Физика на каждом шагу - Яков Перельман

Понять причину этих явлений нетрудно. Когда воздух в стакане нагрелся, он расширился, как и все нагреваемые тела; избыток его нового объема вышел из стакана. Когда же воздух начал остывать, его давления стало недостаточно, чтобы в холодном состоянии уравновешивать наружное давление атмосферы. Вода под стаканом испытывает теперь на каждый сантиметр своей поверхности меньшее давление, чем в открытой части тарелки: она вгоняется под стакан, втискиваемая туда избытком давления наружного воздуха. Вода, значит, не «втягивается» стаканом, не всасывается им, как кажется при первом взгляде, а вгоняется под стакан извне.

Рис. 68. Горящее пламя собирает под опрокинутый стакан всю воду из тарелки

Теперь, когда вам известна причина происходящих здесь явлений, вы поймете также, что нет надобности для опыта зажигать бумагу или горящую, смоченную в спирте ватку (как часто советуют), вообще пользоваться каким-либо пламенем. Сполосните стакан кипятком, – опыт удастся столь же хорошо.

Все дело здесь в том, чтобы нагреть воздух в стакане, а способ – безразличен[17].

Легко, например, проделать тот же опыт в следующем виде. Выпив чаю, опрокиньте стакан, пока он еще горяч, над блюдцем, в которое вы налили немного чаю заранее, чтобы к моменту опыта он уже успел охладиться. Через минуту-две чай из блюдца соберется под стакан.

Давление ветра

Когда ветер, т. е. движущийся поток воздуха, встречает преграду, он оказывает на нее давление большее, чем 1 кг на квадратный сантиметр. Давление воздуха на эту преграду спереди и сзади в таких случаях не уравновешивается, и избыток давления со стороны ветра стремится сдвинуть преграду с места. Это усилие и имеют в виду, когда говорят о «давлении ветра».

Величина давления ветра на обдуваемую им поверхность зависит от его скорости, от его «силы». Слабый ветер давит на квадратный метр поверхности, поставленной под прямым углом к нему, с силою 4–5 кг, сильный ветер – до 30 кг, шторм – до 75 кг. Нетрудно рассчитать, что, например, на радиомачту в 4 м высоты и 5 см толщины сильный боковой ветер давит с силою 6 кг, а шторм – 15 кг. Вы легко можете вычислить также, что на телеграфную проволоку длиною 50 м и толщиною 4 мм сильный ветер оказывает давление в 4 кг, а телеграфный столб высотою 8 м и поперечником 25 см шторм стремится опрокинуть с силою 150 кг.

Интересно подсчитать, что сильнее: давление урагана или рабочее давление пара в цилиндре паровой машины? Как ни странно, но пар оказывает во много раз большее удельное давление, чем самый сильный ураган. Действительно, ураган давит с силою 300 кг на 1 м2. Это составляет на 1 см2 в 10 000 раз меньше, т. е. 3/100 кг. Давление же пара, увлекающее цилиндр в движение, достигает десятков килограммов на 1 см2, а в новейших машинах еще больше. Следовательно, на одну и ту же площадку работающий пар давит в сотни раз сильнее, чем самый опустошительный ураган.

Если движущийся воздух сильно давит на встречное тело, то и спокойный воздух оказывает значительное давление на быстро движущееся тело. Это и есть причина того, что называют «сопротивлением воздуха».

Как останавливаются поезда воздухом?

Давление сжатого воздуха достигает иногда такой силы, что ею останавливают мчащийся поезд. Делается это помощью так называемых «воздушных тормозов». Устройство подобного тормоза показано на прилагаемых рисунках. На паровозе (см. рис. 69) помещается главный резервуар, наполняемый сжатым воздухом от насоса (компрессора). От главного резервуара отходит трубопровод, подводящий сжатый воздух к вспомогательным резервуарам под каждым вагоном. Когда трубопровод наполнен сжатым воздухом, колодки не прижимаются к бандажам колес: особый клапан V (см. рис. 70) мешает воздуху резервуара поступать в тормозной цилиндр, и пружина S оттягивает колодку от колеса. Чтобы привести тормоз в действие, машинист выпускает из трубопровода часть воздуха и тем уменьшает в нем давление. Тогда клапан автоматически открывается, воздух из резервуара (под вагонами) поступает в тормозной цилиндр, и напор его, противодействуя пружине, прижимает тормозную колодку к бандажу: вращение колес замедляется. То же, в случае необходимости, может сделать и пассажир в вагоне поезда, так как трубопровод имеет еще один клапан, открываемый поворотом рукоятки у стенки вагона. Наконец выпуск воздуха, а следовательно и торможение поезда, происходит сам собою в том случае, если мчащийся поезд разрывается по какой-либо причине: тормоз автоматически приходит в действие, и части разорвавшегося поезда останавливаются.

