Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Знание — сила»
«Квант»
«Квантик»
«Кот Шрёдингера»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
10.03
Глобальное потепление создало экологическую ловушку для очковых пингвинов

09.03
При помощи вибрационных сигналов гусеницы зазывают товарищей и прогоняют конкурентов

06.03
Что общего у голых землекопов и «голых обезьян»?

03.03
Древние и продвинутые виды сосуществовали после глобального пермо-триасового вымирания

02.03
Выяснилось, как именно ацетилирование регулирует активность белка p53






Главная / Библиотека / В популярных журналах / «Квантик» версия для печати

Четыре стихии Эмпедокла

Константин Богданов
«Квантик» №4, №5, №6, №7 и №8 за 2014 год

Памяти Константина Богданова

Четыре стихии Эмпедокла

Эмпедокл (ок. 490 до н. э. — ок. 430 до н. э.)

Эмпедокл — древнегреческий философ, врач и жрец, живший на острове Сицилия 2500 лет тому назад.

Эмпедокл считал, что всё сущее состоит из четырёх первоначальных стихий: земли, воздуха, огня и воды. Две противоборствующие силы — любовь и ненависть, или же симпатия и антипатия, — воздействуют на эти стихии, объединяя и разъединяя их в бесконечном количестве разнообразных форм (цит. по энциклопедии «Древний мир» в 2 кн. Кн. 2. Л-Я. М.: ОЛМА-ПРЕСС Образование, 2004).

В наше время рассуждения Эмпедокла иногда вызывают смех, ведь всем известно, что предметы состоят из атомов и молекул. А бесконечное разнообразие природы, о котором говорил Эмпедокл, вызвано многочисленными химическими реакциями между молекулами и атомами.

Да и причём здесь любовь и ненависть, симпатия и антипатия? Как может, например, лист бумаги любить бокал с водой или спичка ненавидеть мыло?

Чтобы ответить на эти вопросы, поставим простые опыты, ведь, как сказал знаменитый Леонардо да Винчи, единственным критерием истины является опыт.

ОПЫТ 1. Любит ли лист бумаги бокал с водой?

Любит ли лист бумаги бокал с водой?

Вырежем из плотной бумаги квадрат со стороной 15 см. Лучше всего для этих целей подойдёт обложка настенного календаря. Возьмём бокал с обычной водопроводной водой, накроем бумажным квадратом и аккуратно перевернём, плотно прижимая лист к бокалу.

Когда бокал окажется перевёрнутым и движение воды в нём прекратится, перестанем держать лист и отведём руку в сторону. Если мы всё сделаем верно, то лист бумаги не оторвётся от бокала с водой и как бы притянется к нему (см. рисунок ниже). Неужели Эмпедокл был прав, и лист бумаги влюбился в бокал с водой? Почему это происходит?

Любит ли лист бумаги бокал с водой?

ОПЫТ 2. Почему спичка ненавидит мыло?

Четыре стихии Эмпедокла

Возьмём большую ёмкость (лоток для приготовления заливных блюд и студня, глубокую сковороду или кастрюлю диаметром не менее 30 см, ведро или даже ванну). Ополоснём её, чтобы удалить остатки мыльного раствора, и заполним холодной водопроводной водой. Затем возьмём спичку, опустим на секунду её головку в любой шампунь, а потом аккуратно положим эту спичку на поверхность воды и отпустим. Мы увидим, что спичка быстро уплывает от «мыльного места», где она коснулась воды головкой (см. рисунок ниже). Спичка как будто ненавидит мыльный раствор, если пользоваться терминологией Эмпедокла, и стремится к чистой воде. Почему?

Почему спичка ненавидит мыло?

Видео опытов 1 и 2, выполненных под руководством автора, можно найти на сайте «Квантика».

