Текст книги "Физика на каждом шагу"

Движение по кругу

Раскройте зонтик, уприте его концом в пол, закружите и бросьте внутрь мячик, скомканную бумагу, носовой платок – вообще что-нибудь легкое и неломкое. Произойдет нечто для вас неожиданное. Зонтик словно не пожелает принять подарка: мяч или бумажный ком выползут вверх, до краев зонтика, а оттуда полетят на пол.

Причину, которая в этом опыте выбросила мяч, принято называть «центробежной силой», хотя правильнее называть ее «инерцией». Она обнаруживается всякий раз, когда тело движется по круговому пути. Это не что иное, как один из случаев проявления инерции – стремления движущегося предмета сохранять направление и скорость своего движения.

Рис. 25

С таким проявлением инерции мы встречаемся гораздо чаще, чем сами подозреваем. Старинное оружие для метания камней – праща – работает по той же причине. Инерция кругового движения разрывает жернов, когда он заверчен слишком быстро и недостаточно прочен. Если вы ловки, она поможет вам выполнить фокус со стаканом, из которого вода не выливается, хотя он опрокинут вверх дном: для этого нужно только быстро взмахнуть стаканом над головой, описав круг. Инерция же помогает велосипедисту в цирке делать головокружительную «чертову петлю». Она же отделяет сливки от молока в так называемых «центробежных» сепараторах; она извлекает мед из сотов в центробежке и т. д.

Когда трамвайный вагон описывает кривую часть пути, например, при повороте из одной улицы в другую, то пассажиры непосредственно на себе ощущают силу, которая прижимает их по направлению к внешней стенке вагона. При достаточной скорости движения весь вагон мог бы быть опрокинут, если бы наружный рельс закругления не был предусмотрительно уложен выше внутреннего: благодаря этому вагон на повороте слегка наклоняется внутрь. Это звучит довольно странно: вагон, покосившийся набок, устойчивее, чем стоящий прямо!

Рис. 26

А между тем это так, и маленький опыт поможет вам уяснить себе, как происходит дело. Сверните картонный лист в виде широкого раструба, еще лучше, – возьмите, если в доме найдется, миску со стенками такой формы. Особенно пригодится для нашей цели конический абажур – стеклянный или жестяной – от электрической лампы. Вооружившись одним из этих предметов, пустите по нему монету, небольшой металлический кружочек или колечко от ключей. Они будут описывать круги по дну посуды, заметно наклоняясь при этом внутрь. По мере того как монета или колечко будут замедлять свое движение, они станут описывать все меньшие круги, приближаясь к центру посуды. Но легким поворотом посуды вы можете заставить монету снова катиться быстрее, и тогда она удаляется от центра, описывая большие круги. Если она разгонится очень сильно, то может и совсем выкатиться из посуды.

Для велосипедных состязаний на так называемом «велодроме» устраиваются особые круговые дорожки; вы можете видеть, что дорожки эти, особенно там, где они круто заворачивают, устроены с заметным уклоном к центру. Велосипед кружится по ним в сильно наклоненном положении, – как монета в вашей чашке, – и не только не опрокидывается, но, напротив, в таком именно положении приобретает особенную устойчивость. В цирках велосипедисты изумляют публику тем, что описывают круги по круто наклоненному настилу; вы понимаете теперь, что в этом нет ничего необычайного. Напротив, трудным искусством для велосипедиста было бы кружиться так по ровной, горизонтальной дорожке.

Где легче всего?

Земной шар, на котором мы живем, вращается, и вследствие вращения Земли все вещи на ее поверхности становятся легче. Чем ближе к экватору, тем больший круг успевают сделать вещи за 24 часа, тем, значит, они быстрее вращаются и оттого больше теряют в весе. Если килограммовую гирю перенести с полюса на экватор и здесь вновь взвесить на пружинных весах, то обнаружится нехватка в весе на 5 г. Разница невелика, конечно, но чем тяжелее вещь, тем нехватка крупнее. Паровоз, приехавший из Архангельска в Одессу, становится здесь легче на 60 кг – вес взрослого человека. А линейный корабль в 20 тыс. тонн, прибывший из Белого моря в Черное, теряет здесь в весе ни мало, ни много – 80 тонн; это вес хорошего паровоза!

Рис. 27

Отчего так происходит? Оттого, что земной шар, вращаясь, стремится разбросать со своей поверхности все вещи, как зонтик в нашем опыте выкидывает брошенный в него мяч. Земной шар и скинул бы их, но этому мешает то, что он притягивает все вещи к себе. Мы называем это притяжение «тяжестью». Скинуть вещи с Земли вращение не может, а уменьшить вес их может. Вот почему вещи становятся немного легче вследствие вращения земного шара.

