Текст книги "Занимательная физика. Книга 1"

Глава IV
Борьба с пространством

Как мы ходим?[13]13
  Этот отрывок заимствован из «Лекций зоологии» профессора Поля Бера; в нем отчетливо и с достаточной полнотой рассматривается ходьба и бег человека.


[Закрыть]

По законам механики, тело остается в равновесии, т. e. неподвижно, только тогда, когда перпендикуляр, проходящий через его центр тяжести, падает внутри плоскости, образуемой точками опоры, т. е. теми точками, на которых тело покоится на земле: плоскость эту называют основанием опоры.

Предположим, что человек стоит на одной ноге, например на правой. Вообразим себе, что он приподнимает пятку, наклоняя в то же время туловище вперед. При таком положении перпендикуляр центра тяжести, понятно, выйдет из площади основания опоры, и человек должен упасть вперед. Но едва начинается это падение, как левая нога его, остававшаяся в воздухе, мы видим, быстро подвигается вперед и становится на землю впереди перпендикуляра центра тяжести, так что последний, т. е. перпендикуляр, попадает в плоскость, образуемую линиями, которыми соединяются точки опоры обеих ног. Равновесие, таким образом, восстановляется; человек ступил, сделал шаг.

Он может и остановиться в этом довольно утомительном положении. Но если хочет идти далее, то наклоняет свое тело еще более вперед, снова переносит перпендикуляр центра тяжести за пределы плоскости основания опоры и, в момент угрожающего падения, снова выдвигает вперед ногу, но уже не левую, а правую, – новый шаг, и т. д. Ходьба поэтому есть не что иное, как ряд падений вперед, предупреждаемых вовремя подставленною опорою ноги, остававшейся до того позади.

Но рассмотрим дело несколько ближе. Предположим, что первый шаг сделан. В этот момент правая нога еще касается земли, а левая уже ступает на землю. Но если только шаг не очень короток, правая пятка должна была приподняться, так как именно это-то приподнятие пятки и позволяет телу наклониться вперед и нарушить равновесие. Левая нога ступает на землю прежде всего пяткою. Когда, вслед затем, вся подошва её становится на землю, правая нога поднимается совершенно на воздух. В то же самое время левая нога, несколько согнутая в колене, выпрямляется сокращением трехглавой бедренной мышцы и становится на мгновение вертикальной. Это позволяет полусогнутой правой ноге продвинуться вперед, не касаясь земли, и, следуя за движением тела, поставить на землю свою пятку как раз вовремя для следующего шага.

Подобный же ряд движений начинается затем для левой ноги, которая в это время опирается на землю только пальцами и вскоре должна подняться на воздух.

Беганье отличается от ходьбы тем, что нога, стоящая на земле, внезапным сокращением её мышц энергично вытягивается и отбрасывает тело вперед, так что последнее на одно мгновение совсем отделяется от земли. Затем оно снова падает на землю на другую ногу, которая, пока тело было на воздухе, быстро передвинулась вперед. Таким образом, беганье состоит из ряда скачков с одной ноги на другую.

Надо ли с конки[14]14
  Конка – городская железная дорога с конной тягой, бывшая в употреблении в крупных городах до введения электрического трамвая. А также вагон этой дороги. – Прим. изд.


[Закрыть] прыгать вперед?

Попробуйте кому-нибудь задать вопрос: «почему с конки надо прыгать вперед?» Он без запинки ответит вам: «Вполне понятно: по закону инерции!» Однако вы не удовлетворяйтесь этим и попросите подробнее объяснить, причем тут закон инерции. Произойдет довольно любопытная и неожиданная вещь: ваш собеседник начнет бойко и уверенно доказывать свою мысль, – но если вы не будете его перебивать, он очень скоро сам остановится в недоумении: выйдет, что именно вследствие инерции-то и надо прыгать… назад!

На самом деле закон инерции играет здесь лишь второстепенную роль, главная же причина совсем другая. И если про эту главную причину забыть, то, действительно, как мы сейчас увидим, выйдет, что надо прыгать назад, а не вперед.

Когда мы прыгаем с конки, то по инерции тело наше, отделившись от вагона, все еще обладает известной скоростью; оно стремится двигаться вперед. Делая прыжок вперед, мы, конечно, не только не уничтожаем этой скорости, но, наоборот, еще увеличиваем ее. Отсюда следует, что надо прыгать… назад, а вовсе не вперед по направлению движения вагона. Ибо при прыжке назад скорость, сообщаемая прыжком, отнимается от скорости, присущей нашему телу по инерции: вследствие этого, коснувшись земли, тело наше, конечно, с меньшей силой будет стремиться упасть.

