Текст книги "Физика на каждом шагу"

Автор книги: Яков Перельман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 14 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Наподобие подводной лодки

Желая убедиться, свежо ли яйцо, хозяйка испытывает его нередко таким образом: если яйцо тонет в воде – оно свежо, если всплывает – оно негодно для еды. Физик выводит из этого наблюдения то, что свежее яйцо весит больше, чем такой же объем чистой воды. Говорю «чистой» потому, что нечистая вода, например солевая, весит больше.

Можно однако приготовить такой густой раствор соли в воде, что яйцо будет легче вытесняемого им рассола.

Тогда самое свежее яйцо будет в такой воде всплывать. Вы могли бы сыграть коварную шутку с хозяйкой, испугав ее тем, что вся купленная ею партия яиц нехороша: яйца всплывают в воде (разумеется, вы скроете, что вода у вас взята соленая).

Впрочем, опытные хозяйки хорошо знают про это свойство рассола и пользуются им при засолке огурцов. Для малосольных огурцов требуется слабый рассол – и хозяйка приготовляет такой, в котором яйцо тонет. Когда же ей нужен более крепкий рассол, она распускает столько соли в воде, чтобы свежее яйцо в нем всплывало.

Вы легко можете заставить яйцо не тонуть, не всплывать, а словно висеть внутри жидкости. Такое состояние тела в жидкости физики называют «взвешенным». Для этого вам нужно приготовить раствор соли такой крепости, чтобы погруженное в него яйцо вытесняло ровно столько граммов рассола, сколько оно само весит. Получить подобный раствор вам удастся после нескольких проб: если яйцо всплывает, подольете немного чистой воды; если же яйцо тонет, прибавите немного крепкого рассола. При некотором терпении вы наконец приготовите рассол, в котором погруженное яйцо не всплывает, но и не тонет, а остается в том месте под жидкостью, куда вы его поместили.

Для того же опыта можно воспользоваться и картофелиной; она тоже тонет в пресной воде и всплывает в густосоленой; легко поэтому приготовить рассол, в котором картошка не будет ни тонуть, ни всплывать.

Рис. 36. Подводная лодка держится под водой по той же причине, по какой не тонет и не всплывает яйцо в густом рассоле

В подобном состоянии находятся подводные лодки – длинные сигарообразные суда, могущие двигаться и маневрировать, находясь ниже уровня воды. Сейчас такие суда строятся исключительно для военных целей [8]8
  В настоящее время создаются и подводные аппараты научного назначения.


[Закрыть]и достигают, несмотря на свое, скромное название («лодка»), внушительных размеров – 100 и более метров длины.

Подводная лодка не всегда плавает под водой: во время переходов и стоянки суда эти находятся в непогруженном состоянии, как корабли обычного типа, они даже снабжены мачтами, мостиком и прочими частями надводного судна. И только находясь вблизи неприятельского корабля, подводная лодка погружается ниже уровня воды, выставляя над нею конец своего «перископа» (наблюдательной трубы).

Опускаются подводные лодки на глубину и в тех случаях, когда спасаются от артиллерийского обстрела, когда ищут спокойной ночевки и т. п.

Погружают подводную лодку тем, что из-за борта впускают воду в особые «балластные цистерны», т. е. в запасные баки, установленные внутри лодки и остающиеся порожними, когда лодка плывет в надводном положении. При заполнении цистерн вес лодки, бывший до погружения меньше веса равного объема воды, становится одинаковым с весом равного объема воды; по закону Архимеда, такое тело не должно под водой ни всплывать, ни тонуть.

Ниже 70 м под уровнем воды современные подводные лодки не погружаются, чтобы не пострадать от давления воды: на 70-метровой глубине каждый квадратный метр поверхности судна испытывает со стороны воды давление в 70 т. Впрочем, в Америке недавно сооружены подводные лодки, способные погружаться глубже указанной границы. Это настолько крупные суда, что для них название подводной лодки уже никак не подходит; лучше называть их подводными крейсерами. Такое судно может по три месяца плавать в открытом море, не возобновляя в гаванях своих запасов и покрывая расстояние в 25 тыс. морских миль (45 тыс. км). Имея все преимущества крейсера, новое подводное судно может погружаться на невероятную глубину – 112 м! Без добавочных приспособлений новый подводный корабль способен оставаться под водой трое суток, а при наличии особых аппаратов – даже целый месяц.

