Кулинарные исследования

Квант 2015, №5-06 с. 31, 32, 47 Тег BRFD

ШКОЛА

скорости частицы $v_{A}$ относительно поверхности; а соображение размерности дает величину, пропорциональную их произведению: $a_{K} \sim \omega v_{A}$ . Это стремление движущихся масс отклоняться на вращающейся Земле было отмечено на примере рек и даже получило название закона Бэра (Бэр, Карл, 1792–1876). Действительно, в северном полушарии правые берега рек оказываются крутыми под действием текущей воды, стремящейся отклониться вправо – независимо от того, течет река на север или на юг или даже вдоль параллели. Именно на правых берегах крупных рек с древних времен расцветали города. Легко понять, что в южном полушарии крутыми должны быть левые берега рек. Таким образом, слегка усовершенствованная идея Ленца в применении к теории возникновения Гольфстрима выглядит приблизительно так, как изображено на рисунке 3. В результате получается, что не только излучение Солнца, но и вращение Земли, и льды Гренландии согревают Европу! А если лед растает, то исчезнет Гольфстрим и в Европе наступит ледниковый период?! Конечно, реальная картина гораздо сложнее, и для ее объяснения наверняка написаны тысячи диссертаций и специальных монографий. Из них можно узнать о Ньюфаундлендской банке и холодном Лабрадорском течении, о Флоридском проливе, о восточном пассате, дующем вблизи экватора из Африки и нагнетающем воду в Мексиканский залив. И о том, что Гольфстрим, пересекая Атлантику,

Е.СОКОЛОВ

НАЧИНАТЬ КУЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРЕДОБЕ- денное время – пропащее дело. Не успел я написать на доске тему занятия, как за моей спиной уже разгорелся спор. – Наверное, сегодня на обед суп будет, с самого утра из столовой вкусно пахнет. – Да нет, это котлетами пахнет, суп так долго не варят. Моя бабушка готовит суп всего за полчаса. – За полчаса суп не приготовишь. – Приготовишь, если использовать кастрюлю-скороварку. – Что это за чудо-кастрюля такая? Может быть, это машина времени?! Все было ясно. Слушатели нашего физического кружка снова не успели пообедать, и поэтому их мысли из области теоретической кулинарии перешли в область практическую. Пора отпускать их домой. – Итак, – вмешался я в разговор, – тема следующего занятия найдена: «Что это за чудо-кастрюля – кастрюляскороварка?» А чтобы наш будущий разговор был содержательным, вот вам задача на эту тему.

Задача про кастрюлю-скороварку Кастрюля-скороварка позволяет поварам Санкт-Петербурга в четыре раза сократить время приготовления мяса: в обычной кастрюле мясо готовится 2 часа, а в кастрюлескороварке – всего 1/2 часа. Во сколько раз использование этой чудо-кастрюли позволит сократить время приго-

«КВАНТЕ»

Рис.3. Упрощенная схема Гольфстрима. Показано отклонение вправо как глубинных холодных вод, текущих на юг от Гренландии (синяя линия), так и теплого поверхностного течения в сторону Европы (красная линия)

разделяется на Азорское и Северо-Атлантическое течения; последнее, собственно, и приносит теплые воды к берегам Европы. И … Но нам достаточно того, что это интересное явление дало повод поговорить о некоторых аспектах физики.

товления мяса поварам высокогорного Тибета, где атмосферное давление составляет всего 1/2 атмосферы? Известно, что при повышении температуры приготовления на $10 ^\circ C$ скорость соответствующих химических реакций увеличивается в два раза (т.е. время приготовления сокращается в два раза). Для расчета воспользуйтесь экспериментальным графиком зависимости давления насыщенного водяного пара от температуры (рис.1).

Рис.1. Как меняется давление насыщенного водяного пара в зависимости от температуры

Что есть процесс приготовления пищи? Пока наши школьники обедают, давайте попробуем сами разобраться, в чем секрет кастрюли-скороварки. Ведь это факт, что в ней все быстрее готовится. Вопрос – почему? На рисунке 2 изображена схема устройства кастрюлискороварки. Как видно, она отличается от обычной кастрюли только тем, что снабжена плотно закрывающейся крышкой. – Ну, тогда все ясно, – может кто-то поторопиться с ответом, – под крышкой в кастрюле-скороварке давление больше атмосферного, и поэтому там все быстрее готовится. – Подождите, – ответим мы. – Конечно, давление в кастрюле-скороварке больше атмосферного. Конструкторы учитывают этот факт и устанавливают в ее крышке клапанпредохранитель. Когда давление под крышкой превышает атмосферное давление на некоторую заданную величину, грузик приподнимается, клапан открывается, и часть воздуха и водяного пара выбрасывается в атмосферу. Но само по себе давление не увеличивает быстроту приготовления пищи

