Текст книги "Физика без формул"

Паровоз – хорошо, а тепловоз – лучше

Чем пароход отличается от теплохода, а паровоз – от тепловоза? В одних, ясно уже по названию, используют пар, а в других – газы, получающиеся при сгорании топлива. И то, и другое – тепловые машины, однако второй их тип оказался намного выгоднее.

Действительно, чтобы работал паровой двигатель, нужно везти на себе прочный котел с водой для создания пара. И еще вместе с ним топку, где должно сгорать топливо для подогрева воды.

Тяжелая, громоздкая и малоэффективная конструкция! Теплоходы же и тепловозы имеют двигатели, внутри которых сразу происходит сгорание топлива, а выделившиеся при этом горячие газы толкают поршни, передающие движение рычагам, колесам, гребным винтам.

Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер и изобретатель. Создал поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, названный его именем. Экономичность и надежность обеспечили двигателю применение на автомобилях и теплоходах, тепловозах и тракторах, подводных лодках и электростанциях.

Попытки создать устройство, движущееся по суше без рельсов, имеют давнюю историю. Более 200 лет назад во Франции был построен трехколесный экипаж с паровым двигателем и котлом огромных размеров. Понятно, что толку от такой машины было мало – ее легко обгонял пешеход. Наконец, в восьмидесятых годах прошлого века были сделаны два изобретения, приведшие к созданию того, что можно назвать автомобилем. Это – двигатель внутреннего сгорания и пневматическая шина. Оснащенные новыми устройствами, автомобили стали завоевывать страну за страной. Более 100 лет совершенствования привели к тому, что теперь их в мире десятки миллионов. Двигатели, непосредственно внутри которых сгорает топливо, на сегодня вытеснили везде паровые и стали основными среди тепловых машин.

Как холодильник «холодит»?

Хорошо, пусть холодные тела только и «мечтают», чтобы нагреться, а горячие – охладиться. Но как же тогда работает холодильник? И правда, отключив его от сети и открыв дверцу, мы сперва почувствуем недолгую прохладу, но в скором времени весь лед растает, а продукты из охлажденных или замороженных превратятся в обыкновенные – с комнатной температурой. Что же позволяет этим процессам идти не естественным порядком, а наоборот?

Вспомним об испарении, скажем, спирта, когда ваткой, смоченной им, вам протирают кожу перед уколом. Что мы ощущаем? Правильно, холодок. Так вот, в холодильнике испаряющаяся жидкость отнимает тепло от всего, что внутри него находится. Но чтобы охлаждение шло постоянно, ее надо заставить это делать многократно.

Вот почему мы слышим, как урчит двигатель холодильника, приводя в движение поршни, отсасывающие пары этой жидкости. Затем их прогоняют через конденсатор, укрепленный на задней стенке холодильника. Пощупав его во время работы двигателя, вы ощутите… тепло. Откуда оно взялось? А это конденсируются пары жидкости и, как и положено им в этом случае, выделяют наружу тепло. Сгустившись из паров, жидкость вновь поступает внутрь холодильника, чтобы, снова испарившись, отнять там порцию тепла.

Получается, что холодильник – это тепловой двигатель наоборот. К тепловой энергии, отобранной у продуктов, мотор добавляет энергию, полученную из электросети. И все это вместе «выбрасывает» в комнату. Выходит, включенный холодильник служит нам еще и дополнительным нагревателем воздуха в квартире.

Что берет в полет ракета?

То, что реактивный двигатель космической ракеты работает на принципе отдачи, вам хорошо известно. В одну сторону вылетают, оттолкнувшись от ракеты, раскаленные газы. В другую, оттолкнувшись от газов, летит ракета. А что же происходит внутри такого двигателя?

Это – тоже тепловая машина. В ней, правда, нет ни поршней, ни рычагов, ни колес. Тем не менее, ее устройство отнюдь не так просто. В отличие от двигателей внутреннего сгорания и паровых машин, где топливо горит в воздухе, здесь в камеру сгорания подаются одновременно горючее, скажем, керосин, и окислитель. Ведь в безвоздушном пространстве «зачерпнуть» воздух неоткуда. И его роль в полете должен взять на себя кто-то другой, к примеру, жидкий кислород. Вот его и приходится возить с собой в ракете вместе с горючим.

