Поклажа из воздуха
В середине XVII столетия жители города Магдебурга были свидетелями поразительного зрелища: 16 лошадей изо всех сил старались разнять два приложенных друг к другу медных полушария. Что связывало их? Ничто, воздух. И тем не менее, восемь лошадей, тянувших в одну сторону, и восемь, тянувших в другую, оказались не в силах их разъединить. Так бургомистр Отто фон Герике наглядно доказал, что воздух – не «ничто», что он имеет вес и давит со значительною силою на все земные предметы.
Описание знаменитого опыта с «магдебургскими полушариями» имеется во всех учебниках физики. И все же, мне думается, читателю интересно будет узнать, как описан этот опыт самим Герике. Книга с описанием целого ряда его опытов вышла на латинском языке в Амстердаме в 1672 году под длинным заглавием:
Интересующему нас опыту посвящена глава XXIII этой книги. Вот ее перевод:
«Опыт, доказывающий, что давление воздуха соединяет два полушария так прочно, что их нельзя разнять усилиями 16 лошадей».
«Я заказал два медных полушария а и b (см. гравюру), диаметром в ¾ магдебургских локтя[34]. Но в действительности диаметр их заключал всего 67/100, так как мастера́, по обыкновению, не могли изготовить в точности то, что требовалось. Оба полушария вполне отвечали одно другому. К одному полушарию был приделан кран Н (фиг. IV); с его помощью можно удалить воздух изнутри и препятствовать проникновению воздуха снаружи. Кроме того, к полушариям прикреплены были 4 кольца, через которые продевались канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел также сшить кожаное кольцо (D); оно напитано было смесью воска в скипидаре; зажатое между полушариями, оно не пропускало в них воздух. В кран вставлена была трубка воздушного насоса, и был удален воздух внутри шара. Тогда обнаружилось, с какою силою оба полушария придавливались друг к другу через кожаное кольцо. Давление наружного воздуха сдавливало их так крепко, что 16 лошадей совсем не могли их разнять или достигали этого лишь с трудом. Когда же полушария, уступая напряжению всей силы лошадей, разъединялись, то раздавался грохот, как от ружейного выстрела.
Но стоило поворотом крана открыть свободный доступ воздуху – и оба полушария нетрудно было разнять руками».
Несложное вычисление может объяснить нам, почему нужна такая огромная сила (16 лошадей), чтобы разъединить части пустого шара. Воздух давит с силою около 1 кг на каждый квадратный сантиметр; площадь круга[35] диаметром в ¾ локтя (37 см) равна 1060 см². Значит, давление атмосферы на каждое полушарие должно превышать 1000 кг (60 пудов). Каждая восьмерка лошадей должна была, следовательно, тянуть с силою 60 пудов, чтобы противодействовать давлению воздуха.
Рис. 61. Опыт с «магдебургскими полушариями». Иллюстрация из сочинения Отто фон Герике.
Казалось бы, для 8-ми лошадей это очень небольшой груз: ведь 8 сильных лошадей везут телегу, нагруженную 1000 пудами! Не забывайте, однако, что, двигая 1000-пудовую кладь, лошади преодолевают силу не в 1000 пудов, но гораздо меньшую, именно – силу трения колес о мостовую. А эта сила составляет всего 2–5 процентов, т. е. при 1000-пудовом грузе равна 20–50 пудам (в зависимости от качества мостовой). Следовательно, тяга в 60 пудов соответствует нагрузке телеги в 1200–3000 пудов. Вот какова та воздушная поклажа, везти которую должны были лошади магдебургского бургомистра!
Измерено, что средняя ломовая лошадь тянет воз с усилием всего в 5 пудов (при скорости 4 версты в час). Следовательно, для разрыва «магдебургских полушарий» понадобилось бы, при спокойной тяге, не 8, а 12 лошадей с каждой стороны!
Рис. 62. Кости наших тазобедренных сочленений не распадаются благодаря атмосферному давлению, подобно тому, как сдерживаются «магдебургские полушария».
Читатель будет, вероятно, изумлен, узнав, что некоторые сочленения нашего тела не распадаются по той же причине, что и «магдебургские полушария». Наше тазобедренное сочленение представляет собой именно такие «магдебургские полушария». Можно обнажить это сочленение от мускульных и хрящевых связей – и все-таки бедро не выпадет из сочленения: его прижимает атмосферное давление, так как в межсуставном пространстве воздуха нет. Наоборот, достаточно просверлить канал в тазовой кости, открыв доступ воздуху внутрь сочленения – и кость выпадает, несмотря на то, что все хрящи и мускулы в целости.
«Пустота» оказывается здесь, как видите, более крепкою связью, нежели мускулы и хрящи.
Отчего притягиваются корабли?
Осенью 1912-го года с океанским пароходом Олимпик, одним из величайших в мире судов, произошел странный случай. Олимпик плыл в открытом море, а почти параллельно ему, на расстоянии 50 саженей, проходил с довольно большой скоростью другой, гораздо меньший пароход – Гаук. Когда оба судна заняли положение, изображенное на рис. 63, произошло нечто неожиданное: меньшее судно стремительно свернуло со своего пути, словно повинуясь какой-то невидимой силе, повернулось носом к большому пароходу и, не слушаясь руля, двинулось почти прямо на него.
Рис. 63. Положение пароходов «Олимпик» и «Гаук» перед столкновением.
Произошло столкновение. Гаук врезался носом в бок Олимпика, удар был так силен, что Гаук проделал в борте Олимпика большую пробоину.
Когда этот странный случай рассматривался в морском суде, виновной стороной был признан капитан гиганта Олимпика, «…так как он, – гласило постановление суда, – не отдал никаких распоряжений уступить дорогу идущему наперерез Гауку». Суд не усмотрел здесь, следовательно, ничего необычайного: простая нераспорядительность капитана, не больше. А между тем здесь имело место совершенно непредвиденное обстоятельство – случай в заимного притяжения судов на море.
Такие случаи не раз случались, вероятно, и раньше при параллельном движении двух кораблей. Но пока не строили очень крупных судов, явление это не выражалось с такой силой. Лишь в самые последние годы, когда воды океанов стали бороздить колоссальные морские Левиафаны, явление притяжения судов сделалось гораздо заметнее.
Трагически погибший гигантский пароход Титаник незадолго до гибели также чуть не сделался причиной катастрофы, вызванной этим загадочным притяжением. В гавани Саутгемптона стояли рядом Титаники пароход Нью-Йорк. Когда Титаник двинулся в путь, Нью-Йорк, стоявший до тех пор совершенно неподвижно, внезапно рванулся с места с такой силой, что оборвал якорную цепь и двинулся прямо на Титаник. Столкновение было неизбежно и окончилось бы трагически для обоих судов, если бы не своевременная помощь буксирных пароходов.
Многочисленные аварии мелких судов, проплывавших в соседстве с большими пассажирскими и военными судами, происходили, вероятно, также вследствие «притяжения кораблей».
Но чем же объясняется это притяжение? Конечно, здесь не может быть и речи о всемирном тяготении по закону Ньютона. Причина совершенно иного рода и объясняется законами течения жидкостей в трубках и каналах. Можно доказать, что если жидкость протекает по каналу, имеющему сужения и расширения, то в узких частях канала она течет быстрее и давит на стенки канала слабее, нежели в широких местах, где она протекает спокойнее и давит на стенки сильнее (так называемое «правило Бернулли»).
Рис. 64. В узких частях канала вода течет быстрее, но давит на стенки слабее, нежели в широких.
Зная это, мы без труда поймем, в чем кроется истинная причина притяжения судов. Когда в море два парохода плывут параллельно один другому, между их бортами получается как бы водяной канал. В обыкновенном канале стенки неподвижны, а движется вода; здесь же наоборот: вода неподвижна, а движутся стенки. Но действие сил от этого нисколько не меняется: в узких местах подвижного канала вода слабее давит на стенки, нежели в пространстве вокруг пароходов. Другими словами: бока пароходов, обращенные друг к другу, испытывают со стороны воды меньшее давление, нежели наружные части судов. Что же Рис. 65. Течение воды между должно произойти вследствие того? Понятно, суда должны, под напором наружной воды, двинуться друг к другу, и естественно, что меньшее судно перемещается стремительнее, между тем как более массивное остается почти неподвижным. Вот почему притяжение проявляется с особенной силой, когда большой корабль быстро проносится мимо маленького.
Рис. 65. Течение воды между двумя плывущими пароходами
Путешествие в недра Земли
Ни один человек не опускался еще в Землю глубже двух верст, – а между тем радиус земного шара равен 6000 верст. До центра Земли остается еще очень долгий путь. Тем не менее, изобретательный Жюль Верн, как вы, конечно, помните, заставил спуститься глубоко в недра земли своих героев – чудака-профессора Лиденброка и его племянника Акселя. В романе «Путешествие к центру Земли» он описал удивительные приключения этих подземных путешественников. В числе неожиданностей, встреченных ими в странствовании под землей, было, между прочим, быстрое увеличение плотности воздуха. По мере поднятия вверх воздух разрежается очень быстро: его плотность уменьшается в геометрической прогрессии, в то время как высота поднятия растет в арифметической прогрессии. Напротив, при опускании вниз, ниже обычного уровня, воздух, под давлением лежащих над ним слоев, должен, по тому же закону, становиться все плотнее и плотнее. И подземные путешественники Жюля Верна, конечно, не могли не заметить этого.
Вот какой разговор происходил между дядей-ученым и его племянником на глубине 12 лье[36]