Вечные вопросы бытия

Парадокс кошки с маслом. Иллюстрация: Greg Williams, wikiwand.com

Почему бутерброд падает маслом вниз? Разобраться в особенностях падения бутерброда пытались многие. Кое-кто увлекся так сильно, что получил за это награду: в 1996 году Шнобелевскую премию по физике вручили Роберту Мэттьюзу (Robert Matthews) из Астонского университета (Англия) за его статью «Падающий бутерброд, закон Мерфи и мировые постоянные», опубликованную в European Journal of Physics. В 1830 году Иоганн Шмидт опубликовал книгу «Общедоступное изложение физики». В ней он писал: «То, что бутерброды обычно падают маслом вниз, конечно, не более чем предрассудок. Но тот, кто захотел бы заняться исследованием положения центра тяжести бутербродов, нашел бы прекрасный случай применить свою ученость без всякой пользы». Упомянутый в заголовке статьи закон Мерфи (или закон подлости) гласит: «Если что-то может пойти не так, оно пойдет не так». Получается, если бутерброд может упасть маслом вниз, это непременно случится. И объяснения не будет! А такого ученые (да и мы) не терпят, поэтому «закону бутерброда» и его опровержениям посвящено немало работ. Объяснение Мэттьюза таково: так как бутерброд всегда лежит маслом вверх, а падает чаще всего, будучи «сдвинутым» с края стола, он просто не успевает сделать разворот на 360° и оказывается на полу маслом вниз. Таким образом, если стол будет высотой около трех метров, то бутерброду хватит времени сделать оборот, и он приземлится сливочной стороной вверх. Но поскольку все столы обычно не выше полутора метров, человечество обречено терять бутерброды. Некоторые объясняют феномен бутерброда тем, что масло перевешивает и смещает центр тяжести, но это не так. На масло приходится меньше 10 % общего веса бутерброда, поэтому оно не может повлиять на траекторию полета. Еще одна популярная версия – психологический эффект. Если бутерброд упал маслом вверх, мы просто его съедаем и забываем. Негативное же откладывается в голове, и воспоминание об испорченном завтраке преследует нас всю жизнь, формируя представление о бутербродах, обреченных на приземление «маслом в пол». Иллюстрация: studiogstock, vecteezy.com Практические же эксперименты показали, что никакие законы Мерфи наш бутерброд не интересуют и он может упасть на любую из сторон. В 2001 году тысяча британских школьников по поручению Мэттьюза сдвигали бутерброды к краю стола. Всего получилась 21 тыс. падений, и в 62 % случаев бутерброды упали маслом вниз, а в 38 % – вверх. Хотя опыты проводились и до статьи Мэттьюза. В 1991 году в фильме «QED» от корпорации BBC было проведено множество экспериментов, и из 300 упавших бутербродов 148 приземлились маслом вверх (практически 50-процентная вероятность). Справедливо отметить, что на съемках тосты не двигали с края, а просто подкидывали в воздухе, что похоже не на реальную бытовую ситуацию, а на подбрасывание монетки. Чтобы бутерброд упал маслом вверх, стол должен быть трехметровым, человек за ним – шестиметровым. Физики уверяют, что существо такого роста в нашей Вселенной сильно пострадает при падении, а потому невозможно. Так что закон бутерброда – космическая постоянная. Почему яблоки темнеют при надрезе? Обычно потемнение яблока на срезе объясняют наличием в нем железа – вы режете фрукт, кислород окисляет железо, и яблоко темнеет. Однако большое количество железа в яблоках – миф, который давно пора развеять. На плод весом 100 г приходится всего 1–2 мг железа. Этого уж точно не хватит, чтобы заставить яблоко «ржаветь». Но подход правильный, причина потемнения яблок – внутри. В них (как и в бананах, персиках, авокадо, грушах и многих других фруктах) содержатся антиоксиданты полифенолы. А также ферменты полифенолоксидазы (PPO), задача которых – окислять полифенолы. Когда мы разрезаем яблоко, кислород попадает в его поврежденную ткань. Встретившись в клетках с кислородом, полифенолоксидазы (PPO) в хлоропластах быстро окисляют фенольные соединения до орто-хинонов. Сами по себе они бесцветные, но придают яблоку коричневый цвет, вступая в реакцию с аминокислотами и образуя меланины того же цвета. Почему некоторые яблоки темнеют быстрее, чем другие? Ткани почти всех фруктов содержат PPO, однако уровень их активности и итоговая концентрация фенольных соединений могут варьироваться в зависимости от условий выращивания, зрелости и сорта яблока. Если вам не нравится коричневый цвет, можно обработать срез лимонной кислотой – это поможет замедлить реакцию: активность полифенолоксидаз снижается при повышении кислотности. Но в диких условиях этот механизм полезен как защита от вредителей. Если яблоко атакует какая-нибудь голодная гусеница и повреждает плод, в тканях запускается та же реакция. И хотя для людей хиноны безопасны, для микроорганизмов, насекомых и грибков они могут быть токсичны. Почему пельмени всплывают при варке? Архимед, размышляя о загадках Вселенной под палящим солнцем Сицилии, и не догадывался, что его научные труды помогут решить важный для людей XXI века вопрос: почему пельмени всплывают при варке? Ведь, когда мы кидаем их (да и вареники тоже) в кастрюлю, они тут же тонут. Это вроде понятно – у пельменей есть масса, и сила гравитации заставляет их лечь на дно. Оказавшись в воде, замороженный пельмень испытывает давление жидкости. И чем глубже он опустится, тем сильнее будет давление. А еще у пельменей есть объем, соответственно, давление на их нижнюю часть больше, чем на верхнюю. Разность этих давлений провоцирует силу Архимеда. Этот закон – один из главных в гидро- и аэростатике. Согласно ему, на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу объема жидкости или газа, вытесненного частью погруженного тела. То есть чем больше пельмень, тем больше сила Архимеда, заставляющая его всплыть. Иллюстрация: yaankabir, vecteezy.com Кроме того, во время кипячения вода в пельменях нагревается и превращается в пар. Из-за этого оболочка из теста разбухает, словно воздушный шар, – увеличивается объем пельменей и сила Архимеда. Когда она «побеждает» силу тяжести, пельмени всплывают. Если, конечно, вы за ними следили и они не прилипли! Почему сосиски лопаются только вдоль? Задачу про сосиску предлагал даже Петр Капица в своем учебнике «Понимаете ли вы физику?» для студентов Московского физико-технического института. Чтобы решить ее, нам нужно взять за основу «идеальную сосиску». Она в форме цилиндра с тонкими стенками и заполнена водой, жиром, сухими добавками. При готовке в воде в сосиске, аналогично пельменям, вода превращается в пар, который, не найдя выхода, давит на стенки сосиски. В какой-то момент она лопнет – но почему именно вдоль, а не поперек? Стенка сосиски будет испытывать два типа напряжения: продольное и поперечное. Чтобы рассчитать, какое из них больше, используют формулу Барлоу. Она популярна при работе с трубопроводами, автоклавами, сосудами под давлением, цилиндрами. Продольное напряжение в сосиске в два раза меньше, чем поперечное. Поэтому у нее больше шансов лопнуть вдоль, а не поперек. Чтобы запомнить разницу в напряжениях, немецкие студенты даже прозвали формулу Барлоу «сосисочной».