Текст книги "Знаете ли вы физику?"

Весьма распространено мнение, что березовые дрова гораздо «жарче» хвойных и особенно осиновых. Это верно, если сравнивать равные объемы тех и других дров: березовое полено при сгорании дает больше тепла, чем осиновое таких же размеров. Но в физике и технике при оценке теплотворной способности топлива сравнивают не объемы, а массы. Так как березовая древесина раза в полтора плотнее осиновой, то не следует удивляться, что калорийность березовых дров оказывается одинаковой с калорийностью осиновых. Вообще килограмм древесины, независимо от породы, развивает при сгорании одинаковое количество тепла (если только процент содержания в них влаги одинаков).

Итак, береза кажется нам «жарче» осины только по – тому, что в обиходе мы сравниваем неодинаковые массы этих горючих веществ: берем березовой древесины больше, чем осиновой.

Любопытно, что соотношение цен на дрова всегда довольно близко отвечает отношению удельных весов различных пород. Покупая дрова, мы приобретаем по – этому на каждый рубль одно и то же число калорий, не – зависимо от породы. Когда же такого соответствия цен случайно нет, то нередко выгоднее оказывается покупка осиновых дров, чем березовых.

Однако если разные породы дров при одинаковом весе равноценны в смысле количества теплоты, выделяемой при горении, то они все же не вполне равноценны как топливо. Для паровых котлов важна в топливе не только его теплотворная способность, но и быстрота сгорания. Есть заводы (например, стекольные), где быстро горящие осиновые и сосновые дрова предпочтительнее, нежели дрова всех других пород. Напротив, в наших комнатных печах медленно горящие дрова тяжелых по – род греют лучше быстро сгорающих более легких пород.

Ошибочно полагать, что сильное действие взрывчатых веществ обусловлено огромным количеством заложенной в них энергии, т. е. исключительно высокой теплотворной способностью. Теплотворная способность взрывчатых веществ, напротив, поразительно мала по сравнению с калорийностью промышленных видов горючего. А именно, при сжигании 1 кг:

Между тем теплотворная способность:

Эти данные нельзя, впрочем, непосредственно со – поставлять с предыдущими: надо принять в расчет то, что взрывчатые вещества при сгорании потребляют свой собственный кислород, топливо же заимствует его из окружающего воздуха. Относя выделяемую энергию к массе горючего, следует включить в него также и массу потребляемого кислорода. Эта добавочная масса раза в 2–3 больше, нежели масса самого топлива. Так, 1 кг угля потребляет при сгорании 2,2 кг кислорода (теоретически, 264 на практике же вдвое больше); 1 кг нефти – 2,8 кг кислорода и т. п.

Но и соответственно измененные цифры теплотворной способности топлива все же превосходят теплотворную способность взрывчатых веществ. Топить печи порохом было бы невыгодно, так как он дает втрое меньше тепла, нежели каменный уголь.

Естественно, возникает вопрос: если взрывчатые вещества заключают в себе столь умеренные количества энергии, то чем же следует объяснять тогда их страшное разрушительное действие, их совершенно исключительную силу? Единственно лишь быстротой сгорания, т. е. тем, что сравнительно небольшое количество энергии проявляет себя в ничтожно малый промежуток времени.

Сгорая, взрывчатые вещества образуют сразу много газов, которые, будучи стеснены в небольшой зарядной камере, напирают на орудийный снаряд с силою до 4 тысяч атмосфер. Если бы порох горел медленно, то за время, пока снаряд скользит в канале орудия, успела бы сгореть лишь небольшая доля заряда; газов образовалось бы немного, напор их был бы невелик, а скорость снаряда – незначительна. На самом же деле порох сгорает в орудии чрезвычайно быстро. Менее чем в сотую долю секунды он успевает полностью сгореть, а образовавшиеся газы успевают выбросить снаряд с огромной силой.

Это не вопрос – шутка, а вполне реальная задача из области физики. При горении развивается тепло, освобождается энергия. Сколько же джоулей энергии развивает горящая спичка в секунду? Другими словами: какова мощность горящей спички в ваттах? Ничего шуточно – го в постановке вопроса, как видите, нет. Не надо думать, что энергия спички до смешного мала.

