Эксперименты с бумагой
Бумага – горячая и холодная
Бенджамин Франклин – один из величайших людей Америки. Он был философом, политиком и ученым.
Вы можете сказать себе: «Да, он запускал воздушные змеи во время грозы и открыл, что молния является электричеством». Но это лишь один из множества его экспериментов. Бенджамин Франклин был экспериментатором – или исследователем, – как вам больше нравится. Наука была его хобби, и за свою жизнь он исследовал и описал множество вещей.
В 1761 году Франклин проводил исследование, связанное с кусочками ткани, снегом и солнцем. Вы сможете повторить его, если живете в местах, где бывает снег. Вам понадобится по листу черной и белой бумаги.
Эксперимент с бумагой на снегу
Эксперимент Франклина заключался в том, что он просто клал кусочки ткани на снег и оставлял их на день. Вы можете проделать то же самое, используя вместо ткани ваши листки бумаги, – они сработают таким же образом. Если день ветреный, положите на каждый из них по камешку или еще по какому-нибудь грузику, чтобы они не улетели. Вес их должен быть одинаковым, чтобы оба листа находились в одинаковых условиях. Вам нужно начать исследование с утра и закончить его поздним вечером.
Когда Франклин вернулся к своим опытным лоскуткам, он обнаружил интересный факт: белая ткань по-прежнему была наверху сугроба, в то время как черная погрузилась в него.
Почему это случилось?
Удивительно, но в данном случае волшебным словом будет не бумага, не ткань, не снег, не черный, не белый цвета и даже не солнце; волшебное слово здесь – тепло. Тепло конечно же исходит от солнца. Когда это тепло достигает поверхности земли, происходит одно из двух: либо оно отражается, либо поглощается объектом, на который попало. Почему же снег не тает, когда солнечный свет падает на него? Поглощается или отражается тепло, падая на белый снег?
Белые или светло окрашенные объекты действуют на тепло подобно зеркалу и не могут поглотить много солнечного тепла. И все наоборот в случае с черными или темными объектами. Они поглощают тепло, поступающее от солнца, и становятся теплее. Вот что удалось доказать Франклину в 1761 году и что вы можете доказать сами.
Если вы сообразительны, то будете одеваться в светлую одежду в жаркие дни и в темную – холодной зимой. Ваша одежда, так же как и бумага, будет поглощать либо отражать тепло в зависимости от того, какого она цвета.
Космические корабли обычно бывают белые или, по крайней мере, светлых тонов. Думаете ли вы теперь, что это сделано просто для красоты? Раньше на ракеты наносили черные и белые полосы. Догадались, каким образом это помогало сохранять постоянную температуру внутри, даже когда они оказывались высоко над землей, где солнечный свет несет гораздо больше тепла?
Как легко заметить, все эти примеры и любые другие, которые придумаете вы сами, подчиняются одному закону, очень важному для каждого из нас. Это еще одно доказательство того, что люди, заявляющие, что они не интересуются наукой, на самом деле подчиняются ее законам каждый день своей жизни.
Предположим, вы живете там, где не бывает снега, или, может быть, вы просто читаете эту книжку летом. Можно ли в этом случае провести такой эксперимент? Никакая зима не нужна для этого исследования! Ведь закон действует в любое время года. Все, что вам нужно, – это бумага и некоторый «индикатор» температуры. Для этого прекрасно подойдет кубик льда!
Положите оба листа бумаги на ровную поверхность земли так, чтобы на них падали солнечные лучи. Нужно, чтобы в этом месте солнце светило на них по крайней мере еще полчаса. Положите по кубику льда в середину каждого из листов. Кубики можно обложить камешками, если они соскальзывают.
Наблюдайте за тем, как они будут плавиться. Это не займет много времени. Какой из кубиков растает первым? Если тот, что лежал на черной бумаге, то вы снова в результате эксперимента с бумагой доказали, что темные цвета поглощают тепло и нагреваются быстрее, чем светлые.
Эксперимент с бумагой – бумажный горшок
Предположим, что вы заблудились в лесу и у вас нет с собой котелка или кастрюльки, а для того, чтобы приготовить ужин, вам нужно вскипятить воду. Как сделать это? Вероятно, вы удивитесь, когда я предложу вам сделать горшок из бумаги. Наверное, вы скажете: «Где же я возьму в лесу бумагу?» Это легко, если вы вспомните, что бумага делается из волокон растений, которых в лесу полным-полно. Вы можете использовать немного «природной бумаги» вроде той, что использовали индейцы. Береста или тонкая кора многих других деревьев подойдет просто замечательно.
Теперь, когда у вас есть бумага, все, что вам нужно сделать, – это сложить ее в форме коробки с открытым верхом, налить в нее воды и держать над огнем, пока вода не закипит.
Но подождите минутку. Вы можете сказать: «Ведь бумага или кора загорится, если я помещу ее у огня». Прежде чем беспокоиться об этом, вспомните, что это своего рода научное исследование, но не переживайте ведь мы не разбираемся как выжить в лесу, если вы потерялись. Следовательно, надо разобраться вот в чем: почему кора не загорится?
Перед тем как вы будете искать причины, скорее всего, вам захочется самим убедиться, что этот фокус действительно осуществим. Вам не понадобится кора, и тем более не обязательно теряться в лесу. Это исследование неплохо пройдет и с писчей бумагой, сковородкой и кухонной плитой. (Для безопасности при этом обязательно должны присутствовать пожарные.)