Мы видим, что теория здесь резко расходится с практикою; получается явное противоречие, указывающее на то, что либо факт неверен, либо неверно его объяснение. Но факт верен, настолько верен, что мы настойчиво предостерегаем читателей от попыток практически испытывать неудобство прыгания назад с движущегося вагона…

Так в чем же дело?

В неверности объяснения, конечно, в его неполноте, недоговоренности. Будем ли прыгать вперед, будем ли прыгать назад – и в том и в другом случае нам грозит опасность упасть, так как верхняя часть туловища будет еще двигаться, когда ноги остановятся, коснувшись земли. Скорость этого движения при прыгании вперед даже больше, чем при прыгании назад. Но все дело в том, что падать вперед гораздо безопаснее, чем падать назад. В первом случае мы привычным, автоматическим движением выставляем ногу вперед (а при большой скорости вагона – пробегаем несколько шагов) и этим предупреждаем падение. Это движение привычно, так как мы его всю жизнь совершаем при ходьбе; ведь, с точки зрения механики, ходьба есть не что иное, как ряд падений нашего тела вперед, предупреждаемых выставлением ноги. При падении же назад нет этого спасительного движения ног – и оттого здесь опасность гораздо значительнее. Наконец, важно и то, что когда мы даже и в самом деле упадем вперед, то, выставляя руки, не так расшибемся, как при падении на спину.

Итак, причины того, что безопаснее прыгать с конки вперед, кроются не столько в законе инерции, сколько в устройстве нашего тела. Вот почему для предметов неодушевленных это правило неприменимо: бутылка, брошенная из вагона вперед, скорее может разбиться при падении, нежели та же бутылка, но брошенная в обратном направлении.

Поэтому, если у вас с собой много багажа, и вы желаете прыгать из вагона, выбросив предварительно багаж, – то вам следует кидать багаж назад, а самим прыгать вперед.

С какой быстротой мы движемся?

От природы человек одарен не слишком большой скоростью: средний пешеход проходит в секунду ¾ сажени[15]15
  Сажень – старая русская мера длины, впервые упоминающаяся в русских источниках в начале XI века. В XI–XVII вв. встречалась сажень в 152 и в 176 см. Это была так называемая прямая сажень, определявшаяся размахом рук человека от конца пальцев руки до конца пальцев руки, вытянутой по диагонали. Указом 1835 г. размер сажени был определен в 7 английских футов, или 84 дюйма. Это соответствовало 3 аршинам, или 48 вершкам, что равнялось 213,36 см. С введением в 1918 г. в России метрической системы мер сажень перестала употребляться. – Прим. изд.


[Закрыть]. Это немного быстрее, чем движется вода в большей части рек, но медленнее, чем самый умеренный ветер (1 сажень в секунду). По сравнению с движением улитки, перемещающейся всего на 1½ миллиметра в секунду, человек является скороходом, – но если он вздумает состязаться с другими живыми существами, то потерпит полное фиаско. Даже муха при спокойном полете движется быстрее, чем пешеход (пролетает около сажени в секунду), а когда ее гонят, она может перегнать не только бегущего человека, но и лошадь, скачущую галопом.

Но уже такое сравнительно простое механическое приспособление, как коньки, дает человеку огромное преимущество над его соперниками из мира животных. Опытный конькобежец может пробежать от 5 до 6 саженей в секунду, – и тогда уже немногие из животных смогут его догнать. Велосипедист мчится еще скорее: он делает на гонках до 11 саженей в секунду, соперничая с быстротой лучшей скаковой лошади (7–9 саженей) и даже с быстротой ветра, потому что при довольно сильном ветре движение воздуха редко превышает скорость 8 саженей в секунду. Мы видим, следовательно, что выражение наших народных сказок и былин – конь быстрый, как буйный ветер – вовсе не является преувеличением. А хорошая охотничья гончая собака мчится даже гораздо быстрее ветра (12 саженей в секунду).

О скорости передвижения животных мы побеседует позднее, теперь же перейдем к скоростям наших автомобилей, паровозов и пароходов.

Машины, обгоняющие Солнце

Когда в 1896 году, при автомобильных гонках между Парижем и Брестом, достигнута была скорость 20 верст в час, т. е. около 3 саженей в секунду, то это считалось для автомобиля величайшим триумфом. Но уже через год скорость автомобилей была удвоена, а в 1909 г., на гонках Париж – Мадрид, автомобили развивали скорость впятеро большую – 14 саженей в секунду, или 105 верст в час.

