Физика и яйца

Попался мне недавно на глаза Рассказ русской студентки во Франции.

Посмеялась над тем, что французам в школе не объяснили такой простой и полезной вещи, как разная скорость вращения сырых и вареных яиц. С уважением отнеслась к их тяге к знаниям (даже ливень не остановил!). И задумалась о том, что яйца позволяют продемонстрировать несколько замечательных физических явлений. Так сказать «Физика на кухне».

Рассмотрим внимательно простецкий вопрос приготовления варёных яиц.

Конечно, вы знаете, что яйца из холодильника нужно класть в холодную воду, иначе треснут и получите после варки полупустое «лохматое» (из-за вылезшего из трещин белка) безобразие. Так что кладем в холодную воду и, прежде чем ставить на плиту, внимательно глядим на яйца. Правильно ли они себя ведут?

Задачка №1. Масса среднего свежего яйца – 58 г, а его объём – 53 см3. Должно ли плавать свежее яйцо?  

Опытные люди сразу закричат: нет! Но иногда бывает, что яйцо в холодной воде привстанет или вовсе высунется из воды. Вот тут берегитесь! Такие яйца старые или протухшие. Дело в том, что скорлупа яйца содержит многочисленные поры (см. на рис. скорлупа, увеличение в 300 раз) для обеспечение кислородного обмена зародыша с окружающей средой. Когда яйцо долго лежит в холодильнике, то вода испаряется через поры, содержимое сжимается и в яйце образуется воздушный пузырь. Если яйцо портится, то в результате химических реакций образуется сероводород и тоже частично выходит, но даже будучи вареным, такое яйца так невыразимо пахнет, что есть его никто не будет.

Так что вылавливаем сразу плохие яйца, остальные ставим варить. Время варки зависит от  наименования блюда, которое вы готовите. На рисунке - время после закипания воды.

Разная степень готовности желтка объясняется невысоким коэффициентом теплопередачи: должно пройти время, чтобы разные слои яйца нагрелись до температуры выше 60 градусов и превратились в нечто вкусное. Долго варить нельзя: яйца, варившиеся больше часа, превращаются в отраву для тараканов.

Но стоять над кастрюлей с часами скучно, поэтому легче время от времени вылавливать яйцо ложкой, осторожно класть на стол и закручивать. Несварившееся яйцо еще жидкое, удается закрутить только скорлупу и прилегающие к ней слои. Внутреннее жидкое содержимое в процесс не вовлекается и тормозит вращение. Вареное яйцо крутится бойко и целиком, энергично делая десяток оборотов.

Если яйца сварились, сразу приступаем к проведению следующего физического процесса: сливаем кипящую воду и заливаем холодной. Коэффициент объемного расширения скорлупы на порядок меньше, чем у вареного содержимого. Поэтому вареное яйцо сжимается при быстром охлаждении сильнее, чем скорлупа и отделяется от неё. Для верности можно стукнуть по скорлупе ложкой, в трещину втянет холодную воду.

Сваренные яйца очистите и съешьте все, кроме одного. А с оставшимся проведите эксперимент:

 

Помните, как это объясняется? Чувствуете, что мы переходим к теме «Молекулярная физика и термодинамика», которой будет посвящено следующее задание.

Для закрепления знаний и умений, можно попытаться решить еще несколько задачек. Конечно, вы вряд ли встретите «задачи про яйца»  в ЕГЭ, там будут другие объекты, но суть задачи от этого не изменится. Среди задач есть одна задача-шутка и одна олимпиадная задача. Попробуйте найти нестандартный подход.

Задачка №2. Самая высокая температура почвы в Туркмении до­стигает 77 °С. Гигантское куриное яйцо с начальной температурой 27 °С засыпали горячим песком, чтобы сварить. Какова масса яйца, если оно получило при этом от почвы 40 кДж энергии? Удельная теплоемкость содержи­мого яйца 2 кДж/(кг • К).

Задачка №3. Как может брошенное яйцо пролететь три метра и не разбиться?

Задачка №4. Если выстрелить из мелкокалиберной винтовки в вареное яйцо, то в яйце образуется отверстие. Если же выстрелить в сырое яйцо, оно разлетится. Как объяснить это явление?