Легко убедиться, что она вовсе не ничтожна. Вот расчет. Спичка весит около 100 мг, или 0,1 г (это можно определить прямым взвешиванием, а при отсутствии чувствительных весов – измерением ее объема, принимая плотность спичечной соломки за 0,5). Теплотворную способность древесины примем равной 12 500 Дж на грамм. Легко определить по часам, что спичка сгорает секунд в 20. Значит, из 1250 Дж (12 500 · 0,1), развивающихся при сгорании целой спички, в одну секунду появляется 1250: 20, т. е. примерно 63 Дж. Следовательно, мощность горящей спички равна 63 ватта. Значит, горящая спичка по мощности превосходит 50–ваттную электрическую лампочку.

Сходным образом можно рассчитать, что папироса развивает при курении около 20 ватт[42]42
  Данные для расчета: вес табака 0,6 г; теплотворная способность 12 500 Дж на грамм; время, в течение которого выкуривается папироса, 5 мин.


[Закрыть].

Выведение пятен утюгом Устранение с платья жирных пятен нагреванием основано на том, что поверхностное натяжение жидкостей уменьшается с повышением температуры. «Поэтому если температура в различных частях жирного пятна различна, то жир стремится двигаться от нагретых мест к холодным. Приложим к одной стороне полотна нагретое железо, а к другой хлопчатую бумагу, тогда жир перейдет в хлопчатую бумагу» (Максвелл, «Теория теплоты»).

Материал, впитывающий жир, надо, следовательно, помещать на стороне, противоположной утюгу.

Растворимость огромного большинства твердых тел в воде с повышением ее температуры увеличивается; на – пример, сахар в воде при 0° растворяется в количестве 64 %, а при 100° – в количестве 83 %. Поваренная соль, однако, не принадлежит к таким веществам: ее растворимость в воде почти не зависит от температуры: при 0° растворяется 26 %, а при 100° – 28 %. В 40–градусной и в 70–градусной воде растворяется строго одинаковое количество поваренной соли, именно 27 %.

V. Звук и свет

В стихотворении чередуются эхо двусложные («чаешь», «можно») с односложными («да», «чью»). Стихотворец не задумывался над тем, возможно ли в природе подобное чередование длинных и коротких эхо, и руководствовался, по – видимому, лишь правилами стихосложения. С точки же зрения физики такое явление нереально. Двусложное эхо указывает на вдвое большее удаление источника звука от отражающей преграды, нежели эхо односложное. Для человека, остающегося на месте, такие изменения расстояния невозможны.

В самом деле: когда мы слышим односложное эхо?

Вообразите, что вы находитесь от отражающей преграды в расстоянии 33 м. Хлопните в ладоши: звук пробежит до преграды 33 м, затем такой же обратный путь, и вы услышите эхо через 66: 330 = 0,2 с, потому что звук пробегает в секунду (в воздухе) около 330 м. Звук хлопанья так короток, что успевает прекратиться меньше чем в 0,2 с, т. е. прежде чем приходит эхо. Звук и эхо в этом случае слышны раздельно, не сливаясь. Так как одно – сложные слова мы произносим примерно в 0,2 с, то односложное эхо можно слышать в расстоянии 33 м от преграды. Эхо же двусложного слова при таком удалении от преграды частью сольется с произносимым словом. Легко рассчитать, что двусложное эхо воспринимается четко лишь при удалении от преграды не менее чем на 66 м.

Обращаясь к стихотворению, видим, что при произнесении слова «отвечаешь» эхо донесло только последние два слога – «чаешь», все остальные слились с произносимым словом. Значит, пастух находился от преграды на расстоянии около 60–70 м. Но если так, то при произнесении слова «сюда» эхо должно было откликнуться двумя слогами, а не одним.

Гром доносится не обычными звуковыми волнами, а особыми, так называемыми взрывными волнами, характеризующимися весьма значительными амплитудами колебаний. Взрывная волна во многом отлична от звуковой и только в конце своего недолговечного существования распадается на звуковые волны. Взрывные волны распространяются заметно скорее звука, причем скорость их не постоянна, а быстро убывает по мере того, как взрывная волна изменяет свое строение и разрушается. Опыты с распространением взрывных волн в трубах показывают, что скорость их достигает 12–14 км/с, т. е. превышает нормальную скорость звука в воздухе раз в 40.

