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

308. Почки растений зимой. — Во второй половине лета на деревьях и кустарниках формируются почки, и они содержат зародыши ветвей, листьев и цветов, которые должны появиться на следующий год. Они, конечно, должны быть защищены от зимнего холода, и это делается во многом так же, как куколка защищена в коконе. Каждая почка, как вы можете видеть, имеет покрытие из чешуек, которое является воздухонепроницаемым, а внутри него находится мягкое пушистое вещество — одеяло почки. В этих покрытиях, которые кто-то назвал «зимними колыбелями» почек, младенческая растительность другого года качается взад и вперед на зимних ветрах, защищенная от холода, пока теплое весеннее солнце не пробудит ее скрытую жизнь к активности.

309. Снег как защита для растений. — Снег — хорошее одеяло для земли, не дающее ее теплу уходить в холодный воздух. Это потому, что он содержит в смеси со своими перистыми кристаллами такое количество воздуха. Если снег выпадет рано, до того как земля и растения в ней замерзнут, он будет предохранять их от замерзания в течение всей зимы, если пролежит все это время. Любопытно наблюдать особое расположение снега в арктических регионах для сохранения растительности. Сначала осенью выпадают мягкие легкие снега, укрывающие травы, верески и ивы. Затем, по мере наступления зимы, поверх них укладываются более плотные снега, образуя компактную, прочную крышу над более легкими снегами, в которых погребена скудная, но драгоценная растительность тех регионов. Поверх этой крыши откладываются весенние снега. Когда они тают, вода стекает с ледяной крыши вниз по склонам, не затрагивая растения внизу, которые лежат там, одинаково защищенные от потоков воды и от ночных заморозков, пока сезон не станет достаточно продвинутым, чтобы безопасно вывести их из укрытия. Затем ледяная крыша тает, а вместе с ней и легкие снега, которые так долго окружали растения, и солнце пробуждает их от долгого сна к новой жизни.

310. Влияние теплопроводности на ощущения. — Если вы положите руку на мех, висящий у двери мехового магазина, он не покажется таким холодным, как дерево, на котором он висит, а дерево не покажется таким холодным, как железный прут ставни поблизости. Почему это так, когда эти вещества подвергаются воздействию одной и той же атмосферы и действительно имеют одну и ту же температуру? Это потому, что железо проводит тепло от вашей руки более охотно, чем дерево, а дерево — более охотно, чем мех. Так, железная ручка деревянного насоса кажется холоднее, чем сам насос, а насос холоднее, чем снег вокруг него. По той же причине в холодной комнате коврик или ковер не будут казаться такими холодными, как кочерга и очаг. Если вода простояла достаточно долго в комнате, чтобы иметь ту же температуру, что и воздух в комнате, ваша рука будет чувствовать себя холоднее в воде, чем в воздухе, потому что вода — лучший проводник. Столько об ощущении холода. С другой стороны, когда вещества нагреты настолько, что вызывают у нас ощущение тепла, проводники делают это сильнее, чем непроводники. Поскольку они легко принимают тепло, они также легко отдают его. По этой причине при ярком огне камень очага кажется очень горячим, в то время как коврик перед огнем — нет.

311. Излучение тепла. — Каждое вещество постоянно посылает тепло в пространство по прямым линиям во всех направлениях. Эти линии — радиусы, отсюда и термин «излучение» применяется к теплу, распространяющемуся таким образом. В отношении солнца очень очевидно, что оно излучает тепло во всех направлениях. То же самое можно увидеть в случае с нагретым железным шаром. В каком бы направлении вы ни держали руку — выше, ниже или сбоку — вы чувствуете тепло. И не имеет значения, раскален шар докрасна или нет. То есть тепло излучается как со светом, так и без него. Когда комната обогревается печью, она обогревается полностью за счет конвекции; но когда она обогревается огнем, либо в камине, либо в печи, мы имеем как конвекцию, так и излучение. Тепло, которое мы получаем от солнца, приходит полностью за счет излучения.

312. Связь между теплом и светом. — Тепло и свет солнца проходят вместе через прозрачные вещества, такие как воздух, стекло, вода и т. д., не нагревая их в какой-либо степени. Таким образом, когда тепло передается через линзу, § 272, линза мало нагревается, то есть она пропускает почти все тепло сквозь себя. Воздух нагревается солнцем, но не напрямую в какой-либо значительной степени. Он нагревается косвенно таким образом: лучи солнца, проходя через воздух, нагревают землю, а затем воздух получает часть этого тепла от земли, которое распространяется через него посредством конвекции.

