Нурбей Гулиа - Удивительная физика
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.
Рис. 191. Подъем затонувшего судна понтонами
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.
Рис. 192. «Картезианский водолаз»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.
Рис. 193. Опыт с усыпленной рыбкой
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?
Рис. 194. Вода следует за поршнем во всасывающем насосе потому, что на нее действует атмосферное давление Рис. 195. Насосы: а – всасывающий; б – комбинированный – всасывающе-нагнетающий
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.
Рис. 196. Давление атмосферы уравновешивает столб ртути высотой около 760 мм
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.
