Удивительная физика Гулиа Нурбей
А вот и нет. Дождевые капли сфотографировали в полете, и они оказались почти круглыми, чуть притупленными у переднего края (рис. 167). Почему же капля воды приняла такую форму? Да потому, что она естественна для жидкости, а падающая капля – свободное тело. Если устранить давление жидкости на сосуд, например, введя ее в другую жидкость, то она и в неподвижном виде примет сферическую форму. Почему это происходит?
Если вы подумали, что гравитация собирает жидкость в шар, то вы и правы, и нет. Если мы находимся невероятно далеко от каких-нибудь небесных тел, то действительно, частички жидкости или любые другие «скользкие» шарики рано или поздно соберутся в сферу. Но не на Земле – слишком ничтожны силы собственного притяжения в капле и слишком много причин помешать этому. Собирает жидкость в сферу сила ее поверхностного натяжения.
Вы видели ртуть, разлившуюся из разбитого градусника? Она ведь тоже скатывается в мелкие шарики, у ртути большое поверхностное натяжение, ему даже сила тяжести не мешает. (После того как полюбовались на шарики ртути, немедленно удалите их из комнаты, иначе вам не сдобровать!) Вода на столе, например, не удержится в виде сферы (если только капельки не очень маленькие, а поверхность несмачиваемая, например, жирная). Но можно устроить так, что даже большие объемы жидкости примут свою естественную, шарообразную форму. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость по закону Архимеда как бы теряет свой вес и принимает свою естественную, шарообразную форму.
Растительное масло плавает в воде, но тонет в спирте – такова его плотность. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя шприцем или резиновой грушей в эту смесь немного масла, мы увидим, как оно собирается в сферу – большую круглую каплю, которая не всплывает и не тонет, а висит, как в невесомости (рис. 168, а).
Это еще не все. Пропустите через центр жидкой масляной сферы длинную ось (палочку или проволоку) и вращайте ее, а вместе с ней и масляный шар. Опыт удастся лучше, если насадить на ось смоченный маслом небольшой картонный кружочек, который весь находился бы внутри шара. Под влиянием вращения шар, совсем как небесные тела, начнет сначала сплющиваться, а затем отделит от себя кольцо. Разрываясь на части, кольцо это образует новые шарообразные капли, которые будут крутиться возле основного шара – масляной сферы (рис. 168, б). За смесь воды со спиртом не переживайте – ничего с ней не сделается от растительного масла. Ее можно будет в дальнейшем употребить по назначению так же, как и любую смесь этилового спирта с водой (например, в медицинских целях).
Итак, всякая жидкость, освобожденная от действия тяжести, принимает свою естественную форму – шарообразную. Из сказанного ранее о дождевой капле (включая и то, что в самом начале падения при небольшой скорости капли можно пренебречь ничтожным сопротивлением воздуха) следует, что падающие порции любой жидкости должны принимать форму шаров так же, как падающие капли дождя. Дробинки же представляют собой не что иное, как застывшие капли расплавленного свинца, который при заводском способе изготовления заставляют падать каплями с большой высоты в воду.
Дробь, отлитая таким методом, называется башенной, потому что при отливке ее заставляют падать с вершины высокой дроболитейной башни. Башни дроболитейного завода достигают в высоту до 45 м. В верхней части башни располагается литейное помещение, а внизу – бак с водой (рис. 169). Капли расплавленного свинца застывают в дробинки еще во время падения; бак с водой нужен лишь для того, чтобы смягчить удар дробинки при падении и предотвратить ее деформацию. Отлитую дробь сортируют и правят. Дробь диаметром более 6 мм, называемую картечью, изготавливают иначе. Ее вырубают из свинцового прутка в виде кусочков, которые потом обкатываются.
Дробь получается более шарообразной формы, чем дождевая капля, у которой передняя часть притуплена, потому, что расплавленный свинец, как и жидкая ртуть, имеет высокое поверхностное натяжение, гораздо большее, чем у воды.
Какой толщины пена?
Что же такое поверхностное натяжение в жидкостях? Многие говорят о нем, но, как автор убедился, представляют себе его очень смутно.
Жидкости состоят из весьма подвижных молекул, совершающих колебательные движения около положения равновесия. Расположены эти молекулы очень близко друг к другу, поэтому жидкости так трудно сжать. Понятно, почему жидкости легко меняют форму – раз их молекулы постоянно «скачут», то «перескоки» происходят легче в направлении действия сил.
Теперь о том, как молекулы взаимодействуют друг с другом. Хотя молекулы электрически нейтральны, на очень малых расстояниях могут взаимодействовать электроны одних молекул с ядрами других. Причем силы взаимодействия могут быть силами как притяжения, так и отталкивания. На очень малых расстояниях, когда молекулы почти вплотную подходят друг к другу, они очень сильно отталкиваются. Не будь этого отталкивания, молекулы тотчас проникли бы друг в друга (места для этого достаточно!) и весь кусок вещества стянулся бы практически до одной молекулы. А при расстояниях, в несколько раз превышающих диаметр молекулы, между ними действуют уже силы притяжения, причем они по мере сближения увеличиваются, до определенного предела, разумеется.
Этим взаимодействием молекул в твердых телах обеспечивается прочность и упругость твердых материалов, а в жидкостях – поверхностное натяжение. Молекулы у поверхности раздела двух сред находятся в иных условиях, чем молекулы в глубине жидкости. Молекулу в глубине жидкости окружают со всех сторон соседние молекулы. Молекула же у поверхности жидкости подвергается воздействию других молекул только со стороны жидкости (рис. 170). Плотность пара, окружающего жидкость, много меньше плотности жидкости. Следовательно, силами взаимодействия молекулы жидкости у ее поверхности с молекулами пара можно пренебречь.
Вспомним, что молекулы притягиваются друг к другу на расстоянии порядка нескольких молекулярных радиусов и отталкиваются на очень близких расстояниях. Силы притяжения, действующие на молекулу поверхностного слоя со стороны всех остальных молекул, дают равнодействующую, направленную вниз. Однако со стороны соседних молекул на данную молекулу действуют и силы отталкивания. Благодаря этому молекула и находится в равновесии. Правда, любая молекула участвует также в тепловом движении. Но для молекул жидкости это движение сводится к колебаниям около некоторых положений равновесия. Причем время от времени молекулы изменяют свои положения равновесия. На место молекулы, ушедшей в глубь жидкости, приходит другая и т. д.
В результате действия сил притяжения и отталкивания плотность жидкости в поверхностном слое меньше, чем внутри. В самом деле, на молекулу 1 (рис. 171) действует сила отталкивания со стороны молекулы 2 и силы притяжения всех остальных молекул (3, 4, 5). На молекулу 2 действуют такие же силы притяжения со стороны лежащих в глубине молекул и сила отталкивания со стороны молекулы 3. Но, кроме того, действует еще сила отталкивания со стороны молекулы 1. Она сближает молекулы 2 – 3. В результате расстояние между молекулами 1 – 2 в среднем больше расстояния между молекулами 3 – 4 и т. д., до тех пор пока не перестанет сказываться близость молекул к поверхности. Таким образом, молекулы поверхностного слоя находятся в среднем на больших расстояниях друг от друга, чем молекулы внутри жидкости. Поэтому увеличение поверхности жидкости должно сопровождаться возникновением новых участков разреженного поверхностного слоя. А это требует совершения работы против сил притяжения между молекулами.
Вот этим-то и объясняется поверхностное натяжение, которое «обнимает» жидкость, и поэтому в свободном состоянии она принимает форму, при которой для данного объема площадь поверхности минимальна. А такой формой является шар – сфера.
На границе с воздухом больше всего поверхностное натяжение у металлов. У расплавленного золота оно 1,1 Н/м (сила, отнесенная к единице длины края поверхностного слоя); у других металлов поменьше: у свинца – 0,45 Н/м, у ртути – 0,47 Н/м, у алюминия 0,52 Н/м. Для обычных жидкостей (кроме ртути) рекордсменом, пожалуй, является вода – 0,073 Н/м, еще меньше у керосина – 0,029 Н/м, у спирта – 0,023 Н/м и меньше всего у эфира – 0,017 Н/м.
Так что из жидкостей, кроме жидких металлов разумеется, вода сильнее всего склонна к «шарообразованию». Раствор мыла в воде несколько снижает поверхностное натяжение, но дает удивительное свойство образовывать пузыри. Сейчас для надувания пузырей существуют особые жидкости, но годится и раствор обычного хозяйственного мыла в дождевой, снеговой, или, в худшем случае, кипяченой воде. Чтобы пузыри держались долго, можно прибавить к мыльному раствору до трети его объема глицерина. Трубочку лучше всего взять керамическую, но можно и толстую соломинку, крестообразно расщепленную на конце. Подойдет и обычная бумажная трубочка. Теперь для лучшего понимания физики поверхностного натяжения жидкостей, а также для эстетического наслаждения попробуем выдуть экзотические пузыри.
Выдувать пузыри лучше всего так. Окунув трубочку в раствор, держат ее отвесно, чтобы на конце образовалась толстая пленка жидкости и осторожно дуют в трубочку. При этом пузырек наполняется теплым воздухом наших легких, который легче окружающего воздуха, и выдутый пузырь поднимется вверх.