Иначе обстоит дело с теплом, которое исходит от обычного огня. Оно не кажется настолько тесно связанным со светом, и поэтому легко расстается с ним, как мы можем сказать. В то время как тепло и свет солнца проходят вместе через все прозрачные тела, тепло огня не будет проходить вместе со своим светом через все из них. Так, в то время как тепло солнца не нагревает стекло, через которое оно проходит, тепло огня нагреет его, и поэтому стекло является эффективным экраном против него. В некоторых операциях в искусствах иногда носят маску из стекла, чтобы защититься от тепла. Связь света и тепла будет рассмотрена далее, когда я перейду к рассмотрению света.

313. Отношение между излучением и поглощением. — Все поверхности, которые излучают, также будут одинаково хорошо поглощать тепло, которое излучается на них. Все шероховатые и темные поверхности как поглощают, так и излучают свободно; но все светлые и полированные поверхности делают и то, и другое медленно. По этой причине черный, шероховатый чайник хорошо подходит для нагревания в нем воды; но он не подходит для удержания тепла в воде. С другой стороны, яркий, полированный чайник плохо поглощает тепло, но хорошо удерживает его.

Fig. 217.

314. Отражение тепла. — Излучаемое тепло отражается; и здесь, как в случае с движением, § 206, и звуком, § 260, углы падения и отражения равны. Некоторые интересные эксперименты в отношении отражения тепла можно провести с вогнутыми металлическими зеркалами. Так, если мы возьмем два таких зеркала, как показано на рис. 217, и поместим в фокус одного термометр, а в фокус другого — небольшую колбу с горячей водой или нагретый железный шар, ртуть в термометре поднимется, хотя зеркала могут находиться на расстоянии многих футов друг от друга. Понаблюдайте, как создается эффект. Лучи тепла идут от колбы прямо к термометру, как показано линиями на рисунке; но то, что эффект исходит не от них, можно доказать, убрав зеркала, оставив колбу и термометр точно так же, как они есть. Когда эксперимент проводится таким образом, на термометр не оказывается никакого воздействия, потому что он находится слишком далеко от источника тепла, колбы, чтобы получить какое-либо заметное влияние таким образом. Эффект исходит от лучей тепла, которые идут к зеркалу рядом с колбой и отражаются к другому зеркалу, а затем отражаются на термометр, все из чего представлено пунктирными линиями. Существует еще один способ, помимо уже упомянутого, показать, что не прямые лучи производят эффект. После установки аппарата поместите экран между термометром и зеркалом рядом с ним, и эффект будет предотвращен, потому что отражение будет отсечено. Если кусок льда заменить колбой с горячей водой, термометр упадет — эффект, противоположный тому, который был произведен в предыдущем эксперименте. Это, казалось бы, показывает, что холод излучается, но так как на самом деле нет такой вещи, как холод, § 270, эффект должен быть приписан излучению тепла от термометра к льду. Если горячий шар поместить в фокус одного зеркала, а кусок фосфора — в фокус другого, фосфор загорится, хотя зеркала могут находиться на расстоянии двадцати или более футов друг от друга.

Fig. 218.

Отражение тепла можно очень красиво продемонстрировать с помощью эксперимента, представленного на рис. 218. Лист яркой позолоченной бумаги свернут в форме воронки, металлической стороной внутрь. Держа больший конец по направлению к огню, лучи тепла, идущие от огня в воронку, отражаются к центральной линии и поэтому выходят из меньшего конца воронки сконцентрированными. Если теперь кусочек фосфора или люциферову спичку подержать на небольшом расстоянии от этого конца воронки, они загорятся.

315. Образование росы. — Именно благодаря излучению тепла образуется роса. Земля постоянно излучает тепло в пространство, так же как и солнце. В дневное время она получает гораздо больше, чем излучает. Но ночью это меняется, и земля охлаждается. Охлажденная земля конденсирует влагу в воздухе, который находится в соприкосновении с ней, и таким образом влага оседает. Если погода очень холодная, она замерзает, и тогда мы имеем иней вместо росы. Вы замечаете, что роса не «падает», хотя это обычное выражение. Ее образование аналогично отложению влаги, которое мы так часто наблюдаем в жаркий день летом на внешней стороне стакана, содержащего холодную воду. Как холодный стакан конденсирует влагу в воздухе, так и земля ночью, будучи охлажденной излучением, конденсирует влагу, которая накопилась в воздухе путем испарения во время жары дня.

Существуют некоторые обстоятельства, которые влияют на отложение росы и инея. Меньше ее оседает под деревом, чем вне его, потому что все тепло, которое излучается вертикально вверх из-под дерева, излучается обратно самим деревом. Отсюда эффективность покрытия над растениями как защиты от заморозков. Облака действуют таким же образом, и по этой причине никакая роса или иней не оседают в облачную ночь. Также ничего не оседает в очень ветреную ночь, потому что движущийся воздух способствует испарению и, таким образом, предотвращает накопление влаги.