Рис. 37

Возвращаясь к нашим опытам, расскажем, как можно изготовить модель подводной лодки. Надо вырезать из дерева веретенообразное подобие подводной лодки и обмотать его нетолстой медной проволокой. Постепенно сматывая проволоку и отрезая ее по кусочку, можно добиться наконец того, что модель лодки не будет в соленой воде ни тонуть, ни всплывать.

Подобно подводной лодке в воде, держится в воздухе дирижабль: он вытесняет ровно столько тонн воздуха, сколько весит его оболочка с наполняющим его легким газом, гондолой и прочим снаряжением.

Плавание в тяжелой жидкости

Кто знает закон плавания и помнит удельные веса разных материалов, тот может предвидеть, какие материалы будут в воде плавать и какие тонуть. Если удельный вес материала больше удельного веса воды, материал тонет; если меньше – плавает. Не думайте, что материал, тонущий в воде, потонет и во всякой другой жидкости; в более тяжелой жидкости он может и не тонуть. Возьмем, например, ртуть – металлическую жидкость, которая тяжелее воды почти в 14 раз. Бросьте в нее кусок железа – он не потонет, а будет плавать. Это и понятно: железо имеет удельный вес 8, ртуть – 14. Медь, цинк, олово, даже серебро и свинец в ртути плавают; только золото, платина и некоторые другие металлы из числа самых тяжелых в ртути не плавают. Кусок дерева в ртути конечно тоже плавает, погружаясь при этом так мало, что кажется, будто он лежит на ртути, как на льду.

Если вспомним, что еловая древесина чуть не в тридцать раз легче ртути, то поймем, что кусок такого дерева, плавая в ртути, должен погружать под ее уровень всего лишь 30-ю долю своего объема. Примерно так же мелко плавало бы в ртутном озере и человеческое тело; восковая кукла, изображенная на рис. 38, наглядно показывает различие между плаванием человеческого тела в воде и в ртути. В воде, как мы знаем, кукла едва выступает над уровнем жидкости; в ртути та же кукла, напротив, почти целиком находится вне жидкости, погружаясь в нее чуть заметно для глаза.

Рис. 38. Выталкивающее действие жидкости: восковая кукла, плавающая в ртути

Задача о пробке

Вот простой вопрос, над которым однако полезно подумать.

В бутылку с водою попал кусочек пробки. Он свободно мог бы пройти через ее горлышко. Но при наклонении и опрокидывании бутылки выливающаяся вода почему-то не выносит этого кусочка пробки; он покидает бутылку только с последней порцией воды.

Почему?

Вода не выносит с собой пробки по очень простой причине: пробка легче воды и потому всегда держится на ее поверхности; очутиться внизу, у отверстия бутылки, пробка сможет только тогда, когда вся вода выльется. Оттого-то пробка и выскальзывает из бутылки лишь с последней порцией воды.

Рис. 39

Весы под водой

Килограммовую гирю можно изготовить и из железа, и из алюминия. Но так как алюминий примерно втрое легче железа, то при одинаковом весе гиря алюминиевая будет по объему втрое больше железной. Поставим на одну чашку весов железный килограмм, на другую – алюминиевый; весы, конечно, будут в равновесии. Теперь вообразите, что наши весы с гирями очутились под водою. Сохранится ли равновесие? Если нет, то которая чашка перетянет?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что каждая вещь теряет в жидкости столько веса, сколько весит вытесняемая вещью жидкость.

В нашем случае чашки весов сами по себе теряют под водою одинаковый вес (они одной величины). Но гири теряют в весе не одинаково: крупная алюминиевая вытесняет больше воды, нежели мелкая железная; поэтому алюминиевая теряет в весе больше железной; останется же веса в алюминиевой гире меньше, чем в железной.

Рис. 40. Задача о весах под водою (ответ)

Значит, под водой весы никак не сохранят равновесия: чашка с железной гирей перетянет.

Чтобы не утонуть

Люди, упавшие в воду, если не умеют плавать, часто делают роковую ошибку: они поднимают руки из воды – и тем губят себя. Всякое тело под водой легче, чем вне воды; следовательно, держа руки над водой, утопающий увеличивает вес своего тела, и тогда голова увлекается отяжелевшим туловищем под воду.

