Попробуйте наступить на лужу - и вы намочите ноги. Но маленькие насекомые, называемые водомерами, могут скапливаться прямо по поверхности воды. Как они это делают? Они очень маленькие, но дело не в этом. Они очень легкие, но и это еще не все. Чтобы выяснить одну из ключевых причин, нужно провести эксперимент.
Для любого эксперимента мне нужна гипотеза или утверждение, которое я могу проверить. Но сначала мне нужно узнать немного о воде.
Пролейте воду на пластиковый стол, и она превратится в капельки - крошечные шарики воды. Это происходит из-за поверхностного натяжения. Молекулы воды притягиваются друг к другу. Они образуют слабые связи между собой. Там, где эти молекулы встречаются с воздухом, открытые молекулы воды не могут соединиться с другими молекулами перед ними - там есть воздух. Вместо этого они присоединяются к молекулам воды рядом с ними, держась еще крепче. Эти молекулы сопротивляются всему, что пытается их разрушить. Затем образуется одна капля воды, а внешний слой молекул воды действует как очень тонкая кожа, которая удерживает капельку вместе - поверхностное натяжение.
У воды также есть плавучесть. Это восходящая сила, которую жидкость прижимает к чему-то, что прижимается к ней. Молекулы воды занимают пространство и оказывают давление вверх, заставляя все, что давит вниз. Если давление от воды выше, чем от предмета вниз, то предмет будет плавать. Если объект оказывает большее давление вниз, он утонет.
Чтобы ходить по воде, водомеры могут воспользоваться поверхностным натяжением и плавучестью. Чтобы воспользоваться преимуществами поверхностного натяжения, все, что им нужно сделать, это не сломать поверхность молекул воды. Чтобы воспользоваться преимуществами плавучести, водомеры должны быть как можно меньше надавливать на воду. Таким образом, давление, повышающееся из воды, позволит им плавать.
Один из способов достичь обеих этих целей - рассредоточиться. Водомер имеет шесть длинных ног. Эти ноги широко расставлены по воде. Может быть, эта увеличенная площадь позволяет им распределить свой вес. Таким образом, каждая нога оказывает меньшее давление на воду и не прорывается через поверхностное натяжение. Таким образом, водомер плывет по поверхности.
Если так водомеры справляются со своим подвигом ходьбы на воде, то я могу кое-что протестировать. Я могу выяснить, помогает ли распределение веса на увеличенной площади плавать.
Теперь у меня есть гипотеза: Объекты с большей площадью поверхности будут плавать чаще, чем объекты с такой же массой с меньшей площадью поверхности.
Для своего эксперимента я не буду использовать настоящих водомеров. Вместо этого, я создам поддельные из проволоки. Мне также нужен поднос с водой и линейка. Если вы попробуете этот эксперимент дома, вам также может понадобиться толстая, тяжелая книга. Подробнее об этом через минуту.
Этот эксперимент не требует многого. Просто поднос с водой, тонкая проволока и способ измерения. Вы можете использовать линейку или штангенциркули.
Я начала с катушки проволоки толщиной 0,25 миллиметра. Её часто называют проволокой 30-го калибра. Эта проволока настолько легкая, что моя цифровая шкала даже не может ее измерить. Поэтому, чтобы убедиться, что мои поддельные водомеры все той же массы, я разрезала провод на куски одной и той же длины: 20 сантиметров.
Чтобы сделать поддельные водомеры, я сформировала проволоку на плоские круги разного диаметра. Сколько кусочков мне нужно? Я могу протестировать две группы - маленькие и большие круги. Но если какие-то маленькие круги плывут, а какие-то большие круги тонут, это мне не очень поможет. Мне нужно протестировать каждый размер много раз, а еще мне нужно протестировать более двух размеров.
Так что я отрезала 60 длин проволоки. Я протестировала пять разных размеров окружностей, и протестировала каждый размер окружности 12 раз. Для 20-сантиметрового куска проволоки, самый большой полный круг, который я могла сделать, был около 55 до 60 мм в поперечнике. Самый маленький был от 18 до 20 мм в поперечнике. Мои средние размеры были около 30, 40 и 45 до 50 мм. Так как я делала их вручную, все они немного варьировались. Я использовала большую плоскую книгу, чтобы сделать каждый круг как можно более плоским. Я хотела убедиться, что они все имеют одинаковый шанс утонуть или всплыть.
Вот и готовы пять из моих 60 проволочных колец. Все они сделаны из проволоки одинаковой длины, некоторые просто сформированы в более мелкие круги.
Для самого маленького размера круга, только восемь процентов моих кругов плавали (один из 12). Для самого большого размера круга 100 процентов кругов плавали аккуратно на поверхности. По мере того, как мои круги увеличивались по площади, увеличивался и процент плавающих.
Это, кажется, подтверждает мою гипотезу. Объекты с большей поверхностью кажутся более вероятными для плавания, чем объекты с небольшой площадью поверхности.