Рис. 69. Устройство воздушного тормоза для остановки поездов. Внизу показано, как действует тормоз в случае разрыва поезда. На обоих рисунках зачернены части, заполненные сжатым воздухом

Рис. 70. Подробности устройства воздушного тормоза. Когда тормоз не работает, клапан Y закрыт, и сжатый воздух из баллона R не идет в цилиндр С; пружина S оттягивает стержень, соединенный с тормозной колодкой

Парашют

Из листа папиросной бумаги приготовьте круг поперечником в несколько ладоней. Посередине вырежьте кружок шириною в несколько пальцев. К краям большого круга привяжите нитки, продев их через дырочки; концы ниток, – они должны быть одинаковой длины, – привяжите к легкому грузику. Вот и все устройство парашюта.

Чтобы испытать ваш миниатюрный парашют, уроните его из окна верхнего этажа грузиком вниз. Груз натянет нитки, бумажный круг расправится, парашют плавно полетит вниз и мягко достигнет земли. Это – в безветренную погоду. А при ветре, даже слабом, парашютик будет подхвачен вверх, унесется прочь от дома и спустится где-нибудь далеко.

Чем больше «зонт» парашюта, тем больший груз вы сможете подвесить к нему (груз необходим, чтобы парашют не был перевернут), тем медленнее он станет падать в безветренную погоду и тем дольше будет он путешествовать по ветру.

Но почему парашют держится так долго? Вы догадываетесь, что парашюту мешает падать воздух; не будь бумажного листа, груз упал бы на землю, как гиря. Папиросная бумага увеличивает поверхность падающей вещи, почти ничего не прибавляя к ее весу; а чем больше поверхность предмета, тем заметнее сопротивляется воздух его движению.

Парашют ваш, конечно, не более, как игрушка. Но парашют больших размеров – очень полезное приспособление, спасшее жизнь многим летчикам. На самолете обычно имеется в сложенном виде большой парашют, и если в машине случится авария или неисправность, грозящая ей гибелью, летчик привязывает себя к парашюту и бросается с ним вниз. Во время падения парашют сам раскрывается (для этого имеется особое устройство), и летчик достигает земли невредимым. Конечно, и здесь не обходится иной раз без несчастья: случается, что парашют почему-либо не раскрывается, – тогда летчик камнем падает на землю и расшибается, но подобные несчастные случайности очень редки.

Рис. 71. Как летчик сбрасывается с парашютом (три последовательных момента)

Наши советские летчики достигли величайшего искусства в пользовании парашютами. В 1932 г. летчик Забелин совершил на парашюте прыжок с высоты 6 200 м (выше Монблана). В том же году летчик Афанасьев совершил другой рекордный прыжок: спрыгнув с высоты 2 тыс. м, он раскрыл парашют только на высоте 400 м, пролетев, значит, больше полутора километров без парашюта; это необычайное падение длилось 33 секунды.

Осенью 1933 г. летчик Евсеев поставил мировой рекорд так называемого «затяжного» прыжка с самолета. Он выбросился с высоты 7 200 метров, летел больше двух минут, не раскрывая своего парашюта; пролетев таким образом свыше 7 километров, отважный летчик раскрыл парашют только на высоте 150 метров над землей.

16 июля 1934 г. летчик Евдокимов установил новый мировой рекорд затяжного прыжка с парашютом. Евдокимов поднялся на самолете на высоту 8 100 метров и бросился вниз. Не раскрывая парашюта, он стремительно падал вниз 142 секунды и пролетел 7 900 метров. Парашют был раскрыт лишь на высоте 200 метров от земли.

Что же испытывает летчик во время падения с заоблачных высот? Вот что рассказывает сам Евдокимов о своем прыжке:

«По сигналу «приготовиться к прыжку» я пробираюсь к отверстию в дне самолета и свешиваю ноги над бездной.

«По третьему сигналу я одновременно засекаю секундомер и прыгаю вниз ногами. Затем я переворачиваюсь вниз головой и так падаю.

«Очень трудно ориентироваться. От непроизвольного движения ноги или руки, создающего добавочное сопротивление, меня начинает крутить штопором. Я отставляю левую руку в сторону и этим прекращаю вращение. На высоте 5 500 метров встречаю верхний ярус облаков. Земли еще не видно. Я попал в солнечный район. Ниже плывут серые облака. Никакой ориентировки нет.

«Я лечу во втором облачном слое. Для облегчения напряжения снимаю маску и очки, которые в облаках очень вспотели.