Сергей Павлович Королев (1907–1966) – российский ученый и конструктор. Основоположник практической космонавтики. Под его руководством были созданы первый искусственный спутник Земли и космические корабли, на которых человек впервые облетел Землю и вышел в открытый космос. Занимался конструированием и постройкой межпланетных станций.

Температура горения достигает в камере нескольких тысяч градусов. Давление так велико, что газы с огромной скоростью вырываются из камеры в расширяющееся отверстие на конце ракеты, называемое соплом.

Мы рассказали о жидкостном ракетном двигателе. Есть еще и твердотопливные, их вы могли бы увидеть при старте космического корабля «Шаттл». Они пристыкованы к корпусу основной ракеты и позволяют увеличивать тягу на первом отрезке взлета. Но во всех случаях, чтобы работали такие двигатели, потребовалось создать особые жаропрочные материалы. Они должны выдерживать, не плавясь, те гигантские температуры, которые возникают внутри таких двигателей.

Вновь, как это бывает чаще и чаще, создание одной машины заставило сотрудничать самые разные отрасли науки и техники.

Мир электричества

Сколько миллионов раз должна была сверкнуть молния, чтобы человек наконец-то задумался, а что же это такое?

Между натертыми кусочками янтаря, притягивающими предметы, и молнией, казалось бы, ничего общего. А ведь все это – электрические явления. И слово-то «электричество» от «янтаря» пошло. Но чтобы уловить родственность столь непохожих явлений, потребовались опять-таки тысячелетия.

Что ж, человек такой тугодум? Да нет, слишком «тонкой материей» оказалось электричество. Но уж когда выяснилось, что в нем к чему, люди так крепко «запрягли» его, так приспособили, что всего за двести лет изменили с его помощью облик всей своей жизни.

Электротехника, электроника, электроэнергия, электровоз, электросварка, электростанция, электромузыкальные инструменты… Ну, ни шагу без электричества.

А не надо никуда шагать. Оно здесь, прямо на вас. Стоит стянуть с себя свитер, как…

Отчего водолазки «трещат»?

Зима. Теплая, сухая квартира. Вечер. Мы готовимся ко сну. Стягиваем через голову водолазку или свитер, и вдруг в тишине раздается треск. Откуда взялись эти звуки? Если снимать шерстяную или синтетическую одежду в темноте, то можно заметить, как этот треск сопровождается искорками. Трещит и искрится наша одежда, и лишь тогда, когда мы, снимая ее, заставляем тереться, скользить по телу.

Чуть-чуть внимания, и обнаружится, что стянутая кофта притягивается к оставшейся на нас рубашке. Что же их тянет друг к другу? Соприкоснувшись, они словно избавляются от этой силы и обвисают. А бывает, что надолго прилипают друг к другу. Почему?

Еще один опыт, который вы проделываете, порой неохотно, каждый день – причесывание. Как иногда приходится мучиться с нашими волосами, которые буквально тянутся за расческой, липнут к ней. Опять немножко наблюдательности, и выяснится, что это происходит с пластмассовыми или деревянными гребешками, а с металлическими, как правило, – нет.

Уильям Гильберт (1544–1603) – английский физик и врач. Основоположник науки об электричестве. Верный экспериментальному методу, провел множество опытов по обнаружению электрических свойств различных тел. Обогатил эту область рядом открытый и приборов. Исследовал магнитные явления, установил, что Земля – большой магнит. Был первым сторонником идей гелиоцентрической системы Коперника в Англии.

Подведем небольшой итог. Во время соприкосновения, а трение лишь увеличивает его площадь между телами, что-то происходит. Это «что-то» стали называть передачей электрического заряда. Его появление на различных телах приводит не только к их притяжению, но, бывает, и к отталкиванию. Поэтому заряды решили снабдить памятками-знаками. И теперь говорят, что притягиваются друг к другу тела с зарядами разных знаков, или разноименными зарядами: «плюс» к «минусу» – и «минус» к «плюсу». А отталкиваются одноименные: «плюс» от «плюса» – «минус» от «минуса».

«Прицепить», конечно же, мысленно, тот или иной знак заряда к тому или иному телу люди договорились давно. Сейчас, покупая электрическую батарейку, вы сразу же найдете на ней эти обозначения. Это поможет вам правильно вставить ее в какой-либо прибор, где тоже имеются такие отметки. А теперь попробуйте еще раз побаловаться с зарядами разных знаков. Потрите пластмассовую расческу о сухие волосы и поднесите к разбросанным по столу мелким бумажным ленточкам или обрывкам. Ну, что произойдет?

