Вечные вопросы бытия

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.

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».