Александр Нечаев
Занимательные опыты, или Чудеса без чудес. Увлекательная физика для маленьких учёных
Как гнут стеклянные трубки
Вы знаете, как делается стекло, и не удивитесь теперь, если я скажу, что стеклянную трубку можно согнуть, как вам будет угодно: в дугу, под углом, в кружок. Для этого нужно только её нагреть.
В детстве я часто производил такой опыт. Возьму, бывало, ненужный пузырёк, брошу его в топящуюся печь и заложу дровами. На другой день я находил в холодной золе уже не пузырёк, а просто стеклянный комок, к которому пристали кусочки угля и зола. Этот опыт показывает, что всякое стекло в жару плавится.
Существуют легкоплавкие трубки. Они размягчаются даже в пламени свечи. Если постараться, то найти их не очень сложно. Они пригодятся нам для следующих опытов, а потому поучимся их гнуть.
Держите трубку над пламенем свечи и, чтобы она нагрелась со всех сторон, вертите её между пальцами. Минут через пять отстраните её от огня и быстро сгибайте. Трубка будет гнуться, как восковая свеча или проволока. Если хотите трубку согнуть дугой, нагрейте её на большом расстоянии, чуть-чуть передвигая её вправо и влево. Лучше всего нагревать трубку на газовой горелке или на спиртовой лампе. При согревании трубки на свече старайтесь не прикасаться трубкой к фитилю, иначе она лопнет. Сгибайте трубку без усилия, слегка и не кладите горячей на стол: иначе стол затлеет, а трубка лопнет. Подержите её в руках, пока она не остынет, или поставьте в стакан так, чтобы она касалась его только холодным концом.
Как режут стекло
Плоские оконные стёкла режут камнем – алмазом. Большие и прозрачные куски алмаза ценятся очень дорого. Отшлифованные и гранёные, они отличаются своим блеском и игрой света и называются бриллиантами. Но маленькие и непрозрачные кусочки этого камня стоят сравнительно дёшево. Их вставляют в стальную оправу и используют для разрезания стёкол. На стекло кладут линейку и ведут по ней алмазом, как карандашом. Алмаз оставляет на стекле черту. По этой черте стекло легко ломается.
Стеклянные легкоплавкие трубки режут стальным напильником. Напильником делают на трубке с одной какой-нибудь стороны чёрточку. По этой чёрточке трубка легко ломается. Чтобы края трубки не обрезали пальцев, их оплавляют. Для этого конец трубки держат в огне, пока она не станет совсем красной; края её делаются после этого гладкими.
Прибавить в склянку воды, не наливая её
Не правда ли, задача мудрёная? Разве можно как-нибудь прибавить воды в склянку, не наливая её? Может, за этой задачей скрывается какая-нибудь шутка? Ничуть! Я сейчас вам покажу, что это исполнить легко и просто.
Купите в магазине колбу – так называется бутылочка, или, вернее говоря, графинчик, сделанный из очень тонкого стекла. Если такой графинчик нагревать на огне, он не лопнет.
Запасшись колбой, подберите к ней хорошую новую пробку, которая входила бы в неё совсем плотно. Новая пробка очень тверда. Надо сделать её мягкой. Для этого пробку легонько поколотите молотком со всех сторон. Когда пробка подобрана, сделайте в середине её отверстие. Для этого накалите на огне проволоку докрасна и втыкайте её в пробку. От накалённой проволоки пробка прогорит. Нагревая проволоку несколько раз и втыкая её в пробку, вы можете сделать дырку какой угодно величины. Отрежьте от стеклянной трубки кусок длиной в пол-аршина5 (ок. 40 см) и вставьте его в пробку. Трубка должна быть вставлена очень плотно, а потому дырку в пробке сделайте по трубке. Если между трубкой и пробкой останутся щели, их надо залить сургучом.
Налейте теперь колбу водой доверху и заткните пробкой (рис. 5). Оботрите тряпкой колбу снаружи, чтобы она была совсем сухая, и поставьте её нагреваться, например, на спиртовую лампу. Тогда придётся из толстой проволоки сделать маленький таганчик (треножник), на который можно было бы поставить колбу. Таганчик делается очень просто: кусок проволоки сгибается, как показано на рис. 6; получается кольцо и три ножки, которые следует только отогнуть и закрутить.
Когда вы поставите колбу на таганчик и станете её нагревать, вода начнёт подниматься по трубке. Если она доходила только до пробки, то теперь поднимется до метки (рис. 6). Значит, вы добавили в колбу воды, ниоткуда её не наливая. Задача решена!
