«Наука для школы и семьи. Часть I. Натурфилософия»

139. Лодки и спасательные шлюпки. Железная лодка будет держаться на воде так же, как и деревянная того же размера, при условии, что железо будет достаточно тонким, чтобы лодка весила не больше деревянной. Ибо что именно держится на воде? Не железо или дерево, а деревянная или железная лодка, наполненная воздухом. Если бы она была наполнена водой, а не воздухом, она бы утонула, так как удельный вес материалов, из которых она построена, в целом выше удельного веса воды. В конструкции спасательных шлюпок используется либо большое количество пробки, либо герметичные сосуды из жести или меди, благодаря чему они становятся настолько легкими, что держатся на воде, даже будучи заполненными ею.

Поскольку вес тела можно определить по количеству вытесняемой им воды, мы можем очень легко оценить вес груза баржи, так как ее форма проста и правильна. Для этого нам нужно сначала узнать, насколько глубоко лодка погружается в воду в пустом состоянии, или, иными словами, какой объем воды она вытесняет.

140. Удельный вес животных. Птицы имеют гораздо меньший удельный вес, чем сухопутные животные, чтобы они могли легко подниматься в воздух. Их легкие перья значительно увеличивают объем, в чем можно убедиться, если ощипать птицу. Кроме того, их кости полые и сообщаются с легкими. Водоплавающие птицы, такие как утки, лебеди и т. д., имеют настолько малый удельный вес — то есть они настолько велики по отношению к своему весу, — что лишь малая часть их тела находится под водой, и движения их лап требуются вовсе не для поддержания на плаву, а лишь для того, чтобы, подобно веслам, продвигать их вперед. Насекомые имеют малый удельный вес, причем самые быстролетающие из них — самые легкие. Рыбы имеют удельный вес, почти равный удельному весу воды, и поэтому требуют лишь незначительных мышечных усилий для перемещения в своей среде. Им значительно помогает при подъеме и погружении приспособление, с помощью которого они могут мгновенно изменять свой удельный вес. У них есть плавательный пузырь, который они могут расширять или сжимать по своему желанию. При расширении объем рыбы увеличивается, а удельный вес уменьшается, и она легко и сразу поднимается. Сжимая его, она так же легко погружается.

141. Удельный вес человеческого тела. Человеческое тело, когда грудная клетка наполнена воздухом, настолько легче воды, что держится на плаву, при этом примерно половина головы находится над поверхностью. Знание этого факта при должном самообладании может зачастую спасти человека от утопления; ибо если принять правильное положение — ногами вниз, а голову откинуть назад, — нос и рот будут находиться над водой. Для поддержания всей головы над водой требуется так мало усилий, что люди, не умеющие плавать, часто спасаются от утопления, ухватившись за совсем небольшие куски дерева. Весло могло бы поддержать полдюжины человек, если бы они довольствовались тем, чтобы держать над водой только голову; но если каждый будет бороться за то, чтобы взобраться на весло целиком, они могут все погибнуть. Спасательный пояс — большое подспорье для спасения от утопления, так как он уменьшает удельный вес тела. Обычно это герметичный мешок, закрепляемый вокруг верхней части туловища, который можно наполнить, вдувая в него воздух через трубку с клапаном. «На великих реках Китая, — говорит доктор Арнот, — где тысячи людей находят более удобным жить в крытых лодках на воде, чем в домах на берегу, к шеям маленьких детей постоянно привязаны полые шары из легкого материала, так что при их частых падениях за борт они не подвергаются опасности».

Когда человек тонет, тело опускается на дно, потому что в борьбе теряется большая часть воздуха из легких, точно так же, как рыба опускается, когда ее плавательный пузырь сжат. Однако после этого оно лишь немногим тяжелее воды, поэтому очень легко всплывает, когда в нем образуется газ в результате гниения. Существует распространенное народное поверье, что стрельба из пушек над водой поможет поднять утопленника. Но это не может дать никакого эффекта, разве что волнение, вызванное сотрясением, может самую малость ускорить всплытие тела, которое вот-вот должно всплыть из-за начавшегося процесса гниения.

При переходе реки вброд ноги давят на дно с силой, равной лишь весу половины головы человека, так как это разница между весом тела и весом такого же объема воды. Такого давления недостаточно для обеспечения устойчивости даже при умеренном течении. Многие люди утонули из-за незнания этого факта. Человек, несущий груз, часто может безопасно перейти реку вброд там, где без груза, прижимающего его к дну и обеспечивающего устойчивость, его бы унесло течением. Так же человек может ходить по глубокой воде по битому стеклу без вреда для себя.

Fig. 90.

142. Как определить удельный вес твердых тел. Из восходящего давления воды следует, что тело весит в воде меньше, чем в воздухе. Возьмите кусок золота или любого другого вещества, a, рис. 90 (стр. 107), и взвесьте его, подвесив к одной из чашек весов. Теперь опустите золото в сосуд с водой, и вы обнаружите, что для сохранения равновесия часть веса нужно снять с противоположной чашки. Вес, который вы снимаете с чашки, будет весом количества воды, равного по объему куску золота; ибо погруженное тело поддерживается силой, равной весу вытесняемой им воды (§ 137). Таким образом, сравнивая его вес в воде с весом в воздухе, мы определяем его удельный вес. Так, если слиток золота весит девятнадцать унций, а при взвешивании в воде — восемнадцать, это доказывает, что золото в девятнадцать раз тяжелее воды. А если кусок меди весит девять унций в воздухе и восемь в воде, он в девять раз тяжелее воды. Принимая, таким образом, воду за 1, удельный вес золота равен 19, а меди — 9. Очевидно, что тело с тем же удельным весом, что и вода, ничего не весило бы при погружении в воду, ибо оно поддерживалось бы восходящим давлением, точно равным его собственному весу, так же как и такой же объем воды. Фунт воды, следовательно, ничего не будет весить в воде. Этот эксперимент легко проверить. Взвесьте стеклянную бутылку, подвешенную к одному плечу коромысла весов, а затем налейте в нее фунт воды. При погружении в воду она будет уравновешена, если вы снимете фунтовую гирю с противоположной чашки.

143. Архимед и корона. Гиерон, царь Сиракуз, заказал корону из чистого золота. Но, подозревая мастера в подделке золота, он обратился к Архимеду, чтобы тот разоблачил обман. Он сделал это следующим образом: он взял два слитка золота и серебра того же веса, что и корона, и измерил количество воды, которое вытеснял каждый из них. Затем он испытал корону и обнаружил, что она вытесняет меньше воды, чем серебро, и больше, чем золото, и поэтому пришел к выводу, что это сплав двух металлов. Все это было подсказано ему опытом в бане, о котором говорится в § 138.

