Сколько весит облако?

Недавно, совершенно неожиданно для себя, увидел в ленте Дзена ссылку на публикацию на сайте Gismeteo «Сколько весит облако?» Публикация датирована 16:34 22 июля. Выборочно цитирую (все цитаты выделены курсивом, авторский, т.е. мой текст – plain)

Это публикация из нашего «Инстаграма» – подписывайтесь, чтобы не пропустить самое интересное. [Кстати, я как вижу слово «Инстаграм», мне, как физику-практику, постоянно хочется его исправить на «In сто грамм»… Интересно, почему?]

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

Вообще-то я частенько захожу на сайт Gismeteo, чтобы узнать прогноз погоды, особенно после того, как наш родимый Гидрометцентр и Метео-ТВ частенько прогнозировали мне погоду с точностью до «наоборот» – обещали дожди, я оставался дома, закутавшись в тёплое одеяло, а друзья в одних футболках звонили мне с дачи или с рыбалки и присылали фотографии, где на небе не было ни единого облачка… Или наоборот, обещали кратковременный легкий грибной дождик, я брал корзинку и шёл в лес по грибы, а в результате насквозь промокал под нудным непрекращающимся проливным дождём… А мне очень не нравится, когда на улице холодно, вода хлюпает в ботинках, а к телу прилегают холодная мокрая майка и трусы… Единственное спасение – раздеться в машине догола, распугивая окружающих, включить на полную мощность печку, а по приезду домой принять лекарство – горячий-горячий глинтвейн, а пока он варится, сто – сто пятьдесят Немирова – медовой с перцем… Иначе две недели с ОРВИ в койке гарантированы…

Я не знаю, что происходит в Гидрометцентре, а вот у Метео-ТВ лучше всего получается рекламировать Лиотон и завлекать к зомбоящику новых телезрителей мужского пола. Еще в 80-ые годы, во время своей службы лейтенантом в ЖДВ я знал нескольких офицеров, неженатых, которые всеми правдами и неправдами стремились не пропустить ни одного прогноза погоды по телевизору, особенно когда они находились в длительных командировках в каком-нибудь богом забытом краю… Один из них, как мне вспоминается, был «пан музыкант», военный дирижёр, начальник полкового оркестра, и хотя вся его служба проходила исключительно в городе Ярославле, где с женским народонаселением было всё в порядке, а при этом часть мужского работала на вредных производствах и поэтому считала своим долгом потреблять 40%-ный водно-спиртовой раствор сверх разумных норм со всеми вытекающими отсюда последствиями… А в командировки он ездил со своим оркестром исключительно в город-герой Москву, где регулярно занимал призовые места среди оркестров Московского военного округа.

«Боже, что за формы», – бывало, вздыхал, будучи лейтенантом, «пан музыкант», сидя перед телевизором. «Это же настоящая скрипка, самый настоящий скрипичный ключ на нотном стане», - говорил он, глядя, как очередная «прогнозист погоды» переходит из правой стороны экрана телевизора на левый, лёгкими и плавными взмахами своей руки демонстрируя передвижение холодных и тёплых масс воздуха по карте нашей необъятной страны.

Но чем же меня поразил на этот раз Gismeteo.

Сколько весит облако и как его взвесить.

В рекламе, да и в обычной речи, мы можем услышать о лёгкости, воздушности и невесомости облаков. Но так ли это на самом деле? Задумывались ли вы, сколько весит облако?

Таким вопросом задалась Пегги Лемон из Национального центра атмосферных явлений в США и выяснила – 500 000 кг. Столько весит кучевое облако, которое мы видим чаще всего. Чтобы представить подобный вес, Лемон предлагает взять за основу слона. Взрослый среднестатистический слон весит около 6 тонн, это значит, что одно облако весит примерно как 100 слонов.