КВАНТ 2015/№5-6

Рис.2. а) Обычная кастрюля и кастрюля-скороварка; б) устройство кастрюли-скороварки: 1 – корпус, 2 – крышка с затягивающим винтом, 3 – клапан-предохранитель

– как бы вы ни давили на телячью отбивную, она от этого не сварится. Надо искать что-то другое. Обратимся за помощью к химии и спросим ее, в чем заключается процесс приготовления пищи и от чего зависит его скорость. Ответ такой. Процесс приготовления пищи – это химическая реакция, которая заключается в разрыве некоторых химических связей в молекулах белка. Это первое. А второе – скорость химических реакций чрезвычайно сильно зависит от температуры. Для процесса приготовления пищи, а также для очень многих других процессов органической химии этот закон таков: при повышении температуры на $10 ^\circ C$ скорость реакции увеличивается в k раз, где k – некоторое постоянное для данной реакции число. Такая зависимость называется геометрической прогрессией. В школьных учебниках физики она не часто упоминается. Но будьте готовы к тому, что если геометрическая прогрессия встретится нам в жизни, то что-нибудь точно случится. Например, очень быстро скиснет забытый на плите борщ или кто-то некстати заболеет, съев четыре порции холодного мороженого.

Упражнения

Вычислите, во сколько раз быстрее скиснет борщ, забытый в жару на кухне $( 35 \infty C ),$ чем это произошло бы в холодильнике $( 5 \infty C ).$ Считайте, что для химических реакций, приводящих к скисанию борща, справедливо то же правило, что и для процесса приготовления пищи (k = 2). 2. Почему мы очень часто заболеваем после того, как промерзнем? Почему во время болезни температура организма увеличивается? В чем смысл такого механизма защиты, предусмотренного для нас природой?

Итак, какова же температура в кастрюле-скороварке, о которой идет речь в нашей задаче, при условии, что k = 2? Если время приготовления в кастрюле-скороварке уменьшается в 4 раза, с 2 часов до 1/2 часа, то температура в ней на $20 ^\circ C$ выше, чем в обычной открытой кастрюле, и составляет $120 ^\circ C$ . Мы раскрыли главный секрет кастрюли-скороварки – в ней все быстрее готовится потому, что температура кипящей воды в ней выше, чем в обычной кастрюле.

Что есть кипение?

– Это надо же, температура всего на $20 ^\circ C$ больше – и такой эффект. А что мешает нам увеличить температуру воды в обычной кастрюле? Давайте, например, дадим побольше газу. – Нет, ничего из этого не получится. Да, выкипать вода будет быстрее, а вот температура ее расти не будет. И причина этому – кипение. Когда вода кипит, все получаемое ею тепло идет на парообразование, кипящая вода не нагревается.

Упражнения

Неопытная хозяйка жалуется подружке: «Целый час ждала, пока потушится говядина. Под конец отошла всего на минутку, и все подгорело!» Что же произошло в ту минутку, когда хозяйка отлучилась?

Ровно в $12^{00}$ Матвей вышел из дома, чтобы отнести Лизе учебник по физике. На половине дороги он вспомнил, что забыл выключить чайник, который поставил в $11^{50}$ . Успеет ли Матвей дойти до Лизы и вернуться домой до тех пор, пока чайник не сгорит, или ему нужно не откладывая поворачивать назад? От дома Матвея до дома Лизы 20 минут ходу, поставленный на плиту чайник закипает через 15 минут, начальная температура воды в чайнике $20 \infty C$ . Все остальные данные возьмите из справочника.

– Итак, нагреть воду мы можем лишь до температуры кипения. Поэтому скорость приготовления пищи зависит лишь от температуры кипения. А разве температура кипения воды не константа? Разве это не закон природы, что вода всегда закипает при температуре $100 ^\circ C$ ? – Запомним раз и навсегда – нет такого закона. Конечно, обычный чайник на обычной кухне, когда давление равно одной атмосфере, закипает при температуре $100 ^\circ C$ , но может закипеть и холодная вода, а может, наоборот, не кипеть вода, нагретая до $300 ^\circ C$ . Чтобы понять, от чего зависит температура кипения, нам надо разобраться с тем, что есть кипение. Оставим для экзамена стандартную фразу о том, что кипение – это процесс парообразования, идущий в объеме жидкости, и поищем что-нибудь более емкое. Кстати, а как бы вы объяснили слова «вода кипит» марсианину, который никогда не видел ни воды, ни кипения? – Я думаю, нам пришлось бы сказать, что при некоторых условиях в жидкостях самопроизвольно начинают образовываться громадные пузыри. Эти пузыри растут, архимедова сила отрывает их от стенок, они всплывают, производя бурление и характерный шум. В этом и состоит процесс кипения. И, конечно, узнав это, марсианин нас спросит: «Откуда берутся в жидкости эти пузырьки? Что у них внутри? Почему эти пузырьки становятся громадными?» Это правильные вопросы. Давайте ответим на них. Откуда берутся в кипящем чайнике пузыри? Они там есть, только при обычных условиях они очень маленькие, поэтому мы их не замечаем. Что у них внутри? Немного воздуха и, конечно, насыщенный водяной пар. А вот для того чтобы объяснить, почему при нагревании эти почти невидимые сначала микропузырьки превращаются в громадные пузыри, нам следует всмотреться в их жизнь более пристально. И поможет нам очень простое утверждение (условие равновесия пузырька): сумма давления воздуха и давления насыщенных паров, находящихся внутри пузырька, всегда остается равной атмосферному давлению:

$p_{возд} + p_{нас} = p_{атм}$ .