Если сразу же удается выдуть пузырь диаметром в 10 см, то мыльный раствор хорош; в противном случае добавляют в жидкость еще мыла до тех пор, пока пузыри не будут достигать такого размера. Но это еще не все. Выдув пузырь, надо обмакнуть палец в мыльный раствор и постараться пузырь проткнуть. Если он не лопнет, то можно приступать к опытам, если же лопнет, надо прибавить еще мыла.
Проводить опыты с мыльными пузырями следует осторожно и спокойно. Освещение должно быть яркое, иначе пузыри не покажут своих радужных переливов. Вот несколько удивительных опытов с пузырями, описанных английским физиком Ч. Бойсом в его книге «Мыльные пузыри».
В мыльный пузырь можно поместить цветок или вазочку. На тарелку или поднос наливают мыльный раствор так, чтобы дно тарелки было покрыто слоем толщиной 2 – 3 мм; в середину кладут цветок или маленькую вазочку и покрывают стеклянной воронкой (рис. 172). Затем, медленно поднимая воронку, дуют в ее узкую трубочку, – образуется мыльный пузырь. Когда же этот пузырь достигает необходимых размеров, наклоняют воронку и осторожно высвобождают из-под нее пузырь. Тогда цветок или вазочка окажутся лежащими под прозрачным полукруглым колпаком из мыльной пленки, переливающейся всеми цветами радуги.
Вместо цветка можно взять, например, статуэтку, поместив на ее голове мыльный пузырь. Для этого надо предварительно капнуть на голову статуэтки немного мыльного раствора, а затем, когда большой пузырь, покрывающий статуэтку, будет выдут, проткнуть его и выдуть внутри него пузырь маленький.
Несколько пузырей можно поместить друг в друге. Из воронки, использованной в предыдущем опыте, выдувают большой мыльный пузырь. Затем погружают соломинку в мыльный раствор так, чтобы только кончик ее, который будет взят в рот, остался сухим, вынимают ее из раствора и просовывают осторожно через стенку первого пузыря до центра. Затем медленно вытягивая соломинку обратно, выдувают второй пузырь внутри первого. Действуя таким образом, можно выдуть несколько пузырей друг в друге.
Пленка мыльного пузыря все время натянута и давит на заключенный в ней воздух. Направив воронку с пузырем к пламени свечи, вы можете убедиться, что давление воздуха внутри пузыря не так уж мало – пламя заметно уклонится в сторону (рис. 173).
Следует отметить, что обычные представления о недолговечности мыльных пузырей не вполне обоснованы – при надлежащем обращении удается сохранить мыльный пузырь в продолжение недель. Английский физик Дьюар (создавший термос – сосуд Дьюара) хранил мыльные пузыри в бутылках, хорошо защищающих от пыли. В таких условиях ему удалось сохранять некоторые пузыри месяц и более. Известны случаи, когда мыльные пузыри годами сохранялись под стеклянным колпаком.
Такая прочность и сила натяжения пузырей вызвана тем, что поверхностный разреженный слой там находится и сверху, и снизу, то есть поверхностное натяжение как бы удвоенное.
И еще о мыльной пленке. Это одна из самых тонких вещей, доступных человеческому глазу. Она в 5 000 раз тоньше волоса или папиросной бумаги. При увеличении в 200 раз человеческий волос кажется толщиной с палец, но при таком же увеличении толщина мыльной пленки еще не доступна зрению. Увеличиваем еще в 200 раз – и стенка мыльного пузыря предстает в виде тонкой линии. Волос же при таком увеличении (в 40 000 раз) имел бы толщину свыше 2 м!
И эта тончайшая пленочка выдерживает давление, способное отклонить пламя свечи. Даже если это давление составляет одну тысячную атмосферы, или 100 Па при толщине пленки в 10-5 мм, это равносильно, если пузырь толщиной в 1 мм выдерживал бы 100 атмосфер или 10 МПа! Это обеспечит только прочнейшая сталь, значит, мыльная пленка прочнее стали!
Мочить или не мочить?
Вот в чем вопрос! Смотря чего мы хотим добиться. Могут ли стальная игла, лезвие бритвы и даже мелкая монета плавать в воде? Можно ли утопить в бокале, наполненном до краев водой, несколько сотен булавок? Можно ли носить воду в решете или плавать в нем? Нет, нет и нет – гласит народная мудрость и подсказывает простой опыт жизни. Да, говорит физика, надо только иметь несмачиваемые поверхности.
Можно ли поднимать воду вверх без насосов? Можно ли пеной поднять медь и железо? Может ли жидкость «выползать» из сосудов? И на эти, казалось бы, невероятные вопросы физика дает положительный ответ, надо только иметь хорошо смачиваемые поверхности.
Одним словом, прежде чем что-то «мочить» или «не мочить», а точнее, смачивать или нет, нужно знать, чего мы хотим добиться.
Хотите носить воду в решете, чтобы опровергнуть народную мудрость? Пожалуйста.
Для этого возьмите проволочное решето с не слишком мелкими ячейками, окуните его сетку в растопленный парафин и затем выньте решето из парафина. Сетка окажется покрытой тонким слоем парафина, едва заметным для глаз.
Решето осталось решетом – в нем есть сквозные отверстия, через которые свободно проходят не только воздух, но и иголка. Теперь вы можете в буквальном смысле слова носить воду в решете. В таком парафинированном решете удерживается довольно высокий уровень воды, не проливающейся сквозь ячейки; надо только осторожно наливать воду и оберегать решето от толчков (рис. 174).
Почему же вода не проливается? Потому что, не смачивая парафин, она образует в ячейках решета тонкие пленки, обращенные выпуклостью вниз, которые и удерживают воду поверхностным натяжением. Парафинированное решето можно положить на воду, и оно будет держаться на ней. Значит, возможно не только носить воду в решете, в нем могут плавать не слишком тяжелые предметы, чего народная мудрость еще не подметила.
Этот удивительный опыт объясняет ряд обыкновенных явлений, к которым мы настолько привыкли, что не задумываемся об их причине. Смоление бочек и лодок, окрашивание масляной краской и вообще покрытие маслянистыми веществами всех тех предметов, которые мы хотим сделать непроницаемыми для воды, а также прорезинивание тканей – все это не что иное, как изготовление несмачиваемых водой поверхностей. И даже маленькие отверстия в них не будут проницаемы для воды.
Мы что-то говорили о плавании металлических предметов на воде? Пожалуйста.
Начнем с более мелких предметов, например с иголок. Кажется невозможным заставить стальную иглу плавать на поверхности воды, так как плотность стали почти в 8 раз больше, чем воды, между тем это не так уж трудно сделать. Положите на поверхность воды лоскуток бумаги, а на него иголку, слегка смазанную жиром. Теперь остается только осторожно удалить бумагу из-под иглы: другой иглой или булавкой слегка погружают края лоскутка в воду, постепенно подходя к середине. Когда лоскуток весь намокнет, он утонет, а игла останется лежать на поверхности воды (рис. 175).
Если иглу намагнитить, то мы получим некое подобие компаса, так как на воде игла легко поворачивается. А если наловчиться, то можно обойтись и без лоскута бумаги: захватив иглу пальцами посредине, уронить ее в горизонтальном положении с небольшой высоты на поверхность воды.
Вместо иглы можно «научить» плавать булавку (диаметром не больше 2 мм), лезвие бритвы и даже «тяжелую» копейку.
Причина плавания этих металлических предметов в том, что вода плохо смачивает металл, покрытый тончайшим слоем жира. Вокруг плавающей иглы или другого предмета на поверхности воды образуется вдавленность (см. рис. 175, б). Поверхностная пленка жидкости, стремясь распрямиться, оказывает давление вверх на плавающий предмет и поддерживает его. Поддерживает этот предмет также выталкивающая сила жидкости, согласно закону Архимеда: игла, например, выталкивается снизу с силой, равной весу вытесненной ею воды. Воды, кстати, вытесняется объемом побольше, чем у иглы, вокруг нее образуется как бы ложбинка в воде. Так что о законе Архимеда мы упомянули с некоторой натяжкой.
И наконец, о «бездонном» стакане или даже бокале. Здесь уже поверхностное натяжение проявляет себя в виде выпуклости жидкости над краями сосуда, если эти края не-смачиваемы (покрыты тонким слоем жира, например, после простого прикосновения к ним пальцами руки). Начнем бросать булавки в этот бокал и считать при этом. Булавки надо острием погружать в воду и отпускать вертикально (рис. 176). После сотни утопленных булавок вы заметите, что вода в бокале как бы вздулась – говорят, появился выпуклый мениск. Но можно утопить в этом бокале еще несколько сотен булавок, и мениск лишь немного вздуется. Все это происходит потому, что края бокала не смачиваются водой, в таком случае образуется выпуклый мениск. Если бы эти края смачивались, например, вместо воды был бы керосин, который хорошо все смачивает, то мениск был бы вогнутый.
