и, следовательно, сильнее нагревает воздух, – то вода поднимется чуть не до половины стакана; между тем известно, что кислород составляет по объему только 1/5 всего объема воздуха.
Вместо бумажки можно пользоваться спичками, воткнутыми в пробочный кружок, – как и показано на рис. 72.
Рис. 72. Как собрать всю воду из тарелки под опрокинутый стакан.
Сложное объяснение простого явления. Пульверизатор
До сих пор мы все время встречали простые объяснения для более или менее сложных явлений. Теперь перед нами обратный случай: явление на первый взгляд крайне просто, а объяснение его очень сложно.
Мы говорим о пульверизаторе, обо всем известном, обыкновенном коленчатом пульверизаторе. Каждый из нас знаком с его употреблением, но едва ли найдется много людей, которые могли бы правильно объяснить механизм его действия.
Рис. 73. Как течет газ по трубе.
В школьных курсах физики действие пульверизатора объясняется чересчур в общих чертах, – не потому, что оно само собой понятно, а наоборот: потому что оно очень сложно. Для физика-любителя, однако, обидно не знать, на чем основано устройство столь обыкновенного и всем известного снаряда. Постараемся же разобраться в этом.
Прежде всего нам придется сделать маленькое отступление и побеседовать о скорости течения газа в трубке, имеющей неодинаковую ширину. Легко показать, что количество газа, проходящее в 1 секунду через поперечное сечение трубки, должно быть одинаково как в узких, так и в широких частях трубки. Действительно, если бы (рис. 73) в какой-нибудь промежуток времени через сечение ab проходило большее количество газа, нежели через сечение сd, то это значило бы, что часть газа застревает в промежутке между аb и сd; в этом промежутке все время происходило бы накопление газа, – а это не отвечает действительности.
Но если количество газа, протекающее через поперечное сечение, одинаково и в узкой и в широкой частях трубки, то ясно, что скорость течения должна быть не одинакова, а именно: она должна быть больше в узкой части и меньше – в широкой. Ясно это из того, что столбик n широкой трубки превратится в её узкой части в столбик m, имеющий меньшую ширину, но большую длину; между тем, согласно предыдущему, время прохождения обоих столбиков через поперечные сечения должно быть одинаково, – ибо они заключают равные объемы газа. Теперь рассмотрим, как изменяется давление (или упругость) газа при переходе из широкой трубки в узкую. Возьмем тонкий слой газа k на самой границе. В широкой части он двигался медленно, теперь же будет двигаться быстрее; ясно, что сзади он испытывает больший напор, нежели спереди, – иначе он не стремился бы ускорять свое движение. Отсюда прямо следует, что сзади нашего слоя, т. е. в широкой части трубки, давление (упругость) больше, нежели впереди его, т. е. в узкой её части.
Тут мы и подошли к самой сути дела: мы логически доказали, что газ, переходя из широкой части трубки в узкую, уменьшает свою упругость.
Зная эту особенность, уже легко объяснить действие пульверизатора.
Рис. 74. Пульверизатор в разрезе.
Когда мы дуем в колено a, заканчивающееся сужением (рис. 74), то воздух, переходя в это сужение, уменьшает свою упругость. С этой уменьшенной упругостью он и выходит из трубки. Таким образом, над трубкой оказывается воздух с уменьшенной упругостью, и потому давление атмосферы гонит жидкость вверх по трубке; у отверстия жидкость попадает в струю выдуваемого воздуха и под её действием распыляется.
Таков довольно сложный механизм действия столь простого на вид прибора. В заключение укажем, как самомý устроить пульверизатор из двух гусиных перьев и пробки. Описывать здесь нечего – все ясно из рис. 75.
Рис. 75. Самодельный пульверизатор из гусиных перьев.
Недоумение автора
Объяснение действия пульверизатора изложено выше по курсу физики Г. Лоренца, профессора Лейденского университета, одного из величайших физиков нашего времени.
Познакомившись с этим объяснением, я увидел как-то в магазине целую партию пульверизаторов, трубки которых не имели и намека на то сужение у конца, которое, согласно теории, необходимо для действия пульверизатора: они были рóвны по всей длине.
– Вы продаете эти пульверизаторы? – спросил я продавца.
– Конечно.
– Но ведь они никуда не годятся!
И я объяснил продавцу, какой недостаток имеют эти пульверизаторы и почему они совершенно негодны к употреблению.
Вместо ответа продавец молча взял в рот раскритикованный мною пульверизатор и, погрузив другое колено в стакан с водой, извлек из него целое облако водяных брызг.
Я был поражен: предо мной вопиющее нарушение теории! Решив расследовать дело поближе, я приобрел один из посрамивших меня пульверизаторов и отправился домой, чтобы на досуге обдумать, где кроется ошибка в теории знаменитого физика. Ведь если трубка не имеет на конце сужения, то воздух, согласно теории, должен выходить из неё неразряженным, и, следовательно, воде нет никаких причин подниматься…
Прежде чем я успел дойти до дому, мои сомнения были разрешены. Ларчик открывался просто: наш собственный рот есть широкий резервуар, а вставленная в него трубка – сужение. Воздух, переходя изо рта в трубку пульверизатора, разрежается в ней и в таком разреженном состоянии выходит наружу. Сужение на конце трубки вовсе не необходимо для получения этого эффекта.
Как мы пьем?
Неужели и над этим можно задуматься? Конечно. Мы приставляем стакан или ложку с жидкостью ко рту и «втягиваем» в себя их содержимое. Вот это-то простое «втягивание» жидкости, к которому мы так привыкли, и надо объяснить. Почему, в самом деле, жидкость устремляется к нам в рот? Физическая причина такова: при питье мы расширением наших легких разрежаем воздух во рту; наружный воздух стремится уравновесить это уменьшение упругости; он проникает в наш рот и толкает перед собой жидкость. Здесь происходит то же самое, что произошло бы с жидкостью в сообщающихся сосудах, если бы мы стали разрежать воздух над одним из этих сосудов: жидкость давлением атмосферы перешла бы в этот сосуд.
Итак, не совсем неправ будет тот, кто вздумает утверждать, что мы пьем легкими: ведь расширение легких – главная причина того, что жидкость сама устремляется в наш рот.
Отсюда следует также, что если бы воздух не обладал упругостью, мы не могли бы пить; по крайней мере, приемы питья должны были бы быть совершенно иные.
Глава VIIIТеплота
Когда Николаевская дорога длиннее – летом или зимой?
Один шутник на вопрос о длине Николаевской железной дороги ответил так:
– Летом 604 версты, а зимой – 603½.
Этот странный ответ вовсе не так нелеп, как может показаться с первого взгляда. Если под длиной железной дороги разуметь длину сплошного рельсового пути, то, действительно, он у Николаевской дороги летом на ½ версты длиннее, нежели зимой. Происходит это – как читатель, вероятно, уже догадался, – вследствие расширения тел при нагревании. Коэффициент расширения железа равен 0,000015; это значит, что каждая сажень железного бруса удлиняется на 0,000015 сажени при нагревании на 1° (Реомюра). В знойные дни температура часто доходит до 30°C, в морозы она нередко понижается до – 25°. Это дает разницу в 55°. Умножьте теперь длину рельсового пути, 609 верст, на 0,000015 и на 55 – вы получите почти ровно полверсты:
Разумеется, длина дороги при этом не меняется, изменяется лишь сумма длин всех рельсов. Читатель заметил, вероятно, что рельсы железнодорожного пути не примыкают одна к другой вплотную: между стыками двух соседних рельсов нарочно оставляются так называемые зазоры, чтобы дать рельсам возможность свободно удлиняться при повышении температуры. Наше вычисление показывает, что зимой общая сумма длин всех рельсов уменьшается за счет длины этих пустых промежутков; убыль эта в морозы достигает ½ версты, по сравнению с величиной её в знойные летние дни. Другими словами, железная часть дороги действительно зимой на полверсты короче, нежели летом.
Безнаказанная кража телефонной проволоки
Нам часто приходится слышать о краже телефонной проволоки на междугородных линиях, и полиция ведет против этих воров жестокую кампанию. Однако на линии Петербург-Москва каждый год пропадает около полуверсты телефонной проволоки, – и полиция не предпринимает против виновника кражи ровно никаких мер, хотя хорошо знает, кто он такой.
Впрочем, теперь и вы, читатель, знаете его: этот вор – мороз. Все, что мы выше говорили о рельсах, в той же мере применимо к телефонным и телеграфным проводам. Но здесь уже нет никаких пустых промежутков, – и потому мы без всяких оговорок можем утверждать, что телефонная линия Петербург-Москва зимой на полверсты короче, нежели летом! Мороз безнаказанно каждую зиму похищает полверсты телефонной проволоки, – не внося, впрочем, никакого расстройства в работу телефона.
Теплое тяжелее!
При помощи чрезвычайно простого приспособления можно сделать наглядным и видимым удлинение металлического, даже очень короткого, прута при нагревании. Возьмите прямой прут (например, от оконной шторы) и проткните им пробку, как показано на рис. 76. В пробку воткните две булавки: у вас получится как бы коромысло весов, если вы поместите прут так, чтобы булавки остриями опирались на донышко рюмки. Для уравновешения этого коромысла наденьте на концы его по пробке и втыкайте в них булавки до тех пор, пока прут не расположится горизонтально; само собою разумеется, что сначала вы должны пробовать хотя бы приблизительно уравновесить его соответствующим перемещением средней пробки, – иначе вам придется, пожалуй, воткнуть в концевые пробки чересчур много булавок.