Fig. 91

144. Как определить удельный вес жидкостей. Существует несколько способов определения удельного веса различных жидкостей. Наиболее распространенным является прибор, называемый ареометром. Он используется главным образом для определения качества спирта. Чем больше спирта и меньше воды содержит жидкость, тем меньше ее удельный вес. Ареометр состоит из двух стеклянных шаров, A B, рис. 91, с тонким градуированным стержнем C. В нижнем шаре находится немного дроби или ртути, чтобы придать прибору надлежащий вес и сместить его центр тяжести в нижнюю часть. Чем легче тестируемая жидкость, тем глубже в нее погружается прибор. Это очень точный прибор, обнаруживающий малейшую примесь в спиртных напитках. Доктор Арнот рассказывает забавную историю об изобличении китайского торговца спиртным. Он продал партию спиртного корабельному интенданту, уверяя, что оно такого же качества, как и образец, который он ему дал. Интендант проверил его своим ареометром и обнаружил, что его удельный вес выше, чем у образца. Китаец поначалу отрицал мошенничество; но когда ему назвали точное количество добавленной воды, он был настолько сбит с толку, что немедленно признался в содеянном и полностью возместил ущерб. Когда ему показали ареометр, он предложил большую цену за то, что показалось ему магическим инструментом, предвидя, что это принесет ему большую пользу в бизнесе.

В Швейцарии и на севере Италии, где крестьяне приносят свое молоко на общую молочную ферму и в конце сезона получают количество сыра, пропорциональное количеству принесенного молока, для проверки качества молока используется ареометр. В этом есть смысл не только как в защите от фальсификации, но и потому, что качество молока у разных коров различается: некоторые дают гораздо более водянистое молоко, чем другие.

145. Центр тяжести в плавающих телах. Те же принципы, которые применяются к центру тяжести тел, стоящих на твердом основании, применимы и к плавающим телам. Чтобы центр тяжести в груженом судне был низко, тяжелую часть груза помещают внизу, и для той же цели обычно необходим балласт из камня или железа. В больших плоскодонных лодках, поскольку площадь опоры велика, нет такой необходимости заботиться о том, чтобы центр тяжести был низко. Если корабль частично загружен товаром, который растворяется в воде, существует большая опасность, что в случае течи эта часть груза растворится и будет откачана вместе с трюмной водой, тем самым изменив дифферент судна или сместив центр тяжести с центральной линии слишком далеко вперед или назад, что сделает корабль совершенно неуправляемым. Четыре больших английских корабля, частично загруженных селитрой, как полагают, погибли по этой причине в 1809 году у острова Иль-де-Франс. Огромные ледяные острова, или айсберги, которые плавают летом в полярных регионах, из-за неравномерного таяния часто меняют положение своего центра тяжести и, переворачиваясь, представляют собой одно из самых величественных зрелищ в природе. Ледяная гора, возвышающаяся высоко в воздухе и уходящая глубоко в море, внезапно переворачивается и вызывает волнение океана, которое часто ощущается на расстоянии многих лиг.

ГЛАВА IX. ПНЕВМАТИКА.

146. Что изучает пневматика. Как гидростатика рассматривает давление и равновесие жидкостей, так пневматика рассматривает то же самое в воздухе и газах, или аэроформных веществах. Название происходит от греческого слова πνευμα, означающего воздух, дыхание, дух.

Fig. 92.

147. Воздух материален и имеет вес. То, что воздух является материальной субстанцией, вам уже было доказано, ибо в § 46 было показано, что он обладает непроницаемостью — одним из существенных свойств материи. Он также обладает протяженностью, ибо объемы воздуха могут быть получены в различных формах, заключенными в сосуды, так что мы можем говорить о кубах и сферах воздуха; кроме того, предельные атомы (§ 15) воздуха должны иметь форму или протяженность. То, что воздух имеет вес, можно доказать, взвесив его, как и любое другое вещество. Пусть полый шар A, рис. 92, имеющий горлышко с краном B, будет освобожден от воздуха и взвешен. Если теперь вы откроете кран и впустите воздух, другая чашка весов поднимется, потому что шар стал тяжелее, чем был раньше. Дополнительный вес, необходимый для уравновешивания весов, укажет вес воздуха, содержащегося в шаре. Он составляет одну восьмисотую (1/800) часть веса такого же объема воды. Как можно удалить воздух из шара, будет показано в другой части этой главы.

148. Воздух притягивается Землей. Вес воздуха — это просто результат притяжения Земли (§ 52). Воздух притягивается Землей так же, как и вода; и вода занимает место под воздухом, потому что она притягивается сильнее, чем воздух. Именно из-за притяжения Земли воздух опускается в любое пустое место на Земле, когда из него удаляется вода. Он занимает место удаленной воды, потому что под влиянием притяжения стремится как можно ближе к Земле. Если вы нальете во флакон ртуть, воду и масло, ртуть окажется на дне, потому что она притягивается Землей сильнее, чем другие жидкости. Вода будет следующей, затем масло, и, наконец, над всем этим находится воздух, так как он притягивается меньше, чем любое из других веществ. Именно это притяжение воздуха Землей дает нам основные явления пневматики.

149. Почему одни предметы падают, а другие поднимаются в воздухе. Большинство веществ падают в воздухе по той же причине, по которой очень тяжелые вещества тонут в воде. Они падают, потому что Земля притягивает их сильнее, чем воздух. Причина, по которой некоторые вещества поднимаются в воздухе, точно такая же, как та, что приведена в § 136 для всплытия веществ в воде. Воздух, будучи притягиваемым сильнее, чем они, выталкивает их вверх, чтобы оказаться под ними, подобно тому как пробка или дерево выталкиваются водой. Так, воздушный шар, наполненный водородом, поднимается в воздухе по той же причине, по которой пузырь, наполненный воздухом, поднимается в воде. Так же и дым поднимается в воздухе, подобно тому как масло поднимается в воде.

Fig. 93.

150. Толщина воздушной оболочки Земли. Воздух образует оболочку вокруг Земли глубиной около пятидесяти миль. Если бы Землю представить в виде шара диаметром в фут, воздух можно было бы представить в виде оболочки толщиной в одну десятую дюйма. Линия a, рис. 93, дает нам кривизну поверхности такого шара, а пространство между a и b представляет относительную толщину воздушной оболочки. Это определяется расчетом на основе давления воздуха на Землю. Точно так же глубина воды может быть рассчитана по давлению, которое она создает. Мы не используем этот способ определения глубины воды, потому что можем измерить ее от поверхности с помощью лота. Но нам пришлось бы прибегнуть к нему, если бы мы жили на дне воды, как мы живем на дне океана воздуха.

151. Как воздушная оболочка удерживается на Земле. Земля несется в своем ежегодном путешествии вокруг Солнца со скоростью 1100 миль в минуту, и все же она удерживает эту неплотную воздушную мантию своей силой притяжения, так что ни один атом ее не улетает в окружающий эфир. Сама по себе она стремится улететь; и она сделала бы это и рассеялась бы в пространстве, если бы притяжение Земли к ней было приостановлено. Ибо, в отличие от жидкостей, воздух не имеет склонности держаться вместе; то есть между его частицами нет притяжения. Напротив, существует отталкивание, так что они стремятся держаться подальше друг от друга и удерживаются вместе только давлением. Именно давление притяжения Земли удерживает их вместе на расстоянии пятидесяти миль вокруг нее.

