10 наукових таємниць, які Ви звикли сприймати як належне
Чому лід слизький? Чи дійсно рослини вміють спілкуватись? Відповіді на ці та інші запитання Вас здивують.
Більшість з нас знає, що Великий вибух не був повністю зрозумілим та поясненим явищем, і чорні діри досі заплутують вчених, але навіть ці знайомі аспекти Всесвіту також змушують вчених не спати ночами, інформує Ukr.Media.
Чому людям потрібно спати?
Дослідники не впевнені, що саме відбувається в нашому мозку і тілі, коли ми засинаємо або спимо, але ми знаємо, що сон важливий – тривале позбавлення сну може викликати галюцинації, психози, серцеві захворювання та дисфункцію імунної системи. Сон – це найефективніша річ, яку ви можете зробити, щоб перезарядити здоров’я мозку і тіла. І це стосується не тільки нас, ллюдей, адже майже всі хребетні істоти сплять, включаючи рибу. Наш мозок, мабуть, потребує перепочинку для того, щоб залишатися організованим, і це особливо важливо для зміцнення нових нейронних зв’язків, які дозволяють нам пам’ятати те, що ми дізналися. Кожна фізіологічна система в організмі, і кожна операція розуму, потужно підсилюється сном, коли ми отримуємо його, і демонструється порушенням, коли ми спимо не достатньо. Сон – це найкращий і вічний подарунок матері-природи.
Чому ми позіхаємо?
Здається, що це трапляється значно частіше, коли ми відчуваємо себе втомленими, хоча позіхання насправді не пов’язане з кількістю сну, яке ми отримали, згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Physiology & Behavior. Ми також позіхаємо більше, коли нудьгуємо або голодуємо – деякі дослідники теоретизують, що позіхання може змусити наші тіла зфокусуватись, коли наша увага починає розсіюватись. Хоча інші ссавці теж позіхають, тільки люди, шимпанзе і бонобо роблять це, коли бачать, як позіхають інші, і дослідження показали, що ми, швидше за все, “заразимось” позіханням від члена сім’ї або друга, ніж від незнайомця.
Чому лід слизький?
Схоже, що лід є небезпечним через тонкий шар рідкої води, який може розплавитися по її поверхні, але коли ви думаєте про це, тонкий шар води на підлозі із плитки не досягає такого екстримального рівня слизькості. Крім того, вчені не змогли показати, що вага ваших чобіт або тертя від ваших кроків є достатньою для того, щоб розтопити цей надтонкий шар. Нова стаття, опублікована в Journal of Chemical Physics, свідчить про те, що на поверхні льоду існують фактично вільні молекули H2O, що означає, що коли ваша нога наступить на заморожену калюжу, то вона дійсно відреагує так, ніби ви наступили на безліч маленьких, крихітних шматочків мармуру, які вільно блукають, і тому ви не можете зберегти свій баланс (або гідність).
Чому старі вікна виглядають такими хвилястими?
Можливо, ви чули, що скло – це рідина, але це не так. Проте, скло і не зовсім тверде – насправді його стан є таким, що називається аморфною твердою речовиною, а це означає, що хоча така речовина тримає форму як звичайне тверде тіло, проте його атоми не утримуються кристалічною структурою. (Пластики і гелі – це також аморфні тверді тіла.) Отже, ваші вікна повільно тануть? Дослідники стверджують, що ні. Хоча окремі шматки скла у вікні можуть бути нерівномірними по товщині, і помітно хвилястими. Ці наслідки викликані просто тим, як виготовлялось саме скло. Тим не менш, вчені досі обговорюють точне визначення скла, тому, хоча вікно у вашій спальні не змінюється досить активно, проте пояснення його структури може існувати.
Чи справді рослини вміють спілкуватись?
Ми не чули, як вони пліткують, але дослідження показують, що рослини можуть випускати аромати, які привертають хижака, щоб він з’їв комах, які їдять їх самих. Вони також спілкуються один з одним через мережі грибів, які пов’язують їх коріння – дослідження 2013 року, опублікованого в “Ecology Letters”, показало, що деякі рослини утворюють грибкові поєднання під землею, а інші запобігають їм. Пов’язані рослини могли б сказати, коли один у їхній групі піддався нападу попелиць і збільшив свою хімічну оборону проти шкідливих комах. Нещодавно дослідники виявили, що рослини спілкуються один з одним для регулювання росту. Дерева часто стримують свою експансію, коли вони торкаються листям інших рослин, а рослини, які ростуть поруч з іншими, регулюють свій ріст, і часто слідують їх прикладу – вони, здається, отримують повідомлення про своє становище через свої корені. Хто знає, про що ще вони говорять?