Вы можете устроить несложный прибор, чтобы наглядно показать, как должен и как не должен держаться утопающий. Насыпьте немного дроби на дно пробирки; кроме того вдвиньте в пробирку пробочку, как показано на рис. 41, и насыпьте немного дроби в верхнюю часть пробирки. Закрыв пробирку пробкой, приделайте к выступающей ее части две деревянные палочки, которые будут играть роль рук, между тем как вся пробирка представляет подобие тела утопающего.

Рис. 41. Утопающий не должен выставлять рук над водой

Добейтесь того, чтобы наружная пробка лишь немного поднималась над водою, когда «руки» погружены под воду; для этого придется, быть может, намотать на «руки» несколько витков медной проволоки. В таком положении наш приборчик изображает утопающего, держащего руки под водою; «голова» его возвышается над водою. Но вот утопающий поднимает «руки» из воды (палочки поворачиваются вверх), и «голова» погружается в воду – утопающий захлебывается.

Волны и качка

Волны на море, бросающие корабль, то вздымающие его высоко на гребень, то погружающие в глубокую водяную долину, кажутся нам огромной высоты – выше многоэтажного дома. Однако это заблуждение: волны вовсе не так высоки, как кажется пассажиру корабля. Самые высокие волны, какие когда-либо наблюдались, не превышают 16 м. Это единичные исключения, которыми может похвастать только безбрежный океан Южного полушария. В океанах Северного полушария, стесненных материками, предельная высота волн – 13,5 м. Но это, повторяю, исключения, а не правило. В Бискайском заливе, который славится своими бурями, не бывает волн выше 8 м; в Средиземном море наибольшая высота волн – 4,5 м, а на Балтийском – всего лишь 2–3 м.

Почему же волны представляются пассажиру корабля гораздо более высокими? Причина станет вам ясна, если вы взглянете на рис. 42. Вы поймете, в чем ошибка пассажира: он принимает – невольно, конечно – наклоненную палубу корабля за горизонтальную и от этого будто бы горизонтального уровня считает высоту волны. Неудивительно, что результат такой оценки высоты получается преувеличенный.

Рис. 42. Почему морские волны с палубы кажутся большей высоты, чем на самом деле?

Какой корабль сильнее качает на волнах – малый или большой? Конечно, малый. Длина волн, т. е. расстояние между двумя соседними гребнями, достигает в Атлантическом океане нередко 100–140 м. Небольшое судно целиком помещается на гребне или на дне такой исполинской волны: его то возносит вверх, то бросает вниз на полную высоту волны. Иное дело корабль-гигант длиною в 200 и более метров. При быстром ходе он всегда занимает корпусом две волны, т. е. не бывает только на гребне или только в долине; оттого и качка (килевая, продольная) для него заметно ослабляется.

Рис. 43–44. Пароход на волнах. В обоих положениях судну угрожает поломка посередине. Почему?

Но ошибочно было бы думать, что большому кораблю качка менее вредна, чем малому. Как раз наоборот! Малое судно целиком подкидывается; ему не грозит опасность разломиться пополам; большой же пароход во время волнения подвержен такой угрозе.

Происходит это вот почему. Когда большой пароход скользит по волнующемуся морю, он то зарывает в воду нос и корму, то, напротив, освобождает их от воды, погружая в волну середину своего корпуса. Какие же силы действуют на судно в том и в другом случае? Когда концы корпуса в воде, а середина вне воды, то вес носа и кормы облегчается выталкивающим действием воды, середина же сохраняет свой вес почти полностью. Корпус корабля подвергается при этом таким же усилиям, как и мостовая ферма, подпертая на концах; вес стремится прогнуть середину сооружения вниз. В обратном случае, когда корма и нос почти вне воды, середина же корпуса в воде, перевешивают концы парохода, – их вес не уменьшается поддерживающим давлением воды. Это то же самое, что подпереть мостовую ферму в середине. Ясно, что концы сооружения, не подпертые снизу, будут стремиться изогнуть его середину вверх.

Задача строителя крупного океанского парохода сильно затрудняется этими изгибающими силами морского волнения, стремящимися сломать судно. При чудовищном весе современных океанских пароходов опасность поломки для них вполне реальна и должна тщательно учитываться кораблестроителем.