Роса оседает в разных количествах на разных веществах. Это объясняется разницей в излучении. Трава и листья излучают тепло лучше, чем земля, а земля лучше, чем камень; и поэтому, в то время как камни и гравийные дорожки могут быть сухими или почти сухими, рыхлая земля может быть влажной, а трава и листья — полностью мокрыми. Так вы видите, что даже роса, обильная, как она есть, не тратится Творцом впустую, а оседает именно там, где она нужна, чтобы освежить иссохшую землю и ее растительность.

316. Руно Гедеона. — Если вы положите руно шерсти на землю, оно является настолько плохим излучателем тепла, что на нем не осядет роса, хотя ее может быть в изобилии на траве и листьях по соседству. Но это было обращено в случае с руном Гедеона. Законы природы были отложены, и руно было мокрым от росы, в то время как все вокруг было сухим.

317. Точка росы. — То, что называется точкой росы воздуха, — это та степень температуры, до которой должно быть доведено любое вещество, чтобы на нем осела роса. Это зависит от количества воды, которое есть в атмосфере. Чем ее больше, тем выше точка росы. Когда вода конденсируется на холодном стакане в жаркий день, в воздухе гораздо больше воды, и точка росы выше, чем когда на стакане не конденсируется влага. Так, после очень жаркого ясного дня земле не нужно сильно охлаждаться, чтобы вызвать отложение росы, потому что воздух стал настолько сильно заряжен влагой через испарение земли под жарким солнцем. Мы можем очень легко в любое время установить точку росы. Возьмите стакан воды и, имея в нем термометр, бросьте в него несколько кусочков льда и наблюдайте за внешней стороной стакана. Как только он начнет тускнеть от влаги, посмотрите на термометр, и вы получите точку росы.

318. Замораживание ртути. — Ртуть может быть заморожена излучением, когда холод чрезмерно силен, хотя термометр может указывать температуру значительно выше -39°, степени, при которой ртуть замерзает. Предположим, что в ясную, тихую ночь температура воздуха составляет -20°. Чтобы заморозить ртуть, ее нужно охладить на 19 градусов ниже этого. Теперь это можно сделать, окружив ртуть каким-нибудь хорошим непроводником, например, древесным углем. Это отсекает приток тепла к ртути, в то время как она все время отдает тепло в пространство путем излучения. Подобным образом лед может быть сформирован в атмосфере, которая выше точки замерзания, и это часто делается в теплых климатах.

319. Скрытая теплота. — Вы видели, § 270, что наши ощущения не информируют нас точно о количестве тепла в каком-либо веществе. То же самое верно и для термометра. Он указывает только ощутимое или свободное тепло. Может быть много тепла, запертого, как мы можем сказать, в веществе, которое может быть извлечено или сделано свободным при некотором изменении в веществе. Это тепло, таким образом запертое, называется скрытой теплотой.

Fig. 219.

320. Теплоемкость. — Чем больше тепла вещество может принять и сделать скрытым, тем больше его теплоемкость, как это выражается. Таким образом, вода имеет гораздо большую теплоемкость, чем ртуть. Это можно доказать различными экспериментами. Так, если мы возьмем два сосуда, совершенно одинаковых, и имея в одном определенное количество воды, а в другом такое же количество ртути, и подвергнем их воздействию одной и той же степени тепла, потребуется гораздо больше времени, чтобы поднять температуру воды до любой указанной, чем ртути. Почему это так, когда они оба получают одинаковое количество тепла? Это потому, что вода делает гораздо большую часть тепла скрытой, чем ртуть. Мы можем обратить этот эксперимент. Возьмите те же сосуды с их содержимым, нагретым до одной и той же температуры, как указано термометром, и дайте им остыть в воздухе бок о бок. Ртуть остынет гораздо быстрее, чем вода, потому что у нее гораздо меньше скрытого тепла, с которым нужно расстаться. Разница в теплоемкости между водой, маслом и ртутью может быть показана экспериментом, представленным на рис. 219. Фунт воды помещается в одну колбу Флоренции, фунт масла — в другую, а фунт ртути — в третью. Все они нагреваются до 212°, а затем помещаются в воронки, наполненные толченым льдом, воронки покоятся в стеклянных банках того же размера. Теперь при охлаждении этих жидкостей до определенной точки, скажем 32°, будут расплавлены разные количества льда, в пропорциях 100, 50 и 3. Это показывает пропорции скрытого тепла в них, которые становятся ощутимыми или свободными по мере понижения их температур.

Fig. 220.