152. Сжимаемость воздуха. Рассматривая влияние гравитации на воздух, необходимо помнить, что воздух очень сжимаем, в то время как вода почти несжимаема. Поэтому, хотя в толще воды частицы на дне лишь немного ближе друг к другу, чем у поверхности, частицы воздуха гораздо ближе друг к другу вблизи Земли, чем вдали от нее. Ибо, поскольку все частицы воздуха притягиваются или тянутся к Земле, те, что находятся ниже, сжимаются весом тех, что находятся выше. Поэтому воздух становится более разреженным по мере удаления от поверхности Земли, а в верхних слоях воздушного океана он слишком разрежен для поддержания жизни. Даже на вершинах очень высоких гор или на высотах, иногда достигаемых воздушными шарами, часто ощущаются неприятные эффекты из-за разреженности воздуха. Воздух сравнивали в отношении его изменяющейся плотности на разных высотах с кучей рыхлого сжимаемого вещества; например, с хлопковой ватой, которая довольно легкая сверху, но сжимается все сильнее и сильнее по мере приближения к низу. Водород имеет лишь одну пятнадцатую веса воздуха у поверхности Земли; и поэтому водородный шар поднимается до тех пор, пока не достигнет высоты, где воздух настолько разрежен, что шар весит столько же, сколько равный объем воздуха, и там он останавливается.

153. В чем аэроформные вещества и жидкости схожи. Вы видели в § 36 и § 38, чем воздух и газы отличаются от жидкостей. Но в одном очень важном отношении они схожи, а именно в подвижности своих частиц. Следовательно, давление в воздухе, как и в воде, равно во всех направлениях, так что в эксперименте с пузырем в § 126 нет никакой разницы в результате, находится ли в нем вода или воздух. По той же причине давление в аэроформных веществах зависит от глубины, как и в жидкостях, и законы удельного веса применимы как к одним, так и к другим.

Теперь вы готовы понять результаты действия гравитации на воздух и газы; или, иными словами, основное явление пневматики.

154. Давление атмосферы. Величина давления атмосферы очень легко оценивается, о способе чего я расскажу в другой части этой главы. Она давит с весом пятнадцать фунтов на каждый квадратный дюйм. Предположим, вы вытянули свою раскрытую ладонь горизонтально в воздухе. Вы не чувствуете на ней давления, но на нее давит воздух весом в двести-триста фунтов. Если ваша ладонь пять дюймов в длину и три в ширину, она представляет собой поверхность в пятнадцать квадратных дюймов, на каждый из которых атмосфера давит с весом пятнадцать фунтов. То есть на верхнюю поверхность вашей ладони давит столб воздуха весом 225 фунтов. Так же и на крышку ящика размером всего тридцать дюймов в квадрате давит 13 500 фунтов. Общее давление на тело человека обычного размера составляет около пятнадцати тонн. Но почему крышка ящика не вдавливается, ваша рука не пригибается, а ваше тело не раздавливается? Это просто из-за того факта, показанного в предыдущей главе в отношении жидкостей, а в этой — в отношении аэроформных веществ, что давление равно во всех направлениях. Крышка и раскрытая ладонь, следовательно, уравновешены восходящим давлением, равным нисходящему, а на тело давление со всех сторон одинаково. Если бы воздух можно было удалить изнутри ящика, крышка была бы вдавлена; если из-под руки, она была бы прижата вниз; а если с одной стороны тела, тело было бы с силой отброшено в том направлении, пока не встретило бы противодействующее давление.

Но помимо этого равного давления воздуха со всех сторон, воздух находится в порах и промежутках всех тел, которые не являются очень плотными, и его частицы подчиняются тем же законам, что и частицы снаружи.

Все это может быть разъяснено вам с помощью воздушного насоса.

Fig. 94.

155. Воздушный насос. На рис. 94 вы видите изображение воздушного насоса в его обычном устройстве. В a a находятся два насосных цилиндра, поршни в которых приводятся в действие с помощью ручки b. Эти насосы сделаны очень тщательно, а каркас d e d e, к которому они прикреплены, очень прочен и устойчив, чтобы насосы могли работать плавно. Имеется большая гладкая металлическая пластина f. В c находится колоколообразный стеклянный сосуд, закрытый сверху, но открытый снизу, край которого притерт очень точно, чтобы он мог плотно прилегать к металлической пластине. В середине пластины находится отверстие, ведущее к цилиндрам насоса, и именно через него воздух выкачивается из стеклянного приемника c. Если мы хотим впустить воздух после того, как выкачали его, мы ослабляем винт в g, так как от отверстия здесь идет проход к отверстию в середине пластины.

Fig. 95.

Работа воздушного насоса может быть разъяснена с помощью схемы на рис. 95. Представлен только один насосный цилиндр a с работающим в нем поршнем c. В поршне есть клапан i, открывающийся вверх, а также клапан b в начале прохода, ведущего к центру пластины, где находится приемник d. Работа прибора такова: если поршень опускается, воздух под ним, сжимаясь, закроет клапан b и устремится вверх через клапан i в поршне. Теперь поднимем поршень; сопротивление воздуха над ним закроет клапан i, в то время как клапан b откроется под действием воздуха, устремляющегося из приемника d через проход e, чтобы заполнить пространство между поршнем и b. Вы видите, таким образом, что каждый раз, когда поршень поднимается, воздух проходит из приемника через клапан b в пространство между этим клапаном и поршнем. Никакая часть этого вышедшего воздуха не может вернуться обратно, ибо в тот момент, когда вы давите на него, опуская поршень, клапан b закрывается, и воздух уходит из-под давления, проходя через клапан i. Каждый раз, следовательно, когда вы двигаете поршень вверх и вниз, вы выкачиваете часть воздуха из приемника; и если вы будете качать некоторое время, в нем останется чрезвычайно мало воздуха, и он, конечно, распределится по всему приемнику. Он будет разреженным, как в верхних слоях атмосферы.

Fig. 96. Fig. 97.

Fig. 98.

156. Эксперименты. Когда приемник полон воздуха, его можно легко перемещать по пластине и поднимать с нее. Но сделайте насосом несколько качков, и вы обнаружите, что приемник прочно прикреплен к пластине, ибо воздух внутри, став разреженным, давит с малой силой по сравнению с воздухом снаружи. Если насосы будут работать некоторое время, никакая сила не сможет освободить приемник от давления, не разбив его. Но ослабьте винт g и таким образом впустите воздух, и равенство давления снаружи и внутри будет немедленно восстановлено. Снимите теперь этот большой приемник и поместите маленькую стеклянную банку, открытую с обоих концов, на пластину, прикрыв рукой верхнее отверстие, как показано на рис. 96. При откачивании воздуха рука так сильно прижимается к стеклу, что требуется значительная сила, чтобы освободить ее от давления. Если мы привяжем кусок мочевого пузыря или индийской резины поверх этой банки, как на рис. 97, а затем откачаем воздух, мочевой пузырь сначала вдавливается, как показано, и если мы продолжим качать, то в конце концов лопается с громким звуком. В результате эксперимента не было бы никакой разницы, если бы банка имела форму, как на рис. 98, ибо давление одинаково во всех направлениях. Сходство между воздухом и жидкостями в этом отношении можно проиллюстрировать так: предположим, что плоская рыба закрывает одной из своих сторон конец трубки насоса. Она не чувствует неприятного давления, потому что вода в насосе и под ним давит на нее одинаково. Если теперь давление воды в насосе можно было бы внезапно снять с помощью поршня, рыба была бы вдавлена вверх в трубку, как мочевой пузырь вдавливается вверх на рис. 98, или вниз на рис. 97, или как рука вдавливается вниз на рис. 96.

