20. Що таке теплова конвекція?

Конвекція — явище перенесення тепла в рідинах, газах або сипких середовищах потоками самої речовини (неважливо, вимушено або мимоволі). Існує так звана природна конвекція, яка виникає в речовині мимоволі при його нерівномірному нагріванні в полі тяжіння. При такій конвекції, нижні шари речовини нагріваються, легшають і спливають вгору, а верхні шари, навпаки, остигають, стають важчими і занурюються вниз, після чого процес повторюється знову і знову. За деяких умов процес перемішування самоорганізовуватиметься в структуру окремих вихорів і виходять більш-менш правильні грати з конвекційних осередків.

Природній конвекції зобов'язано багато атмосферних явищ, зокрема утворення хмар. Завдяки тому ж явищу рухаються тектонічні плити. Конвекція відповідальна за появу гранул на Сонці. При вимушеній конвекції переміщення речовини обумовлене дією якихось зовнішніх сил (насос, вентилятор тощо). У океанографії конвекція — найважливіший механізм перемішування вод океану. У метеорології конвекція — підняття від землі тепліших мас повітря й одночасне опускання холодніших.

21. Природні сили, які діють в атмосфері.

У природі одні тіла постійно діють на інші. Так, Земля притягує всі тіла, розташовані на її поверхні та поблизу неї, вода, падаючи з висоти, обертає лопаті турбіни, вітер змушує рухатися вітрильники, завдяки силі м'язів людина піднімає тіла, кінь перевозить вантажі. У наведених прикладах тіла взаємодіють між собою. Характеристика взаємодії тіл дістала назву сила. Учені розрізняють різні види сил: силу тяжіння, силу пружності, силу тертя та інші. Силу можна виміряти. Її вимірюють за допомогою приладу, що має назву динамометр (грецькою мовою слово «динаміс» означає «сила», а «метро» - «вимірюю»). Одиницею вимірювання сили є ньютон (Н). Так її названо на честь відомого англійського вченого Ісаака Ньютона. Поміркуємо, велика чи мала сила, значення якої дорівнює 1 Н. Відомо, що для підняття тіла масою 1 кг на нього потрібно подіяти силою близько 10 Н. Тож, знаючи масу шкільного портфеля, наповненого підручниками та зошитами, кожен із вас зможе легко визначити значення сили, з якою цей портфель доводиться щоразу піднімати. Крім числового значення, силу характеризує також напрямок. На малюнках напрямок дії сили позначають стрілкою. Так, на малюнку 85 показано напрямки дії сил персонажів байки Л. Глібова «Лебідь, Рак та Щука».

Сила тяжіння

Силу, з якою Земля притягує до себе тіла, називають силою земного тяжіння. Сила тяжіння існує на всіх планетах Сонячної системи. Є вона й на Місяці - природному супутнику Землі. Але на Місяці вона набагато менша, ніж на Землі. Це пояснюється тим, що маса Землі значно більша за масу Місяця. Ось чому рух космонавтів по поверхні Місяця нагадував плавні стрибки. Сила тяжіння залежить і від маси самого тіла. Вона буде більшою у того тіла, маса якого більша. Пригадайте, як у 5-му класі, ознайомлюючись із характеристиками тіл, ви порівнювали залізну та дерев'яну кульки однакових розмірів. Якщо такі кульки відпустити з однакової висоти на вологий пісок, то залізна кулька залишить у ньому більшу заглибину, ніж дерев'яна. Станеться це тому, що сила тяжіння у випадку із залізною кулькою буде більшою. Причиною цього є більша маса залізної кульки порівняно з дерев'яною.

Сила пружності

Якщо до пружини підвісити тягарець, то під дією сили тяжіння він розпочне рухатися вертикально вниз. З часом цей рух припиниться, незважаючи на те, що сила тяжіння не припиняє свою дію. Чим це пояснити? Крім сили тяжіння, яка діє на тягарець і спрямована вертикально вниз, на нього діє інша сила - сила пружності пружини. Вона спрямована вертикально вгору. Звідки виникла ця сила? Рухаючись вниз, тягарець розтягує, видовжує пружину. Але пружина прагне відновити свою форму, тому в ній виникає сила, з якою пружина діє на тягарець. Це і є сила пружності. Настає мить, коли сила пружності дорівнює силі тяжіння. Відтепер тягарець припиняє рухатися вертикально вниз і набуває стану спокою. У стані спокою перебувають усі тіла, розташовані на якійсь опорі (підлозі, столі, поверхні землі тощо) або підвішені на нитці, мотузці, тросі тощо. У цьому разі сила тяжіння також буде врівноважена силою пружності опори чи підвісу.

Сила тертя

З'єднаймо динамометр і дерев'яний брусок, що лежить на столі. Почнемо рівномірно рухати брусок до себе за допомогою динамометра, тримаючи його горизонтально. Деякий час брусок не рухатиметься, але стрілка динамометра зміститься з нульової позначки. Та лише за певного значення сили тіло зрушиться з місця. Станеться це тоді, коли сила, з якою ми діємо на брусок, зрівноважиться з так званою силою тертя або стане більшою за неї. Сила тертя виникає між поверхнями тіл, які взаємодіють (у наведеному прикладі - це поверхні столу та бруска). Вона тим більша, чим більше нерівностей у вигляді заглиблень і виступів є на поверхні тіл. Сила тертя завжди спрямована проти руху тіла. Це вона перешкоджала зрушенню бруска на початку досліду. Якби не було сили тертя, рух тіл тривав би безкінечно. Для зменшення сили тертя, якщо це потрібно, поверхні тіл ретельно шліфують і полірують, змащують мастилами. Але повністю усунути тертя неможливо. Людина збільшує силу тертя, якщо це потрібно, наприклад, щоб рухатися під час ожеледиці слизькою дорогою. Для цього дорогу і тротуари посипають піском, на колеса автомобілів одягають шиповану гуму або ланцюги. Погляньте на поверхню підошви зимового взуття - вона шорстка та нерівна. І все це роблять з однією метою - збільшити силу тертя між тілами і поверхнею слизької дороги.

Як людина використовує сили, що виникають у природі

Люди навчилися використовувати силу води й вітру для своїх потреб. Так, 5000 років тому єгиптяни, приєднавши до своїх кораблів вітрила, змусили вітер штовхати їх. 2000 років тому на берегах річок з'явилися великі водяні колеса, які обертала течія. Такі колеса подавали воду на поля та рухали жорна млинів, де мололи зерно. Там, де не було ні річок, ні джерел, будували вітряні млини, або вітряки, що працювали під дією сили вітру. Тому їх споруджували на підвищеннях, відкритій місцевості. Перший вітряк у Європі з'явився у 1150 році.