321. Отношение скрытой теплоты к плотности. — Чем плотнее становится вещество, тем меньше его теплоемкость. Тепло, производимое при ковке железа, — это скрытая теплота, ставшая свободной из-за конденсации, что уменьшает теплоемкость железа. То же самое можно лучше проиллюстрировать при конденсации очень сжимаемого вещества, такого как воздух. На рис. 220 у вас представлен стеклянный шприц с закрытым концом. Если поместить в этот конец кусочек хлопковой ваты, смоченной эфиром, и поршень будет принудительно опущен очень быстро, эфир загорится. Это потому, что сжатие воздуха настолько уменьшает его теплоемкость, что большое количество его скрытого тепла становится ощутимым или свободным. Тепло, которое скрыто в нем в его обычном состоянии, как мы можем сказать, довольно сильно выжимается, как вы выжали бы воду, скрытую в промежутках губки.

322. Холодность воздуха на больших высотах. — Вы узнали в § 152, что атмосфера тем тоньше, чем дальше вы удаляетесь от земли. Поэтому она очень тонкая на вершинах высоких гор. Это главная причина, почему там так холодно, ибо чем разреженнее воздух, тем больше его теплоемкость, и тем больше ощутимого или свободного тепла он может сделать скрытым.

323. Отношение скрытой теплоты к формам веществ. — Будет ли вещество в форме твердого тела, жидкости или газа, зависит от количества тепла, которое скрыто в нем. Если вы возьмете кусок льда и расплавите его в сосуде, лед и вода в сосуде, которая получается от таяния льда, оба находятся при 32°, пока лед не растает полностью. Но все это время тепло передается льду и воде. Что с ним становится? Оно все поглощается льдом, когда он меняет свое твердое состояние на жидкое, и становится скрытым в нем. На самом деле каждая частица льда должна иметь именно столько скрытого тепла, чтобы стать жидкой. Так же, если вода нагрета до точки кипения, 212°, и поддерживается кипящей, вода останется при этой точке, пока она не испарится полностью. Все это время вода получает тепло, которое вместо повышения ее температуры становится скрытым в частицах, когда они меняют свое жидкое состояние на парообразное. Как я сказал об изменении из твердого состояния в жидкое, так и здесь, каждая частица жидкости должна иметь именно столько скрытого тепла, чтобы стать газообразной. Поэтому всякий раз, когда любое твердое вещество становится жидким, или жидкость становится газообразной, тепло поглощается и становится скрытым. Так, с другой стороны, всякий раз, когда любое газообразное вещество становится жидким, или жидкость становится твердой, скрытое тепло отдается и становится свободным и ощутимым. Замерзание воды, таким образом, является источником тепла для воздуха в его окрестностях — факт, который практически используется, когда ванны или ведра с водой помещаются в оранжереи, чтобы растения не замерзли; а оттаивание снега и льда является источником холода, что иллюстрируется прохладой воздуха, вызванной этим процессом.

324. Облака и скрытая теплота. — Вода, из которой состоят облака, тяжелее воздуха. Почему же тогда она остается во взвешенном состоянии? Почему необходимо, чтобы она была собрана в капли, чтобы она упала? На этот вопрос можно ответить, посмотрев на то, как образуются облака. Облако, я заявил в § 288, состоит из крошечных пузырьков, содержащих воздух. Теперь воздух в этих пузырьках легче, чем воздух, который окружает облако, потому что он теплее. Но как он получает свое тепло? Чтобы понять это, посмотрите, из чего сделан пузырек. Он сделан из воды, которая была в воздухе в состоянии пара, или в его газообразном состоянии, ибо это состояние воды, которая испаряется и растворяется в атмосфере. Но когда она образует пузырек, она выходит из этого состояния и становится жидкостью, ибо стенка пузырька — это жидкая стенка, точно так же, как стенка мыльного пузыря. Теперь при переходе из газообразного состояния в жидкое некоторое скрытое тепло должно стать ощутимым. Что становится с этим ощутимым теплом? Оно просто нагревает воздух в пузырьке и поэтому делает его похожим на воздушный шар с нагретым воздухом. Таким образом, все облака — это скопления бесчисленных воздушных шаров с нагретым воздухом, и причина, по которой некоторые облака находятся выше других, возможно, заключается в том, что в их шарах более теплый и, следовательно, более легкий воздух.

