Текст книги "Физика на каждом шагу"

Автор книги: Яков Перельман

сообщить о нарушении

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

Человек-сверхлилипут

В обиходной жизни мы не замечаем существования упругой пленки, одевающей каждую жидкость. Но если бы мы были значительно меньше ростом, если бы сила наших мускулов была не столь велика, мы на каждом шагу сталкивались бы со свойствами этой пленки. Подобно тому, как бегает по воде насекомое водомерка, так и мы, уменьшенные до размеров мелкого жучка, могли бы шагать по поверхности жидкости.

Рис. 53. Крошечный человечек мог бы ходить по воде

Знаменитый физик и изобретатель Циолковский в одной из своих популярных статей так описывает ощущения человека, уменьшенного в тысячу раз.

«Для нас капельки жидкости – мелочь; для крошечных существ эти капельки – огромные шары. Ртутный шарик для уменьшенного человека покажется упругим мячиком, иной раз даже крупнее его самого. Такие жидкие мячики катаются, отталкиваются рукой, подпрыгивают, отскакивают. Если же шар водяной или масляный, то он прилипает к руке или другому члену, втягивает его, увлекает внутрь, засасывая и обволакивая все тело. Если бы не сила мускулов, то всякое маленькое существо было бы, втянуто и окружено смачивающей его жидкостью. Сухопутное животное погибло бы. Мы видим это в мире насекомых, погибающих от прилипания к воде, к маслу, к варенью и т. п. из-за слабости их ног. Вот почему большинство насекомых покрыто веществом, плохо смачивающимся водою: это спасает их от воды (но не спасает от масла, спирта и других жидкостей).

«Смазанное жиром тело крошечного человека отталкивается от воды и от водяного шара, как от ртутного. Поверхность воды кажется тогда непроницаемой и упругой, как натянутый холст или слой резины. Рука выталкивается из жидкости, образуя в ней большую яму; объем такой ямы во много раз превышает объем погруженной части тела, особенно если это погружение неглубоко. Человечек может даже прыгнуть в воду и не тонуть, оставаясь сухим. Он может нежиться на поверхности воды, как на пуховике, и спокойно спать, лишь бы оставался на коже слой жира, предохраняющий от смачивания. При еще меньших размерах он может ходить по воде, как по упругой, сильно натянутой толстой резине, даже как по твердому телу, покрытому мягким ковром».

Так сильно изменились бы привычные нам свойства жидких тел, если бы мы уменьшились до размеров 1–2 мм.

Глава третья На дне воздушного океана

Сколько весит воздух в комнате?

Можете ли вы хоть приблизительно сказать, какой груз представляет воздух, вмещаемый вашей комнатой? Несколько граммов или несколько килограммов? В силах ли вы поднять такой груз одним пальцем или же едва удержали бы его на плечах?

Теперь, пожалуй, не найдется уже людей, которые думают, как полагали древние, что воздух вовсе ничего не весит. Но сказать, сколько весит определенный объем воздуха, многие и сейчас не смогут.

Запомните же, что литровая кружка воздуха той плотности, какую он имеет близ земной поверхности при обычной комнатной температуре, весит около 1.2 г. Так как в кубическом метре содержится 1 тыс. л, то кубометр воздуха весит в тысячу раз больше, чем 1.2 г, а именно 1,2 кг. Теперь нетрудно уже ответить на поставленный раньше вопрос. Для этого нужно лишь узнать, сколько кубических метров в вашей комнате, и тогда определится вес содержащегося в ней воздуха.

Пусть комната имеет площадь в 10 м ², а высоту – 4 м. В такой комнате 40 кубометров воздуха, который весит, значит, сорок раз по 1,2 кг. Это составит 48 кг.

Рис. 54

Итак, даже в столь небольшой комнате воздух весит немногим меньше, чем вы сами. Унести на плечах подобный груз вам удалось бы не без труда. А воздух вдвое более просторной комнаты, нагруженный на вашу спину, мог бы вас раздавить.

Сколько воздуха вы вдыхаете?

Интересно подсчитать также, сколько весит тот воздух, который мы вдыхаем и выдыхаем в течение одних суток. При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около полулитра воздуха. Делаем же мы в минуту, средним числом, 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 18 полулитров, или 9 целых литров воздуха. Это составляет в час 9 × 60, т. е. 540 л. Округляем до 500 л, или до половины кубического метра, и узнаем, что за сутки человек вдыхает не менее 12 кубометров воздуха. Такой объем весит 14 кг.

