The How and Why Wonder Book of Air and Water

7/22/2019 The How and Why Wonder Book of Air and Water

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T H E H O W A N D W H Y W O N D E R B O O K O F

I RA N D W A T E R

W r i t t e n b y M A R T I N L. K E E Na n d C L A I R E C O O P E R C U N N I F FI l l u s t r a t e d b y T O N Y T A L L A R I C O

E d i t o r i a l P r o d u c t i o n : D O N A L D D . W O L FE d i t e d u n d e r t h e s u p e r v i s i o n o f D r . P a u l E . B l a c k w o o d

W a s h i n g t o n , D.C.T e x t a n d i l l u s t r a t i o n s a p p r o v e d b y

O a k e s A . W h i t e , B r o o k l y n C h i l d r e n s M u s e u m , B r o o k l y n , N . Y .

^W**M;

W O N D E R B O O K S N E W Y O R KA Division of GROSSET & DUNLAP, Inc.


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I n t r o d u c t i o nI l i k e t o t h i n k o f a i r a n d w a t e r a s b r i d g e s , f o r a c r o s s t h e m m o v e t h e

a i r p l a n e s a n d s h i p s t h a t b r i n g c l o s e r t o g e t h e r t h e w o r l d ' s p e o p l e . B u t a i ra n d w a t e r a r e b r i d g e s i n a n o t h e r s e n s e . W h a t s c ie n t i s t s h a v e l e a r n e d a b o u tm a n y o f t h e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e fluids, t h e y h a v e b e e n a b l et o u s e a s b r i d g e s t o u n d e r s t a n d i n g o t h e r fluids g a s e s a n d l iq u i d s .

W i t h t h i s How and Why Wonder Book of Air and Water y o u c a n c r o s st h e s e b r i d g e s o f d i s c o v e r y w i t h t h e s c i e n t i s t s . Y o u w i l l s e e j u s t h o w m a n yo f t h e b i g i d e a s a b o u t a i r a n d w a t e r a r e t r u e o f o t h e r g a s e s a n d l i q u i d s .P e r h a p s , a s y o u s tu d y , y o u w i l l c r o s s a n o t h e r b r i d g e , t h e o n e t h a t w i l lb r i n g t o y o u a g r e a t e r a p p r e c i a t i o n o f a i r a n d w a t e r . T h o u g h t h e y a r ea l l a r o u n d y o u , y o u m a y n e v e r h a v e n o t i c e d h o w s u r p r i s i n g a n d i n t e r e s t i n gt h e s e s u b s t a n c e s a r e .

B e c a u s e y o u may w a n t t o b e t h e s c i e n t i s t a n d c r o s s t h a t f i r s t b r i d g ey o u r s e l f , th i s b o o k s u g g e s t s e x p e r i m e n t s f o r y o u t o t r y . S o r e a d a n d t h i n k ,e x p e r i m e n t , o b s e r v e , a n d c h e c k y o u r f i n d in g s . H a v e a g o o d p a s s a g e a s y o uc r o s s n e w b r i d g e s w i t h The How and Why Wonder Book of Air and Water.

Paul E. Blackwood

Library of Congress Catalog Card Number: 69-20500Copyright 1969 by Grosset& Dunlap, Inc.All rights reserved under International and Pan-American Copyright Conventions.Published simultaneously inCanada. Printed in the United States of America.


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C O N T E N T S

PageC H A R A C T E R I S T I C S O F A I R

A N D W A T E R 4W h a t i s a i r ? 5W h a t i s a i r m a d e o f ? 6H o w c a n y o u s h o w t h a t a i r t a k e s

u p s p a c e ? 6W h a t i s a d i v i n g b e l l ? 8H o w c a n w e p r o v e t h a t a i r h a s w e i g h t ? 8W h y d o e s a p e n n y fa l l f a s t e r t h a n a

p i e c e o f p a p e r ? 11H o w c a n y o u s h o w t h a t a i r i s e l a s t i c ? 11W h a t i s w a t e r ? 1 2W h a t i s t h e s c ie n t if i c n a m e f o r w a t e r ? 12W h e n i s w a t e r n o t w e t ? 1 2W h y i s i c e l i g h t e r t h a n w a t e r ? 13W h y a r e n ' t f is h f r o z e n i n t o t h e i c e of

l a k e s a n d r i v e r s ? 14H o w c a n y o u f l o a t a p i e c e o f s t e e l ? 1 4A I R A N D W A T E R I N N AT U R E 1 6W h a t a r e t h e l a y e r s of t h e a t m o s p h e r e ? 16W h a t a r e t h e a u r o r a s ? 1 7H o w c a n y o u s h o w t h a t c o o l a i r t a k e s

u p l e s s s p a c e t h a n w a r m a i r ? 1 7H o w c a n y o u p r o v e t h a t c o o l a i r i s

h e a v i e r t h a n w a r m a i r ? 1 8W h a t m a k e s t h e w i n d b l o w ? 18W h y i s t h e s e a s h o r e c o o l i n

t h e s u m m e r ? 1 9H o w d o e s w a t e r g e t i n t o t h e a i r ? 2 0W h a t i s h u m i d i t y ? 2 1H o w c a n y o u m e a s u r e h u m i d i t y ? 2 2H o w d o e s m o v i n g a i r h e l p c o o l

y o u r b o d y ? 2 3H o w d o d e s e r t p l a n t s s t o r e w a t e r ? 2 3W h a t a r e c l o u d s ? 2 4H o w c a n s c i e n t is t s m a k e r a i n ? 2 4W h a t i s t h e w a t e r c y c l e ? 2 5H o w d o e s w a t e r g e t t o t h e

top s of t r ee s? 2 6

PageH o w c a n y o u d e m o n s t r a t e c a p i l l a r y

a c t i o n i n p l a n t s ? 2 7W h a t i s a t m o s p h e r i c p r e s s u r e ? 2 7H o w c a n y o u s h o w t h a t a i r e x e r t s

p r e s s u r e ? 2 8W h a t w a s v o n G u e r i c k e ' s e x p e r i m e n t ? 2 8H o w d o w e m e a s u r e a t m o s p h e r i c

p r e s s u r e ? 2 9H o w d o e s a i r g e t i n t o o u r l u n g s ? 3 1A I R A N D W A T E R A T W O R K 3 2H o w d i d a n c i e n t m a n u s e w a t e r

t o m e a s u r e t i m e ? 3 2H o w d o w i n d m i l l s w o r k ? 3 3H o w d o w a t e r w h e e l s w o r k ? 3 5H o w c a n y o u m a k e a w a t e r w h e e l ? 3 6H o w d o e s w a t e r p r o d u c e e l e c t r i c i t y ? 3 7W h a t i s B e r n o u l l i ' s P r i n c i p l e ? 3 8W h a t h o l d s a n a i r p l a n e u p ? 3 8H o w c a n y o u s h o w w h y i t s w i n g s

w i l l l i f t a n a i r p l a n e ? 39H o w d o e s a b a s e b a l l p i t c h e r t h r o wa c u r v e b a l l ? 4 0H o w c a n y o u m a k e a s i p h o n ? 4 0H o w d o e s a s i p h o n w o r k ? 4 1H o w d i d A r c h i m e d e s s o l ve t h e p r o b l e m

o f K i n g H i e r o ' s c r o w n ? 4 1W h a t i s A r c h i m e d e s ' P r i n c i p l e ? 4 3H o w c a n y o u p r o v e A r c h i m e d e s '

P r i n c i p l e ? 4 3W h y d o b a t t l e s h i p s flo at? 4 4H o w d o e s a f is h m o v e u p a n d d o w n

i n w a t e r ? 4 5H o w d o e s a s u b m a r i n e m o v e u p a n d

d o w n i n w a t e r ? 4 6W h a t i s P a s c a l ' s P r i n c i p l e ? 4 6H o w d o e s a h y d r a u l i c j a c k w o r k ? 4 7A I R , W A T E R , A N D Y O U 4 8H o w c a n y o u h e l p k e e p a ir a n d

w a t e r c l e a n ? 4 8


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C h a r a c t e r i s t i c s o f A i r a n d W a t e rA i r a n d w a t e r a r e f a m i l i a r t o a l l o f

u s . T h e e a r t h w e l i v e o n is s u r r o u n d e db y a g r e a t o c e a n o f a i r c a l l e d t h e a t m o s p h e r e . T h r e e q u a r t e r s o f t h e e a r t h ' ss u r f a c e is c o v e r e d b y t h e w a t e r s o fo c e a n s , l a k e s , r i v e r s , a n d s t r e a m s .

A i r fills a l l t h e o p e n h o l l o w s o n t h es u r f a c e o f t h e e a r t h . T h e a i r s u r r o u n d i n g u s i s n e c e s s a r y f o r l i fe . A l l a n i m a l sb r e a t h e a i r , a n d if d e p r i v e d o f i t , t h e yd i e . B e c a u s e a i r s u r r o u n d s o u r b o d i e sa l l t h e t i m e , w e u s u a l l y a r e n o t a w a r eo f h o w i m p o r t a n t i t i s. B u t w h e n e v e rm a n t r a v e l s i n t o s p a c e o r u n d e r w a t e r ,h e r e a l i z e s a i r ' s i m p o r t a n c e b e c a u s e h em u s t t a k e a s u p p l y o f i t w i t h h i m .

Whenever man travels underwater he has to take his supply of air with him. Scubadivers carry theirs in tanksstrapped to their backs.

N e x t t o a i r , w a t e r i s p r o b a b l y t h es u b s t a n c e m o s t i m p o r t a n t t o u s . A l ll i v i n g t h i n g s c o n t a i n w a t e r . M o r e t h a nt w o t h i r d s o f y o u r b o d y i s m a d e u po f w a t e r . T h e w a t e r i n y o u r b o d y h e l p sd i s s o l v e t h e f o o d y o u e a t , w h i c h is t h e nc a r r i e d i n t h e b l o o d t o y o u r l i v i n g c e l l s.W a t e r a l s o h e l p s c a r r y a w a y t h e d i ss o l v e d w a s t e m a t e r i a l s f r o m t h e c e l ls .A n d w a t e r h e l p s t o k e e p y o u r b o d y a tt h e r i g h t t e m p e r a t u r e .

W a t e r is i m p o r t a n t n o t o n l y i n s i d ey o u r b o d y , b u t i n y o u r d a i l y li fe a s w e l l .I t i s u s e d f o r c o o k i n g , b a t h i n g , w a s h i n g c l o t h e s a n d d i s h e s , a n d c l e a n i n g .A n d w a t e r p r o v i d e s r e c r e a t i o n s u c h a ss w i m m i n g , s a i l i n g , o r w a t e r - s k i i n g .

P l a n t s , t o o , m u s t h a v e w a t e r . N op l a n t c a n g r o w w i t h o u t w a t e r . T h i sm e a n s t h a t a l l o u r f o o d d e p e n d s o n


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Solid rock is carved into beautiful and strange shapeswhen sand, carried by the force of the wind, scrapesagainst it. The rock spires in Colorado's Garden ofthe Gods are examples of such formations.

w a t e r b e c a u s e a l l f o o d e v e n m e a t ,w h i c h i s t h e flesh o f p l a n t - e a t i n g a n i m a l s c o m e s f r o m p l a n t s .

W a t e r i s a n i m p o r t a n t s o u r c e o fp o w e r . M a n u s e s t h e f o r c e o f r u n n i n gw a t e r t o t u r n t h e w h e e l s o f m i l l s a n d t om a k e e l e c t r i c i t y .

W a t e r s h a p e s t h e s u r f a c e o f t h ee a r t h . T i m e a n d a g a i n , t h e f o r c e o f t h er u n n i n g w a t e r s of s t r e a m s a n d r i v e r sh a s w o r n d o w n w h o l e m o u n t a i n r a n g e su n t i l t h e y b e c a m e flat p l a i n s . A n d t h ep o u n d i n g o f o c e a n w a v e s o n t h e s h o r e s

h a s s h a p e d t h e c o a s t l i n e s o f a l l t h ec o n t i n e n t s .