325. Охлаждающие смеси. — Интенсивный холод, производимый этими смесями, является результатом изменения свободного или ощутимого тепла в скрытое. Например, когда соль и снег смешиваются вместе, быстро происходит таяние того и другого. В этом внезапном изменении твердого тела в жидкость большое количество тепла должно быть сделано скрытым, и поэтому будет большая потеря ощутимого тепла всем, с чем соприкасается охлаждающая смесь. Процесс здесь, как вы видите, является противоположным затвердеванию в отношении скрытого тепла. Часть снега после таяния с солью становится твердым льдом. Почему это так? Это потому, что он отдает свое ощутимое или свободное тепло частям снега, которые находятся в процессе таяния и, следовательно, делают тепло скрытым.

326. Холод от испарения. — Если вы нальете немного эфира на ладонь, он быстро исчезнет в виде пара, производя очень холодное ощущение. Это ощущение возникает потому, что при изменении жидкости в парообразное или газообразное состояние часть ощутимого тепла вашей руки извлекается, чтобы стать скрытой в паре. Испарение воды также производит холод, хотя и не так решительно, как эфир, потому что ее изменение в пар не такое быстрое при обычных температурах. Мы практически используем испарение воды многими различными способами. Так, мы разбрызгиваем воду в жаркий день на полы веранд, ступеней и т. д., чтобы испарение могло сделать большую часть ощутимого тепла вокруг наших домов скрытым. С той же целью в жарких климатах квартиры часто отделяются друг от друга простыми занавесками, которые время от времени сбрызгиваются водой. Так жители таких климатов часто охлаждают свои напитки, держа влажную ткань в течение некоторого времени обернутой вокруг сосудов, которые их содержат. Испарение является важным средством для многих случаев заболевания. Например, если голова горячая, постоянное применение влажной ткани ко лбу, хотя и простое средство, обычно эффективно, а иногда очень важно. Большинство людей применяют его неправильно. Они накладывают несколько слоев ткани, когда один слой — лучший, потому что он лучше всего обеспечит испарение, которое является причиной принесенного облегчения.

Fig. 221.

327. Замерзание посреди кипения. — Именно из-за количества тепла, сделанного скрытым при испарении, вода может быть заморожена посреди кипящего эфира; и, как бы парадоксально это ни казалось, кипение эфира является причиной замерзания. Эксперимент проводится таким образом: поместите пробирку или небольшую тонкую склянку с водой посреди некоторого количества эфира в неглубоком сосуде под приемником воздушного насоса. При откачивании воздуха эфир закипит, испарение будет происходить быстро, потому что давление воздуха снято с эфира. Теперь, когда эфир переходит в пар, он извлекает так много свободного тепла из склянки с водой, что вода охлаждается до точки замерзания и, таким образом, становится твердой. Вода может быть заморожена даже собственным испарением. Это делается так: пусть неглубокий сосуд, b, рис. 221, содержит немного воды, а сосуд c — купоросное масло или серную кислоту. Когда воздух откачан, давление воздуха снято с воды, пар поднимается из нее свободно. Поскольку серная кислота имеет большое притяжение к воде, она поглощает этот пар, и поэтому пар постоянно поднимается из воды тем быстрее, потому что то, что сформировано, поглощается, вместо того чтобы оставаться, чтобы создавать давление на воду. Результат заключается в том, что это быстрое образование пара, требующее, чтобы большое количество тепла было сделано скрытым, в конце концов извлекает так много тепла из воды, которая остается, что она становится твердой.

328. Степень тепла, переносимая человеком. — Раньше считалось, что человеческое тело не может перенести безнаказанно, даже в течение короткого времени, гораздо более высокую степень температуры, чем та, которая встречается в жарких климатах. Но в 1760 году было случайно обнаружено, что гораздо более высокая температура может быть перенесена. Насекомое уничтожало в то время зерно, собранное в некоторых частях Франции, и было обнаружено, что если зерно подвергалось определенной высокой степени температуры, насекомое погибало, а зерно не повреждалось. Проводя некоторые эксперименты в отношении этого дела, экспериментаторы хотели знать точку, при которой термометр стоял в большой печи. Девушка, обслуживающая печь, предложила войти и отметить термометр. Она сделала это, оставаясь две или три минуты, и термометр был при 260°, то есть на 48° выше точки кипения воды. Поскольку она не испытала большого неудобства от тепла, она оставалась еще десять минут, когда термометр поднялся на 76° выше этой точки. Эти факты были опубликованы и побудили ученых людей провести другие эксперименты. В Англии доктор Фордайс, сэр Чарльз Благден и другие входили в комнаты, нагретые даже до 240° и 260°, и оставались достаточно долго, чтобы приготовить яйца и стейки, и все же сами испытывали мало неудобств. Пульс был ускорен, потоотделение было очень обильным, но тепло тела, как установлено путем помещения термометра под язык в момент, когда они вышли, было едва ли повышено вообще. Воздух, в котором они находились, жарил яйца довольно твердо за двадцать минут, а когда он был применен парой мехов к стейку, он приготовил его за тринадцать минут. Возникает вопрос, как это так, что эта высокая степень тепла не произвела большего эффекта на тело? Одна причина в том, что тепло воздуха в непосредственной близости от тела постоянно уменьшалось испарением свободного потоотделения, ощутимое тепло таким образом превращалось в скрытое. Другая причина в том, что воздух не является хорошим проводником, и поэтому не передавал свое тепло легко телу. Доктор Фордайс и его друзья обнаружили, что они не могут коснуться безнаказанно любого хорошего проводника, такого как металлы, и они были вынуждены носить на своих ногах какое-нибудь непроводящее вещество.