Fig. 99.

Fig. 100.

Магдебургские полушария, рис. 99, очень впечатляюще иллюстрируют давление атмосферы. Они состоят из двух полушарий, края которых в A очень точно прилегают друг к другу. Воздух откачивается через стержень, где вы видите кран, а затем привинчивается ручка B. Сила, необходимая для того, чтобы разорвать эти полушария, зависит от величины их поверхности. В знаменитом эксперименте в Магдебурге в 1654 году, проведенном Отто фон Герике, изобретателем воздушного насоса, использовались два прочных латунных полушария диаметром в фут, и для их разделения потребовалась сила тридцати лошадей. На рис. 100 вы видите приемник с отверстием сверху. В это отверстие вцементирована деревянная чашка a, заканчивающаяся цилиндрической деталью b. Если налить ртуть в чашку, то при откачивании воздуха из приемника ртуть будет продавлена внешним воздухом через поры дерева и упадет серебряным дождем. Высокая банка c помещена там, чтобы принять ее и предотвратить попадание в отверстие металлической пластины.

Fig. 101.

157. Присоска. Мальчишеская присоска иллюстрирует давление воздуха. Это просто кружок кожи с веревкой, прикрепленной к его центру, как видно на рис. 101. Когда кожа смочена и прижата к гладкому камню, при натягивании веревки между серединой кожи и камнем создается вакуум, и кожа прилипает краями к камню, точно так же, как приемник прилипает к пластине воздушного насоса, когда воздух откачан. Есть много животных, у которых есть приспособления подобного характера. Геккон и каракатица представляют интересные примеры, как отмечено в моей «Естественной истории», страницы 198 и 320. Улитки, морские блюдечки и т. д. прилипают к скалам с помощью подобного устройства. Некоторые рыбы делают то же самое. Есть одна рыба, называемая прилипалой, которая прикрепляется присосками к боку какой-нибудь крупной рыбы или корабля и таким образом наслаждается прекрасной поездкой через воду без каких-либо усилий со своей стороны. Во всех таких случаях давление создает вода, а не воздух, но принцип тот же. Мухи и некоторые другие насекомые могут ходить по гладкому оконному стеклу или по потолку, потому что их лапки имеют приспособления, сродни мальчишеской присоске. Задние лапы моржа устроены несколько похоже на лапы мухи, что позволяет этому огромному животному взбираться по гладким ледяным стенам.

Fig. 102

Fig. 103.

Fig. 104.

158. Плотность воздуха зависит от давления. Тот факт, что степень плотности воздуха зависит от давления, уже был показан в § 152. То же самое можно показать различными способами с помощью воздушного насоса. Если небольшой мочевой пузырь, частично наполненный воздухом, рис. 102, и нагруженный грузом так, чтобы он тонул в воде, поместить в банку с водой, а все это поставить под приемник воздушного насоса, то при откачивании воздуха пузырь раздуется от расширившегося в нем воздуха и поднимется, как показано на рисунке. Причина в том, что давление снимается с поверхности воды, пузырь испытывает только давление воды, а не воздуха вместе с водой, и поэтому воздух в нем расширяется и становится менее плотным. Если мешок из индийской резины частично наполнить воздухом, рис. 103 (стр. 119), и поместить под приемник, то при откачивании воздуха окружающее давление снимается с мешка, и воздух в нем расширяется, то есть разрежается. По той же причине, если сосуд с мыльными пузырями поместить под приемник, при выкачивании воздуха пузыри значительно увеличатся. Очень красивый эксперимент, иллюстрирующий то же самое, можно попробовать таким образом. Пусть яйцо с отверстием в узком конце будет подвешено в приемнике, как показано на рис. 104, а под ним стоит винный бокал. При откачивании воздуха все содержимое яйца вытечет из скорлупы в винный бокал, а затем, при впуске воздуха, оно вбежит обратно в скорлупу. Объяснение таково: в широком конце яйца есть воздух. Как только давление воздуха снимается со всего пространства вокруг яйца, воздух в яйце расширяется, выталкивая содержимое; но когда воздух впускается в приемник, воздух в яйце немедленно сжимается до своего прежнего малого объема под воздействием окружающего давления.

Fig. 105.

Fig. 106.

159. Гидростатический шар. Философская игрушка, представленная на рис. 105, очень красиво иллюстрирует влияние давления на плотность воздуха. Шар в банке с водой сделан из стекла, с небольшим отверстием в нижней части. При наливании воды в шар нужно соблюдать осторожность, чтобы ее было ровно столько, чтобы сделать его удельный вес немного меньше удельного веса воды. В этом случае он будет находиться у поверхности банки, при этом самая малая часть его верхушки будет над поверхностью воды. Теперь привяжите кусок ткани из индийской резины поверх банки, и аппарат готов. При нажатии на индийскую резину шар опустится в банке, а при снятии давления — поднимется. Объяснение таково: давление на индийскую резину передается через всю массу воды в банке и вталкивает немного больше воды в отверстие шара, сжимая находящийся там воздух. Шар, следовательно, становится тяжелее и имеет больший удельный вес, чем вода, и тонет в ней. Но когда давление снимается, сжатый воздух в шаре благодаря своей упругости возвращается к своему прежнему объему, вытесняя только что введенную лишнюю воду, и шар, становясь, таким образом, таким же легким, как прежде, поднимается. Гротескные фигурки из стекла могут управляться таким же образом. Картезианское изображение, рис. 106, является примером. У него есть воздух в верхней части a и вода до c d. Когда оказывается давление на индийскую резину, больше воды вталкивается в изображение через хвост b, и оно опускается, как шар, чтобы снова подняться, когда давление снимается.

Fig. 107.

Fig. 108.

160. Воздух в веществах. Я сказал, что воздух есть в порах и промежутках дерева, плоти и множества других веществ. Во всех этих случаях присутствие воздуха можно сделать явным, сняв давление окружающего воздуха и тем самым позволив воздуху в этих веществах расшириться. Если поместить яйцо в банку с водой, рис. 107, под приемник воздушного насоса, то при откачивании воздуха из яйца в воде будут постоянно подниматься пузырьки воздуха. Так же и у стакана портера, рис. 108, поверхность будет покрыта пеной, так как углекислый газ в нем свободно выходит, когда давление воздуха на него снимается. То же самое можно увидеть в некоторой степени даже в воде, ибо она всегда содержит немного воздуха. По той же причине сморщенное яблоко, если снять с него давление воздуха, станет пухлым и красивым, но сразу же сожмется до своего сморщенного состояния, когда воздух будет впущен в приемник.

161. Упругость воздуха. Все явления, упомянутые в § 158, § 159 и § 160, демонстрируют упругость воздуха. Именно благодаря этому свойству он всегда стремится к расширению. Он будет делать это всякий раз, когда с него снимается давление или когда он может преодолеть давление, которому подвергается. Это свойство наиболее ярко проявляется, когда воздух сильно сжат давлением. И чем сильнее сжатие, тем сильнее расширяющая или упругая сила.

Fig. 109.

162. Конденсатор. На рис. 109 вы видите схему прибора, называемого конденсатором. В A B, цилиндре, движется поршень P. Воздух поступает в цилиндр через F, а в приемник V — через G. Клапан в F предотвращает выход воздуха из цилиндра, а клапан в G предотвращает его выход из приемника. Работа прибора такова: если поршень нажимается вниз, сжатый воздух в цилиндре закрывает клапан F и открывает G, и таким образом входит в приемник V. Если теперь поршень поднять, воздух устремляется через F, чтобы заполнить пространство в цилиндре. Он не может выйти из V, потому что клапан G закрыт его давлением. Работая поршнем некоторое время, вы можете получить в V массу воздуха очень большой плотности. Вы видите, что этот прибор — полная противоположность воздушному насосу. В приемнике V у вас сжатый воздух, в то время как в приемнике воздушного насоса у вас разреженный воздух. Если вы сравните эти два прибора, вы увидите, что противоположные результаты обусловлены разным расположением клапанов.

Fig. 110.

163. Газгольдер. Газ распределяется по трубам от газгольдера на газовом заводе посредством упругости, вызванной сжатием под давлением. Аппарат, рис. 110 (стр. 122), состоит из большого круглого сосуда G, открытого снизу и погруженного в больший сосуд с водой w. Мы предположим, что сосуд G полон воды. Газ вводится в него через трубу p r, при этом газгольдер поднимается по мере наполнения газом. P — это груз, уравновешивающий газгольдер и позволяющий ему подниматься по мере поступления газа. Газгольдер наполнен, газ должен быть распределен. Для этой цели на газгольдер кладутся грузы, чтобы газ мог быть сжат. Под этим давлением он благодаря своей упругости ищет больше места и получает его, выходя через трубу o b c. Поскольку давление на газ нужно регулировать, иногда прикрепляется манометр h i, который показывает величину давления. Это изогнутая трубка с водой в изгибе. Вы сразу видите, что чем больше давление на газ, тем выше будет вода в колене h манометра.

Fig. 111.

164. Воздушные ружья и хлопушки. Они иллюстрируют упругость сжатого воздуха. Воздушное ружье устроено так: приемник, подобный V, рис. 109, сделан так, что вы можете привинчивать и отвинчивать его от прибора. После зарядки сжатым воздухом он привинчивается к ружью, его стержень сообщается со стволом. Чтобы произвести выстрел, есть приспособление, связанное со спусковым крючком для поднятия клапана G, чтобы часть сжатого воздуха могла войти в ствол. При этом он благодаря своему внезапному расширению быстро выталкивает содержимое. Принцип, по которому работает обычная хлопушка, тот же. Воздух заключен между двумя пробками a и b, рис. 111 (стр. 123). Когда стержень R быстро вдавливается, пробка b приближается к a, так что воздух между ними сжимается. С сжатием увеличивается расширяющая сила; и когда она становится настолько велика, что пробка a больше не может ей сопротивляться, она выбрасывает пробку, причем так быстро, что это вызывает хлопающий звук.

165. Порох и пар. Взрыв пороха дает хорошую иллюстрацию расширяющей силы сжатого воздуха или газов. Эти газы образуются из пороха так внезапно, что в этот момент они находятся в очень сжатом состоянии и поэтому мощно расширяются. Так же и пар обладает силой, пропорциональной его сжатию. Когда он образуется в замкнутом пространстве котла, при выходе он расширяется с большой силой. Применение расширяющей силы пара будет рассмотрено подробно в другой части этой книги.

Fig. 112.

166. Замедление сжатым воздухом в артиллерии. Когда ядро выпущено, оно постоянно замедляется в своем полете сопротивлением воздуха, ибо оно должно расталкивать воздух во все стороны, чтобы проложить себе путь через него. Конечно, чем сильнее сжат воздух, тем больше сопротивление. Теперь именно сжатый воздух ядро вынуждено удалять; ибо по мере движения вперед оно своим быстрым давлением сжимает воздух непосредственно перед собой. И чем быстрее его полет, тем больше сжатие, а следовательно, и больше сопротивление. Кроме того, замедляющий эффект усиливается тенденцией к образованию вакуума позади ядра. Все это можно разъяснить с помощью рис. 112. Пусть B — ядро, летящее очень быстро в направлении, указанном стрелкой, облако представляет сжатый воздух перед ним, а пространство, заключенное между двумя линиями, — вакуум позади него. Очевидно, что чем быстрее летит ядро, тем менее охотно воздух вытесняется с пути, и поэтому тем сильнее он сжимается перед ядром. В то же время, чем быстрее ядро, тем менее охотно воздух смыкается позади него, и поэтому тем больше тенденция к образованию там вакуума. По этим причинам воздух оказывает большее замедляющее влияние на ядро в первой части его пути, чем в последней.

Fig. 113.

Fig. 114.

Fig. 115.

167. Давление воздуха на жидкости. Если вы погрузите стакан в сосуд с водой и, перевернув его, будете держать так, чтобы его открытая часть была чуть ниже поверхности, он останется полным. Причина в том, что вес воздуха, давящего на поверхность воды в сосуде, препятствует воде в стакане опускаться вниз. Теперь, если вы введете изогнутую трубку под стакан, как на рис. 113, и подуете через нее, воздух, который вы вгоняете в стакан, давит на воду вниз, занимая ее место. То есть давление воздуха действует в противовес давлению воздуха снаружи на поверхность воды в сосуде. Вы берете банку a, рис. 114, и, наполнив ее водой, переворачиваете открытым концом вниз, вода останется в банке. Вы имеете здесь изображение пневматической ванны, используемой химиком при сборе газов. Чтобы наполнить банку a газом, он помещает горлышко реторты, из которой выходит газ, под банку a, и газ, проходя вверх, вытесняет воду, как вода вытесняется дыханием из стакана на рис. 113. На рис. 115 (стр. 125) представлен эксперимент, который показывает не только то, что давление воздуха поддерживает столб воды в приведенных выше случаях, но и то, что нет никакой разницы, в каком направлении оказывается это давление. Возьмите большую трубку a, закрытую с одного конца и открытую с другого, и наполните ее водой до краев. Поместите теперь кусок писчей бумаги на ее отверстие и осторожно переверните трубку, как показано на рисунке. Бумага останется, и вода не выльется. Именно давление воздуха поддерживает воду, а бумага служит лишь для того, чтобы поверхность воды оставалась неразорванной. Если бы бумаги не было, частицы воздуха просочились бы между частицами воды и прошли бы вверх в трубку. Вы можете попробовать этот эксперимент с винным бокалом и даже можете преуспеть со стаканом. Мы видим в этих экспериментах причину, по которой жидкость не будет вытекать из бочки, когда она открыта, если нет вентиляционного отверстия сверху, если только не сделано настолько большое отверстие, чтобы позволить воздуху пробиться пузырьками среди порций жидкости. Именно этот вход воздуха вызывает булькающий звук при наливании жидкости из бутылки.

168. Величина атмосферного давления. Если вместо банки a на рис. 114 у вас будет трубка высотой тридцать четыре фута, закрытая сверху и расположенная так же, как банка a, она останется полной воды. Если трубка будет длиннее, вода будет стоять только на тридцати четырех футах, оставляя вакуум над ней. Не имеет значения, каков размер трубки; результат будет одинаковым во всех случаях. То есть столб воды высотой тридцать четыре фута может поддерживаться давлением атмосферы. Поэтому легко оценить вес или давление воздуха. Давление столба воды оказывается равным пятнадцати фунтам на квадратный дюйм его основания, и это, конечно, величина давления или веса атмосферы, которую он уравновешивает. Ртуть в тринадцать с половиной раз тяжелее воды, и поэтому воздух будет поддерживать ее столб высотой всего около тридцати дюймов.

Fig 116.

169. Барометр. Вес атмосферы варьируется в некоторой степени в разное время, и барометр — это прибор для измерения этих колебаний. Он построен на принципах, изложенных в предыдущих параграфах. На рис. 116 представлено изображение прибора. A B — стеклянная трубка длиной около 34 или 35 дюймов, закрытая с одного конца. Она была наполнена ртутью, а затем перевернута в чашку с той же жидкостью C. Вакуум над ртутью называется торричеллиевой пустотой, в честь Торричелли, итальянца, который первым разработал принципы прибора. Ртуть обычно, как указано в § 168, стоит на высоте около тридцати дюймов. Но она меняется в зависимости от погоды. Когда погода ясная и безоблачная, воздух тяжелее, и, давя на ртуть в сосуде, заставляет ее подниматься выше в трубке. Но когда приближается шторм, воздух обычно становится легче, и поэтому, давя менее сильно на ртуть в сосуде, ртуть в трубке опускается. Барометр очень полезен, особенно в море, предоставляя моряку предупреждение о приближающемся шторме. Доктор Арнот рассказывает случай, который поразительно иллюстрирует его ценность в этом отношении. Он был в море в южных широтах. Когда солнце зашло после прекрасного дня, капитан предвидел опасность, хотя погода была совершенно спокойной, ибо ртуть в барометре внезапно упала до замечательной степени. Он отдал поспешные приказы удивленным морякам подготовить корабль к шторму. Едва приготовления были завершены, как на корабль обрушился страшный ураган, разорвавший свернутые паруса в клочья и выведший из строя мачты и реи. Если бы барометр не был замечен, корабль был бы совершенно не готов, и кораблекрушение с потерей всех на борту было бы результатом.

Можно было бы сделать водяной барометр, но это была бы громоздкая вещь, ибо трубка должна быть длиной более 34 футов. Кроме того, он не подошел бы в очень холодную погоду, так как вода замерзла бы. Столь короткий столб тяжелой жидкости, ртути, уравновешивает вес атмосферы, что барометр, сделанный с ее помощью, имеет очень удобный размер; и тогда нет опасности замерзания ртути, за исключением экстремального холода арктических регионов.

170. Барометр как измеритель высот. Атмосфера, как указано в § 152, регулярно уменьшается в плотности по мере нашего подъема. Скорость этого уменьшения была точно установлена, и поэтому мы можем оценивать высоты по величине давления на ртуть в барометре. На высоте 500 футов барометр будет на полдюйма ниже, чем в долине внизу. На вершине Монблана он стоит лишь вдвое ниже, чем у ее подножия, указывая на высоту 15 000 футов. Дю Люк во время своего знаменитого подъема на воздушном шаре из Парижа видел, как барометр в одно время стоял на отметке около двенадцати дюймов, что показывало высоту 21 000 футов.

171. Отношение давления воздуха к точке кипения. Вода, нагретая до 212 градусов по Фаренгейту, кипит, то есть превращается в пар. Теперь, если воду нагреть на вершине высокой горы, она закипает до того, как достигнет этой температуры. На вершине Монблана она кипит при 180 градусах, то есть на 32 градуса ниже точки кипения воды у подножия горы. Это потому, что давление воздуха действует в противовес превращению воды в пар, и чем меньше давление, тем меньше тепла потребуется для испарения воды. Мы можем проиллюстрировать это влияние давления воздуха на кипение следующим экспериментом. Пусть чашка эфира (который кипит при 98 градусах) будет помещена под приемник воздушного насоса. При разрежении воздуха насосом эфир закипит. Общий эффект давления на кипение можно красиво проиллюстрировать другим экспериментом. Прокипятите немного воды в тонкой колбе над спиртовой лампой. Задуйте лампу и, плотно закрыв колбу пробкой, дайте кипению прекратиться. Если теперь вы польете немного холодной воды на колбу, кипение начнется снова с значительной силой. Почему? Потому что вы конденсируете пар, который находится над водой, применением холода и тем самым снимаете давление. Затем, опять же, если во время кипения воды вы польете горячей водой на колбу, кипение прекращается, потому что тепло способствует накоплению пара и, следовательно, возобновляет давление на поверхность воды.

Из сказанного выше вы можете видеть, что большинство жидкостей находятся в жидком состоянии благодаря давлению на них атмосферы. Если бы атмосферы не существовало, эфир, спирт, летучие масла и даже вода улетучились бы в виде пара; и Земля была бы окутана парообразной оболочкой, поскольку частицы паров удерживались бы у Земли силой притяжения, точно так же, как сейчас удерживаются частицы воздуха, § 151.

Fig. 117.

Fig. 118.

172. Сифон. — Давление воздуха на жидкости прекрасно иллюстрируется работой сифона. Этот прибор представляет собой просто изогнутую трубку, у которой одно колено длиннее другого. Его работа показана на рис. 117. Трубку сначала наполняют жидкостью, затем ее короткое колено опускают в сосуд А, который нужно опорожнить, а другое — в сосуд B, куда должна поступить жидкость. Как вы видите здесь, отверстие длинного колена находится ниже уровня жидкости в сосуде B. Следовательно, очевидно, что воздух давит с одинаковой силой на поверхности в обоих сосудах, стремясь поддержать жидкость в трубке, точно так же, как жидкость поддерживается в банке на рис. 114. Но, несмотря на это равное давление, жидкость поднимается по трубке из А и стекает по ее более длинному колену в B. Почему это происходит? Поскольку давление столба жидкости зависит от его высоты, в более длинном колене давление или вес больше, чем в другом; и именно эта разница в весе вызывает поток из А в B через сифон. Разница уровней столбов в двух коленах — это не разница в длине самих колен, а расстояние между уровнями жидкости в А и B, то есть расстояние от a до b. Таким образом, работа прибора заключается в следующем: в точке C, в изгибе трубки, постоянно возникает стремление к образованию вакуума из-за влияния гравитации на избыток жидкости в длинном колене по сравнению с коротким. Это стремление постоянно компенсируется подъемом жидкости в коротком колене, которую туда выталкивает давление воздуха на поверхность жидкости в сосуде А.

Fig. 119.

Если расположить сифон так, чтобы поверхность жидкости в А находилась точно на одном уровне с поверхностью в B, как показано на рис. 118, жидкость останется в покое, так как давление зависит от высоты, § 121, и, поскольку давления на обе поверхности равны, установится точное равновесие. Но пусть поверхность в B станет хоть немного ниже, чем в А, и поток начнется. И чем больше расстояние между двумя уровнями, тем быстрее будет поток, поскольку сильнее будет влияние гравитации в длинном колене.

Далее, если конец длинного колена сифона свободен, как на рис. 119 (стр. 130), сифон будет работать точно так же, ибо воздух, давящий во всех направлениях одинаково, стремится поддержать столб жидкости в длинном колене прямым давлением снизу вверх, но ему мешает избыток жидкости в нем по сравнению с коротким коленом. Работа сифона обычно изображается именно так; но я сначала привел схему на рис. 117, чтобы вы могли яснее понять принцип действия этого прибора.

Fig. 120.

173. Применение сифона. — Сифон используется главным образом для переливания жидкостей из одной бочки или сосуда в другой. Для удобства его часто конструируют по схеме, показанной на рис. 120. К длинному колену B C присоединена трубка ED. Используется он так: конец короткого колена A опускают в жидкость, которую нужно слить, затем вы прикладываете палец к C и, наполнив сифон путем всасывания через E, убираете палец и даете жидкости течь. Сифон иногда использовали для осушения ям и шахт. Разумеется, его нельзя использовать там, где высота, через которую должна перегибаться трубка, превышает 34 фута от поверхности сливаемой воды, ибо тогда воздух не сможет поднять воду до изгиба сифона.

Fig. 121.

174. Чаша Тантала. — Эта чаша, рис. 121, имеет внутри сифон: короткое колено b открывается в чашу, а длинное колено d имеет выходное отверстие в дне. Когда вы наливаете воду в чашу, она будет оставаться там до тех пор, пока вы не нальете достаточно, чтобы покрыть изгиб сифона. Как только это произойдет, сифон заполнится, и вода внезапно вытечет через отверстие a длинного колена.

Fig. 122.

175. Периодические источники. — Принцип работы периодического источника по существу такой же, как у чаши Тантала. На рис. 122 представлен такой источник. В холме есть полость, в которую поступает вода из прохода выше. Из нее также выходит канал, который делает изгиб вверх, подобно сифону. Теперь, когда воды в полости мало, она не будет вытекать через сифонообразный канал; но когда полость наполнится выше уровня изгиба, вода сразу же вытечет, точно так же, как из чаши Тантала, как только изгиб ее сифона будет покрыт водой.

Fig. 123.

176. Насосы. — На рис. 123 представлена схема обычного насоса. Трубка C D уходит вниз в колодец W. Над ней находится цилиндр насоса A B, в котором вверх и вниз движется поршень. В поршне есть клапан F, а в нижней части цилиндра — другой клапан E. Оба они открываются вверх. Предположим, что насос полностью пуст. Если теперь поршень опускается, клапан E закрывается, а F открывается, пропуская сжатый воздух между поршнем и E вверх. Посмотрите, что произойдет, когда поршень поднимется. Воздух над поршнем не может попасть вниз, так как его давление закроет клапан F. Но при подъеме поршня под ним возникнет стремление к образованию вакуума, и воздух пройдет через клапан E, чтобы заполнить пространство. Но почему воздух поднимается? Из-за давления воздуха на поверхность воды в колодце. Это давление выталкивает в насос воду и воздух над ней в той же мере, в какой уменьшается давление вниз в самом насосе. Если продолжать качать, весь воздух вскоре будет вытеснен, а за ним последует вода, которая выльется через отверстие G. Очевидно, что насос будет бесполезен, если клапан E находится на высоте более 34 футов над поверхностью воды в колодце, так как атмосферное давление не сможет поддерживать столб воды выше этого уровня.

177. Всасывание. — В обычном языке работу насоса приписывают так называемому принципу всасывания, как будто происходит вытягивание воды вверх. Но, как вы видите, вода не вытягивается, а выталкивается вверх. Так обстоит дело со всеми операциями подобного рода. При всасывании жидкости через трубку жидкость выталкивается вверх, потому что устраняется давление вниз в трубке. Но как оно устраняется? Это происходит за счет движения языка вниз от нёба, что вызывает стремление к образованию вакуума, подобно тому как движение поршня насоса вверх вызывает это стремление под ним. Чтобы заполнить пространство, образовавшееся при движении языка, воздух выталкивается вверх по трубке, а за ним следует жидкость; и, как в случае с насосом, когда весь воздух вытеснен, жидкость начинает поступать в рот.

Fig. 124.

178. Нагнетательный насос. — Нагнетательный насос устроен иначе, чем обычный. Его схема приведена на рис. 124. У него есть труба C D и цилиндр A B, как у обычного насоса. У него также есть клапан E в нижней части цилиндра. Но в поршне нет клапана. С цилиндром соединена другая труба F G, из которой выходит вода. В ней есть клапан H, открывающийся вверх. Работа насоса очевидна. Когда поршень поднимается, E открывается, а H закрывается, а когда он опускается, E закрывается, а H открывается.

Fig. 125.

179. Пожарная машина. — Пожарная машина обычно имеет два нагнетательных насоса с приспособлением для обеспечения равномерного потока воды. Это приспособление можно объяснить с помощью рис. 125. Нагнетательная труба L M опускается в большой сосуд I K, заполненный воздухом. Равномерность потока зависит от упругой силы сжатого воздуха, как вы увидите, если я объясню работу машины. Когда вода нагнетается через отверстие H, она поднимается до уровня N O, сжимая воздух в I K, так как трубка L M слишком мала, чтобы пропустить всю воду, поступающую из большей трубки H E. Теперь, как только поршень перестает нагнетать воду через H, начинает действовать упругая сила сжатого воздуха, закрывая клапан H и выталкивая воду вверх по L M. Результатом, как вы видите, является непрерывное выталкивание воды через эту трубку, а следовательно, и равномерный поток.

ГЛАВА X. ДВИЖЕНИЕ.

180. Всеобщность движения. — Мир полон движения. Восход и заход солнца, смена времен года, падение дождя, бег рек в океан, подъем воды в воздух путем испарения, ветер, движущийся в тишине или несущийся со всей своей мощью, — все это привычные примеры постоянного и повсеместного движения. Но при всем этом движении, иногда противоречивом и часто изменчивом, царят порядок и регулярность. Причины движения, хотя и разнообразны в своем действии, удерживаются Творцом от порождения хаоса и дезорганизации несколькими простыми законами, которые регулируют движения как атомов, так и миров. Основные из этих причин я сейчас кратко рассмотрю.

181. Причины движения. — Притяжение — самая универсальная из причин движения во Вселенной. Связывая атом с атомом, оно также связывает систему с системой во всей необъятности пространства; и в то время как оно заставляет камень падать на землю, оно вечно движет бесчисленные небесные тела по их орбитам. Именно оно заставляет приливы течь, а реки — бежать по своим руслам к океану, и таким образом, поддерживая бесконечное движение воды по всей Земле в морях, озерах, реках и миллионах маленьких ручейков, распространяет жизнь и красоту в растительном мире и дает человеку огромные ресурсы, которые мы видим развитыми в бесчисленных применениях водной энергии и судоходства.