A i r , t o o , c a u s e s c h a n g e s i n t h e e a r t h ' ss u r f a c e . A s t r o n g w i n d m a y p i c k u pp a r t i c l e s o f s o i l a n d m o v e t h e m l o n gd i s t a n c e s . W h e n t h e w i n d q u i e t s d o w n ,t h e p a r t i c l e s o f so i l f a l l t o e a r t h . I n t h i sw a y , t h e w i n d m o v e s p o r t i o n s of t h ee a r t h ' s s u r f a c e f r o m p l a c e t o p l a c e .A b o u t 2 0 0 , 0 0 0 s q u a r e m i l e s o f t h eM i s s i s s i p p i R i v e r b a s i n a r e c o v e r e dw i t h r i c h s o il t h a t w a s c a r r i e d t h e r e b yt h e w i n d .

M u c h of o u r w e a t h e r i s d u e t o t h ea m o u n t o f w a t e r i n t h e a i r . C l o u d s , f o g ,d e w , r a i n , s n o w , a n d s le e t a r e f o r m s o fw a t e r i n t h e a ir . M o v i n g a i r c a u s e s m o s to f t h e c h a n g e s i n w e a t h e r . A s w i n db l o w s w a r m o r c o l d , d a m p o r d r y , t h ew e a t h e r c h a n g e s .

What is air?W h e n p l a y i n g o u t d o o r s , y o u f e e l t h e

w i n d o n y o u r f a c e . O na v e r y w i n d y d a y , y o u

h a v e t o l e a n f o r w a r d a n d p u s h h a r d i no r d e r t o w a l k a g a i n s t t h e w i n d . W i n di s m o v i n g a i r , s o i t i s m o v i n g a i r t h a ty o u f e e l, a n d it i s m o v i n g a i r a g a i n s tw h i c h y o u h a v e t o p u s h s o h a r d t o w a l ko n a w i n d y d a y .

Y o u c a n ' t s e e a i r , b u t y o u h a v e o f t e ns e e n w h a t m o v i n g a i r c a n d o . I t m o v e sl e a v e s o n t r e e s , a n d it b l o w s p i e c e s o fp a p e r a l o n g t h e g r o u n d . Y o u k n o w t h a ti n s t o r m s t h e w i n d b l o w s t r e e s o v e r ,a n d m a y e v e n b l o w t h e r o o f s o ff h o u s e s .A s t r o n g w i n d b l o w i n g f r o m t h e s e at o w a r d s h o r e c a n p u s h s o m u c h w a t e rb e f o r e i t t h a t t o w n s a l o n g t h e s h o r em a y b e f l o o d e d . B e c a u s e a i r c a n d o a l lt h e s e t h i n g s , w e k n o w t h a t i t m u s t b e ar e a l m a t e r i a l , l i k e w o o d o r p a p e r .

A i r i s a k i n d o f m a t t e r , t h e s u b s t a n c e


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t h i n g s a r e m a d e o f . M a t t e r i s a n y t h i n gt h a t t a k e s u p s p a c e a n d h a s w e i g h t . As t o n e i s m a t t e r . Y o u c a n s e e t h a t a s t o n et a k e s u p s p a c e , a n d if y o u p i c k i t u p ,y o u c a n f e e l t h a t i t h a s w e i g h t . A p i e c eo f i r o n , y o u r h a t , a b a l l , a n d a g l a s s a n dt h e m i l k i t c o n t a i n s a l l a r e e x a m p l e s o fm a t t e r b e c a u s e t h e y a ll t a k e u p s p a c ea n d h a v e w e i g h t . A i r , t o o , t a k e s u ps p a c e a n d h a s w e i g h t . T h a t is w h y w es a y t h a t a i r i s a k i n d o f m a t t e r .

What is airmade of?

A i r i s a m i x t u r e o f s e v e r a l g a s e s . T h e s eg a s e s d o n o t h a v e a n yc o l o r , o d o r , o r t a s t e . Y o uk n o w t h a t t h i s i s t r u e b e

c a u s e y o u c a n n o t s e e o r s m e l l o r t a s t ea i r .

A l i t t l e m o r e t h a n o n e f if t h o f t h e a i ri s o x y g e n . T h i s g a s i s v e r y i m p o r t a n t t oa l l l i v i n g t h i n g s . If p l a n t s o r a n i m a l s a r ed e p r i v e d o f o x y g e n , t h e y d i e .

A l i t t l e l e s s t h a n f o u r f i f t h s o f t h e a i ri s n i t r o g e n . T h i s g a s i s a l s o i m p o r t a n tt o l i v i n g t h i n g s . N i t r o g e n i s a p a r t o f a l ll i v i n g t i s s u e s . H o w e v e r , l i v i n g t h i n g sc a n n o t u s e n i t r o g e n d i r e c t l y f r o m t h ea i r , a s t h e y d o o x y g e n . P l a n t s g e t n i t r o g e n f r o m b a c t e r i a i n t h e s o i l , a n d a n i m a l s g e t i t b y e a t i n g p l a n t s . H u m a n so b t a i n t h e i r n i t r o g e n s u p p l y f r o m a n i m a l s i n t h e f o r m o f m e a t a n d f ish a n d ,m o r e d i r e c t l y , f r o m p l a n t s i n f r u i t s a n dv e g e t a b l e s .

T h e t h i r d i m p o r t a n t g a s i n t h e a i r i sc a r b o n d i o x i d e . A l t h o u g h a i r c o n t a i n sv e r y l i t t le c a r b o n d i o x i d e c o m p a r e d t oo x y g e n a n d n i t r o g e n , t h e c a r b o n d i o x i d e i s v e r y i m p o r t a n t . P l a n t s a r e t h eo n l y l i v i n g t h i n g s t h a t c a n m a k e t h e i ro w n f o o d a n d t h e y n e e d c a r b o n d i o x i d e

t o d o t h i s . P l a n t s p r o v i d e f o o d f o r a l lo t h e r l i v i n g t h i n g s .

O n e p a r t i n e v e r y h u n d r e d p a r t s ofa i r i s a m i x t u r e o f h a l f a d o z e n o t h e rg a s e s . T w o of t h e s e , h e l i u m a n d h y d r o g e n , a r e v e r y l i g h t g a s e s . B e c a u s e o ft h e i r l i g h t n e s s , o n e u s e o f t h e s e g a s e s i sf o r filling b a l l o o n s ; s m a l l t o y o n e s a n dl a r g e w e a t h e r b a l l o o n s . T h e o t h e r f o u rg a s e s i n a i r a r e n e o n , a r g o n , k r y p t o n ,a n d x e n o n . N e o n g i v e s t h e b r i g h t r e d -o r a n g e g l o w t o t h e g l a s s t u b e s o f e l e c t r i c a d v e r t i s i n g s ig n s . A r g o n i n t h e s eg l a s s t u b e s g i v e s o ff a p u r p l e l i g h t , a n dk r y p t o n a n d x e n o n g i v e o ff a b l u e l i g h t .A r g o n , a l o n g w i t h n i t r o g e n , i s u s e d t ofill t h e e l e c t r i c l i g h t b u l b s i n y o u r h o m e .T h e a r g o n m a k e s t h e b u l b s g l o w m o r eb r i g h t l y a n d l a s t l o n g e r .

T h e p r o p o r t i o n s o f t h e m i x t u r e o fg a s e s i n t h e a t m o s p h e r e a r e n o t a l w a y st h e s a m e . I f y o u c o u l d t a k e a p a r t as a m p l e of a i r f r o m n e a r t h e g r o u n d a n da n o t h e r o n e f r o m a h u n d r e d m i l e sa b o v e t h e e a r t h , y o u w o u l d fi nd t h a tt h e a m o u n t s o f t h e g a s e s w o u l d b e d if f e r e n t in t h e t w o s a m p l e s . T h e s a m p l et a k e n n e a r t h e g r o u n d w o u l d h a v e ah i g h e r p r o p o r t i o n o f t h e h e a v i e r gases:c a r b o n d i o x i d e , a r g o n , k r y p t o n a n dx e n o n . T h e u p p e r s a m p l e w o u l d h a v ea h i g h e r p r o p o r t i o n o f h y d r o g e n , h e l i u m , n i t r o g e n , o x y g e n , a n d n e o n .

W e h a v e s a i d t h a t a i r i s a k i n d o f m a t t e ra n d t h a t m a t t e r i sH o w c a n y o u s o m e t h i n g t h a t t a k e sshow that air T,, . 0 u p s p a c e . I t m a y s e e mtakes up space? r r Jh a r d t o b e l i e v e t h a t

a i r t a k e s u p s p a c e , b u t y o u c a n e a s i l ys h o w t h a t t h i s i s t r u e . A l l y o u n e e d i s


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Air takes up space.a n o r d i n a r y d r i n k i n g g l a s s a n d a p a i l ofw a t e r . T h e g l a s s l o o k s e m p t y . I f y o uw e r e t o s h o w t h e g l a s s t o a f r i e n d a n da s k h i m w h a t i s i n t h e g l a s s , h e w o u l dp r o b a b l y s a y , " N o t h i n g , " o r , " I t ' se m p t y . " P u t y o u r h a n d i n t h e g l a s s .T h e r e s e e m s t o b e n o t h i n g t h e r e ; t h eg l a s s c e r t a i n l y feels e m p t y . B u t w e h a v es a i d t h a t a i r fills a l l t h e h o l l o w p l a c e so n t h e s u r f a c e o f t h e e a r t h . S u r e l y , t h e r em u s t b e a i r i n s i d e t h e g l a s s .

P o u r w a t e r i n t o t h e g l a s s u n t i l i t i sfilled t o t h e b r i m . T h e w a t e r t h a t f il lst h e g l a s s h a s p u s h e d a l l t h e a i r o u t o ft h e g l a s s . B u t s u p p o s e t h e a i r w e r et r a p p e d i n s i d e t h e g l a s s a n d t h e w a t e rc o u l d n o t p u s h i t o u t . If a i r r e a l l y t a k e su p s p a c e , h o w c a n y o u fill t h e g l a s s w i t hw a t e r ?

P o u r a ll t h e w a t e r o u t o f t h e g l a s s .N o w t u r n t h e g l a s s u p s i d e d o w n a n dp u s h i t d o w n i n t o t h e p a i l o f w a t e r .B e s u r e y o u h o l d t h e g l a s s p e r f e c t l ys t r a i g h t . D o n o t t i l t i t t o o n e s i d e . P u s ht h e g l a s s d o w n i n t o t h e w a t e r u n t i l a l l o fi t i s u n d e r w a t e r . N o w l o o k c lo s e l y . Y o u

w i l l s e e t h a t o n l y a s m a l l a m o u n t o fw a t e r h a s r i s e n i n t o t h e g l a s s . T h e r e s to f t h e g l a s s i s f ille d w i t h a i r . T h e a i r i st a k i n g u p t h e s p a c e i n s i d e t h e g l a s s , a n dt h e w a t e r c a n n o t fill i t.

N o w s l o w l y t i l t t h e g l a s s t o o n e s i d eu n t i l s o m e o f t h e a i r e s c a p e s . Y o u w i l ls e e a l a r g e b u b b l e o f a i r r i s e t o t h e s u r f a c e o f t h e w a t e r w i t h a p o p p i n g s o u n d .L o o k a t t h e g la s s a g a i n . T h i s t i m e , y o uw i l l s e e t h a t t h e w a t e r h a s r i s e n h i g h e ri n t h e g l a s s . N o w t h a t t h e b u b b l e of a i ri s n o l o n g e r t a k i n g u p s p a c e in t h e g l a s s ,s o m e w a t e r c a n g e t i n . E a c h t i m e y o ut i p t h e g l a s s a n d l e t a i r e s c a p e , m o r ew a t e r w i l l r i s e i n t o i t .

U s i n g t h i s s a m e e q u i p m e n t , y o u c a np e r f o r m a t r i c k t o f o o l y o u r f r i e n d s .B e t t h e m t h a t y o u c a n p u t a h a n d k e r c h i ef u n d e r w a t e r w i t h o u t g e t t i n g i t w e t .C r u m p l e t h e h a n d k e r c h i e f a n d p a c k i tfirm ly i n t o t h e b o t t o m o f t h e g l a s s . N o wt u r n t h e g l a s s u p s i d e d o w n a n d l o w e r i ti n t o t h e w a t e r a s y o u d i d b e f o r e . T h eh a n d k e r c h i e f w i l l s t a y d r y a s l o n g a sy o u h o l d t h e g l a s s s t r a i g h t .


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AIR HOSE

Very little water will enter the diving bell, or underwater caisson, because the air in it takes up spaceand prevents the water from rising. But if the menworking at the bottom of the bell are to stay dry, nowater at all should enter. To accomplish this compressed air is forced into the diving bell. Weighted inthis way, it sinks. The workmen go in and out throughairlocks which allow them gradually to get used tothe high pressure.

T h e e x p e r i m e n t y o u j u s t p e r f o r m e dA#L w i t h t h e g l a s s a n d t h eWhat is a d i v i n g b e l l ? Pa i l o f w a t e r s h o w e d y o u

t h a t w a t e r c o u l d n o t g e ti n t o t h e g l a s s a s l o n g a s t h e r e w a s a i ri n s i d e i t . T h i s f a c t i s u s e d b y m e n w h o

m u s t w o r k u n d e r w a t e r . P e r h a p s t h em e n m u s t d i g h o l e s f o r t h e f o u n d a t i o no f a b r i d g e o r a d a m , o r p e r h a p s t h e ym u s t r e p a i r a s u n k e n s h i p . T h e y c a n d ot h i s a n d s t il l r e m a i n d r y b y w o r k i n g i n s i d e a d i v i n g b e l l . A d i v i n g b e l l l o o k sl i k e a l a r g e i r o n b e l l . I t i s l o w e r e d b e n e a t h t h e w a t e r o p e n e n d d o w n u n t i l i t r e s t s o n t h e b o t t o m . B e c a u s e t h ed i v i n g b e l l i s f i l le d w i t h a i r , w a t e r d o e sn o t r i s e i n t o i t, j u s t a s w a t e r d i d n o t r i s ei n t o t h e g l a s s . A i r is t a k i n g u p s p a c e i n s i d e t h e d i v i n g b e l l a n d w a t e r c a n n o tt a k e u p t h e s a m e s p a c e .

Y o u r e m e m b e r t h a t w h e n y o u p u s h e dt h e g l a s s a l l t h e w a y d o w n i n t o t h e p a i l ,a s m a l l a m o u n t o f w a t e r d i d r i s e i n t ot h e g l a s s . I f y o u h a d p u s h e d t h e g l a s sm a n y f e e t u n d e r w a t e r , t h e w a t e r w o u l dh a v e r i s e n i n t o i t e v e n f u r t h e r . T o p r e v e n t w a t e r f r o m r i s i n g i n t o a d i v i n g b e l l ,a i r i s p u m p e d i n t o it f r o m t h e s u r f a c e .

How can weprove that airhas weight?

T h e p r o b l e m of s h o w i n g t h a t a i r h a sw e i g h t i s a v e r y o l do n e . I t w a s f irs t s o l v e di n t h e s e c o n d h a l f o ft h e s i x t e e n t h c e n t u r y

b y a y o u n g I t a l i a n s c i e n t i s t , G a l i l e oG a l i l e i .

I t w o u l d b e n i c e t o r e p e a t e x a c t l yw h a t G a l i l e o d i d , b u t w e c a n n o t b e c a u s e w e n e e d e q u i p m e n t e s p e c i a l l ym a d e f o r t h i s e x p e r i m e n t . I n s t e a d , l e tu s r e a d w h a t G a l i l e o d i d , a n d w e w i lll e a r n t h e i n t e r e s t i n g w a y i n w h i c h h ep r o v e d t h a t a i r h a s w e i g h t .

G a l i l e o o b t a i n e d a s t u r d y b o t t l e w i t ha n a r r o w n e c k . T h e n h e h a d a c r a f t s m a nm a k e a l e a t h e r s a c k b o t h a i r t i g h t a n dw a t e r t i g h t , a n d w i t h a n a r r o w n e c k .T h e s a c k w a s s h a p e d p r e t t y m u c h l i k e

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t h e b o t t l e b u t h a d o n l y t h r e e q u a r t e r sa s m u c h s p a c e i n s i d e .

G a l i l e o f illed t h e s a c k w i t h w a t e r . H et h e n w e t t h e n e c k o f t h e s a c k a n ds l i p p e d i t o v e r t h e n e c k o f t h e b o t t l e .T h e w e t l e a t h e r s h r a n k a n d fitted s ot i g h t l y a r o u n d t h e n e c k o f t h e b o t t l et h a t n o t e v e n a i r c o u l d m o v e i n o r out-ofw h e r e t h e s a c k a n d b o t t l e j o i n e d .

S q u e e z i n g a n d t w i s t i n g t h e s a c k ,G a l i l e o f o r c e d w a t e r f r o m t h e s a c k i n t ot h e b o t t l e . T h e n h e w r a p p e d t h e t w i s t e de m p t y s a c k a r o u n d t h e n e c k o f t h e b o t t l e a n d t i e d i t i n p l a c e .

G a l i l e o n o w h a d t h e s e f a c t s b e f o r eh i m : t h e b o t t o m t h r e e f o u r t h s o f t h eb o t t l e c o n t a i n e d w a t e r ; t h e u p p e rf o u r t h c o n t a i n e d a l l t h e a i r t h a t h a dc o m p l e t e l y filled t h e b o t t l e b e f o r e t h ew a t e r w a s f o r c e d i n . T h a t a i r , n o w

s q u e e z e d i n t o a s m a l l e r s p a c e , h a d b e c o m e comp ressed air.

U s i n g t h e s e facts , G a l i l e o r e a s o n e dt h i s w a y : a s p a c e filled w i t h c o m p r e s s e da i r c o n t a i n s m o r e a i r t h a n t h e s a m es p a c e filled w i t h o r d i n a r y a i r a i r t h a ti s n o t c o m p r e s s e d . If a i r h a s w e i g h t ,t h e n a v o l u m e o f c o m p r e s s e d a i r s h o u l dw e i g h m o r e t h a n t h e s a m e v o l u m e o fo r d i n a r y a i r .

T o p r o v e h i s r e a s o n i n g , G a l i l e o c a r e f u l l y w e i g h e d t h e b o t t l e w i t h t h e s a c kw r a p p e d a r o u n d i t a n d t h e w a t e r a n dc o m p r e s s e d a i r i n s i d e . H a v i n g m a d et h i s w e i g h i n g , G a l i l e o u n t i e d t h e s a c ka n d p u l l e d i t f r o m t h e b o t t l e . T h e c o m p r e s s e d a i r e x p a n d e d c a u s i n g t h r e eq u a r t e r s o f a b o t t l e f u l t o e s c a p e . T h i sl e f t o n l y o n e - q u a r t e r b o t t l e f u l o f o r d i n a r y a i r i n t h e b o t t l e . K n o t t i n g t h e

To prove that air has weight you can perform an experiment much like Galileo's.For the step by step description see page 10.


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e m p t y s a c k a r o u n d t h e n e c k o f t h e b o t t l e , G a l i l e o a g a i n w e i g h e d b o t t l e , s a c k ,w a t e r , a n d a i r . H e c o m p a r e d t h e r e s u l t so f t h e t w o w e i g h i n g s a n d f o u n d t h a tt h e first w a s h e a v i e r .

I n b o t h w e i g h i n g s , n o t h i n g h a p p e n e dt o t h e b o t t l e , s a c k , a n d w a t e r t o m a k et h e m c h a n g e w e i g h t . T h e o n l y t h i n gt h a t c h a n g e d w a s t h e a m o u n t o f a i r i nt h e b o t t l e . T h e r e w a s m o r e a i r i n t h eb o t t l e d u r i n g t h e first w e i g h i n g , a n d t h i sw e i g h i n g w a s h e a v i e r . T h e e x t r a a i rm a d e i t h e a v i e r , a n d t h i s p r o v e d t h a ta i r h a s w e i g h t .

Y o u m a y w o n d e r w h y G a l i l e o d i dn o t c o m p r e s s a i r s i m p l y b y p u m p i n g i ti n t o a b o t t l e , s o m e w h a t a s w e c o m p r e s sa i r i n a b i c y c l e o r a u t o m o b i l e t i r e . T h ea n s w e r i s t h a t t h e first a i r p u m p w a s n o ti n v e n t e d u n t i l m o r e t h a n h a l f a c e n t u r ya f t e r G a l i l e o p e r f o r m e d h i s e x p e r i m e n tt o s h o w t h a t a i r h a s w e i g h t .

A l t h o u g h y o u c a n n o t r e p e a t G a l i l e o ' s e x p e r i m e n t e x a c t l y a s h e d i d i t , y o uc a n p e r f o r m a n e x p e r i m e n t t h a t i s m u c hl i k e t h e o n e h e d e v i s e d .

F o r G a l i l e o ' s b o t t l e , y o u w i l l u s e ab a s k e t b a l l , f o r t h e l e a t h e r s a c k , s u b s t i t u t e t h e k i n d o f p u m p u s e d t o i n f l a t eb a s k e t b a l l s o r f o o t b a l l s .

Y o u h a v e t o m a k e a w e i g h i n g a p p a r a t u s . F o r t h i s y o u w i l l n e e d a y a r d s t i c k ,s e v e r a l f e e t of t h i n , y e t s t r o n g , s t r i n g( f i s h i n g l i n e i s g o o d ) , a c o a t h a n g e r , ac a r p e n t e r ' s l e v e l , a D - c l a m p , a n d t w os h o p p i n g b a g s .

T h e t o o l s y o u w i l l n e e d a r e a p e n k n i f e , a s m a l l s a w , a n d a p a i r of p l i e r s .

C u t t w o s q u a r e n o t c h e s , e a c h o n ei n c h f r o m a n e n d o f t h e y a r d s t i c k . E a c hn o t c h s h o u l d b e a b o u t h a l f a n i n c hw i d e .

U s i n g t h e p l i e r s , c u t a n d b e n d t h ec o a t h a n g e r t o m a k e a w i r e c r a d l e a ss h o w n i n t h e i l l u s t r a t i o n o n p a g e 9 .

T i e t h e c a r p e n t e r ' s l e v el t o t h e y a r d s t i c k a s s h o w n . T h e c e n t e r h a i r l i n e o nt h e g l a s s t u b e o f t h e l e v e l s h o u l d b e a tt h e 18- inch m a r k o n t h e y a r d s t i c k . A t t a c h t h e D - c l a m p t o t h e t o p o f a d o o r w a y . P l a c e t h e y a r d s t i c k a n d l e v e l i nt h e w i r e c r a d l e a n d h a n g t h e m f r o m t h ec l a m p . B e s u r e t h a t t h e d o o r w a y is n o td r a f t y , b e c a u s e w i n d b l o w i n g o n y o u re x p e r i m e n t w i l l m a k e y o u r r e s u l t s c o m eo u t w r o n g .

H a n g t h e t w o s h o p p i n g b a g s o n t h ey a r d s t i c k b y p l a c i n g t h e h a n d l e s o f ab a g i n o n e o f t h e n o t c h e s .

L e t t h e a i r o u t o f t h e b a s k e t b a l l .T h e n p u m p a i r i n t o it j u s t u n t i l t h ec r e a s e s h a v e s m o o t h e d o u t . T h e b a l ln o w s h o u l d b e s o f t w h e n y o u p o k e i tw i t h y o u r f i n g e r .

C a r e f u l l y p u t t h e b a l l i n t o o n e o f t h es h o p p i n g b a g s . P u t w e i g h t s s u c h a sp e b b l e s , n a i l s , o r s a n d i n t o t h e o t h e rb a g u n t i l t h e b u b b l e in t h e l e v e l s h o w st h e y a r d s t i c k t o b e h a n g i n g l e ve l . T h i ss h o w s t h a t t h e t w o b a g s a r e i n b a l a n c e ,t h a t t h e y w e i g h t h e s a m e .

R e m o v e t h e b a l l f r o m t h e b a g , b e i n gc a r e f u l t h a t t h e b a g c o n t a i n i n g t h ew e i g h t s d o e s n o t l o w e r s o f a s t a n d h a r da s t o t h r o w y o u r w h o l e w e i g h i n g a p p a r a t u s o u t o f k i l t e r .