Чтобы яснее представить, как велика эта скорость – 14 саженей в секунду, – заметим, что камень, брошенный от руки изо всей силы, пролетает в первую секунду всего 8 саженей, т. е. почти вдвое меньше!

Рис. 28.

Что касается железнодорожных поездов, то, кажется, паровозы теперь близки уже к своей предельной скорости: больше 120 верст в час, или 17 саженей в секунду, едва ли удастся добиться. Впрочем, в Германии делались опыты, в которых достигалась умопомрачительная скорость – 200 верст в час, или 27 саженей в секунду! Ни одно живое существо во всем мире не способно передвигаться с такой быстротой. Даже передача ощущений по нашим нервам (которая тоже требует известного времени) совершается вдвое медленнее, именно – со скоростью 14 саженей в секунду.

Между тем, это еще не предельная скорость, какой способны достичь наши машины, потому что на состязании автомобилей в Англии была недавно достигнута скорость 235 верст в час, или 30 саженей в секунду!

На таком автомобиле можно «перегнать Солнце» (вернее, Землю) – по крайней мере, в полярных широтах. На 82-й параллели этот автомобиль пробегает больше, чем за тот же промежуток времени успевает пробежать точка земной поверхности при её вращении вокруг оси. Для такого автомобилиста, как некогда для Иисуса Навина, Солнце будет оставаться неподвижным на небе…

Машины, движущееся в воде, не развивают таких скоростей, как наземные автомобили и электрические поезда. Знаменитые трансатлантические гиганты-пароходы «Лузитания» и «Мавритания» проходят в среднем 49 верст в час, т. е. 7 саженей в секунду. Средняя же скорость обыкновенная морского парохода 25–35 верст в час, т. е. 4–6 саженей в секунду. Рекорд быстроты в водной стихии побивает один истребитель миноносцев в английском флоте, проходящий 67 верст в час, т. е. 9 саженей в секунду.

Такой же скорости достигают и моторные лодки, а также так называемые «гидропланы».

Скорость дирижаблей и аэропланов

В воздушной стихии остается сделать еще многое в смысле достижения больших скоростей. Достаточно вспомнить, что скорость умеренного ветра – 2 сажени в секунду, и потому всякая летательная машина, не превышающая значительно этой скорости, не заслуживает названия «управляемой». Дирижабли Цеппелина развивают скорость до 8 саженей в секунду. Гораздо большей скорости достигают аэропланы; так, моноплан Блерио достигал скорости 15 саженей в секунду (т. е. 110 верст в час). Однако и такая скорость далеко не всегда достаточна, потому что скорость ветра во время бури может достигать и более 15 саженей в секунду. Только аппарат, обладающий секундной скоростью в 20 и более саженей, может быть назван вполне управляемым, свободно летящим всегда и всюду, несмотря на самый сильный ветер.

Поучительный пример представляют в этом отношении птицы: быстрота их полета часто далеко превышает скорость сильнейшего ветра. Почтовый голубь пролетает 10–12 саженей в секунду, орел – 16 саженей, а обыкновенная ласточка – самое быстрое существо во всем мире – до 22 саженей в секунду!

Быстрота мысли

Для того, чтобы внешнее впечатление дошло по нервам до нашего мозга, воспринялось сознанием и вызвало с нашей стороны ответ – потребно известное время. Психологи давно уже измерили, сколько именно времени для этого нужно, – в простейших случаях, конечно. Вообразите такую обстановку опыта. Вы сидите в темной комнате и держите руку на кнопке электрического звонка; в тот момент, когда экспериментатор зажжет свет, вы должны нажать кнопку. Это так называемая «простая реакция» на зрительное впечатление. Измерено, что она требует около ¹/₃ секунды: – столько времени протекает с момента появления светового сигнала до момента нажатия вами кнопки. Но возможен и более сложный случай: если появится красный сигнал, вы должны нажать кнопку под правой рукой, если зеленый – под левой. В этом случае, восприняв впечатление, вам еще нужно подумать, какой рукой отвечать. Время такой «сложной» реакции возрастает до ½ секунды.

Отчего происходят автомобильные несчастья?

Теперь применим эти наши психологические познания к обстановке автомобильной езды. Быстрый автомобиль делает верст 60 в час, т. е. четыре сажени в полсекунды. Значит, если шофер увидит дерево на расстоянии, меньшем четырех саженей, – он уже не успеет затормозить или повернуть руль автомобиля, так как ему нужно не меньше ½ секунды на реакцию (здесь имеет место сложная, а не простая реакция, потому что шофер еще должен обдумать, как действовать – рулем ли, тормозом, или и тем и другим вместе). Он неминуемо наскочит на такое препятствие, как бы внимателен и проворен он ни был.