Як світлячки можуть світитись в унісон?
Говорячи про таємне спілкування, існує вид світлячків, який живе у національному парку Great Smoky Mountains у США, який кожен червень, у шлюбний період, демонструє дивовижне світіння, що має синхронізований малюнок, який рухається хвилеподібно, пролітаючи над горами. Вчені вважають, що це менше, ніж 1% з, приблизно, 2000 видів, які синхронізуються. Велика група самців, що спалахують разом, ймовірно, має перевагу у залученні самок і може заплутати хижаків. Питання про те, як вони синхронізуються, залишається загадкою.
Як птахи знають, куди летіти на зимівлю?
Близько 40 відсотків видів птахів у світі мігрують, у тому числі близько 350 північноамериканських видів, які відлітають у тропіки кожної осені. Арктична крячка, по-перше, дійсно повинна любити літо, тому що вона літає між Арктикою і Антарктикою, що становить майже 40 000 миль в обидві сторони, щороку. Мігруючі птахи можуть навіть знайти своє місце призначення, якщо дослідники змусять їх почати свою подорож з незвичних для них місць. Але як вони це роблять? Науковці опублікували дослідження в Current Biology, вказуючи на те, що деякі співочі птахи використовують магнітну карту для навігації на великі відстані, але ніхто не знає, як саме вони можуть виявляти магнітні поля Землі. Це може мати певне відношення до невеликої кількості заліза, що міститься в їх дзьобах, але вони також мають спеціальний білок, що знаходиться в їх очах, який може дозволити їм побачити магнітні поля.
Як лосось може повертатись у струмок, де він народився?
Молодий лосось прямує вниз за течією до океану, де він проводить кілька років свого життя. Коли лосось стає достатньо зрілим для нересту, він повертається до тієї самої ріки або струмка, з якого він прийшов. Як лосось повертається до правильного регіону берегової лінії не повністю зрозуміло. Науковці вважають, що він, ймовірно, використовує кут сонця, солоність води, температурні перепади і, можливо, магнітне поле Землі. Як тільки вони знайдуть свою конкретну річку, вчені говорять, що це все завдяки запаху. Серія експериментів, що починалася в 1950-х роках, показала, що молодий лосось стає особливо чутливим до унікальних хімічних запахів своєї місцевості, коли він вступає у період спарювання (коли риба починає міграцію до моря). Ці запахи прилипають до нього, поки він знаходиться в морі, і лосось використовує ці сигнали вже дорослим, щоб знайти своє домашнє водоймище.
Що такого у піснях китів?
У 1950-х роках дослідники вперше записали звуки горбатих китів, використовуючи американське військово-морське обладнання. Широкий вибір звуків (що характеризуються як голоси, стогони і крики) об’єднуються в повторювані фрази для створення пісень, що тривають від 7 до 30 хвилин. Іноді кити співають ту ж пісню разом. Складність структур пісень робить їх схожими на мову, а вчені досі не впевнені в тому, що саме вони означають. Пісні можуть бути складними закликами для спарювання (хоча самки, які не співають, зазвичай не підходять до самців-співаків), або можуть бути простим способом зв’язку один з одним.
Чому музика має такий сильний вплив на людей?
Коли ми чуємо наші улюблені пісні, ми майже не можемо стриматись, щоб не стукати ногами чи руками у ритм. Це тому, що ми еволюціонували, щоб реагувати на ритмічні звуки синхронно з нашою соціальною групою? Це теорія, висунута деякими дослідниками і описувалась в дослідженні, опублікованому в журналі Acta Psychologica. Ритмічний звук “не тільки координує поведінку людей в групі, він також координує їхнє мислення – психічні процеси людей в групі стають синхронізованими”, – сказали автори дослідження.
Чому лід слизький
Таку назву дав відомий популяризатор науки Я. І. Перельман одному з оповідань у першому томі «Цікавої фізики». Вперше книга була опублікована в 1913 році, і більше ста років у багатьох виданнях цитують дане автором пояснення – чому ковзани ковзають по льоду навіть у сильні морози. “Ковзкість льоду, – пише автор, – залежить головним чином не від гладкості, а від абсолютно особливої причини: від того, що температура плавлення льоду знижується при збільшенні тиску. Стоячи на ковзанах, ми спираємося на дуже маленьку площу, всього в кілька квадратних міліметрів. І на цю невелику площу цілком тисне вага нашого тіла. Під великим тиском лід тане при зниженій температурі; якщо, наприклад, лід має температуру ‑ 5 ° C, а тиск ковзанів знизив точку плавлення льоду, що зневажається ковзанами, більш ніж на 5 ° C, то ці частини льоду будуть танути “.
