Текст книги "Здравствуй, физика!"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 14 страниц)

Мы живем на дне океана

Мы живем на дне воздушного океана. Над нами – огромная толща воздуха. Десятки, сотни километров. А воздух, как он ни легок, все же имеет вес. И он давит на все, что находится внизу. На каждый квадратный сантиметр воздух давит с силой примерно в 1 кг. Поэтому даже небольшая редиска с площадью среза, скажем, в 1 кв. см может поднять тарелку. Это воздух прижимает тарелку к редиске! А вот тяжелый утюг на редиске не поднимешь: он весит гораздо больше, чем 1 кг. Редиска отрывается от поверхности утюга. Но тот же утюг можно удержать на более крупном корнеплоде. Скажем, на половине свеклы.

Давление воздуха удерживает и столб воды в перевернутом стакане или бутылке. В нашем втором опыте со стаканом бумажка, прикрывающая стакан снизу, тоже удерживается давлением воздуха. Ведь ты ее немного вдавил, когда прижимал ладонью. А если накрыть стакан, скажем, стеклом, которое не вдавливается, оно будет отставать гораздо легче. Ты спросишь: почему так не получилось в нашем третьем опыте со стаканом? Да потому, что мы положили промокашку. Она высосала из стакана часть воды, вот стекло и присосалось.

Бах! и фанерка пополам

Возьми полоску фанеры шириной 2–3 см и длиной 50–60 см или старую, негодную линейку. Уравновесь ее на краю стола, чтобы при малейшем нажиме на свободный конец фанерка падала. А теперь расстели на столе поверх фанерки газету. Аккуратно расстели, разгладь руками, расправь все складочки.

Раньше фанерку можно было опрокинуть пальцем. Теперь добавилась газета, да много ли она весит? А ну-ка, смелее: ударь по концу фанерки кулаком. Трах!

Ой, что это? Даже кулак заболел, а фанерка лежит, словно она гвоздями приколочена! Ну, сейчас мы ей покажем, как упираться! Бери палку и бей со всего размаха. Бах! Фанерка пополам, а газета лежит себе как ни в чем не бывало.

Почему же газета оказалась такой тяжелой? Да потому, что на нее сверху давит воздух. По 1 кг на каждый квадратный сантиметр. А квадратных сантиметров у газеты ой как много! Развернутый лист «Пионерской правды» имеет 60 см в длину и 42 см в ширину. А ну-ка посчитай, какая это площадь? 60 х 42 = 2520 кв. см. Значит, воздух давит на нее с силой две с половиной тысячи килограммов, две с половиной тонны!

Поднимай газету медленно: воздух будет и под нее, проникать, и снизу давить с такой же точно силой. Но попробуй оторвать ее от стола разом, и ты уже видел, что получается. Воздух не успевает попасть под газету, там образуется пустота, и фанерка ломается пополам!

Сухим из воды

Положи на плоскую тарелку монету и налей немного воды. Монета очутится под водой. Теперь предложи товарищу взять монету голой рукой, не замочив пальцев и не выливая воду из тарелки. Едва ли он сообразит, как это сделать. А фокус в том, что воду надо отсосать. Но не ртом, конечно. Ведь неизвестно, где эта монета валялась, в каких руках она побывала.

Возьми тонкий стакан, ополосни его кипятком и опрокинь на тарелку рядом с монетой. Теперь смотри, что будет. Воздух в стакане начнет остывать. А ты, наверное, уже слышал, что холодный воздух занимает меньше места, чем горячий. Мы об этом еще поговорим в свое время подробнее. Так или иначе, стакан, словно медицинская кровососная банка, начнет всасывать воду, и вскоре вся она соберется под ним. Теперь подожди, пока монета высохнет, и бери ее, не боясь замочить пальцы!

Три фонтана

Помнишь, я обещал, что в этой книге будут еще фонтаны? Вот сразу три.