Процесс взвешивания облака – довольно простая математическая процедура. Ученые подсчитали, что плотность воды в типичном кучевом облаке – 0,5 г на кубический метр. Далее следует выяснить объем облака. Это можно сделать по тени, которое оно отбрасывает. По словам Лемон, типичный кумулюс в ширину около километра и приблизительно кубический по форме. Так мы получим облако в 1 миллиард кубометров объемом.

С помощью умножения мы получаем 500 000 000 граммов капель воды в облаке, или 500 тонн.

Статья сопровождалась ссылкой на «In 100 gramm» и коллажем.

Я зашёл на Инстаграм и увидел, что число поставивших лайки существенно увеличилось - более 4 тысяч. Хотя на самом деле и мисс (или миссис?) Пегги Лемон, и переводчикам, и тем остолопам, которые напечатали это на страничке Gismeteo в Инстаграме, можно было сказать только одно – «Садитесь, два. Придёте пересдавать физику за 7 класс осенью» и наставить кучу дислайков.

Прочитав всё это это, я подумал – ну почему никто, практически никто из получивших «аттестат зрелости», изучая в течение долгих 5-6 лет в школе, а потом еще и вузе физику, абсолютно не знает и не понимает основ физики?

Как-то я общался на научно-техническом форуме SciTecLibrary с одним из «признанных на этом форуме авторитетов», который представился как Игорь Старк. И что бы Вы думали? Оказалось, что этот самый «научный авторитет» не знает и не понимает разницы между весом и силой тяжести – и мне пришлось тыкать его физиономией в учебник Перышкина «Физика» за 7 класс. Многие «передовики обучения» вообще не понимают разницы между весом тела и его массой…

Поэтому я решил, что неплохо бы было напомнить отдельным моим читателям самые азы физики.

В учебнике Перышкина 7 класс приводится такое определение массы: масса тела – это физическая величина, которая является мерой инертности тела. Я бы добавил, что масса тела характеризует количество вещества в этом самом теле, масса тела определяется количеством атомов и молекул, из которых это тело состоит.

А на странице 74 учебника Пёрышкина «Физика» за 7 класс есть очень интересная информация, сопровождающаяся неплохой картинкой.

Покупая в продовольственном магазине сахар, картошку, в строительном – цемент или какую-то строительную смесь (и т.д. и т.п.), нас интересует количество купленного товара, то есть его масса – в граммах или в килограммах. Но определить массу того или иного тела непосредственно – пересчитать кол-во атомов каждого вида и потом перемножить полученные результаты на массу этих атомов и затем сложить – невозможно. Потому что обязательно собьёшься со счёта. Кто не верит, может попробовать пересчитать кол-во молекул хотя бы в капле дождя.

Поэтому для определения кол-ва вещества люди стали использовать более простой, хоть и значительно менее точный способ определения массы – взвешивать тела. Кстати, взвешивание тоже прекрасно описано в учебнике Пёрышкина - §21, «Измерение массы тела на весах».

Но так как для подавляющего большинства моих читателей (более 60% - мужчины в возрасте 45 лет и старше) седьмой класс остался в далёком-далёком прошлом, и практически все мои читатели уже имеют собственный большой жизненный опыт, давайте слегка перешагнём за рамки 7 класса.

Дело в том, что у поверхности Земли величина ускорения свободного падения отличается очень незначительно… Величина ускорения свободного падения зависит как от географических координат того или иного места, на полюсах оно слегка больше, чем на экваторе, так и от высоты над уровнем моря – с увеличением высоту оно уменьшается…

III международная Генеральная конференция по мерам и весам, состоявшаяся в 1901 году, определила, что «килограмм-сила равна силе, которая сообщает покоящейся массе, равной массе международного прототипа килограмма, ускорение, равное нормальному ускорению свободного падения (9,80665 м/с²).

Поэтому, например, в Мадриде, на этот самый международный прототип килограмма, будет действовать сила всемирного притяжения, равная

G_Мадрида = 1 кг × 9,79981 / 9,80665 = 0,9993 кгс (или кГ, в данном случае написание Грамм с большой буквы означает, что речь идёт не о массе в граммах, а о силе в грамм-силах)

а в Москве G_Москвы = 1 кг × 9,81540 / 9,80665 = 1,0009 кгс

То есть в Москве всё тот же самый международный прототип килограмма будет притягиваться к Земле с силой в 1,0016 раз большей, чем в Мадриде.