Немного старины

Вы видели, как много явлений объясняется законом плавания. Но как объясняется самый закон? Вот ясное и простое объяснение, принадлежащее одному из первых физиков, французскому ученому XVII века Паскалю:

«Вода, – писал он, – давит вверх на тела, к которым прикасается снизу; давит вниз на те, которых касается сверху; давит в бока на те, которых касается с боков. Отсюда легко заключить, что, когда тело погружено в воду, она, касаясь его и сверху, и снизу, и с боков, давит на него сверху, снизу и с боков. И так как высота воды есть мера силы ее давления, то легко видеть, какое из этих действий должно превозмочь. Ясно, во-первых, что вода, имея с боков тела равную высоту над его сторонами, давит на них одинаково; оттого тело не стремится двигаться ни в ту, ни в другую сторону, как флюгер между двумя одинаковыми ветрами. Но над нижнею стороною тела вода имеет больше высоты, чем над верхнею: ясно, что она должна гнать тело снизу вверх. И так как разность высот воды есть высота самого тела, то легко понять, что вода гонит тело снизу вверх с силою, равной весу одинакового с телом объема воды.

«Погруженное в жидкость тело вследствие его давления поддерживается так, как если бы оно было привешено к чашке весов, другая чашка которых нагружена объемом жидкости, равным объему тела. Отсюда следует, что если тело из меди или иного материала, более тяжелого, чем вода в том же объеме, то оно падает в воде, ибо вес его превозмогает тот, который стремится его уравновесить. Если тело из дерева или другого материала, более легкого, чем вода в том же объеме, то оно поднимается в воде с такою силою, на какую вес воды превышает его вес. Если оно весит столько же, сколько вода, то не опускается и не поднимается; так воск остается в воде приблизительно там, где его поместят. Отсюда же следует, что бадью колодца легко вытягивать, пока она в воде, но вес ее тотчас дает себя чувствовать, когда она начинает выходить из воды.

Рис. 45. Блез Паскаль, физик XVII века

«Если человек погружен в воду, вода давит на него и сверху и снизу, но он весит больше, чем вода, и потому опускается, хотя не так скоро, как падает в воздухе: в воде ему служит противовесом вес равного объема воды, почти одинаковый с весом его тела. Если бы вес этот был совсем одинаков, то человек плавал бы. Ударяя о воду или делая некоторые усилия против воды, он поднимается и плавает. По той же причине человек, погруженный в ванну, без труда поднимает руку, пока она в воде, но, выйдя из воды, чувствует, что она много весит, ибо нет более противовеса от равного ей объема воды, как было, пока она была погружена.

«Выпуклая свинцовая чашка плавает на воде потому, что занимает много места в воде вследствие своей формы; но если бы это был сплошной кусок, он занимал бы в воде только место, равное объему своего вещества, а вес такого объема воды не мог бы его уравновесить».

Пловучая игла

Можно ли заставить иголку плавать на воде, как соломинку?

Казалось бы, невозможно: сплошной кусочек железа, хотя бы и маленький, должен в воде непременно потонуть.

Так думают многие, и если вы находитесь в их числе, то следующий опыт заставит вас переменить свое мнение.

Возьмите не слишком толстую швейную иголку, обмажьте ее слегка маслом или жиром и положите аккуратно на поверхность воды в блюдце или стакане. К вашему изумлению, игла не пойдет ко дну. Она будет держаться на поверхности, наглядно опровергая всеобщую уверенность в том, что игла не может плавать на воде.

Почему же она не тонет? Ведь сталь тяжелее воды! Безусловно, она в 8 раз тяжелее, и, очутись игла под водою, она не всплыла бы сама собою, как всплывает спичка. Но наша игла под воду не погружается. Чтобы найти причину, поддерживающую ее на воде, рассмотрите внимательно поверхность воды возле нашей плавающей иглы. Вы увидите, что близ нее вода образует вогнутость, небольшую долину, на дне которой и лежит игла.

Рис. 46. Опыты с плаванием иглы на воде

Изгибается водная поверхность в этом случае потому, что игла, покрытая тонким слоем жира, не смачивается водой. Вы заметили, вероятно, что когда у вас руки жирные, то вода, налитая на них, оставляет кожу сухой, вовсе не смачивает ее поверхности. Перья гуся и всех вообще плавающих птиц всегда покрыты жиром, выделяемым особой железой; поэтому-то вода и не пристает к ним («что с гуся вода»). Вот почему без мыла, которое растворяет слой жира и удаляет его с кожи, нельзя вымыть жирных рук даже и горячей водой. Жирная иголка тоже не смачивается водой и потому оказывается на дне водяной лощинки, поддерживаемая водяной пленкой, которая стремится расправиться. Это-то стремление воды расправить свою вдавленную иглою поверхность выталкивает иглу из воды, не давая ей затонуть.