N o w p u m p a i r i n t o t h e b a l l u n t i l i ti s a s h a r d a s w h e n i t i s r e a d y t o b e u s e di n a b a s k e t b a l l g a m e . P u m p i n g t h e a d d i t i o n a l a i r i n t o t h e b a l l c o m p r e s s e sa l l t h e a i r i n t h e b a l l . M o r e a i r t a k e s u pt h e s a m e s p a c e a s t h e a i r t h a t w a s i nt h e b a l l w h e n y o u w e i g h e d i t .

G e n t l y p u t t h e b a l l b a c k i n t o t h e

1 0


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s h o p p i n g b a g a n d e x a m i n e t h e b u b b l ei n t h e l e v e l . Y o u w i l l s e e t h a t t h e b u b b l e h a s m o v e d t o w a r d t h e s i d e o nw h i c h t h e w e i g h t e d b a g is h a n g i n g .T h i s m e a n s t h a t t h e b a l l n o w w e i g h sm o r e t h a n t h e p e b b l e s ( o r o t h e rw e i g h t s ) t h a t h a d j u s t b a l a n c e d t h eb a l l b e f o r e t h e a d d i t i o n a l a i r w a sp u m p e d i n . T h e a d d i t i o n a l w e i g h t m u s th a v e c o m e f r o m t h e a d d e d a i r .

H o l d a p e n n y i n o n e h a n d a n d a s m a l ls t r i p o f p a p e r i nWhy d o e s a p e n n y Q t h e r h a n dfal l faster than a TT , l t , , ,_ Holdb o t h h a n d spiece of paper?t h e s a m e d i s

t a n c e a b o v e t h e floor. L e t g o o f t h ep e n n y a n d t h e p a p e r a t t h e s a m e i n s t a n t .W h i c h s t r i k e s t h e f l o o r f irst? T h e p e n n yd o e s . N o w l e t u s s e e w h y .

L e t u s s u p p o s e t h a t w e h a v e a w i d eg l a s s t u b e t h a t i s five f e e t l o n g . W e p l a c ea p e n n y a n d a s m a l l s t r i p of p a p e r i n s i d e t h e t u b e , c o v e r b o t h e n d s t i g h t l y ,a n d h o l d t h e t u b e u p r i g h t . T h e p e n n ya n d t h e p a p e r a r e n o w r e s t i n g a t t h e b o t t o m o f t h e t u b e . W e t u r n t h e t u b ea r o u n d , s o t h a t t h e b o t t o m is n o w t h et o p . W e d o t h i s s o q u i c k l y t h a t t h ep e n n y a n d t h e p i e c e o f p a p e r b e g i n t of a ll f r o m t h e t o p a t t h e s a m e i n s t a n t .T h e p e n n y f a l l s r a p i d l y t o t h e b o t t o m ,w h i l e t h e s t r i p o f p a p e r g l i d e s s l o w l yd o w n w a r d .

L e t u s n o w c o n n e c t t h e g l a s s t u b e t oa n e x h a u s t p u m p t h a t p u m p s a l m o s t a l lt h e a i r o u t o f t h e t u b e . ( W e w o u l d l i k et o t a k e a l l t h e a i r o u t o f t h e t u b e , b u tt h e r e i s n o p u m p t h a t c a n d o t h i s . )A g a i n w e q u i c k l y t u r n t h e t u b e a r o u n d .T h i s t i m e t h e s t r i p o f p a p e r f a l l s a s f a s ta s t h e p e n n y a n d s t r i k e s t h e b o t t o m a t

show that airis elastic?

t h e s a m e i n s t a n t . W h y ? S o m e t h i n g m u s th a v e s l o w e d t h e f a l l o f t h e p a p e r s t r i pt h e first t i m e w e m a d e i t f a l l ; a n d w h a t e v e r s l o w e d t h e p a p e r t h e first t i m e d i dn o t d o s o t h e s e c o n d t i m e . T h e o n l yc h a n g e w e m a d e i n t h e g l a s s t u b e a n di t s c o n t e n t s w a s t o r e m o v e t h e a i r . S o ,i t m u s t h a v e b e e n t h e a ir i n t h e t u b et h a t s l o w e d t h e f a l l o f t h e p a p e r .

A i r i s a k i n d of m a t t e r a n d t h e r e f o r et a k e s u p s p a c e . W h e n t h e t u b e w a sfilled w i t h a i r , t h e p e n n y , w h i c h i sh e a v i e r t h a n t h e s m a l l s t r i p o f p a p e r ,c o u l d m o r e e a s i ly p u s h i t s w a y d o w nt h r o u g h t h e a i r .

W e h a v e d e m o n s t r a t e d t h a t a i r t a k e su p s p a c e ; a i r a l s o h a s

^ . T . / 0 w e i g h t . T h e s e a r e c h a r a c t e r i s t i c s o f a l l m a t t e r . A i r h a s a n o t h e r

c h a r a c t e r i s t i c t h a t i s s h a r e d b y a ll g a s e s :I t i s elastic. T h i s m e a n s t h a t a i r i ss p r i n g y . I t w i l l s p r i n g b a c k t o i t s o r i g i n a l v o l u m e a f t e r b e i n g c o m p r e s s e d o rs q u e e z e d .

Y o u c a n p r o v e t h a t a i r i s e l a s t i c b ym e a n s o f a b i c y c l e p u m p o r a p u m pu s e d t o i n f l a te f o o t b a l l s o r b a s k e t b a l l s .T o d o t h i s , p u l l t h e p u m p h a n d l e a l l t h ew a y o u t s o t h a t a i r w i l l e n t e r t h e p u m p .N o w h o l d a f inger t i g h t l y o v e r t h en o z z l e o f t h e p u m p a n d p u s h t h e h a n d l ei n t o t h e p u m p a s f a r a s y o u c a n . S u d d e n l y l e t g o of t h e h a n d l e . I t w i l l s p r i n go u t w a r d .

W h e n y o u p u s h e d t h e h a n d l e i n , y o uc o m p r e s s e d t h e a i r i n t h e p u m p . W h e ny o u l e t g o o f t h e h a n d l e , i t s p r a n g o u t w a r d b e c a u s e t h e a i r b e h i n d i t i n t h ep u m p w a s s p r i n g i n g o u t w a r d . T h i ss p r i n g i n e s s p r o v e s t h a t t h e a i r i n s i d e t h e


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p u m p i s e l a s t i c . S i n c e t h e a i r i n s i d e t h ep u m p w a s d r a w n i n f r o m t h e o u t s i d e ,i t w a s n o t d i f f e r e n t f r o m t h e a i r o u t s i d e .T h u s , t h e o u t s i d e a i r m u s t b e s p r i n g y ,o r e l a s t i c , t o o . A l l a i r i s e l a s t i c . T h i s i st h e r e a s o n w a t e r r o s e a s h o r t w a y i n t ot h e g l a s s w h e n y o u d i d t h e f irst e x p e r i m e n t i n t h i s b o o k . T h e a i r w a s c o m p r e s s e d b y t h e w a t e r p r e s s i n g a g a i n s t i t .

You can easily provethat air is elastic springy by compressing it within a bicycle-tire-pump.

W a t e r i s m a d e o f h y d r o g e n a n d o x y g e n ,t w o o f t h e g a s e s t h a tW h a t is w a t e r , , ,a r e f o u n d in t h e air.

I t i s a w o n d e r f u l fac t o f n a t u r e t h a t t w og a s e s c a n c o m b i n e t o m a k e a l i q u i d ,a n d t h i s i s w h a t h a p p e n s w h e n o x y g e na n d h y d r o g e n a r e c o m b i n e d i n t h ep r o p e r w a y . T o c o m b i n e h y d r o g e n a n do x y g e n , a s c i e n t i s t p u t s t w o v o l u m e s ( av o l u m e o f a g a s , l i q u i d , o r s o l i d i s t h ea m o u n t o f s p a c e i t t a k e s u p ) o f h y d r o g e n a n d o n e v o l u m e o f o x y g e n i n t o as t u r d y c o n t a i n e r , p e r h a p s a flask o f v e r yt h i c k g l a s s . T h e n h e s e t s o ff a n e l e c t r i cs p a r k w i t h i n t h e c o n t a i n e r t o p r o d u c ea n e x p l o s i o n . A f t e r t h e e x p l o s i o n , d r o p so f w a t e r w i l l a p p e a r o n t h e i n s i d e of t h ec o n t a i n e r a n d t h e r e w i l l b e n o m o r e

h y d r o g e n o r o x y g e n le ft . T h e w a t e rf o r m e d c o n t a i n s t w o v o l u m e s o f h y d r o g e n f o r e v e r y o n e v o l u m e o f o x y g e n . I nf a c t , a l l w a t e r e v e r y w h e r e c o n t a i n s t w ov o l u m e s o f h y d r o g e n f o r e v e r y o n e v o l u m e o f o x y g e n . S a m p l e s of w a t e r t a k e nf r o m a r a i n d r o p , f r o m a f a u c e t , o r f r o mt h e b o t t o m o f t h e o c e a n w i l l a l l h a v e t h es a m e a m o u n t s o f t h e s e t w o g a s e s .

B e c a u s e w a t e r is a l w a y s t h e s a m e , s c i e n t i s t s c a n w r i t e a f o r -

W h a t is th e m u l a f o r i t T o t h escientificname for water? s c i e n t i s t , w a t e r isH . O . T h i s s i m p l y

m e a n s t h a t w a t e r h a s t w o v o l u m e s o fh y d r o g e n ( H ) f o r e v e r y o n e o f o x y g e n( O ) . T h e n e x t t i m e y o u r f r i e n d s v i s i ty o u , o ff e r t h e m a g l a s s o f H 2 0 t o d r i n k .T h e y ' l l p r o b a b l y b e s u r p r i s e d w h e n y o uc o m e b a c k f r o m t h e k i t c h e n w i t h a g l a s so f p l a i n w a t e r .

When is waternot wet?

W e t h i n k o f w a t e r a s a l i q u i d , b u t w a t e rc a n a l s o b e a s o l i d o ra g a s . S o l i d , l i q u i d ,a n d g a s a r e t h e t h r e e

states of matter. W a t e r i n t h e s o l i d s t a t ei s c a l l e d i c e . I c e i s n o t w e t . T h i s m a ys u r p r i s e y o u , b u t t h e r e a s o n i c e f e e l sw e t w h e n y o u t o u c h it i s t h a t t h ew a r m t h o f y o u r h a n d m e l t s t h e i c e,c h a n g i n g s o m e of i t t o w a t e r . I n t h eg a s e o u s s t a t e w a t e r is c a l l e d w a t e rv a p o r . Y o u c a n n o t se e w a t e r v a p o r b e c a u s e i t i s a n i n v i s i b l e g a s , b u t w h e nw a t e r v a p o r c o o l s y o u c a n s e e a c l o u do f s t e a m . S t e a m is m a d e of t i n y d r o p l e t so f w a t e r i n t h e a i r .

Y o u c a n e a s i l y c h a n g e ic e t o w a t e r ,w a t e r t o w a t e r v a p o r , a n d w a t e r v a p o rt o s t e a m . T a k e f o u r o r five i c e c u b e s

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a n d p u t t h e m i n t h e b o t t o m o f a t e ak e t t l e . N o w p u t t h e t e a k e t t l e o n t h es t o v e . L e a v e t h e c o v e r o f t h e t e a k e t t l eoff s o y o u c a n se e w h a t h a p p e n s . S o o na ll t h e i c e h a s m e l t e d a n d t u r n e d i n t ow a t e r . N o w p u t t h e c o v e r o n t h e t e ak e t t l e . I n a s h o r t t i m e t h e w a t e r w i l lb e g i n t o b o i l a n d t h e r e w i l l b e a c l o u do f s t e a m n e a r t h e s p o u t . N o w l o o kc l o s e l y a t t h e e n d o f t h e s p o u t . B e t w e e nt h e c l o u d o f s t e a m a n d t h e s p o u t i s as m a l l s p a c e t h a t s e e m s t o b e e m p t y . B u ti t i s n o t e m p t y . I t i s f ille d w i t h w a t e rv a p o r . Y o u c a n p r o v e t h a t t h i s i n v i s i b l es u b s t a n c e is a f o r m o f w a t e r b y t u r n i n gs o m e o f i t b a c k i n t o a l i q u i d . W r a p at o w e l o r p o t h o l d e r a r o u n d t h e h a n d l eo f a m e t a l s p o o n a n d h o l d t h e b o w l o ft h e s p o o n i n f r o n t o f t h e t e a k e t t l es p o u t . D r o p s of w a t e r w i l l f o r m o n t h es p o o n . Y o u c a n c h a n g e t h e d r o p s ofw a t e r b a c k i n t o i c e b y p u t t i n g t h e s p o o ni n t h e f r e e z e r o f a r e f r i g e r a t o r . L a t e r w ew i l l s e e t h a t a p r o c e s s v e r y m u c h l i k et h i s i s g o i n g o n a l l t h e t i m e i n n a t u r e .

If s o m e o n e w e r e t o a s k y o u w h i c h i sh e a v i e r , a b u c k e t o f i c eW h y is ice Q r fl uc]^Qt Qf w a t e r > y o ulighter than . , ^ ,

, m i g h t v e r y w e l l c h o o s et h e b u c k e t of i c e b e c a u s e

y o u p r o b a b l y t h i n k o f s o l i d s a s b e i n gh e a v i e r t h a n l i q u i d s . B u t if y o u c h o s e

When you melt ice,it turns into water.

When you bo i lwater, it turns intowater vapor andsteam.

When you coo lwater vapor, youcan turn it back intowater.

t h e i c e y o u w o u l d b e w r o n g . A b u c k e to f i c e i s l i g h t e r t h a n a b u c k e t o f w a t e r .W a t e r i s d i f f e r e n t f r o m m o s t o t h e rl i q u i d s b e c a u s e w h e n i t f r e e z e s a n d b e c o m e s s o l i d , i t b e c o m e s l i g h t e r t h a nw h e n i t i s a l i q u i d .

Y o u c a n d e m o n s t r a t e t h i s v e r y e a s i l y .T a k e t w o m e t a l m e a s u r i n g c u p s l i k e t h eo n e s y o u r m o t h e r u s e s t o m e a s u r e flour.

T h e w a t e rreaches the 1cup mark.

A cup of ice,when me l t ed ,does not make acup of water.

Water expandswhen it freezes.


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F i l l t h e m w i t h w a t e r t o t h e m a r k t h a ts a y s " o n e c u p . " N o w p u t o n e c u p o fw a t e r in t h e f r e e z e r o f y o u r re f r ige ra tora n d l e a v e i t t h e r e u n t i l t h e w a t e r h a st u r n e d t o s o l i d i c e . W h e n a l l t h e w a t e rh a s f r o z e n , y o u w i l l s e e t h a t t h e i c es t i c k s u p a b o v e t h e " o n e c u p " m a r k .T h i s i s b e c a u s e w a t e r e x p a n d s a s i tf r e e z e s . N o w c h i p a w a y a ll t h e i c e a b o v et h e " o n e c u p " m a r k . N o w y o u h a v e o n ec u p o f i c e . L e t i t s t a n d u n t i l a l l t h e i c eh a s m e l t e d . W h e n t h e i c e h a s c o m p l e t e l y m e l t e d , l o o k a t t h e l e v e l o f t h ew a t e r . I t n o l o n g e r r e a c h e s t o t h e " o n ec u p " m a r k . A p a r t l y filled c u p o f w a t e rw e i g h s l e s s t h a n a f u l l c u p . T h e r e f o r e ac u p o f i c e m u s t w e i g h l e s s t h a n a c u po f w a t e r . I f y o u h a v e a s c a l e y o u c a nm e a s u r e t h e d i f f e re n c e .

W hy aren t f ishfrozen into theice of lakesand rivers?

B e c a u s e i c e i s l i g h t e r t h a n w a t e r , i tfloa ts . W h e n y o u p u ti c e c u b e s i n a g l a s so f w a t e r , t h e i c e b o b su p a n d d o w n f o r as e c o n d o r t w o , a n d

t h e n flo ats a t t h e t o p o f t h e w a t e r . I c eo n f r o z e n l a k e s a n d r i v e r s a l s o flo ats a tt h e t o p o f w a t e r . T h i s f a c t is v e r y i m p o r t a n t t o p l a n t s a n d a n i m a l s t h a t l i v ei n t h e w a t e r . B e l o w t h e i c e , t h e l i v i n gt h i n g s c a n c o n t i n u e t o l i v e . T h e i c e a c t sa s a s h i e l d , p r o t e c t i n g t h e w a t e r b e n e a t h it f r o m t h e c o l d a i r a b o v e . If t h ei c e w e r e h e a v i e r t h a n w a t e r , t h e b o t t o mo f t h e l a k e w o u l d fill w i t h i c e . E v e n t u a l ly , t h e w h o l e l a k e w o u l d b e f r o z e nf r o m b o t t o m t o s u r f a c e a n d a l l t h e a n i -

As ice is lighterthanwater,it floats. This permits lifeto go on in frozen lakesand rivers.

1 4

float a pieceof steel?

m a l s f i s h , f ro g s , s a l a m a n d e r s , w a t e rs n a k e s , a n d o t h e r s a n d t h e p l a n t sl i v i n g t h e r e w o u l d f re e z e a n d d ie . F u r t h e r m o r e , i n t h e s p r i n g , t h e w a r m s u n l i g h t w o u l d n o t b e a b l e t o m e l t a l l t h ei c e a s i t c a n b e c a u s e t h e i c e i s o n l y a tt h e s u r f a c e .Y o u k n o w t h a t s t e e l i s m u c h h e a v i e r

t h a n w a t e r , y e t y o u c a nH o w c a n y o u float i e c e o f s t e d o nw a t e r I t s o u n d s i m p o s s i b l e , y e t it i s r e a l l y

v e r y e a s y t o m a k e a s t e e l n e e d l e flo at.A l l y o u n e e d is a g l a s s o f w a t e r , a f o r k ,a n d a n e e d l e f r o m y o u r m o t h e r ' s s e w i n gb a s k e t .

W a s h t h e f o r k a n d n e e d l e w i t h s o a p .B e s u r e t o r i n s e off a l l t h e s o a p . P l a c et h e n e e d l e o n t h e f o r k a n d l o w e r t h ef o r k s l o w l y i n t o t h e g l a s s o f w a t e r . T h en e e d l e w i l l float. W h y d o e s t h i s h a p p e n ?

W a t e r i s m a d e u p o f v e r y s m a l l p a r t i c le s c a l l e d m o l e c u l e s . E a c h m o l e c u l eis m a d e u p o f t w o a t o m s o f h y d r o g e na n d o n e a t o m o f o x y g e n . A m o l e c u l e ofw a t e r i s s o s m a l l t h a t i t i s i m p o s s i b l e t o


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i t e v e n w i t h t h e m o s t p o w e r f u lr o s c o p e . M o l e c u l e s c l i n g t o g e t h e r .

o s e o n t h e s u r f a c e c l i n g t o g e t h e r s oh t l y t h a t t h e y f o r m a f ilm , o r s k i n .I m a g i n e a l a r g e g r o u p o f c h i l d r e n i ns c h o o l y a r d . E a c h c h i l d h a s h i s a r m so u t t h e w a i s t s o f t h e c h i l d r e n n e x t t o

. T h e c h i l d r e n o n t h e o u t s i d e o f t h eu p f o r m a n u n b r o k e n c h a i n . T h e s ed r e n a r e a l s o h e l d b y s o m e o f t h e

r e n n e x t t o t h e m o n t h e i n s i d e o fg r o u p . A s a r e s u l t , t h e c h i l d r e n o no u t s i d e w i l l f o r m a s t r o n g r i n g a b o u to t h e r s . I f s o m e o n e t r i e d t o w a l k i n t og r o u p , h e w o u l d h a v e a h a r d t i m e

h i n g t h r o u g h t h e r i n g o f c h i l d r e n o no u t s i d e . T h e y w o u l d p r o b a b l y b et o h o l d h i m o u t .

T h e m o l e c u l e s a t t h e s u r f a c e o f t h ea t e r a r e l i k e t h e c h i l d r e n i n t h e r i n go u n d t h e r e s t o f t h e g r o u p . T h e s u r

m o l e c u l e s c l i n g t o g e t h e r s o t i g h t l yt t h e y c a n h o l d t h e s t e e l n e e d l e

t . S c i e n t i s t s h a v e a n a m e f o r t h ec l i n g i n g t o g e t h e r o f t h e m o l e

a t t h e s u r f a c e o f a l i q u i d , s u c h a st e r . T h e y c a l l i t surface tension.I f y o u l o o k c l o s e l y a t t h e flo atin gd l e , y o u w i l l s e e t h e s u r f a c e f i l md i n g u n d e r t h e w e i g h t o f t h e n e e d l e .

Surface tension allows the steelneedle to float (illustrations atleft). Dropping a few grains ofsoap powder into the glass lessens the surface tension and theneedle sinks (illustration below).

I f t h e s u r f a c e film i s b r o k e n , t h e n e e d l ew i l l i m m e d i a t e l y s i n k t o t h e b o t t o m o ft h e g l a s s . P u s h t h e floatin g n e e d l et h r o u g h t h e s u r f a c e o f t h e w a t e r , a n d i tw i l l s i n k t o t h e b o t t o m .

I f y o u l e s s e n t h e s u r f a c e t e n s i o n , y o uw i l l n o t b e a b l e t o flo at a n e e d l e o nw a t e r . L e t u s t r y a n e x p e r i m e n t t h a t w i l lp r o v e t h i s . T a k e t h e n e e d l e o u t o f t h ew a t e r a n d d r y i t . U s e t h e f o r k t o floatt h e n e e d l e a g a i n . N o w , d r o p a f e w


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The earth's ocean of air is divided into layers.

g r a i n s of s o a p p o w d e r i n t o t h e g l a s s .T h e n e e d l e s i n ks . W h a t h a p p e n e d ? T h es o a p l e s s e n e d t h e su r f a c e t e n s i o n s o t h a tt h e m o l e c u l e s a t t h e s u r f a c e n o l o n g e rc l u n g t o g e t h e r s t r o n g l y e n o u g h t o h o l dt h e n e e d l e a f lo a t . T h i n k of t h e c h i l d r e ni n t h e s c h o o l y a r d . S u p p o s e s o m e o n et o l d m o s t o f t h e c h i l d r e n m a k i n g u p t h eo u t s i d e r i n g t o r e m o v e t h e i r a r m s f r o mt h e w a i s t s o f t h e c h i l d r e n n e x t t o t h e m .T h e o u t s i d e r i n g w o u l d n o l o n g e r b es t r o n g , a n d a n y o n e w i s h i n g t o w a l k i n t ot he g r o u p c o u l d e a s i l y d o so . A l t h o u g hm o l e c u l e s h a v e n o a r m s , y o u m i g h tt h i n k o f t h e a c t i o n o f t h e s o a p a s o n et h a t c a u s e d e a c h m o l e c u l e a t t h e s u r f a c et o r e m o v e i t s " a r m s " f r o m t h e m o l e c u l en e x t t o i t .

W h e n y o u r m o t h e r p u t s s o a p i n t o t h ew a s h i n g m a c h i n e , s h e is r e d u c i n g t h es u r f a c e t e n s i o n of t h e w a t e r s o t h a t t h ew a t e r c a n s o a k i n t o t h e c l o t h e s a n d floata w a y d i r t m o r e e a s i l y .

