Можете ли вы хоть приблизительно сказать, какой груз представляет воздух, вмещаемый вашей комнатой? Несколько граммов или несколько килограммов? В силах ли вы поднять такой груз одним пальцем или же едва удержали бы его на плечах?
Теперь, пожалуй, не найдется уже людей, которые думают, как полагали древние, что воздух вовсе ничего не весит. Но сказать, сколько весит определенный объем воздуха, многие и сейчас не смогут.
Запомните же, что литровая кружка воздуха той плотности, какую он имеет близ земной поверхности при обычной комнатной температуре, весит около 1.2 г. Так как в кубическом метре содержится 1 тыс. л, то кубометр воздуха весит в тысячу раз больше, чем 1.2 г, а именно 1,2 кг. Теперь нетрудно уже ответить на поставленный раньше вопрос. Для этого нужно лишь узнать, сколько кубических метров в вашей комнате, и тогда определится вес содержащегося в ней воздуха.
Пусть комната имеет площадь в 10 м2, а высоту – 4 м. В такой комнате 40 кубометров воздуха, который весит, значит, сорок раз по 1,2 кг. Это составит 48 кг.
Рис. 54
Итак, даже в столь небольшой комнате воздух весит немногим меньше, чем вы сами. Унести на плечах подобный груз вам удалось бы не без труда. А воздух вдвое более просторной комнаты, нагруженный на вашу спину, мог бы вас раздавить.
Интересно подсчитать также, сколько весит тот воздух, который мы вдыхаем и выдыхаем в течение одних суток. При каждом вдохе человек вводит в свои легкие около полулитра воздуха. Делаем же мы в минуту, средним числом, 18 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 18 полулитров, или 9 целых литров воздуха. Это составляет в час 9 × 60, т. е. 540 л. Округляем до 500 л, или до половины кубического метра, и узнаем, что за сутки человек вдыхает не менее 12 кубометров воздуха. Такой объем весит 14 кг.
Вы видите, что за одни сутки человек проводит через свое тело гораздо больше воздуха, чем пищи: никто не съедает и 3 кг в сутки, вдыхаем же мы воздуха 14 кг. Впрочем, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на четыре пятых из бесполезного для дыхания азота[9], то окажется, что тело наше потребляет кислорода всего около 8 кг, т. е. примерно столько же по весу, сколько и пищи (твердой и жидкой).
Наполните бутылку водой, приложите к ее отверстию плотно пальцы, переверните ее, погрузите горлышко под воду в чашке и отнимите пальцы от отверстия. Казалось бы, вода из бутылки может свободно вылиться – отверстие открыто. Однако она не выливается. Даже если бы для этого опыта, вы взяли гораздо большую бутыль, вода выливаться из нее не будет.
Таков простейший опыт, доказывающий, что воздух имеет вес, потому что водяной столб в бутылке поддерживается не чем иным, как давлением окружающего воздуха на воду: атмосферное давление вгоняет воду в бутылку.
Рис. 55. Как проще всего удостовериться, что воздух имеет вес
Как ни просто это объяснение, оно долго ускользало от исследователей, и только лет 300 назад было постигнуто итальянским ученым Торичелли, даровитым учеником и последователем Галилея. Торичелли желал измерить величину атмосферного давления и рассуждал так: атмосфера не простирается беспредельно, вес ее ограничен; следовательно, должен иметь границы и тот водяной столб, который ее уравновешивает. Если бы можно было сделать опыт с очень высокой бутылкой, то вода не заполнила бы ее всю: высота водяного столба в такой бутылке послужила бы мерой давления атмосферы. Однако можно добиться того же самого и другим путем, не употребляя огромных сосудов: нужно только вместо воды взять более тяжелую жидкость.
Рис. 56. Паскаль более трехсот лет назад устроил винный барометр высотою 10 1/2 метров
Торичелли сделал опыт с ртутью, которая тяжелее воды в 13 1/2 раз. Соответственно своему большему весу ртутный столб, уравновешивающий воздушное давление, должен быть в 13 1/2 раз ниже водяного. Значит, можно надеяться увидеть его свободный верхний уровень уже в сосуде обычных размеров. Послушайте, как Торичелли сам рассказывает о своем опыте:
«Мы живем, – писал он, – на дне воздушного океана, и опыт с несомненностью показывает, что воздух имеет вес.
«Мною было изготовлено много стеклянных пузырьков с длинной трубкой в 2 локтя; я наполнял их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем я их опрокидывал в чашку с ртутью, они опоражнивались, но трубка оставалась наполненной до высоты локтя и одного пальца. Желая доказать, что пузырек совершенно пуст, я подставленную чашку доливал водой, – тогда, при постепенном подъеме трубки можно было видеть, что, едва ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть, и весь пузырек стремительно наполняла вода до самого верха.
«Итак, сосуд пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части сосуда – в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда, приходит извне: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотою в 50 × 3000 шагов[10]. Неудивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки, к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания, и поднимается так высоко, пока она не уравновесится внешним воздухом. Ясно, что именно ее толкает. Вода же поднимается в подобной, по гораздо более длинной трубке почти до 18 локтей, т. е. во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды».
Трубка Торичелли была в сущности первым барометром – прибором для измерения атмосферного давления[11]. Если вместо ртути взять воду, то высота столба воды в таком барометре была бы не 76 см, а в 13 1/2 раз больше, т. е. около 10 м.
Рис. 57. Барометр-памятник в итальянском городе Фаэнца, родине Торичелли. Труба барометра наполнена оливковым маслом. Высота барометра 11 метров. Фонтан внизу иллюстрирует также одно из открытий Торичелли
Паскаль – старинный французский ученый, о котором мы уже имели случай говорить, – сделал опыт с еще большим барометром, так как жидкостью для него служило вино. Он наполнил красным вином стеклянную трубу высотою около 14 м, закупорил ее, погрузил одним концом в бадью с вином и вынул под жидкостью пробку от трубы. Винный столб имел в высоту – от уровня вина в бадье до верхушки – 10 м 40 см. Рис. 56 изображает этот старинный опыт. Само собою разумеется, что такого рода опыты приходится делать не в комнате, а прямо на улице. Еще выше тот масляный барометр, который сооружен на родине Торичелли в виде памятника (рис. 57).
Опыты, сейчас описанные, показывают, что столб воды в 10 м высоты весит столько же, сколько столб воздуха от Земли до верхней границы атмосферы, – оттого они и уравновешивают друг друга. Нетрудно вычислить поэтому, сколько весит воздушный столб, опирающийся на каждый квадратный сантиметр земной поверхности: столько же, сколько весит 10-метровый столб воды с основанием в сантиметровый квадратик. В таком столбе 1 тыс. сантиметровых кубиков; а так как каждый кубик весит, мы знаем, 1 г, то целый водяной столб весит 1 тыс. г, т. е. 1 кг. Это есть в то же время и вес воздушного столба такой же толщины, высотой от земли до границы атмосферы. Значит, атмосфера давит на каждый квадратный сантиметр Земли (или вещей на ней) с силою 1 кг.
Узнав это, нетрудно уже рассчитать, сколько весит весь воздух, окружающий нашу планету: столько килограммов, сколько квадратных сантиметров заключает вся земная поверхность. Поверхность земного шара равна, круглым счетом, 600 млн. км2. Кто не боится вычислений с длинными числами, тот сам рассчитает, что вся атмосфера весит 5 000 000 000 000 000 т – пять тысяч биллионов тонн! Вес поистине чудовищный, но по сравнению с еще более огромным весом самого земного шара все же довольно скромный. Вычислено, что атмосфера весит примерно столько, сколько одна гора Эверест: в миллион раз меньше земного шара.