Если бы Земля вращалась быстрее…

Чем быстрее вращение, тем уменьшение веса должно становиться заметнее. Вычислено, что если бы Земля вращалась не так, как теперь, а в 17 раз быстрее, то на экваторе вещи потеряли бы свой вес целиком: они стали бы невесомы. А если бы Земля вращалась еще быстрее, то вещи потеряли бы весь свой вес не только на экваторе, но и в странах и морях, лежащих по обе его стороны.

Рис. 28

Подумайте только, что это значит: вещи потеряли бы свой вес! Ведь это значит, что не будет такой вещи, которой вы не могли бы поднять: паровозы, каменные глыбы, исполинские пушки, целые военные корабли со всеми машинами и орудиями вы поднимали бы – как перышко. А если бы вы их уронили – не опасно: они никого не раздавят. Не раздавят потому, что вовсе и не упали бы: ведь они ничего не весят! Они парили бы в воздухе там, где вы выпустили их из рук. Если бы, сидя в корзине воздушного шара, вы вздумали ронять свои вещи за борт, – они так и остались бы в воздухе. Удивительный был бы это мир! Прыгать вы могли бы так высоко, как и во сне не прыгали: выше самых высоких сооружений и гор. Но только не забывайте: подпрыгнуть легко, а назад спрыгнуть невозможно. Лишенные веса, вы на землю не упадете, а оттолкнуться в воздухе не от чего.

Будут и другие неудобства в этом мире. Сами сообразите, какие: все вещи – и малые и большие, – если они не прикреплены, будут подниматься от малейшего ветерка и носиться в воздухе. Люди, животные, автомобили, телеги, корабли – все беспорядочно металось бы в воздухе, ломая и калеча друг друга… Вот что произошло бы, если бы Земля вращалась значительно быстрее.

Сжатие земного шара

Вращением Земли объясняется и то, что она, строго говоря, не представляет собой шара, а сплющена по направлению своей оси. Простой опыт уяснит нам, почему Земля приняла такую форму.

Рис. 29. Почему земной шар раздут у экватора?

Вырежьте кружок из плотного и прочного картона, вершков 5–6 в диаметре, и по обе стороны его центра просверлите по дырочке. Сквозь эти дырочки протяните бечевки. Такой кружок легко привести в быстрое вращательное движение; для этого нужно, слегка натянув бечевки, обернуть кружок несколько раз и затем, когда бечевки закрутятся, отпустить его, сильно натянув бечевки: кружок завертится довольно быстро (рис. 29).

Теперь мы можем устроить маленькое подобие земного шара. Проведите на вашем кружке два диаметра под прямым углом. По концам диаметров воткните в кромку картона по игле. Из плотной бумаги приготовьте два кольца шириной в палец и диаметром чуть побольше вашего кружка. Вставьте кольцо одно в другое накрест и склейте места их соприкосновения. Это – «меридианы» вашего земного шара.

Через отверстия в «полюсах» (местах схождения «меридианов») пропустите бечевки от кружка; самый же кружок поместите на месте «экватора», проткнув ленты остриями иголок (рис. 29).

Сделав все это, приведите кружок в быстрое вращение, как было описано выше. Вы увидите, что наш маленький «земной шар» заметно сожмется у «полюсов» и раздуется у «экватора». Подобную же форму имеет и настоящий земной шар: вследствие вращения он немного вздут у экватора.

Описанный сейчас опыт удобнее показывать, если смастерить себе упрощенную центробежную машину, вроде той, которая представлена на рис. 30. Катушка, которую вы вертите рукой, должна иметь больший поперечник, чем та, которая вращает кружок; чем разница в диаметрах больше, тем больше оборотов будет делать бумажное кольцо, и тем опыт выходит показательнее.

Рис. 30. Самодельная центробежная машина

Десять вертушек

На рис. 31–33 вы видите всевозможные вертушки, изготовленные на различные лады. Они дадут вам возможность проделать ряд забавных и поучительных опытов. Изготовление их не требует особого искусства.

1. Первую вертушку вы можете сделать из катушки, срезав и обработав один ее бок (первая фигурка, рис. 31). Она будет вертеться не только на заостренном, но и на тупом конце своей оси: для этого нужно закрутить ее, как обычно делается, держа ось между пальцами, а потом проворно уронить юлу на тупой конец – она будет на нем вертеться, забавно раскачиваясь в стороны.

