Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

В пустыне Сахара живут муравьи-бегунки Cataglyphis fortis. В поисках пищи муравей, двигаясь беспорядочно, удаляется от муравейника и может пройти около 500 м, совершив по дороге множество резких поворотов. Более того, часто он движется по ровному песку, где нет никаких ориентиров, которые могли бы указать ему дорогу назад. Но если муравей решил вернуться домой, он поворачивается лицом к дому и бежит прямо к нему. Как на пустынной равнине он находит путь к муравейнику без каких-либо указателей?

ОТВЕТ • Удаляясь от муравейника, муравей-бегунок отслеживает пройденный путь (он действует как одометр — прибор для измерения пройденного расстояния) и направление поворотов. Он способен определять направление благодаря тому, что его глаза чувствительны к поляризованному свету. Поэтому он может отслеживать поляризацию света, падающего с неба, и ориентацию своего тела относительно направления этой поляризации.

Поразительно, но мозг муравья может непрерывно обновлять информацию о пройденном расстоянии и об изменении направления, так что он все время знает, куда надо двигаться, чтобы вернуться к муравейнику. Каждый из участков пройденного муравьем пути — вектор (определенной длины и направления), и муравей, по сути, выполняет сложение векторов. Если на пути муравья встречаются ориентиры, он может использовать и их. Однако в экспериментах, где использовались ориентиры, указывающие обратный путь к муравейнику, примерно половина муравьев предпочитала складывать вектора, а не путаться в ориентирах. Операция суммирования векторов вызывает затруднения у многих студентов, а живущий в пустыне муравей-бегунок с массой мозга всего 0,1 мг делает это автоматически.

Как-нибудь утром после холодной ночи поищите на окне, обращенном к солнцу, намерзшие тоненькие слои льда (их еще называют морозные узоры). Подождите немного, пока часть льда растает и образуется лужица, или сами налейте на подоконник немного воды или положите зеркало (рис. 6.47). Посмотрите в лужицу так, чтобы видеть отражение намерзшего льда. Почему отражение льда разноцветное?

Рис. 6.47 / Задача 6.129. Цветное отражение кристаллов льда в лужице воды.

Полиэтиленовая пищевая пленка не имеет цвета, но, если натянутый кусок такой пленки вставить между двумя поляризационными фильтрами, она станет разноцветной. Когда вращаешь один из фильтров, цвета на пленке меняются. Вместо пищевой пленки можно использовать несколько слоев целлофана. Почему пленка становится разноцветной?

На некоторых произведениях современного искусства цвет проявляется при освещении пластика поляризованным светом. В некоторых случаях разноцветная мозаика получается при использовании по-разному ориентированных слоев целлофана разной толщины. Эту конструкцию освещают прожектором, на котором установлен поляризационный фильтр. Зритель, глядя через другой поляризационный фильтр, видит цветную мозаичную картину. Художники создают и трехмерные конструкции из пластика и поляризационных фильтров.

Если вести машину в поляризационных очках, на заднем стекле впередиидущей машины можно заметить большие пятна, обычно образующие какой-то узор. Иногда, глядя во время полета в окно самолета через поляризационные очки, можно увидеть похожую цветную картину. С чем связано появление таких пятен?

ОТВЕТ • Лед, растянутая пищевая пленка, чистая целлофановая лента и закаленное заднее стекло машины — это двоякопреломляющие материалы. Когда поляризованный свет проходит через такой материал, направление поляризации поворачивается относительно направления распространения света. Угол поворота различен для различных цветов: красный свет, прошедший через такой материал, обладает одной поляризацией, желтый — другой и т. д. Если поляризационный фильтр поставить на пути света, прошедшего через двоякопреломляющий материал, он пропустит цвета с «правильной» поляризацией, но заблокирует цвета с «неправильной» поляризацией. И хотя изначально свет был белым, после прохождения через двоякопреломляющий материал мы получим цветную картину.

Свет, падающий на покрытое морозными узорами стекло, — это поляризованный свет неба, а лед — двоякопреломляющий материал. Однако свет, прошедший через лед, не проходит через поляризационный фильтр, а отражается от лужицы воды. Отражение «отбирает» только горизонтально поляризованный свет, и прошедший через лед свет таких цветов видит наблюдатель.

Если речь идет о заднем стекле машины, свет становится горизонтально поляризованным при отражении либо от внешней, либо от внутренней поверхности наклонного стекла. Поляризационные очки на едущем сзади водителе блокируют свет такой поляризации, и окно выглядит относительно темным. Однако часть света, отраженного от внутренней поверхности стекла, проходит через участки с двойным лучепреломлением, и его поляризация меняется. Это те участки, где в процессе изготовления стекла появляются остаточные механические напряжения, обеспечивающие его повышенную прочность. Закаленное стекло получают из расплава путем быстрой закалки струями воздуха. В таком стекле имеются внутренние напряжения, благодаря чему, разбиваясь, оно распадается не на опасные крупные осколки, а на относительно безопасные мелкие кусочки. При отражении от внутренней поверхности стекла поляризация меняется там, куда при закалке попадали струи воздуха. Поляризационные очки на водителе едущей сзади машины частично пропускают этот свет, и напряженные участки кажутся ярче, чем остальное заднее стекло.

Напряженные участки могут быть смутно различимы и без поляризационных очков, если заднее стекло освещается главным образом поляризованным светом неба, а не неполяризованным прямым солнечным светом. Когда поляризованный свет проходит через стекло и отражается от внутренней поверхности, на напряженных участках его поляризация меняется. Отраженный от таких участков свет отличается по интенсивности от света, отраженного без изменения поляризации от остальной внутренней поверхности. Поэтому водитель может заметить пятна на заднем стекле едущей перед ним машины. Похожие пятна можно увидеть и на окне самолета.

Почему пена на пиве белая, а не янтарная и не темная, как напиток в кружке? Почему большинство цветных материалов теряют цвет, если их измельчить в порошок? Почему чистое стекло прозрачное, а разбитое на осколки нет? Почему кристаллики соли прозрачные, а слой соли нет, если его глубина больше размера нескольких кристалликов?

ОТВЕТ • Желтый цвет светлого пива обусловлен тем, что молекулы пива частично поглощают все лучи падающего света, кроме желтого. Если пиво темное, поглощение еще сильнее. Пена на пиве обоих сортов белая, так как падающий свет в основном отражается от поверхностей множества пузырьков, а не поглощается внутри жидкости. Если смотреть на не слишком большую пенную шапку с близкого расстояния, можно увидеть слабые интерференционные цвета.