Если определить вес атмосферы сравнительно просто, то гораздо труднее узнать, как она высока. Воздух, чем выше, тем становится все разреженнее, и это мешает человеку подняться высоко вверх. Уже на высоте 1 500 м разреженность воздуха сказывается в том, что человек начинает испытывать болезненные явления, несмотря на то, что на такой высоте воздух совершенно свободен от бактерий. Начиная с 3 тыс. м, где количество кислорода на 1/4 меньше нормального, появляются признаки «горной болезни»: головокружение, тошнота, учащенные пульс и дыхание. На высоте 4 тыс. м число дыханий вместо 18 в минуту доходит до 40, а пульс вместо нормальных 80 – до 140. На высоте 5 тыс. м число красных кровяных телец человека (при продолжительном там пребывании) увеличивается с обычных 5 млн. в кубическом миллиметре до 8 млн. К этому, впрочем, можно привыкнуть: в Тибете существуют постоянные человеческие поселения почти на такой высоте (4 860 м), а в Перу на высоте 4 870 м устроена железнодорожная станция – высочайшая в мире.
На высоте 6 500 м воздух примерно вдвое реже, чем на уровне океана. Тем не менее еще на высоте 7 тыс. м наблюдали нередко полет кондоров; выше их не проникает ни одно животное. Но человек поднимался выше, беря с собой специальные аппараты для дыхания: без них существовать на такой высоте человек не может. Спутник Тиссандье погиб на высоте 8 600 м, так как смельчаки (в 1875 г.) отважились залететь в эту зону без аппаратов с искусственным воздухом. До 8 850 м поднимает свою вершину высочайшая гора земного шара – Эверест; человеку не удалось ступить ногой на ее вершину: пришлось прекратить восхождение, не доходя нескольких десятков метров[12]. Однако на аэроплане человек поднимался выше. 11 апреля 1934 г. итальянский летчик Донати взлетел на самолете до высоты 14 1/2 километров. Но на воздушных шарах люди забирались значительно выше. Для этого употребляют шары огромного размера, люди же помещаются не в открытой корзине, а внутри наглухо закрытой кабины, чтобы не задохнуться на тех высотах, где воздух очень редок. Такой воздушный шар, предназначенный для весьма высокого подъема, называется стратостатом.
В 1934 г. всех выше поднялись на стратостате «Осоавиахим» три советских воздухоплавателя: Федосеенко, Васенко и Усыскин, заплатившие жизнью за свой научный подвиг. 30 января они достигли высоты 22 километра. Воздух там почти в 20 раз менее густой, чем вокруг нас у земли. В нем совсем нет водяных паров, а потому и небо там всегда безоблачно; оно не голубое, как у нас, а почти черное. Там всегда полное безветрие и ничем не нарушаемая тишина.
В столь высокие области атмосферы запускали лишь небольшие шары без пассажира; эти шары-зонды, несущие самозаписывающие измерительные приборы (термограф – термометр-самописец, барограф – барометр-самописец), достигали высоты 35 км, где воздух разрежен примерно в полтораста раз против плотности его у поверхности земли.
Рис. 58
В этом разреженном воздухе шар, распираемый газом изнутри, лопается, а имевшиеся на нем инструменты спокойно опускаются вниз на парашюте. Приборы, упавшие таким образом на землю, отыскиваются однако не всегда, часть их теряется и не попадает в руки ученых. Поэтому были придуманы особые шары-зонды, инструменты которых сами передают свои показания по радио. Этот радиозонд изобретен советским ученым А.П. Молчановым.
Рис. 59. Шары-зонды, несущие прибор-самописец
Границей атмосферы следует считать ту высоту, на которой имеются последние следы воздуха, чем-либо обнаруживающие свое существование. Это – высота в 600–700 км, куда достигают лучи полярных сияний. На высоте 100 км воздух разрежен примерно в миллион раз по сравнению с воздухом близ земной поверхности. Если мы вспомним, что в так называемых «пустотных» электрических лампочках воздух разрежен «только» в сотни тысяч раз, то должны будем считать пространство на высоте уже 100 км практически пустым. Ученые подходят с более строгой меркой и отодвигают границу атмосферы в 6–7 раз дальше.
Исследовать эти крайние высоты атмосферы с помощью самолетов, воздушных кораблей или шаров-зондов нельзя и надеяться: они не смогут держаться в столь разреженной среде. Но, вероятно, со временем туда будут пущены ракеты с самописцами, которые и расскажут нам об условиях, господствующих на этих высотах.
– Возьми-ка газету в руки, – сказал мне как-то старший брат в те годы моей юности, когда физика была мне еще совершенно незнакома. – Газета очень легка, не правда ли? И ты думаешь, конечно, что сможешь всегда поднять ее хоть одним пальцем. Но вот сейчас ты увидишь, что та же самая газета может сделаться очень и очень тяжелой. Подай мне вон ту чертежную линейку.
– Она изрублена, никуда не годится.
– Тем лучше: не жалко, если сломается.
Брат положил линейку на стол так, что часть ее высовывалась за край.
– Тронь за выступающий конец. Легко наклонить, правда? Ну, а попробуй наклонить ее, когда я накрою другую половину газетой.
Он разостлал газету на столе, аккуратно расправив ее складки и покрыв ею линейку.
Рис. 60
– Бери палку и сильно ударь по выступающей части линейки. Бей со всего размаху.
– Так ударю, что линейка в потолок полетит! – воскликнул я, размахиваясь.
– Главное, не жалей силы.
Результат удара был совсем неожиданный: раздался треск линейка переломилась, а газета по-прежнему осталась да столе, прикрывая другой обломок злополучной линейки.
– Газета-то тяжелее, чем ты думал? – лукаво спросил брат.
Я растерянно переводил глаза с обломка линейки на газету.
– Но почему же газета не пустила линейку? Ведь вот я легко поднимаю ее со стола?
– В этом и суть опыта. На газету давит воздух, и с немалой силой: каждый квадратный сантиметр газетного листа он придавливает с силою килограмма. Когда ударяют по выступающему концу линейки, то другим своими концом она напирает на газетный лист снизу; газета должна приподняться. Если это делается медленно, то под приподнимающуюся газету успевает проникнуть воздух снаружи и своим напором уравновешивает давление на газету сверху. Но твой удар был так быстр, что воздух под газету проникнуть не успел: края газеты еще прилегали к столу, когда середина ее уже увлекалась вверх. Тебе пришлось поэтому поднимать не одну газету, а газету вместе с напирающим на нее воздухом. Короче сказать, тебе надо было поднять линейкой груз примерно во столько килограммов, сколько квадратных сантиметров заключает приподнимаемый участок газеты. Если бы это был участок бумаги всего в 16 квадратных сантиметров – квадратик со стороною в 4 сантиметра, то давление воздуха на него составляло бы 16 килограммов. Но поднимаемый участок бумаги заметно больше, приходилось, значит, поднимать изрядный вес. Такого груза линейка не осилила и сломалась.
В другой раз брат озадачил меня опытом иного рода, также основанным на свойствах газов. Он начал с того, что принялся кроить и клеить длинный мешок из большого листа газетной бумаги.
– Мешок выйдет на славу, – говорил он. – Я делаю его двойным, чтобы он не пропускал воздуха, когда мы его надуем. Ну вот, готово! Теперь, покуда наш мешок сохнет, принеси-ка сюда несколько книг пообъемистее.
Я разыскал на этажерке три увесистых тома медицинского атласа и положил их на стол.
– Можешь ты надуть этот мешок ртом? – спросил брат.
– Конечно, – сказал я.
– Простое и легкое дело, не правда ли? Но если придавить мешок парочкой таких книг?..
– О, тогда сколько ни старайся, мешок не раздуется.
Брат молча положил мешок у края стола, накрыл его одним томом, а поверх поместил стоймя еще одну книгу.
– Теперь следи. Буду надувать.
– Уж не собираешься ли сдунуть эти книги? – спросил я со смехом.
– Именно!
Брат стал раздувать мешок. И что же вы думаете? Нижняя книга наклонилась под напором вздувшегося мешка и опрокинула верхнюю. А ведь в них было не менее 5 кг весу!
Не давая мне опомниться от удивления, брат приготовился повторить опыт. На этот раз он нагрузил мешок тремя томами. Подул, и – вот богатырское дуновение! – все три тома опрокинулись.
Поразительнее всего то, что, когда я сам отважился проделать этот опыт, мне удалось опрокинуть книги так же легко, как и брату. Не надо вовсе обладать ни слоновыми легкими, ни богатырскими мускулами: все происходит почти без напряжения.
Брат объяснил мне, в чем тут было дело. Когда мы надуваем бумажный мешок, мы вгоняем в него воздух, сдавленный больше, чем наружный воздух, – иначе мешок не раздувался бы. Давление наружного воздуха равно примерно тысяче граммов на каждый квадратный сантиметр. Прикиньте, хотя бы приблизительно, сколько квадратных сантиметров бумаги зажато под книгами. Получится площадь сантиметров 150–300. Избыток давления в мешке над наружным давлением составляет примерно 15-ю долю атмосферного давления, т. е. 1000: 15 = около 70 г[13]. Легко рассчитать теперь, что общее давление воздуха внутри мешка на зажатую его часть, т. е. на книги, составляет не меньше
70 × 150 = около 10 000 г,
иначе говоря, 10 кг. Такая сила, разумеется, более чем достаточна, чтобы опрокинуть книги.
Если бы площадь зажатой части мешка была раз в десять больше, можно было бы «дуновением» поднять человека. Ваш товарищ, конечно, не поверит этому: неужели он настолько легок, что достаточно дунуть – и он будет держаться буквально на воздухе? Однако вы можете убедить его, проделав над ним подобный опыт. Для этого вам понадобится большой бумажный мешок, размером в целый газетный лист; ради надежности мешок надо склеить из нескольких слоев газеты, иначе бумага лопнет при раздувании. В один из углов мешка плотно вклейте мундштук или гусиное перо в виде трубки, а на перо наденьте конец резиновой трубки, достаточно длинной, чтобы вы могли надувать мешок не нагибаясь.
Рис. 61
После этих несложных приготовлений вы сможете дуновением поднять товарища на воздух, если он станет на чертежную доску, покрывающую ваш бумажный мешок. А чтобы товарищу не было обидно, станьте потом на доску сами и своим дуновением поднимите и себя на воздух. Если резиновая трубка достаточно длинна, это удается без особого труда (рис. 61).
Сейчас мы убедились, как могущественно бывает иногда наше дуновение. Но вот обратный пример, когда дуновение наше оказывается гораздо слабее, чем мы ожидаем. Пробовали ли вы задувать свечу через воронку? Вероятно, нет. Можно поэтому заранее сказать, что если проделаете такой опыт, то будете изумлены: задуть свечу через воронку вовсе не так легко. Вы можете сколько угодно дуть на свечку в узкий конец воронки, – пламя не шелохнется. Мало того: если вы поднесете воронку близко к свече, то пламя, вместо того чтобы отклониться от воронки, пригнется к ней, навстречу воздушной струе (рис. 62).
Секрет искусства задувать свечу через воронку все же довольно прост: надо держать воронку так, чтобы пламя приходилось не на продолжении оси воронки, а на продолжении ее широкого края. Тогда свеча гаснет даже от умеренного дуновения.
Рис. 62
Чем же объясняются эти загадочные явления? Тем, что воздушная струя, вытекая из узкой части воронки, не идет далее по прямой линии, а растекается вдоль стенок воронки. Вследствие этого воздух в осевой части воронки немного разрежается, оттого здесь и устанавливается обратный воздушный ток. Теперь понятно, почему пламя свечи, помещенное против этого места воронки, наклоняется навстречу ей, а помещенное против края – отклоняется вперед и гаснет.
Читателям, вероятно, будет интересно узнать, что описанный здесь, опыт натолкнул советского изобретателя О.Т. Синицына на мысль внести существенное усовершенствование в устройство важного физического прибора – Круксовой трубки. «Решений задачи, – писал он мне, – есть несколько, но применение воронок пока наилучшее. С опытом, показывающим, что воздух растекается по воронке, а не идет прямо, я познакомился из книги, написанной вами. Опыт с воронкой я проделал не раз и убедился, что он может помочь решить задачу соединения вакуума (пустого пространства) с окружающей средой».
Вот поучительный пример того, как иногда несложный опыт открывает путь к ценным изобретениям.
Опыт, о котором сейчас будет рассказано, – один из самых легких для исполнения. Наполните стакан водой, покройте его почтовой карточкой и, слегка придерживая ее пальцами, переверните вверх дном. Теперь можете руку убрать: бумажка не отпадает, вода не выльется, если только вы не держите стакан косо.
В таком виде вы можете переносить стакан с места на место – но с большим удобством, чем при обычных условиях: вода не расплескивается. При случае вам нетрудно будет изумить товарища, принеся ему в ответ на просьбу дать напиться воду в опрокинутом стакане.
Что же удерживает карточку от падения? Давление воздуха: оно действует на карточку снизу с силою, которая, как легко рассчитать, гораздо больше, чем вес воды в стакане, т. е. чем 200 г.
Когда мне еще в детстве впервые показали и объяснили этот опыт, мне было сказано, что вода должна наполнять стакан весь, от дна до краев. Если она занимает только часть стакана, остальная же занята воздухом, то опыт не удастся: воздух изнутри стакана будет давить на бумажку, уравновешивая давление наружного воздуха; следовательно, она должна отпасть.
Рис. 63
Я решил тотчас же проделать опыт с неполным стаканом, чтобы самому увидеть, как бумажка отпадает. Представьте же мое удивление, когда я убедился, что она и тогда не отпадает! Карточка держится не хуже, чем при полном стакане.
Это послужило для меня наглядным уроком того, как следует изучать явления природы. Высшим судьей в естествознании должен быть опыт. Каждую теорию, как бы правдоподобна она ни казалась нашему уму, следует проверять опытом. «Поверяя и проверяя» – таков был лозунг первых исследователей природы (флорентийских академиков) в XVII веке, таков он и для физика XX века. И если при проверке теории окажется, что опыт не подтверждает ее, то надо доискаться, в чем именно теория ошибается.
В нашем случае нетрудно найти ошибку объяснения, на первый взгляд вполне убедительного. Отогнем осторожно один угол бумажки в тот момент, когда она закрывает снизу отверстие незаполненного стакана. Мы увидим, что через воду пройдет воздушный пузырь. Что это показывает? То, что в стакане воздух более разрежен, чем снаружи: иначе наружный воздух не устремлялся бы в пространство над водой. В этом и вся разгадка: стакан хотя и содержит воздух, но менее плотный, чем наружный, а следовательно, слабее давящий. Очевидно, при опрокидывании стакана вода, опускаясь вниз, вытесняет из него часть воздуха; оставшаяся же часть, распространяясь в прежнем объеме, разрежается и давит слабее.
В сущности, и в том случае, когда вода заполняет стакан, казалось бы, целиком, – над бумажкой, кроме воды, имеется в небольшом количестве также воздух. Достаточно самого тонкого слоя воздуха нормальной плотности, чтобы уравновесить давление атмосферы снаружи. Но воздух в стакане немного разрежен по сравнению с наружным, и оттого бумажка прижимается к краям стакана. Если бы воздуха в стакане совсем не было, наружное давление прижимало бы бумажку с силою в 60–70 кг (соответственно площади отверстия стакана). Оторвать бумажку от краев стакана было бы очень трудно; между тем в действительности для этого достаточно самого слабого усилия.
Вы видите, что даже простейшие физические опыты при внимательном отношении могут навести на серьезные размышления.
Для этого опыта годится обыкновенный умывальный таз; но если вы сможете получить глубокую и широкую банку, то опыт проделать удобнее. Вам понадобится еще и высокий стакан. Это и будет ваш «водолазный колокол», а таз с водой представит уменьшенное подобие моря или озера.
Едва ли есть опыт проще этого. Вы держите стакан вверх дном, погружаете его на дно таза, продолжая придерживать рукой (чтобы вода его не вытолкнула). Легко при этом заметить, что вода внутрь стакана почти не проникает: воздух не допускает ее. Это становится гораздо нагляднее, когда под вашим «колоколом» находится какой-нибудь легко намокающий предмет, например кусочек сахара. Положите на воду пробковый кружок, на него – сахар и прикройте сверху стаканом. Смело опускайте теперь стакан в воду. Сахар очутится ниже уровня воды, но останется, сухим, потому что вода под стакан не проникает.
Рис. 64
Тот же опыт можно проделать и со стеклянной воронкой, если, повернув ее широким концом вниз, плотно заткнуть пальцем ее отверстие и тогда погрузить в воду. Вода под воронку не проникает; но стоит отнять палец от отверстия и тем дать воздуху выход, чтобы вода быстро поднялась в воронке до уровня в сосуде.
Этот опыт должен наглядно объяснить вам, как люди могут находиться и работать под водой в водолазном колоколе или внутри тех широких труб, которые называются «кессонами». Вода не проникает внутрь водолазного колокола или кессона по той же причине, по какой не втекает она под стакан в нашем опыте.
Хотя в воде и растворен воздух, но организм наш так устроен, что дышать этим воздухом, как дышат рыбы, мы не можем. Чтобы оставаться под водою, человек должен либо иметь с собою запас воздуха, либо же быть в сообщении с воздухом, который имеется над водою. Подводная техника пошла по обоим путям. Спускаясь в так называемом водолазном колоколе, изобретенном в конце XVIII века, человек дышит запасом того воздуха, который имеется в колоколе. А опускаясь под воду в особом водолазном костюме – скафандре, человек получает свежий воздух извне: его накачивают вниз насосами. В настоящее время водолазными колоколами больше не пользуются, а прибегают к услугам только скафандров.
Рис. 65
В старину думали, что снабжать водолаза воздухом можно очень просто: провести трубку от его рта наружу, выше уровня воды, и водолаз сможет как угодно долго оставаться под водою, дыша с помощью этой трубки. Когда слон окунается с головой в речную воду, он так и делает: выставляет конец хобота из-под воды и дышит наружным воздухом. Однако, когда тем же приемом пробовали пользоваться люди, дело кончалось очень плачевно: несчастных водолазов извлекали из воды бездыханными. После нескольких таких катастроф никто уже не решался больше повторять столь опасные опыты.
Чтобы выяснить причину этих неожиданных неудач, один венский врач произвел ряд испытаний над неглубоким погружением себя самого в ванну с трубкой, дающей возможность дышать под водою. Оказалось, что человеческий организм едва выдерживает такое испытание в течение нескольких минут, даже если глубина погружения достигает всего 60 см. На глубине 90 см врач мог продержаться всего одну минуту; на глубине целого метра – только полминуты; на глубине же полутора метров – не более шести секунд. Когда же врач отважился погрузиться с трубкой до глубины двух метров, он секунды через две уже потерял сознание; в его организме произошли до того серьезные расстройства, что удалось восстановить здоровье только после трех месяцев тщательного лечения в постели.
В чем же дело? Почему так вредно дышать под водой через трубку, выставленную наружу?
Нетрудно сообразить, какова причина, если вспомнить, что человеческое тело, погруженное под воду, подвергается там снаружи усиленному давлению, между тем как его легкие, соединенные трубкой с наружным воздухом, испытывают нормальное атмосферное давление. В результате неравенства наружного и внутреннего давлений кровь вытесняется из нижней части тела в легкие; из-за уменьшения оттока крови от сердца оно переполняется и расширяется. При опытах с мелкими животными обнаруживалось почти полное обескровливание ног и брюшной полости, так что при вскрытии внутренних органов под ножом почти не выступало крови.
Можно поставить вопрос: почему ничего подобного не происходит с просто ныряющим человеком? Потому что, ныряя, мы имеем запас воздуха в своих легких; этот воздух сдавливается окружающей водою в той же мере, как и прочие части тела. Неравного давления снаружи и внутри нет, оттого и нет тех болезненных явлений, о которых мы сейчас рассказали.
Теперь вы поймете, что водолазу, находящемуся на дне реки в водолазном костюме, надо подводить воздух не под обыкновенным атмосферным давлением, а под усиленным, соответствующим давлению воды на той глубине, где водолаз находится. На глубине 10 м давление воды составляет 1 кг на квадратный сантиметр. А так как нормальное давление атмосферы равно также 1 кг на квадратный сантиметр, и это давление через воду передается водолазу, то, опустившись на глубину 10 м, водолаз испытывает давление в 2 кг на квадратный сантиметр. Значит, ему надо подавать насосом воздух, слитый вдвое: такой воздух, по законам физики, давит вдвое сильнее обычного атмосферного. На глубину 20 м надо накачивать водолазу воздух, сжатый втрое; на глубину 30 м – сжатый вчетверо, и т. д.
Но может ли человек дышать таким густым воздухом? Опыт показывает, что наибольшая плотность воздуха, каким можно еще человеку дышать, отвечает сжатию в 41/2 раза. Такое давление господствует под водою на глубине 35 м. Это и есть наибольшая глубина, на какую может человек погружаться в обыкновенном водолазном костюме[14].
Подвиги советских водолазов прогремели на весь мир. Далеко за рубежом известна работа бесстрашных и искусных водолазов Эпрона (Экспедиции подводных работ особого назначения на морях и реках СССР). За десять лет работы – с 1923 по 1933 – эпроновцы спасли затонувшие корабли «Малыгин», «Сталинград», «Харьков», подняли подводную лодку «№ 9», ледокол «Садко» и еще целую сотню других судов. (Кто хочет поближе познакомиться с работой водолазов, пусть прочтет книжечку К. Золотовского «Подводные мастера»; автор ее, сам водолаз, сумел рассказать о своей работе просто, правдиво и увлекательно.)
Я сказал раньше, что водолаз не может спускаться глубже 40 метров. При этом я имел в виду «подводного мастера», одетого в водолазный костюм обычного образца.
Обыкновенный скафандр представляет мягкую резиновую одежду, через которую давление воды целиком передается телу. Водолазные костюмы, сделанные целиком из самой прочной листовой стали, в сущности, не что иное, как стальной футляр, который защищает тело водолаза от давления окружающей воды. Футляр этот может однако сгибаться в сочленениях и дает водолазу свободу передвижения. В таком костюме можно опускаться гораздо глубже 35 м, потому что тело водолаза не испытывает вовсе давления воды и в футляр можно накачивать воздух обычной плотности. Конечно, и для стального футляра существует граница, глубже которой его нельзя погружать, чтобы он не смялся давлением воды[15].
Рис. 66
Металлические водолазные костюмы явились в ответ на требование практической жизни. Дело в том, что за время мировой войны затонуло свыше 4 тыс. судов, несших на себе груз стоимостью в миллиарды рублей. Часть этих грузов погребена на глубине, не настолько большой, чтобы нельзя было их извлечь. Насколько успешно идет подъем затонувших ценностей, видно из того, что до сих пор удалось уже извлечь со дна морей количество грузов, стоимость которых в несколько раз больше, чем цена золота, добытого на богатейших разработках Калифорнии со времени их открытия.
Лучшие водолазные костюмы жесткой системы, рассчитанные на глубину 200 м, весят в воздухе полтонны, под водою – не более 8 кг.
Осенью 1932 г. американским ученым Уильямом Бибом была достигнута глубина 660 метров. Он спускался в закрытом стальном шаре, который ученый назвал «батисферой» (т. е. глубинным шаром).
Послушаем, что рассказывает он сам о своем необычайном спуске в пучину океана:
«Приготовления к спуску заняли почти целый месяц. Надежность батисферы была проверена путем повторного опускания снаряда порожняком на глубину около 900 м.
«Испытания батисферы были сопряжены с большой опасностью. После одного из пробных погружении батисфера оказалась полной воды почти доверху. Находившийся в ней воздух был сжат до ничтожного объема. Я принялся отвинчивать огромный запорный болт в центре люка. После нескольких поворотов раздался высокий, певучий звук. Затем врывалась тонкая и сильная струя водяной пыли. Я осторожно и медленно вращал рукоятку запорного винта, прислушиваясь к музыкальному звуку, который становился все более нетерпеливым, по мере того как давление заключенных в батисфере веществ постепенно уменьшалось – по четверть тонны давления на каждый оборот винта. Предвидя возможные последствия, я приказал очистить палубу перед люком батисферы. Вдруг запорный болт вырвался у меня из рук и пулей перелетел через палубу. За ним вылетел мощный столб воды, превратившийся затем в шумный водопад. Окажись я на пути, я был бы обезглавлен».
В конце сентября все было уже подготовлено к спуску. Участвовать в экспедиции должны были двое: названный ученый и кроме того строитель батисферы Бартон. Сидя внутри стального шара, они могли все время сообщать по телефону свои наблюдения на борт корабля, с которого производился спуск.
Рис. 67. Стальной шар – батисфера – для глубоководных погружений. Американец Биб опускался в этом снаряде до глубины 660 метров
«Осмотрев еще раз все инструменты и приборы, в 1 час 15 мин. дня мы залезли в батисферу. Люк был захлопнут, и началось крепление десятка больших гаек, от которого мы чуть не оглохли. Затем, одновременно с прощальными словами, был приведен во вращение запорный болт.
«Бартон тотчас отвернул кран кислородного баллона, а я надел наушники и установил контакт с телефонисткой. Я приказал начать погружение. Мы почувствовали, как батисфера дрогнула и, покачиваясь, поплыла в воздухе. Послышался плеск, которого я никогда не забуду, и по стеклу побежали пузыри и пена. Мы погружались в сверкающие изумрудом верхние слои океана.
«Об иллюминаторах из кварца и о люке я не беспокоился. Они отлично выдержали испытание при погружении на 900 метров. Но сальник телефонного ввода пропустил при последнем испытании около 2 литров воды. Другим источником беспокойства была 1 000-ваттная лампа. Мы взяли ее впервые и не знали, какое действие она произведет на кварцевое окошко, около которого помещалась.
«На протяжении первых 60 метров мы старались устроиться как можно удобнее в нашем тесном помещении (поперечник батисферы равен 1,5 метра). Записная книжка, самые необходимые инструменты и фонарик находились у меня в открытом мешке на груди. Мелкие вещи я рассовал по карманам, а все остальное приходилось отыскивать по мере надобности среди других вещей в куче на дне нашего шара. Я занял наблюдательный пост у окна, а Бартон следил за прожектором, сальником и кислородным баллоном.
«В 2 часа 47 мин. шар достиг глубины 300 метров.
«Освещение становилось все более слабым. В течение некоторого времени, вися на этой глубине, мы проверяли состояние нашего мирка. Бартон установил, что люки и кран кислородного баллона в полной исправности. На телефонном вводе также не было никаких следов влажности. Я осветил фонариком окно и увидел, что из-под оправы стекла стекают тонкие струйки. Затем я заметил влажные струйки на всех стенках, и мы поняли, что это результат нормального сгущения наших испарений на холодной стали, а не просачивание воды снаружи.
«Бок о бок с нами плыла пара глубоководных угрей. Под самым моим носом промелькнули морские звезды.
«Кислород уходил быстрее, чем полагалось. Поэтому Бартон начал передавать показания приборов как можно короче, а мои сообщения наверх приобрели чисто телеграфный слог.
«В 2 часа 56 мин. мы были оглушены каким-то ревом и узнали, что сирена буксира отмечает наше погружение на 425 метров, т. е. на глубину, которая была до сих пор рекордной.
«Достигши 450 метров, мы включили прожектор. В свете его луча стали видны два больших угря, которые тотчас же уплыли в сторону.
«На глубине 495 метров стало темно, как… в преисподней. Мне уже не хватало сравнений для определения этого мрака. На расстоянии метра проплыла стая медуз, фосфоресцирующих ярким зеленым светом.
«В 3 часа 6 мин. мы были на глубине 510 метров и оставались здесь в течение трех минут. На этой глубине человеческий глаз не различал никаких признаков солнечного света, даже с помощью инструментов.
«Таким образом я опустился ниже зоны проникновения солнечных лучей, доступных человеческому зрению.
«На глубине 585 метров мы испытали первую серьезную качку. Она началась неожиданно. Я порезал себе губу о выступ окна, а Бартон ударился головой о дверь. Мы пережили самый сильный испуг за все время погружения. На одно мгновение у нас создалось ощущение, будто мы оборвались и опрокидываемся. В дальнейшем такая качка повторялась каждые 2–3 минуты.
«Когда мы погрузились до 630 метров, батисферу качало так сильно, что большая часть наших химических составов просыпалась нам на голову. Пришлось непрерывно перераспределять остающиеся, чтобы обеспечить возможно большую поверхность поглощения углекислого газа.
«В 3 часа 23 мин. я приказал опустить нас глубже, и спустя 3 мин. нам сообщили, что мы находимся на глубине 660 метров. Температура оставалась почти прежней, но сталь была холодна, как лед, а оконное стекло холодило кончик моего носа. Окно приходилось все время протирать.
«Немного спустя, исследуя сальниковые уплотнения над головой, мы установили, что шланг телефонного ввода вдавлен на 1,5 дюйма внутрь батисферы. Качка становилась нестерпимой… Посовещавшись, мы решили, что цель нами достигнута и нет нужды оставаться в этих неприятных и нелегких условиях. Я распорядился начать подъем.
«В 4 часа 8 мин. мы выбрались на поверхность моря. Из нашей темницы мы вылезли разбитые и со сведенными конечностями, но очень довольные…»[16]
Вам уже известно, что воздух, окружающий нас со всех сторон, давит с значительной силой на все вещи, с которыми он соприкасается. Опыт, о котором сейчас будет рассказано, еще нагляднее покажет вам существование атмосферного давления.
Положите на плоскую тарелку монету или металлическую пуговицу и налейте воды. Монета очутится под водой. Вынуть ее теперь голыми руками, не замочив пальцев и не выливая воды из тарелки, конечно, невозможно.
Зажгите внутри стакана бумажку и, когда воздух нагреется, опрокиньте стакан на тарелку рядом с монетой так, чтобы монета очутилась не под стаканом. Теперь смотрите, что будет. Ждать придется недолго. Бумага под стаканом сразу погаснет, и воздух начнет в стакане остывать. По мере же его остывания вода будет втягиваться стаканом и вскоре вся там соберется, обнажив дно тарелки. Подождите минуту, чтобы монета обсохла, и берите ее, не замочив пальцев (рис. 68).
Понять причину этих явлений нетрудно. Когда воздух в стакане нагрелся, он расширился, как и все нагреваемые тела; избыток его нового объема вышел из стакана. Когда же воздух начал остывать, его давления стало недостаточно, чтобы в холодном состоянии уравновешивать наружное давление атмосферы. Вода под стаканом испытывает теперь на каждый сантиметр своей поверхности меньшее давление, чем в открытой части тарелки: она вгоняется под стакан, втискиваемая туда избытком давления наружного воздуха. Вода, значит, не «втягивается» стаканом, не всасывается им, как кажется при первом взгляде, а вгоняется под стакан извне.
Рис. 68. Горящее пламя собирает под опрокинутый стакан всю воду из тарелки
Теперь, когда вам известна причина происходящих здесь явлений, вы поймете также, что нет надобности для опыта зажигать бумагу или горящую, смоченную в спирте ватку (как часто советуют), вообще пользоваться каким-либо пламенем. Сполосните стакан кипятком, – опыт удастся столь же хорошо.
Все дело здесь в том, чтобы нагреть воздух в стакане, а способ – безразличен[17].
Легко, например, проделать тот же опыт в следующем виде. Выпив чаю, опрокиньте стакан, пока он еще горяч, над блюдцем, в которое вы налили немного чаю заранее, чтобы к моменту опыта он уже успел охладиться. Через минуту-две чай из блюдца соберется под стакан.
Когда ветер, т. е. движущийся поток воздуха, встречает преграду, он оказывает на нее давление большее, чем 1 кг на квадратный сантиметр. Давление воздуха на эту преграду спереди и сзади в таких случаях не уравновешивается, и избыток давления со стороны ветра стремится сдвинуть преграду с места. Это усилие и имеют в виду, когда говорят о «давлении ветра».
Величина давления ветра на обдуваемую им поверхность зависит от его скорости, от его «силы». Слабый ветер давит на квадратный метр поверхности, поставленной под прямым углом к нему, с силою 4–5 кг, сильный ветер – до 30 кг, шторм – до 75 кг. Нетрудно рассчитать, что, например, на радиомачту в 4 м высоты и 5 см толщины сильный боковой ветер давит с силою 6 кг, а шторм – 15 кг. Вы легко можете вычислить также, что на телеграфную проволоку длиною 50 м и толщиною 4 мм сильный ветер оказывает давление в 4 кг, а телеграфный столб высотою 8 м и поперечником 25 см шторм стремится опрокинуть с силою 150 кг.
Интересно подсчитать, что сильнее: давление урагана или рабочее давление пара в цилиндре паровой машины? Как ни странно, но пар оказывает во много раз большее удельное давление, чем самый сильный ураган. Действительно, ураган давит с силою 300 кг на 1 м2. Это составляет на 1 см2 в 10 000 раз меньше, т. е. 3/100 кг. Давление же пара, увлекающее цилиндр в движение, достигает десятков килограммов на 1 см2, а в новейших машинах еще больше. Следовательно, на одну и ту же площадку работающий пар давит в сотни раз сильнее, чем самый опустошительный ураган.
Если движущийся воздух сильно давит на встречное тело, то и спокойный воздух оказывает значительное давление на быстро движущееся тело. Это и есть причина того, что называют «сопротивлением воздуха».
Давление сжатого воздуха достигает иногда такой силы, что ею останавливают мчащийся поезд. Делается это помощью так называемых «воздушных тормозов». Устройство подобного тормоза показано на прилагаемых рисунках. На паровозе (см. рис. 69) помещается главный резервуар, наполняемый сжатым воздухом от насоса (компрессора). От главного резервуара отходит трубопровод, подводящий сжатый воздух к вспомогательным резервуарам под каждым вагоном. Когда трубопровод наполнен сжатым воздухом, колодки не прижимаются к бандажам колес: особый клапан V (см. рис. 70) мешает воздуху резервуара поступать в тормозной цилиндр, и пружина S оттягивает колодку от колеса. Чтобы привести тормоз в действие, машинист выпускает из трубопровода часть воздуха и тем уменьшает в нем давление. Тогда клапан автоматически открывается, воздух из резервуара (под вагонами) поступает в тормозной цилиндр, и напор его, противодействуя пружине, прижимает тормозную колодку к бандажу: вращение колес замедляется. То же, в случае необходимости, может сделать и пассажир в вагоне поезда, так как трубопровод имеет еще один клапан, открываемый поворотом рукоятки у стенки вагона. Наконец выпуск воздуха, а следовательно и торможение поезда, происходит сам собою в том случае, если мчащийся поезд разрывается по какой-либо причине: тормоз автоматически приходит в действие, и части разорвавшегося поезда останавливаются.
Рис. 69. Устройство воздушного тормоза для остановки поездов. Внизу показано, как действует тормоз в случае разрыва поезда. На обоих рисунках зачернены части, заполненные сжатым воздухом
Рис. 70. Подробности устройства воздушного тормоза. Когда тормоз не работает, клапан Y закрыт, и сжатый воздух из баллона R не идет в цилиндр С; пружина S оттягивает стержень, соединенный с тормозной колодкой
Из листа папиросной бумаги приготовьте круг поперечником в несколько ладоней. Посередине вырежьте кружок шириною в несколько пальцев. К краям большого круга привяжите нитки, продев их через дырочки; концы ниток, – они должны быть одинаковой длины, – привяжите к легкому грузику. Вот и все устройство парашюта.
Чтобы испытать ваш миниатюрный парашют, уроните его из окна верхнего этажа грузиком вниз. Груз натянет нитки, бумажный круг расправится, парашют плавно полетит вниз и мягко достигнет земли. Это – в безветренную погоду. А при ветре, даже слабом, парашютик будет подхвачен вверх, унесется прочь от дома и спустится где-нибудь далеко.
Чем больше «зонт» парашюта, тем больший груз вы сможете подвесить к нему (груз необходим, чтобы парашют не был перевернут), тем медленнее он станет падать в безветренную погоду и тем дольше будет он путешествовать по ветру.
Но почему парашют держится так долго? Вы догадываетесь, что парашюту мешает падать воздух; не будь бумажного листа, груз упал бы на землю, как гиря. Папиросная бумага увеличивает поверхность падающей вещи, почти ничего не прибавляя к ее весу; а чем больше поверхность предмета, тем заметнее сопротивляется воздух его движению.
Парашют ваш, конечно, не более, как игрушка. Но парашют больших размеров – очень полезное приспособление, спасшее жизнь многим летчикам. На самолете обычно имеется в сложенном виде большой парашют, и если в машине случится авария или неисправность, грозящая ей гибелью, летчик привязывает себя к парашюту и бросается с ним вниз. Во время падения парашют сам раскрывается (для этого имеется особое устройство), и летчик достигает земли невредимым. Конечно, и здесь не обходится иной раз без несчастья: случается, что парашют почему-либо не раскрывается, – тогда летчик камнем падает на землю и расшибается, но подобные несчастные случайности очень редки.
Рис. 71. Как летчик сбрасывается с парашютом (три последовательных момента)
Наши советские летчики достигли величайшего искусства в пользовании парашютами. В 1932 г. летчик Забелин совершил на парашюте прыжок с высоты 6 200 м (выше Монблана). В том же году летчик Афанасьев совершил другой рекордный прыжок: спрыгнув с высоты 2 тыс. м, он раскрыл парашют только на высоте 400 м, пролетев, значит, больше полутора километров без парашюта; это необычайное падение длилось 33 секунды.
Осенью 1933 г. летчик Евсеев поставил мировой рекорд так называемого «затяжного» прыжка с самолета. Он выбросился с высоты 7 200 метров, летел больше двух минут, не раскрывая своего парашюта; пролетев таким образом свыше 7 километров, отважный летчик раскрыл парашют только на высоте 150 метров над землей.
16 июля 1934 г. летчик Евдокимов установил новый мировой рекорд затяжного прыжка с парашютом. Евдокимов поднялся на самолете на высоту 8 100 метров и бросился вниз. Не раскрывая парашюта, он стремительно падал вниз 142 секунды и пролетел 7 900 метров. Парашют был раскрыт лишь на высоте 200 метров от земли.
