Проводя опыт физпрактикума, нельзя заранее быть уверенным, что он получится в точности так, как описано в журнале, даже если вы во всем строго следуете инструкциям. И дело не в том, что в статье допущена ошибка, или вы действуете недостаточно аккуратно, или для опыта выбрано редкое, трудновоспроизводимое явление. Причина гораздо глубже: изучая физические процессы с помощью простейших приспособлений, не всегда можно получить однозначные результаты. Чистый физический эксперимент обязательно требует лаборатории.

Лабораторная установка продумана до мельчайших деталей и построена так, что исключает побочные эффекты, давая исследуемому процессу возможность протекать свободно. Если ход процесса зависит от температуры, ее стабилизируют в термостате; если процесс чувствителен к толчкам, предусматривается защита от вибраций. Оптические системы подбираются так, чтобы изображение передавалось с минимумом искажений. Сложные электронные схемы выделяют основной сигнал и подавляют случайные посторонние шумы.

Если же мы хотим изучать физику на кухне, то нужно смириться с тем, что в роли сосудов у нас будут выступать стаканы и кастрюли, нагревателями послужат конфорки и свечки, холодильником – тарелка со снегом, а вместо термостата придется использовать несколько слоев ваты или в лучшем случае термос. Сделанная из подручных материалов, «опытная установка» каждого читателя будет особенной, непохожей на другие. В любом домашнем эксперименте проявится не только основной физический эффект, описанный в журнале, но и масса побочных, причем соотношение интенсивности основного и побочных эффектов у каждого читателя окажется своим, поскольку оно зависит от характерных параметров его установки.

Объяснить, что здесь понимается под характерными параметрами, проще всего на примере. В качестве такового разберем несложный, однако поучительный опыт.

Сырое яйцо тонет в чистой воде, но плавает в соленой. Предположим, что вы налили в сосуд насыщенный раствор соли, опустили в него яйцо (оно плавает на поверхности) и быстро долили сверху чистую воду. Что произойдет с яйцом: опустится ли оно на дно, всплывет кверху или останется на месте?

Рис. 1. Система «яйцо + жидкость»

Оказывается, возможны все три случая. Если сосуд достаточно широкий (небольшая кастрюля), объем соленой воды мал, а объем чистой велик, то после перемешивания жидкости ее плотность окажется близкой к плотности чистой воды, и яйцо опустится на дно. Если соляного раствора налито много, а чистой воды добавлено чуть-чуть, плотность смеси почти не уменьшится, и яйцо всплывет, следуя за уровнем жидкости. Но самый интересный случай, когда диаметр сосуда ненамного больше размера яйца (например, крупное яйцо в граненом стакане). Из-за малого просвета между стенками сосуда и яйцом чистая и соленая вода практически не перемешаются. Ниже яйца расположится плотный соляной раствор, в котором оно должно плавать, выше – чистая вода, в которой оно должно утонуть, и потому яйцо останется на месте, словно привязанное на невидимой нити. Более того, если вы попытаетесь, подтолкнув яйцо ложечкой, поднять или опустить его, яйцо, покачавшись, вернется на место – его положение довольно устойчиво.

Рис. 2. Потенциальная энергия системы «яйцо + жидкость»

При первом взгляде этот график может испугать своей сложностью, однако он описывает поведение такой простой системы, как яйцо в стакане соляного раствора. На рисунке представлена зависимость потенциальной энергии системы «яйцо + жидкость» E от высоты положения яйца H. Дальняя картинка соответствует полностью перемешанной, однородной жидкости. Если концентрация раствора очень мала, его плотность близка к плотности чистой воды (линия I). В этом случае минимум энергии достигается при H = 0, – яйцо тонет. Если плотность раствора равна плотности яйца (линия II), то энергия системы не зависит от положения яйца, и оно может находиться на любой высоте. А если плотность раствора велика (например, равна плотности насыщенного раствора соли – линия III), система имеет минимальную энергию, когда яйцо всплывает на поверхность.

Графики на переднем плане относятся к неперемешанной жидкости: внизу соляной раствор, вверху чистая вода. Зависимость энергии от высоты яйца при низком его положении подобна зависимости III, при высоком – зависимости I. На высоте, соответствующей границе раздела жидкостей, линия имеет минимум; на этой высоте яйцо и будет покоиться. Рано или поздно жидкость перемешается (с течением времени картинка на переднем плане как бы отодвигается, приближаясь к дальней), и линии выпрямятся. Если чистой воды было мало (IV), плотность раствора окажется большой, и яйцо всплывет; если воды было много, то оно утонет (V).

