Разделы 
Дополнительно
Задача по физике - 5500
2017-11-29 
До быстро вращающегося точильного круга дотронулись металлическим предметом. От места контакта отлетают «искры», которые некоторое время летят по воздуху в виде светящихся точек, а потом «взрываются» (разлетаются на части), хотя внешние условия, в которых находится искра, не меняются. Предложите физическое объяснение причины «взрыва» искр.
Решение:
Разумеется, правильным нужно считать любое описание, которое подходит по условию задачи и не противоречит общепринятым физическим представлениям.
Как видно на фотографии, не все «следы» заканчиваются «взрывами». Скорее всего это означает, что они произошли уже после окончания фотосъёмки. По этой же причине некоторые следы начинаются не у точильного круга, а просто в воздухе — их начальный участок также просто не был заснят.
Наиболее вероятная история каждой искры — такая.
1) маленький кусочек металла отрывается от металлического предмета. Удар и отрыв — это неупругая деформация, в результате которой выделяется теплота. Но на металлическом предмете оказывается нагретым сравнительно небольшой (по сравнению с размерами предмета) участок; теплопроводность металла хорошая, поэтому тепло от нагретого участка сравнительно быстро распределяется по объёму металла.
2) Другое дело — маленький кусочек. Там теплу распределятся некуда. Поэтому его поверхность остаётся горячей. Если её температура превышает температуру воспламенения — кусочек загорается (обычно горение начинается ещё в момент отрыва, но на основной части металла горение из-за теплопотерь тут же прекращается, а кусочек горит дальше).
3) Если размеры кусочка сравнимы с характерными размерами области горения, в процесс горения вовлекается вся поверхность металла. С этого момента кусочек металла оказывается внутри поверхности с температурой горения этого металла. От этого он будет только нагреваться (и он не может охлаждаться атмосферным воздухом, т. к. не имеет непосредственного контакта с атмосферой).
4) Далее металл сначала нагреется до температуры плавления, потом расплавится (на плавление также затрачивается энергия горения), превратившись в жидкость, будет нагреваться дальше.
5) В момент, когда температура расплавленного металла станет такой, что давление насыщенных паров металла при данной температуре сравняется с атмосферным давлением, капля «закипит», то есть разлетится на части, что и выглядит как взрыв. (Точнее говоря, кипеть будет уже не сам металл, а по крайней мере раствор в этом металле (или металлов, если это был сплав) продуктов горения и, возможно, других веществ, например, соединений металла с азотом, образовавшихся при высокой температуре).
Разумеется, описанный эффект будет наблюдаться не со всеми металлами (и сплавами), а только с обладающими подходящим набором параметров (температура плавления, воспламенения, горения, и кипения, удельная теплоёмкость в твёрдом и жидком состоянии, и др.)
Другой возможный «сценарий» развития событий — растрескивание искры из-за нагревания, которое почти наверняка окажется неравномерным. Растрескиваться может как сам металл, так и образовавшаяся на его поверхности хрупкая оксидная корка.
До быстро вращающегося точильного круга дотронулись металлическим предметом. От места контакта отлетают «искры», которые некоторое время летят по воздуху в виде светящихся точек, а потом «взрываются» (разлетаются на части), хотя внешние условия, в которых находится искра, не меняются. Предложите физическое объяснение причины «взрыва» искр.
Решение:
Разумеется, правильным нужно считать любое описание, которое подходит по условию задачи и не противоречит общепринятым физическим представлениям.
Как видно на фотографии, не все «следы» заканчиваются «взрывами». Скорее всего это означает, что они произошли уже после окончания фотосъёмки. По этой же причине некоторые следы начинаются не у точильного круга, а просто в воздухе — их начальный участок также просто не был заснят.
Наиболее вероятная история каждой искры — такая.
1) маленький кусочек металла отрывается от металлического предмета. Удар и отрыв — это неупругая деформация, в результате которой выделяется теплота. Но на металлическом предмете оказывается нагретым сравнительно небольшой (по сравнению с размерами предмета) участок; теплопроводность металла хорошая, поэтому тепло от нагретого участка сравнительно быстро распределяется по объёму металла.
2) Другое дело — маленький кусочек. Там теплу распределятся некуда. Поэтому его поверхность остаётся горячей. Если её температура превышает температуру воспламенения — кусочек загорается (обычно горение начинается ещё в момент отрыва, но на основной части металла горение из-за теплопотерь тут же прекращается, а кусочек горит дальше).
3) Если размеры кусочка сравнимы с характерными размерами области горения, в процесс горения вовлекается вся поверхность металла. С этого момента кусочек металла оказывается внутри поверхности с температурой горения этого металла. От этого он будет только нагреваться (и он не может охлаждаться атмосферным воздухом, т. к. не имеет непосредственного контакта с атмосферой).
4) Далее металл сначала нагреется до температуры плавления, потом расплавится (на плавление также затрачивается энергия горения), превратившись в жидкость, будет нагреваться дальше.
5) В момент, когда температура расплавленного металла станет такой, что давление насыщенных паров металла при данной температуре сравняется с атмосферным давлением, капля «закипит», то есть разлетится на части, что и выглядит как взрыв. (Точнее говоря, кипеть будет уже не сам металл, а по крайней мере раствор в этом металле (или металлов, если это был сплав) продуктов горения и, возможно, других веществ, например, соединений металла с азотом, образовавшихся при высокой температуре).
Разумеется, описанный эффект будет наблюдаться не со всеми металлами (и сплавами), а только с обладающими подходящим набором параметров (температура плавления, воспламенения, горения, и кипения, удельная теплоёмкость в твёрдом и жидком состоянии, и др.)
Другой возможный «сценарий» развития событий — растрескивание искры из-за нагревания, которое почти наверняка окажется неравномерным. Растрескиваться может как сам металл, так и образовавшаяся на его поверхности хрупкая оксидная корка.