Задачка №5. Школьник прочитал в газете «Советы домохозяйке»: «Для того, чтобы рассортировать куриные яйца по степени свежести, возьмите 4 стеклянные банки, налейте в каждую пол-литра воды и растворите в первой банке 50 г соли, во второй – 45 г, в третьей – 30 г и в четвертой – 15 г. После этого поочередно опускайте яйца в каждую банку. В 1-й банке будут тонуть только что снесенные яйца, во 2-й –снесенные не более двух недель назад, в 3-й  –снесенные не более пяти недель назад, в 4-й –снесенные не более восьми  недель назад. Школьник,  следуя инструкции, рассортировал яйца, а затем слил все растворы в одну кастрюлю. Сколько недель назад снесены яйца, которые тонут в получившемся растворе?

Задачка №6. Предложите схему эксперимента для определения времени, необходимого для варки яйца страуса вкрутую (в каждой точке достигается температура, при которой белки сворачиваются), если для куриного яйца массой 65 г требуется 5 минут. Принять, что у африканского страуса яйцо весит около 2 кг, подобно по форме и аналогично по составу куриному яйцу. (Обратите внимание, ваша задача предложить схему эксперимента, число яиц неограничено).

Движение в поле тяжести Земли

При изучении механики в школе очень много времени посвящают движению в поле тяжести Земли . Разбирают движение по вертикали с начальной скоростью и без, движение с горизонтальной начальной скоростью, движение под углом к горизонту. Кто-то пытается запомнить все формулы, а потом, запомнив с большим трудом, гордо пишет их без вывода  при решении задач (а они, в основном, не базовые и должны быть выведены). 

Зря это всё! При рассмотрении движения в поле  тяжести Земли (без учета трения) нужно просто помнить, что в этом случае имеется два независимых движения:

• Вертикальное движение с ускорением g
• 
•                                                  – ось координат направлена вверх)
• Горизонтальное равномерное движение  
  

Общее время движения определяется движением по вертикали (летит, пока не упадет на землю). Перечисленные случаи различаются между собой начальными условиями (начальными координатами, величиной и направлением скорости).

 В частности, при движении тела под углом к горизонту, тело имеет начальные горизонтальную и вертикальную составляющие скорости и движется вверх, пока вертикальная составляющая скорости не станет равной нулю. Но тело продолжает равномерно двигаться в горизонтальном направлении. Поэтому в точке наивысшего подъема оно имеет наибольшую потенциальную энергию и не равную нулю кинетическую энергию.

 Потенциальная энергия в точке наивысшего подъема численно равна кинетической энергии, соответствующей начальной вертикальной составляющей скорости, а полная энергия всегда – сумма потенциальной и кинетической энергии, имеющихся в данный момент. 

Задание №3

Заочная физическая школа при физическом факультете КемГУ

Задание №3.

Дорогие ребята!

В третьем задании вам предложены задачи по теме "Работа сил" и "Законы сохранения". Оформите решение каждой задачи как принято: с указанием, что дано и найти, сделайте рисунок, запишите основные физические законы, нужные для решения задачи, выведите из них ответ. Задачи, как обычно, в основном взяты из Открытого банка заданий ЕГЭ, некоторые скомбинированы, чтобы они перестали быть элементарными.

Решения нужно прислать  не позднее 30 января. Как я уже писала, решения для проверки могут присылать и школьники Кемеровской области, не выполнявшие 1-2 задания при условии предоставления анкеты по образцу..

Следите за сообщениями в блоге. В них будут подсказки.

Задача №1

Тело, массой 1 кг бросили с поверхности Земли со скоростью 20 м/с под углом 45° к горизонту. На какую величину изменится потенциальная энергия шарика в поле тяготения Земли, когда он окажется в верхней точке траектории полета?   Какую работу совершила сила тяжести за время полета тела (от броска до падения на землю)? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Задача №2

Снаряд массой 200 г, выпущенный под углом 30º к горизонту, поднялся на высоту 4 м. Какой будет кинетическая энергия снаряда в высшей точке траектории и непосредственно перед его падением на Землю? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Задача №3

С Новым годом!