Вот тут-то в самый раз поговорить о капиллярах. Если жидкость не смачивает, например, тонкую стеклянную трубочку, то закон сообщающихся сосудов на нее не действует – жидкость в трубочке будет всегда по уровню ниже, чем в сосуде, куда трубочка погружена. Такая картина возникает, например, у ртути в стеклянной трубке (рис. 177, а).
Если же трубочка хорошо смачивается, то жидкость в ней поднимается выше ее уровня в сосуде (рис. 177, б). Причем в тончайших трубочках – капиллярах – эта высота подъема может быть очень значительной. Этим объясняется, например, смачивание полотенца, край которого погружен в воду, или фитиля, нижний конец которого погружен в керосин. Керосин поднимается по фитилю наверх и горит в лампе.
О керосине разговор особый. Эта жидкость так хорошо смачивает все предметы, что просачивается через малейшие отверстия и щели. Если он «выползает», допустим, на железную пластинку, то тут же растекается по всей поверхности. Эту способность керосина используют, когда хотят развинтить «прихватившийся» ржавый винт или болт. Смочите видимые края резьбы керосином (кисточкой, например) и оставьте так на несколько часов. После этого вы легко отвинтите любую приржавевшую гайку или винт – керосин проникнет в любые щели и смажет резьбу. Керосином проверяют качество сварки или пайки. Если при смазывании керосином одной поверхности запаянного или заваренного листа на второй поверхности появляется пятнышко керосина, то значит, есть хоть микроскопическое, но отверстие, щель. Из-за такого смачивания керосин очень далеко расползается по капиллярам-фитилям, что используют в технике.
Кстати, о капиллярах. Как вы думаете, если один конец полотенца погрузить в воду, а второй перекинуть через перекладину выше уровня воды, будет ли вода капать с этого верхнего края полотенца? Если нет, то как же березовый сок весной капает из деревьев? Или плакучая ива обдает прохожих целым дождем капель? Откуда это, если не с земли?
Вот на этом-то принципе и создавали изобретатели капиллярные «вечные двигатели». Например, такой.
Масло (или керосин), налитое в сосуд, поднимается с помощью одной группы фитилей сначала в верхний сосуд, из него другими фитилями – еще выше, откуда по желобу стекает на лопатки турбины, приводя ее во вращение. Стекая, масло попадает снова по фитилям наверх, и так до бесконечности. Таким образом получаем «вечный двигатель», способный даже производить работу (рис. 178).
Ясно, что создатель этой конструкции был чистым теоретиком и не удосужился построить хотя бы модель, пока без всякой турбины. Убедился бы, что масло капает с верхнего фитиля, – и готовь тогда турбину! Но в том-то и дело, что ни одна капля масла с этого верхнего фитиля не капнет! Масло будет одинаково хорошо всасываться в фитиль с обоих его концов – и нижнего, и загнутого вниз верхнего, и никакого перетекания масла не будет. Если допустить, что капилляры вдруг «потолстели», то масло как по сифону потечет вниз, но никак не наверх!
Но как же тогда быть с деревьями: сок-то с них капает, и от него может и вертушка крутиться? Можно даже построить реальный «вечный двигатель» на плакучей иве. А сок – эта та же вода, поднятая капиллярами дерева из земли наверх!
Здесь не следует забывать, что, во-первых, дерево – это живой организм. (И у человека из проколотого капилляра – мелкого сосуда – будет капать кровь.) Во-вторых, корни дерева находятся в холодной земле, а ветки – в теплом воздухе. В этих условиях дерево «работает» как тепловая машина, качая воду наверх, это уже не мертвый капилляр! Поэтому, например, плакучая ива особенно интенсивно «плачет» именно в жаркие дни.
Капиллярные явления играют огромную роль в снабжении растений водой и питательными веществами, в ней растворенными, даже тогда, когда в земле теплее, чем в воздухе.
И еще очень важное для техники применение смачиваемых поверхностей – так называемая флотация. В конце XIX в. американская учительница Карри Эверсон, стирая грязные, замасленные мешки из-под руды, заметила, что крупинки медной руды всплывают с мыльной пеной, а частички пустой породы – нет (рис. 179, а). Это наблюдение было положено в основу процесса обогащения размолотой руды. Такая руда загружается в емкость с водой и маслянистыми веществами, после чего через смесь начинают продувать воздух. При этом частички руды, богатые металлом, оказываются смоченными раствором и поднимаются вместе с пузырьками пены наверх – флотируют. А пустая порода, которая не смачивается, остается внизу (рис. 179, б). Так происходит процесс обогащения руды частичками, содержащими металл, и по такому принципу работают многие обогатительные фабрики.
Остается неизвестным только, обогатилась ли сама Карри Эверсон, сделавшая столь важное и полезное открытие?
Опасно ли плавать в Мертвом море?
Судя по названию моря, страшновато. Но на самом деле это безопаснее, чем в обычных озерах – пресных. Ведь Мертвое море – озеро, воды которого настолько солены, что в них, как в рассоле, не может жить ни одно живое существо. Расположено Мертвое море в Западной Азии, в библейских краях, где жил и проповедовал Иисус Христос.
Знойный, сухой климат в этих местах вызывает сильное испарение воды с поверхности моря. При этом растворенные соли остаются и увеличивают соленость воды. Вот почему вода Мертвого моря содержит не 2 – 3 % соли, как большинство морей и океанов, а 27 % и более; причем с глубиной эта соленость растет. Итак, около 25 % содержимого Мертвого моря составляют соли, растворенные в его воде, количеством около 40 000 000 т.
Высокая соленость Мертвого моря обуславливает то, что вода здесь тяжелее обыкновенной морской воды. Утонуть в такой тяжелой жидкости нельзя: человеческое тело имеет значительно меньшую плотность.
Вес нашего тела заметно меньше веса равного объема соленой воды, и, следовательно, по закону Архимеда человек не может в Мертвом море пойти ко дну; он всплывает в нем, как всплывает в соленой воде куриное яйцо, которое тонет в пресной (рис. 180). Американский писатель Марк Твен, посетивший это озеро-море, описывает удивительные ощущения, которые он и его спутники испытали, купаясь в соленых водах Мертвого моря:
«Это было забавное купанье! Мы не могли утонуть. Здесь можно вытянуться на воде во всю длину, лежа на спине и сложив руки на груди, причем большая часть тела будет оставаться над водой. При этом можно совсем поднять голову… Вы можете лежать очень удобно на спине, подняв колени к подбородку и охватив их рука– ми, но вскоре перевернетесь, так как голова перевешивает.
Вы можете встать на голову – и от середины груди до конца ног будете оставаться вне воды; но вы не сможете долго сохранять такое положение. Вы не можете плыть на спине, подвигаясь сколько-нибудь заметно, так как ноги ваши торчат из воды и вам приходится отталкиваться только пятками. Если же вы плывете лицом вниз, то подвигаетесь не вперед, а назад. Лошадь так неустойчива, что не может ни плавать, ни стоять в Мертвом море – она тотчас же ложится набок».
Лежащему на поверхности Мертвого моря человеку большая плотность воды позволяет в этой позе даже читать книгу и держать зонтик. Такими же необычайными свойствами обладает вода залива Каспийского моря Кара-Богаз-Гола с плотностью до 1,2 т/м3, и не менее соленая вода озера Эльтон, содержащая 27 % солей, то есть практически столько же, сколько и в Мертвом море.
Степень солености воды в различных океанах и морях обычно колеблется, и поэтому суда сидят там не одинаково глубоко. На борту океанских судов близ ватерлинии помещают так называемую Ллoйдoвcкyю, или грузовую, марку – знак, показывающий уровни осадки в воде различной плотности. Например, изображенная на рис. 181 грузовая марка означает уровни предельных ватерлиний (осадок):
FW – в пресной воде (Fresh Water);
IS – в Индийском океане летом (India Summer);
S – в соленой воде летом (Summer);
W – в соленой воде зимой (Winter);
WNA – в Северной части Атлантического океана зимой (Winter North Atlantik).
Между прочим, существует разновидность воды, которая и в чистом виде, без всяких солей, тяжелее обыкновенной; ее плотность 1,104 т/м3, то есть на 10 % больше обыкновенной. В бассейне с такой водой человек, даже не умеющий плавать, едва ли сможет пойти ко дну. Такую воду обычно называют тяжелой водой; ее химическая формула D2O (входящий в ее состав изотоп водорода – дейтерий состоит из атомов, вдвое тяжелее атомов обыкновенного водорода, и обозначается буквой D). Тяжелая вода в небольшом количестве – менее 0,1 % – находится и в обыкновенной воде.
Тяжелая вода состава D2O в настоящее время используется в атомной промышленности для ядерных реакторов. Если вдруг вы встретите бассейн с тяжелой водой, не вздумайте в нем купаться – вы не утонете, но погибнете от ее губительного действия на живые организмы.
Если уж говорить о плавании человека в озерах и морях, то в отличие от куриного яйца, которое в пресной воде тонет, человек, сделавший вдох, то есть с легкими, заполненными воздухом, не погрузится полностью и в пресную воду. Термин «утонуть» здесь и выше использован именно в смысле «погружения»; «утонуть» (в смысле захлебнуться) можно, как известно, и в стакане воды.
