Почему у пингвинов не мерзнут лапы? и еще 114 вопросов, которые поставят в тупик любого ученого - О'Хара Мик. Страница 30

Когда лампочку включают, на тонкую нить накаливания обрушивается тройной удар.

От сопротивления металла повышается температура нити. При включении сопротивление составляет одну десятую долю обычного рабочего, поэтому через нить проходит ток силой, в десять раз превышающей расчетную величину, быстро нагревает нить и создает тепловое напряжение.

Если какая-нибудь часть нити тоньше остальных участков, она будет нагреваться еще быстрее. Удельное сопротивление на миллиметр длины окажется выше, чем в остальной нити, поэтому на данном участке тепло будет накапливаться быстрее, чем на соседних, в результате тепловое напряжение резко возрастет.

Вдобавок ко всему, нить представляет собой спираль, которая также действует как электромагнит. Из-за магнитных свойств соседние витки отталкиваются друг от друга, поэтому проходящий по нити ток оказывает воздействие на тонкую и хрупкую нить, создавая механическое напряжение.

Неудивительно, что бедняжка рвется при включении света.

Роберт Сениор Ашгингем, Ратленд, Великобритания

Чем выше сила электрического тока, который проходит через вольфрамовую нить обычной лампочки накаливания, тем сильнее нагревается металл. Когда лампочку только включают, температура нити очень быстро повышается, нить раскаляется добела. При таком быстром нагревании нить подвергается максимальному воздействию физического и теплового напряжения. Когда ток выключается, нить находится в тепле лампочки, поэтому температура изменяется медленнее, чем при включении. Следовательно, вероятность, что нить лопнет при включении, гораздо выше, чем во время работы или при остывании после включения.

Росс X. Клеменс Норт-Наррабин, Новый Южный Уэльс, Австралия

Нить накаливания лампочки лопается при включении тока потому, что сила тока и температура при этом максимальны. Если измерить сопротивление холодной нити лампочки, обнаружится, что оно гораздо меньше расчетного.

Для 100-ваттной лампочки сопротивление, измеренное мной в холодном состоянии, составило всего 6 Ом, а в горячем — около 140 Ом. Таким образом, сила тока и температура гораздо выше при включении, чем после того, как лампочка уже поработала некоторое время и достигла расчетной температуры. Это особенно справедливо для тех участков нити, где она истончилась от старости и испарения частиц металла. Большая начальная сила тока действует на эти участки нити, создавая температуру гораздо выше стандартной, отчего нить и плавится. Сразу после включения лампочки выполняют более трудную работу, тонкие участки нити нагреваются гораздо сильнее, чем просто при эксплуатации.

У. Анрах Ванкувер, Канада

Лампочка накаливания дает свет благодаря нагреванию вольфрамовой нити до температуры около 2500 °C. При высокой температуре атомы вольфрама испаряются с поверхности нити, вызывая почернение, которое иногда видно внутри стеклянной колбы. Из-за этого испарения нить со временем становится тоньше.

Горячая точка, разрушающая нить, может появиться на ней по двум причинам. Во-первых, если расстояние между двумя витками вольфрамовой спирали окажется меньше среднего, температура сжатых витков будет выше нормальной, поскольку пространства для излучения у них меньше. Во-вторых, некоторые витки спирали могут быть тоньше остальных. Сопротивление этих витков окажется выше, чем у обычных.

Следовательно, скорость теплообразования в горячих точках будет больше, чем на соседних участках, а поскольку площадь поверхности тонких участков меньше, скорость теплоотдачи падает, таким образом температура нити оказывается выше нормальной.

Поскольку скорость испарения увеличивается экспоненциально росту температуры, более горячие точки будут истончаться быстрее. По мере утончения нити в горячих точках ее сопротивление растет, следовательно, увеличивается и температура. Поэтому температура будет продолжать повышаться, а нить — истончаться в ускоряющемся темпе.

Сопротивление холодной нити лампочки составляет примерно одну десятую сопротивления при нормальной рабочей температуре. Это означает, что при включении сила тока очень велика по сравнению с нормальной рабочей. Если диаметр нити в горячей точке станет достаточно мал, мощный ток при включении может расплавить нить.

Когда между концами разорванной нити образуется зазор, электрический разряд вызывает искру или дугу в нем. Эта дуга может распространиться на провода, подводящие ток к нити накаливания. В этом случае дуга низкого сопротивления резко увеличивает силу тока в лампочке, и это, в свою очередь, вызывает срабатывание предохранителя или выключение тока в цепи. Дугу можно увидеть как вспышку света внутри лампы.

Билл Мадилл Университет Центральной Англии, Бирмингем, Великобритания

6. Наша планета, наша Вселенная

На этот вопрос можно дать два ответа. Первый: для каждого человека время будет определяться его суточным (циркадным) ритмом. Поначалу это физиологическое время будет соответствовать времени на той долготе, на которой человек жил до того, как попал на полюс.

За несколько недель, проведенных на полюсе, индивидуальный ритм установится, суточный период составит примерно 25 часов.

Разумеется, есть также местное время, неподвластное человеческому измерению, если вы, конечно, не философ, живущий где угодно, только не на полюсе.

Итак, второй ответ: время либо дневное (на протяжении шести летних месяцев), либо ночное (в шесть зимних месяцев).

На равноденствие я не бывал на полюсе, но могу представить себе несколько сумеречных недель, когда солнце находится на горизонте.

Уилл Хопкинс Университет Отаго, Новая Зеландия

Суть вопроса в следующем: каким образом измерять время человеку, который родился и вырос на Северном полюсе и никогда не слышал ни о Гринвиче, ни о Токио, ни о других городах Земли?

Можно сделать это таким образом. Допустим, на Северном полюсе есть темный период года, когда солнце постоянно находится у линии горизонта. Прикрепите к шесту горизонтальную доску и нарисуйте на ней окружность, в которой начертите два диаметра перпендикулярно друг другу. Обозначьте точки пересечения окружности и диаметров А, Б, В и Г.

На Северном полюсе звезды вращаются в плоскости, параллельной горизонту. Плоскость горизонта на полюсах совпадает с плоскостью небесного экватора.

Затем выберите на горизонте какую-нибудь звезду и определите как нулевой час момент, когда эта звезда пересекает линию визирования через точку А, если Смотреть от центра круга (шеста). Моменты пересечения звездой точек Б, В и Г соответствуют 6, 12 и 18 часам.

После этого легко провести на доске другие прямые линии согласно промежуточным часам.

Если бы мне потребовалось выполнить эту задачу в данный момент (на Северном полюсе), в качестве опорной точки я выбрал бы одну из трех звезд на поясе Ориона, потому что они находятся почти на небесном экваторе, являются самыми яркими из всех соседних звезд, а также из звезд на небесном экваторе и отчетливо видны невооруженным глазом.

Следующей проблемой на полюсе будет выбор средств отсчета времени летом, когда звезд не видно из-за полярного дня.

Нанеся зимой часовые линии, следует дождаться, когда солнце поднимется над горизонтом. В тот момент, когда оно появится и возвестит приближение полярной весны, мы отмечаем азимут солнца. Часовая линия, которой он соответствует, будет называться временем восхода по 24-часовой системе, разработанной зимой.

Подобно звездам зимой, солнце будет вращаться в плоскости, параллельной горизонту, но, в отличие от нашей опорной звезды, которая вращается всегда в одной и той же плоскости, плоскость вращения солнца будет день ото дня подниматься и наконец достигнет наивысшей точки, расположенной под утлом 23,5° к горизонту.