Бруно Донат - Физика в играх
Опыт с двойным конусом. Аккуратно сделайте из плотной бумаги два конуса с диаметром основания 6 сантиметров и высотой 7 сантиметров (рис. 12, Б). Потом склейте их основаниями и дайте хорошенько высохнуть. Еще лучше выточить такой двойной конус из дерева. Затем выпилите из фанеры две дощечки длиной по 30 сантиметров и высотой с одной стороны 2 сантиметра, а с другой — 4,5 сантиметра (рис. 12, В). Наклонные ребра дощечек должны быть совершенно ровными и гладкими (их нужно хорошо протереть стеклянной бумагой).
Рис. 12
Можно сделать дощечки любых других размеров, например длиннее, но разность высот коротких сторон должна быть обязательно меньше радиуса оснований конусов. У нас радиус основания конусов 3 сантиметра, а разность высот дощечек 4,5–2 = 2,5 сантиметра (меньше радиуса).
Сложите теперь дощечки узкими концами, раздвиньте их другие концы на длину конуса. Положите конус серединой на соединение дощечек, и вы увидите, что он, вращаясь и поднимаясь как бы в гору, докатится до раздвинутых широких концов дощечек. На первый взгляд это кажется чем-то особенным, но эта кажущаяся несообразность объясняется тем, что конус-то, собственно, не поднимается вверх, а падает, так как центр тяжести его, совпадающий с центром фигуры, при движении к раздвинутым концам дощечек опускается ниже, чем был при начале движения. Это можно рассмотреть на рис. 12, В. Если сдвинуть обе дощечки ближе, чтобы конус не опускался так глубоко, то он и не покатится кверху. Чтобы дощечки не раздвигались, прибейте к ним поперечную деревянную планку
Поставить кого-нибудь так, чтобы он не мог поднять ногу.
Этот опыт не требует никаких приспособлений. Поставьте кого-нибудь к ровной стене или к двери так, чтобы пятки касались стены. Центр тяжести прямостоящего человека окажется так далеко впереди, что равновесие сохраняется только благодаря носкам ног. В этом положении никто не может поднять ноги, если не согнет колено.
Посадить кого-нибудь так, чтобы он не мог встать. Вам, наверное, приходилось замечать, что при известном положении нашего тела бывает очень трудно или даже совсем невозможно встать со стула. Так, например, если вы положите сидящему на стуле человеку его руки на колени и попросите его вытянуть ноги вперед, то вы увидите, что человек, принявший такое положение, не может встать потому, что центр тяжести в данном случае лежит далеко позади и равновесие сохраняется только стулом. Когда же сидящий подтянет ноги и наклонит туловище вперед, то есть приблизит центр тяжести к ступням ног, то он легко встанет.
О центробежной силе. Привяжите к шнурку камень и начните его вращать. Вы сейчас же заметите, что чем быстрее вы будете вращать камень, тем сильнее будет натягиваться шнурок — это происходит оттого, что при вращении камня развивается сила, которая стремится отбросить его от центра вращения, то есть от руки. Физики называют эту силу центробежной. Уже молодой Давид имел понятие об этой силе, выпуская смертоносный камень из пращи в голову Голиафа. Вообще все тела, вращающиеся вокруг одной точки, имеют стремление удалиться от этой точки. Действительно ли это так? — спросит любознательный читатель. Ведь мы знаем, что планеты вращаются вокруг Солнца, а Луна вокруг Земли, почему же они не улетают в пространство? Действительно, это бы и случилось, если бы в природе не существовало силы противоположной центробежной, а именно силы центростремительной, которая притягивает тела друг к другу. И как мудро это устроено; если бы действовала только центростремительная сила, то Луна упала бы на Землю, но от этого ее удерживает равная ей центробежная сила!.. Эти две силы действовали всегда и будут действовать вечно как на нашей Земле, так и во всем необъятном мировом пространстве.
О давлении воздуха. Окружающий нас воздух, по-видимому столь легкий, прозрачный и невещественный, в действительности обладает тяжестью, или весом, и, как мы увидим ниже, весьма значительным, благодаря чему он и облегает плотно земной шар. Воздух можно взвесить так же, как куль муки или литр молока. Для этого прикрепляют к чувствительным весам стеклянный сосуд, вместимостью, например, 1 литр, и взвешивают его, а затем выкачивают воздух воздушным насосом, насколько это возможно, и снова взвешивают. Весы покажут, что сосуд стал легче на 1 грамм[1]. Значит, 1 литр воздуха весит приблизительно 1 грамм. Сколько же весит весь воздух или как велико давление воздуха на один квадратный сантиметр поверхности земли? Опыты показали, что давление это равняется 1 килограмму[2], отсюда нетрудно вывести чрезвычайно любопытное заключение, что поверхность человеческого тела, представляющая при среднем росте 15 ООО квадратных сантиметров, выносит давление в 15 495 килограммов. Вот какой страшный груз несет на себе каждый из нас! Его было бы слишком достаточно, чтобы совершенно раздавить нас, и если этого не происходит, то только благодаря тому, что давит он нас не только сверху. Воздух окружает нас со всех сторон, и давление его передается нашему телу во всех направлениях, вследствие чего уничтожается и его гибельное действие. Воздух, со всей силой своего давления, свободно проникает в самые глубокие внутренние полости нашего организма, вследствие чего мы испытываем изнутри то же самое давление, как и снаружи, и таким образом давления эти взаимно уравновешиваются.
Теперь поговорим о воздушном океане, на дне которого человек живет как рыба в воде. С незапамятных времен люди старались подняться и плавать в этом воздушном океане. Из древней истории мы знаем о полете на крыльях Дедала с сыном Икаром. Эта и другие подобные легенды доказывают, что мысль о не достигнутом пока еще свободном полете явилась у человека в глубокой древности. Идея об устройстве воздушного шара принадлежит иезуиту Франциску Лану (1670). Затем в Португалии в 1709 году был действительно сооружен воздушный шар; в 1783 году братья Монгольфье, владельцы бумажной фабрики во Франции, выпустили шар, наполненный нагретым воздухом. Их шар представлял собой продолговатый мешок, открытый снизу для наполнения нагретым воздухом. Впоследствии была прикреплена к этому шару плетеная корзина, а первыми воздухоплавателями в ней были баран, петух да утка. В октябре того же года впервые поднялся и завоевал царство эфира человек; это был Пилатр де Розье. Корзина была придумана физиком Шарлем, который затем применил в качестве подъемной силы, вместо нагретого воздуха, водород, а потом придумал разные приспособления, употребляемые и теперь, как, например, сетка, клапан для выпускания газа, балласт, якорь и т. п. В декабре 1783 года Шарль полетел в первый раз сам на шаре, наполненном водородом (который в 14 раз легче воздуха), и поднялся гораздо выше Розье. Эти два типа шаров и до настоящего времени носят названия их изобретателей — шары, наполняемые нагретым воздухом, называются монгольфьерами, наполняемые же газом — шарлиерами. Идя далее по пути усовершенствований, люди пришли к заключению, что самый главный недостаток шаров как летательных аппаратов — это то, что воздушные течения несут их произвольно и что спуститься в любой момент на землю можно, только выпустив газ, то есть шаром управлять невозможно. Современные шары содержат по несколько тысяч кубических метров газа; их делают из непроницаемой шелковой или бумажной ткани, снизу они снабжены особым рукавом для наполнения газом. Наполняются водородом или обыкновенным светильным газом — в зависимости от того, для какой цели и где снаряжается шар: газ дешевле и менее подвержен атмосферным влияниям, зато его подъемная сила почти в 7 раз менее водорода. При полетах для военных целей шары обыкновенно наполняются водородом, ибо подъемная сила шара должна быть настолько велика, чтобы могла поднять не только пассажиров в корзине, привязанной к веревочной сетке, в которой помещается шар, но и все необходимое для воздухоплавателей: продукты, оптические и метеорологические инструменты, балласт и др. Балласт — это мешки с песком; он необходим для того, чтобы регулировать подъем шара, так же как и воздушный клапан. Высыпая песок из мешка, аэронавт облегчает шар и поднимается выше, а выпуская газ через клапан, уменьшает подъемную силу шара и начинает спускаться.
Шарлиеры из резины, наполненные водородом, продаются на улицах в больших городах за несколько копеек, но интересно его сделать и самому. Способ приготовления водорода изложен в последней главе этой книги. Лучше всего приготовить шар из коллодия, который, как известно, быстро испаряется и образовывает пленку. Для этого нужен не очень густой коллодий, бутылка емкостью 1–2 литра с широким горлом и совершенно чистая и гладкая внутри. Нужны еще две стеклянные трубки длиной по 30 сантиметров. Конец одной из трубок надо запаять. Колбу и трубки можно приобрести в магазине наглядных школьных пособий.