Итак, если вы хотите проверить свою плавучесть в пресной воде, проделайте одно очень полезное для обучения плаванью упражнение (рис. 182). Сделав глубокий вдох, «повисните» в воде стоя, сильно запрокинув голову назад, так, чтобы над водой осталось одно ваше лицо. Тело расслаблено, оно как бы висит в воде, наклонившись слегка назад, и вы можете висеть в таком положении неограниченно долго.
Дышать следует так: сделать быстрый выдох и вдох ртом и продолжать лежать с полными легкими, затаив дыхание. Если вы почему-то погрузились от внешнего толчка или неправильного движения, то не волнуйтесь, через 2 – 3 секунды ваше лицо снова будет в воздухе. С плаваньем тел, а следовательно, с законом Архимеда, который мы знаем как закон плаванья тел, связан один интересный и поучительный опыт.
На одну чашу весов поставлено ведро, до краев наполненное водой. На другую – точно такое же ведро, тоже полное до краев (мениск здесь не учитывается!), но в нем плавает кусок дерева (рис. 183). Какое ведро перетянет? Тут обычно возникают два мнения: одно – что должно перетянуть то ведро, в котором плавает дерево, потому что кроме воды в ведре есть еще и дерево; другое – что, наоборот, перетянет первое ведро, так как вода плотнее дерева.
Но ни то ни другое не верно: оба ведра одинаково тяжелы! Во втором ведре, правда, воды меньше, чем в первом, потому что плавающий кусок дерева вытесняет какой-то ее объем. Но, по закону Архимеда, всякое плавающее тело вытесняет своей погруженной частью ровно столько жидкости (по весу), сколько весит это тело. Вот почему весы и остаются в равновесии.
С плаваньем тел, как, впрочем, и с любыми другими физическими явлениями, связывают свои надежды изобретатели «вечных двигателей». Вот, например, один из таких проектов.
Башня высотой около 20 м наполнена водой. Вверху и внизу башни установлены шкивы, через которые перекинут бесконечный ремень. К ремню прикреплены полые кубические ящики со стороной, например, 1 м, изготовленные герметичными, так, что внутрь ящиков вода проникнуть не может (рис. 184).
Как же, по замыслу изобретателя, должна действовать эта установка? Ящики, находящиеся в воде, будет увлекать вверх сила, равная весу воды, вытесняемой ящиками. Допустим, что в воде оказываются 6 ящиков. Если объем каждого 1 м3, значит, сила, увлекающая погруженные ящики вверх, равна весу 6 м воды, то есть 60 кН. Вниз же ящики тянет их собственный вес, который, однако, уравновешивается весом 6 ящиков, свободно свисающих на наружной стороне башни.
Итак, на ремень будет действовать сила в 60 кН, приложенная к одной его стороне и направленная вверх. Кажется, что сила эта заставит его двигаться и совершать работу. Однако если разобраться, то можно убедиться, что ожидаемого движения происходить не будет.
Чтобы бесконечный ремень двигался, ящики должны входить в водяной бассейн башни снизу и выходить сверху. Но ведь заходя в бассейн, ящик должен преодолеть давление столба воды в 20 м высотой! Это давление в расчете на 1 м2 площади ящика равно 200 кН (весу 20 м3 воды). Сила же тяги вверх составляет всего 60 кН, и ее недостаточно, чтобы втащить ящик в башню.
Не думайте, что все эти проекты – дело темного прошлого. Около 5 лет назад автор через одну из самых уважаемых газет по заданию ее редакции принимал участие в рассмотрении именно такого проекта «вечного двигателя», который был известен еще Я. И. Перельману, но не изобретателю этого «нового» проекта. Действительно, новое – это хорошо забытое старое!
Как подделать золото?
Махинации с золотом известны с глубокой древности. Об этом свидетельствует хотя бы история с короной сиракузского царя Гиерона.
Еще за 250 лет до Рождества Христова царь Гиерон поручил ювелиру изготовить ему золотую корону, передав при этом мастеру соответствующее количество золота. Корона была изготовлена, но, усомнившись в честности мастера, царь, согласно легенде, поручил своему другу и родственнику Архимеду проверить честность ювелира. Хотя корона весила столько, сколько было отпущено на нее золота, царь заподозрил, что она изготовлена из сплава золота с другими, более дешевыми, металлами. Архимеду было поручено узнать, не ломая короны, есть в ней примесь или нет. Точно неизвестно, каким методом пользовался Архимед, но логично предположить следующее. Сначала он нашел, что кусок чистого золота в 19,3 раза тяжелее такого же объема воды. Иначе говоря, плотность золота в 19,3 раза больше плотности воды. Но надо было найти плотность вещества короны. Если эта плотность оказалась бы больше плотности воды не в 19,3 раза, а в меньшее число раз, значит, корона была изготовлена не из чистого золота.
Взвесить корону было легко, но как найти ее объем? Ведь корона была очень сложной формы. Долго мучился Архимед над этой задачей. И вот однажды, когда он, находясь в бане, погрузился в наполненную водой бадью, его внезапно осенила мысль, давшая решение задачи. Ликующий и возбужденный своим открытием, Архимед выскочил из бадьи и, как был нагой, побежал по улицам с криком: «Эврика! Эврика!», что значит «Нашел! Нашел!»
Архимед взвесил корону сначала в воздухе, затем в воде. По разнице в весе он определил выталкивающую силу, равную весу воды в объеме короны. Определив затем объем короны, он смог уже определить ее плотность, а зная плотность, ответить на вопрос царя: нет ли примесей дешевых металлов в золотой короне?
Легенда говорит, что плотность вещества короны оказалась меньше плотности чистого золота. Тем самым мастер был изобличен в обмане, а наука обогатилась замечательным открытием.
Историки рассказывают, что задача с золотой короной Гиерона побудила Архимеда заняться вопросом о плавании тел. Результатом этого было появление замечательного сочинения «О плавающих телах», которое дошло до нас. Закон плавания тел сформулирован Архимедом следующим образом:
«Тела, которые тяжелее жидкости, будучи опущены в нее, погружаются все глубже, пока не достигают дна, и, пребывая в жидкости, теряют в своем весе столько, сколько весит жидкость, взятая в объеме тела».
Надо сказать, что в любом газе (например, воздухе) также действует закон Архимеда. Здесь становится актуальным шуточный вопрос: что тяжелее – 1 т железа или 1 т дерева? Не подумав, отвечают обычно, что 1 т железа тяжелее; подумав, говорят, что 1 т – она и есть 1 т и вес 1 т железа, дерева, и чего бы то ни было, одинаков.
Но Я. И. Перельман утверждает, что тяжелее будет 1 т дерева. Вот как он это доказывает:
«Дело в том, что закон Архимеда применим не только к жидкостям, но и к газам. Каждое тело в воздухе „теряет“ из своего веса столько, сколько весит вытесненный телом объем воздуха.
Дерево и железо тоже, конечно, теряют в воздухе часть своего веса. Чтобы получить их истинные веса, нужно «потерю» прибавить. Следовательно, истинный вес дерева в нашем случае равен 1 т + вес воздуха в объеме дерева; истинный вес железа равен 1 т + вес воздуха в объеме железа.
Но 1 т дерева занимает гораздо больший объем, нежели 1 т железа (раз в 15), поэтому истинный вес 1 т дерева больше истинного веса 1 т железа! Выражаясь точнее, мы должны были бы сказать: истинный вес того дерева, которое в воздухе весит 1 т, больше истинного веса того железа, которое весит в воздухе также 1 т.
Так как 1 т железа занимает объем в 1/8 м3, а 1 т дерева – 2 м3, то разность в весе вытесняемого ими воздуха должна составлять около 2,5 кг. Вот насколько 1 т дерева в действительности тяжелее 1 т железа!»
Автор не согласен с такой трактовкой этого шуточного вопроса и считает, что 1 т железа весит больше 1 т дерева.
1 т, или 1 000 кг, – это мера не силы, а массы вещества. При этом безразлично, где оно находится – в воде, в воздухе или вакууме. Если мы взвешиваем это вещество в вакууме, то получаем, что сила тяжести, равная весу Р, есть произведение массы m на ускорение силы тяжести g:
P = mg.
При взвешивании в воздухе часть веса «теряется» – вверх действует выталкивающая сила воздуха; но она больше у дерева, так как объем больше. Поэтому 1 т железа будет весить больше 1 т дерева, если взвешивают в обычных условиях, – в воздухе. То есть 1 т железа будет тяжелее тонны дерева, что и требовалось доказать. Кстати, 1 т водорода будет иметь вообще отрицательный вес, и немалый. В воздухе 1 т водорода может поднять более 14 т железа!
Но мы отвлеклись от темы. Как же все-таки подделать золото, чтобы это никакой Архимед не определил?
При Гиероне это было невозможно, а сегодня – пожалуйста! Надо только, чтобы тот металл, которым мы хотим заменить золото, имел плотность, равную плотности самого золота или больше ее – для получения сплава с более легким металлом. А таких очень и очень немного, и, в основном, они дороже самого золота. Это осмий с плотностью 22,5 т/м3, иридий – 22,4 т/м3, платина – 21,5 т/м3, рений – 21,0 т/м3. Золото, как известно, имеет плотность 19,3 т/м3. Даже уран имеет меньшую плотность – 19,1 т/м3, да он и радиоактивен. Далеко отстает «тяжелый» свинец – 11,3 т/м3.
Но есть один-единственный металл, достаточно дешевый и в чистом виде пластичный (из него тянут тончайшие проволоки), известный нам всем вольфрам, плотность которого совпадает с плотностью золота с большой точностью. Вольфрам идет, кроме всем известных волосков для электролампочек, на твердосплавные резцы, на специальные электроды, как легирующая добавка в металлы, и мало ли на что еще…
Конечно, не надо сплавлять вольфрам с золотом – это трудновато и ни к чему – непонятно, какой будет цвет у сплава. Надо только (Запомните, честные люди! Мошенники давно знают об этом) изготовить изделие – монету, слиток, кольцо и т. д. из вольфрама, а затем покрыть тонким слоем золота. Это можно сделать и гальваническим способом, и старинным – амальгамированием.
В ртути, как известно, растворяются многие металлы, в том числе и золото. В старину таким раствором – амальгамой натирали купола церквей и другие изделия для их золочения. Только помните, что ртуть крайне опасна для дыхания. Не имейте с ней дела без специальной вытяжки!
Вот мы и получили изделие, которое по плотности от золота не отличишь. Ювелиры пробуют золото «кислотой» – царской водкой. Здесь это не поможет – на поверхности чистое золото. Остается пилить, как это делал Шура Балаганов с «золотой» гирей Корейко. Но не каждый позволит пилить его ювелирное украшение!
Определить подделку можно попробовать разными способами. При этом следует помнить, что у вольфрама с золотом лишь плотность одинакова, а многие другие показатели разные. Для неповрежденного изделия, такими показателями будут: теплоемкость; теплопроводность; электропроводность, особенно зависимость ее от температуры, которая у вольфрама специфическая, и т. д. Только чрезвычайно трудно все эти показатели измерить достаточно точно; это очень дорогие процедуры. Еще раз повторим: автор пишет это для честных читателей, чтобы они были бдительны и не покупали «драгметаллы» с рук. А о том, что мошенники знают об этом способе, автору известно из собственного опыта.
Однажды автора попросил его знакомый (из «крутых») определить подлинность проданного ему червонного золотого слитка. Архимедова проба на плотность показала, что слиток золотой, проба кислотой – то же. И тогда автор попробовал старинный способ – пробу на зуб, т. е. на твердость. Так раньше определяли подлинность золотых монет. И народный метод не подвел – слиток оказался тверже обычного червонного золота 96-й пробы, из которого раньше чеканили монеты. Конечно, так не все попробуешь, метод этот повреждающий – на золоте остается маленькая вмятина. Но для слитка это не столь важно.
Автор уговорил знакомого просверлить слиток тонким сверлом, и сверло выдало серебристую стружку – вольфрам! «Крутой» приятель был очень недоволен, и, пожалуй, одним изготовителем «золотых» вольфрамовых слитков стало меньше. Но другие-то пока остаются!
Добавим только, что для подделки золота подойдут также сплавы рения, применяющиеся в авиа– и космическом машиностроении.
Кстати, в газетах последних лет можно встретить заметки о подделке золота тяжелыми сплавами, которые очень трудно отличить от золота. Криминал становится все более грамотным, успешно учит физику!
Где плавают затонувшие корабли?
Существуют легенды, что затонувшие в океане корабли не ложатся на дно, а повисают на некоторой глубине, путешествуя, как подводные «летучие голландцы», вместе с океанскими течениями. Жюль Верн в своем романе «Двадцать тысяч лье под водой» даже описывал неподвижно висящее в воде затонувшее судно, причем затонувшие корабли якобы догнивали, свободно вися в воде.
Справедливо ли это, или корабли все-таки достигают дна? Давление воды в глубинах океана действительно достигает огромных величин. На глубине 10 м вода давит с силой 10 Н на 1 см2 погруженного тела, на глубине 100 м – 0,1 кН, 1 000 м – 1 кН и т. д. Океан же может иметь глубину в несколько километров, достигая в самых глубоких частях Тихого океана более 11 км. Можно подсчитать, какое огромное давление должны испытывать вода и плавающие в ней тела на этих глубинах.
Если пустую закупоренную бутылку опустить на большую глубину и затем извлечь вновь, то обнаружится, что давление воды вогнало пробку внутрь бутылки. Будучи закупоренной крепче, бутылка эта будет раздавлена давлением воды. Опыты такие проводились и подтверждали это. Куски дерева, погруженные на глубину 5 км, после извлечения на поверхность оказались настолько спрессованными, что тонули в воде. На глубине Марианского желоба – 11,5 км – давление достигает почти 120 МПа. Существует мнение, что из огнестрельного оружия, опущенного на такую глубину (разумеется, если не будет поврежден механизм, вода не проникнет внутрь заряда и т. п.), нельзя выстрелить. Это мнение отражено в популярных книгах по физике, и автор даже видел рисунок пистолета, который лежал на дне океана, и при выстреле из него пуля так и не вылетела.
Так вот, давление в стволе при выстреле из пушки достигает 400 МПа, из автомата – 270 МПа, у пистолета – немного поменьше, в зависимости от его типа. Так что выстрелить это оружие сможет. Вопрос только в том, вылетит ли пуля из ствола. Вот тут-то так просто не ответишь. В конце выстрела давление в стволе сильно падает, оно в ряде случаев может оказаться ниже 120 МПа. Но это тогда, когда пуля летит, а порох горит. Если же пуля наглухо закупорит ствол, неизвестно, до какой величины поднимется давление – ведь порох-то продолжает догорать. В воздухе при заклинке пули часто ствол разрывается, особенно у охотничьих ружей. В воде при таком давлении ствол не разорвет, и вопрос о том, вылетит пуля из ствола или нет, остается открытым…
Говорят, что столь чудовищное давление так уплотнит воду, что корабли и прочие тяжелые предметы зависнут в ней и не будут тонуть, как, например, железо не тонет в ртути. Однако подобное мнение не обосновано. Опыт показывает, что вода, как и вообще все жидкости, мало поддается сжатию. Подвергнутая давлению 0,1 МПа вода сжимается всего только на 1/22 000 долю своего объема и примерно также продолжает сжиматься при дальнейшем возрастании давления. Если бы мы захотели сжать воду до такой плотности, чтобы в ней плавало железо, необходимо было бы уплотнить ее в 8 раз. Между тем для уплотнения только вдвое, то есть сокращения объема наполовину, необходимо давление 1 100 МПа, или 1,1 ГПа (1,1·109 Па). Это соответствует глубине 110 км ниже уровня океана, чего быть не может!
Английский физик Тэт сделал интересные вычисления, что если бы земное притяжение внезапно прекратилось и вода сделалась невесомой, то уровень воды в океане поднялся бы в среднем на 35 м, вследствие того, что сжатая вода приобрела бы нормальный объем. Океан затопил бы при этом громадную территорию суши в 5 000 000 км2!
В самом глубоком месте океана вода уплотнена на 5 %. Это почти не может повлиять на условия плавания в ней различных тел, тем более что твердые предметы, погруженные в такую воду, также подвергаются этому давлению и, следовательно, тоже уплотняются.
Поэтому многие ученые, в том числе Я. И. Перельман, делают вывод, что «не может быть ни малейшего сомнения в том, что затонувшие корабли покоятся на дне океана». Не оставляется шанса даже для перевернутых килем вверх кораблей. Вот что пишет об этом Я. И. Перельман:
«Мне приходилось слышать такое возражение. Если осторожно погрузить стакан вверх дном в воду, он может остаться в этом положении, так как будет вытеснять объем воды, весящий столько же, сколько стакан. Более тяжелый металлический стакан может удержаться в подобном положении и ниже уровня воды, не опускаясь на дно. Точно так же может остановиться на полпути и опрокинутый вверх килем крейсер или другое судно. Если в некоторых помещениях судна воздух окажется плотно запертым, то судно погрузится на определенную глубину и там остановится.
Не мало ведь судов идет ко дну в перевернутом состоянии, и возможно, что некоторые из них так и не достигают дна, оставаясь висеть в темных глубинах океана. Достаточно было бы легкого толчка, чтобы вывести такое судно из равновесия, перевернуть, наполнить водой и заставить упасть на дно, но откуда взяться толчкам в глубине океана, где вечно царит тишина и спокойствие и куда не проникают даже отголоски бурь?
Все эти доводы основаны на физической ошибке. Перевернутый стакан не погружается в воду сам – его надо внешней силой погрузить в воду, как кусок дерева или пустую закупоренную бутылку. Точно так же и опрокинутый килем вверх корабль вовсе не начнет тонуть, а останется на поверхности воды. Оказаться на полпути между уровнем океана и его дном он никак не может».