Вы видите, что за одни сутки человек проводит через свое тело гораздо больше воздуха, чем пищи: никто не съедает и 3 кг в сутки, вдыхаем же мы воздуха 14 кг. Впрочем, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на четыре пятых из бесполезного для дыхания азота [9]9
  Азот входит в состав живых клеток как необходимый для их жизни элемент.


[Закрыть], то окажется, что тело наше потребляет кислорода всего около 8 кг, т. е. примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).

Как впервые была обнаружена весомость воздуха?

Наполните бутылку водой, приложите к ее отверстию плотно пальцы, переверните ее, погрузите горлышко под воду в чашке и отнимите пальцы от отверстия. Казалось бы, вода из бутылки может свободно вылиться – отверстие открыто. Однако она не выливается. Даже если бы для этого опыта, вы взяли гораздо большую бутыль, вода выливаться из нее не будет.

Таков простейший опыт, доказывающий, что воздух имеет вес, потому что водяной столб в бутылке поддерживается не чем иным, как давлением окружающего воздуха на воду: атмосферное давление вгоняет воду в бутылку.

Рис. 55. Как проще всего удостовериться, что воздух имеет вес

Как ни просто это объяснение, оно долго ускользало от исследователей, и только лет 300 назад было постигнуто итальянским ученым Торичелли, даровитым учеником и последователем Галилея. Торичелли желал измерить величину атмосферного давления и рассуждал так: атмосфера не простирается беспредельно, вес ее ограничен; следовательно, должен иметь границы и тот водяной столб, который ее уравновешивает. Если бы можно было сделать опыт с очень высокой бутылкой, то вода не заполнила бы ее всю: высота водяного столба в такой бутылке послужила бы мерой давления атмосферы. Однако можно добиться того же самого и другим путем, не употребляя огромных сосудов: нужно только вместо воды взять более тяжелую жидкость.

Рис. 56. Паскаль более трехсот лет назад устроил винный барометр высотою 10 ¹/ ₂метров

Торичелли сделал опыт с ртутью, которая тяжелее воды в 13 ¹/ ₂раз. Соответственно своему большему весу ртутный столб, уравновешивающий воздушное давление, должен быть в 13 ¹/ ₂раз ниже водяного. Значит, можно надеяться увидеть его свободный верхний уровень уже в сосуде обычных размеров. Послушайте, как Торичелли сам рассказывает о своем опыте:

«Мы живем, – писал он, – на дне воздушного океана, и опыт с несомненностью показывает, что воздух имеет вес.

«Мною было изготовлено много стеклянных пузырьков с длинной трубкой в 2 локтя; я наполнял их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем я их опрокидывал в чашку с ртутью, они опоражнивались, но трубка оставалась наполненной до высоты локтя и одного пальца. Желая доказать, что пузырек совершенно пуст, я подставленную чашку доливал водой, – тогда, при постепенном подъеме трубки можно было видеть, что, едва ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть, и весь пузырек стремительно наполняла вода до самого верха.

«Итак, сосуд пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части сосуда – в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда, приходит извне: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотою в 50 × 3000 шагов [10]10
  Торичелли принимал высоту атмосферы равной 60 милям (а в старинной миле было 3 000 шагов).


[Закрыть]. Неудивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки, к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания, и поднимается так высоко, пока она не уравновесится внешним воздухом. Ясно, что именно ее толкает. Вода же поднимается в подобной, по гораздо более длинной трубке почти до 18 локтей, т. е. во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды».

Самые высокие барометры

Трубка Торичелли была в сущности первым барометром – прибором для измерения атмосферного давления [11]11
  Неправильно считать барометр прибором, предсказывающим погоду.


[Закрыть]. Если вместо ртути взять воду, то высота столба воды в таком барометре была бы не 76 см, а в 13 ¹/ ₂раз больше, т. е. около 10 м.