И вот тут я хочу вновь напомнить, что вес тела – это не сила всемирного притяжения, хотя сила всемирного притяжения во многом определяет вес. И помимо отличия в точке приложения веса (как силы) и силы притяжения к Земле, есть еще одно важное отличие. Дело в том, что мы, люди, живём на самом дне довольно глубокого океана – на дне атмосферы Земли, а это значит, что на каждое тело, находящееся внутри этого океана, действует сила Архимеда, которая стремится вытолкнуть тело ближе к поверхности океана (для этого должен быть обеспечен доступ атмосферного воздуха со всех сторон этого тела).

Как, например, красные воздушные шарики партии Шария

или вот эти великолепные hot air balloons на hot air balloons festival:

Так вот, взвешивая тот или иной товар, то или иное материальное тело, мы на самом деле определяем не интересующую нас «массу» этого товара или тела (т.е. реальное кол-во товара), и даже не силу притяжения к Земле, а силу, с которой это тело давит на опору или растягивает подвес – то есть вес этого тела – и, не вдаваясь в тонкости, считаем, что если тело весит, то есть давит на опору или растягивает подвес силой, равной 1 кгс (1 кГ, 1 килограмм-сила), то, соответственно, и масса этого тела равна 1 килограмм.

Согласно закона Архимеда, каждое тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная этим телом жидкость – или газ. Плотность воздуха при 0 градусов по Цельсию составляет примерно 0,00129 г/см³. (Все плотности материалов взяты из учебника Перышкина «Физика» 7 класс) Поэтому стальная гиря массой 1 кг будет весить в барокамере, откуда полностью откачен воздух, в месте на Земле, где местное ускорение свободного падения равно нормальному ускорению свободного падения = 9,80665 м/с², ровно 1 кгс (1 кГ).

А если взвесить эту гирю, объём которой, при плотности стали = 7,8 г/см³ составляет 1000 грамм / 7,8 г/см³ = 128,2 см³, в этом же самом месте на открытом воздухе, то точные весы покажут её вес, равным 999,83 Грамма. Надеюсь, понятно, почему? Подсказка: потому что если полностью опустить гирю в дистиллированную воду с плотностью 1 г/см³, то она будет весить 871,8 Грамма.

Можно сделать килограммовую гирю из оргстекла плотностью 1,2 г/см³ - получится симпатичная прозрачная большая гиря объёмом 1000 грамм / 1,2 г/см³ = 833,3 см³, т.е. будет размером почти с литровую банку. Которая в том же месте в вакуумной камере будет весить ровно 1 кГ, а вот «на плэнере», в воздушной среде – уже 998,2 Грамма. В дистиллированной воде такая гиря будет весить всего 166,7 Грамма.

Еще интереснее пробковая гиря из пробки плотностью 0,4 г/см³. Объём гири – 2500 см³. Вес в вакуумной камере – 1 кГ, на свежем воздухе – 996,8 Грамм. А сколько будет весить эта гиря в воде? Жду ответы читателей в комментариях – я уверен, что будет довольно много разнообразных ответов – поэтому будет о чём предметно поговорить в следующий раз.

Теперь, основываясь на обновлённых знаниях, давайте разберем, какую же глупость написали остолопы-мужчины, долго и безуспешно сражавшиеся с физикой 7 класса и «скрипичные ключи» из Gismeteo. Думаю, «скрипичным ключам» вовсе не обязательно вдаваться в тонкости между массой, силой тяжести и весом – их сила явно заключается в другом, например, в стане, причем явно не в нотном. А вот мужчинам не знать и не понимать физику – стыдно.