Блез Паскаль1623–1662

Блез Паскаль (1623–1662)

Четыре стихии Эмпедокла

Чтобы объяснить опыты 1 и 2, нам надо сначала узнать, что такое одна из стихий Эмпедокла — воздух. Всем известно, что без воздуха человек жить не может — нашему организму необходим кислород, содержащийся в воздухе. Обнаружить присутствие воздуха можно довольно легко. Для этого достаточно взять в руки лист бумаги — взмахнув им, как веером, мы сразу почувствуем на лице дуновения движущегося воздуха.

Толщина слоя воздуха над поверхностью Земли — около 100 километров. Эту воздушную оболочку Земли называют атмосферой. И хотя воздух почти в 1000 раз легче воды, атмосфера давит на все участки поверхности нашего тела с довольно заметной силой — на каждый квадратный сантиметр действует сила, равная весу килограммовой гири. Это давление и называют атмосферным.

Толщина атмосферы над горами меньше, чем над морем, и поэтому воздух высоко в горах не так сильно сжат, а значит, и атмосферное давление воздуха в горах меньше. Например, на вершине Эльбруса атмосферное давление в два раза меньше, чем в Сочи.

Атмосферное давление изменяется не только при подъёме в горы, но и при изменении температуры и влажности воздуха. И если в Москве атмосферное давление становится ниже, чем в Туле, то более сжатый воздух из Тулы начинает двигаться в сторону Москвы, то есть дует южный ветер. Поэтому измерение атмосферного давления помогает делать прогноз погоды.

Знаменитый французский учёный Блез Паскаль первым доказал существование атмосферного давления и продемонстрировал его уменьшение при подъёме в гору. Кроме того, Паскаль сконструировал первую механическую вычислительную машину, которую сейчас называют арифмометром. Именем Паскаля названа единица измерения давления (1 Паскаль = 1Н/м2) и один из языков программирования.

ОБЪЯСНЕНИЕ ОПЫТА 1 «Любит ли лист бумаги бокал с водой?»
ОБЪЯСНЕНИЕ ОПЫТА 2 «Почему спичка ненавидит мыло?»

ОПЫТ 3. Как из воды сделать воздух?

Этот опыт лучше проводить в присутствии взрослых. Налейте в пластиковый пакет чуть-чуть (30 мл) воды, выдавите из него воздух и герметично завяжите сверху. Затем положите пакет в микроволновую печь и включите её. Через несколько секунд пакет начнёт расширяться, и приблизительно через минуту он раздуется так, что займёт почти весь объём микроволновки.

ОПЫТ 3. Как из воды сделать воздух?

Соблюдайте меры предосторожности, так как пакет может быть довольно горячим. Ответьте на два вопроса:
1. Откуда появился воздух в герметичном пакете?
2. Что будет с герметичным пакетом в работающей микроволновке, если в него не наливать воды?

Видео этого эксперимента, а также объяснение опыта 1 («Любит ли лист бумаги бокал с водой?») можно найти на сайте «Квантика».

В опыте 3 «Как из воды сделать воздух?» одна из стихий Эмпедокла (вода) порождала другую его стихию (воздух). Из опыта следовало, что вода и воздух чем-то похожи, если переходят друг в друга при нагреве и охлаждении. Если вы не догадались, почему раздувался герметичный пакет с водой при нагреве в микроволновке, то вот объяснение.

ОБЪЯСНЕНИЕ ОПЫТА 3 «Как из воды сделать воздух?»

ОПЫТ 4. Почему поют бокалы?

Четыре стихии Эмпедокла Четыре стихии Эмпедокла

Этот опыт лучше сделать в присутствии взрослых. Для опыта потребуется два одинаковых бокала. Заполните один из них водой наполовину, а второй оставьте пустым. Левой рукой прижмите ножку (подставку) пустого бокала к поверхности стола. Затем смочите водой указательный палец правой руки и медленно проведите им по верхнему краю пустого бокала, постепенно увеличивая давление пальца на край. При достаточном давлении эти круговые движения пальца приведут к возникновению звука. Затем сделайте то же с бокалом, наполовину заполненным водой. Вы услышите, что бокал с водой издаёт более низкий звук.