A i r a n d W a t e ri n N a t u r e

T h e e a r t h ' s o c e a n o f a i r , t h e a t m o s -s p h e r e , e x t e n d s a b o u tWhat are t h e 6QQ m i l e a b o y e t h e

l ay e r s o f t he . , r , ., _ e a r t h s s u r f a c e a n d isa t m o s p h e r e ?d i v i d e d i n t o l a y e r s . L e t

u s p r e t e n d t h a t w e a r e a b o a r d a r o c k e tt h a t is r i s i n g f r o m t h e e a r t h ' s s u r f a c ea n d p a s s i n g t h r o u g h a ll t h e l a y e r s o ft h e a t m o s p h e r e . W e b e g i n o u r j o u r n e yi n t h e l o w e s t l a y e r of a i r . T h i s l a y e r ,c a l l e d t h e troposphere ( t r o p ' - u h - s f e e r ) ,i s a b o u t s e v e n m i l e s t h i c k . N o t e v e n t h e

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h i g h e s t m o u n t a i n s r i s e a b o v e t h e t r o p o s p h e r e . W h e n w e l e a v e t h e t r o p o s p h e r e ,w e e n t e r t h e l a y e r c a l l e d t h e stratosphere( s t r a t ' - u h - s f e e r ) . T h i s l a y e r e x t e n d s t oa b o u t 5 3 m i l e s a b o v e t h e e a r t h . H e r et h e a i r i s v e r y t h i n , c l e a r , a n d c o l d . O u rr o c k e t l e a v e s t h e s t r a t o s p h e r e a n d e n t e r s t h e n e x t l a y e r , t h e ionosphere ( e y e -on ' - uh - s f e e r ) . T h i s l a y e r e x t e n d s f r o m6 0 m i l e s t o 2 5 0 m i l e s a b o v e t h e e a r t h ' ss u r f a c e . I t i s c a l l e d t h e i o n o s p h e r e b e c a u s e h e r e t h e s u n ' s r a y s b r e a k u p t h ea t o m s o f a i r i n t o e l e c t r i c a l l y c h a r g e dp a r t i c l e s c a l l e d i o n s . H e r e t h e a i r i st h i n n e r t h a n i n t h e s t r a t o s p h e r e . T h eu p p e r m o s t l a y e r o f t h e a t m o s p h e r e i sc a l l e d t h e exosphere ( e k s ' - o - s f e e r ) . T h ea i r c o n t i n u e s t o b e c o m e t h i n n e r u n t i l ,a t a b o u t 6 0 0 m i l e s a b o v e t h e e a r t h ' ss u r f a c e , t h e r e a r e n o m o r e a i r p a r t i c l e s .W h e n o u r r o c k e t h a s p a s s e d t h r o u g ht h e e x o s p h e r e , w e a r e i n o u t e r s p a c e .T h e e n t i r e a t m o s p h e r e h a s b e e n l ef tb e h i n d u s .

M o r e t h a n 9 9 p e r c e n t o f t h e a i r i s i nt h e l o w e s t 2 0 m i l e s .

W e l e a r n e d t h a t t h e s u n ' s r a y s b r e a k u pt h e a i r i n t h e i o n o -

_ s p h e r e i n t o e l e c t r i c a l l yt h e a u r o r a s ? \ Jc h a r g e d p a r t i c l e s

c a l l e d e l e c t r o n s a n d i o n s . If y o u l i v e i nt h e f a r n o r t h e r n o r f a r s o u t h e r n p a r t so f t h e e a r t h y o u h a v e p r o b a b l y s e e ng r e a t c u r t a i n s a n d s t r e a m e r s o f l i g h tm o v i n g a c r o s s t h e n i g h t s k y . T h e s es h i f t i n g l i g h t s a r e m a d e o f e l e c t r o n sa n d i o n s m o v i n g i n t h e i o n o s p h e r e . W ec a ll t h e s e t h e N o r t h e r n L i g h t s a n d t h eS o u t h e r n L i g h t s , b u t t h e s c i en t i fi cn a m e s f o r t h e m a r e aurora borealis a n daurora australis.

O b t a i n a t o y b a l l o o n a t l e a s t t e n i n c h e si n d i a m e t e r w h e nH o w c a n y o u s h o w b ] o w n u p B J o wthat cool air takes . , ,,. ,. t h e b a l l o o n u pu p l e s s s p a c e t h a n ,

w r m ,r-> a n d t ie t h e r u b -w a r m airr b e r a t t h e m o u t h

p i e c e o f t h e b a l l o o n i n t o a double k n o t .T h i s i s t o m a k e s u r e t h a t n o a i r e s c a p e s .S i m p l y ty i n g t h e b a l l o o n c l o s e d w i t hs t r i n g w i l l n o t s e a l i t t i g h t l y e n o u g h .

P l a c e a r u l e r o r y a r d s t i c k o n a t a b l ea n d p u t t h e b a l l o o n u p o n i t , m e a s u r i n gt h e d i a m e t e r o f t h e b a l l o o n . W r i t e d o w nt h e m e a s u r e m e n t .

T h e n , p l a c e t h e b a l l o o n i n t o a f r e e z e ro r i n t o t h e f r e e z i n g c o m p a r t m e n t of ar e f r i g e r a t o r . L e a v e t h e b a l l o o n t h e r eo v e r n i g h t .

I m m e d i a t e l y u p o n r e m o v i n g t h e b a l l o o n f r o m t h e f r e e z e r , m e a s u r e i t a g a i n .Y o u w i l l find t h a t i t i s s m a l l e r . ( A s s o o na s y o u h a v e m e a s u r e d i t , p u t t h e b a l l o o nb a c k i n t o t h e f r e e z e r . )

T h e a i r i n t h e b a l l o o n c o n t r a c t e d , o rs h r a n k . W h e n y o u b l e w u p t h e b a l l o o n ,t h e a i r i n i t w a s a t t h e t e m p e r a t u r e o fy o u r l u n g s , f r o m w h e r e t h e a i r c a m e .T h i s t e m p e r a t u r e is a p p r o x i m a t e l y9 8 F . A f t e r y o u t o o k i t f r o m t h ef r e e z e r , t h e a i r i n t h e b a l l o o n w a s s o m e w h e r e n e a r 0 F . S i n c e t h e c o o l e r b a l l o o n i s s m a l l e r , t h e a i r fillin g t h e c o o lb a l l o o n t a k e s u p l e ss s p a c e t h a n t h es a m e a i r w h e n w a r m . T h e r e f o r e , w h e na n y a i r i s c o o l , i t t a k e s u p l e s s s p a c et h a n w h e n w a r m .


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O b t a i n a n o t h e r b a l l o o n t h e s a m e s iz ea s t h e o n e y o uH o w c a n you p r o v e j u s t u s e d B l o wthat cool air is heavier l f . , ,.

4. . o t h i s b a l l o o nt h a n w a r m air?u p t o t h e s a m e

s i z e a s t h e o n e w h o s e s i ze y o u w r o t ed o w n . T w i s t a n d h o l d t h e r u b b e r a t t h em o u t h p i e c e s o t h a t n o a i r c a n e s c a p e ,b u t d o n o t k n o t i t t h i s t i m e .

T h e b a l l o o n y o u j u s t b l e w u p c o n t a i n s a s m u c h w a r m a i r a s d i d t h e w a r mb a l l o o n i n t h e p r e v i o u s e x p e r i m e n t .

A g a i n r e m o v e t h e c o o l b a l l o o n f r o mt h e f r e e z e r . N o w t h i n k . S u p p o s e y o uw e r e t o w e i g h b o t h b a l l o o n s , w h i c hw o u l d w e i g h m o r e ? N e i t h e r , b e c a u s ey o u b l e w t h e s a m e a m o u n t o f a i r i n t ob o t h .

L e t a i r o u t o f t h e w a r m b a l l o o n u n t i l

These are the six great wind belts ofthe world. Within each belt, localwinds may temporarily blow backwardor forward in any direction.

i t i s a s s m a l l a s t h e c o o l b a l l o o n . S i n c es o m e a i r w a s l e t o u t o f t h e w a r m b a l l o o n , i t n o w c o n t a i n s l es s a i r t h a n t h ec o o l b a l l o o n .

T h i n k a g a i n . I f y o u w e i g h b o t h b a l l o o n s , w h i c h w i l l w e i g h l e s s ? T h e w a r mb a l l o o n , o f c o u r s e , s i n c e y o u l e t o u ts o m e o f i t s a i r . B u t b o t h b a l l o o n s a r en o w t h e s a m e s i z e ( e v e n t h o u g h o n e h a sm o r e a i r i n i t ) , t h e r e f o r e , t h e h e a v i e rb a l l o o n m u s t c o n t a i n h e a v i e r a i r t h ec o o l a i r .

What makes thewind b low?

W e h a v e l e a r n e d t h a t w i n d is m o v i n ga i r . N o w l e t u s f i n do u t w h a t m a k e s a i rm o v e i n l a r g e

a m o u n t s a c r o s s t h e s u r f a c e o f t h e e a r t h .I n t h e e x p e r i m e n t y o u j u s t p e r f o r m e d

y o u s h o w e d t h a t w a r m a i r i s l i g h t e r t h a nc o o l a i r . W h e n a i r is c o o l , i t i s h e a v y .H e a v y a i r s i n k s t o e a r t h , a n d p u s h e sw a r m l i g h t a i r u p w a r d . F o r s h o r t , w es a y t h a t w a r m a i r r i s e s , b u t w e m u s tk e e p in m i n d t h a t t h e w a r m a i r r i s e so n l y b e c a u s e it i s p u s h e d u p b y t h e s i n k i n g o f h e a v y c o o l a i r .

B e c a u s e t h e r e g i o n a r o u n d t h e e a r t h ' se q u a t o r i s t h e w a r m e s t p a r t of t h e e a r t h ,t h e a i r a b o v e i t i s w a r m e r t h a n t h e a i ro v e r o t h e r r e g i o n s . T h i s w a r m a i r isp u s h e d u p w a r d b y t h e c o o l e r , h e a v i e r

1 8


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a i r t h a t flow s i n n o r t h a n d s o u t h o f t h ee q u a t o r . A s t h i s c o o l a i r w a r m s , i t, i nt u r n , i s p u s h e d u p w a r d b y c o o l a i r m o v i n g i n . T h e r i s i n g a i r a b o v e t h e e q u a t o rflows n o r t h w a r d a n d s o u t h w a r d , b e c o m i n g c o o l a s i t m o v e s . E v e n t u a l l y ,t h i s c o o l e d a i r s i n k s , t a k i n g t h e p l a c e o ft h e a i r flow ing i n t o w a r d t h e e q u a t o r .

T h e s e b r o a d m o v e m e n t s o f a i r a l o n gt h e s u r f a c e o f t h e o c e a n t o w a r d t h ee q u a t o r a r e c a l l e d t h e t r a d e w i n d s .T h e s e w i n d s d o n o t a c t u a l l y b l o w d ir e c t l y n o r t h o r s o u t h , b e c a u s e t h e e a r t hi s t u r n i n g f r o m e a s t t o w e s t f a s t e r t h a nt h e a i r m o v i n g o v e r i t s s u r f a c e . A sa r e s u l t , t h e e a r t h t u r n s b e n e a t h t h es o u t h w a r d - m o v i n g w i n d s , c a u s i n g t h e mt o m o v e f r o m n o r t h e a s t t o s o u t h w e s ta n d t h e w i n d s a r e k n o w n a s t h e n o r t h e a s t t r a d e w i n d s . I n t h e e a r t h ' s S o u t h e r n H e m i s p h e r e , t h e d i r e c t i o n s a r e r e v e r s e d ; t h e t r a d e w i n d s b l o w f r o m t h es o u t h e a s t t o t h e n o r t h w e s t . A n d t h ew i n d s a r e k n o w n a s t h e s o u t h e a s t t r a d ew i n d s .

O n s u n n y d a y s l a n d s u r f a c e s s u c h a sb e a c h e s a n dW h y i s t h e s e a s h o r e c. , , ,' , . - f i e l d s b e c o m ec o o l in t h e s u m m e r ?w a r m e r t h a n

n e a r b y w a t e r su r f a c e s s u c h a s l a k e s a n do c e a n s . T h e a i r i n c o n t a c t w i t h t h e l a n di s h e a t e d , e x p a n d s , a n d b e c o m e s l i g h t e r .C o o l e r , h e a v i e r a i r f r o m o v e r t h e w a t e rflows t o w a r d t h e l a n d a n d p u s h e s t h el i g h t e r a i r u p w a r d . T h e r i s i n g w a r m a i rflow s t o w a r d t h e w a t e r t a k i n g t h e p l a c eo f t h e c o o l a i r . T h e w a r m a i r t h a t r i s e sa n d m o v e s o u t o v e r t h e w a t e r b e c o m e sc o o l e d a n d t h e r e f o r e h e a v i e r . T h i s c o o la i r s i n k s d o w n t o t h e s u r f a c e o f t h ew a t e r w h e r e i t i s f u r t h e r c o o l e d . T h e ni t flow s t o w a r d t h e l a n d t o p u s h u p w a r dt h e a i r t h a t flow ed i n f r o m t h e w a t e ra n d h a s s i n c e b e c o m e w a r m e d b y c o n t a c t w i t h t h e l a n d . T h i s p r o c e s s , i nw h i c h a i r m o v e s f r o m w a t e r t o l a n d a n db a c k t o w a t e r a g a i n is c a l l e d t h e windcycle. A c y c l e i s a p r o c e s s t h a t r e p e a t si t se l f o v e r a n d o v e r a g a i n .