Так как руки наши всегда немного жирны, то и без намеренного обмазывания жиром игла в наших руках уже покрыта тонким слоем его. Можно поэтому заставить плавать иглу, не покрывая ее нарочно жиром. Надо сделать так: положить иглу на лоскуток папиросной бумаги, а затем, постепенно сгибая вниз края листочка другой иглой, погрузить всю бумажку под воду. Лоскуток упадет на дно, а игла останется на поверхности.

При некоторой ловкости можно обойтись и без бумажки: положите иглу на согнутую шпильку для волос, как показано на рис. 46 внизу, или на две нитяные петли и осторожно опустите иглу на поверхность воды. Иные изловчаются даже и прямо класть иглу на воду пальцами.

Рис. 47. Насекомое водомерка

В летние дни вам случалось, вероятно, видеть на пруде насекомых, шагающих по поверхности воды:

 
Какие-то комарики,
Проворные и тощие,
Вприпрыжку, словно по суху,
Гуляют на воде.
 

Некрасов

Это водомерки – насекомые из семейства клопов (рис. 47). Теперь, видя, как проворно бегают они по поверхности воды, вы не станете в тупик. Вы сообразите, что лапки их благодаря особому устройству кожицы не смачиваются водой и оттого образуют под собою вдавленности; стремясь расправиться, вдавленности эти подталкивают легкое насекомое снизу. Поймайте водомерку и заставьте ее бегать по поверхности воды в прозрачной банке; заглядывая снизу, вы ясно увидите вдавленности под лапками насекомого.

Поверхностная пленка

Опыты, о которых мы сейчас рассказали, научили нас тому, что жидкость словно одета тонкой упругой пленкой, которою она поддерживает на воде и стальную иглу, и бегающую водомерку. Попытаемся понять теперь, что же это за пленка.

Рис. 48. Частица жидкости подвержена действию окружающих частиц

Все вещи, какие только существуют в природе, состоят из мельчайших, неразличимых даже в микроскоп, частичек, которые называются молекулами. Частички эти притягивают одна другую; в твердых телах взаимное притяжение молекул настолько сильно, что тело не рассыпается и даже противится нарушению его целости; оттого твердые тела прочны. Молекулы жидкостей тоже притягивают одна другую, хотя и не так сильно. Вообразим внутри жидкости одну какую-нибудь молекулу. Ее притягивают другие молекулы, окружающие ее, однако те только, которые находятся в близком соседстве; притяжение более далеких молекул слишком ничтожно. Очертим вокруг нашей молекулы М(см. рис. 48) шар, включающий все те соседние молекулы, которые на нее действуют. Сдвинется ли их притяжением молекула Мс места? Нет, потому что молекулы шара влекут ее во все стороны с одинаковой силой.

Рис. 49. Шест не прогибается никуда: его тянут во все стороны с одинаковой силой

Чтобы лучше понять это, представьте себе, что люди, выстроившись в круг, тянут с одинаковою силою за веревки, привязанные к верхушке шеста. Если люди расставлены по кругу на равных расстояниях и тянут одинаково, то шест никуда не подастся: тяга каждого человека уравновешивается тягой другого, стоящего на противоположной точке круга (рис. 49).

Рис. 50. Шест под действием односторонней тяги прогибается внутрь полукруга с людьми

Вообразите теперь, что на одной стороне круга людей нет, остальные же тянут по-прежнему. Куда подастся шест? Конечно, внутрь полукруга. То же самое произойдет с нашей молекулой М, если она очутится близко к поверхности жидкости (рис. 51 и 52): внутрь жидкости ее будет тогда тянуть большее число молекул, чем наружу. Значит, все молекулы, расположенные вблизи поверхности жидкости, образуют особый слой, который, словно растянутая резиновая пленка, стягивает облекаемую им жидкость. Как резиновая растянутая пленка всегда стремится распрямиться, так и поверхностный слой всякой жидкости стремится расправиться; оттого он и выталкивает плавающую иголку или бегающую водомерку.

Рис. 51. Частица жидкости на поверхности

Рис. 52. Частица жидкости неглубоко под поверхностью