Ответьте на два вопроса:
1. Почему бокал начинает петь?
2. Почему высота звука поющего бокала уменьшается, если в бокал налить воды?

Видео этого эксперимента можно найти на сайте «Квантика».

Роберт Гук (1635–1703)

Роберт Гук (1635–1703)

Ut tensio, sic uis

Английский учёный Роберт Гук (1635–1703) в 1660 году открыл закон, связывающий силу и деформацию, которую она вызывает в твёрдом теле. Закон, который сейчас называют законом Гука, утверждает, что упругая деформация тела прямо пропорциональна величине приложенной силы. На латыни Гук записал этот закон следующим образом: «Ut tensio, sic uis», что дословно означает «Какова сила, таково и удлинение». В те времена учёные, объявляя о своих открытиях, иногда шифровали их, так как боялись, что эти открытия кто-нибудь присвоит. Поступил так и Гук. Из латинской формулировки своего закона он сделал анаграмму — переставил буквы в алфавитном порядке. В результате получилось следующее: «ceiiinosssttuu». Эту анаграмму он и опубликовал в 1676 году, а в 1678 году расшифровал.

Четыре стихии Эмпедокла

Среди многочисленных открытий и изобретений, принадлежащих Гуку, упомянем его самое главное техническое изобретение — карманные часы с небывало высокой для того времени точностью хода. Они отставали или спешили меньше чем на минуту в день. Чтобы обеспечить такую высокую точность, Гук включил в конструкцию часов анкерный механизм (рис. 1) и спиральную пружину (рис. 2). До изобретения Гука часы надо было подводить ежедневно, так как они могли убежать или отстать за это время больше чем на 15 минут. К концу XIX века пружинные часы Гука были усовершенствованы и их точность возросла ещё в 10 раз, что позволяло морякам точнее фиксировать момент наступления полдня и определять долготу своего положения в открытом море с точностью до 0,5 градуса.

Четыре стихии Эмпедокла

1. Спусковое колесо вращается при помощи батарейки (раньше её роль выполняла заводная пружина или гиря). Анкер колеблется, заставляя спусковое колесо крутиться не непрерывно, а на одно деление за фиксированное время. 2. Балансир со спиральной пружиной работает как маятник — балансир делает колебания анкера не слишком быстрыми и довольно равномерными, экономно расходуя энергию спускового колеса, а пружина ещё улучшает эти свойства. 3. Спусковое колесо подталкивает балансир через анкер. В результате балансир работает как маятник всё время, пока крутится колесо

В опыте 4 «Почему поют бокалы?» стеклянный бокал начинал звучать, когда по его краю проводили влажным пальцем. Известно, что стекло производят из речного песка, который вместе с другими породами (гранит, мрамор, известняк и др.) является частью земной коры. Таким образом, почти все твёрдые тела можно считать «земной» стихией Эмпедокла, и все они могут стать источниками звука. А теперь ответим на вопрос, почему соприкосновение твёрдых тел приводит к возникновению звука.

ОБЪЯСНЕНИЕ ОПЫТА 4 «Почему поют бокалы?»

ОПЫТ 5. Почему вилки не падают?

ОПЫТ 5. Почему вилки не падают?

Возьмите две вилки, соедините их, а в промежуток между ними воткните деревянную зубочистку. Затем разместите эту конструкцию на стеклянном бокале (или высоком стакане) так, чтобы она касалась края бокала только зубочисткой (см. рисунок справа). При этом постарайтесь, чтобы конструкция не падала, а висела на краю устойчиво. То, что это действительно можно сделать, показано на видео на сайте «Квантика».

А теперь ответьте на два вопроса:
1. Почему конструкция из двух вилок и зубочистки такая устойчивая?
2. Где находится центр тяжести этой конструкции?