Автор считает, что серьезный ученый должен оставить хоть «малейшее сомнение» в чем бы то ни было. Тем более что мнение о «зависших» кораблях разделяют многие моряки. Дело в том, что на кораблях часто имеются герметичные отсеки. И если эти отсеки не повреждены и в них остался воздух, то он не сжимается давлением воды, оставаясь прежнего объема. Поэтому корабль, имея общую плотность выше поверхностной плотности воды океанов (почти всегда менее плотной – по причине и более высокой температуры, и меньшей солености), начинает погружаться, и когда достигает холодных (а в глубине океанов температура +4 °C, при этом плотность ее максимальна) и более соленых ее слоев, зависает на неопределенное время.
Вот вам и подтверждение легенды о блуждающих зависших затонувших кораблях!
Для чего рыбе пузырь?
Прежде чем коснуться сложных вопросов биофизики живой рыбы с ее пузырем, назначение которого остается спорным, поговорим о железных рыбах – подводных лодках с железными же пузырями – отсеками с воздухом, где все более или менее ясно.
Давно ли возникли подводные лодки? Обычно считают, что первым описал свою фантастическую подводную лодку «Наутилус» Жюль Верн. Но, оказывается, еще Александр Македонский опускался в стеклянной бочке, изобретенной великим Аристотелем, под воду, чтобы познакомиться с миром китов, рыб и водяных чудовищ. Не верите – взгляните на рис. 185, где воспроизведена сцена из французского рыцарского романа XIV в. «Истинная история достопочтимого Александра». Но, увы, этот проект документально и вещественно не подтвержден.
Реально же подводная эпопея человечества началась с водолазных колоколов. Было замечено, что если погружать колокол, да и просто стакан в воду вверх дном, то в верхней части сосуда всегда будет воздух. Этим-то воздухом и предполагалось дышать водолазу в водолазном колоколе при работах на дне рек, озер и других водоемов. Незаменим такой колокол при возведении мостов, точнее, опор для них. Известен рисунок средних веков, где по дну реки внутри огромного водолазного колокола передвигается человек.
Более поздний водолазный колокол использовался «для извлечения пиастров из затонувшей галеры». Дело было в Испании в г. Кадиксе, а описание этого события и приводимый на рис. 186 чертеж водолазного колокола были помещены во французской «Ученой газете» от 4 апреля 1678 г. Так что описываемые события достоверны.
Но первая настоящая подводная лодка, боевая, самостоятельно передвигающаяся под водой, была построена в 1776 г. американским изобретателем Дэвидом Бушнеллом и названа «Черепахой» (по-английски морская черепаха – тэртл, – почти Тортилла). Устройство лодки понятно из рис. 187: водоизмещение ее 2 т, высота 1,8 м, диаметр 1,4 м. Во время войны за независимость в Северной Америке (1775—1783) «Черепаха», управляемая сержантом по фамилии Ли, погрузилась в воду, подошла в Нью-Йоркской гавани к 64-пушечному английскому фрегату «Игл». С помощью специального бурава сержант Ли пытался просверлить днище фрегата, чтобы установить там мину. Но этого не удалось сделать, так как Ли со своим буром не справился с медной обшивкой корабля.
Говорят, что в России подводная лодка была придумана раньше, чем где бы то ни было, а именно крестьянином Ефимом Никоновым еще в 1718 г., причем свою заявку (челобитную) на изобретение «огненного потаенного судна» он подал прямо на имя императора Петра I. В 1724 г. попытались испытать «огненное судно», а чем окончились испытания, понятно из того, что вскоре после этого изобретателя отправили в ссылку, где он и умер…
Работы по созданию подводных лодок, хотя более поздние, но и более успешные, проводились во Франции (1800 г.) и Германии (1850 г.); там все обошлось без ссылок.
Существует еще мнение, что первой действующей подводной лодкой было судно голландского физика Корнелиуса ван Дреббеля, построенное в 1620 г. в Англии в эпоху короля Якова I. Судно ван Дреббеля успешно плавало на глубине 3 – 5 м, маневрировало, а затем исчезло в пучине… нет, не морской, а времени. О нем забыли.
Но загадки остались. Для подводных аппаратов того времени британский математик У. Борн предложил использовать полую мачту – шноркель – для забора свежего воздуха. Актуальность этого предложения ясна хотя бы из того, что современные танки для перехода под водой используют то же самое. Но на судне ван Дреббеля шноркеля не было. Как могли дышать там люди, неизвестно до сих пор.
Устройство подводной лодки с дизельным двигателем и электроаккумуляторами показано на рис. 188.
Не будем подробно описывать современные подводные лодки с атомными реакторами на борту, которые позволяют практически неограниченно долго находиться под водой, – это военная тайна. Остановимся на батискафах – глубоководных подводных лодках, способных погружаться на любую глубину и двигаться там. Прообразом батискафа была батисфера (рис. 189), которая сама, однако, двигаться не могла.
Хорошо известны знаменитые батискафы швейцарского ученого Пиккара (рис. 190), который начал с глубины 3 км и закончил дном Марианского желоба на глубине 11,5 км, которой он достиг 23 января 1960 г. Глубже пока никто не спускался, это рекорд абсолютный, так как большей глубины в мировом океане нет.
Принцип погружения и всплывания подводных судов прост. Судно выполняется по общей плотности легче воды, что достигается многочисленными пустотами, заполненными воздухом. Для погружения некоторые из этих пустот заполняются водой, судно становится «плотнее» воды и опускается вниз. Чтобы всплыть, вода выдавливается наружу, пустота оказывается заполненной сжатым воздухом, который легче воды, и судно поднимается вверх. Вот и весь принцип. Да простят автора специалисты-подводники за непрофессиональные выражения типа «пустоты», видимо, у подводников они называются иначе, но так понятнее для не подводников.
Аналогично всплыванию подводных лодок производится подъем затонувших судов, строго в соответствии с законом Архимеда. К затонувшему судну тросами прицепляют заполненные водой понтоны – полые ящики или цистерны из листового металла (рис. 191). После этого воду из понтонов вытесняют сжатым воздухом, подаваемым по шлангам сверху. На глубине 25 м, например, вода имеет давление 0,35 МПа (0,25 – от воды и 0,1 – от атмосферы). Воздух надо подавать с чуть большим давлением, например 0,4 МПа. Понтоны приобретают плавучесть и поднимают судно или иную тяжесть наверх. И наконец, о тайне рыбьего пузыря. Этому пузырю, который имеется у большинства рыб, иногда приписывают функцию описанных понтонов. Дескать, захочет рыба погрузиться, она силой своих мышц сожмет пузырь, уменьшит объем воздуха, станет плотнее воды и уйдет вниз. И наоборот, силой других мышц она раздует пузырь и всплывет. Такое представление о функции плавательного пузыря рыб было высказано профессором Флорентийской академии Борели в 1685 г. и в течение более 200 лет принималось без возражений. Возможно, многие из вас, читатели, думают о назначении рыбьего пузыря подобным же образом, потому что в ряде современных научно-популярных книг по физике так и написано.
Но на самом деле все иначе. Для понимания функции этого пузыря рассмотрим игрушку, придуманную великим Рене Декартом и названную Картезианским водолазом (Декарт – по латыни «Картезиус»).
Эту игрушку можно легко сделать самому (рис. 192). Большая пробирка или высокая мензурка полностью заливается водой, и туда же помещается пипетка, частично заполненная водой, так, чтобы она имела очень небольшую плавучесть. Естественно, пипетка, которую мы назовем водолазом (в игрушках она выполнялась в виде маленького водолаза), плавает на поверхности. Но стоит нам повысить давление в мензурке, например, резиновой грушей или трубкой и собственными легкими, как водолаз начинает тонуть. Воздух выдавливается из резинового баллончика пипетки, и плавучесть становится отрицательной. Водолаз тонет.
Вот таково примерно назначение рыбьего пузыря у их обладательниц. Пузырь имеет связь с плаванием рыб, так как рыбы, у которых пузырь был при опытах искусственно удален, могли держаться в воде, только усиленно работая плавниками, а при прекращении этой работы опускались на дно. У акул вообще нет пузыря, вот и приходится им постоянно работать плавниками, чтобы не «утонуть» – упасть на дно. Чтобы не «утонуть», акула «плавает» даже во сне.
Какова же истинная функция пузыря? Весьма ограниченная и пассивная: он лишь помогает рыбе оставаться на определенной глубине, а именно на той, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Сжимать пузырь, изменяя плавучесть, рыба не в состоянии, так как стенки ее плавательного пузыря лишены мышечных волокон, которые могли бы изменять его объем.
Что такое пассивное изменение объема тела действительно имеет место у рыб, подтверждается следующим опытом (рис. 193). Рыбка в усыпленном состоянии (под наркозом) помещается в закрытый сосуд с водой, в котором поддерживается достаточное давление, близкое к тому, какое бывает на глубине в естественном водоеме. На поверхности воды рыбка лежит вверх брюшком. Погруженная немного глубже, она вновь всплывает на поверхность. Помещенная ближе ко дну, она опускается на дно. Но в промежутке между обоими уровнями существует такой слой воды, в котором рыбка остается в равновесии – не тонет и не всплывает. Все это становится понятным, если вспомним сказанное ранее о Картезианском водолазе.