Молния порождает взрывные волны, которые расходятся в атмосфере сначала быстрее звука. В этой стадии они воспринимаются ухом, как треск. Сильные, резкие, без предварительных раскатов удары грома, которые мы слышим сразу после вспышки молнии (иногда даже одновременно с ней), обязаны своим происхождением взрывной волне, не успевшей распасться. Они свидетельствуют о близости грозового разряда, так как только на близком расстоянии взрывная волна сохраняет свою первоначальную структуру.

Второй род громового удара, сопровождающийся характерными раскатами, попеременным усилением и ослаблением звука, наблюдается спустя некоторый промежуток времени после молнии и говорит об отдаленности их источника. Но совершенно ошибочно распространенное убеждение, будто по числу секунд, протекших между молнией и громом, можно вычислить расстояние до грозового разряда (умножив число секунд на скорость звука). Ошибочно потому, что воздушная волна, приносящая звук грома, не распространялась все время со скоростью звука, а пробежала первую часть расстояния быстрее звука и только конечную часть пути прошла со скоростью звука.

Сказанное о звуке грома не относится к звукам орудийного выстрела: взрывная волна при выстреле из пушки превращается в нормальную звуковую уже в двух метрах от орудия; поэтому определение скорости звука с помощью стрельбы из пушек вполне возможно.

Приводим относящиеся сюда соображения из книги Лакура и Аппеля «Историческая физика»:

«Известно, что в направлении, по которому дует ветер, звуки слышатся лучше, чем в противоположном.

При этом обыкновенно удовлетворяются объяснениями, что в направлении ветра к скорости звука прибавляется скорость ветра. Что это объяснение недостаточно, легко Рис. 118. Как ветер изменяет форму звуковых волн видеть, если припомнить, что движение воздуха со скоростью 10 м/с ощущается как довольно сильный ветер: но распространяется ли звук вместо 330 м/с со скоростью 340 или 320 м/с, смотря по тому, движется ли он по ветру или против него, – это не может, очевидно, иметь значительного влияния на силу звука. Английский физик Джон Тиндаль объяснил это явление следующим образом. Скорость ветра на высоте почти всегда бывает больше, чем непосредственно у поверхности земли.

^{Рис. 118. Как ветер изменяет форму звуковых волн}

Вследствие этого поверхности волн, которые в спокойном воздухе должны быть шаровыми (пунктирные линии на рис. 118), изменяют свои формы, распространяясь в направлении ветра (направление стрелки) быстрее, чем у поверхности земли. Поэтому они принимают формы, обозначенные на рисунке сплошными линиями. А так как распространение звука в каждой точке происходит перпендикулярно к поверхности волны, то звук, исходящий из точки А в направлении АС, не достигнет наблюдателя, находящегося в точке D, но пройдет над ним в направлении Аа, и наблюдатель в точке D не услышит звука. Напротив того, звук, выходящий по направлению АВ, распространяется по линии Ab, которая повсюду перпендикулярна к поверхности волны.

^{Рис. 119. Как действует на звук попутный ветер}

Звук, следовательно, будет услышан наблюдателем в точке b; все звуки, исходящие из А, по направлению ниже AB, будут отклонены подобным же образом и достигнут земной поверхности в различных точках между A и b. Эта часть земной поверхности получит больше звуков, чем, собственно, следовало бы, а именно – все звуки, которые при безветренной погоде распространялись бы по всему пространству над AВ».

^{Рис. 120. Как действует на звук встречный ветер}

Итак, причина усиления звука при ветре кроется не в изменении скорости звуковых волн, а в изменении их формы (в конечном итоге зависящем, впрочем, от изменения скорости).

Давление (наибольшее) воздушных волн в ¹/₂₀ паскаля дает уже ощутимый звук. При громких звуках давление усиливается в сотни и тысячи раз. Но все же давление звука чрезвычайно мало. Вычислено, например, что шум улицы большого города давит на барабанную перепонку с силою 1–2 паскаля, т. е. одной 100 000–й или 50 000–й атмосферы.