Рис. 57. Барометр-памятник в итальянском городе Фаэнца, родине Торичелли. Труба барометра наполнена оливковым маслом. Высота барометра 11 метров. Фонтан внизу иллюстрирует также одно из открытий Торичелли

Паскаль – старинный французский ученый, о котором мы уже имели случай говорить, – сделал опыт с еще большим барометром, так как жидкостью для него служило вино. Он наполнил красным вином стеклянную трубу высотою около 14 м, закупорил ее, погрузил одним концом в бадью с вином и вынул под жидкостью пробку от трубы. Винный столб имел в высоту – от уровня вина в бадье до верхушки – 10 м 40 см. Рис. 56 изображает этот старинный опыт. Само собою разумеется, что такого рода опыты приходится делать не в комнате, а прямо на улице. Еще выше тот масляный барометр, который сооружен на родине Торичелли в виде памятника (рис. 57).

Сколько весит весь воздух на Земле?

Опыты, сейчас описанные, показывают, что столб воды в 10 м высоты весит столько же, сколько столб воздуха от Земли до верхней границы атмосферы, – оттого они и уравновешивают друг друга. Нетрудно вычислить поэтому, сколько весит воздушный столб, опирающийся на каждый квадратный сантиметр земной поверхности: столько же, сколько весит 10-метровый столб воды с основанием в сантиметровый квадратик. В таком столбе 1 тыс. сантиметровых кубиков; а так как каждый кубик весит, мы знаем, 1 г, то целый водяной столб весит 1 тыс. г, т. е. 1 кг. Это есть в то же время и вес воздушного столба такой же толщины, высотой от земли до границы атмосферы. Значит, атмосфера давит на каждый квадратный сантиметр Земли (или вещей на ней) с силою 1 кг.

Узнав это, нетрудно уже рассчитать, сколько весит весь воздух, окружающий нашу планету: столько килограммов, сколько квадратных сантиметров заключает вся земная поверхность. Поверхность земного шара равна, круглым счетом, 600 млн. км ². Кто не боится вычислений с длинными числами, тот сам рассчитает, что вся атмосфера весит 5 000 000 000 000 000 т – пять тысяч биллионов тонн! Вес поистине чудовищный, но по сравнению с еще более огромным весом самого земного шара все же довольно скромный. Вычислено, что атмосфера весит примерно столько, сколько одна гора Эверест: в миллион раз меньше земного шара.

Как высока земная атмосфера?

Если определить вес атмосферы сравнительно просто, то гораздо труднее узнать, как она высока. Воздух, чем выше, тем становится все разреженнее, и это мешает человеку подняться высоко вверх. Уже на высоте 1 500 м разреженность воздуха сказывается в том, что человек начинает испытывать болезненные явления, несмотря на то, что на такой высоте воздух совершенно свободен от бактерий. Начиная с 3 тыс. м, где количество кислорода на ¹/ ₄меньше нормального, появляются признаки «горной болезни»: головокружение, тошнота, учащенные пульс и дыхание. На высоте 4 тыс. м число дыханий вместо 18 в минуту доходит до 40, а пульс вместо нормальных 80 – до 140. На высоте 5 тыс. м число красных кровяных телец человека (при продолжительном там пребывании) увеличивается с обычных 5 млн. в кубическом миллиметре до 8 млн. К этому, впрочем, можно привыкнуть: в Тибете существуют постоянные человеческие поселения почти на такой высоте (4 860 м), а в Перу на высоте 4 870 м устроена железнодорожная станция – высочайшая в мире.

На высоте 6 500 м воздух примерно вдвое реже, чем на уровне океана. Тем не менее еще на высоте 7 тыс. м наблюдали нередко полет кондоров; выше их не проникает ни одно животное. Но человек поднимался выше, беря с собой специальные аппараты для дыхания: без них существовать на такой высоте человек не может. Спутник Тиссандье погиб на высоте 8 600 м, так как смельчаки (в 1875 г.) отважились залететь в эту зону без аппаратов с искусственным воздухом. До 8 850 м поднимает свою вершину высочайшая гора земного шара – Эверест; человеку не удалось ступить ногой на ее вершину: пришлось прекратить восхождение, не доходя нескольких десятков метров [12]12
  К настоящему времени на Эверест совершили восхождение уже около 1,5 тыс. чел.


[Закрыть]. Однако на аэроплане человек поднимался выше. 11 апреля 1934 г. итальянский летчик Донати взлетел на самолете до высоты 14 ¹/ ₂километров. Но на воздушных шарах люди забирались значительно выше. Для этого употребляют шары огромного размера, люди же помещаются не в открытой корзине, а внутри наглухо закрытой кабины, чтобы не задохнуться на тех высотах, где воздух очень редок. Такой воздушный шар, предназначенный для весьма высокого подъема, называется стратостатом.

