Яков Перельман - Физика на каждом шагу
Поверхностная пленка
Опыты, о которых мы сейчас рассказали, научили нас тому, что жидкость словно одета тонкой упругой пленкой, которою она поддерживает на воде и стальную иглу, и бегающую водомерку. Попытаемся понять теперь, что же это за пленка.
Рис. 48. Частица жидкости подвержена действию окружающих частиц
Все вещи, какие только существуют в природе, состоят из мельчайших, неразличимых даже в микроскоп, частичек, которые называются молекулами. Частички эти притягивают одна другую; в твердых телах взаимное притяжение молекул настолько сильно, что тело не рассыпается и даже противится нарушению его целости; оттого твердые тела прочны. Молекулы жидкостей тоже притягивают одна другую, хотя и не так сильно. Вообразим внутри жидкости одну какую-нибудь молекулу. Ее притягивают другие молекулы, окружающие ее, однако те только, которые находятся в близком соседстве; притяжение более далеких молекул слишком ничтожно. Очертим вокруг нашей молекулы М (см. рис. 48) шар, включающий все те соседние молекулы, которые на нее действуют. Сдвинется ли их притяжением молекула М с места? Нет, потому что молекулы шара влекут ее во все стороны с одинаковой силой.
Рис. 49. Шест не прогибается никуда: его тянут во все стороны с одинаковой силой
Чтобы лучше понять это, представьте себе, что люди, выстроившись в круг, тянут с одинаковою силою за веревки, привязанные к верхушке шеста. Если люди расставлены по кругу на равных расстояниях и тянут одинаково, то шест никуда не подастся: тяга каждого человека уравновешивается тягой другого, стоящего на противоположной точке круга (рис. 49).
Рис. 50. Шест под действием односторонней тяги прогибается внутрь полукруга с людьми
Вообразите теперь, что на одной стороне круга людей нет, остальные же тянут по-прежнему. Куда подастся шест? Конечно, внутрь полукруга. То же самое произойдет с нашей молекулой М, если она очутится близко к поверхности жидкости (рис. 51 и 52): внутрь жидкости ее будет тогда тянуть большее число молекул, чем наружу. Значит, все молекулы, расположенные вблизи поверхности жидкости, образуют особый слой, который, словно растянутая резиновая пленка, стягивает облекаемую им жидкость. Как резиновая растянутая пленка всегда стремится распрямиться, так и поверхностный слой всякой жидкости стремится расправиться; оттого он и выталкивает плавающую иголку или бегающую водомерку.
Рис. 51. Частица жидкости на поверхности
Рис. 52. Частица жидкости неглубоко под поверхностью
Человек-сверхлилипут
В обиходной жизни мы не замечаем существования упругой пленки, одевающей каждую жидкость. Но если бы мы были значительно меньше ростом, если бы сила наших мускулов была не столь велика, мы на каждом шагу сталкивались бы со свойствами этой пленки. Подобно тому, как бегает по воде насекомое водомерка, так и мы, уменьшенные до размеров мелкого жучка, могли бы шагать по поверхности жидкости.
Рис. 53. Крошечный человечек мог бы ходить по воде
Знаменитый физик и изобретатель Циолковский в одной из своих популярных статей так описывает ощущения человека, уменьшенного в тысячу раз.
«Для нас капельки жидкости – мелочь; для крошечных существ эти капельки – огромные шары. Ртутный шарик для уменьшенного человека покажется упругим мячиком, иной раз даже крупнее его самого. Такие жидкие мячики катаются, отталкиваются рукой, подпрыгивают, отскакивают. Если же шар водяной или масляный, то он прилипает к руке или другому члену, втягивает его, увлекает внутрь, засасывая и обволакивая все тело. Если бы не сила мускулов, то всякое маленькое существо было бы, втянуто и окружено смачивающей его жидкостью. Сухопутное животное погибло бы. Мы видим это в мире насекомых, погибающих от прилипания к воде, к маслу, к варенью и т. п. из-за слабости их ног. Вот почему большинство насекомых покрыто веществом, плохо смачивающимся водою: это спасает их от воды (но не спасает от масла, спирта и других жидкостей).
