Яков Перельман - Физика на каждом шагу
Тяжелая газета
– Возьми-ка газету в руки, – сказал мне как-то старший брат в те годы моей юности, когда физика была мне еще совершенно незнакома. – Газета очень легка, не правда ли? И ты думаешь, конечно, что сможешь всегда поднять ее хоть одним пальцем. Но вот сейчас ты увидишь, что та же самая газета может сделаться очень и очень тяжелой. Подай мне вон ту чертежную линейку.
– Она изрублена, никуда не годится.
– Тем лучше: не жалко, если сломается.
Брат положил линейку на стол так, что часть ее высовывалась за край.
– Тронь за выступающий конец. Легко наклонить, правда? Ну, а попробуй наклонить ее, когда я накрою другую половину газетой.
Он разостлал газету на столе, аккуратно расправив ее складки и покрыв ею линейку.
Рис. 60
– Бери палку и сильно ударь по выступающей части линейки. Бей со всего размаху.
– Так ударю, что линейка в потолок полетит! – воскликнул я, размахиваясь.
– Главное, не жалей силы.
Результат удара был совсем неожиданный: раздался треск линейка переломилась, а газета по-прежнему осталась да столе, прикрывая другой обломок злополучной линейки.
– Газета-то тяжелее, чем ты думал? – лукаво спросил брат.
Я растерянно переводил глаза с обломка линейки на газету.
– Но почему же газета не пустила линейку? Ведь вот я легко поднимаю ее со стола?
– В этом и суть опыта. На газету давит воздух, и с немалой силой: каждый квадратный сантиметр газетного листа он придавливает с силою килограмма. Когда ударяют по выступающему концу линейки, то другим своими концом она напирает на газетный лист снизу; газета должна приподняться. Если это делается медленно, то под приподнимающуюся газету успевает проникнуть воздух снаружи и своим напором уравновешивает давление на газету сверху. Но твой удар был так быстр, что воздух под газету проникнуть не успел: края газеты еще прилегали к столу, когда середина ее уже увлекалась вверх. Тебе пришлось поэтому поднимать не одну газету, а газету вместе с напирающим на нее воздухом. Короче сказать, тебе надо было поднять линейкой груз примерно во столько килограммов, сколько квадратных сантиметров заключает приподнимаемый участок газеты. Если бы это был участок бумаги всего в 16 квадратных сантиметров – квадратик со стороною в 4 сантиметра, то давление воздуха на него составляло бы 16 килограммов. Но поднимаемый участок бумаги заметно больше, приходилось, значит, поднимать изрядный вес. Такого груза линейка не осилила и сломалась.
Богатырское дуновение
В другой раз брат озадачил меня опытом иного рода, также основанным на свойствах газов. Он начал с того, что принялся кроить и клеить длинный мешок из большого листа газетной бумаги.
– Мешок выйдет на славу, – говорил он. – Я делаю его двойным, чтобы он не пропускал воздуха, когда мы его надуем. Ну вот, готово! Теперь, покуда наш мешок сохнет, принеси-ка сюда несколько книг пообъемистее.
Я разыскал на этажерке три увесистых тома медицинского атласа и положил их на стол.
– Можешь ты надуть этот мешок ртом? – спросил брат.
– Конечно, – сказал я.
– Простое и легкое дело, не правда ли? Но если придавить мешок парочкой таких книг?..
– О, тогда сколько ни старайся, мешок не раздуется.
Брат молча положил мешок у края стола, накрыл его одним томом, а поверх поместил стоймя еще одну книгу.
– Теперь следи. Буду надувать.
– Уж не собираешься ли сдунуть эти книги? – спросил я со смехом.
– Именно!
Брат стал раздувать мешок. И что же вы думаете? Нижняя книга наклонилась под напором вздувшегося мешка и опрокинула верхнюю. А ведь в них было не менее 5 кг весу!
Не давая мне опомниться от удивления, брат приготовился повторить опыт. На этот раз он нагрузил мешок тремя томами. Подул, и – вот богатырское дуновение! – все три тома опрокинулись.
Поразительнее всего то, что, когда я сам отважился проделать этот опыт, мне удалось опрокинуть книги так же легко, как и брату. Не надо вовсе обладать ни слоновыми легкими, ни богатырскими мускулами: все происходит почти без напряжения.