Итак, вопреки распространенному мнению рыба не может по своему желанию раздувать или сжимать пузырь, изменения его объема происходят пассивно, под действием наружного давления. Эти изменения объема для рыбы не только не полезны, а, напротив, приносят ей вред, так как вызывают либо неудержимое падение на дно, либо столь же неудержимый подъем на поверхность. Другими словами, пузырь помогает рыбе в неподвижном положении сохранять равновесие, но равновесие это неустойчивое.
Пузырь нужен рыбе ровно настолько, насколько нам, людям, нужен аппендикс. Вырезали его – и слава Богу! Акула, думаю, нисколько не уступает другим рыбам в жизнеспособности, а ведь у нее, как уже было отмечено, пузыря-то нет!
Как открывали… пустоту
«Пустота – это место без помещенных туда тел», – шутил Аристотель. Люди с давних пор подозревали, что воздух – это не «место без помещенных туда тел», а нечто легкое, эфемерное, но реальное. Однако убедиться в существовании воздушной атмосферы через опыт люди до XVII в. так и не смогли. Вот с чего все началось.
В 1640 г. великий герцог Тосканский задумал устроить фонтан на террасе своего дворца и приказал провести для этого воду из соседнего озера при помощи всасывающего насоса. Но флорентийские мастера, которым поручили это дело, убедились, что поднять воду всасывающим насосом выше, чем на 32 фута (1 фут = 0,3048 м, 32 фута = 9,75 м), невозможно.
Возмущенный герцог обратился к уже престарелому 80-летнему Галилею за разрешением проблемы. Всасывание воды в то время приписывали «страху» природы перед пустотой: чтобы не возникало пустоты, вода и следует вверх за поршнем в насосе (рис. 194). Но почему же природа боится пустоты лишь до высоты 32 фута, а затем уже нет?
Галилей осмотрел насосы и убедился, что они превосходны. Тогда Галилей начал подумывать о давлении воздуха и решил доказать, что он имеет вес, или, правильнее, массу. Он вскипятил воду в бутыли, изгнав горячим паром оттуда воздух, закупорил ее и взвесил. Затем открыл пробку, впустил воздух и взвесил снова – оказалось, что воздух что-то весит. Не подумайте, что автор критикует Галилея, но получается так, что всегда кто-то ухитрялся все успеть раньше него. В 1630 г. французский врач Жан Рей опубликовал свое открытие веса воздуха в таких словах: «Наполните воздухом баллон при большом давлении… и вы увидите, что он будет весить больше, чем пустой».
Окончательно решил вопрос о давлении атмосферы и определил, что его уравновешивает столб воды в 32 фута высотой, ученик Галилея итальянец Эванджелиста Торричелли.
Опыт Торричелли состоял в следующем. Стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняли ртутью. Затем, плотно закрыв незапаянный конец трубки, ее перевертывали, опускали в чашу с ртутью и вновь открывали незапаянный конец. Часть ртути при этом выливалась в чашку, а в трубке оставался столб ртути высотой около 760 мм. В трубке же над ртутью было безвоздушное пространство (рис. 196).
Торричелли, предложивший этот опыт, объяснил его так. Атмосфера давит на поверхность ртути в чашке. Ртуть находится в равновесии. Значит, по закону Паскаля давление в трубке на уровне ртути в чашке тоже равно атмосферному давлению. Но в верхней части трубки воздуха нет, поэтому давление в трубке на том же уровне и создается только весом столба ртути в трубке. Отсюда следует, что атмосферное давление равно давлению столба ртути в трубке.
Измерив высоту столба ртути в опыте Торричелли, можно рассчитать давление, которое он производит: оно и будет равно атмосферному давлению. g Чем больше атмосферное давление, тем выше столб ртути в опыте Торричелли, поэтому на практике часто измеряют атмосферное давление высотой ртутного столба в миллиметрах или сантиметрах. Если, например, давление атмосферы равно 760 мм рт. ст., то значит, что воздух производит такое же давление, какое производит вертикальный столб ртути высотой 760 мм.
Наблюдая день за днем за высотой ртутного столба в трубке, Торричелли обнаружил, что эта высота меняется: то увеличивается, то уменьшается. Отсюда он заключил, что атмосферное давление не постоянно, оно может меняться. Торричелли заметил также, что изменения атмосферного давления как-то связаны с изменением погоды.
Прикрепив к трубке со ртутью вертикальную шкалу, Торричелли получил простейший ртутный барометр – прибор для измерения атмосферного давления. Слово «барометр» происходит от «барос» – тяжесть и «метрео» – измеряю.
В 1646 г. Б. Паскаль в городе Руане повторил опыт Торричелли (рис. 197), но уже с очень высокой трубкой, опущенной в бадью с водой, а затем и с вином (вино во Франции дешевле воды!).
Трубка была высотой 46 футов (14 м), а вода остановилась на высоте 32 фута. Трудно поверить этому, но и вино, говорят, тоже остановилось точно на той же отметке. Недоверие к опыту состоит не только в том, что сухое (почти без остаточного сахара) вино обычно легче воды за счет 10—13 % спирта. Дело в том, что в верхней части трубки образуется пустота, называемая торричеллиевой, и жидкость – ртуть, вода, вино – начинает интенсивно испаряться, заполняя эту пустоту. Таким образом, торричеллиева пустота у самого Торричелли была заполнена ртутными парами, а у Паскаля, простите, винными. Винные, а правильнее спиртовые, пары образуются гораздо легче и создают в пустоте больше давления, чем пары водяные, а тем более ртутные. Так что равенство водяного и винного столбов можно объяснить разве только случайностью или плохим качеством вина, употребленного Паскалем (разумеется, для опыта!). Но так или иначе, столб воздуха атмосферы весит примерно столько же, сколько 10 м воды или вина и 760 мм ртути.
Стараясь определить точность барометра, ученые переносили прибор на высоту – то в Клермонский монастырь, то на башню св. Якова в Париже (рис. 198), и везде барометр точно отслеживал падение давления с высотой.
Так и было определено атмосферное давление. А вот с высотой атмосферы дело посложнее. Плотность воздуха уменьшается с высотой. Так, на высоте 5,4 км над уровнем океана плотность воздуха падает вдвое, на высоте 11 км – вчетверо и т. д. (рис. 199). Поэтому верхняя граница атмосферы размыта, а чтобы ее нагляднее можно было представить, здесь помещен рис. 200 из старинной книги [49].
Надо сказать, еще великий Аристотель подозревал, что воздух есть тело «весомое». Желая проверить это, ученый взвешивал бурдюки – пустой и заполненный воздухом. И оказалось, конечно, что эти бурдюки весили одинаково. Вот, казалось бы, мудрец, а маху-то дал – ведь он взвешивал воздух в воздухе! Неужели не мог опустить в воду (море-то близко в Греции!) и взвесить там бурдюк с водой и без нее. Ответ был бы тот же – вода не имеет веса! Или хотя бы взвешивал на точных весах, тогда полный воздухом бурдюк, будучи хоть под каким-то давлением, оказался бы большего веса, чем пустой! Даже повышенное содержание углекислого газа (бурдюк-то ртом надували!) могло дать эту разницу. Но фатальное невезение – и на тысячи лет воздух принято было считать невесомым. А вес-то у него немалый – почти 1,3 кг · м3.
Автор на лекциях всегда спрашивает своих студентов, смогли бы они поднять воздух в этой аудитории одной рукой, на что в ответ – громкий смех. Но смех этот становится еще громче, когда студенты узнают, сколько этот воздух действительно весит – обычно свыше 100 кг!
В заключение опишем простой опыт, который одним махом подтверждает наличие атмосферного давления. Этот опыт производит потрясающее впечатление на окружающих, хотя каждый если не видел, то хотя бы слышал о нем.
Надо наполнить стакан водой, лучше до краев, прикрыть его листком гладкой писчей (не газетной!) бумаги и, придерживая листок рукой, перевернуть. Затем отпустить листок (рис. 201). Вода не выльется из стакана, так как на листок снизу давит атмосферное давление! Если бы стакан был высотой более 10 м, то атмосферного давления не хватило бы и листок отпал. А на обычном стакане держится, даже внутрь прогибается, если стакан неполный.
Особенно эффектно выглядит этот опыт, когда стакан заполняют красным вином (а-ля Паскаль!) и незаметно прикрывают его прозрачным листком чертежной или другой жесткой пленки. Вино как бы висит в стакане, ничем не удерживаемое!
Нормальное давление атмосферы примерно 101,3 кПа. Опыт бургомистра города Магдебурга Отто фон Герике в 1654 г. со знаменитыми Магдебургскими полушариями (рис. 202) показал, что при их диаметре в 65 см сила атмосферного давления, сжимающая их, достигала 35 кН и их не могли растащить даже восемь пар лошадей (рис. 203)! Хитер был бургомистр Магдебурга – он мог вполне обойтись лишь одной восьмеркой лошадей, прикрепив другой крюк к стене. Сила-то, разрывающая полушария, была бы той же! Хотя бы по третьему закону Ньютона. Но восемь пар лошадей эффектнее, и кто-кто, а сам бургомистр мог это себе позволить!