A t n i g h t , d i r e c t i o n s o f t h e w i n d c y c l eWind blows toward land during the day and toward water at night.


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a r e r e v e r s e d . T h e l a n d s u r f a c e s s u c h a ss a n d , s o i l , a n d r o c k , w h i c h a r e q u i c k l yw a r m e d b y t h e s u n a l s o c o o l q u i c k l yw h e n t h e s u n n o l o n g e r s h i n e s o n t h e m .W a t e r s u r f a c e s a r e w a r m e d s l o w l y a n dc o o l s l o w l y . A f t e r s u n s e t , t h e l a n d s u r f a c e s s o o n b e c o m e c o o l e r t h a n t h en e a r b y w a t e r s u r f a c e s . T h e a i r o v e r t h ew a t e r i s w a r m e d b y c o n t a c t w i t h t h ew a t e r , a n d c o o l a i r f r o m t h e l a n d flow so v e r t h e w a t e r , p u s h i n g t h e w a r m , l i g h ta i r u p w a r d . T h i s w a r m a i r f lows o v e rt h e l a n d w h e r e i t b e c o m e s c o o l e d , s i n k s ,a n d flow s b a c k o v e r t h e w a t e r a g a i n .

T h e c o o l a i r t h a t flow s l a n d w a r df r o m t h e w a t e r d u r i n g t h e d a y i s c a l l e da s e a b r e e z e o r l a k e b r e e z e . I t ist h i s b r e e z e t h a t m a k e s s e a s h o r e s a n dl a k e s h o r e s s o c o m f o r t a b l e d u r i n g h o tw e a t h e r .

W e l e a r n e d t h a t w a t e r i s m a d e of v e r ys m a l l p a r t i c l e s c a l l e d

How does waterget into the air? m o l e c u l e s . M o l e c u l e s a r e c o n s t a n t l ym o v i n g a b o u t a n d b u m p i n g i n t o e a c ho t h e r . S o m e o f t h e m o l e c u l e s a t t h e s u r f a c e o f t h e w a t e r a r e b u m p e d s o h a r dt h a t t h e y b r e a k a w a y a n d fly o ff i n t o t h ea i r . M o s t of t h e s e m o l e c u l e s fa l l b a c k ,b u t s o m e a r e b u m p e d s o h a r d a n d flys o f a s t t h a t t h e y a r e c a u g h t a m o n g t h em o l e c u l e s o f w h i c h a i r i s m a d e . T h e s ew a t e r m o l e c u l e s a r e b u m p e d a l o n ga m o n g t h e a i r m o l e c u l e s a n d d o n o tr e t u r n t o t h e w a t e r f r o m w h i c h t h e yc a m e .

L e t u s i m a g i n e a g a i n t h e g r o u p o fc h i l d r e n i n t h e s c h o o l y a r d . R e m e m b e rt h a t t h e y h a d t h e i r a r m s a r o u n d e a c ho t h e r s ' w a i s t s . N o w s u p p o s e t h a t a l l t h ec h i l d r e n b e g a n t o j u m p b a c k a n d f o r t h .

2 0

S o o n e r o r l a t e r , s o m e o f t h e c h i l d r e no n t h e i n s i d e o f t h e g r o u p w o u l d b u m pi n t o t h o s e f o r m i n g t h e r i n g a r o u n d t h ew h o l e g r o u p . I f t h o s e o n t h e i n s i d eb u m p e d h a r d e n o u g h , t h e y w o u l d c a u s eo n e o f t h e c h i l d r e n f o r m i n g t h e o u t s i d er i n g t o l o o s e n h i s g r a s p o n h i s n e i g h b o r s ' w a i s t s ; a n d t h e f o r c e o f t h e b u m pw o u l d k n o c k h i m r i g h t o u t o f t h e g r o u p .A n o t h e r c h i l d w o u l d t a k e h i s p l a c e , b u ts o o n e r o r l a t e r t h i s s e c o n d c h i l d w o u l db e b u m p e d o u t o f t h e g r o u p , t o o . A st h i s w e n t o n , t h e g r o u p w o u l d g r o ws m a l l e r a n d s m a l l e r .

A s m o l e c u l e s c o n t i n u e t o fly o ff t h es u r f a c e o f w a t e r , t h e a m o u n t o f w a t e rl e ft b e h i n d b e c o m e s le s s a n d l e s s . T h i s

If you put a saucer with water in the sunlight and thesame size saucer with water in the shade, you willfind that water evaporates faster in a warm place(above). If you put the same amount of water in aspoon and in a saucer and put them next to eachother, you will find by checking the time that waterevaporates faster from a larger surface than asmaller one (below).


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r o c e s s i n w h i c h a l i q u i d l o s e s m o l e u l e s t o t h e a i r is c a l l e d evaporation.

Y o u h a v e p r o b a b l y s e e n a p u d d l e o fa t e r o n t h e s i d e w a l k o r o n a flat r o o f

" d r y u p . " T h i s d r y i n g w a s r e a l l y e v a p o r a t i o n in w h i c h a l l t h e m o l e c u l e s o fw a t e r i n t h e p u d d l e flew o f f i n t o t h e a i r .

O r d i n a r i l y , e v a p o r a t i o n t a k e s p l a c es o s l o w l y t h a t y o u d o n o t n o t i c e i t . I fy o u fill a s a u c e r w i t h w a t e r a n d l e a v e i tu n c o v e r e d i n a r o o m a t o r d i n a r y t e m p e r a t u r e , s e v e r a l d a y s w i l l p a s s b e f o r ea l l t h e w a t e r h a s e v a p o r a t e d . I f y o u p u tt h e s a u c e r i n t o a w a r m p l a c e , s u c h a s i nb r i g h t s u n l i g h t , t h e w a t e r m a y e v a p o r a t e i n a f e w h o u r s . I f t h e w a t e r w e r ep o u r e d i n t o a s a u c e p a n a n d h e a t e d o na s t o v e , t h e w a t e r w o u l d e v a p o r a t e i na f e w m i n u t e s . B o i l i n g i s a k i n d o f v e r yf a s t e v a p o r a t i o n . F r o m t h e s e f a c t s , y o uc a n s e e t h a t h e a t m a k e s e v a p o r a t i o nt a k e p l a c e f a s t e r . W h y d o e s t h i s h a p p e n ? B e c a u s e w h e n a l i q u i d i s h e a t e d ,i ts m o l e c u l e s m o v e a r o u n d f a s t e r a n dm o r e o f t h e m a r e s e n t fly in g o ff i n t o t h ea i r .

O n a h o t , m u g g y s u m m e r d a y , p e o p l eo f t e n s a y , " I t ' s n o tW h a t is h u m i d i t y ? , . , ' . . -t h e h e a t , i t s t h e

h u m i d i t y . " W h a t d o t h e y m e a n ? H u m i d i t y i s a w o r d t h a t d e s c r i b e s t h ea m o u n t o f w a t e r v a p o r i n t h e a i r . W h e nt h e r e i s a l o t o f w a t e r i n t h e a i r w e s a yt h e h u m i d i t y is h i g h . W h e n t h e a i r i sv e r y d r y w e s a y t h e h u m i d i t y i s l o w . W ef ee l u n c o m f o r t a b l e i f t h e h u m i d i t y i st o o h i g h . T h e p e r s p i r a t i o n o n o u r b o d i e sd o e s n o t e v a p o r a t e e a s i ly b e c a u s e t h e r ei s a l o t o f w a t e r i n t h e a i r . B u t t o o l o wh u m i d i t y is n o t g o o d e i t h e r . I n t h e w i n t e r w h e n o u r h o u s e s a r e h e a t e d , t h e a i r

Water vapor in the aircondenses and formsbeads of water on theside of the containerfilled with ice.

m a y b e c o m e s o d r y t h a t i n d o o r p l a n t sd i e u n l e s s t h e h u m i d i t y i s i n c r e a s e d .

Y o u m a y h a v e h e a r d a w e a t h e rr e p o r t i n w h i c h t h e a n n o u n c e r s a i d ," T h e r e l a t i v e h u m i d i t y i s 7 0 p e r c e n t . "T h i s m e a n s t h a t t h e a i r c o n t a i n s 7 0 p e r c e n t , o r s e v e n t e n t h s , a s m u c h w a t e r a si t c a n h o l d . W h e n a i r c o n t a i n s a l l t h ew a t e r i t c a n h o l d , w e s a y t h a t i t i ssaturated.

W a r m a i r c a n h o l d m o r e w a t e r t h a nc o l d a i r . W h e n w a r m , m o i s t a i r i s c o o l e di t g i v e s u p s o m e o f i t s w a t e r . Y o u c a ns e e t h i s i n t h e s u m m e r t i m e w h e n t h ed e w f o r m s o n t h e g r a s s a f t e r s u n d o w n .T h e g r a s s c o o l s o ff a f t e r t h e s u n g o e sd o w n . T h e a i r c o m e s i n c o n t a c t w i t h t h ec o o l g r a s s , a n d i t , t o o , i s c o o l e d . T h ec o o l a i r c a n n o l o n g e r h o l d a l l t h e m o i s t u r e , a n d s o m e o f t h e w a t e r l e a v e s t h ea i r . W e c a n s e e i t a s b e a d s o f w a t e ro n t h e b l a d e s o f g r a s s . S c i e n t i s t s s a yt h a t t h e w a t e r v a p o r i n t h e a i r h a scondensed. Y o u c a n c o n d e n s e s o m e o ft h e w a t e r v a p o r i n t h e a i r i f y o u f il l ad r i n k i n g g l a s s o r t i n c a n w i t h ic e a n dp l a c e i t i n t h e k i t c h e n , o r a f a i r l y w a r mr o o m . S o o n b e a d s o f w a t e r w i l l f o r mo n t h e s i d e s o f t h e c o n t a i n e r . W h e n t h ea i r c o m e s i n t o c o n t a c t w i t h t h e i c e - c o l dc o n t a i n e r , t h e a i r i s c o o l e d a n d h a s t og i v e u p s o m e o f i t s m o i s t u r e .


24/52

How can youmeasure humidity?

O b t a i n t w o h o u s e h o l d t h e r m o m e t e r s .C u t a s t r i p o n ei n c h w i d e a n d fivei n c h e s l o n g f r o m

a n o l d t o w e l o r o t h e r a b s o r b e n t c l o t h .W r a p o n e e n d o f t h e s t r i p a r o u n d t h eb u l b o f o n e o f t h e t h e r m o m e t e r s a n dt i e t h e c l o t h i n p l a c e w i t h a p i e c e o fs t r i n g . T h i s i s y o u r wet-bulb thermom eter, t h e o t h e r i s y o u r dry-bulb thermometer. H a n g b o t h t h e r m o m e t e r s a tt h e s a m e l e v e l . P l a c e a g l a s s o f w a t e rb e n e a t h t h e t h e r m o m e t e r w i t h t h e p i e c eo f c l o t h s o t h a t h a l f t h e l e n g t h o f c l o t hi s i n t h e w a t e r . W h e n t h e w a t e r h a s r i s e nt o t h e l e v e l o f t h e t h e r m o m e t e r ' s b u l b ,p l a c e a n e l e c t r i c f a n s o t h a t it w i l l b l o wo n t h e b u l b s o f b o t h t h e r m o m e t e r s , a n dt h e n t u r n t h e f a n o n . ( I f a n e l e c t r i c f a n

i s n o t a v a i l a b l e , f a n t h e t h e r m o m e t e r sv i g o r o u s l y w i t h a s h e e t o f c a r d b o a r d . )A f t e r t h e f a n h a s b e e n b l o w i n g a i r o nt h e t h e r m o m e t e r s f o r five m i n u t e s , n o t et h e r e a d i n g o f e a c h t h e r m o m e t e r a n dw r i t e i t d o w n .