Почему бьет молния?

Способность различных тел заряжаться люди обнаружили давно. Но долгое время эти новые электрические силы человек не знал как использовать. Научившись создавать с помощью трения внутри электрических машин довольно заметные заряды, даже исследователи применяли их для развлечения. В XVII–XVIII веках были очень популярны электрические фокусы, особенно такой, когда у заряженного человека волосы буквально вставали дыбом.

Это явление объясняется просто. Растекшийся по поверхности человека заряд одного знака стремится раздвинуть, оттолкнуть все, на что он попал. Поэтому и волосы поднимались, расходясь друг от друга в разные стороны. Когда же поблизости оказывались разноименные заряды, то, стремясь притянуться, соединиться, они порой вызывали электрическую искру. Иначе это еще называют электрическим пробоем воздуха.

Не нужно думать, правда, что электричество служило только для потехи праздной публики. Сходство между искусственно полученными электрическими искрами и наблюдаемой при грозах молнией наводило на мысль об одинаковой их природе. Действительно, во время движения воздушных потоков из-за трения происходит разделение электрических зарядов и накопление их в облаках и на поверхности Земли. Достигая большой величины, эти заряды способны пробить воздух, что и приводит к гигантской искре – молнии. XVIII век был славен тем, что проводилось уже довольно много экспериментов, связанных с поиском защиты от молнии. Опыты с атмосферным электричеством были весьма рискованны и кое-кому даже стоили жизни.

Постепенно накапливались наблюдения и факты, которые позволили ученым объяснить электрические явления. И от увеселений перейти к тому, чтобы поставить их на службу человеку.

Каким законам подчиняются заряды?

Как описать и рассчитать взаимодействие зарядов? Эту задачу поставил перед собой знаменитый французский ученый Шарль Кулон. Изобретя специальные, так называемые крутильные весы, он стал исследовать притяжение и отталкивание маленьких заряженных шариков.

Закон, который он открыл немногим более 200 лет назад, оказался очень похожим на установленный Ньютоном закон всемирного тяготения. Как и в том законе, у Кулона взаимодействие шариков ослабевало с увеличением расстояния между ними. А роль притягивающихся масс стали играть заряды шариков, и чем больше они становились, тем заметнее росла электрическая сила. Отличались, правда, эти законы тем, что массы могли только притягиваться, а заряды, как известно, еще и отталкиваются.

Шарль Кулон (1736–1806) – французский физик и военный инженер. Сформулировал законы трения. Построил крутильные весы – чувствительный прибор, с помощью которого установил основной закон электричества (закон Кулона). Занимался исследованием упругих свойств тел и магнитных явлений.

Интересно, как Кулон делил заряды. Он приводил в соприкосновение два одинаковых по размерам шарика из бузины, один из которых был заряжен, а другой – нет. Кулон полагал, что в этом случае заряд «растекается» поровну. Но тогда возникает вопрос: что, если друг друга коснутся два шарика с равными по величине, но разноименными зарядами? Опыт показывает, что электричество… как бы исчезало. Похожий случай мы наблюдаем, когда стянутый с себя зарядившийся свитер вновь приложим к телу. После этого заряд словно пропадает.

Вот эта особенность электрических зарядов компенсировать друг друга лежит в основе еще одного закона – сохранения. Если, скажем, одно тело поначалу было вовсе не заряжено, то потерев его части друг о друга, мы получили в одном месте ровно столько положительного заряда, сколько в другом – отрицательного. Соединившись, эти «плюсы» и «минусы» вновь дадут ноль, отсутствие заряда вообще. Таким образом, сколько было заряда, столько же и осталось. Этот закон не менее важен, чем и другие великие законы сохранения.

Что такое электрический конденсатор?

Что вы предпримите, если захотите, чтобы ваша одежда «не стреляла»? Либо добавите при ее стирке в воду так называемый антистатик, либо побрызгаете им на одежду из специальных баллончиков, имеющихся в продаже. Получается, что в одних состояниях какие-то тела хорошо «держат» заряд, а в других – легко с ним «расстаются». Вот на эту возможность накапливать, сохранять какое-то время заряд обращали внимание, когда электричеством нужно было воспользоваться не сразу после его получения.