329. Образование льда. — Прежде чем оставить тему тепла, я должен отметить великое исключение, которое мы имеем к некоторым операциям тепла при образовании льда. Тепло обычно производит расширение. Но в случае с водой этот закон расширения отложен, и установлено обратное. Это делается, однако, только в небольшом диапазоне температуры, а именно от точки замерзания вверх по шкале около семи градусов. Во всех градусах выше этого происходит обычное расширение от тепла. Исключение происходит в этой части шкалы для специальной цели, а именно, чтобы вода, в отличие от других веществ, становилась более объемной и, следовательно, более легкой, когда она принимает твердую форму.

Fig. 222.

330. Описание процесса замерзания. — Чтобы сделать процесс замерзания понятным для вас, я опишу его так, как он обычно происходит, то есть под воздействием холодного воздуха на поверхность воды. Верхний слой воды передает часть своего тепла воздуху, соприкасающемуся с ним. Этот воздух поднимается, а его место занимает более холодный, который, в свою очередь, нагреваясь, также поднимается, уступая место новой порции холодного воздуха. Таким образом, от воды вверх идет постоянный поток нагретого воздуха. В то же время в самой воде возникает поток иного характера — нисходящий. По мере того как вода на поверхности отдает тепло воздуху, она опускается, а ее место занимает более теплая вода, которая также охлаждается и опускается вниз. Это опускание охлажденной воды происходит регулярно до тех пор, пока часть воды не охладится до 39°, то есть до температуры на 7° выше точки замерзания. Этот слой не опускается, а остается на поверхности, так как он легче более теплой воды, находящейся под ним. Это происходит потому, что закон, согласно которому тепло расширяет материю, здесь меняется на противоположный. Ниже этой точки по термометру: чем холоднее вода, тем она легче. Поскольку охлаждение теперь продолжается за счет воздуха, поступающего, как и прежде, последовательными слоями к воде, количество охлажденной воды на поверхности постоянно увеличивается. Сначала это лишь один слой частиц, но через некоторое время это уже целый объем холодной воды, лежащий на более теплой воде внизу. Наконец, часть ее охлаждается до 32°, точки замерзания, и образуется тонкая пленка льда. Состояние дел на этой стадии процесса можно представить с помощью простой диаграммы, рис. 222. Пусть линия a представляет пленку льда. Пространство между a и b — это часть воды, охлажденная ниже 39°. Пространство ниже b занято водой, температура которой выше этой отметки. В пространстве между a и b чем холоднее вода, тем ближе она к поверхности. То есть от линии b, где вода имеет температуру ровно 39°, по мере подъема вверх температура воды понижается, последовательно составляя 38°, 37°, 36° и так далее, пока непосредственно в контакте с пленкой льда a она не достигнет 32°. Лед продолжает постепенно утолщаться за счет намерзания снизу. Однако следует помнить, что лед является хорошим теплоизолятором, поэтому самый первый слой льда замедляет процесс охлаждения воды по сравнению с тем, что было раньше. И чем толще становится лед, тем медленнее идет охлаждение. Это предохраняет от слишком сильного образования льда.

331. Почему существует вышеупомянутое исключение из правила расширения при нагревании. — Чтобы мы могли частично увидеть причины этого великого исключения из общего закона расширения при нагревании, который я проиллюстрировал, давайте посмотрим, каковы были бы некоторые результаты, если бы этого исключения не существовало. В таком случае процесс замерзания выглядел бы следующим образом: вода передавала бы свое тепло с поверхности воздуху, как описано ранее, и происходил бы постоянный нисходящий поток охлажденной воды. Когда любая часть воды охлаждалась бы воздухом до 32°, она превращалась бы в лед и опускалась на дно. И после того как процесс замерзания однажды начался бы, происходило бы постоянное накопление льда на дне до тех пор, пока воздух оставался бы достаточно холодным, чтобы охлаждать воду, с которой он соприкасается, до 32°.

Результат можно сформулировать в целом так: замерзание начиналось бы не так быстро, как сейчас; но, начавшись однажды, оно оказалось бы весьма разрушительным. Оно не начиналось бы так скоро, потому что весь объем воды должен был бы охладиться до температуры чуть выше 32°, прежде чем оно могло бы начаться. Это не заняло бы много времени на мелководье, но потребовало бы много времени в глубоких водоемах. Таким образом, все мелководные водоемы замерзали бы довольно рано зимой; а поскольку вода плохо проводит тепло и оттаивание должно идти сверху вниз, некоторые из них не оттаивали бы полностью до самого следующего лета, если бы оттаивали вообще. А там, где вода довольно глубокая, лед в конце концов начал бы образовываться, и, будучи сформированным, он оттаивал бы чрезвычайно медленно. В некоторых случаях он никогда бы не оттаял, имея такой объем непроводящей тепло воды, защищающий его от тепла сверху. Легко увидеть, что весеннее и летнее тепло не растопило бы и малой доли того количества льда, которое оно растапливает сейчас. Царство льда и снега на нашей земле было бы, следовательно, гораздо обширнее, чем сейчас, и, что еще хуже, оно расширялось бы все больше и больше с каждым годом. В таких обстоятельствах происходило бы огромное уничтожение как животной, так и растительной жизни. Я упомяну, однако, лишь один пункт, так как подробное рассмотрение этой темы заняло бы слишком много места. В воде подо льдом, которая всегда теплее 39°, за исключением той, что находится вплотную ко льду во время замерзания, существует огромное количество активной жизни, которая была бы уничтожена, если бы лед образовывался на дне, охлаждая всю воду выше.

332. Почему точка замерзания находится на 32°. — Если бы точка замерзания воды была выше 32°, замерзание происходило бы так рано осенью, а лед и снег сохранялись бы так долго весной, что сезон был бы слишком коротким для выращивания наших запасов фруктов и зерновых. Если бы, с другой стороны, она была ниже, земля не имела бы защиты в виде своего легкого снежного покрова, а вместо этого охлаждалась бы столь холодными дождями, что результатом было бы бесплодие. Множество животных, которые сейчас так безопасно живут в воде, некоторые из них даже подо льдом, все они погибли бы от холода.

333. Сила расширения льда. — Поскольку лед занимает на одну седьмую больше места, чем вода, из которой он образован, при своем формировании он оказывает расширяющую силу, которая при различных обстоятельствах дает разнообразные и часто примечательные результаты. Из многих экспериментов, которые были проведены, чтобы показать силу этого расширения, я упомяну только один. В Монреале бомбу заполнили водой и закрыли железной пробкой, которую вбили с большой силой. При замерзании воды пробка была отброшена расширением на расстояние 400 футов. Это расширение иногда доставляет нам неудобства, например, при разрыве водопроводных труб; но помимо великой службы, которую оно оказывает в природе, о чем уже упоминалось, оно также полезно для разрыхления почвы и снабжения ее необходимыми компонентами из горных пород путем их разрушения и измельчения в небольших количествах из года в год.

ГЛАВА XIV. СВЕТ.

334. Природа света. — Мы не знаем, что такое свет. Существует два предположения на этот счет. Одно принадлежит сэру Исааку Ньютону и называется теорией эмиссии. Согласно ей, свет — это субстанция, но настолько эфирная, что она не имеет веса и способна проходить сквозь различные вещества даже большой плотности. Другое предположение — это так называемая волновая теория. Сторонники этой теории, которая сейчас принята довольно широко, полагают, что свет состоит из волнообразных колебаний или вибраций в эфире, который, как предполагается, существует везде, пронизывая все пространство и каждое вещество. Вы видите здесь аналогию со звуком, однако вибрирующая среда в случае со звуком всегда является каким-то осязаемым веществом — твердым, жидким или газообразным. Предполагается, как указано в § 271, что тепло — это вибрация эфирной субстанции, как и свет, хотя эти две вибрации, конечно, должны быть несколько иными по характеру. Любое тело, способное передавать световую вибрацию этому эфиру, называется светящимся.

335. Источники света. — Главным источником света для нашей земли является солнце, которое является постоянно светящимся телом. Затем у нас есть свет горения в его различных формах. Электричество — еще один источник света. Свет иногда испускается во время распада или гниения некоторых веществ. Некоторые животные — например, светлячки, червячки-светляки и фосфоресцирующие морские животные — обладают способностью испускать свет.

336. Свет распространяется по прямым линиям. — Свет, подобно теплу и звуку, излучается по прямым линиям во всех направлениях от своего источника. Мы можем убедиться в истинности этого, пропуская лучи света в затемненную комнату через небольшие отверстия в ставнях: лучи образуют прямые линии в темноте, что можно заметить по пылинкам, летающим в воздухе. Этот факт учитывается стрелком при прицеливании и инженером при проведении нивелирования. Плотник руководствуется им, когда проверяет гладкость поверхности, пропуская свет вдоль нее к своему глазу.