В 1934 г. всех выше поднялись на стратостате «Осоавиахим» три советских воздухоплавателя: Федосеенко, Васенко и Усыскин, заплатившие жизнью за свой научный подвиг. 30 января они достигли высоты 22 километра. Воздух там почти в 20 раз менее густой, чем вокруг нас у земли. В нем совсем нет водяных паров, а потому и небо там всегда безоблачно; оно не голубое, как у нас, а почти черное. Там всегда полное безветрие и ничем не нарушаемая тишина.

В столь высокие области атмосферы запускали лишь небольшие шары без пассажира; эти шары-зонды, несущие самозаписывающие измерительные приборы (термограф – термометр-самописец, барограф – барометр-самописец), достигали высоты 35 км, где воздух разрежен примерно в полтораста раз против плотности его у поверхности земли.

Рис. 58

В этом разреженном воздухе шар, распираемый газом изнутри, лопается, а имевшиеся на нем инструменты спокойно опускаются вниз на парашюте. Приборы, упавшие таким образом на землю, отыскиваются однако не всегда, часть их теряется и не попадает в руки ученых. Поэтому были придуманы особые шары-зонды, инструменты которых сами передают свои показания по радио. Этот радиозонд изобретен советским ученым А.П. Молчановым.

Рис. 59. Шары-зонды, несущие прибор-самописец

Границей атмосферы следует считать ту высоту, на которой имеются последние следы воздуха, чем-либо обнаруживающие свое существование. Это – высота в 600–700 км, куда достигают лучи полярных сияний. На высоте 100 км воздух разрежен примерно в миллион раз по сравнению с воздухом близ земной поверхности. Если мы вспомним, что в так называемых «пустотных» электрических лампочках воздух разрежен «только» в сотни тысяч раз, то должны будем считать пространство на высоте уже 100 км практически пустым. Ученые подходят с более строгой меркой и отодвигают границу атмосферы в 6–7 раз дальше.

Исследовать эти крайние высоты атмосферы с помощью самолетов, воздушных кораблей или шаров-зондов нельзя и надеяться: они не смогут держаться в столь разреженной среде. Но, вероятно, со временем туда будут пущены ракеты с самописцами, которые и расскажут нам об условиях, господствующих на этих высотах.

Тяжелая газета

– Возьми-ка газету в руки, – сказал мне как-то старший брат в те годы моей юности, когда физика была мне еще совершенно незнакома. – Газета очень легка, не правда ли? И ты думаешь, конечно, что сможешь всегда поднять ее хоть одним пальцем. Но вот сейчас ты увидишь, что та же самая газета может сделаться очень и очень тяжелой. Подай мне вон ту чертежную линейку.

– Она изрублена, никуда не годится.

– Тем лучше: не жалко, если сломается.

Брат положил линейку на стол так, что часть ее высовывалась за край.

– Тронь за выступающий конец. Легко наклонить, правда? Ну, а попробуй наклонить ее, когда я накрою другую половину газетой.

Он разостлал газету на столе, аккуратно расправив ее складки и покрыв ею линейку.

Рис. 60

– Бери палку и сильно ударь по выступающей части линейки. Бей со всего размаху.

– Так ударю, что линейка в потолок полетит! – воскликнул я, размахиваясь.

– Главное, не жалей силы.

Результат удара был совсем неожиданный: раздался треск линейка переломилась, а газета по-прежнему осталась да столе, прикрывая другой обломок злополучной линейки.

– Газета-то тяжелее, чем ты думал? – лукаво спросил брат.

Я растерянно переводил глаза с обломка линейки на газету.

– Но почему же газета не пустила линейку? Ведь вот я легко поднимаю ее со стола?

– В этом и суть опыта. На газету давит воздух, и с немалой силой: каждый квадратный сантиметр газетного листа он придавливает с силою килограмма. Когда ударяют по выступающему концу линейки, то другим своими концом она напирает на газетный лист снизу; газета должна приподняться. Если это делается медленно, то под приподнимающуюся газету успевает проникнуть воздух снаружи и своим напором уравновешивает давление на газету сверху. Но твой удар был так быстр, что воздух под газету проникнуть не успел: края газеты еще прилегали к столу, когда середина ее уже увлекалась вверх. Тебе пришлось поэтому поднимать не одну газету, а газету вместе с напирающим на нее воздухом. Короче сказать, тебе надо было поднять линейкой груз примерно во столько килограммов, сколько квадратных сантиметров заключает приподнимаемый участок газеты. Если бы это был участок бумаги всего в 16 квадратных сантиметров – квадратик со стороною в 4 сантиметра, то давление воздуха на него составляло бы 16 килограммов. Но поднимаемый участок бумаги заметно больше, приходилось, значит, поднимать изрядный вес. Такого груза линейка не осилила и сломалась.