В 1745 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел первый конденсатор. В историю этот прибор вошел под названием лейденской банки. В дальнейшем конденсаторы – накопители электрических зарядов – сильно изменили свою «внешность». Но главной их задачей по-прежнему было удержание рядом больших зарядов разных знаков. Особенно широко они стали применяться с развитием радиотехники.

Почему опасно залезать внутрь приемника или телевизора даже в том случае, когда они отключены от сети? Случайно коснувшись контактов от двух разноименно заряженных обкладок какого-либо конденсатора, вы можете получить ощутимый электрический удар. Заряды, стремясь соединиться, пробегут через вас. Так что поручите все же ремонт специалисту.

В принципе можно использовать большие конденсаторы для хранения электрической энергии. Но, к сожалению, надолго их не хватает. Если воздух хоть немного влажен, то он способствует пусть и медленной, однако постоянной утечке заряда. Конденсатор в таком случае необходимо время от времени подзаряжать.

Как выглядит заряд?

Способность электрических зарядов перемещаться внутри одного тела, перетекать или перескакивать на другое казалась очень любопытной. Может быть, это какая-нибудь жидкость? Она невидима и невесома, но заряжена. По мнению Бенджамина Франклина, американского физика, занимавшегося исследованиями электрических явлений, все вещества в природе содержат «электрическую жидкость». Переливаясь из одного тела в другое, она как бы добавляет или убавляет их заряды.

Конечно, такие догадки, хотя поначалу и много могли объяснить, не выдержали проверки временем. Идеи о «зернистом» строении вещества коснулись и электричества. К мысли о дробности заряда вела его возможность делиться между телами. А когда в 1897 году была обнаружена мельчайшая отрицательно заряженная частичка, стало ясно, что все заряды – составные.

Заряд электрона, а так назвали новую частичку, оказался самым маленьким в природе. Он так крохотен, что нужны тысячи миллиардов электронов, чтобы получить заряды шариков, заметно влияющих друг на друга, как в опыте Кулона.

Бенджамин Франклин (1706–1790) – американский физик и политический деятель. Основные научные исследования проводил в области электричества. Объяснил действие «лейденской банки», построил первый плоский конденсатор, изобрел молниеотвод, доказал электрическую природу молнии. Применил электрическую искру для взрыва пороха. Разработал теорию электрических явлений, в которой содержался закон сохранения заряда.

Электроны так легки, что очень свободно, огромными «партиями» или «стаями», могут двигаться, перенося с собой заряд. Вот это и создает впечатление текущей «электронной жидкости». Теперь же, говоря о заряде, имеют в виду избыток (отрицательность) или недостаток (положительность) электронов в теле.

Где легче «бегать» заряду?

Если заряд – это множество микроскопически заряженных частичек, то как они движутся? Ведь на пластмассовой расческе, мы это видели, заряд способен, хоть недолго, удерживаться. А на металлических, какими часто пользуются парикмахеры, заряду «не сидится», поэтому волосы к ним не притягиваются. На сухих блузках заряды какое-то время сохраняются, с треском и искрами выдавая затем свое присутствие, а со смоченных антистатиком куда-то сразу «удирают».

Электрическая искра, проскакивающая между обкладками конденсатора, – также свидетельство того, что до поры «сидевшие» в покое заряженные частички вдруг ринулись навстречу друг другу.

Что же позволяет зарядикам на одних телах покоиться, а по другим бежать?

Давно было замечено, что все тела в природе можно разбить на два «лагеря»: хорошо и плохо пропускающие через себя электрические заряды. Первые назвали проводниками, а вторые – изоляторами, или, как еще говорят в науке, диэлектриками.

Наверное, нет нужды перечислять прекрасно вам известные проводники. Вы сами сразу назовете металлы, из которых делают провода и спаивают контакты. А чуть подумав, добавите к ним и жидкости, которые вы замечали в батарейках или аккумуляторах.

Изоляторы тоже легко указать – это дерево, стекло, пластмассы, фарфор.

А вот воздух? Безусловно, когда он сух, то является отличным изолятором. Но уж если через него проскочила электрическая искра, то в этот момент он, разумеется, стал проводником.

Откуда «бьет» источник тока?