Це пояснення ґрунтується на гіпотезі, яку висунули 1849 року британський фізик Вільям Томсон (майбутній лорд Кельвін) і його брат інженер Джеймс Томсон. Згідно з цією гіпотезою, лід під ковзанами відчуває великий тиск і плавиться, тому ковзани ковзають вже не по льоду, а по плівці води на його поверхні. Таке пояснення згодом було повторено в безлічі навчальних і популярних статей з фізики. Однак і вчені, і викладачі фізики та фізичної хімії продовжують обговорювати фізику ковзання ковзанів на морозі, і наведене Перельманом «просте пояснення» піддається сумніву. Адже у звичайному взутті теж дуже легко можна послизнутися на льоду. Та й маленькі діти можуть кататися на ковзанах, хоча тиск, створюваний ними, мало.
Ось що пише з цього приводу польський вчений і популяризатор науки Збігнєв Плохоцький в журналі «Горизонти техніки для дітей» (№ 10, 1988):
“Чому ковзани роблять зі сталі, а, наприклад, не зі спеціальної пластмаси? Адже давно відомі синтетичні матеріали, які успішно замінюють сталь. Вони не тільки досить тверді, але їм властива і менша сила тертя при ковзанні по льоду, ніж у металу, що має таку ж площу контакту з льодом і ту ж вагу. Але уявіть собі, ковзати на пластмасових ковзанах було б набагато важче, знадобилося б більше зусиль від ковзаняра. Чому? Ви, напевно, чули про досвід з шматком льоду, який розрізає навантажений на кінцях дріт: через певний час дріт прониже лід наскрізь. Це відбувається тому, що дріт, чинячи тиск на лід, знижує його температуру плавлення і він під дротом починає танути. Чи станеться те саме, якщо металевий дріт замінити нейлоновою ліскою? Виявляється, ні. Ліска буде входити в лід настільки повільно, що він швидше розтане, ніж проріжеться. Звідси слід простий висновок: щоб лід танув, недостатньо збільшити тиск, потрібна ще й додаткова теплова енергія. А де її взяти пластмасі, якщо вона, як відомо, поганий провідник тепла? Сталь же, з якої зроблено коник, як хороший провідник тепла збільшує можливість утворення плівки під ковзаном. Тому на сталевих ковзанах легше кататися, ніж на пластмасових.
Здавалося б, все ясно. Однак наші міркування слід продовжити. Відомо, що при температурі менш – 22 ° С лід не плавиться навіть під дуже великим тиском. Значить, в подібних випадках змащуючий шар води не з’явиться. Але хіба в сильний мороз ковзати на ковзанах важче, ніж в помірний? Кожен знає: різниці практичної немає. Чим же це пояснити?
З жалем зізнаюся, що не знаю відповіді на це питання. Причому не тільки я, вам не відповість жоден фізик. Адже неодноразово бувало в історії наук, що малосуттєве на перший погляд спостереження ставало початком фундаментального відкриття. І насамкінець, коли нам зрозуміло, що ж незрозуміло, поставлю останнє запитання: якщо сталеві ковзани краще пластмасових, то чому поверхні лиж покривають пластиком? Адже сніг – це теж відтверділа вода “.
Ось і автори книги про хімічні міфи зацікавилися питанням про те, що ж є причиною гарного ковзання ковзанів по льоду – слизькість самого льоду або прошарок води, що утворюється під лезом коника. Поверхня одного леза дійсно мала, тому тиск на лід великий. Добре відомо, що температура кипіння залежить від тиску: чим воно вище, тим при більш високій температурі кипить рідина. Наприклад, клапан каструлі-скороварки спрацьовує при тиску в ній 1,9 атм. При такому тиску вода кипить при 118 ° C. Температура плавлення твердих тіл також залежить від тиску. Для більшості тіл температура плавлення збільшується з тиском, тому що тиск зближує атоми або молекули, а при плавленні вони, навпаки, повинні віддалитися один від одного. Під тиском важче зруйнувати кристалічну решітку, і для цього потрібно більше енергії, тобто потрібна більш висока температура. Однак вода належить до небагатьох речовин, у твердій фазі яких атоми або молекули не зближуються, а видаляються порівняно з рідиною при тій же температурі (такі властивості мають також вісмут, сурьма, германій, кремній, аргон, а зі сплавів – чавун). Кристалічна структура льоду досить «пухка», тому лід легше води і плаває на ній. Значить, температура плавлення льоду з підвищенням тиску повинна не підвищуватися, а знижуватися, і лід під тиском може розплавитися і на морозі! Це відображено на фазовій діаграмі води: при підвищенні тиску від 1 до 2100 атм (209,9 МПа) температура плавлення льоду плавно знижується до ‑ 22 ° С. Видно, що вплив тиску на температуру плавлення багато менше аналогічного ефекту для кипіння.