Это предельное расстояние – 4 сажени – надо, однако, еще увеличить, и вот почему.

Во-первых, – вследствие опять-таки большой быстроты автомобиля, – невозможно моментально ни остановить его, ни изменить направление движения. На это потребно время, не меньше секунды, – и роковое расстояние, следовательно, уже утраивается. Во-вторых, продолжительность реакции равна ½ секунды только у нормального человека при нормальных условиях. Если же человек устал или выпил водки, – она удлиняется. Все это, вместе взятое, доводит роковое расстояние до довольно большой величины.

Предел этот поставлен, так сказать, самой природой человека – нашей нервной системой, которую мы изменить не в силах.

Нетрудно понять, почему вопрос об опасностях быстрого передвижения так обострился лишь в последнее время. Самые быстрые лошади мчат экипаж со скоростью 25–30 верст в час – т. е. значительно медленнее автомобилей. Паровозы не могли обострить этого вопроса, так как движутся по определенному пути, с которого заранее удалены все препятствия. На море – нет дорог, и мéста всем вдоволь. Автомобили (и мотоциклеты) были первыми экипажами, которые, двигаясь свободно по обычным дорогам, превзошли предел безопасной скорости (велосипеды немногим превосходят скорость лошади).

Как быстро движутся животные?

Наши обычные представления о скорости различных животных, особенно диких, живущих на свободе, очень сбивчивы и смутны. Охотники и путешественники часто рассказывают на этот счет истории, которые нет возможности проверить. Только цифры способны внести ясность и определенность в этот туман. Но именно цифровых-то данных до сих пор было очень мало, и лишь недавно удалось собрать кое-какие из них.

Из наземных животных быстрее всех бегает страус – 16 саженей в секунду, или 120 верст в час. Никакая лошадь не в состоянии догнать страуса, и все рассказы охотников о таких своих подвигах – сущие небылицы. Зебра пробегает 13 саженей в секунду. Гончая собака пробегает в секунду 12 саженей.

Заяц, которого преследуют, пробегает до 9 саженей в секунду. Косуля и лев бегут со скоростью, средней между быстротой зебры и зайца. Жираф и тигр пробегают 7½ саженей; за ними следуют слон, дромадер, кенгуру.

Из водных животных самые быстрые – акула и дельфин, проплывающие до 5 саженей в секунду.

Самое медленное из всех животных – улитка: она делает 1½ миллиметра в секунду. При такой скорости, или, вернее, при такой медленности, улитке нужна целая неделя, чтобы проползти одну версту. Недаром же говорят: улита едет – когда-то будет!

Глава V
Сопротивление среды

Почему взлетает бумажный змей?

Задавали ли вы себе когда-нибудь вопрос, почему бумажный змей взлетает вверх, когда его тянут за бечевку? Вопрос не так уж прост. Если вы сможете ответить на него, вы поймете также, почему взлетает аэроплан, почему носятся по воздуху семена клена, и даже до известной степени уясните себе причину странных движений бумеранга. Это – явления одного порядка.

Рис. 29. Силы, действующие на бумажного змея.

Чтобы объяснить все это, нам придется прибегнуть к упрощенному чертежу. Линия MN пусть изображает у нас разрез бумажного змея. Когда, запуская змея, мы тянем его за веревочку, он движется в наклонном положении. Пусть это движение совершается в направлении справа налево. Угол наклона плоскости змея к горизонту обозначим через α. Рассмотрим, какие силы будут действовать на змея при этом движении. Воздух, естественно, будет мешать его движению, оказывать на него некоторое давление. Это давление изображено на рис. 29 в виде прямой С; так как воздух давит перпендикулярно к плоскости MN, то линия С начерчена под прямым углом к ней. Силу С можно разложить на две другие, построив так называемый «параллелограмм сил»: получим, вместо С, силы D и Р. Из них сила D толкает нашего змея назад и, следовательно, уменьшает первоначальную его скорость. Другая же сила, Р, тянет весь снаряд вверх; она, следовательно, уменьшает его вес; если она достаточно велика, то может преодолеть вес снаряда и поднять его. Вот почему змей поднимается вверх, когда мы тянем его за веревочку.

Аэроплан, в сущности, – тот же змей, только движущая сила нашей руки заменена в нем мотором; мотор приводит в действие винт (пропеллер), который, отталкивая снаряд, сообщает ему поступательное движение.