Уяснив это, проследим, что происходит с каждым из слагаемых при нагревании чайника. – Атмосферное давление, конечно, … – Остается постоянным. – Правильно. Давление насыщенного водяного пара, согласно рисунку 1, при нагревании катастрофически растет. А что остается на долю воздуха? – Его давление должно упасть. – А это означает, что пузырек должен расшириться. Иными словами, мы доказали, что пузырек увеличивает свой объем с ростом температуры воды в чайнике. Но это еще не главное. Главное состоит в ответе на следующий вопрос: «Каким должен стать размер пузырька, когда вода нагреется до температуры, при которой давление насыщенного водяного пара станет равным атмосферному давлению?» – Тогда давление воздуха должно упасть до нуля. А это значит, что объем пузырька должен стать равным …

ЛАБОРАТОРИЯ

«КВАНТА»

Рис. 4. Слева – снимок с экрана, снято 25.10.2014 в 12 ч 10 мин; справа – снимок НАСА

Рис. 2. Изображение внешнего мира на стенах и потолке аудитории, на экране и стоящей рядом с ним учебной доске

фицировать эту группу пятен как группу № 2192. Для простоты сравнения наш исходный кадр был переориентирован – отражен сверху вниз и повернут. На следующей фотографии (рис.5), сделанной через минуту, Солнце сместилось, и ветка перекрыла другой край

Рис. 3. Изображение на экране, приближенном к отверстию в окне; внизу видна тень от камеры, установленной на штативе

изображение. А после получасового пребывания в темноте происходит адаптация, и все эти изображения на стенах и потолке становятся видимыми невооруженным глазом. Вот еще фотография, сделанная внутри той же камерыобскуры (рис.3). Используем линзу. В конце прошлого года мы с недельным интервалом прочитали две лекции для школьников. Одна называлась «Камера-обскура – хорошо забытое старое», другая – «Радуга Декарта–Ньютона–Юнга». После каждой лекции мы решили показывать школьникам работу нашей камеры. На лекции записалось много народу, поэтому, во-первых, пришлось разбить посещение камеры-обскуры на сеансы, а во-вторых, не было никакой возможности каждый раз тратить по полчаса на адаптацию к темноте. В связи со всем этим мы заменили миллиметровое отверстие в диафрагме на слабоположительную линзу диаметром 4 см. Яркость изображения при этом значительно возросла, и на адаптацию глаза теперь уходили считанные минуты. 25.10.2014 – наблюдение солнечных пятен. В день, когда была прочитана вторая лекция, нам повезло. Стояла солнечная погода, и с помощью камеры-обскуры с диаметром входного отверстия 3 мм удалось показать школьниками пятна на Солнце. На первой фотографии (рис.4, слева), сделанной с экрана, удаленного от окна на 5 м, видны голая веточка на фоне Солнца и группа солнечных пятен. Представленный на том же рисунке справа снимок НАСА позволяет иденти-

Рис. 5. Слева – снимок с экрана, справа – увеличенный фрагмент, снято 25.10.2014 в 12 ч 11 мин

солнечного диска. Похоже, что в полутени этой ветки угадывается более мелкое пятно – № 2193. Понятно, что все описанные здесь эксперименты легко воспроизводимы. Превратив свою комнату в большую камеру-обскуру, вы сможете провести их, не выходя из дома. Для начала диаметр входного отверстия в диафрагме можно взять равным 3 мм, потом попробовать другие размеры. Если хотите вместо маленького отверстия использовать линзу, а расстояние от окна до противоположной стены у вас составляет L метров, то проще всего взять линзу для очков с оптической силой +1/L диоптрий. Наблюдения лучше проводить в солнечный день. В заключение – несколько ссылок. i Прежде всего, попытайтесь отыскать в интернете ролик под названием «Камера-обскура – отрывок из серии «Гении фотографии» с известным американским фотографом Абелардо Мореллом. i Посмотрите веселый ролик по адресу http:// yellowdog.ru/blog/i/camera_obscura i А на сайте http://sohowww.nascom.nasa.gov/data/ synoptic/sunspots_earth/ можно найти использованную нами фотографию НАСА. i Наконец, рекомендуем прочитать статью В.Сурдина и М.Карташева «Камера-обскура» в «Кванте» №2 за 1999 год (http://kvant.ras.ru/pdf/1999/02/kv0299surdin.pdf)