Брат объяснил мне, в чем тут было дело. Когда мы надуваем бумажный мешок, мы вгоняем в него воздух, сдавленный больше, чем наружный воздух, – иначе мешок не раздувался бы. Давление наружного воздуха равно примерно тысяче граммов на каждый квадратный сантиметр. Прикиньте, хотя бы приблизительно, сколько квадратных сантиметров бумаги зажато под книгами. Получится площадь сантиметров 150–300. Избыток давления в мешке над наружным давлением составляет примерно 15-ю долю атмосферного давления, т. е. 1000: 15 = около 70 г[13]. Легко рассчитать теперь, что общее давление воздуха внутри мешка на зажатую его часть, т. е. на книги, составляет не меньше
70 × 150 = около 10 000 г,
иначе говоря, 10 кг. Такая сила, разумеется, более чем достаточна, чтобы опрокинуть книги.
Если бы площадь зажатой части мешка была раз в десять больше, можно было бы «дуновением» поднять человека. Ваш товарищ, конечно, не поверит этому: неужели он настолько легок, что достаточно дунуть – и он будет держаться буквально на воздухе? Однако вы можете убедить его, проделав над ним подобный опыт. Для этого вам понадобится большой бумажный мешок, размером в целый газетный лист; ради надежности мешок надо склеить из нескольких слоев газеты, иначе бумага лопнет при раздувании. В один из углов мешка плотно вклейте мундштук или гусиное перо в виде трубки, а на перо наденьте конец резиновой трубки, достаточно длинной, чтобы вы могли надувать мешок не нагибаясь.
Рис. 61
После этих несложных приготовлений вы сможете дуновением поднять товарища на воздух, если он станет на чертежную доску, покрывающую ваш бумажный мешок. А чтобы товарищу не было обидно, станьте потом на доску сами и своим дуновением поднимите и себя на воздух. Если резиновая трубка достаточно длинна, это удается без особого труда (рис. 61).
Всегда ли легко задуть свечку?
Сейчас мы убедились, как могущественно бывает иногда наше дуновение. Но вот обратный пример, когда дуновение наше оказывается гораздо слабее, чем мы ожидаем. Пробовали ли вы задувать свечу через воронку? Вероятно, нет. Можно поэтому заранее сказать, что если проделаете такой опыт, то будете изумлены: задуть свечу через воронку вовсе не так легко. Вы можете сколько угодно дуть на свечку в узкий конец воронки, – пламя не шелохнется. Мало того: если вы поднесете воронку близко к свече, то пламя, вместо того чтобы отклониться от воронки, пригнется к ней, навстречу воздушной струе (рис. 62).
Секрет искусства задувать свечу через воронку все же довольно прост: надо держать воронку так, чтобы пламя приходилось не на продолжении оси воронки, а на продолжении ее широкого края. Тогда свеча гаснет даже от умеренного дуновения.
Рис. 62
Чем же объясняются эти загадочные явления? Тем, что воздушная струя, вытекая из узкой части воронки, не идет далее по прямой линии, а растекается вдоль стенок воронки. Вследствие этого воздух в осевой части воронки немного разрежается, оттого здесь и устанавливается обратный воздушный ток. Теперь понятно, почему пламя свечи, помещенное против этого места воронки, наклоняется навстречу ей, а помещенное против края – отклоняется вперед и гаснет.
Читателям, вероятно, будет интересно узнать, что описанный здесь, опыт натолкнул советского изобретателя О.Т. Синицына на мысль внести существенное усовершенствование в устройство важного физического прибора – Круксовой трубки. «Решений задачи, – писал он мне, – есть несколько, но применение воронок пока наилучшее. С опытом, показывающим, что воздух растекается по воронке, а не идет прямо, я познакомился из книги, написанной вами. Опыт с воронкой я проделал не раз и убедился, что он может помочь решить задачу соединения вакуума (пустого пространства) с окружающей средой».
Вот поучительный пример того, как иногда несложный опыт открывает путь к ценным изобретениям.
Почему не выливается?
Опыт, о котором сейчас будет рассказано, – один из самых легких для исполнения. Наполните стакан водой, покройте его почтовой карточкой и, слегка придерживая ее пальцами, переверните вверх дном. Теперь можете руку убрать: бумажка не отпадает, вода не выльется, если только вы не держите стакан косо.
В таком виде вы можете переносить стакан с места на место – но с большим удобством, чем при обычных условиях: вода не расплескивается. При случае вам нетрудно будет изумить товарища, принеся ему в ответ на просьбу дать напиться воду в опрокинутом стакане.
Что же удерживает карточку от падения? Давление воздуха: оно действует на карточку снизу с силою, которая, как легко рассчитать, гораздо больше, чем вес воды в стакане, т. е. чем 200 г.
Когда мне еще в детстве впервые показали и объяснили этот опыт, мне было сказано, что вода должна наполнять стакан весь, от дна до краев. Если она занимает только часть стакана, остальная же занята воздухом, то опыт не удастся: воздух изнутри стакана будет давить на бумажку, уравновешивая давление наружного воздуха; следовательно, она должна отпасть.