Сначала сложите бумагу в виде коробки, загнув кверху по 1 см с каждой стороны и закрепив углы скрепками или с помощью маленьких кусочков клейкой ленты (см. иллюстрацию).
Наполните эту коробку водой примерно на треть. Если она протекает, значит, это не водостойкая бумага, и вам нужно попробовать сделать ее из бумаги другого типа (обычно подходит гладкий картон). Как только сделаете коробку, которая не будет протекать, наполните ее водой и поместите в сковородку. Сковородку поставьте на горелку маминой плиты. С ее разрешения включите плиту и смотрите на воду.
Старая поговорка гласит: «Смотреть на котелок, который никогда не вскипит», но в вашем эксперименте это не так. Через несколько минут вы обнаружите, что вода начала бурлить и кипеть. Когда это произойдет, выключите горелку. Пока в бумажном горшке есть вода, он не загорится и не обуглится, но небольшое количество воды быстро испарится, и сразу вслед за этим бумага вспыхнет.
Почему же бумажный горшок работает так хорошо?
Почему он не сгорает?
А почему что-то вообще горит?
Для того чтобы что-либо горело, необходимы три условия.
Во-первых, должно быть топливо – то, что может гореть.
Во-вторых, необходим кислород или воздух.
И в-третьих, топливо должно достичь температуры горения, то есть оно должно быть достаточно горячим, чтобы соединяться с кислородом, находящимся в воздухе. Если любое из этих трех условий не выполняется, огня не будет. А теперь давайте взглянем на бумажный горшок.
У нас есть топливо для огня. Топливо здесь – сама бумага. У нас есть и кислород. Кислород содержится в воздухе везде вокруг горшка. Кажется, мы достигаем и нужной температуры, поскольку бумага находится на горячей плите или огне, но существует одна причина, из-за которой она не загорается.
Если бумага получает достаточно тепла, она достигнет температуры горения и воспламенится. Чтобы закипеть, вода в горшке тоже должна быть очень горячей. Воде для этого требуется столько тепла, что большая часть тепла от плиты проходит прямо через бумагу и повышает температуру воды. Это означает, что вода достигает своей точки кипения, в то время как бумага не может добраться до своей температуры горения. А без воды бумага будет становиться все горячее и горячее и в конце концов достигнет температуры, необходимой для соединения с кислородом в воздухе. Когда это происходит, из бумаги вырывается пламя.
А почему бы не поставить бумажный котелок прямо на плиту? Почему вы поставили его в сковородку? Вы можете поставить его прямо на плиту, но только если сложили его очень аккуратно. Каждая часть бумаги, соприкасающаяся с горелкой, должна быть влажной. Если вы сложили бумагу неровно, так, что углы остаются сухими, они могут достигнуть температуры горения и тогда быстро вспыхнут и обгорят.
Сковородка же распределяет тепло равномерно по дну горшка. Возможно, вы изобретете лучший способ складывания горшка, такой, что все части бумаги изнутри окажутся покрытыми водой. Когда вам это удастся, вы можете провести этот эксперимент и без сковородки.
Теперь вам известны три условия, необходимые для получения огня, и вы можете попытаться провести исследование, кажущееся несколько удивительным. Бумагу можно использовать для получения огня, но она же может помочь и при тушении. Прежде чем вы будете читать дальше, подумайте, как лист горящей бумаги погасить кусочком той же самой бумаги.
Вырежьте квадрат 5×5 см из одного угла листа бумаги. Скомкайте этот квадратик в шарик. Подожгите его и быстро бросьте в стеклянный стакан. Это ваш костер. Как бы вам теперь потушить его?
Существует много способов: вы можете задуть его; вы можете полить его водой; вы можете подождать, пока он не прогорит. Однако вы можете испытать способ, самый удивительный из всех, – просто положить оставшийся лист бумаги на стакан! Сначала вы, вероятно, подумаете, что это пустая затея, поскольку пламя может вспыхнуть и на нем, но если вы аккуратно закроете весь верх так, чтобы между бумагой и стаканом не осталось щели, пламя начнет уменьшаться и в конце концов полностью погаснет.
Почему пламя гаснет, вместо того чтобы прожечь бумагу наверху? Вспомните три условия, необходимые для огня: топливо, кислород и тепло. Пока стакан был открыт, в нем всего этого было предостаточно, но стоило вам закрыть его, как ограничился доступ кислорода. Огонь быстро использовал его, а без него огня быть не может. Точно так же отсутствие любого другого из необходимых условий заставляет огонь погаснуть. Вот три случая, когда огонь гаснет при отсутствии одного из этих условий:
• Горящая газовая плита. (Закройте газ, что обеспечит отсутствие топлива.)
• Горящая кастрюля с жиром на плите. (Закройте ее крышкой. Это приведет к отсутствию кислорода.)
• Горящее здание. (Поливайте его водой из шланга. Это понизит его температуру.)
Можете вы придумать другие виды горения и способ потушить огонь? Для каждого из придуманных примеров попробуйте определить недостающее условие, в результате которого огонь погаснет.
Эксперименты с бумагой – это интересно.
Изучаем бумагу