Вот величина давления производственных шумов в различных цехах металлообрабатывающей промышленности (по измерениям Ленинградского института организации и охраны труда):

При давлении звука, равном четверти атмосферы, барабанная перепонка подвергается опасности разрыва («критическое» давление звука).

Допустимым в производстве без явного вреда для уха считается шум, оказывающий давление в 0,3 Па.

Дверь заглушает звук – как ни странно – потому, что дерево быстрее проводит звук, чем воздух. При переходе из воздуха в дерево, т. е. в среду, быстрее проводящую звук, луч звука удаляется от перпендикуляра падения. Существует поэтому «предельный угол» падения для звуковых лучей, проникающих из воздуха в дерево, и угол этот, соответственно большому показателю преломления, весьма невелик. Отсюда следует, что значительная часть звуковых волн, падающих из воздуха на поверхность дерева, должна отражаться назад в воздух, не проникая в дерево. В итоге через дерево проходит из воздуха сравнительно небольшой процент энергии волн, падающих на поверхность раздела обеих сред. Сказанным и объясняется заглушающее действие двери.

Устроить преломляющую линзу для звука вполне возможно. Такой линзой может служить полушар из проволочной сетки, заполненный пухом – веществом, замедляющим движение звука.

^{Рис. 121. Звуковая линза из пуха}

Этот полушар будет действовать на лучи звука как собирательная линза. На рис. 121 видна звуковая диафрагма из листа картона, по – ставленная впереди линзы и способствующая выделению тех звуковых лучей, которые сосредоточиваются линзой в фокусе F. В точке S помещают источник звука (свисток), а в F – чувствительное к звуку пламя. Так обставлял опыт проф. Н. А. Гезехус.

Тиндаль устраивал звуковую линзу иным образом:

«Мы составим такую чечевицу, – писал он, – наполнив тонкий шар каким-нибудь газом, который плотнее воздуха.

Вот, например, шар из коллодиума (рис. 122), наполненный углекислым газом; стенки его так тонки, что легко уступают каждому толчку, ударяющему их, и передают толчок заключающемуся внутри газу. Затем я вешаю мои карманные часы близ чечевицы, сзади которой на расстоянии около 1¹/₂ м помещаю мое ухо, вооруженное стеклянной воронкой.

^{Рис. 122. Звуковая углекислая линза}

^{Рис. 123. Преломление звука в воде}

Двигая головой в разные стороны, я скоро нахожу место, в котором тиканье часов звучит особенно громко. Это место есть «фокус» чечевицы. Если я отодвину мое ухо от этого фокуса, сила звука ослабевает; если ухо остается в фокусе, но самый шар сдвигается со своего места, тиканье также ослабевает; когда шар снова ставят на место, тиканье получает прежнюю силу. Значит, чечевица дает возможность ясно слышать тиканье часов, между тем как оно совершенно не слышно для невооруженного уха».

Если станем рассуждать по аналогии с лучом света, то получим неверный ответ на вопрос задачи, так как Рис. 122. Звуковая углекислая линза Рис. 123. Преломление звука в воде свет распространяется в воде медленнее, чем в воздухе, а звук, напротив, значительно (в 4 раза) быстрее. Поэтому звуковой луч, вступая в воду из воздуха, удаляется от перпендикуляра падения. По той же причине для прохождения звука из воздуха в воду существует предельный угол, равный в данном случае всего 13° (соответственно большому значению коэффициента преломления, который равен отношению скоростей распространения звука в обеих средах). Из рис. 123 видно, как мал конус АОВ, включающий все направления, следуя которым звук может проникнуть в воду. Звуковые лучи, лежащие за пре – делами конуса АОВ, отражаются от поверхности воды, не проникая в нее (полное внутреннее отражение звука).

Шум, который мы слышим, приставив к уху чашку или крупную раковину, происходит вследствие того, что раковина является резонатором, усиливающим многочисленные шумы в окружающей обстановке, обычно нами не замечаемые из-за их слабости. Этот смешанный звук напоминает гул моря, С что и подало повод к различным легендам, сложившимся вокруг шума раковины.