Животные-аэропланы

Мы видели, что аэропланы устроены вовсе не по типу птицы, как обыкновенно думают, – а скорее по типу белок-летяг, шерстокрылов и летающих лягушек. Все эти животные пользуются своими летательными перепонками не для того чтобы подниматься вверх, а лишь для того, чтобы совершать большие прыжки – «планирующие спуски», как выражаются авиаторы. Сила Р у них недостаточна для того, чтобы уравновесить груз их тела, она лишь более или менее облегчает их вес и тем помогает животным совершать огромные прыжки с высоких предметов. Белки-летяги перепрыгивают расстояния в 10–15 саженей, с верхушки одного дерева к нижним ветвям другого. В Ост-Индии и на Цейлоне водится гораздо более крупный вид летучей белки – тагуан – величиной примерно с нашу кошку, т. е. вершков 12-ти длиной, с таким же хвостом. Когда он развертывает свой «планер», то ширина его около ¾ аршина. Такие размеры летательной перепонки позволяют животному совершать, несмотря на большой вес, прыжки в 25 саженей.

А шерсток рыл, который водится на Зондских и Филиппинских островах, делает прыжки в 35 саженей!

Рис. 30. Белки – летяги.

Рис. 31. Шерстокрыл.

Рис. 32. Летающая лягушка.

Аэроплан (планер) у растений

Растения также часто прибегают к услугам аэропланов (вернее, планеров) – для распространения плодов и семян. Природа заботливо снабжает многие плоды и семена либо пучками волосков (хохолки у одуванчика, ивы, кипрея, хлопчатника), либо же поддерживающими плоскостями в форме крыловидных отростков, выступов и т. п. Такие «растительные планеры» можно наблюдать у хвойных, у кленов, ильмов[16]16
  Ильм – лесное дерево, род вяза, растущее в средней полосе России. – Прим. изд.


[Закрыть], берез, граба, липы, многих зонтичных и т. д.

О роли всех этих придатков для распространения растений ботаник Кернер-фон-Марилаун в своей «Жизни растений» пишет, между прочим, следующее:

«Как далеко разносятся ветром плоды и семена – зависит от совершенства летательных аппаратов, от влажности воздуха и от силы воздушных течений. При безветрии, в солнечные дни, множество плодов и семян поднимается вертикальным воздушным течением на значительную высоту, но после захода солнца они обыкновенно снова опускаются неподалеку. Такие полеты важны не столько для распространения растений вширь, сколько для поселения на карнизах и в трещинах крутых склонов и отвесных скал, куда семена не могли бы попасть иным путем. Горизонтально текущие воздушные массы способны переносить держащиеся в воздухе плоды и семена на весьма большие расстояния.

У некоторых растений крылья и парашюты остаются в соединении с семенами только на время перелета. Когда, например, крылатое семя сосны где-либо осядет, то пленчатое крыло отделяется, и семя более не уносится. Семянки татарника спокойно плывут по воздуху, но, как только встретят препятствие, семя отделяется от парашюта и падает на землю. Этим объясняется столь частое произрастание татарников вдоль стен и заборов. В других случаях семя остается все время соединенным с парашютом».

Рис. 33. Планеры у семян растений.

1. – Черноплодник. 2. – Китайский ясень. 3. – Зибольдова гречиха. 4. – Трехлистная попелея. 5. – Эшиомена. 6. – Критский ополонакс. 7. – Бонистерия. 8. – Гирокарпус. 9. – Триоптерис. 10. – Французский клен. 11. – Артегия. 12. – Береза бородавчатая. 13. – Гладыш.

На рис. 33 изображены некоторые плоды и семена, снабженные парашютами и планерами. Растительные аэропланы во многих отношениях совершеннее наших. Они поднимают гораздо больший груз, – относительно, конечно. Вычислено, что если бы наши «фарманы»[17]17
  Фарман – биплан системы французского летчика Фармана. – Прим. изд.


[Закрыть] были устроены так же совершенно, как пленки летающих семян, например индийского жасмина, то они поднимали бы груз в 180 пудов! На самом же деле современные аэропланы поднимают всего 20 пудов – почти в десять раз меньше. Кроме того, этот растительный аэроплан отличается еще одним драгоценным свойством, которого тщетно добиваются наши инженеры – автоматической устойчивостью: если семечко индийского жасмина перевернуть – оно опять развернется выпуклой стороной вниз; если при полете семечко встретит преграду – оно все же не теряет равновесия, не падает, а плавно спускается вниз. Сколько несчастий было бы избегнуто, если бы наши аэропланы обладали такой автоматической устойчивостью в воздухе!