Однак проти танення льоду під тиском ковзанів і їх фактичного «ковзання по воді» говорять такі факти.
Водії добре знають, що асфальт, покритий корочкою льоду, набагато більш слизький, ніж мокре покриття дороги.
Дитина може кататися на ковзанах з не меншим успіхом, ніж доросла людина, навіть якщо дитина маленька, важить мало і чинить на лід набагато менший тиск, ніж доросла людина на ковзанах.
З пониженням температури повітря потрібен все більший тиск, щоб розтопити лід, тому в холодну погоду ковзани повинні були б ковзати по льоду гірше. А ковзати на одному ковзані було б краще, ніж на двох, тому що на лезо одного коника тиск вдвічі більше. Проте неправильно і те, і інше.
Якщо навіть дуже вантажна людина в не дуже холодну погоду буде стояти на льоду нерухомо, під ковзанами не утворюється калюжа води.
Плавлення льоду – процес далеко не миттєвий, проте навіть при дуже швидкому бігу ковзають не гірше, ніж при повільному катанні.
Оцінити можливість плавлення льоду під ковзанами дозволяє більш детальна частина фазової діаграми в області тисків і температур, що нас цікавить. Наприклад, при температурі – 5 ° С вода буде рідкою, якщо підвищити тиск до декількох сотень атмосфер. З фазової діаграми видно також, що в реальних умовах ми маємо справу тільки з «звичайним льодом», що отримав назву лід-I.
Неважко також оцінити тиск, який створює людина на лезо коника. Якщо його довжина, покладемо, 20 см, а ширина 2 мм, то площа під одним ковзаном дорівнює 4 см 2 . Масу людини приймемо рівною 80 кг, тоді сила тиску на коник дорівнюватиме 20 атм. При такому тиску температура плавлення льоду знижується всього на кілька десятих градуса.
Проти цього доводу ще в XIX столітті було висунуто таке заперечення: і леза ковзанів, і поверхня льоду не ідеально плоскі. Тому поверхня справжнього контакту «коник – лід» може бути набагато меншою, а тиск, отже, набагато більший. Однак, як добре відомо, чим вищий тиск, тим більша і сила тертя. Крім того, з фазової діаграми випливає, що при температурах нижче – 22,1 ° С ні при якому тиску вода не може бути рідкою. І якби виявилася вірною теорія «танення льоду» під тиском, було б неможливо кататися на ковзанах нижче цієї температури. Але, як показує практика, лід залишається слизьким для ковзанярів і при температурі – 30 ° С. І тільки при _ 60 ° С, як показали лабораторні експерименти, слизькість льоду сильно знижується.
Був висунутий ще один довід на користь танення льоду: енергія руху ковзаняра передається за допомогою тертя на поверхню льоду, і ця енергія йде на його поверхневе плавлення. Тертя дійсно супроводжується виділенням теплоти – але тільки при русі. Однак лід залишається дуже слизьким і для людини, що стоїть на місці, що добре знають всі, що вперше вийшли на лід (причому не обов’язково на ковзанах!).
Розгадка слизькості льоду криється насправді в структурі самої його поверхні, де молекули води значно рухливіші, тому що слабкіше пов’язані з навколишніми молекулами. Під рушійним ковзаном ці молекули легко пересуваються, що і знижує тертя. Інший механізм ковзання, ймовірно, має місце на синтетичному льоду з блоків пластику, найчастіше з високомолекулярного поліетилену.
Чи зустрічаються в навколишній нас дійсності такі тиски, при яких відбувається помітне зниження температури плавлення льоду? Так, коли величезний льодовик сповзає по схилу роки. Якщо на його шляху зустрічається невелика скеля, то льодовик або зрізає її, або «обтікає». В останньому випадку великий тиск льоду на камінь піднімає температуру плавлення льоду, який злегка підтоює в місці контакту. Нижче скелі тиск падає, і лід знову стає твердим.