Возьмите в руки обычную электрическую батарейку и рассмотрите ее. Вы, конечно, найдете на ней «плюс» и «минус» – значки, отмечающие ее полюса. Если присоединить их к лампочке, скажем, от карманного фонарика, то она зажжется. Что заставило ее гореть? Ясно, что по ней побежали от одного полюса батареи к другому электрические заряды. Или еще мы говорим, что потек электрический ток.

Почему же он не течет внутри самой батарейки, когда она ни к чему не присоединена? Заряды-то на ее полюсах разноименные и хотели бы притянуться друг к другу. Значит, внутри батарейки им что-то мешает соединиться, какая-то сила раздвигает их. А вот через лампочку и проводки – бегите себе, заряды, пожалуйста. Но лишь только перебегут они от одного полюса к другому, только встретятся, как опять эта сила разлучит их, разведет по полюсам, чтобы снова помчались они через лампочку. Так и течет без перерыва электрическая речка по замкнутому кругу, сколько сил у батарейки хватит.

Луиджи Гальвани (1737–1798) – итальянский физик и физиолог. Один из основоположников учения об электричестве, обнаруживший сокращение мышц лягушки под действием электрического тока. Его опыты с «животным» электричеством легли в фундамент нового научного направления – электрофизиологии.

Обнаружилось подобное явление в опытах итальянского ученого Луиджи Гальвани. Соединяя мышцы и нервы препарированной лягушки проводником, состоящим из железа и меди, он заметил сокращение, дергание мышц. То есть в металлах, как в будущей батарейке, заряды перебегали друг к другу через лапку лягушки. Правда, Гальвани полагал, что в каждом животном есть свое собственное, особое электричество. Позже его соотечественник Алессандро Вольта исправил эту ошибку, доказав, что электричество по своей природе везде одно и то же. Ему также удалось построить в 1800 году первый источник электрического тока – вольтов столб, состоящий из чередующихся медных и цинковых пластинок. С этого изобретения начинается история кропотливых исследований электрического тока.

Бег по кругу

Какие бы источники электрического тока мы ни использовали, заставить их работать сможем лишь тогда, когда соединим их полюса проводами и приборами. Иначе говоря, мы должны образовать электрическую цепь. В отличие от обычной речки, текущей только сверху вниз, электрический ток должен течь лишь по замкнутым путям. Роль насоса, перекачивающего воду из нижнего течения реки назад, на высоту, играют источники тока, «перекачивающие» внутри себя заряды с одного полюса на другой.

Алессандро Вольта (1745–1827) – итальянский физик и химик. Под влиянием наблюдений Гальвани занялся исследованием электрического тока. Изобрел и построил первый длительно действующий источник тока – вольтов столб. Это устройство проторило дорогу дальнейшему экспериментальному изучению электричества. Автор многих приборов и проекта телеграфа.

Понятно, что вольтовы столбы или те маленькие электрические батарейки, которыми мы пользуемся сегодня, – не слишком мощные источники тока. Поиск новых, более «солидных», продолжается уже около двух столетий. Но для установления законов, которым подчиняется электрический ток, на первых порах было достаточно и простейших его источников.

Начало XIX века ознаменовалось широким наступлением ученых на выяснение этих закономерностей. Вводятся такие важные физические величины, как сила тока и напряжение. Первая величина подобна расходу воды в реке, а вторая – напору, создаваемому плотиной. Устанавливается направление тока в замкнутой цепи.

Правда, с ним вышел небольшой казус. Поначалу считалось, что по электрической цепи из металлических проводников циркулируют положительные заряды. Сегодня же достоверно известно, что текут-то по ним отрицательно заряженные электроны. И, конечно, в противоположном направлении.

Андре Мари Ампер (1775–1836) – французский физик, математик и химик. Открыл закон взаимодействия электрических токов, сформулировал правило для определения действия тока на магнитную стрелку. Тесно связывал электрические и магнитные явления, предположив, что магнетизм объясняется микроскопическими токами внутри вещества. Изобрел множество приборов, в том числе электромагнитный телеграф.

А вот единицы измерения силы тока и напряжения претерпели лишь количественные изменения. Сегодня они хорошо вам знакомы и указаны практически на каждом электрическом приборе. Взгляните, например, на розетку, лампочку или штепсель. На них вы найдете наименования этих единиц, присвоенных в честь великих ученых, – это амперы и вольты.