Дорогие ребята!
Поздравляю вас с новогодними праздниками!  Надеюсь, что упорство, труд и немного удачи дадут вам возможность успешно сдать экзамены и продолжить учебу в вузе!

Хочу сообщить вам, что в ближайшие дни будет опубликовано задание №3 ЗФШ, которое будет посвящено работе сил и законам сохранения. К решению этих задач могут присоединиться и те, кто по ряду обстоятельств  пропустил предыдущие задания.

Подготовиться к решению задач можно с помощью материала "Законы сохранения в механике", опубликованного в этом блоге.

Безыскусные задачи про искусственные спутники (к решению задания №2)

Ну что ж такое! Уже много лет спутники «бороздят космические просторы Вселенной», а мы никак не научимся решать задачи про них!  Итак,

Задача №8 Искусственный спутник (3 балла)

Искусственный спутник обращается по круговой орбите на высоте 600 км от поверхности планеты. Радиус планеты равен 3400 км, ускорение свободного падения на поверхности планеты равно 4 м/с². Какова скорость движения спутника по орбите?

Решение.

Как в любой задаче «на силы» в этой нужно нарисовать картину сил, и она очень проста. На спутник действует только сила тяготения со стороны планеты. Сила тяготения направлена к центру планеты и обеспечивает центростремительное ускорение:

Вот такое рассмотрение и лежит в основе расчета траекторий летательных аппаратов (только куда как сложнее из-за учета влияния многих тел). В том числе и зонда Rosetta, ставшего спутником кометы Чурюмова-Герасименко (рис. вверху), и 75 миниатюрных наноспутников формата Cubesat размерами 10*10*10 см, запущенных в этом году на орбиту Земли. На фото внизу студенты собирают такой спутник.

Подробнее о самых значимых достижениях науки в 2014 г. можно прочитать здесь, откуда и фото.

К решению задания №2: эссе-1

Вот и пришло время разобрать решение задания №2. Очень жаль, что не все нашли время его решить и выслать для проверки.

Я не буду приводить решение всех задач, а разберу те (№№ 1, 2,5,8,9), которые вызвали наибольшие трудности.

Сначала поговорим о равнодействующей силе и характере движения.

Еще раз обращаю ваше внимание на второй закон Ньютона:

А это значит, что вектор ускорения направлен также как равнодействующая – векторная сумма сил, действующих на рассматриваемое тело.

То есть, когда вы нарисовали силы, действующие на тело, найдите их векторную сумму (равнодействующую силу) и убедитесь, что ее направление такое же как у вектора ускорения, соответствует характеру движения.

В задаче №1 (автомобиль на повороте) при решении школьники обычно изображают силы, обозначенные на рисунке синим: силу тяжести, реакции опоры (направлены вертикально), силу трения (направлена противоположно скорости). Редко изображают силу тяги F (сонаправлена со скоростью). Но очевидно, что равнодействующая этих сил  или равна нулю или направлена по касательной к окружности, то есть не могут создать центростремительного ускорения, нужного для поворота!

И только сила  трения покоя (изображена красным) может обеспечить такое ускорение. Так как она может изменяться от 0 до максимального значения, она будет ровно такой, чтобы обеспечить поворот радиуса R со скоростью v.

Для того, чтобы уменьшить последствия действия силы трения покоя при поворотах, железнодорожное полотно и велосипедные треки делают наклонными. Тогда центростремительное ускорение обеспечивает сила реакции опоры, действующая под углом к горизонту. 

И наоборот. В Задаче 2 (Груз в лифте)   показания динамометра – величина веса тела. Но вес тела действует на опору или подвес (в данной задаче – на динамометр). На тело действует сила натяжения нити, равная ему по величине. Величина сил известна, сила натяжения больше и ускорение направлено вверх.

Те же самые силы в задаче №5 (Груз в воде и в керосине).

И всегда пишите второй закон Ньютона сначала в исходной форме: сумма сил равна произведению массы на ускорение.

Если при решении задачи во второй части ЕГЭ, вы не напишете, что пользуетесь этим законом и не запишете его, скорее всего лишитесь балла.

О других задачах – в следующем сообщении.

ДЕНЬ ОТКРЫТЫХ ДВЕРЕЙ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА