«Я прекрасно осознаю силу, которую он развивает, — ответил его отец. — Доктор Франклин говорил, что с хорошим змеем человек, не умеющий плавать, мог бы удержаться на воде, чтобы переправиться из Дувра в Кале; но я согласен с ним в том, что пакетбот был бы гораздо более безопасным, а также более приятным способом передвижения».
«Ну что ж, теперь к вашему объяснению подъема змея. Если я не ошибаюсь, вы обнаружите, что предмет гораздо сложнее, чем вы себе представляете», — сказал викарий.
«Вовсе нет; Том, который, я надеюсь, прекрасно знаком с составом и разложением сил, очень легко поймет объяснение, которое я собираюсь предложить. Я признаю, однако, что есть несколько моментов в этом исследовании, которые невозможно успешно разобрать без знания высших разделов математики; но я, конечно, избегу всех подобных трудностей. Можешь ли ты сказать мне, Том, какое преимущество дает тебе бег со змеем?» — спросил мистер Сеймур.
«Я полагаю, что таким образом вы получаете больше силы от ветра».
«Безусловно: действие и противодействие равны. Поэтому, бегая со своим змеем против ветра, вы ударяете по воздуху и тем самым производите противодействие, которое равно силе нанесенного по нему удара. Когда ветер сильный и его действие не прерывается окружающими предметами, в таком приеме нет никакой необходимости».
«Принцип тот же, что позволяет птице подниматься в воздух, взмахивая крыльями», — заметил викарий.
«Несомненно», — ответил мистер Сеймур.
«Значит, змей поднимается в воздух по тем же причинам, что позволяют птице летать?» — спросил Том.
«Мы сейчас рассматриваем не подъем змея, а преимущество, которое достигается при беге с ним: последнее, как правильно заметил викарий, несомненно зависит от того же принципа, который позволяет птице подниматься с помощью движения крыльев и который составляет третий закон движения, а именно: действие и противодействие равны; то есть, всякий раз, когда одно тело оказывает воздействие на другое, второе тело противодействует первому с равной силой в противоположном направлении. Если, следовательно, птица ударяет по воздуху под собой с силой, равной ее весу, то должно возникнуть противодействие воздуха вверх, точно равное ему; и птица, на которую действуют две равные силы в противоположных направлениях, будет, по необходимости, находиться между ними в покое».
«Это достаточно ясно; но птица поднимается», — ответил Том.
«Потому что сила удара больше веса птицы, и поэтому она поднимается с разностью этих двух сил; если бы удар был меньше ее веса, то она опускалась бы с разностью. Предположим, например, птица весит двенадцать унций, а она ударяет по воздуху с силой, равной шестнадцати, разве не ясно, что она должна подняться с силой, равной четырем? И разве не очевидно, что если она ударяет по воздуху с силой, равной только восьми, то она должна опускаться с силой, равной четырем?»
«До сих пор я понимаю это совершенно ясно; но я думал, что, поскольку крыло взмахивает вверх и вниз, то, что было получено при ударе по воздуху вниз, должно быть уравновешено, когда птица снова поднимает крыло и тем самым ударяет по воздуху в противоположном направлении», — заметил Том.
«Я отдаю должное этому замечанию, — сказал его отец, — ибо несомненно верно, что если бы взмахи крыльев в полете были не чем иным, как движением той же поверхности вверх и вниз, птица теряла бы при одном движении столько же, сколько могла бы приобрести при другом; жаворонок никогда не смог бы подняться при таком действии, ибо, как вы так справедливо заметили, хотя удар по воздуху нижней стороной крыла поднял бы ее вверх, удар верхней стороной, когда она снова поднимает крыло, опустил бы ее вниз; но если вы внимательно изучите строение крыла, то сразу заметите по его внешней выпуклости, расположению и, в особенности, по наложению друг на друга его крупных перьев, что, когда крыло поднимается, его поверхность сокращается, а когда опускается — полностью расправляется; или, иными словами, что перья ударяют по воздуху вниз своей плоской стороной, но при подъеме после удара идут под углом, точно так же, как гребец в лодке после гребка поворачивает весло так, чтобы оно представляло только ребро, — операция, которая называется флюгированием из-за ее сходства с этим самым действием крыла в полете».
«Мне кажется, что полет — это легкий процесс, — сказал Том, — не могли бы мы придумать какой-нибудь махательный аппарат, с помощью которого мы могли бы подняться в воздух?»
«Твое мнение, мой дорогой мальчик, отнюдь не уникально; сотни людей придерживались того же убеждения до тебя; и знаменитый епископ Уилкинс был настолько уверен в этом, что заявил о своем убеждении, что в будущие века будет так же обычно слышать, как человек просит свои крылья, как сейчас просят сапоги».
«Да, — сказал викарий, — и если моя память мне не изменяет, Уильям Мальмсберийский в своем описании завоевания Англии норманнами упоминает бенедиктинского монаха по имени Элмер, который, прикрепив крылья к рукам и ногам, поднялся на высокую башню, откуда совершил свой полет, но упал на землю и сломал обе ноги».
«Я не вижу сложности», — воскликнул Том.
«Вес наших тел настолько велик, что у нас недостаточно мышечной силы, чтобы нанести удар по воздуху, который был бы равен ему. Теперь ты удовлетворен?» — сказал его отец.
«Я вполне удовлетворен, если это так, что мы никогда не сможем надеяться летать».
«Принцип, однако, который я только что объяснил, — заметил мистер Сеймур, — хотя и подведет нас в наших попытках сконструировать крылья, тем не менее широко применим в механике. Флюгер или крыльчатка, например, сопротивляясь воздуху при вращении, становится регулятором механизмов. Интервалы между ударами на колоколе часов регулируются таким образом, и крыльчатка в этом случае устроена так, что этот интервал может быть изменен, или часы могут быть заставлены бить быстрее или медленнее, если расположить ее лопасти более или менее косо по отношению к направлению, в котором они движутся. Тот же вид крыльчатки является регулятором, используемым в музыкальных шкатулках, как я сейчас покажу вам, и, действительно, почти во всех механических игрушках. Давайте теперь вернемся к теме воздушного змея; ибо до сих пор мы рассматривали лишь эффект увеличения ветра на его поверхность; теперь нам нужно исследовать, как ветер действует, поднимая его в воздух. Разве вы не помните, когда я регулировал петлю на уздечке, я сказал, что многое зависит от этой части аппарата? Вы сразу поймете, что она будет влиять на угол, который змей образует с землей, и я собираюсь доказать вам, что теория подъема змея существенно связана с величиной этого угла; но чтобы сделать мое объяснение понятным, я подготовил диаграмму, на которую хочу обратить ваше внимание.
«Змей здесь показан в момент подъема с земли; линия W будет представлять направление ветра, дующего на него, все потоки которого мы предположим объединенными в один; очевидно, из того, что уже было сказано, что, поскольку он падает на наклонную поверхность, он будет разложен на две силы, а именно: на одну, параллельную ей, и на другую, перпендикулярную этой поверхности; из которых сила, представленная линией Y, будет единственной, производящей какой-либо эффект, увлекая змея вдоль линии O A, или в направлении, параллельном самому себе; и вы, должно быть, заметили, что это было направление, в котором змей был устремлен, когда вы позволили ему подняться, не сдерживая его движение веревкой».
«Я хорошо это помню, — сказал Том, — и я также заметил, что, когда я тянул за веревку, змей сразу поднимался более перпендикулярно».
«Конечно, так и было; потому что этим действием вы привели в действие новую силу, которую я представил на диаграмме линией S T. Змей, следовательно, находился под влиянием двух сил O A и S T, и, поскольку они направлены по двум сторонам параллелограмма, он не будет подчиняться ни одной из них, а поднимется по O B, его диагонали».
«Несмотря на сомнения мистера Тваддлтона по этому поводу, — сказал Том, — я уверен, что прекрасно понимаю ваше объяснение; и думаю, что могу ответить и за свою сестру: но вы еще ничего не сказали нам о хвосте; я полагаю, однако, что он действует как руль корабля или хвост птицы».
«Прежде чем я отвечу на этот вопрос, позвольте мне сообщить вам, чем хвост птицы отличается по своему действию и использованию от руля корабля. Во-первых, руль закреплен так, что может двигаться только в одной горизонтальной плоскости, и поэтому может поворачивать судно только вправо или влево, что, собственно, и требуется; но хвост птицы, в дополнение к этому движению, может быть расположен в диагональном направлении, и в расправленном виде будет представлять значительную поверхность для воздуха, чтобы выполнять некоторые функции третьего крыла. Вы никогда не наблюдали за маневрами грача, когда он резвится в воздухе? После полета обычным способом вы заметите, что его крылья находятся в покое, и что он скользит, по-видимому, без малейшего усилия при спуске. В этом случае его расправленные крылья действуют как парашют; затем, опять же, вы заметите, как он делает вираж, маневр, который частично вызван наклонным положением его хвоста и который легко объясняется принципом разложения сил, который я только что описал применительно к действию ветра на поверхность змея. Я также должен сказать, что хвост служит для уравновешивания тела птицы».
«Значит, птица никогда не использует свои крылья для управления своим курсом?» — спросила Луиза.
«Несомненно, использует, — ответила ее отец; — хвост следует рассматривать лишь как вспомогательный орган: именно с помощью крыльев она обычно направляет свой курс, ибо очевидно, что она может легко поворачивать как вправо, так и влево, взмахивая противоположным крылом с большей силой, точно так же, как лодка поворачивается вправо при энергичном гребке левым веслом. Подобным же образом беспорядочный полет бабочки, то вверх, то вниз, то вправо, то влево, несомненно, осуществляется крыльями, ударяющими по воздуху одно за другим, или, возможно, с попеременной и неравной силой. Цель такого действия, очевидно, состоит в том, чтобы сбить с толку преследование птиц, которые летают по прямой линии, тогда как вы видите, что бабочка делает как раз наоборот».
«Как удивительно, — сказала Луиза, — действие крыльев насекомых. Я часто наблюдала за ними во время полета, и их быстрота такова, что превосходит возможности зрения».
«У меня будет повод обратиться к этой теме позже, — сказал мистер Сеймур; — в настоящее время я замечу лишь, что крыло комара при обычном полете совершает много сотен взмахов в секунду».
«Но вы еще не ответили на вопрос Тома, — сказал викарий. — Какова польза хвоста змея? Помогает ли он его подъему, или это просто декоративное дополнение?»
«Во-первых, он удерживает голову змея по ветру; а во-вторых, он понижает его центр тяжести и переносит его к конечности, что не только предотвращает возможность опрокидывания аппарата в воздухе, но и уравновешивает и регулирует положение змея так, чтобы поддерживать угол, который необходимо образовать веревке с поверхностью».
Мистер Тваддлтон поинтересовался, какой угол был бы наиболее выгодным для змея по отношению к горизонту, чтобы бумажный аппарат поднялся на наибольшую высоту.
«Если ветер горизонтальный, — ответил мистер Сеймур, — очевидно, что наклон поверхности змея должен быть таким же, какой руль корабля должен составлять с килем, чтобы судно можно было поворачивать с наибольшей легкостью; предполагая, что потоки воды, которые движут его, имеют направление, параллельное килю».
«И каким должен быть этот угол?» — спросил викарий.
«Пятьдесят четыре градуса и сорок четыре минуты, — ответил мистер Сеймур; — и позвольте мне здесь заметить, — продолжил он, — поскольку мы уже рассмотрели философию полета птицы, что ее маховые перья расположены на теле так, что опускают крылья в наклонном направлении к хвосту; так что в их действии на воздух мы имеем то же разложение сил, что и в действии ветра на поверхность змея, благодаря чему тело птицы не только поддерживается или поднимается перпендикулярно, но и движется вперед».
Том прервал диалог, выразив сожаление, что ему предоставили такое небольшое количество веревки.
«Я не верю, мой дорогой мальчик, что дополнительное количество веревки принесло бы какую-либо пользу», — сказал его отец.
«Есть ли тогда какая-то причина, по которой змей не мог бы подняться даже выше облаков, при условии, что моя веревка была бы достаточно длинной и прочной?»
«Да, действительно, есть самая неопровержимая причина. Помни, что змей поднимается под действием двух сил: одна обеспечивается ветром, другая — действием веревки; теперь совершенно очевидно, что когда вес веревки, добавленный к весу самого змея, становится равным силе ветра, действующего на поверхность аппарата, установится общее равновесие сил, и змей больше не сможет продолжать подъем».
«Останется ли он тогда неподвижным при таких обстоятельствах?» — спросила Луиза.
«Он должен оставаться таким, если только сила ветра не ослабнет; ибо это положение в механике, которое я впоследствии постараюсь продемонстрировать, что если на тело действуют три силы, которые пропорциональны трем сторонам треугольника и направлены по ним, оно будет удерживаться в покое. Змей находится именно в таком положении, ибо его вес, сила ветра и действие веревки выполняют эти условия и, следовательно, удерживают змея в неподвижности».
«Тогда я должен отказаться от своего намерения попытаться поднять змея выше облаков», — сказал Том.
«Хотя ты, возможно, не сможешь поднять ни одного змея на желаемую высоту, легко осуществить твой план с помощью серии змеев; веревка первого прикрепляется к задней части второго, и так далее».
«Как, папа? Я не совсем тебя понимаю».
«Твой змей, — сказал мистер Сеймур, — сейчас так высоко в воздухе, как только способна поднять его сила ветра; предположим, ты прикрепишь конец веревки, которую держишь в руке, к задней части другого змея, не поднимется ли этот второй змей так же высоко, как твой первый, с той же силой, и, следовательно, твой первый змей поднимется на двойную высоту по сравнению с нынешней. Таким же образом ты мог бы прикрепить третьего змея, и так далее».
«Теперь я понял; и я очень хотел бы провести этот эксперимент», — сказал Том.
«Ты, безусловно, увидишь эффект, который я описал; но ты должен запастись прочной веревкой, ибо сила, которую развивают змеи, когда они так расположены, больше, чем ты можешь себе представить; на самом деле, я сомневаюсь, что ты смог бы их удержать», — заметил его отец.
Мистер Тваддлтон сообщил юной компании, что он сам был свидетелем того, как экипаж с тремя людьми был протащен по дороге змеями со скоростью от пятнадцати до двадцати миль в час.
«Я видел отчет об этом, — сказал мистер Сеймур, — и, если я правильно помню, основной змей был предварен на расстоянии около 120 футов меньшим пилотным, который служил для того, чтобы направлять его в сторону от любых препятствий, таких как деревья, дома и т. д., с которыми он в противном случае мог бы столкнуться».
«Но как пилотный змей подчинялся воле возницы?» — спросила Луиза.
«С помощью веревок, прикрепленных к нему так, что его поверхность легко могла менять свое угловое положение», — ответил мистер Сеймур.
«Если мой шпагат порвется, — сказал Том, чье внимание внезапно переключилось на змея из-за легкой неустойчивости в его движении, вызванной порывом ветра, — мы могли бы легко его вернуть, это хорошо; ибо он парит над открытым полем в конце пустоши».
«Если ты воображаешь, что змей при таких обстоятельствах упал бы на место прямо под ним, ты сильно ошибаешься: вспомни, что если веревка порвется, змей будет предоставлен двум силам — силе ветра и собственной тяжести; и ты поймешь, что при таких обстоятельствах он не сможет подчиниться ни одной из них, а упадет в промежуточном или диагональном направлении. Этот факт станет очевидным из прилагаемой диаграммы. B A можно считать представляющей силу и направление ветра, действующего на змея, а B D — силу его тяжести; тогда очевидно, что под влиянием этих совместных сил он опишет диагональ, и, по причинам, уже объясненным, эта линия неизбежно должна быть кривой B F».
«Ну, — сказал викарий, — прежде чем Том опустит своего змея, давайте отправим вверх посыльного».
«Что это может быть?» — спросила Луиза.
«Кусок бумаги или картона, который, будучи надет на веревку, сдувается ветром вдоль нее вверх к змею».
Посыльный был соответственно подготовлен и, будучи помещен на веревку, поднялся, как и предвидел мистер Сеймур. Пока эта операция была в процессе, викарий стоял, пристально глядя на змея, и, наконец, разразился следующим оживленным монологом:--
«Безусловно, это должно быть признано самой прекрасной и впечатляющей игрушкой! Привередлив или бесчувственен должен быть тот человек, который не чувствует воодушевления, глядя на змея, гордо парящего под небесным сводом и отражающего уходящие улыбки вечернего солнца, после того как оно перестало радовать нас внизу».
«Говорили, — заметил мистер Сеймур, — в пренебрежение к запуску змеев, что как только аппарат поднят в воздух и вся веревка выпущена, азарт игры заканчивается, и что, поскольку ничего больше нельзя достичь, интерес исполнителя с этого момента начинает угасать; теперь же в этот период посыльный откроет новый источник удовольствия и поучения и может, при небольшой изобретательности, доставить большое разнообразие развлечений. Поэтому я запасся несколькими разновидностями этого аппарата. Вот один в форме дракона, который по мере подъема производит очень поразительный и почти магический эффект. Смотрите, вот он полетел!»
Дети были в восторге, ибо веревка, на которой он держался, стала на определенной высоте невидимой; так что фигура казалась чудовищем, парящим в воздухе.
«Я покажу вам теперь крылатую разновидность этого аппарата, которую мы назовем Бромптонским посыльным. Он состоит из полого цилиндра из жесткого картона или тонкого дерева, диаметр которого достаточно велик, чтобы позволить ему свободно вращаться вокруг веревки змея. К этому цилиндру прикреплено несколько лопастей или парусов в наклонном направлении, как у ветряной мельницы, каждый из которых покрыт бумагой разного цвета. Действие ветра на эти наклонные поверхности неизбежно вызывает быстрое вращение по принципу, который я сейчас объясню; и прекрасный эффект, производимый таким образом при подъеме вращающегося тела, должен быть увиден, прежде чем его можно будет оценить. У меня есть и другие приспособления подобного рода, которые я намерен подготовить для вашего будущего развлечения».