«Смазанное жиром тело крошечного человека отталкивается от воды и от водяного шара, как от ртутного. Поверхность воды кажется тогда непроницаемой и упругой, как натянутый холст или слой резины. Рука выталкивается из жидкости, образуя в ней большую яму; объем такой ямы во много раз превышает объем погруженной части тела, особенно если это погружение неглубоко. Человечек может даже прыгнуть в воду и не тонуть, оставаясь сухим. Он может нежиться на поверхности воды, как на пуховике, и спокойно спать, лишь бы оставался на коже слой жира, предохраняющий от смачивания. При еще меньших размерах он может ходить по воде, как по упругой, сильно натянутой толстой резине, даже как по твердому телу, покрытому мягким ковром».
Так сильно изменились бы привычные нам свойства жидких тел, если бы мы уменьшились до размеров 1–2 мм.
Глава третья На дне воздушного океана
Сколько весит воздух в комнате?
Можете ли вы хоть приблизительно сказать, какой груз представляет воздух, вмещаемый вашей комнатой? Несколько граммов или несколько килограммов? В силах ли вы поднять такой груз одним пальцем или же едва удержали бы его на плечах?
Теперь, пожалуй, не найдется уже людей, которые думают, как полагали древние, что воздух вовсе ничего не весит. Но сказать, сколько весит определенный объем воздуха, многие и сейчас не смогут.
Запомните же, что литровая кружка воздуха той плотности, какую он имеет близ земной поверхности при обычной комнатной температуре, весит около 1.2 г. Так как в кубическом метре содержится 1 тыс. л, то кубометр воздуха весит в тысячу раз больше, чем 1.2 г, а именно 1,2 кг. Теперь нетрудно уже ответить на поставленный раньше вопрос. Для этого нужно лишь узнать, сколько кубических метров в вашей комнате, и тогда определится вес содержащегося в ней воздуха.
Пусть комната имеет площадь в 10 м2, а высоту – 4 м. В такой комнате 40 кубометров воздуха, который весит, значит, сорок раз по 1,2 кг. Это составит 48 кг.
Рис. 54
Итак, даже в столь небольшой комнате воздух весит немногим меньше, чем вы сами. Унести на плечах подобный груз вам удалось бы не без труда. А воздух вдвое более просторной комнаты, нагруженный на вашу спину, мог бы вас раздавить.
Сколько воздуха вы вдыхаете?
Интересно подсчитать также, сколько весит тот воздух, который мы вдыхаем и выдыхаем в течение одних суток. При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около полулитра воздуха. Делаем же мы в минуту, средним числом, 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 18 полулитров, или 9 целых литров воздуха. Это составляет в час 9 × 60, т. е. 540 л. Округляем до 500 л, или до половины кубического метра, и узнаем, что за сутки человек вдыхает не менее 12 кубометров воздуха. Такой объем весит 14 кг.
Вы видите, что за одни сутки человек проводит через свое тело гораздо больше воздуха, чем пищи: никто не съедает и 3 кг в сутки, вдыхаем же мы воздуха 14 кг. Впрочем, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на четыре пятых из бесполезного для дыхания азота[9], то окажется, что тело наше потребляет кислорода всего около 8 кг, т. е. примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).
Как впервые была обнаружена весомость воздуха?
Наполните бутылку водой, приложите к ее отверстию плотно пальцы, переверните ее, погрузите горлышко под воду в чашке и отнимите пальцы от отверстия. Казалось бы, вода из бутылки может свободно вылиться – отверстие открыто. Однако она не выливается. Даже если бы для этого опыта, вы взяли гораздо большую бутыль, вода выливаться из нее не будет.
Таков простейший опыт, доказывающий, что воздух имеет вес, потому что водяной столб в бутылке поддерживается не чем иным, как давлением окружающего воздуха на воду: атмосферное давление вгоняет воду в бутылку.
Рис. 55. Как проще всего удостовериться, что воздух имеет вес
Как ни просто это объяснение, оно долго ускользало от исследователей, и только лет 300 назад было постигнуто итальянским ученым Торичелли, даровитым учеником и последователем Галилея. Торичелли желал измерить величину атмосферного давления и рассуждал так: атмосфера не простирается беспредельно, вес ее ограничен; следовательно, должен иметь границы и тот водяной столб, который ее уравновешивает. Если бы можно было сделать опыт с очень высокой бутылкой, то вода не заполнила бы ее всю: высота водяного столба в такой бутылке послужила бы мерой давления атмосферы. Однако можно добиться того же самого и другим путем, не употребляя огромных сосудов: нужно только вместо воды взять более тяжелую жидкость.