Рис. 31

2. Правее этой юлы вы видите на рис. 31 вертушку, сделанную из розетки для электрического выключателя. Это вертушка номер два.

3. Далее вы видите довольно необычайную юлу – грецкий орех, который вертится на остром выступе. Чтобы превратить подходящий орех в юлу, достаточно только загнать в него с притупленного конца спичку, которую потом и закручивать.

4. Своеобразная вертушка изображена на следующем рисунке (рис. 32): круглая коробочка, проткнутая заостренной спичкой или лучинкой. Чтобы коробочка прочно держалась на оси, не скользя вдоль нее, нужно залить отверстие сургучом.

5. Интересную юлу изображает следующая фигурка на рис. 32. К краям картонного кружка привязаны на ниточках круглые пуговицы. Когда юла вертится, пуговицы отбрасываются вдоль радиусов кружка, натягивая нити.

6. То же, на иной манер, показывает еще одна фигурка. В пробочный кружок воткнуты булавки с нанизанными на них разноцветными бусинками, которые свободно скользят по булавке. При вращении юлы бусинки отгоняются к головкам булавок. Если вращающаяся юла хорошо освещена, то булавочные стержни сливаются в сплошную ленту, которая окаймляется цветным кругом из сливающихся бусин.

Чтобы дольше любоваться этой юлой, нужно пускать ее на гладкой тарелке.

Рис. 32

7. Цветная юла. Изготовить ее более хлопотливо, но она вознаграждает за затраченный труд, обнаруживая удивительные свойства. Выньте донышко из круглой коробочки и проткните его заостренным концом ненужной вставочки, зажав для прочности между двумя пробочными кружочками. Теперь разделите картонный кружок на одинаковые части прямыми линиями, идущими от середины к краям; полученные доли, – математик сказал бы «секторы», – закрасьте попеременно в желтый и синий цвета. Что вы увидите, когда юла завертится? Кружок будет казаться не синим и не желтым, а зеленым. Синий и желтый цвета, сливаясь в нашем глазу, дадут новый цвет – зеленый.

Вы можете продолжить ваши опыты над «смешением цветов». Заготовьте кружок, секторы которого окрашены попеременно в голубой и оранжевый цвета. На этот раз кружок при вращении будет уже не желтый, а светло-серый, тем более светлый, близкий к белому, чем чище ваши краски. В физике такие два цвета, которые при смешении дают белый, называются «дополнительными». Вертушка показала нам, следовательно, что голубой и оранжевый цвета – дополнительные.

Если у вас имеется хороший набор красок, вы можете попытаться повторить опыт, впервые проделанный двести с лишком лет назад знаменитым ученым Ньютоном, а именно: раскрасьте секторы кружка всеми цветами радуги – в фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный; при вращении все семь цветов должны слиться в серовато-белый цвет. Этот опыт поможет вам понять, что каждый луч белого солнечного света слагается из многих цветных лучей.

8. Пишущая юла (рис. 33). Устройте юлу, как сейчас было рассказано, но только пусть осью ее будет не заостренный обрезок вставочки, а очиненный мягкий карандаш. Заставьте такую юлу вертеться на картонном листе, положенном немного наклонно. Вращаясь, юла будет постепенно спускаться по наклонному картону, рисуя карандашом завитки. Их легко сосчитать, а так как каждый завиток образуется при одном обороте юлы, то, следя за ее вращением с часами в руках[5]5
  Впрочем, отсчитывать секунды можно и без часов, определяя их непосредственно устным счетом. Но для этого надо предварительно приучиться произносить слова «раз», «и два», «и три», «и четыре», «и пять»… так, чтобы на произнесение каждого слова уходила ровно одна секунда. Не думайте, что это трудное искусство: чтобы ему научиться, требуется всего какой-нибудь десяток минут упражнения, не более.


[Закрыть], нетрудно будет определить, сколько раз оборачивается юла каждую секунду. Просто глазом этого, конечно, сосчитать невозможно.

Рис. 33

9. Далее на рис. 33, внизу изображен другой вид пишущей юлы. Чтобы ее изготовить, нужно добыть свинцовый кружок из тех, которые подвешиваются к краям штор, чтобы они натягивались. В центре кружка нужно просверлить острием ножниц дырочку (свинец мягок и сверлить его легко), а по обе стороны ее еще по дырочке. Через среднюю дырочку кружок надевают на заостренную палочку, а через одну из боковых дырочек продевают отрезок конского волоса или щетинку так, чтобы они высовывались вниз чуть больше оси юлы: в таком положении волос закрепляют обломком спички. Третья дырочка оставляется неиспользованной; мы просверлили ее для того, чтобы свинцовый кружок по обе стороны оси имел совершенно одинаковый вес, – юла, неравномерно нагруженная, не будет плавно вращаться.

