Физика на каждом шагу - Яков Перельман

«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.

«Осталось 700 метров до земли. Я вижу первые ее очертания. Тотчас же хватаюсь за кольцо – не для того, чтобы его выдернуть. Чувствую себя, как будто прыгнул с высоты 1000 метров. Однако нужно не прозевать – дернуть кольцо вовремя. Я смотрю на секундомер; земля приближается. У меня запечатлевается изгиб реки и поля овса. Когда стрелка заползла за 140 секунд, я выдергиваю кольцо. Рывок был настолько сильный, что секундомер, привязанный к руке шелковым шнурком, был оборван. Я сразу почувствовал снижение и, слегка подобрав ноги, принимаю еще один толчок от удара о землю…»

Пылинки в воздухе

Если выхорошо поняли, почему парашют, который, конечно, тяжелее воздуха, все же парит в нем, вам станет понятно, почему носится в воздухе пыль. Скажут, пожалуй, что здесь ничего нет удивительного: пыль легче воздуха, оттого и плавает в нем. Кто так думает, тот глубоко ошибается: пыль вовсе не легче воздуха, а тяжелее его в сотни и тысячи раз! Многие думают, что всякая пыль одинакова; это оттого, что пылинки очень мелки и не различаются простым глазом. Совершенно иное покажет вам микроскоп, увеличивающий раз в 200: вы увидите, что пылинки бывают весьма различны не только по форме, но по тому веществу, из которого они состоят.

Что такое пылинки? Мелкие частицы угля, дерева, волокна шерсти, цветочная пыль, обломки посуды, стружки металла, зола и т. п. Все эти материалы в сотни и тысячи раз тяжелее воздуха: железо – в 6 тыс. раз, дерево – в 300 раз и т. п.

Значит, пылинки нисколько не легче воздуха; напротив, они во много раз тяжелее его и никак не могли бы плавать в нем, подобно щепкам в воде.

Поэтому всякая пылинка твердого или жидкого тела непременно должна падать в воздухе, должна в нем «тонуть». Она и падает, но только падение ее происходит примерно так, как падает парашют. Дело в том, что у очень маленьких крупинок поверхность уменьшена не так сильно, как уменьшен их вес. Если сравните дробинку с круглой пулей, которая в 1 000 раз тяжелее ее, то поверхность дробинки окажется меньше поверхности пули всего только в 100 раз. Это значит, что у дробинки поверхность, приходящаяся на единицу веса, вдесятеро больше, чем у пули. Вообразите, что дробинка продолжает уменьшаться, пока не станет в миллион раз легче пули, т. е. превратится в свинцовую пылинку. У этой пылинки поверхность, приходящаяся на единицу веса, в 1 000 раз больше, чем у пули. Воздух мешает ее движению в 1 000 раз сильнее, чем движению нули. И оттого пылинка парит в воздухе, т. е. едва падает, а при малейшем ветре уносится даже вверх. Установлено, что мелкие пылинки могут парить в наших комнатах целые сутки, даже несколько суток, прежде чем осядут на пол.

Бумажный бумеранг

На сопротивлении воздуха основаны загадочные движения брошенного бумеранга – любопытного орудия первобытных австралийцев, описывающего в воздухе самые затейливые кривые. Вы можете изготовить маленькое подобие бумеранга, вырезав его из тонкого картона, например из почтовой карточки, в форме фигуры, изображенной на рисунке. Чтобы свой бумажный бумеранг заставить полететь, положите его на край книги и затем резко ударьте карандашом по выступающему концу. Бумеранг умчится, опишет плавную кривую, и если только ни на что не наткнется, то возвратится к вашим ногам. Поупражнявшись некоторое время, вы можете достичь большой ловкости в искусстве метания этой бумажной полоски (рис. 72).

Рис. 72

Воздушное сопротивление

Первоклассный бегун, состязающийся на скорость, вовсе не стремится в начале бега быть впереди соперников. Напротив, он старается держаться позади них; только приблизившись к финишу, он проскальзывает мимо других бегунов и приходит к конечному пункту первым. Для чего избирает он такой маневр? Почему ему выгоднее бежать позади других?