Точны ли часы в Форте Байяр?
Если читатель помнит знаменитые телепередачи из Форта Байяр, время там измеряют исключительно водяными часами – клепсидрами, или в переводе с греческого «воровками воды». В глаза бросается то, что при перевертывании часов время начинает бежать очень уж быстро, а в конце, когда «синей жидкости» остается совсем мало и все вокруг кричат: «Скорее, время кончается…», оно как бы замедляет свой шаг. В чем тут дело?
Тут нам поможет детская задача, предложенная Я. И. Перельманом:
«Самовар, вмещающий 30 стаканов, полон воды. Вы подставляете стакан под его кран и с часами в руках следите по секундной стрелке, за какое время стакан наполняется до краев. Допустим, что за полминуты. Теперь зададим вопрос: за какое время опорожнится весь самовар, если оставить кран открытым?
Казалось бы, здесь детски простая арифметическая задача: один стакан вытекает за полминуты, – значит, 30 стаканов выльются за 15 минут.
Но сделайте опыт. Окажется, что самовар опорожняется не в четверть часа, как вы ожидали, а в полчаса».
А дело здесь в том, что скорость вытекания воды меняется в зависимости от ее уровня. Чем выше уровень, тем быстрее будет наполняться стакан, и чем он ниже, тем дольше нам нужно ждать его заполнения.
Уже известный нам Э. Торричелли вывел зависимость скорости вытекания жидкости V от высоты уровня ее над отверстием h:
Позвольте, позвольте, но это же хорошо известная формула скорости свободного падения груза с высоты! Неужели и жидкость вытекает с такой же скоростью? Да, можно так сказать, если пренебречь гидравлическими сопротивлениями в трубке и кранике, вихревыми процессами и искривлениями потоков в струе, а также если считать жидкость идеальной. Точно так же, как при падении груза мы не учитываем сопротивления воздуха, увеличения (или уменьшения?) ускорения свободного падения g и, наконец, пресловутого движения Земли навстречу грузу (если V – это скорость груза относительно Земли).
Возникает вопрос: что, скорость вытекания жидкости не зависит от ее плотности? Что, ртуть из сосуда выльется одновременно со спиртом или эфиром (рис. 204)? Да, одновременно, как это ни удивительно, с той же точностью, с которой падают отпущенные вместе тяжелые и легкие тела, т. е. практически одновременно, ибо в формуле Торричелли нет упоминания о плотности жидкостей.
Однако если мы попробуем выливать эту жидкость на большой высоте, да, чего доброго, еще и на Луне, то вытекать она будет медленнее, так как меньше ускорение свободного падения g. На Луне, например, где ускорение силы тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле, жидкость будет вытекать в V6, т. е. в 2,5 раза медленнее. Но опять же, почему время опорожнения самовара увеличилось лишь вдвое, если формула отнюдь не так проста?
Подсчитаем: если уровень воды в самоваре понизился в 4 раза, то скорость истекания понизится всего вдвое. Если уровень понизился в 9 раз, то время наполнения очередного стакана увеличится в 3 раза и т. д.
А в результате интегральное (или суммарное) время опорожнения сосуда будет вдвое больше, чем если бы сохранялось первоначальное давление.
В школе часто решают задачи по арифметике вроде такой: «Через одну трубу бассейн наполняется за 5 часов, а через вторую опорожняется за 10 часов (рис. 205). За какое время наполнится водой пустой бассейн, если открыть обе трубы сразу?»
Что же будет, если открыть кран и слив одновременно? Первую задачу в школе решают так: за 1 час из первой трубы вода заполнит 1/5 бассейна; из второй за это же время выльется 1/10 бассейна; значит, при открытых обеих трубах за час вода заполнит 1/5-1/10=1/10 часть бассейна. Выходит, бассейн наполнится через 10 часов. За такое решение в школе ставят 5 баллов.
Задача почти такая же, с которой автор встретился в сауне, когда наполнялся водой бассейн. Время его наполнения с закрытым сливом – полчаса.
Время его опорожнения через сливную трубу – тоже полчаса.
Попробовали в сауне решать так же и получили, что наш бассейн и вовсе не будет наполняться: вся вода, поступившая через кран, тут же выльется в слив, и бассейн будет пуст. Однако когда ради опыта открыли и кран, и слив, то обнаружили, что бассейн стал довольно быстро наполняться, а к концу пребывания в сауне был заполнен чуть меньше, чем наполовину.
В чем дело? А в том, что вода через кран вливается при постоянном давлении, следовательно, равномерно. А вытекает неравномерно в зависимости от высоты уровня воды. По этому принципу работают и водяные часы (рис. 206). Так что такие задачи решаются не просто, и на уроках арифметики им не место. Может быть, только в старших классах на уроках высшей математики.
Что же, часы в Форте Байяр работают неверно? Выходит, нет, если измерять полное время вытекания, что и делалось в этом шоу. Плохо одно: нельзя заставить воду вытекать равномерно. А как было бы удобно! Неужели нет таких часов, или сосудов, по крайней мере?
Оказывается, есть. Сосуд этот создан французским физиком Мариоттом (помните закон Бойля – Мариотта?) и назван в его честь сосудом Мариотта. Это бутыль с узким горлом, через пробку которой вставлена стеклянная трубка (рис. 207). Если открыть кран 3 ниже конца трубки, то жидкость будет литься из него с одним и тем же напором, пока уровень воды в сосуде не опустится до нижнего конца трубки (на уровне пробки 2). Вдвинув трубку вниз почти до уровня крана 3, можно заставить всю жидкость, находящуюся выше уровня отверстий, вытечь равномерно, хотя и очень тонкой струей.
В чем же здесь дело? Проследим за тем, что происходит в сосуде при открытии крана 3. Прежде всего выливается вода из стеклянной трубки; уровень жидкости внутри нее опускается до конца трубки. При дальнейшем вытекании опускается уже уровень воды в сосуде, и через стеклянную трубку входит наружный воздух, он пробулькивает пузырьками через воду и собирается над ней в верхней части сосуда. Теперь на всем уровне пробки 2 давление равно атмосферному. Значит, вода из крана 3 вытекает лишь под давлением слоя воды 2 – 3, потому что давление атмосферы изнутри и снаружи сосуда уравновешивается. А так как толщина слоя 2 – 3 остается постоянной, то и струя течет с одинаковой скоростью.
Вот из такого бы сосуда и сделать часы в Форте Байяр! Тем более сосуд этот изобрел француз Мариотт. Разграфили бы его черточками, обозначающими, допустим, минуты и следили за прошедшим и оставшимся временем – было бы удобно!
Но в жизни все получилось бы не совсем так, как задумывалось: от пузырьков воздуха жидкость испарится, в нее попадает пыль, да и больно уж сложные часы получатся. Не лучше ли песочные часы, которые всем хороши – и герметичны, и время течет в них равномерно? Недаром мудрый старик Фура из того же форта в шоу использовал именно песочные часы.
Действительно, а почему песочные часы (рис. 208, а), в отличие от водяных, показывают ход времени равномерно? Ответ один: песок, в отличие от жидкости, истекает равномерно и формуле Торричелли не подчиняется. В чем же здесь дело?
Дело в том, что песок истекает иначе, чем жидкость, потому что в нем есть внутреннее трение. В земле можно сделать небольшой свод, и он будет держаться. Но если мы будем все более и более расширять этот свод, то он когда-нибудь обрушится, что часто бывает при добыче песка туннельным способом без крепи. Описание такого ужасного обрушения с гибелью человека есть в рассказе-триллере Леонида Андреева «Жизнь Василия Фивейского».
Если хорошо приглядеться к песочным часам, то видно, что сразу же после их перевертывания сверху высыпается чуть-чуть песка, затем в верхней колбе у отверстия образуется постоянно обрушивающийся свод (рис. 208, б), величина которого зависит, в основном, от сорта песка, обычно тщательно приготовленного по специальной технологии. А так как свод этот имеет постоянную высоту, то безразлично, имеет ли верхняя колба-трубка высоту в сантиметр, метр или километр, – давление песка у отверстия будет постоянным, поэтому и скорость вытекания песка тоже постоянна. Конечно, не точно, а почти, так как в самом начале и в самом конце процесса все происходит не совсем по писаному. Но песочные часы завоевали свое место в нашей жизни и выиграли бой с клепсидрами неспроста – их преимущества неоспоримы!
Что держит шарик на фонтане?
С течением жидкостей и газов связано много на первый взгляд таинственных и необъяснимых явлений.
Почему держится и не падает шарик на вершине фонтана и даже воздушной струи? Почему сближаются два листка бумаги или два подвешенных шарика, если подуть между ними? Почему сталкиваются идущие параллельно и близко друг к другу корабли? Почему «притягивает» близко стоящего человека быстро идущий поезд? И, наконец, почему «сама собой» поднимается жидкость в пульверизаторе или, для кого это понятнее, в карбюраторе?
а – давление в узкой части трубки меньше, чем в широкой; б – вода засасывается в узкую часть трубки из стакана
Читать бесплатно другие книги:
