Александр Нечаев
Занимательные опыты, или Чудеса без чудес. Увлекательная физика для маленьких учёных
Чай изо льда
Не всегда можно достать для чая воду. Я не говорю уже о полярных странах, где в долгую холодную зиму вся вода превращается в лёд и даже нередко реки промерзают до самого дна. Но иногда и в жаркой местности приходится самовар наполнять не водой, а льдом.
Однажды, проводя лето в Крыму близ Алупки, задумал я в компании добрых друзей подняться на Ай-Петри. Это красивая вершина яйлы, причудливыми зубцами поднимающаяся над её гребнем. Мы взяли проводника-татарина, запаслись на всякий случай верховыми лошадьми, которые, кстати, везли наш багаж, а сами пошли пешком. Я не стану рассказывать о том, как дивно прекрасна была дорога, как скоро вступили мы в лес и встретили в нём наших северных знакомых – сосны, как временами на крутых обрывах перед нашим взором развёртывались дивные пейзажи. Наконец после пятичасового утомительного пути с несколькими передышками мы были на вершине. Перед нами – свет и простор. Внизу плывут и останавливаются облака, а под ними чистейшей синевой сверкает море. Кругом ровная степь, сухая трава, камни, кое-где жалкий кустарник. Полюбовались мы дивной картиной и вспомнили о чае. Надо достать воды. Проводник объявил нам, что до ключа далеко и надо спускаться, а снега – сколько хочешь. Мы заинтересовались. Проводник повёл нас к яме, которая воронкой суживалась книзу, – это, должно быть, провал над какой-нибудь бездонной пещерой. Кругом ямы, кустарник. Мы раздвигаем его и спускаемся в яму. Она полна снегом, белым, чистым; на нём нет и следов пыли или копоти, как на нашем городском снегу. Мы наполнили им чайник, взяли ещё про запас в большую салфетку и развели костёр. В чайнике снег таял и превратился в чистую воду. Но её было немного. Мы стали прибавлять в неё снег, принесённый в салфетке, и мало-помалу чайник наполнился доверху.
Интересно наблюдать с термометром над таянием льда. Возьмём чашку с водой, положим в неё кусок льда и поставим в неё термометр. Если вода была комнатной температуры, то температура начинает падать. Но вот она дошла до нуля и остановилась. Пока в чашке имеется лёд, температура не изменяется. Но ведь в комнате тепло! Отчего не нагреется вода от окружающего воздуха? Она и получает от него тепло, но только отдаёт его тающему льду. Тепло затрачивается на превращение льда в воду, переход в «скрытое» состояние. Это тепло снова вернётся, перейдёт в явное состояние, как только вода опять замёрзнет. Как ни странно, но при замерзании воды остальная, незамёрзшая вода и, частью, окружающий воздух приобретают от неё некоторый запас тепла.
Испарение и замерзание воды происходят в природе постоянно. Невидимым паром вода поднимается в верхние слои атмосферы, там превращается в облака и, сгустившись, снова падает на землю. С места своего падения она бежит опять к морю, отчасти по земле, отчасти под землёй. Реки, озёра, болота, родники – всё это вода, возвращающаяся к океану, из которого она пришла. Каждая капелька соседнего ручья могла бы много рассказать вам о своих странствованиях: как она была облаком, снегом, туманом, инеем; как она прыгала в волнах далёкого моря и тихо пробиралась подземным ручьём между каменными пластами; как, наконец, она вышла на дневной свет и попала в наш ручеёк.
Несгораемая карта
Не только лёд можно превратить в воду, но и всякое другое твёрдое тело можно сделать жидким. Немногие тела, однако, не удалось ещё расплавить, так как для этого понадобился бы слишком большой жар; наоборот, другие тела плавятся даже на свече. Последние называются легкоплавкими. Примером может служить свинец, из которого, между прочим, ранее изготавливали блестящие листы (фольгу) для завёртывания чая, и олово, в которое раньше заворачивали шоколад11*.
Рис. 12. Плавление олова на игральной карте
Можно олово или свинец расплавить на игральной карте с загнутыми краями (рис. 12) или в крепкой коробке, выдавленной из целого куска картона. Карта или коробка не успевает сгореть, потому что вся теплота, которую она получает, отнимается оловом; надо только нагревать карту как раз под самым металлом; если же огонь попадёт в такое место, над которым олова нет, то, разумеется, папка загорится.
Точно так же возможно вскипятить воду в бумажной коробке (это показано на рис. 13), но гораздо удобнее взять для опыта опять-таки картонную коробку. Картон не сгорит потому, что вода поглотит всю теплоту, доставляемую лампочкой. Коробку, в которой производится опыт, лучше всего подвесить при помощи шнурков на деревянном бруске, который можно положить концами на двух бутылках.
Рис. 13. Кипячение воды в бумажной коробке
Разумеется, оба опыта доставят вам надёжную репутацию фокусника, если вы удачно произведёте их перед товарищами, не знающими, в чём дело.
Погода в комнате
Погода в домах меняется так же, как и на дворе. На улице бывает и ветер, и затишье, и туман, и роса. В поле ветер ломает толстые деревья, опрокидывает здания, выгоняет из рек воду, устраивает наводнения, затапливает деревни и сёла. Дождь льёт целыми потоками, буря носится со свистом… Ничего этого в комнате, конечно, не бывает: ветерок здесь слабенький, туман почти незаметный. Но всё-таки погода в комнате бывает разная.
Рис. 14. Воздушный шар, странствующий по комнате
День едва брезжит сквозь замёрзшие окна. Нехотя вы покидаете тёплую постель и, если окно было открыто, долго жмётесь от холода… Но вот вы затопили печку12*, и тепло распространяется по комнате… Вы вспоминаете о маленьком воздушном шарике, который вам подарили вчера. Он висит, привязанный, за окном… Не хотите ли проделать с ним интересный опыт, который покажет вам, что в комнате и в самом деле дует ветер?
Привяжите к ниточке шарика бумажку… Шарик упадёт на стол: бумажка перетянет его. Поднимите шарик и понемногу подрезайте снизу бумажку, пока шарик не повиснет в воздухе на любой высоте… Теперь поднесите шарик к печке. Шарик станет подниматься, и всё быстрее и быстрее… Вот он достиг потолка и остановился… Но остановка была минутная. Вы смотрите на шарик и видите, что он потихоньку ползёт к окну. Вот он дошёл до середины комнаты, вот он уже близко от окна. И что же? Он стал вдруг опускаться. Вот он уже над подоконником. Чуть задев за него, шарик скатывается вниз и продолжает медленно спускаться. Через несколько минут он уже на полу…
Нет сомнения, что в комнате ветер… Едва только нагрелась печь, нагрелся и окружающий её воздух. Как и все другие тела, от тепла воздух расширяется, а потому и делается легче… Затопленная печь расположена снизу. Она не может сразу нагреть весь воздух в комнате; нагревается только воздух, находящийся рядом с ней. Сделавшись легче, он поднимается наверх, совсем так же, как пробка, которую вы положили на дно стакана, наполненного водой. Вот почему наш воздушный шарик, как только мы поднесли его к теплу, стал подниматься.
Дойдя до потолка, тёплый воздух не может идти выше. Он расходится во все стороны, достигает до той стены, которая выходит на улицу или во двор… У холодного окна тёплый воздух охлаждается, делается тяжелее и падает. Вместе с ним падает и наш шарик… Дойдя до пола, холодный воздух пойдёт к печке. Только движение это будет уже очень медленным, и слабый ветерок, чуть идущий по полу, не передвинет нашего шарика… У печки воздух опять нагреется, поднимется, пойдёт к окну – и так без конца будет кружиться, пока топится печь.
Можно сделать в комнате ветер более сильным и удостовериться, что низом идёт холодный воздух. Приоткроем дверь в другую, холодную комнату так, чтобы получилась узенькая щёлка. Зажжём свечу и поднесём её к щёлке сначала вверху, потом в середине и, наконец, внизу (рис. 15). Вверху пламя свечи отклонится наружу, то есть в холодную комнату, в середине оно будет стоять прямо, а внизу направится в тёплую сторону. Ясно, что вверху тёплый воздух уходит из комнаты, а внизу холодный приходит в комнату. Ветер на полу сделался заметным потому, что задул сильнее.
Рис. 15. Пламя у полуоткрытой двери
Вы знаете, что на земле есть тёплые страны. Там всегда жарко, люди не знают снега. Растут в этих странах чудные вечнозелёные деревья, наливаются и зреют вкусные плоды. Солнце льёт там на землю горячие лучи, и зной его невыносим… Есть на земле и мрачная страна вечного холода. Огромные льды покрывают там море. Поднимаются они к небу высокими горами, и снег белой скатертью окутывает всё. Нет там ни деревца, ни кустарника. На краю этой холодной пустыни человек не может жить.
Тёплая страна – страна вечного солнца и тепла – то же, что печка в комнате, а мрачное царство холода – то же, что окно. Потому-то и на земле воздух движется так же, как и в комнате: из тёплых стран идёт в холодные – и наоборот.
От ветра зависит погода. От тепла вода превращается в пар и смешивается с воздухом. В тёплом воздухе много воды, или, как говорят, влаги. Если тёплый воздух подойдёт к холодному окну, то водяной пар осядет на окно маленькими капельками – окна вспотеют. Когда после жаркого дня наступает холодный вечер, на листья растений – в поле, в саду, в лесу – садятся крохотные капельки воды. Это роса.
В комнате может идти и снег. Рыбаки, зимовавшие однажды в холодной стране, укрылись от мороза в избушке; когда в избушке стало душно, они отворили дверь. И что же? Вдруг в комнате пошёл снег, и белые хлопья его покрыли весь пол. Но ещё интереснее был случай на одной вечеринке в Петербурге в 1773 г. В зале было жарко и влажно. Одной женщине сделалось дурно. Стали отворять форточку, но она примёрзла. Тогда один из гостей подошёл к окну и выбил стекло. На дворе была буря. Ветер выл и свистел. С шумом рванулся он в комнату сквозь выбитое стекло. И в зале вдруг пошёл снег. Вы уже догадались почему? От холода водяной пар быстро застыл и упал снегом.
Видите, как в комнате может меняться погода? Зная это, вы без труда можете устроить себе несколько забавных игрушек. Это будут настоящие волшебные игрушки. Товарищи, которые ничего не слыхивали о перемене погоды в домах, пожалуй, и в самом деле подумают, что моя книга раскрыла вам все тайны волшебства.
Ветряная мельница в комнате
Рис. 16. Ветряная мельница
Просверлите в пробке дырку насквозь. Сделать это можно накалённой докрасна шпилькой. Закройте её с одной стороны маленьким кусочком стекла; залейте стекло сверху сургучом, чтобы оно держалось на пробке. Вставьте в дырку с другой стороны кусок гусиного пера или обрезок стеклянной трубки. В бока пробки воткните несколько спичек, а к спичкам приклейте или привяжите четырёхугольные кусочки бумаги, как показано на рис. 16. Приклеить их надо немного наклонно, чтобы лицом они стояли к ветру. Наденьте пробку на вязальную иглу на место змейки. Поставьте мельницу к печке, она будет вертеться.
Вертящаяся змея
Из толстой бумаги вырежьте змейку, как показано на рис. 17. В хвосте этой змейки выдавите острым концом вязальной спицы маленькое углубление и положите змейку на конец вязальной иглы, как показано на рис. 18. Другой конец иглы вставьте в деревянную дощечку или в широкую пробку. Поставьте змейку на полу у печки. Она начнёт кружиться. Почему? Полом идёт холодный воздух от окна к печке. Он толкает змейку и заставляет её кружиться.
Рис. 17. Вертящаяся змейка
Рис. 18. Змейка, установленная на печке
Карусель
Кто сумел сделать мельницу, тому ничего не стоит устроить и карусель. Для этого надо мельницу немного переделать. Прежде всего прибавьте к ней крыльев, сделайте их штук восемь. Затем вырежьте из бумаги кружок, в середине его сделайте дырку и проденьте в неё пробку так, чтобы крылья были выше кружка. Кружок должен быть немного меньше крыльев. Остаётся привесить к кружку на ниточках людей, сидящих на лошадках, а сверху воткнуть несколько флагов из папиросной бумаги. Если вы мастер клеить, то можете приделать к кружку и занавески. Карусель готова (рис. 19). Поставьте её около печки, и она завертится.
Рис. 19. Карусель
Воздушный шар
В XIX в, маленький французский городок Аноне прогремел на весь мир. Там был пущен первый воздушный шар! Придумали его братья Монгольфье. В назначенный день на площади собралась несметная толпа народу. Все хотели посмотреть на невиданную диковинку. Посередине площади висел на столбах огромный полотняный шар —7 сажен13 (ок. 15 м) в ширину. Снаружи он был оклеен бумагой. Внизу шара было сделано большое отверстие, а под отверстием висела жаровня. Братья Монгольфье положили в жаровню горячие угли. От их теплоты воздух в шаре нагрелся и сделался легче. Братья перерезали канат, которым шар был привязан к столбу. Шар рванулся, дрогнул и поднялся вверх. Скоро он скрылся в облаках.
Рис. 20. Первый воздушный шар (монгольфьер)
Братья Монгольфье захотели узнать, можно ли летать на таком шаре людям. Но охотников отправиться в воздушное путешествие не находилось. Монгольфье привязали к шару большую плетёную корзину и посадили в неё овцу, петуха и утку. Это были первые воздухоплаватели. Вернулись они на землю благополучно.
Рис. 21. Изготовление воздушного шара
После этого люди стали часто устраивать шары. В наше время воздушные шары делают не из полотна, а из особой материи, не пропускающей сквозь себя воздух. Наполняют их не тёплым воздухом, а тем газом, который горит в уличных фонарях14*. Он очень лёгок. Шар покрывают сверху верёвочной сеткой, а внизу к сетке прикрепляют корзину; в неё садятся люди, желающие постранствовать в воздухе.
Вы сами можете устроить воздушный шар. Возьмите шесть листов бумаги, разрежьте их пополам, а половинки склейте так, чтобы получились длинные полосы. Придайте этим полосам форму, как на рис. 21. Склейте их друг с другом. Получится шар с двумя отверстиями: одно у него вверху, другое – внизу. Верхнее отверстие заклейте папиросной бумагой, а нижнее оставьте. Подержите этот шар (осторожно!) отверстием над лампой или свечой. Шар наполнится горячим воздухом и полетит вверх, но только в том случае, если вы оклеили крепко и нигде не оставили щелей, через которые тёплый и лёгкий воздух мог бы выйти…
Маленькие разноцветные шары, продаваемые на праздниках, наполнены лёгким газом. Оттого они и летают. Однако на второй или третий день покупки такой шар обыкновенно съёживается и перестаёт летать. Отчего? Лёгкий газ выходит сквозь резину, из которой шар сделан. Его место занимает обыкновенный воздух. Шар становится тяжелее.
С каждым годом люди всё лучше и лучше летают в воздухе, и теперь воздухоплавание сделало удивительные успехи. Сначала появились управляемые воздушные корабли – дирижабли, которые послушны воле человека: они могут лететь против ветра, возвращаться назад к тому месту, откуда отправились, и спускаться по желанию в любой момент. Однако потом люди создали и летательные машины, которые тяжелее воздуха, – аэропланы15*. Но прежде чем говорить об этих удивительных воздушных судах, познакомимся с устройством очень интересной игрушки – бабочки, которая сама летает.
Летающая бабочка
Возьмите две маленькие планки около 0,5 см шириной и вклейте их концами параллельно друг другу в две половинки новой хорошей пробки (рис. 22). Кроме того, по бокам верхней пробки вставляются с клеем две тоненькие лучинки. Их предварительно надо согнуть, как показано на рисунке. Для этого их опускают на несколько часов в воду, потом кладут на несколько минут в кипяток. После этого лучины изгибаются, как нужно, концы их связываются бечёвкой, и в таком виде лучины быстро сушатся, хотя бы на сковороде. Обе лучины должны быть изогнуты одинаково. К этим лучинкам и к основе приклеиваются большие крылья из папиросной бумаги, но не следует особенно натягивать их: крылья тогда лучше захватывают воздух.
Теперь надо сделать для нашей бабочки голову и усики, которые и составляют её летательный снаряд. Усики видны на рисунке внизу. Их вы сделаете так же, как делали лучинки для крыльев. Когда они будут надлежащим образом изогнуты и высушены, вы обтянете их папиросной бумагой. Изгиб должен быть сделан очень аккуратно. Вставляются усики с клеем в особую полупробку, как это видно на рисунке. Эта полупробка и будет головкой.
Остаётся присоединить головку к туловищу. Сделайте крючочек из тонкой проволоки, просверлив накалённой иглой обе верхние пробки, пропустите проволоку сначала через пробку-шейку, а потом через пробку-головку и закрепите, осторожно загнув конец проволоки в верхнюю пробку. В пробке-шейке проволока должна легко вертеться, а потому полезно между пробками вставить стеклянную бисеринку и ещё лучше сверху и снизу её подложить по маленькому жестяному кружочку (из очень тонкой жести). В нижнюю пробку туловища надо вставить такой же крючочек, какой вставлен вверху. Между верхним и нижним крючками натяните два-три тонких резиновых кольца (см. рис. 22), какие обыкновенно употребляются вместо ниток в магазинах. Резинки не надо скручивать, а наоборот, следует аккуратно расправить между крючками. Бабочка готова.
Рис. 22. Изготовление летающей бабочки
Возьмите её за хвост двумя пальцами левой руки, а правой рукой закрутите резинки, крутя бабочку за голову. Когда вы теперь отпустите голову, резинки станут раскручиваться, а с ними вместе начнёт вертеться и голова бабочки с усиками. Выпустите бабочку из левой руки, и она полетит вверх.
Чтобы игрушка вышла удачной, необходимо не только сделать её аккуратно, но и позаботиться, чтобы она была легка. Пробки надо брать маленькие, лучинки тонкие, проволоку лёгкую. Очень полезно для лёгкости и изящества все деревянные части протереть «шкуркой».
Если игрушка выйдет неудачной, постарайтесь разыскать в магазинах готовую и по ней исправить ошибки вашей работы. Но гораздо лучше не смущаться первой неудачей и переделать бабочку. Особенное внимание надо обратить на аккуратное устройство усиков.
Воздушные корабли
Теперь мы можем понять устройство воздушных кораблей. Прежде всего познакомимся с дирижаблями. Эти воздушные суда отличаются огромными размерами. Форма их иная, чем у старых аэростатов: они напоминают своим видом огромную рыбу или сигару. Делаются дирижабли не только из непроницаемой материи, но и из лёгкого металла – алюминия. Важная принадлежность их – двигатель, мотор. Изобрести мотор, подходящий и пригодный для воздушных судов, было особенно трудно. В то время, пока работали только обычные паровые машины, нечего было и думать о приспособлении их для воздухоплавания: они слишком тяжелы и громоздки. Однако потом научились создавать лёгкие бензиновые двигатели, и их-то оказалось возможным применить к дирижаблям. Но этого мало. Главное препятствие для воздухоплавателя – ветры. Управляемый аэростат должен побороть силу ветра. Во сколько же раз сильнее должен быть на дирижабле мотор, чем машина парохода! И в то же время он должен быть лёгким. Как ни трудно было построить вначале такой мотор, теперь существует уже и такие, что в прошлом в них даже не поверили бы.
Рис. 23. Дирижабль типа «Цеппелин»
Кроме мотора, на каждом дирижабле имеется так называемый пропеллер. Это то же самое, что пароходный винт. Он соответствует усикам нашей механической бабочки и даже устройством своим напоминает их. При помощи пропеллера дирижабль как бы ввинчивается в воздух. Но у бабочки усики приводились в движение раскручивающейся резиной, и потому бабочка летела до тех пор, пока нить окончательно не раскручивалась. У дирижаблей пропеллер приводится в действие мотором, и потому дирижабль летит, пока этот мотор работает.
Двигателя и пропеллера ещё мало для управляемого воздушного судна. Оба эти аппарата побеждают только силу ветра. Надо ещё шаром управлять. Поэтому у дирижаблей мы находим приспособления, которые придают им устойчивость и позволяют давать им желаемое направление: для этого служат плавники, рули и т. п.
Самое крупное неудобство старого, неуправляемого аэростата – это то, что объём его, в зависимости от уменьшения давления и от охлаждения, изменяется; обыкновенно при поднятии аэростат съёживается, а в случае нагревания солнечными лучами расширяется. Необходимо было в дирижаблях прежде всего устранить это неудобство. Это достигнуто в «мягких» дирижаблях устройством баллонета, или внутреннего кармана, который помещается внутри воздушного корабля, в его нижней части, и имеет сообщение с наружным воздухом. При поднятии дирижабля этот карман наполнен воздухом. Как только водород станет расширяться, он сейчас же вытеснит из кармана часть воздуха, а если водород сожмётся, то посредством особого вентилятора воздух вгонится в карман снаружи. Таким образом, объём дирижабля остаётся неизменным. Впрочем, упомянутые выше металлические воздушные суда не нуждаются в баллонете.
Необходимой принадлежностью каждого дирижабля является прикреплённая к нему корзина, или гондола, в которой и помещаются воздухоплаватели.
В 1923 г. существовали огромные «жёсткие» дирижабли, объёмом в 6—7 тысяч кубических сажен (58—68 тыс. м3), с несколькими моторами общей мощностью 2000 лошадиных сил; такой воздушный корабль имел в длину около 1/5 версты16 (ок. 200 м) и толщину, равную высоте семиэтажного дома; он поднимал 2—21/2 тысячи пудов17 (33—41 т) груза и летал со скоростью 120 км/ч, держась в воздухе непрерывно целую неделю.
Рис. 24. Аэроплан
Кроме дирижаблей, в настоящее время существуют аппараты, которые поднимаются подобно бумажному змею, но поднимает их не ветер, а опять-таки сильные моторы. Они удобнее дирижаблей тем, что не содержат в себе легко загорающегося водорода, а потому не могут погибнуть так легко от пожара или взрыва. Называются эти аппараты самолётами (или, по-устаревшему, аэропланами).
Большинство аэропланов того времени представляли одну плоскость или же две параллельные плоскости, связанные между собою рядом стержней, и снабжались мотором и всеми аппаратами, необходимыми для управления. Скорость их полёта достигала 200 км/ч и могла быть доведена даже до 400 км/ч. В то время существовало уже правильное пассажирское и почтовое сообщение на аэропланах, связывающее самые отдалённые пункты земного шара. Такие линии, как Москва—Кёнигсберг (длиной 1300 км), являлись ещё сравнительно короткими. В то же время в Америке существовало теперь (1923 г.) воздушное сообщение на аэропланах через весь материк от Нью-Йорка до Сан-Франциско (ок. 4000 км). В Англии применение аэропланов для различных надобностей практической жизни настолько развилось к тому времени, что было даже учреждено особое воздушное министерство18*.