Первый – это бутылочка со вставленной в пробку трубочкой. Можешь, например, взять стеклянную трубочку, которой пишут буквы. Такие трубочки продаются наборами в писчебумажных магазинах. А можешь взять обыкновенную аптечную пипетку. Только у нее стеклянная трубочка слишком коротка. Поэтому лучше оставить и резиновый мешочек, срезав его донышко ножницами.

В пробке прожги раскаленным гвоздем отверстие и вставь в него трубочку очень туго. Если получится слабовато, залей щель воском или варом. Подбери небольшую бутылочку, которую пробка закрывала бы плотно. Налей в эту бутылочку почти до горлышка воду, слегка подкрашенную чернилами, и заткни пробкой.

Вода в бутылочке находится под атмосферным давлением. Снаружи давление такое же. Как сделать, чтобы фонтан забил? Для этого есть два способа. Первый – уменьшить давление снаружи. Из опыта с монетой ты уже знаешь, как это делается.

Поставь бутылочку в мелкую тарелку. Налей в эту тарелку немного воды и разложи листки промокательной бумаги. Возьми трехлитровую стеклянную банку и подержи ее перевернутой над горящей свечой, над плитой или электроплиткой. Пусть прогреется хорошенько, пусть наполнится горячим воздухом.

Готово? Ставь ее вверх дном на тарелку, края – на промокашку. Теперь бутылочка накрыта. Воздух в банке начнет остывать, вода из тарелки будет всасываться. Скоро она вся уйдет под банку. Эй, берегись, сейчас воздух проскочит под краями! Но мы ведь не зря подложили промокашку. Крепко надави на дно банки, она прижмет мокрые листки, и воздух не проскочит. Фонтан забьет!

Фонтан можно привести в действие и другим способом. Воздух в бутылочке надо сжать! Возьми верхний конец трубочки в рот и вдувай воздух сколько хватит силы. Из нижнего конца трубочки побегут пузырьки.

А теперь отпускай. Смотри, как славно забил наш фонтан! Жаль только, что он недолго действует. Это потому, что запас сжатого воздуха быстро кончается. Чтобы фонтан работал дольше, надо воды в бутылочку наливать немного. Все равно для работы фонтана ее хватит, а воздуха в бутылочку войдет больше. И подкрашивать воду чернилами не надо. Ведь этот фонтан будет бить не под стеклянной банкой, он и без чернил хорошо будет виден. А трубочку здесь приходится брать в рот.

Третий фонтан похож на второй. Внутри бутылочки создается повышенное давление. Только не вдуванием воздуха, а другим способом, который ты уже знаешь. Положи в бутылочку несколько кусочков мела и заполни ее на три четверти уксусом. Быстро закупорь ее пробкой с трубочкой и поставь в раковину или большой таз, чтобы уксус не попал куда не надо. Ведь в бутылочке начнет выделяться углекислый газ, и под его давлением из трубки забьет уксусный фонтан!

Барометр

Так назвали прибор для измерения давления воздуха. Первый барометр был сделан итальянским ученым Торричелли в 1643 году. Это была трубка со ртутью, запаянная с одного конца и опрокинутая в сосуд. Воздух давил на ртуть в сосуде и не давал ей вытечь из трубки. Но трубка была длинная, и поэтому часть ртути все же вытекала. Уровень ртути в трубке устанавливался на высоте около 76 см, а выше было пустое пространство.

Сейчас есть более удобные барометры, так называемые анероиды. В анероиде ртути нет, а есть маленькая баночка из очень тонкой жести. Из баночки выкачивают воздух и запаивают отверстие. Наружный воздух давит на дно баночки и прогибает его. Чем больше давление, тем больше прогиб. А движение дна передается стрелочке. Она ходит по шкале и показывает, каково сейчас атмосферное давление.

Шкала по-прежнему градуирована в сантиметрах ртутного столба, потому что все к этому привыкли.

Анероиды стоят недорого, во многих семьях они есть. Покупают их потому, что барометр довольно верно предсказывает погоду. Если «барометр падает» – давление понижается, быть буре.

На шкале анероида слева так и написано: «Буря». Если барометр «стоит высоко», погода будет ясная.

Правда, вся середина шкалы анероида занята загадочным словом «переменно». Тут всякое может быть: и дождь, и снег, и ясное солнышко. Потому что погода ведь не только от давления зависит, а еще и от ветра, и от влажности воздуха, и от многих других причин.

Если сможешь достать анероид, сделай с его помощью интересный опыт. Выйди с ним на улицу, а если можно, опустись в подвал. Точно заметь показания стрелки. Это легко сделать: в анероиде обычно есть вторая стрелка, контрольная. Ее устанавливают от руки, чтобы потом заметить, повышается ли давление или понижается.

Так вот, совмести контрольную стрелку с рабочей, а потом забирайся вместе с анероидом на самый верхний этаж, на чердак или поднимись на какой-нибудь холм. Ты заметишь, что наверху давление меньше, чем внизу! При подъеме на каждые 10 м оно падает примерно на 1 мм ртутного столба. Так и должно быть: ведь над высоким местом воздуха остается меньше, он не так сильно давит!

Пустота

– Что у вас в этом запаянном сосуде?

– Пустота.

– А она очень пустая?

– Да уж пустее не бывает. Возьмите, не пожалеете!

Разговор этот, конечно, выдуманный. Но ничего невероятного в нем нет. Ведь в современной технике пустота (или вакуум) так же необходима, как медь или резина, как стекло или нефть.

Без пустоты нельзя сделать, например, радиолампу. В воздухе ее накаленная нить сгорела бы мигом! Вот почему на заводах, где делают эти лампы, пустота подается по трубам, как вода или газ. На участке откачки, где из готовых ламп удаляют воздух, трубка с пустотой подводится к каждому рабочему месту.

Но не только радиолампу нельзя сделать без пустоты. Не сделаешь без нее и телевизионную трубку. Значит, без пустоты не было бы не только радио, телевидения, звукового кино, но и многих медицинских аппаратов и электронно-вычислительных машин.

Для радиоламп и телевизионных трубок нужна пустота особенно «чистая», особенно «пустая». Чтобы ее получить, внутри радиолампы при сборке укрепляют таблетку специального вещества – поглотителя. Сначала воздух откачивают насосом и лампу запаивают. А потом лампу сильно разогревают. Таблетка раскаляется и превращается в пар. Пары поглотителя жадно поглощают остатки воздуха и оседают на стекле лампы. От этого и получается тот металлический налет, который ты, наверное, видел в радиолампах.

Физики изучают строение атомов и еще более мелких частиц материи на огромных ускорителях. Им нужна самая чистая пустота. Малейший след газа затрудняет опыт, путает результаты.

Физики с завистью поглядывают на небо. Там, в глубинах космоса, каждый след газа – редкость. Там безграничные, невообразимые пространства в сотни раз чище самой чистой пустоты, какую только удается получить в земных лабораториях. Вот бы куда забраться со своими опытами!

И когда будет построена первая внеземная станция, в числе ее обитателей обязательно окажутся физики, привлеченные великолепной пустотой космических пространств!

Глава шестнадцатая. ДОВОЛЬНО ЖИТЬ НА ДНЕ!

Мечта о небе

Люди давно мечтали летать. Сделать бы крылья, как у птиц, у насекомых, у летучих мышей. Сколько всякой живности носится в воздухе, а человек не может!

Смелые изобретатели пытались делать крылья для людей. Но взлететь на таких крыльях никому не удавалось. У человека не хватало силы, чтобы поднять себя в воздух. В лучшем случае изобретателям удавалось благополучно опуститься на землю, спланировав на своих крыльях с горы или высокой башни. Для этого сила не требовалась.

Ты, наверное, не раз делал бумажных голубей. Один из самых простых и в то же время хорошо летающих – это «стрелка». Для нее нужен лист бумаги размером 295х176 мм. Согни этот лист пополам вдоль длинной стороны. Все остальные размеры и порядок складывания ясны из рисунка.

«Стрелку» хорошо пускать в комнате, а еще лучше с балкона высокого дома. Тогда она может далеко улететь. А если попадет по дороге в восходящий поток воздуха, может даже подняться вверх. Жаль, что на «стрелке» нет пилота. Тот специально бы выискивал восходящие потоки и кружился бы в них, поднимаясь вместе с воздухом все выше и выше. Так и летают спортсмены-планеристы на своих легоньких, безмоторных аппаратах.

Первые аэронавты

«Аэронавт» – старинное слово. Мы сейчас больше привыкли к слову «космонавт» – «плавающий в космосе». Но сначала появились аэронавты – воздухоплаватели. Это было еще в XVIII веке, почти двести лет назад. Жили тогда во Франции два брата Монгольфье, владельцы бумажной фабрики в городке Анонэ. Старший брат был физиком. Он обратил внимание на то, что летают не только птицы и насекомые. Дым из труб тоже взлетает вверх. Но если дым может летать, нельзя ли поймать его, запрячь, заставить поднимать груз?

Во что поймать дым? Бумажный фабрикант недолго колебался. Склеим легкий мешок из бумаги! И вот в июне 1783 года состоялся первый полет. К шару, наполненному дымом, была привязана плетеная корзина. Кто сядет в нее? Смельчака не нашлось. Да и как знать: выдержит ли человек воздушный полет? Для начала в корзину посадили животных – барана, петуха и утку. Они и стали первыми аэронавтами.

Смешно? Не спеши смеяться. Вспомни, что через 170 лет после этого первым путешественником в космосе стала собака Лайка. Когда же условия полета были проверены на собаке, в космос взлетели люди!

Так было и в 1783 году. После того как животные приземлились благополучно, настала очередь людей. 19 октября 1783 года в Париже поднялись на воздушном шаре Пилатр де Розье и маркиз д’Арланд. Их шар, названный в честь изобретателей монгольфьером, тоже был наполнен дымом. Под ним была подвешена специальная жаровня, чтобы он дольше летал.

Кстати сказать, братья Монгольфье думали, что все дело именно в дыме. Они еще не понимали, что дым летит вверх не потому, что он дым, а потому, что он горячий! А мы с тобой уже убедились в том, что теплый воздух может поднять шар безо всякого дыма. Вспомни, как ты пускал мыльные пузыри. Пузырь, наполненный теплым воздухом, взлетал, и не опускался до тех пор, пока не остывал.

Почему летит самолет?

Почему взлетает змей? Потому, что его плоскость имеет наклон. И ветер, напирая на змей снизу, поднимает его вверх. Если ветра нет, приходится бежать, тащить змей за собой. Ведь это все равно: воздух ли напирает на змей или змей напирает на воздух.

Однажды был такой случай. По степи скакала тройка коней, запряженных в телегу. За телегой летел огромный змей, привязанный к ней крепкой веревкой. А под змеем висел человек! Это был Александр Федорович Можайский, один из изобретателей самолета. Почему же Можайскому пришло в голову летать на змее? Да потому, что и самолет взлетает подобно змею. Плоскости крыльев самолета тоже имеют наклон. И их тоже подпирает встречный ветер.

Конечно, самолету тройка коней не нужна. Его тянет винт или толкает реактивный двигатель. Но все же история самолета начиналась с воздушного змея. И мы с тобой тоже можем начать со змея. Возьми двойной лист писчей бумаги. От полена или дощечки отколи три сухие ровные лучинки. Выстругай из них гладкие полукруглые рейки шириной около 8 мм и толщиной 5–6 мм.

Две рейки наложи на лист бумаги крест-накрест, а третью, короткую, – вдоль узкой стороны листа. Концы реек должны выступать на 15–20 мм. Сверху будут торчать «рожки» – пересекающиеся концы реек. А снизу – «ножки», концы длинных реек.

У основания рожек срежь пересекающиеся рейки на половину их толщины, чтобы все три плотно прилегали к бумаге. Только не делай этого в центре листа, где скрещиваются длинные рейки. Здесь самая большая нагрузка, и ослабленные рейки могут при запуске змея переломиться.

На ножках сделай зарубки и привяжи к ним петли из ниток.

Приклей рейки к бумаге жидким канцелярским клеем. Негусто смазав плоскую сторону короткой рейки, приложи ее к бумаге и несколько раз с нажимом проведи сухой тряпкой.

Затем таким же образом приклей длинные рейки. Переверни змей, взяв его за рожки и ножки, и пригладь бумагу к рейкам.

Когда змей высохнет, сделай ему «уздечку». Для этого рожки обвяжи концами нитки таким образом, чтобы середина полученной петли оттягивалась на 3 см дальше скрещения длинных реек.

По обе стороны скрещения проколи бумагу и туго обмотай скрещение ниткой. Свободный конец этой нитки привяжи к середине петли между рожками. При натянутой средней нитке узел должен выходить на 2 см выше верхней кромки змея.

Бумагу на змее слегка обрызгай водой. Высохнув, она хорошо натянется.

Для хвоста лучше всего подойдут мочальные ленты, надерганные из рогожи. Связав из них полосу длиной около 2 м, привяжи ее концами к нитяным петлям на ножках змея. 8—10 мочальных лент длиной по 60–70 см сложи в пучок. Один конец этого пучка обогни вокруг середины ленты, привязанной к ножкам, и туго обвяжи ниткой. Пучок должен передвигаться по ленте с усилием.

К уздечке змея привяжи конец суровой нитки, смотанной на палку. Воткни палку концом в землю и, разматывая нитку, отойди шагов на пятьдесят по направлению ветра. Подними змей за ножки так, чтобы нитка была натянута. Дождавшись хорошего порыва ветра, когда змей сам потянется вверх, отпусти его.

Если змей, взлетев, будет крениться на одну сторону, сдвинь в эту же сторону среднюю нитку уздечки или пучок хвоста. Если змей будет кувыркаться или опрокидываться, хвост слишком легок. Привяжи к нему пучок травы.

Существует множество других конструкций змеев, и простых, и очень сложных. Ведь змей – выдумка не новая. Им забавлялись еще в глубокой древности. Архитас из Тарента запускал змеи за четыреста лет до нашей эры.

Архитасу было хорошо: в его время не существовало никаких проводов. А теперь их сколько угодно: и электрических, и телеграфных, и телефонных. Пускай свой змей только в таких местах, где нет проводов!

Вертолет наоборот

Ты, конечно, знаешь, что такое вертолет. Это летательный аппарат без крыльев или, вернее, с крыльями в виде одного или двух огромных воздушных винтов. Вертолет может подниматься вертикально вверх и садиться на самую маленькую площадку, на крышу дома, на поляну в лесу, на каменистую горную вершину.

Если ты будешь заниматься в авиамодельном кружке, то одной из первых сделаешь модель вертолета. Это так называемая бабочка, или утка. Винт у нее смотрит вверх. Закрутишь его, заведешь резиномотор – модель взлетает и порхает в воздухе, пока не кончится завод. А потом плавно опускается, вращая винт в обратную сторону. Тут уже вращение не от мотора получается, а от встречного потока воздуха. Так ветер вращает крылья ветряного двигателя.

Очень легко сделать такой «вертолет наоборот». Он не будет взлетать, зато садиться будет, как настоящий. На нашем рисунке дана выкройка с размерами в миллиметрах.

Вычерти ее на листке плотной бумаги.

Аккуратно вырежь по контуру и разрежь половинки винта. Часть 4 согни и наклей на часть 3. Часть 5 тоже согни и наклей поверх части 4. Части 1 и 2 – половинки винта – отогни в разные стороны. Игрушка готова! Брось ее с высоты. Она должна опускаться плавно и ровно, быстро вращаясь. Если будет рыскать, кувыркаться – мал вес. Надень на ножку снизу канцелярскую скрепку.

Глава семнадцатая. А ЧТО, ЕСЛИ НАГРЕТЬ?.

Нагреваем воздух

Что делается с воздухом при нагревании? Кое-что ты уже об этом знаешь. Мыльный пузырь летал потому, что теплый воздух в пузыре был легче воздуха в комнате. Хитрая змея вертелась возле печки потому, что теплый воздух поднимался вверх.

Как же это получается, что при нагревании воздух становится легче? Куда девается его вес? Сделаем опыт. Возьми бутылку из белого стекла, по возможности с тонкими стенками. Подбери к ней плотную пробку. Если корковой пробки нет, годится свежая морковка. Подбери стеклянную трубку, например, из набора для писания букв, и плотно вставь ее в отверстие пробки. Налей в бутылку немного воды, подкрашенной чернилами. Нижний конец трубки должен быть погружен в воду.

Узнаешь это сооружение? Точно с таким мы устраивали три фонтана. Только фонтана здесь не будет. Просто, когда ты обхватишь бутылку руками, вода начнет подниматься по трубке.

Значит, что-то вытесняет из бутылки воду, раз она полезла в трубку! Что же это такое? Ты, наверное, уже сообразил, что это опять он, невидимка-воздух. Тепла твоих рук оказалось достаточно, чтобы воздух нагрелся, расширился и потеснил воду!

Наш опыт не очень интересен на первый взгляд. В нем ничто не вертится и не крутится, не летит и не взрывается, не подпрыгивает и не бьет фонтаном. Но результат получился очень важный: при нагревании воздух расширяется. И расширяется сильно, если даже теплота твоих рук дала заметное действие.

А теперь о весе. Скажем, был у тебя один литр воздуха. И весил этот воздух 1,2 г (одну целую и две десятых грамма). Столько примерно он и весит. А потом ты этот воздух нагрел, да так сильно, что он расширился вдвое и стал занимать уже не 1 л, а 2. Сколько же он теперь весит? Да те же самые 1,2 г. Воздух ведь ниоткуда не прибыл и никуда не убыл. Просто он расширился, сделался более редким. Значит, общий вес нагретого воздуха не изменился.

Что же тогда изменилось? Изменился вес 1 л. Если литр холодного воздуха весил 1,2 г, то 2 л горячего воздуха весят те же самые 1,2 г. Значит, 1 л теперь весит 1,2: 2 = 0,6 г! Горячий воздух стал как бы легче потому, что он стал реже.

В действительности, для того чтобы воздух расширился вдвое, его нужно нагреть очень сильно, примерно до 300°. В наших опытах он нагревается гораздо слабее. Но все равно: даже и при небольшом нагревании воздух на сколько-то расширяется. Значит, каждый литр, даже каждый кубический сантиметр его становится хоть немного легче. И он теперь всплывет, поднимется в более холодном, более плотном окружающем воздухе. Он сможет крутить вертушку. Он сможет поднять легонькую оболочку мыльного пузыря. А если его будет очень много, разница в весе окажется достаточной, чтобы поднять целый монгольфьер!

Ну, а если воздух снова охладить? Отними ладони от бутылки, через некоторое время вода в трубке опустится и все придет в прежнее положение. Значит, при охлаждении воздух занимает меньше места, он сжимается. Это мы с тобой тоже уже видели. Сжавшийся воздух втянул воду под стакан в опыте «Сухим из воды».