Исход опыта зависит от ряда величин – размера яйца, диаметра сосуда, объемов соленой и чистой воды. Эти величины и будут характерными параметрами установки, если можно назвать установкой стакан с яйцом, плавающим в воде. В данном случае характерные параметры – геометрические размеры, но в других экспериментах характерным параметром может служить отрезок времени, масса, энергия или любая иная физическая величина.

Впрочем, и в опыте с яйцом можно найти характерное время. Если подождать достаточно долго, чистая и соленая вода перемешаются вследствие диффузии, и яйцо либо всплывет, либо утонет. Третье положение яйца, когда оно плавает в толще жидкости, оказывается временным, или, говоря по-научному, метастабильным. Заметим попутно, что ход физических процессов порой зависит не только от параметров, которые можно выразить числами, но и от таких трудноопределимых характеристик, как способ действий экспериментатора. Выше не случайно говорилось, что чистую воду надо доливать «быстро», то есть настолько энергично, чтобы она перемешалась с соленой. Если доливать ее очень осторожно, по ножу, то даже в широком сосуде можно заставить яйцо плавать внутри жидкости.

Более заметно влияние характерного времени в поведении самодельного термометра. Возьмите тонкую прозрачную трубку (исписанный стержень от шариковой авторучки или соломинку для коктейля) и пропустите ее через корковую пробку. Бутылку наполните водой до краев и закройте этой пробкой так, чтобы часть воды вытеснялась в трубку. За уровнем воды будет легче следить, если предварительно подкрасить ее чернилами или краской.

Рис. 3. Термометр

Теперь, внимательно наблюдая за столбиком воды в трубке, подставьте этот термометр под горячую струю из крана. В первый момент, как ни странно, столбик поползет не вверх, а вниз и, лишь заметно опустившись, через какое-то время остановится, а затем начнет подниматься. В конце концов, он поднимется выше первоначального уровня и на этом успокоится. Если сохранять прежними силу горячей струи и положение бутылки, никаких перемен больше не последует. При внесении бутылки под струю холодной воды видна противоположная картина – сперва столбик термометра ползет вверх и лишь потом опускается.

Причина такой непоследовательности термометра – одновременное действие двух эффектов, теплового расширения воды в бутылке и теплового расширения самой бутылки. Поскольку увеличение емкости стеклянной бутылки незначительно по сравнению с увеличением объема воды, высота столбика в трубке в конце концов возрастает. Но характерные времена этих двух эффектов различны, и потому первоначальные показания термометра могут быть неожиданны. Теплоемкость воды довольно велика, а ее теплопроводность мала, и нужно заметное время, чтобы вся она прогрелась (это и будет характерное время первого эффекта). Время нагревания самой бутылки (характерное время второго эффекта) значительно меньше. Поэтому если считывать показания термометра через промежуток времени, больший времени нагревания бутылки, но меньший времени нагревания воды, получим результат не просто количественно неверный, но вообще абсурдный: кажется, будто под горячей струей термометр охладился.

Для эксперимента иногда существенно и то, из какого материала изготовлены самодельные приборы. Скажем, если сделать термометр для предыдущего опыта не из стеклянной бутылки, а из небольшого пластикового флакона из-под шампуня, то он будет обладать перевернутой шкалой: при повышении температуры столбик падает вниз, при понижении ползет вверх. Объясняется это тем, что мягкий пластик флакона расширяется и сжимается при изменениях температуры сильнее, чем вода в нем. Здесь характерным параметром выступает соотношение коэффициента объемного расширения воды и коэффициента линейного расширения пластмассы. Пластиковый термометр, кстати, гораздо капризней стеклянного – например, из-за малой жесткости флакона (еще один характерный параметр!) его показания зависят от того, держат ли его в руке за горлышко или опустили на стол.

Рис. 4. Изменение показаний термометра во времени

Если бы бутылка при нагревании не расширялась, зависимость высоты водяного столбика от времени описывалась бы верхней кривой, и через время t₁ самодельный термометр показал бы температуру горячей струи. Если бы, наоборот, бутылка расширялась, а вода в ней – нет, высота столбика менялась бы согласно нижней кривой; через время t₂ термометр показал бы некоторую температуру T_x, меньшую, чем комнатная. На самом же деле действуют оба эффекта, а показания термометра соответствуют средней (жирной) кривой.

Есть ли вообще смысл ставить опыты, в которых непонятно что исследуется, неизвестно что измеряется, и непредвиденные причины вызывают неожиданные следствия? Есть, если проводить и объяснять такие опыты тщательно, вдумчиво, творчески. Ведь каждый читатель, в сущности, исследует особенное, неповторимое явление, изучает свою «личную» физику. А это гораздо интереснее, чем повторять солидные эксперименты традиционного физпрактикума, где в который уже раз измеряется давным-давно измеренная и внесенная во все физические таблицы величина. «Опыты на кухне», быть может, даже полезнее для развития физической интуиции и сообразительности.