Теперь пишущая юла готова, но для опытов с нею нам нужно заготовить закопченную тарелку. Подержав осторожно донышко тарелки над пламенем свечки, пока поверхность не покроется ровным слоем густой копоти, пускаем юлу по этой закопченной поверхности. Юла будет, вращаясь, скользить по ней, а конский волос тем временем начертит, белым по черному, запутанный, но довольно красивый узор.

10. Венцом наших стараний явится последняя вертушка – юла-карусель. Кружок и осевой стержень здесь такие же, как в знакомой уже нам цветной юле. В кружок втыкают булавочки с флажками, располагая их симметрично около оси, и приклеивают крошечные бумажные лошадки с всадниками: карусель для увеселения вашего младшего брата или сестренки готова.

Полет на ракете

Без сомнения, большинство из вас видело, как взлетает зажженная ракета. Но знаете ли вы, почему она летит? Обычно причину ее полета представляют себе ошибочно. Думают, что когда в ракете зажжен порох и из нее вытекает струя горячих газов, ракета этой струей отталкивается от окружающего воздуха, как рыба отталкивается хвостом от воды. Если бы было так, то в пустом пространстве ракета лететь не могла бы. На самом же деле причина движения здесь совсем другая: ракета отталкивается не от наружного воздуха, а подталкивается тем газом, который образуется внутри нее. В этом случае происходит то же самое, что и при выстреле из ружья: пороховые газы выбрасывают пулю в одну сторону и в то же время отталкивают ружье в противоположную («отдача» ружья). Окружающий воздух тут не при чем. Напротив, опыт показывает, что в безвоздушном пространстве, где ракета не испытывает сопротивления воздуха, а газы вытекают из нее свободнее, она летит еще быстрее, чем в атмосфере.

Рис. 34

Но если ракета может ускорять свой полет даже в пустоте, то значит, она может и вовсе вылететь из земной атмосферы и направить бег в то безвоздушное пространство, которое окружает нашу планету! Эту мысль первый высказал советский изобретатель К.Э. Циолковский. Он предложил способ путешествовать через безвоздушное пространство, отделяющее Землю от других небесных тел, способ долететь до Луны, до планет. Вот в чем состоит его мысль.

Представьте себе огромных размеров ракету с каютой для пассажиров, находясь в которой люди могут управлять горением заряда, ускорять, замедлять, даже вовсе прекращать горение. Такая ракета может увеличивать свою скорость с плавной постепенностью, безопасной для ее пассажиров. Тем не менее, как показывает математический расчет, скорость ракеты может быть в течение нескольких минут доведена постепенным взрыванием до 12 км в секунду, т. е. именно до такой скорости, с какой может начаться странствование по вселенной.

С этого момента дальнейшее горение может быть прекращено, потому что при указанной скорости ракета по инерции унесется в мировое пространство. И только для изменения ее пути потребуется снова пустить в дело взрывание. Короче сказать, такая ракета есть самый подходящий корабль для будущих межпланетных путешествий.

Вот по какому пути должна идти мысль изобретателей в поисках возможности летать выше атмосферы, посетить Луну, а со временем и другие планеты. И кто знает, не придется ли вам дожить до той поры, когда все это осуществится на самом деле… (Кто желает подробнее узнать о таких перелетах, тот найдет рассказ о них в моей книге «Ракетой на Луну».)

Глава вторая На воде и под водой

Почему киты живут в море?

Задолго до того, как появился человеческий род, жили на суше животные таких больших размеров, каких нынешние сухопутные животные не достигают. Особенно крупны били ящеры, один из них – диплодок – имел 22 м в длину, другой (брахиозавр) достигал 11 м высоты. Представьте себе такого исполина, бродящего по улицам вашего города: он мог бы просунуть свою голову в окно третьего этажа! По сравнению с ним современный африканский слон высотою 3 ³/₂ м или даже жирафа, 5 м высоты, – настоящие карлики!

Зато в океане в наши дни водится животное, рядом с которым древние великаны-животные сами кажутся карликами. Это – кит. На рис. 35 вы видите кита-полосатика рядом со слоном. Кит – исполин по сравнению с ним. Длина полосатика около 30 м. В старые годы показывали публике чучела и скелеты китов за деньги, как редкие диковинки.

