật điều hòa quá trình truyền nhiệt. 10. Kích thước của động vật máu nóng giảm dẫn đến sự truyền nhiệt qua bề mặt cơ thể tăng lên (xem bài toán 4). Thiên nhiên bù đắp điều này bằng cách cải thiện khả năng cách nhiệt, tuy nhiên, điều này cũng có những hạn chế. Đó là lý do tại sao không có loài động vật có vú trên cạn nào nhỏ hơn chuột chù, có chiều dài cơ thể từ 3 đến 5 cm và trọng lượng từ 2 đến 10 gam. 11. Điều này áp dụng cho cái gọi là cá điện, chúng tạo ra điện trường xung quanh chúng và có thể nhận thấy những thay đổi không đáng kể trong đó do sự xuất hiện của chướng ngại vật hoặc con mồi trong đó. 12. Các tế bào sản xuất điện được bố trí tuần tự trong con lươn dưới dạng chuỗi, lần lượt nối song song với nhau. Kết quả là một dòng điện tổng đủ để làm choáng váng hoặc giết chết con mồi hoặc kẻ thù, nhưng lại quá yếu trong mỗi tế bào để gây tổn hại cho chính cá. 13. Bọ, không giống như ngũ cốc, có màu đen

màu sắc nên chúng hấp thụ mạnh bức xạ hồng ngoại, quá nóng và chết. 14. Chiết suất của cơ thể côn trùng gần bằng chiết suất của nước, nhưng mắt nó khác nhau (ánh sáng đi qua mắt trong suốt mà không bị khúc xạ và tạo ra ảnh trên võng mạc). Ấu trùng sẽ được nhìn thấy trong không khí.

Kinh nghiệm vi mô

Chân của nhện nước không bị nước làm ướt, điều này giúp côn trùng không “rơi” xuống dưới nước và vẫn ở trên đó do lực căng bề mặt. Chúng không thể vượt qua được lực tương tự của màng nước lồi hình thành ở nơi côn trùng nhỏ cố gắng thoát ra khỏi bên dưới nó.

QUANTUM

12+

SỐ ĐÃ ĐƯỢC CHUẨN BỊ

E.V.Bakaev, S.A.Dorichenko, A.A.Egorov, E.M.Epifanov, S.L.Kuznetsov, A.Yu.Kotova, V.A.Tikhomirova, A.I.Chernoutsan

SỐ PHÁT HÀNH

D.N.Grishukova, A.E.Patskhveria, M.N.Sumnina

BIÊN TẬP HUYỀN THOẠI

E.V.Morozova

NHÓM MÁY TÍNH

M.N.Gritsuk, E.A.Mitchenko

Tạp chí «Kvant» được đăng ký với Ủy ban Báo chí Nga. Reg. St. PI số FS77–54256 Số phát hành: Cây đầu tiên 900 bản. Số thứ tự. Địa chỉ biên tập: 119296 Moscow, Leninsky Prospekt, 64-A, «Kvant» Tel.: (495) 930-56-48 E-mail: math@kvant.ras.ru, Phys@kvant.ras.ru

Được in theo các tài liệu được cung cấp bởi IPK Pareto-Print LLC, Tver www.Pareto-print.ru