Причина та, что при быстром беге приходится затрачивать немало работы для преодоления сопротивления воздуха. Обыкновенно мы не думаем о том, что воздух может служить помехой нашему движению: расхаживая по комнате или прогуливаясь по улице, мы не замечаем, чтобы воздух стеснял наши движения. Но это только потому, что скорость нашей ходьбы невелика. При быстром движении воздух уже заметно мешает нам двигаться. Кто ездит на велосипеде, тот хорошо знает, что воздух мешает быстрой езде. Недаром гонщик пригибается к рулю своей машины: он этим уменьшает величину той поверхности, на которую напирает воздух. Вычислено, что при скорости 10 км в час велосипедист тратит седьмую часть своих усилий на то, чтобы бороться с воздухом; при скорости 20 км на борьбу с воздухом уходит уже четвертая доля усилий ездока. При еще большей скорости приходится расходовать на преодоление воздушного сопротивления третью долю работы и т. д.

Теперь вам станет понятно загадочное поведение искусного бегуна. Помещаясь позади других, менее опытных бегунов, он освобождает себя от работы по преодолению воздушного сопротивления, так как эту работу выполняет за него бегущий впереди. Он сберегает свои силы, пока не приблизится к цели настолько, что станет наконец выгодно обогнать соперников.

Маленький опыт разъяснит вам сказанное. Вырежьте из бумаги кружок величиной с пятикопеечную монету. Уроните монету и кружок порознь с одинаковой высоты. Вы уже знаете, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро. В нашем случае правило не оправдается: бумажный кружок упадет на пол заметно позднее монеты. Причина та, что монета лучше одолевает сопротивление воздуха, чем бумажка. Повторите опыт на иной лад: положите бумажный кружок поверх монеты и тогда уроните их. Вы увидите, что и кружок и монета достигнут пола в одно время. Почему? Потому что на этот раз бумажному кружку не приходится бороться с воздухом: эту работу выполняет за него монета, движущаяся впереди. Точно так же и бегуну, движущемуся позади другого, легче бежать: он освобожден от борьбы с воздухом.

Старинные опыты с безвоздушным пространством

Наши беседы о свойствах воздуха закончим старинным рассказом о первых опытах с воздушным насосом. Опыты эти производились в конце XVII столетия председателем самоуправления немецкого города Магдебурга физиком Отто Герике. Рассказ о выполненных им интересных опытах поясняется рисунками, взятыми из его книги.

«Мне пришел на мысль следующий опыт:

«Если наполним водою бочку, все щели которой заделаны настолько тщательно, что в нее не может проникать внешний воздух, затем вставим в дно металлическую трубку, через которую можно выпускать воду, то в силу своей тяжести она будет вытекать и оставит в бочке пустое пространство, в котором не может быть и никакого другого вещества.

«Желая проверить на опыте свои соображения, я заказал себе медный насос с поршнем и цилиндром, очень тщательно пригнанными (чтобы воздух не мог проникать внутрь насоса и выходить из него мимо поршня). Далее насос был снабжен двумя кожаными клапанами, из которых внутренний должен был впускать воду, а наружный – содействовать ее выливанию.

Укрепив в дне бочки свой насос, я попытался выкачать воду. Однако при этом обручи и винты, которыми насос прикреплялся к бочке, отрывались, прежде чем поршень успевал втянуть воду.

Рис. 73. Отто Герике, изобретатель воздушного насоса

«Впрочем труд мой не оказался бесполезным. После того как насос прикрепили большими винтами, было наконец достигнуто то, что трое сильных работников, качавших насос, могли добыть воду через отверстие, прикрытое клапаном. Тогда внутри бочки послышался шум, какой бывает при кипении воды; он продолжался до тех пор, пока пространство, оставшееся после удаления воды, не было заполнено воздухом.

Рис. 74. Первый опыт Отто Герике над образованием безвоздушного пространства

«Этот недостаток надо было устранить каким-ни-будь способом; я достиг этого, взяв бочку меньших размеров и поместив ее внутри первой. Пропустив трубу более длинного насоса через дно обеих бочек, я велел наполнить водой меньшую бочку, законопатить ее отверстие и затем, наполнив водой также большую бочку, вновь начал работу. Теперь вода выкачивалась из маленькой бочки и, несомненно, оставляла в ней после себя совершенно пустое пространство.

«Но при наступлении ночи, когда дневной шум прекратился, можно было слышать внутри бочки прерывающийся звук, имевший сходство с птичьим щебетаньем. Это продолжалось почти трое суток.