Y o u c a n u s e t h e t a b l e o n t h i s p a g e^

m-f:30-706050


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t o w o r k o u t t h e r e l a t i v e h u m i d i t y . I nt h e c o l u m n h e a d e d " D r y - B u l b R e a d i n g , " find t h e r e a d i n g o f y o u r d r y - b u l bt h e r m o m e t e r . S u b t r a c t f r o m t h is n u m b e r t h e r e a d i n g o f y o u r w e t - b u l b t h e r m o m e t e r . F i n d t h i s d i f f e r e n c e i n t h e t o pr o w m a r k e d " D i f f e r e n c e B e t w e e n W e t -a n d D r y - B u l b R e a d i n g s . " R u n y o u rf in g e r d o w n t h e c o l u m n b e l o w t h a t n u m b e r u n t i l y o u c o m e t o t h e n u m b e r t h a ti s i n l i n e w i t h y o u r d r y - b u l b r e a d i n g .T h i s n u m b e r i s t h e r e l a t i v e h u m i d i t y .L o o k a t t h e e x a m p l e s o f t h i s c a l c u l a t i o ng i v e n b e l o w t h e c h a r t .

I t w i l l b e f u n t o d o t h i s e x p e r i m e n to u t d o o r s . I f i t i s a w i n d y d a y , y o u w o n ' tn e e d a f a n . J u s t le t t h e w i n d b l o w o nt h e t h e r m o m e t e r s . W h e n y o u h a v ef o u n d t h e r e l a t i v e h u m i d i t y , l i s te n t ot h e n e x t r a d i o w e a t h e r r e p o r t f o r y o u ra r e a a n d c o m p a r e y o u r m e a s u r e m e n t o fr e l a t i v e h u m i d i t y w i t h t h e o n e g i v e n b yt h e W e a t h e r B u r e a u .

W h e n y o u c l i m b o u t o f t h e w a t e r a f t e ra s w i m o n aH o w d o e s m o v i n g a i r . ,. , , , , w i n d y s u m m e rh e l p c o o l y o u r b o d y ? Jd a y , t h e w i n d

o n y o u r w e t b o d y s e e m s m u c h c o l d e rt h a n i t d i d b e f o r e y o u w e n t i n t o t h ew a t e r . W h y ?

W e l e a r n e d t h a t h e a t c a u s e s w a t e r t oe v a p o r a t e . H e a t m a k e s t h e w a t e r m o l e c u l e s m o v e f a s t e r s o t h a t m a n y a r ed r i v e n o ff t h e s u r f a c e o f t h e w a t e r . I nd r i v i n g o ff t h e m o l e c u l e s , h e a t i s u s e du p . T h e h e a t of y o u r b o d y i s u s e d u pw h e n w a t e r e v a p o r a t e s f r o m y o u r s k i n .M o r e h e a t p a s s e s f r o m y o u r s k i n i n t ot h e w a t e r , a n d t h e l o s s o f t h i s h e a t c o o l sy o u r s k i n . W e h a v e s e e n t h a t w i n ds p e e d s e v a p o r a t i o n . T h e r e f o r e , y o u r

w e t b o d y c o o l s r a p i d l y w h e n t h e w i n di s b l o w i n g u p o n i t .

E v a p o r a t i o n c o n t r o l s y o u r b o d y ' st e m p e r a t u r e . W h e n y o u b e c o m e v e r yw a r m , y o u g i v e off w a t e r t h r o u g h t h ep o r e s o f y o u r s k i n . T h i s w a t e r i s p e r s p i r a t i o n . A s p e r s p i r a t i o n e v a p o r a t e s i tu s e s y o u r b o d y h e a t a n d t h e r e b y m a k e sy o u r s k i n f e e l c o o l e r . I f y o u s it i n ab r e e z e , w h e r e p e r s p i r a t i o n m a y e v a p o r a t e m o r e r a p i d l y , y o u c o o l off m u c hf a s t e r .

W a t e r i s c o n s t a n t l y e v a p o r a t i n g a n de n t e r i n g t h e a i rH o w d o d e s e r t, 0 a s w a t e r v a p o r .p l a n t s s t o re w a t e r ? rI n h o t w e a t h e r

w e c a n f e e l t h i s h a p p e n i n g w h e n t h ep e r s p i r a t i o n f r o m o u r b o d i e s e v a p o r a t e s a n d m a k e s u s f e e l c o o l e r . P l a n t sa l s o l o s e w a t e r b y e v a p o r a t i o n . M o s to f t h e w a t e r e v a p o r a t e s f r o m t i n y o p e n i n g s i n t h e l e a v e s . M o r e w a t e r i s t a k e ni n f r o m t h e s o i l b y t h e p l a n t s ' r o o t s t or e p l a c e w a t e r l o s t b y e v a p o r a t i o n . I nh o t d r y r e g i o n s , s u c h a s d e s e r t s , e v a p o r a t i o n t a k e s p l a c e v e r y f a s t a n d t h e r ei s v e r y l i t t l e w a t e r i n t h e s o i l . I f d e s e r tp l a n t s h a d l e a v e s , t h e y w o u l d l o s e m o r ew a t e r t h a n t h e y c o u l d r e p l a c e f r o m t h es o i l. P l a n t s t h a t li v e i n d e s e r t s m u s t h a v es p e c i a l f e a t u r e s t o e n a b l e t h e m t o k e e pw a t e r . C a c t u s p l a n t s a r e v e r y w e l l s u i t e dt o d o t h i s . M o s t c a c t u s p l a n t s h a v e n ol e a v e s f r o m w h i c h t h e w a t e r c a n e v a p o r a t e . I n s t e a d , t h e y h a v e t h i c k fleshys t e m s t h a t c a n s t o r e w a t e r . O n e k i n d o fc a c t u s , t h e b a r r e l c a c t u s , h o l d s s e v e r a lq u a r t s of w a t e r i n i t s s t e m , a n d it h a ss a v e d t h e l i v e s o f m a n y t h i r s t y t r a v e l e r sl o s t i n t h e d e s e r t . T h e b a r r e l c a c t u s a n dm a n y o t h e r c a c t u s e s a r e c o v e r e d w i t h


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Because cactus plantshave no leaves, theylose lesswater by evaporation.

b r i s t l e s o r s p i n e s t h a t s h i e l d t h e t i n yo p e n i n g s i n t h e s t e m f r o m w h i c h w a t e rm i g h t e v a p o r a t e . O n e k i n d , c a l l e d t h eo l d m a n c a c t u s , i s c o m p l e t e l y c o v e r e dw i t h a m a s s o f g r e y " h a i r " t h a t p r o t e c t si t f r o m t h e s u n a n d t h u s h e l p s t o k e e pt h e w a t e r f r o m e v a p o r a t i n g . A n d s o m ek i n d s o f c a c t u s h a v e a c o a t i n g of w a xo v e r t h e s t e m t h a t k e e p s w a t e r f r o me v a p o r a t i n g .

W h a t are c louds?W h e n a i r i s c o o l e d t o t h e d e w p o i n t ,

w a t e r v a p o r c o n d e n s e s o n p a r t i c l e s

o f d u s t o r s m o k e t h a t a r e flo atin g i n t h ea i r . T h e d r o p l e t s o f w a t e r f o r m e d i nt h i s w a y a r e v e r y s m a l l a n d c a n floati n t h e a i r f o r a l o n g t i m e . C l o u d s a r em a d e o f t h e s e d r o p l e t s o f w a t e r . W h e nc l o u d s f o r m i n a i r t h a t i s t o u c h i n g t h es u r f a c e o f t h e e a r t h , w e s a y t h a t a f o gh a s f o r m e d . F o g , t h e n , i s r e a l l y l o wc l o u d s .

N o t a l l c l o u d s a r e m a d e o f d r o p l e t so f w a t e r . S o m e t i m e s a i r f r o m c l o s e t ot h e e a r t h i s s w e p t q u i c k l y u p w a r d t oh e i g h t s o f f iv e m i l e s o r m o r e . T h e r i s i n ga i r i s q u i c k l y c o o l e d b e l o w t h e f r e e z i n gp o i n t . A s a r e s u l t , t h e c o n d e n s i n g w a t e rv a p o r i s f r o z e n , a n d c l o u d s of t i n y i c ec r y s t a l s a r e f o r m e d . I f y o u h a v e e v e r

s e e n l a y e r s o f r i p p l e d w h i t e c l o u d s v e r yh i g h i n t h e sk y t h e k i n d o f c l o u d st h a t a r e c a l l e d " a m a c k e r e l s k y " t h e n y o u h a v e s e e n i c e c l o u d s .

T h r e e t h i n g s a r e n e c e s s a r y t o m a k ec l o u d s f o r m :H o w can scientists w a t e r v a p o r > &make ra in? , ,d e w p o i n t , a n d

s o m e s m a l l p a r t i c l e fo r t h e w a t e r v a p o rt o c o n d e n s e u p o n . I f t h e t e m p e r a t u r eo f t h e a i r f a l l s b e l o w t h e d e w p o i n t , t h ed r o p l e t s o f w a t e r t h a t f o r m a c l o u dj o i n t o f o r m d r o p s o f w a t e r s o l a r g e t h a tt h e y c a n n o l o n g e r f loat i n t h e a i r . T h e s ed r o p s f a l l a s r a i n .

S o m e t i m e s , t h e t e m p e r a t u r e i n ac l o u d fal ls l o w e n o u g h f o r r a i n d r o p s t of o r m , b u t t h e c l o u d d r o p l e t s d o n o tj o i n t o f o r m r a i n d r o p s . W h e n th i s h a p p e n s , w e s a y t h a t t h e c l o u d i s supercooled. O n e o f t h e w a y s t o m a k e ra i n d r o p s f o r m i n a s u p e r c o o l e d c l o u d i s t oc o o l i t e v e n m o r e s u d d e n l y . T h i s c a nb e d o n e b y f lying a n a i r p l a n e o v e r t h ec l o u d a n d d r o p p i n g s m a l l p e l l e t s o f d r yi c e i n t o t h e c l o u d . ( D r y ic e i s f r o z e nc a r b o n d i o x i d e g a s . Y o u h a v e s e e n d r yi c e u s e d i n s o d a f o u n t a i n s a n d b y v e n d o r s of i c e c r e a m t o k e e p t h e i c e c r e a mc o l d . ) T h e t e m p e r a t u r e o f d r y i c e i s- 1 1 0 F a h r e n h e i t . I n t h e s u p e r c o o l e dc l o u d , t h e d r o p l e t s o f w a t e r n e a r t h ef a l l i n g d r y i c e p e l l e t s a r e c o o l e d s o l o wt h a t m a n y of t h e d r o p l e t s c o n d e n s e t of o r m r a i n d r o p s . M a n y t i m e s , w h e nt h e s e r a i n d r o p s f o r m , t h e y c a u s e o t h e r sn e a r b y t o f o r m . I n a s h o r t t i m e , t h ew h o l e c l o u d c o n d e n s e s a n d f a ll s a s r a i n .O t h e r t i m e s , o n l y a f e w r a i n d r o p s f o r m

2 4


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d i r e c t l y i n t h e p a t h o f t h e f a l l i n g d r yi c e p e l l e t s , a n d t h e c l o u d c o n t i n u e s t of loat in t h e a i r .

T h e r e i s a n o t h e r w a y t o m a k e r a i n .W e l e a r n e d t h a t t h e d r o p l e t s o f w a t e rv a p o r f o r m a r o u n d p a r t i c l e s o f s m o k ea n d d u s t . I n m u c h t h e s a m e w a y , t h ec l o u d d r o p l e t s c a n c o l l e c t a r o u n d c e r t a i n k i n d s o f p a r t i c l e s t o f o r m d r o p so f r a i n . O n e k i n d o f p a r t i c l e is m a d eo f a c h e m i c a l c a l l e d s i l v e r i o d i d e . S i l v e ri o d i d e i s a s o l i d s u b s t a n c e t h a t l o o k sl i k e b r o w n s a l t . W h e n c r y s t a l s o f s i l v e ri o d i d e a r e p l a c e d i n a s m a l l f u r n a c ea n d h e a t e d , t h e y b r e a k u p i n t o v e

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The How and Why Wonder Book of Air and Water