Шум, который мы слышим, приставив к уху чашку или крупную раковину, происходит вследствие того, что раковина является резонатором, усиливающим многочисленные шумы в окружающей обстановке, обычно нами не замечаемые из-за их слабости. Этот смешанный звук напоминает гул моря, – что и подало повод к раз – личным легендам, сложившимся вокруг шума раковины.

Когда звук замирает, энергия звуковых волн превращается в энергию теплового движения молекул воз-275 духа и стен. Если бы воздух в комнате не обладал внутренним трением, а стены были абсолютно упруги, то раз порожденный звук не замирал бы никогда: всякая нота звучала бы в комнате вечно. В комнате обычных размеров звуковые волны отражаются от стен 200–300 раз, передавая им при каждом отражении некоторую долю энергии, и наконец поглощаются целиком, повышая температуру стен. Нагревание это, конечно, неуловимо мало. Чтобы таким путем породить один джоуль, певец должен был бы петь без перерыва почти сутки. «Десять тысяч человек, кричащих во весь голос, обращают в шум столько энергии, сколько хватило бы только на горение одной электролампочки за то время, как длится их энтузиазм», – говорит проф. Ноултон в своей своеобразной «Физике».

Гораздо труднее ответить на вопрос: «куда деваются волны света?», имея в виду свет бесчисленных звезд. Наука пока бессильна разрешить эту загадку.

Многие люди, даже получившие школьное образование, убеждены, что им не раз случалось видеть лучи света. Такие очевидцы будут весьма изумлены, узнав, что лучей света они ни разу не видели и видеть не могли по той простой причине, что световые лучи вообще не – видимы. Каждый раз, когда нам кажется, что мы видим лучи, мы в действительности видим нечто другое – видим тела, освещенные световыми лучами. Свет, делающий все видимым, совершенно невидим сам. Очень выпукло писал об этом Джон Гершель, сын великого астронома и сам выдающийся астроном и физик:

«Свет, хотя и является причиной зрения, сам по себе невидим. Говорят, правда, что солнечный луч виден, когда он проходит в темную комнату сквозь отверстие в стене, либо когда в облачном небе световые полосы или лучи прорываются в промежутки туч, расходясь из (не – видимого) места Солнца, как из точки, в которой сходятся перспективно все параллельные линии. Но то, что мы в этих случаях видим, есть не свет, а бесчисленные частицы пыли или тумана, отражающие небольшую часть света, подобно тому, как в густом тумане выпуклое стекло фонаря словно изливает обширный световой конус, в сущности, состоящий из освещенной части тумана. Месяц виден благодаря солнечному свету, озаряющему его.

Там, где нет месяца, мы не видим ничего, хотя мы убеждены, что, когда в своем движении он дойдет до места, на которое мы смотрим, мы его увидим, и что, если бы наши глаза могли быть перенесены на место Луны (в ка – кой бы части неба она ни находилась, только бы не была заслонена), мы оттуда увидели бы Солнце. Следователь – но, в каждом таком месте постоянно есть солнечный свет, хоть и невидимый как объект. Он существует тут в виде процесса. То, что справедливо относительно Солнца, столь же справедливо и относительно звезд; поэтому, когда мы смотрим на небо темною ночью, то хотя и убеждены, что все пространство беспрестанно перекрещивается во всех направлениях линиями, вдоль которых про – бегает свет, и что все темное пространство вокруг нас (вне земной тени), так сказать, залито солнечным светом, мы, однако, видим только мрак, исключая тех на – правлений, по которым линия нашего зрения встречает звезду».

Сказанному как будто противоречит тот факт, что мы ясно видим лучи света, испускаемые звездами и во – обще световыми точками, а прищурив глаза, различаем луч света, протягивающийся к нам от далекого светила.

Это, однако, заблуждение. То, что мы считаем лучами звезд, на самом деле является следствием лучистого рас – положения волокон хрусталика нашего глаза. Если, по совету Леонардо да Винчи, будем смотреть на звезды через маленькое отверстие, проколотое острой иглой, мы никаких лучей у звезд не увидим: они покажутся яркими пылинками, потому что в таком случае в глаз пропускается через центральную часть хрусталика тонкий световой пучок, и лучистое строение хрусталика про – явиться не может. Что же касается луча, видимого при – щуренными глазами, то это – следствие дифракции света в ресницах.