Так вот, разъясняю, что, согласно физике за 7 класс висящее в небе облако – невесомо. Как невесомы и накаченные горячим воздухом воздушные шары вместе с сидящими внутри корзин воздухоплавателями. При этом сами воздухоплаватели вовсе не невесомы, так как своими ступнями ног или пятыми точками они опираются на опору – на пол корзины или на скамейки внутри этой корзины. Так же не невесома и сама корзина, подвешенная к hot air balloon, так как она растягивает подвесы. Интересная ситуация, не так ли?

Если слон, изображённый на картинке Gismeteo, парит в воздухе, как слонёнок Дамбо, то это означает, что он тоже невесом.

Поэтому давайте подправим Пегги Лемон, переводчиков и тех, кто разместил эту статью на сайте и в Инстаграме.

Какова масса облака?

Хотелось бы, чтобы именно таким вопросом задалась Пегги Лемон из Национального центра атмосферных явлений в США и выяснила – 500 000 кг. (Если говорить о весе, то надо было написать хотя бы 500 000 кГ) Какова масса кучевого облака, которое мы видим чаще всего? Чтобы представить подобную массу, Лемон предлагает взять за основу слона. Взрослый среднестатистический слон имеет массу около 6 тонн (т.е. весит около 6000 кГ), это значит, что одно облако имеет массу примерно сотни слонов.

Продолжим.

Процесс взвешивания облака – довольно простая математическая процедура. Самое забавное, что тут даже никакой процедуры не надо – надо только иметь хотя бы спичечный коробок мозгов и вспомнить то, чему тебя учили на уроках физики в 7 классе средней школы – висящее в атмосфере Земли облако ничего не весит. Поэтому скажем так – определить массу облака – довольно простая математическая процедура.

Ученые подсчитали, что плотность воды в типичном кучевом облаке – 0,5 г на кубический метр. Далее следует выяснить объем облака. Это можно сделать по тени, которое оно отбрасывает. По словам Лемон, типичный кумулюс в ширину около километра и приблизительно кубический по форме. Так мы получим облако в 1 миллиард кубометров объемом.

Немного меня смущает словечко «кумулюс», на да ладно, специалистами иногда используется своя терминология, непонятная обычному «пиплу» – так, хотя бы, «специалисту» можно показать свою образованность, значимость и широту кругозора. Уверен, что большинство «скрипичных ключей» тоже на самом деле не знают, что такое «кумулюс». Но словечко – оригинальное, не так ли?

На вопрос, почему такая тяжесть свободно передвигается по воздуху и не падает, тоже есть ответ. Облака состоят из капель воды, которые иногда настолько малы, что на них практически не влияет гравитация.

Ну зачем быть такими тупыми остолопами, дорогие мои? Гравитация влияет на все – и на шарики Шария, и на hot air balloon. Гравитация влияет и на каждую молекулу кислорода, азота и других газов, из которых состоит наша атмосфера. И именно благодаря гравитации, кстати сказать, в подвижных средах, в жидкостях и газах и возникает подъёмная сила Архимеда.

К тому же, они рассредоточены в большом пространстве.

И что из этого следует, дорогие мои?

Облако менее плотное, чем сухой воздух (который, кстати, тоже имеет немалый вес), что позволяет ему «плавать».

Боже, боже… Ну почему вы так плохо учились в школе, писаки безмозглые? Если облако «плавает» на какой-то определённой высоте, то это означает, что плотность этого облака равна плотности окружающей его атмосферы.

Когда плотность воды увеличивается, а капли становятся тяжелее и больше, облако постепенно «падает» — в виде дождя.

Ну тут хотя бы почти что правильный ответ, за который можно поставить хотя бы "три". Потому что мне было бы интересно задать сперва уточняющий вопрос – а почему и за счёт чего «плотность воды увеличивается»?

А истинные причины плавания облаков (и парения пылинок) я еще разберу на будущих занятиях. Но до этого нам надо будет вспомнить еще много чего и распрощаться с целым рядом отлитых в граните в головах стереотипов.

Кстати, есть еще интересный вопрос про облака – а какая энергия поднимает все эти массы воды на высоту в несколько километров?