Почему же вода поднимается по трубке? Конечно, воды осталось столько же, сколько было. Она только расширилась, заняла больше места. Отчего это произошло? Вы колбу нагревали. Значит, вода в ней от нагревания расширилась. Не только вода, но и всякая другая жидкость расширяется от нагревания. Так, например, жидкий металл ртуть расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.
Рис. 5. Колба с пробкой-трубкой
Рис. 6. Приготовление треножника из проволоки
Рис. 7. Треножник из проволоки
Зная это, легко понять, как устроен термометр. Главная его часть – шарик, наполненный ртутью, с длинной, тонкой стеклянной трубочкой, которая к нему припаяна. Если всмотреться, то это та же колба, только крохотная и с очень длинным, узким горлышком.
Рис. 8. Термометр
Вы знаете, как пользоваться термометром. Когда становится теплее, ртуть вытягивается вверх по трубочке; напротив того, когда делается холоднее, ртуть опускается. Трубочка укреплена на дощечке, а на этой дощечке нанесены деления – градусы. На совсем старых термометрах, которые были придуманы учёным Реомюром, 80° обозначает такую температуру, когда закипает вода, а 0° – когда начинает замерзать вода. Всё расстояние между 0 и 80 разделено на 80 равных частей – градусов. Такие же деления сделаны и ниже нуля. Однако в современном мире практически везде используется другой термометр – Цельсия. На нём градусы мельче, так как температура кипения воды обозначена числом 100, и всё расстояние между 0 и 100 разделено на 100 градусов. Каждые 4 градуса Реомюра равны 5 градусам Цельсия.
Бегающая капля
Воздух также расширяется от нагревания. Это свойство воздуха позволяет сделать очень любопытный опыт. Устройте прибор, представленный на рис. 9. Для этого согните трубку 2 раза под углом и вставьте её в пробку. Вгоните в трубку одну капельку воды, чуть-чуть подкрашенной чернилами. Для этого смочите конец проволоки так, чтобы на ней висела капелька, и стряхните эту капельку в трубку. Если сама она не пойдёт туда, то вдуйте её ртом. Вставьте после этого пробку в колбу. Положите колбу на стол. Нагрейте руку, подержав её под горячей водой. Смотрите только, не ошпарьтесь! Возьмите теперь колбу в горячую руку. Капелька сейчас же побежит вверх. Почему? Воздух сильно расширился от теплоты и поднял капельку. Как только вы отнимете руку, капелька опять опустится. Чтобы при расширении воздуха она не выскочила совсем из трубки, надо правый конец последней сделать подлиннее.
Рис. 9
Забавный шарик
Однажды мне подарили преинтересный шарик. К нему было прилажено кольцо с деревянной ручкой, через которое он свободно проходил. И кольцо, и шарик были сделаны из жёлтой меди. Для шарика была тоже деревянная ручка, но он не был к ней прикреплён неподвижно, а висел на проволоке.
С этим шариком я часто проделывал такой опыт. Возьму, бывало, кольцо в левую руку, а шарик в правую и пробую, проходит ли шарик сквозь кольцо. Оказывается, проходит свободно. После этого я нагревал шарик над огнём и опять пробовал пропустить его через кольцо. Шарик не проходил, а задерживался в кольце. Я ждал. Проходило несколько минут. Шарик остывал и сам собой проваливался через кольцо. Сколько раз я ни повторял опыт, всегда выходило одно и то же.
Рис. 10. Забавный шарик
Что же этот опыт показывает? Ясно, что шарик от нагревания делается больше. Поэтому он и не может пройти через кольцо. Охладившись, он снова делается меньше и проваливается. Стало быть, и твёрдые тела от теплоты расширяются, а от холода сжимаются.
Расширением тел объясняется много явлений. Сделайте такой опыт. Вскипятите на плите в кастрюле воду. В другую кастрюлю налейте холодной воды и, если можно, положите в неё кусок льда – от этого она станет ещё холоднее. Опустите в холодную воду маленький стеклянный пузырёк и, когда он сам станет там совсем холодным, выньте и положите в кипящую воду. Пузырёк тотчас же лопнет. Значит, холодное стекло, брошенное в горячую воду, лопается. Отчего? От холодной воды пузырёк сжался. Когда его положили в горячую воду, он сразу расширился, но наружная сторона стекла расширилась сильнее, чем внутренняя, и потому пузырёк лопнул. Если бы мы положили его в холодную воду и стали медленно нагревать её, то внутренняя сторона стекла успела бы так же нагреться и расшириться, как наружная, и пузырёк остался бы цел.
С вами, вероятно, случалась такая неприятная история. Вам подарили флакончик со стеклянной пробкой. Вы хотите его открыть, но пробка не вынимается. Вы начинаете тащить её щипцами, стараетесь выколотить её прочь ручкой ножа, и кончается вся эта история тем, что вместе с пробкой отскакивает и шейка флакончика… Флакончик погиб. А открыть его было так просто. Стоило только быстро нагреть над свечой шейку, и пробка вышла бы без всякого труда. Почему? От огня нагрелась бы и шейка, и пробка, но первая больше второй. Значит, шейка расширилась бы больше, чем пробка, и последнюю можно было вынуть без всякого труда.
Мы узнали, что медь и стекло расширяются от теплоты. То же самое происходит и со всеми другими твёрдыми телами.
От холода все тела – и твёрдые, и жидкие, и газообразные – сжимаются. Однако при замерзании вода расширяется.
Опыт моего товарища
Как-то я ещё мальчиком зашёл к своему товарищу. Он был большим любителем опытов и целыми днями возился со своими склянками и приборами. В этот день мы мирно сидели за чайным столом и разговаривали. Вдруг послышался треск, точно выстрел из ружья, зазвенели и посыпались стёкла. Все вздрогнули и невольно обернулись к окну столовой, выходившему в сени, – оттуда послышался зловещий звук… Только один мой товарищ оставался спокойным. «А ловко же удался опыт!» – в раздумье наконец произнёс он. Тут все поняли, кто был виновником происшествия. Мать обратилась к нему с упрёками, но мой приятель в оправдание стал рассказывать о своём опыте, и скоро все им невольно заинтересовались. Что же он такое сделал? Он просто поставил между оконными рамами бутылку, наполненную водой до самого верха и плотно закупоренную, пробка была даже привязана к горлышку проволокой. На дворе в тот день стоял сильный мороз, и вода в бутылке замёрзла. Замерзая, она разорвала бутылку. Ясно, что при замерзании вода расширяется, и лёд занимает больше места, чем вода, из которой он получился.
Рис. 11. Как вода замерзает в бомбе
Я советую вам повторить опыт. Только не делайте его между оконными рамами, чтобы не повредить стёкол и никого не испугать. Бутылку, наполненную водой и крепко закрытую пробкой, положите в морозилку. Как только вода замёрзнет, бутылка лопнет, а вы получите кусок льда в форме бутылки.
Пробовали сдержать силу замерзающей воды чугунными стенками, наполняли водой чугунный шар и плотно забивали отверстие деревянной пробкой. На морозе эта пробка с силой вылетала вон, а из отверстия выходила ледяная палочка. Если вместо простой пробки делали винтовую, которую лёд не мог вытолкнуть, тогда разрывались сами стенки шара (рис. 11).
Можно убедиться, что вода начинает расширяться ещё незадолго до замерзания. Для этого возьмите ту же колбу, которая служила нам при опыте с расширением воды от нагревания. Наполнив колбу водой, поставьте её в большую кастрюлю, обложите высоко смесью льда с солью6* и наблюдайте, что будет. Как только вода сильно охладится, она станет подниматься вверх по трубке. Стало быть, в отличие от всех других тел природы, вода перед замерзанием расширяется, хотя она при этом и охлаждается7.
И камни разрушаются
Вам, вероятно, не раз попадались камни, которые при одном только прикосновении к ним или при лёгком толчке рассыпаются в песок. Обратите внимание на каменные памятники ближайшего кладбища. Только самые новые среди них отличаются блеском. А на старых плитах и крестах видно множество трещин, тут и там отвалились целые куски8.
Отчего же разрушаются камни? Понаблюдайте за ними летом. Полуденное солнце накаливает их своими жгучими лучами. Ночью камни сильно остывают. От нагревания и охлаждения они то расширяются, то сжимаются. Вы помните, что сталось со стеклянным пузырьком, который мы бросили в кипяток. То же самое происходит и с камнями. Они мало-помалу прорезываются трещинами.
Но эти трещины ещё очень малы. Их расширяет вода. Она забирается в них осенью и с наступлением морозов замерзает. Лёд занимает больше места, чем вода, а потому трещины всё более и более расширяются, и наконец камень разваливается.
Из камня сложены целые горы. Красиво и причудливо иззубрены их вершины. Эта красота зависит от разрушения. Зубья, столбы и пики – только уцелевшие части скал. Иногда огромная скала вся прорезана трещинами. Только корни деревьев и травяной покров скрепляют её. Бывали случаи, когда такие скалы мгновенно обваливались, производя большие разрушения.
Обвал горы
Осенью 1806 г. в Альпах случился грозный обвал.
Всё лето шли, не переставая, проливные дожди. Ручьи вышли из берегов и затопили окрестность. Пастухи, бродившие со стадами по зелёным склонам гор, были в тревоге. Лачужки их, кое-как сделанные из драни, сломало бурей. Ветер грозил всё разрушить. Дёрн, размытый водой, в некоторых местах совсем сполз, и в обнажённых камнях виднелись глубокие трещины. В лесу слышался шум, точно какая-то могучая сила ломала корни громадных сосен, скалистые обломки обрывались тут и там… Наступил сентябрь. Пастбища были усыпаны обломками камней, и скоту негде было пастись. Пастухи собирались гнать в долины своих коз и коров. В ночь на 2 сентября дождь ещё усилился. Это был какой-то потоп. Раскаты грома и завывание бури заглушали человеческий голос. В лесу высокие сосны колыхались, будто колосья на ниве. Заалела бледная заря, и день озарил ужасную картину: почва была усеяна огромными камнями и обломками деревьев, трава выдернута и смята. Вдруг что-то загрохотало наверху. Перепуганные птицы – вороны, галки, ястребы, испуская жалобные крики, поднялись стаями и полетели. Земля заволновалась, и с вершин стал скользить дёрн, песок, камни, сначала медленно, а потом всё скорее и скорее. Пастухи чувствовали, как почва уходила из-под их ног, и бросились бежать, сами не зная куда. Перепуганные стада с рёвом неслись за ними, но сосны и камни, падая с высоты, убивали их и влекли за собой.
Вдруг раздался такой треск, будто разрывалась вся земля. Всё закружилось, запрыгало – камни, земля, трава, кустарники и деревья… Огромные скалы летели вниз, встречались и, точно бомбы, брошенные невидимым снарядом, отскакивали, прыгали по земле, то останавливались, то снова неслись с грохотом и стоном. Иные разбивались вдребезги, и тучи щебня и пыли устремлялись вниз. Пастухи, не помня себя, бежали через пропасти, думая только о своём спасении… Каменные глыбы настигали их и увлекали за собой.
В то время склоны Рассберга были покрыты жилищами, а у подошвы лежали богатые деревни (Гольдау, Безинген, Ловерц). Грозный обвал уничтожил их в мгновение ока. На месте их лежала безотрадная пустыня, усеянная обломками скал, деревьев и брёвен… Всего было разрушено более 100 домов, а число человеческих жертв доходило до 4,5 сотни. Они заживо были погребены под развалинами или погибли от ран.
Такие же обвалы случались не раз и у нас на Кавказе.
Странный случай с самоваром
Однажды мне пришлось наблюдать такое интересное явление. Был подан на стол самовар. Из-под крышки валил пар. Стали заваривать чай, и оказалось – вода холодная! Попробовал я самовар рукой: вверху и дотронуться нельзя – так он горяч, а внизу совсем холодный. Первый раз в жизни наблюдал я такой удивительный случай! Посмотрел я в трубу: она полна углей. Угли так и пышут; над ними длинные синие языки: самовар разогрет на славу. Но когда я вылил воду и опростал от углей трубу, всё объяснилось. Оказывается, наложили в трубу плотных покупных углей почти до самого верха и на них насыпали горячих углей из-под плиты. Верхние угли разгорелись, а нижние как были положены, так и остались тёмными. Вверху вода сильно нагревалась и скоро закипела, внизу осталась холодной. Вышел преинтересный опыт, которого нарочно, пожалуй, и не сделаешь.
«Странно! – скажете вы, если видели, как работает самовар. – Сколько раз приходилось видеть, что в самоварной трубе лежит угольков чуть на донышке, а самовар отлично нагревается весь, и вода закипает не только внизу, а вся»9*.
Но в этом странного ничего нет: так и быть должно. Если самовар или какой-нибудь сосуд нагревается снизу, то находящаяся в нём вода скоро закипит вся; а если мы станем нагревать сосуд сверху, то произойдёт что-нибудь вроде того, что сейчас было рассказано; во всяком случае, нагреется только верхний слой. Почему же? Дело очень просто.
В воде теплота медленно передаётся от частицы к частице, и наш самовар не нагрелся бы никогда, если бы частички воды оставались неподвижными. А они приходят в движение, и вот почему. Тёплые, нагревшиеся внизу слои воды расширяются, делаются легче и потому всплывают наверх. Их вытесняют сверху холодные частички, которые нагреваются, делаются лёгкими и опять идут вверх. И чем больше мы нагреваем самовар, тем всё быстрее и быстрее движутся частички. Скоро вода начинает кипеть. Она нагрелась потому, что частички воды забирали тепло внизу, где больше всего горячих углей, и переносили его вверх.
Теперь посмотрим, что произойдёт, если мы станем нагревать воду сверху. Верхние слои воды нагреются, сделаются легче, чем были, и останутся на своих местах. Тяжёлая холодная вода не может прийти на их место; она останется внизу. Никакого движения в самоваре не произойдёт: всё останется спокойным. Между тем верхний слой будет нагреваться всё больше и больше, и может случиться, что он закипит в то время, как большая часть воды под ним останется холодной. Вот почему в самовар не следует накладывать много углей, пока не разгорелись угли в нижней части трубы.
Но вот вода в нашем самоваре закипела, и пар клубами валит из-под крышки. Не правда ли, хорошо понаблюдать над этим интересным, хотя и таким обыкновенным явлением? Но что делается в самоваре, не видно. Поэтому сделаем особый опыт в стеклянной посуде…
Как кипит вода
Возьмём хорошую стеклянную колбу, наполним её водой и вскипятим на пламени спиртовой лампы. Вот вода начала нагреваться, и снизу побежали пузырьки: один, другой, третий… Что это такое? Пузырьки какого-то газа. В воде растворён воздух: это ясно хотя бы из того, что в воде живут рыбы; без воздуха вся рыба, живущая в воде, погибла бы, ей воздух нужен для дыхания. Но в холодной воде воздуха растворяется больше, чем в горячей; и вот, как только вы начинаете нагревание, лишний воздух выходит пузырьками и поднимается. Чем больше вы нагреваете, тем больше пузырьков поднимается. Наконец вода начинает кипеть, и к пузырькам газа присоединяются пузыри пара. Эти пузыри поднимаются и лопаются; колба всё более и более наполняется парами, но они невидимы и только по выходе из горлышка образуют белые клубы видимого пара; от соприкосновения с воздухом невидимый водяной пар охлаждается и превращается в видимые мельчайшие водяные капли10.
Теперь вооружимся хорошим термометром и опустим его в воду. Удивительное явление! Сколько мы ни нагреваем колбу, температура остаётся та же – 100 °C. А вода всё кипит и кипит, всё меньше и меньше становится её в колбе… Если мы поднимем термометр так, чтобы он не касался воды, а стоял в горлышке, в водяном паре, то и здесь он не изменит своих показаний: ртуть будет стоять всё на 100 °C… Неужели же наша лампа более не греет? Куда девается её тепло? Тепло затрачивается на превращение воды в пар. Оно, как говорят, переходит в скрытое состояние. Водяной пар набирает тепло и, поглощая, сохраняет. Когда же, наоборот, мы пар охладим и он превратится в воду, скрытая теплота опять станет явной. Поэтому паром можно пользоваться для нагревания. На этом и основано бывшее ранее в широком ходу паровое отопление. В подвальном этаже устраивают печь и в неё вмазывают большой котёл. От этого котла проводят трубы по всему дому. Котёл наполняют водой. Вода обращается в пар. Пар расходится по трубам, сгущается здесь в воду, отдаёт им своё скрытое тепло; трубы нагреваются и нагревают окружающий их воздух.
Но ведь испарение воды часто происходит и без нагревания. Мы знаем, что небольшое количество воды, оставленное на блюдечке, исчезает, испаряется. Каким же образом здесь превращается вода в пар? Без затраты теплоты? Конечно нет. Откуда же она берёт теплоту? Из себя и окружающего воздуха. Вот почему всякое испарение понижает температуру. Летом в местностях, богатых водой (где, следовательно, происходит сильное испарение), всегда бывает прохладнее, чем в местностях сухих.
Не только при испарении воды охлаждается окружающий воздух. То же самое происходит при испарении всякой жидкости; и если взять жидкость, испаряющуюся быстрее воды, то можно получить даже очень низкую температуру. Так, испарением эфира можно воспользоваться для замораживания воды. Для этого обёртывают нижнюю часть пробирки слоем ваты, наливают в пробирку немного холодной воды и, обильно смачивая вату эфиром, направляют на неё струю воздуха (можно просто махать плоским предметом). Вода в пробирке сильно охладится и наконец замёрзнет.