Что же испытывает летчик во время падения с заоблачных высот? Вот что рассказывает сам Евдокимов о своем прыжке:
«По сигналу «приготовиться к прыжку» я пробираюсь к отверстию в дне самолета и свешиваю ноги над бездной.
«По третьему сигналу я одновременно засекаю секундомер и прыгаю вниз ногами. Затем я переворачиваюсь вниз головой и так падаю.
«Очень трудно ориентироваться. От непроизвольного движения ноги или руки, создающего добавочное сопротивление, меня начинает крутить штопором. Я отставляю левую руку в сторону и этим прекращаю вращение. На высоте 5 500 метров встречаю верхний ярус облаков. Земли еще не видно. Я попал в солнечный район. Ниже плывут серые облака. Никакой ориентировки нет.
«Я лечу во втором облачном слое. Для облегчения напряжения снимаю маску и очки, которые в облаках очень вспотели.
«Осталось 700 метров до земли. Я вижу первые ее очертания. Тотчас же хватаюсь за кольцо – не для того, чтобы его выдернуть. Чувствую себя, как будто прыгнул с высоты 1000 метров. Однако нужно не прозевать – дернуть кольцо вовремя. Я смотрю на секундомер; земля приближается. У меня запечатлевается изгиб реки и поля овса. Когда стрелка заползла за 140 секунд, я выдергиваю кольцо. Рывок был настолько сильный, что секундомер, привязанный к руке шелковым шнурком, был оборван. Я сразу почувствовал снижение и, слегка подобрав ноги, принимаю еще один толчок от удара о землю…»
Если выхорошо поняли, почему парашют, который, конечно, тяжелее воздуха, все же парит в нем, вам станет понятно, почему носится в воздухе пыль. Скажут, пожалуй, что здесь ничего нет удивительного: пыль легче воздуха, оттого и плавает в нем. Кто так думает, тот глубоко ошибается: пыль вовсе не легче воздуха, а тяжелее его в сотни и тысячи раз! Многие думают, что всякая пыль одинакова; это оттого, что пылинки очень мелки и не различаются простым глазом. Совершенно иное покажет вам микроскоп, увеличивающий раз в 200: вы увидите, что пылинки бывают весьма различны не только по форме, но по тому веществу, из которого они состоят.
Что такое пылинки? Мелкие частицы угля, дерева, волокна шерсти, цветочная пыль, обломки посуды, стружки металла, зола и т. п. Все эти материалы в сотни и тысячи раз тяжелее воздуха: железо – в 6 тыс. раз, дерево – в 300 раз и т. п.
Значит, пылинки нисколько не легче воздуха; напротив, они во много раз тяжелее его и никак не могли бы плавать в нем, подобно щепкам в воде.
Поэтому всякая пылинка твердого или жидкого тела непременно должна падать в воздухе, должна в нем «тонуть». Она и падает, но только падение ее происходит примерно так, как падает парашют. Дело в том, что у очень маленьких крупинок поверхность уменьшена не так сильно, как уменьшен их вес. Если сравните дробинку с круглой пулей, которая в 1 000 раз тяжелее ее, то поверхность дробинки окажется меньше поверхности пули всего только в 100 раз. Это значит, что у дробинки поверхность, приходящаяся на единицу веса, вдесятеро больше, чем у пули. Вообразите, что дробинка продолжает уменьшаться, пока не станет в миллион раз легче пули, т. е. превратится в свинцовую пылинку. У этой пылинки поверхность, приходящаяся на единицу веса, в 1 000 раз больше, чем у пули. Воздух мешает ее движению в 1 000 раз сильнее, чем движению нули. И оттого пылинка парит в воздухе, т. е. едва падает, а при малейшем ветре уносится даже вверх. Установлено, что мелкие пылинки могут парить в наших комнатах целые сутки, даже несколько суток, прежде чем осядут на пол.
На сопротивлении воздуха основаны загадочные движения брошенного бумеранга – любопытного орудия первобытных австралийцев, описывающего в воздухе самые затейливые кривые. Вы можете изготовить маленькое подобие бумеранга, вырезав его из тонкого картона, например из почтовой карточки, в форме фигуры, изображенной на рисунке. Чтобы свой бумажный бумеранг заставить полететь, положите его на край книги и затем резко ударьте карандашом по выступающему концу. Бумеранг умчится, опишет плавную кривую, и если только ни на что не наткнется, то возвратится к вашим ногам. Поупражнявшись некоторое время, вы можете достичь большой ловкости в искусстве метания этой бумажной полоски (рис. 72).
Рис. 72
Первоклассный бегун, состязающийся на скорость, вовсе не стремится в начале бега быть впереди соперников. Напротив, он старается держаться позади них; только приблизившись к финишу, он проскальзывает мимо других бегунов и приходит к конечному пункту первым. Для чего избирает он такой маневр? Почему ему выгоднее бежать позади других?
Причина та, что при быстром беге приходится затрачивать немало работы для преодоления сопротивления воздуха. Обыкновенно мы не думаем о том, что воздух может служить помехой нашему движению: расхаживая по комнате или прогуливаясь по улице, мы не замечаем, чтобы воздух стеснял наши движения. Но это только потому, что скорость нашей ходьбы невелика. При быстром движении воздух уже заметно мешает нам двигаться. Кто ездит на велосипеде, тот хорошо знает, что воздух мешает быстрой езде. Недаром гонщик пригибается к рулю своей машины: он этим уменьшает величину той поверхности, на которую напирает воздух. Вычислено, что при скорости 10 км в час велосипедист тратит седьмую часть своих усилий на то, чтобы бороться с воздухом; при скорости 20 км на борьбу с воздухом уходит уже четвертая доля усилий ездока. При еще большей скорости приходится расходовать на преодоление воздушного сопротивления третью долю работы и т. д.
Теперь вам станет понятно загадочное поведение искусного бегуна. Помещаясь позади других, менее опытных бегунов, он освобождает себя от работы по преодолению воздушного сопротивления, так как эту работу выполняет за него бегущий впереди. Он сберегает свои силы, пока не приблизится к цели настолько, что станет наконец выгодно обогнать соперников.
Маленький опыт разъяснит вам сказанное. Вырежьте из бумаги кружок величиной с пятикопеечную монету. Уроните монету и кружок порознь с одинаковой высоты. Вы уже знаете, что в пустоте все тела должны падать одинаково быстро. В нашем случае правило не оправдается: бумажный кружок упадет на пол заметно позднее монеты. Причина та, что монета лучше одолевает сопротивление воздуха, чем бумажка. Повторите опыт на иной лад: положите бумажный кружок поверх монеты и тогда уроните их. Вы увидите, что и кружок и монета достигнут пола в одно время. Почему? Потому что на этот раз бумажному кружку не приходится бороться с воздухом: эту работу выполняет за него монета, движущаяся впереди. Точно так же и бегуну, движущемуся позади другого, легче бежать: он освобожден от борьбы с воздухом.
Наши беседы о свойствах воздуха закончим старинным рассказом о первых опытах с воздушным насосом. Опыты эти производились в конце XVII столетия председателем самоуправления немецкого города Магдебурга физиком Отто Герике. Рассказ о выполненных им интересных опытах поясняется рисунками, взятыми из его книги.
«Мне пришел на мысль следующий опыт:
«Если наполним водою бочку, все щели которой заделаны настолько тщательно, что в нее не может проникать внешний воздух, затем вставим в дно металлическую трубку, через которую можно выпускать воду, то в силу своей тяжести она будет вытекать и оставит в бочке пустое пространство, в котором не может быть и никакого другого вещества.
«Желая проверить на опыте свои соображения, я заказал себе медный насос с поршнем и цилиндром, очень тщательно пригнанными (чтобы воздух не мог проникать внутрь насоса и выходить из него мимо поршня). Далее насос был снабжен двумя кожаными клапанами, из которых внутренний должен был впускать воду, а наружный – содействовать ее выливанию.
