см². На каждый сантиметр, как известно, воздух давит с силою 1 килограмма: эта дает на всю лампочку давление 1 260 килограммов, или 75 пудов! Вот какое огромное давление непрерывно выдерживает тонкая стеклянная пленка электрической лампочки! Достаточно четвертой части этого давления, чтобы, действуя изнутри, разнести лампочку вдребезги.
На парусах против ветра
Для всякого не моряка представляется непостижимым, как могут парусные суда идти «против ветра». Правда, моряк скажет вам, что прямо против ветра на парусах идти нельзя, а можно двигаться под очень острым углом к направлению ветра. Но угол этот так мал (12°), что представляется, пожалуй, одинаково непонятным – плыть ли прямо против ветра, или под углом к нему в 12°.
Для теории это, однако, небезразлично, и мы сейчас объясним, каким образом можно силою ветра идти навстречу ему под небольшим углом. Сначала рассмотрим, как вообще действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него в каком-либо направлении. Если вы не моряк, то, вероятно, думаете, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда дует. Но это не так: куда бы ни дул ветер, он толкает парус перпендикулярно к его плоскости. В самом деле: пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рис. 18; линия АВ обозначает парус. Так как ветер напирает равномерно на всю поверхность паруса, то мы можем заменить давление ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу мы разложим на две: силу Q, перпендикулярную к парусу, и силу Р, направленную вдоль него. Последняя сила будет скользить по парусу, не толкая его, так как трение ветра о полотно очень незначительно. Остается только сила Q, которая толкает парус в перпендикулярном к нему направлении.
Рис. 18. Почему ветер всегда толкает парус под прямым углом к его плоскости.
Итак, под каким бы углом к парусу ни дул ветер, он во вся́ком случае напирает под прямым углом к парусу.
Зная это, мы уже без труда поймем, как может парусное судно идти под очень острым углом навстречу ветру. Пусть линия KK (рис. 19) изображает килевую линию судна. Ветер дует под острым углом к этой линии в направлении, указанном рядом стрелок. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра. Проследите на рис. 19 за разложением сил. Напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, как мы знаем, должна быть перпендикулярна к парусу. Силу эту разложим на две: силу R, перпендикулярную к килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R вызывает сильное сопротивление воды (киль в парусных судах делается очень глубоким), то сила R почти полностью уничтожается; остается одна лишь сила S, которая, как видите, направлена вперед, а следовательно, подвигает судно под углом, как бы навстречу ветру.
Рис. 19. Разложение сил, объясняющее, почему возможно идти на парусах против ветра.
Рис. 20. «Лавирование» парусного судна.
Моряки заметили, что наименьшая величина угла ВРS, под которым можно идти против ветра, равна 11–12 градусам. Из чертежа видно, что скорость такого движения против ветра очень невелика (в сравнении с силою ветра), так как при этом используется лишь часть полного напора ветра на паруса. Но как бы то ни было, идти против ветра можно. Обыкновенно это движение выполняется зигзагами, как показывает рис. 20. На языке моряков такое движение судна называется «лавированием».
Мог ли Архимед поднять Землю?
«Дайте мне точку опоры – и я подниму всю Землю», – сказал, если верить преданию, Архимед, когда открыл закон рычага. И действительно, нет такой тяжести, которую нельзя было бы поднять самой слабой силой, если воспользоваться рычагом: стоит только приложить эту силу к очень длинному плечу рычага, а короткое плечо заставить действовать на груз. Поэтому может показаться, что Архимед был вполне прав в своем смелом утверждении: напирая на чрезвычайно длинное плечо рычага, он мог бы силою своих рук поднять тяжесть, равную весу всего земного шара.
Но если бы великий механик древности знал, как огромен вес земного шара, он, вероятно, воздержался бы от своего горделивого восклицания. Вообразим на мгновение, что ему дана та точка опоры, которую он так тщетно искал; вообразим далее, что он изготовил рычаг нужной длины. Знаете ли, сколько времени понадобилось бы ему, чтобы поднять земной шар хотя бы на один дюйм? Десять биллионов лет! Сто тысяч миллионов веков!..
В самом деле, Земля весит круглым числом – 365.000.000.000.000.000.000.000 пудов.
Рис. 21. Архимед поднимает Землю. (Из старинного сочинения по механике.)
Если человек может прямо поднять только пять пудов, то чтобы поднять Землю, ему понадобится приложить свои руки к длинному плечу рычага, которое больше короткого в 73.000.000.000.000.000.000.000 раз!
Простой расчет убедит вас, что пока конец короткого плеча поднимется на 1 дюйм, другой конец опишет во вселенной огромную дугу в 1.740.000.000.000.000.000 верст!
Вот какой невообразимо длинный путь должна была бы пройти рука Архимеда, чтобы поднять земной шар только на один дюйм. Сколько же времени понадобилось бы ему для совершения этого подвига? Считайте, что он способен в секунду поднять пятипудовую гирю на одну сажень; тогда, чтобы пройти путь в 1.740.000 биллионов верст и тем поднять нашу планету на один дюйм, ему понадобилось бы не менее десяти биллионов лет!
Следовательно, если бы даже Архимед налегал на рычаг целый миллион лет, он не поднял бы Землю даже на толщину волоса. И если бы рука Архимеда пробегала этот путь с самой большой скоростью, какую только мы наблюдаем в природе, именно – со скоростью света (280.000 верст в секунду), то и тогда понадобилось бы полтораста тысяч лет, чтобы поднять Землю на один дюйм! За всю свою жизнь Архимед даже при такой фантастически быстрой работе не успел бы поднять земной шар на сотую долю толщины волоса…
И никакие ухищрения гениального ученого не помогли бы ему сократить этот срок. «Золотое правило механики» гласит, что на всякой машине выигрыш в силе неизбежно сопровождается соответствующей потерей в скорости, т. е. во времени.
Жюль-верновский силач и – формула Эйлера
Вы помните у Жюля Верна силача-атлета Матифу? «Великолепная голова, пропорциональная исполинскому росту; грудь, похожая на кузнечный мех; ноги, как хорошие бревна; руки – настоящие подъемные краны, с кулаками, похожими на молоты»… Вероятно, из всех подвигов этого силача, описанных в романе «Матиас Сандорф», вам более других памятен поразительный случай со спуском судна «Trabocolo», когда гигант Матифу силою своих могучих рук задержал спуск целого корабля.
Вот как рассказывает романист об этом подвиге:
«Судно, освобожденное уже от подпорок, которые поддерживали его по бокам, было готово к спуску. Хотя оно имело не более 50 тонн водоизмещения, но представляло значительную массу, вследствие чего нужно было принять все необходимые предосторожности. Все уже было готово и приспособлено для спуска, ожидали только сигнала. Достаточно было отнять швартов[14], чтобы судно начало скользить вниз. Уже с полдюжины плотников возилось под килем судна, стараясь приподнять его, покачнуть и направить его путь к морю. Среди всеобщей тишины зрители с живым любопытством следили за операцией. В этот момент, обогнув береговой выступ, который прикрывает с юга порт Гравозу, появилась увеселительная яхта. Чтобы войти в порт, яхта должна была пройти перед верфью, где подготовлялся спуск «Trabocolo», и как только она подала сигнал, пришлось, во избежание всяких случайностей, задержать спуск, чтобы снова приняться за дело после прохода яхты в канал. Если бы суда, – одно, стоявшее поперек, другое, подвигающееся с большой быстротой, – столкнулись, яхта погибла бы.
Рабочие перестали стучать молотками, а один из них, который должен был отнять швартов, получил приказание подождать. Все взоры были устремлены на грациозное судно, белые паруса которого казались позолоченными в косых лучах солнца. Скоро яхта очутилась как раз против верфи, где замерла тысячная толпа любопытных. Вдруг раздался крик ужаса: «Trabocolo» закачалось и пришло в движение в тот самый момент, когда яхта повернулась к ней штирбортом[15]! Оба судна готовы были столкнуться; не было ни времени, ни возможности помешать этому столкновению. В ответ на испуганные крики зрителей раздался крик экипажа яхты. Тем временем «Trabocolо» быстро скользило вниз по наклону… Белый дымок, появившийся вследствие трения, закрутился перед его передней частью, тогда как корма погрузилась уже в воду бухты (судно спускалось кормой вперед).
Вдруг появляется человек, схватывает швартов, висящий у передней части «Trabocolo», и старается удержать его, пригнувшись к земле. В одну минуту он наматывает швартов на вбитую в землю железную тумбу и, рискуя быть раздавленным, держит с нечеловеческой силой в руках канат в продолжение 10 секунд. Наконец, швартов обрывается. Но этих 10 секунд было достаточно: «Trabocolo», погрузившись в воду, только слегка задело яхту и пронеслось вперед.
Яхта была спасена. Что касается человека, которому никто не успел даже прийти на помощь – так быстро и неожиданно все это произошло, – то это был Матифу».
Легко представляю себе, как изумился бы талантливый автор «Матиаса Сандорфа», если бы ему сказали, что для совершения подобного подвига не нужно вовсе быть великаном и обладать, как Матифу, «силою тигра»: каждый находчивый человек, при самой обыкновенной силе мышц, мог бы без труда сделать то же самое!
Механика учит, что при скольжении каната, обвитого на тумбе, трение возрастает в сильнейшей степени. Чем большее число раз навить канат, тем трение больше; правило возрастания трения таково, что с увеличением числа завитков в арифметической прогрессии трение растет в геометрической прогрессии. Поэтому даже слабый ребенок,