Богатырское дуновение

В другой раз брат озадачил меня опытом иного рода, также основанным на свойствах газов. Он начал с того, что принялся кроить и клеить длинный мешок из большого листа газетной бумаги.

– Мешок выйдет на славу, – говорил он. – Я делаю его двойным, чтобы он не пропускал воздуха, когда мы его надуем. Ну вот, готово! Теперь, покуда наш мешок сохнет, принеси-ка сюда несколько книг пообъемистее.

Я разыскал на этажерке три увесистых тома медицинского атласа и положил их на стол.

– Можешь ты надуть этот мешок ртом? – спросил брат.

– Конечно, – сказал я.

– Простое и легкое дело, не правда ли? Но если придавить мешок парочкой таких книг?..

– О, тогда сколько ни старайся, мешок не раздуется.

Брат молча положил мешок у края стола, накрыл его одним томом, а поверх поместил стоймя еще одну книгу.

– Теперь следи. Буду надувать.

– Уж не собираешься ли сдунуть эти книги? – спросил я со смехом.

– Именно!

Брат стал раздувать мешок. И что же вы думаете? Нижняя книга наклонилась под напором вздувшегося мешка и опрокинула верхнюю. А ведь в них было не менее 5 кг весу!

Не давая мне опомниться от удивления, брат приготовился повторить опыт. На этот раз он нагрузил мешок тремя томами. Подул, и – вот богатырское дуновение! – все три тома опрокинулись.

Поразительнее всего то, что, когда я сам отважился проделать этот опыт, мне удалось опрокинуть книги так же легко, как и брату. Не надо вовсе обладать ни слоновыми легкими, ни богатырскими мускулами: все происходит почти без напряжения.

Брат объяснил мне, в чем тут было дело. Когда мы надуваем бумажный мешок, мы вгоняем в него воздух, сдавленный больше, чем наружный воздух, – иначе мешок не раздувался бы. Давление наружного воздуха равно примерно тысяче граммов на каждый квадратный сантиметр. Прикиньте, хотя бы приблизительно, сколько квадратных сантиметров бумаги зажато под книгами. Получится площадь сантиметров 150–300. Избыток давления в мешке над наружным давлением составляет примерно 15-ю долю атмосферного давления, т. е. 1000: 15 = около 70 г [13]13
  Что такова именно сила, с какою мы способны вдувать воздух, можно установить с помощью барометрической трубки с ртутью. Я не раз проделывал это и убедился, что вдуванием мы можем повысить ртутный столб в барометре на 5–6 сантиметров.


[Закрыть]. Легко рассчитать теперь, что общее давление воздуха внутри мешка на зажатую его часть, т. е. на книги, составляет не меньше

70 × 150 = около 10 000 г,

иначе говоря, 10 кг. Такая сила, разумеется, более чем достаточна, чтобы опрокинуть книги.

Если бы площадь зажатой части мешка была раз в десять больше, можно было бы «дуновением» поднять человека. Ваш товарищ, конечно, не поверит этому: неужели он настолько легок, что достаточно дунуть – и он будет держаться буквально на воздухе? Однако вы можете убедить его, проделав над ним подобный опыт. Для этого вам понадобится большой бумажный мешок, размером в целый газетный лист; ради надежности мешок надо склеить из нескольких слоев газеты, иначе бумага лопнет при раздувании. В один из углов мешка плотно вклейте мундштук или гусиное перо в виде трубки, а на перо наденьте конец резиновой трубки, достаточно длинной, чтобы вы могли надувать мешок не нагибаясь.

Рис. 61

После этих несложных приготовлений вы сможете дуновением поднять товарища на воздух, если он станет на чертежную доску, покрывающую ваш бумажный мешок. А чтобы товарищу не было обидно, станьте потом на доску сами и своим дуновением поднимите и себя на воздух. Если резиновая трубка достаточно длинна, это удается без особого труда (рис. 61).