Тепло пронизывает всю материю и повсюду объединяет свое влияние с другими причинами движения. Именно тепло производит все движения воздуха, называемые ветрами. Именно тепло вызывает подъем воды по всей Земле при испарении, чтобы она могла собраться в облака и снова опуститься, чтобы увлажнить землю и поддерживать полноводность вечно текущих рек. Тепло, приложенное к воде, дает человеку одно из лучших средств для создания движения в механизмах.

Агенты, которые открывает нам химия, постоянно действуют, вызывая движение среди частиц материи; и хотя они обычно работают в тишине, иногда они проявляют себя в грандиозных взрывах и природных катаклизмах.

Кипучая жизнь повсюду порождает движение, особенно в животном мире. Она дает мириадам животных, больших и малых, населяющих Землю, не только способность двигаться самим, но и способность, в некоторой степени, приводить в движение окружающий их материальный мир.

182. Действие и противодействие равны. — Когда действует любая из причин движения, на действие всегда находится противоположное и равное противодействие. Если, например, нанесен удар, в ответ получается такой же удар. По этой причине, если бегущий человек ударяется головой о голову другого, оба страдают одинаково. Когда ребенок ударяется головой о стол, есть глубокий смысл в народной поговорке, что он нанес столу такой же удар, какой получил сам, хотя это может не принести ему утешения. На ум приходит много очень интересных иллюстраций этого закона движения, некоторые из которых я приведу.

Fig. 126.

Пловец, нажимая руками и ногами на воду вниз и назад, движется вперед и вверх благодаря противодействию воды. И в этом случае, как и во всяком другом, чем сильнее действие, тем сильнее противодействие; иными словами, чем сильнее он давит руками и ногами, тем быстрее его несет вперед противодействие воды против этого давления. Лодка движется вперед пропорционально силе, с которой весла давят на воду. Так же и скорость парохода зависит от силы, с которой гребные колеса отбрасывают воду назад. Птицы поднимаются в воздух благодаря противодействию воздуха их крыльям, когда они давят ими вниз. Ракета совершает свой стремительный полет, потому что из ее нижней части выходит большое количество газообразного вещества, которое, встречая сопротивление противодействия воздуха, своим давлением толкает ракету вверх. Так, если корабль стреляет из пушек с кормы, его движение вперед ускорится, а если с носа — замедлится. Когда дается бортовой залп, корабль наклоняется в другую сторону. На рис. 126 (стр. 136) представлена схема мельницы Баркера. Она состоит из цилиндра c, установленного в раме таким образом, что он может вращаться на точке, на которую опирается. Вода поступает в него через трубку p и выходит через ответвления a и d. Они расположены так, что противодействие вытекающей воды заставляет цилиндр быстро вращаться, заставляя концы ответвлений кружиться, как показано пунктирными линиями и стрелками.

Если сжать пружину между двумя равными телами, она отбросит их с равными скоростями. Если они неравны, скорость меньшего тела будет больше, чем у большего, и пропорционально его малости. По этой причине, когда ядро вылетает из пушки, хотя на пушку и ядро одинаково действует упругая или расширительная сила газов, освобождающихся при воспламенении пороха, пушка сдвигается лишь очень незначительно, потому что сила распределяется по такой большой массе, в то время как ядро, будучи гораздо меньше, движется с большой скоростью. Когда вулкан выбрасывает камни из кратера, Землю можно сравнить с пушкой, камни — с ядром, а взрывчатые вещества, выбрасывающие камни, — с взрывающимся порохом, выталкивающим ядро. Как пушка сдвигается настолько же, насколько и ядро, так и Земля сдвигается настолько же, насколько и камни; единственная причина, по которой она не перемещается так далеко и так быстро, как камни, заключается в том, что сила распределяется по столь огромному объему. Эти примеры очень хорошо иллюстрируют отношение действия и противодействия, ибо всякий раз, когда происходит действие одного тела на другое, это как если бы между двумя телами находилась пружина, действующая одинаково на оба. Когда человек прыгает с земли, это как если бы между ним и Землей была сжата пружина, и ее расширение перемещает Землю точно так же, как и человека. Он буквально отталкивает Землю от себя. Движение Земли не очевидно, потому что оно распределено по такой огромной массе. Этот случай аналогичен случаю с ядром и пушкой. Та же сила прикладывается к человеку и к Земле, но человек, как и ядро, перемещается больше, и пропорционально своей относительной малости. Так, когда птица прыгает с земли, Земля движется так же реально, как и птица. Если птица прыгает с ветки, вы замечаете, что ветка движется под давлением птицы, когда она взлетает. Когда она стартует с земли, она оказывает такое же давление вниз и перемещает Землю так же реально, как в другом случае она двигала ветку.

183. Инерция, проявляющаяся при передаче движения. — Что подразумевается под инерцией материи, вы уже узнали в § 48. Это свойство проявляется при передаче движения любому телу, или, иными словами, при приведении его в движение. Об этом я приведу несколько иллюстраций. Когда паруса судна впервые расправляются по ветру, судно не начинает двигаться быстро сразу, так как требуется некоторое время, чтобы приложенная сила преодолела инерцию такой большой массы и привела ее в быстрое движение. Лошади прилагают больше усилий, чтобы сдвинуть груз с места, чем чтобы поддерживать его движение после того, как он тронулся. Если человек стоит в экипаже, а лошади внезапно срываются с места, он падает назад, потому что его тело из-за своей инерции не может легко и сразу принять движение экипажа. Если человек быстро бросится вперед с подносом, наполненным стаканами, стаканы соскользнут назад. Так же, если человек быстро встанет со стула с чашкой чая в руке, чай выплеснется назад на него.

Из приведенных выше иллюстраций вы видите, что для передачи движения любому телу требуется время. Я приведу несколько более ярких иллюстраций этого факта. Если бросить мяч в открытую дверь, он сдвинет всю дверь и, возможно, закроет ее; но тот же мяч, если выстрелить им, пройдет сквозь дверь, не сдвинув ее заметно. В последнем случае его скорость настолько велика, что не хватает времени для передачи движения всей двери, и она движется только в той части, с которой он соприкасается. Пуля, брошенная с небольшой силой в окно, разобьет целое стекло; но если выстрелить из пистолета, она просто сделает круглое отверстие. Так же и пушечное ядро, имеющее большую скорость, может пройти сквозь борт корабля, нанеся, возможно, сравнительно небольшой ущерб, в то время как ядро, движущееся с гораздо меньшей скоростью, может причинить гораздо больший вред, раздробив дерево на значительное расстояние. По той же причине быстрый мяч, попавший в человека, может причинить меньше страданий и вреда, чем медленный; ибо быстрый мяч поражает только те части, которых касается, оставляя окружающую плоть в целости, в то время как медленный мяч вызывает ушиб на большой площади. Если быстро поднять большой кувшин, наполненный тяжелой жидкостью, ручка сломается, а кувшин останется на месте. Большие блюда часто разбиваются таким образом, когда они тяжело нагружены.