Рис. 35. Кит-полосатик в 30 раз тяжелее слона и гораздо больше любого наземного животного, теперь живущего или давно вымершего

Про чучело одного кита рассказывается в старинном русском журнале («Северная пчела», 1843 г.):

«Подле Александрийского театра[6]6
  Теперь Большой драматический театр в Санкт-Петербурге.


[Закрыть] в апреле 1843 г. был построен балаган, в котором было выставлено для обозрения публики чучело кита длиною 29 м. Внутри чучела помещались 24 музыканта, а в голове была устроена комната, в которой посетители могли покоиться на диване».

Соответственно с размером киты обладают чудовищным весом. Попадаются киты (из так называемых гренландских) весом в 90 и даже в 100 т. Такие киты весят столько, сколько 30 слонов, 40 носорогов или 200 быков.

Хотя и говорят зачастую: «рыба-кит», но это совершенно ошибочно. Кит такое же млекопитающее, как слон или носорог, а вовсе не рыба. То, что у него нет шерсти, нет задних ног, а передние ноги заменены ластами, то, что у него рыбий хвост, – все это доказывает только, что он хорошо приспособился к жизни в воде. Киты дышат легкими (а не жабрами, как рыбы), родят своих детенышей живыми (а не мечут икру, как рыбы), выкармливают их молоком и имеют теплую кровь. Словом, все главные их особенности указывают на то, что киты гораздо больше сродни слону и носорогу, чем акуле или щуке.

Но если кит не рыба, то почему живет он в воде, а не ходит по суше? Потому что на суше он был бы раздавлен собственною своею неимоверною тяжестью. Кости и мускулы кита не могут выдержать веса стотонного чудовища. Другое дело в воде. Плавая в воде, кит, собственно говоря, не весит ничего. Всякая плавающая вещь теряет из своего веса столько, сколько сама весит, оттого она и не тонет. Это надо понимать так, что вода выталкивает плавающую вещь, поддерживает ее и тем как бы уничтожает ее вес. Сколько бы весу ни было в ките, животное целиком утрачивает его, когда плавает в воде.

Но горе киту, если он очутится вне воды! А это случается с ним иной раз, например, когда, охотясь за мелкими рыбешками, которыми он питается, великан садится на мель. Наступает отлив, мель обнажается, и кит оказывается целиком на суше. Казалось бы, какая беда: кит не рыба, он дышит легкими – что же сделается ему на суше? А исполин и часу не может прожить в таком положении: он неминуемо погибает! Его губит собственная тяжесть, которой он не ощущал в воде, но которая с полной силой сказалась вне воды. Под напором огромной туши защемляются трубочки (сосуды), по которым течет кровь; дыхательные движения прекращаются, мускулам не под силу расширить такую тяжелую грудь – и величайшее животное мира становится жертвой своего огромного роста и веса. Теперь вы понимаете, почему киты могут жить только в море и почему на суше великаны таких огромных размеров и веса существовать не могут.

Что такое «водоизмещение»?

Часто вы слышите: «корабль в столько-то тонн водоизмещения». Как понимать такое выражение?

«Водоизмещением» корабля называется вес той воды, которую он вытесняет своею погруженною частью. Корабль в 6 тыс. т водоизмещения вытесняет, держась на воде, 6 тыс. т воды.

Почему однако нужно знать, сколько воды вытесняет судно? Потому что зная это, можно судить об объеме корабля и его весе вместе с грузом. По закону плавания, каждая вещь, держащаяся на воде, вытесняет своей погруженной частью столько воды, сколько весит вся эта вещь. Корабль в 6 тыс. т водоизмещения весит (погруженный до «ватерлинии», т. е. до определенной метки на борту) ровно 6 тыс. т. А кроме того раз известно, что подводная часть судна вытесняет 6 тыс. т воды, то легко сообразить, каков объем этой части: 6 тыс. м³ – ведь 1 кубометр воды весит одну тонну[7]7
  На момент 1-го издания книги самое большое водоизмещение имел французский пароход «Нормандия» (1932 г.) – 210 тыс. м³.


[Закрыть].

От тонн «водоизмещения» следует отличать так называемые «регистровые» тонны. Регистровая тонна – мера объема, а не веса; это 100 куб. футов, или 2,8 м³. Корабль в 6 тыс. регистровых тонн имеет почти втрое больший объем, чем корабль в 6 тыс. т водоизмещения.