Архимед (ок. 287–212 до н. э.)

Архимед (ок. 287–212 до н. э.)

Знаменитый древнегреческий учёный Архимед (ок. 287–212 до н. э.) жил в городе Сиракузы (о. Сицилия), который находится в сотне километров от города Акрагас (сейчас Агридженто), где двумя веками раньше жил Эмпедокл, разделивший мир на четыре стихии. Архимед очень любил геометрию, и это помогло ему открыть несколько законов физики, один из которых назван его именем.

Четыре стихии Эмпедокла

Закон Архимеда гласит: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа). Впервые мир узнал о законе Архимеда из книги римского архитектора Витрувия, жившего в I веке до нашей эры и спроектировавшего во времена Юлия Цезаря римский акведук. По мнению Витрувия, Архимед открыл свой закон, принимая ванну, и сразу после этого он выскочил из дома нагим и стал кричать «Эврика!», что в переводе с греческого означает «Нашёл!».

Четыре стихии Эмпедокла

Не менее знаменитый закон, открытый Архимедом, — это «правило рычага». О том, каким необычным образом Архимед хотел использовать «правило рычага», поведал нам древнегреческий писатель Плутарх (45–127): «Архимед как-то раз написал царю Гиерону, с которым был в дружбе и родстве, что данною силою можно сдвинуть любой данный груз; как сообщают, увлечённый убедительностью собственных доказательств, он добавил сгоряча, что будь в его распоряжении другая Земля, на которую можно было бы встать, он сдвинул бы с места нашу». Короче, «дайте мне точку опоры, и я переверну мир».

Четыре стихии Эмпедокла

Архимед первым ввёл понятие «центра тяжести» тела и нашёл положение центра тяжести для плоских тел, имеющих форму треугольника и параллелограмма. Тем, кто забыл, напомним, что центр тяжести тела — это точка, к которой, можно считать, приложена сила тяжести (сила его притяжения к Земле).

Если тело повесить на гвоздь, вбитый в стену, то после нескольких колебаний тело станет неподвижным, а его центр тяжести окажется под точкой подвеса, то есть на вертикальной прямой, идущей вниз от точки подвеса. Используя это свойство центра тяжести, найдём его положение для фигуры, изображённой на рисунке (см. также видео на сайте «Квантика»). Сначала подвесим тело за точку А и, когда оно успокоится, проведём через точку А красную прямую вертикально вниз (как на рисунке справа). Затем сделаем то же самое, подвесив тело за точку В, и проведём синюю прямую (как на рисунке справа). Видно, что прямые пересеклись в точке С, которая и является центром тяжести этой фигуры. Во многих случаях центр тяжести тела может находиться вне этого тела. Видео на сайте «Квантика» показывает, что центр тяжести двух вилок, соединённых между собой, находится между ними.

ОБЪЯСНЕНИЕ ОПЫТА 5 «Почему вилки не падают?»

ОПЫТ 6. Как шарик оказывается в бокале?

ОПЫТ 6. Как шарик оказывается в бокале?

Возьмём шарик для настольного тенниса, бокал и разместим их так, как показано, на столе. Возможно ли положить шарик в бокал, не прикасаясь к шарику руками и другими частями тела? Толкать шарик к краю стола, а потом ловить его бокалом тоже запрещается. То, что это действительно можно сделать, показано на видео на сайте «Квантика».

А теперь ответьте на два вопроса:
1. Какая сила затягивает и удерживает шарик в бокале?
2. Можно ли сделать этот опыт с бокалом, расширяющимся кверху?

ОБЪЯСНЕНИЕ ОПЫТА 6 «Как шарик оказывается в бокале?»

Художник Артём Костюкевич

См. также:
Научно-популярная лекция Константина Богданова «Физика внутри нас», 13 декабря 2007 года, Москва, ФИАН.


Комментарии (1)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия