Мысленно «заглянем» внутрь любого металла – там мы увидим кристаллическую решётку, в узлах которой находятся положительные ионы, а пространство между ионами заполнено свободными электронами (этим и объясняется электропроводность металлов). В кристаллической решётке ионы удерживаются довольно прочно, однако при механическом воздействии их относительно легко «оторвать» – именно поэтому металлы так легко поддаются разнообразной механической обработке.

И именно поэтому из металлов легко высекаются искры. При ударе о заострённые предметы или просто при трении от поверхности металла откалываются микроскопические частицы. Эти частицы за счёт трения разогреваются до очень высоких температур (вплоть до 1000 °C!) и загораются при контакте с кислородом воздуха – эти горящие частицы нам и представляются в виде искр.

А что же кремень? А то, что из этого камня (издревле в качестве кремня использовался оксид кремния SiO₂) искры не высекаются. Точнее, при большом усилии и из куска кремня могут вылетать отдельные искры, но они очень редки, малы и не обладают воспламеняющей способностью. Потому что в минералах кристаллические решётки образованы целыми атомами, а не ионами, и связь между атомами очень часто оказывается более прочной – вспомните хотя бы алмаз. Зато на поверхности кремня много очень прочных заострённых граней, при трении о которые от металлического кресала легко откалываются кусочки – именно они загораются и становятся искрами. В общем-то, то же происходит при трении металла о наждачный круг, который состоит из мелких заострённых зёрен высокой прочности, и в других ситуациях.

Так что в огниве искры образуются из металла, и трением двух кремней друг о друга вы костёр не зажжёте.

Почему иголка колется, острый нож режет, а хорошие гвозди легко входят в дерево? И почему эти же предметы, перевёрнутые обратной стороной, никак не хотят выполнять свою работу? Всё дело в такой физической величине, как удельное давление. Эта же величина позволяет нам кататься на лыжах, гусеничному трактору не утопать в заболоченном грунте, йогу лежать на гвоздях и происходить многим другим явлениям нашего мира.

Удельное давление – величина, показывающая, какое давление тело (либо среда – жидкость или газ) оказывает на единицу площади опоры (стенок сосуда для газов и жидкостей). Данная величина определяется по простой формуле p=F/S, где p – это удельное давление, F – сила давления, а S – площадь опоры. Внимательно посмотрев на формулу, мы найдём ответ на заданный в заголовке вопрос.

Дело в том, что тела с неодинаковой площадью опоры при приложении одинаковой силы создают разное удельное давление на свою опору. Яркий пример – лыжи и ботинки. Вес человека в лыжах распределяется по в 15 – 20 раз большей площади, чем в ботинках. Поэтому давление от подошв ботинок таково, что снег проваливается, а давления от лыж хватает лишь для деформирования верхнего слоя снега, поэтому лыжник свободно прокладывает себе путь по снежной целине.

У иголки площадь опоры очень мала (миллионные доли квадратного миллиметра), поэтому даже при небольшом усилии давление на её острие может достигать десятков, сотен, а то и тысяч атмосфер! Давление такого же порядка создаётся и на острие заточенного ножа. Неудивительно, что игла пронзает ткань и больно «кусается» при неосторожном обращении – такому давлению могут противостоять только материалы, прочнее самой иглы.

А как же йоги могут лежать на заострённых гвоздях? Здесь тоже всё просто – для демонстраций используются лежбища из гвоздей, расположенных очень близко друг к другу. В итоге йог ложится не на один гвоздь, а на целое поле гвоздей, благодаря чему площадь контакта тела йога с остриями гвоздей увеличивается в несколько сотен раз, а удельное давление, соответственно, падает. Такое ложе становится просто жёстким и неудобным, но не колючим, и при желании даже вы сможете лечь на него!

Казалось бы, ответ очевиден – простой швейной иголкой проткнуть монету невозможно, игла разве только царапины оставит, но никак не отверстия. Но если разобраться, то мы придём совсем к другим выводам.

Сначала посмотрим на то, что такое игла и что такое монета. Современные иглы изготавливаются из специальной стали – инструментальной. Эта стать обладает высокой твёрдостью, поэтому из неё делают топоры, метчики, напильники и другой подобный инструмент. А монеты чаще всего изготавливаются из меди, латуни, медно-никелевых сплавов и нейзильбера (медно-никелевое сплава с цинком) – все эти металлы и сплавы значительно уступают стали по твёрдости. Разумеется, здесь есть и исключения, например – с 2009 года российские монеты достоинством 5 и 10 рублей чеканятся из специальных марок стали с медным и латунным покрытием. В любом случае, эти сплавы имеют меньшую твёрдость, чем инструментальная сталь.

То есть, игла прочнее монеты, и теоретически может её проткнуть. Но как это сделать? На самом деле это несложная задача, решение которой мы находим ещё у знаменитого французского популяризатора науки Тома Тита в его книге «Занимательная наука» 1890 года издания.

Итак, чтобы проткнуть монету, нам нужна хорошая швейная игла, винная пробка, пассатижи и молоток, также желательно иметь деревянную подставку. Порядок действий простой. Сначала нужно воткнуть иглу в пробку так, чтобы её острие выступало на 0,3 – 0,5 мм. При этом игла должна проходить строго по оси пробки, в противном случае опыт может не удаться. Оставшуюся часть иглы, торчащую сверху пробки, нужно откусить пассатижами. Очень важно, чтобы игла даже на миллиметр не выступала над пробкой, это может привести к неудаче. Теперь нужно поставить пробку на монету и нанести резкий и сильный удар по пробке, причём важно попасть точно в её центр. Если вы сделаете всё правильно, то увидите, как игла буквально прошила монету, выйдя остриём с обратной стороны.

Как правильно проткнуть монету иглой

Как же такое получилось? Если мы ударим по игле без пробки, то она просто согнётся или даже сломается, и ничего не получится. Пробка же предотвращает деформирование иглы, поэтому всё усилие от молотка передаётся на острие иглы, здесь возникает очень высокое давление (вспомните всё, что было сказано в «Почему острые предметы колючи?»), которого достаточно для прокалывания монеты насквозь. Как видите, эффект довольно простой, но он уже больше века не перестаёт удивлять и радовать людей.

Механика – древнейший раздел физики, её законы были открыты нашим далёкими предками, и во многом благодаря этим знаниям стало возможным развитие человеческой цивилизации. Однако механика не так проста, как может показаться на первый взгляд, эта наука и сейчас преподносит сюрпризы.

Возьмите и бросьте камень так, как вам захочется (но желательно не в окно соседнего дома), и постарайтесь запомнить траекторию его полёта. Теперь задайте себе вопрос: а какой траектория камня виделась пешеходам, пассажирам проезжавшего мимо автомобиля, пролетающему над вашей головой космонавту или инопланетянину с далёкой планеты?

Кого бы вы ни спросили, все дадут разные ответы! С точки зрения пешехода картина почти не отличается от той, что наблюдали вы. Но для автомобилиста всё иначе: если он мчался по направлению полёта камня с такой же скоростью, камень проделал лишь вертикальный путь вверх и вниз. А если скорость была иной, то камень не просто поднимался вверх и вниз, но ещё догонял или отставал от автомобиля. Совсем движение камня увидит космонавт: булыжник за считанные секунды преодолеет несколько километров вместе с земной поверхностью, а изменение его высоты полёта будет практически неизменным. Наконец, инопланетянин увидит (предположим, у него есть приборы для такого наблюдения), как камень преодолевает многие километры вместе с вращением Земли, одновременно пролетая десятки километров вместе с Землёй по орбите вокруг Солнца, и, наконец, пролетает сотни километров вместе с движением Солнца в Галактике – траектория этого камня получится весьма замысловатой.