Укрепив в дне бочки свой насос, я попытался выкачать воду. Однако при этом обручи и винты, которыми насос прикреплялся к бочке, отрывались, прежде чем поршень успевал втянуть воду.
Рис. 73. Отто Герике, изобретатель воздушного насоса
«Впрочем труд мой не оказался бесполезным. После того как насос прикрепили большими винтами, было наконец достигнуто то, что трое сильных работников, качавших насос, могли добыть воду через отверстие, прикрытое клапаном. Тогда внутри бочки послышался шум, какой бывает при кипении воды; он продолжался до тех пор, пока пространство, оставшееся после удаления воды, не было заполнено воздухом.
Рис. 74. Первый опыт Отто Герике над образованием безвоздушного пространства
«Этот недостаток надо было устранить каким-ни-будь способом; я достиг этого, взяв бочку меньших размеров и поместив ее внутри первой. Пропустив трубу более длинного насоса через дно обеих бочек, я велел наполнить водой меньшую бочку, законопатить ее отверстие и затем, наполнив водой также большую бочку, вновь начал работу. Теперь вода выкачивалась из маленькой бочки и, несомненно, оставляла в ней после себя совершенно пустое пространство.
«Но при наступлении ночи, когда дневной шум прекратился, можно было слышать внутри бочки прерывающийся звук, имевший сходство с птичьим щебетаньем. Это продолжалось почти трое суток.
«Когда же затем отверстие маленькой бочки было открыто, то большая часть ее оказалась наполненной воздухом и водой.
«Все были изумлены тем, что вода могла снаружи попасть в столь прочно законопаченную бочку.
Повторив опыт несколько раз, я пришел к убеждению, что вследствие сильного давления вода проникает в меньшую бочку через дерево; проникает туда и некоторое количество воздуха».
«Когда опыт и рассмотрение дерева убедили меня в его скважности, я счел более целесообразным употребить для своей цели шаровидный медный сосуд, снабженный сверху латунным краном. Приспособив к нижней части этого шара насос, я приступил к выкачиванию воздуха, как прежде выкачивал воду.
Рис. 75. Второй опыт Отто Герике над образованием безвоздушного пространства
«Сначала поршень двигался свободно, но вскоре работать поршнем становилось все труднее и труднее, так что двое сильных работников едва в состоянии были выдвигать его. В то время как они еще продолжали работать и полагали, что весь воздух выкачан, металлический сосуд внезапно, к общему испугу, был сплющен с сильным треском, как если бы сосуд был брошен с самой высокой башни. Этот случай я объяснил тем, что, может быть, по небрежности мастера сосуду не была придана достаточно шаровидная форма. Пришлось приготовить сосуд правильной шаровидной формы; из него воздух вначале выкачивался легко, а под конец с большим усилием.
«Таким образом при повторении опыта получено было пустое пространство.
«После того как кран сосуда был открыт, воздух стал наполнять медный шар с такою силою, что, казалось, способен был увлечь за собой стоявших тут людей. Если к шару приближали лицо, то захватывало дыхание; даже руку нельзя было держать близко от крана, – ее могло втянуть».
«Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургских локтя (т. е. около 40 см). К одному полушарию был приделан кран; с помощью его можно было 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 и напитать его смесью воска со скипидаром; 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 стискивало их так крепко, что 16 лошадей не могли их разнять вовсе или достигали этого лишь с трудом. Когда же полушария, уступая всей силе лошадей, разъединялись, то раздавался звук, как от ружейного выстрела.
«Но стоило поворотом крана открыть свободный доступ воздуху, и оба полушария нетрудно было разнять руками.
«На основании этого опыта я рассчитал, что если оба приложенных полушария подвесить и к нижнему подвязать груз в 2 686 фунтов, то оно будет этим весом оторвано от верхнего полушария. Вес этот зависит однако несколько и от состояния воздуха, так как давление воздуха бывает порою сильнее, порою слабее. В этом грузе для данного основания цилиндра как бы воплощен вес неба (т. е. воздушного столба до границ атмосферы). Кто желает узнать вес всего воздуха на Земле, тот должен сначала определить поверхность Земли в квадратных милях; затем, переведя в квадратные локти, можно уж найти искомый вес».
«Сейчас упомянутые полушария, ударяясь о землю при их разъединении, когда лошади выпрягались, повредились и утратили свою шаровидную форму. Я заказал поэтому два полушария больших размеров, диаметром в целый локоть (55 см). Величина их была выбрана такой, чтобы в пустом состоянии их не могли разъединить 24 лошади. Воздушный цилиндр с таким основанием должен весить 5 400 фунтов. В предыдущем опыте разъединение грузов в 2 686 фунтов потребовало силы 16 лошадей. Какая сила нужна, чтобы преодолеть груз в 5 400 фунтов? Расчет показывает, что нужны 34 лошади. А так как впрягалось только 24 лошади, то можно было с уверенностью предвидеть, что полушария не будут разняты. Они и остались соединенными, и воздух внутрь не проник. Но, открыв кран, можно было впустить воздух, и тогда полушария сами распались.
Рис. 76. Опыт Герике с медными полушариями
«Мы можем, следовательно, действительно сказать, что разъединение полушарий, недостижимое силою 24 лошадей (а при еще больших полушариях даже силою 100 лошадей), может выполнить всего лишь один человек простым дуновением».
«Чтобы упомянутые ранее меньшие полушария не оставались без употребления, я приказал на дворе моего дома, у угла садовой ограды, врыть прочный отвесный столб, вверху устроить поперечную балку, к которой прикрепить крепкий железный крюк. На этот крюк я с помощью железного кольца повесил оба полушария. К нижнему полушарию на четырех цепях, продетых через кольца, подвешена была квадратная доска, наподобие чашки весов городской важни. На нее накладывалось столько гирь, сколько требовалось для разъединения полушарий.
Рис. 77
«Выше было определено, что воздух давит на каждое полушарие с силою 2 686 фунтов. Следовательно, оба полушария разнимутся, если на чашку будет положен груз в 2 686 фунтов. Это разъединение и последовало с глухим звуком».
Азот входит в состав живых клеток как необходимый для их жизни элемент.
Торичелли принимал высоту атмосферы равной 60 милям (а в старинной миле было 3 000 шагов).
Неправильно считать барометр прибором, предсказывающим погоду.
К настоящему времени на Эверест совершили восхождение уже около 1,5 тыс. чел.
Что такова именно сила, с какою мы способны вдувать воздух, можно установить с помощью барометрической трубки с ртутью. Я не раз проделывал это и убедился, что вдуванием мы можем повысить ртутный столб в барометре на 5–6 сантиметров.
Правилами по охране труда в Союзе допускался спуск водолазов не глубже 40 метров; это отвечает сжатию воздуха в 5 раз. Спускать подводных работников на большую глубину можно было только с особого разрешения центральной водолазной базы. На такие глубины позволялось спускать лишь людей очень крепкого здоровья и притом подготовленных долгим упражнением. Самая большая глубина, на какую случалось в Союзе благополучно спускать водолазов – 56 метров (в 1927 г. в Финском заливе). Попытки водолазов проникать глубже кончались смертью смельчака или его тяжелым заболеванием.
Двести метров – вот наибольшая глубина, на какую удавалось спускаться советским водолазам в новоизобретенных костюмах.
В 1948 году было проведено погружение батисферы на 1380 м. Самоходная батисфера (батискаф) с двумя испытателями (Пикаром и Уолшем) на борту достигла в 1960 году дна Марианской впадины (глубина – 11 000 м).
Часто объясняют этот опыт тем, что под стаканом «сгорает кислород». Такое объяснение совершенно неправильно.