Fig. 223.

Fig. 224.

337. Диффузия света. — Поскольку свет распространяется во всех направлениях от любого тела или точки, чем дальше мы отходим от источника, тем меньше будет света. Если мы возьмем любые два луча света, то чем дальше мы проследим их от источника, тем дальше они будут отделены друг от друга, и то, что верно для любых двух лучей, верно для всех лучей. Отсюда следует, что чем дальше поверхность удалена от источника света, тем меньше света будет на ней. Это уменьшение света пропорционально расстоянию является совершенно регулярным уменьшением, и оно происходит как квадрат расстояния; или, другими словами, интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния. Возьмите экран, рис. 223, и свечу, поместив между ними квадратный кусок картона на расстоянии одного фута от каждого. Тень на экране, как вы видите, покрывает площадь в четыре раза больше, чем картон. То есть свет, который падает на картон, если позволить ему пройти дальше на экран, рассеялся бы на площади в четыре раза большей и, следовательно, имел бы только одну четверть интенсивности. Так, если, как показано на рис. 224, экран поместить на вдвое большем расстоянии от картона, чем находится свет, тень покроет площадь в девять раз большую, чем картон, и, следовательно, свет там будет иметь одну девятую интенсивности, которую он имеет там, где находится картон.

Fig. 225.

Далее, из рис. 225 видно, что если экран поместить на расстоянии трех футов, интенсивность света составит одну шестнадцатую от той, что она имеет у картона. Таким образом, в то время как расстояния относятся как 1, 2, 3, 4 и т. д., интенсивность света обратно пропорциональна числам 1, 4, 9, 16 и т. д., то есть обратно пропорциональна квадратам расстояния.

338. Скорость света. — Скорость света настолько велика, что на любых обычных расстояниях ее можно считать мгновенной. Так, когда мы измеряем расстояние до пушки по разнице между временем вспышки и звуком выстрела, мы не учитываем, что свет затрачивает какое-либо время на путь к глазу. Но когда мы начинаем смотреть на объекты, столь удаленные, как солнце и другие небесные тела, мы учитываем в наших расчетах время прохождения света. Свету требуется восемь минут, чтобы долететь от солнца до нас, что составляет расстояние в девяносто пять миллионов миль. С помощью телескопа были увидены звезды, о которых было установлено, что они находятся на таком расстоянии, что их свету требуется более десяти лет, чтобы дойти до земли. Были увидены и другие, которые находятся гораздо дальше, но их расстояния не были абсолютно установлены. Некоторые из них, как предполагается, находятся на таком расстоянии, что свет, идущий от них к глазу астронома, был в пути сто тысяч лет.

Fig. 226.

339. Наблюдения Ремера. — Скорость света была впервые определена датским астрономом Рёмером в 1676 году. Это было сделано в его расчетах и наблюдениях затмения одного из спутников Юпитера. Произведя расчет времени, которое потребовалось бы спутнику для прохождения через тень планеты, он наблюдал его прохождение и обнаружил, что он вышел из тени на пятнадцать секунд позже, чем требовал его расчет. В чем была трудность? Если бы земля оставалась на одном месте с начала до конца прохождения спутника, наблюдение совпало бы точно с расчетом. Но земля за это время (около сорока двух с половиной часов) переместилась на огромное расстояние в 2 880 000 миль. Свет от появляющегося спутника, следовательно, должен был преодолеть это дополнительное расстояние, чтобы догнать землю, и на это ушло пятнадцать секунд. Если мы разделим это расстояние на 15, то получим расстояние, которое свет проходит за секунду, а именно 192 000 миль. Все это можно прояснить с помощью диаграммы, рис. 226. Пусть S — солнце, J — Юпитер, а C — одна из его лун, выходящая из тени. Пусть A — земля в тот момент, когда начинается затмение луны Юпитера. Когда она выходит, земля переместилась в точку B, и свету от спутника приходится пройти настолько дальше, чтобы достичь ее сейчас, насколько BC длиннее AC. Рёмер проводил другие наблюдения, когда земля находилась в других частях своей орбиты, с тем же результатом.

Fig. 227.

340. Отражение света. — Свет, подобно звуку и теплу, отражается по прямым линиям, когда он ударяется о какое-либо сопротивляющееся вещество. Мы можем видеть, что это так, когда он падает на любую гладкую и плоскую поверхность. И для света, как и для тепла, верно, что углы падения и отражения равны. Так, если c, рис. 227, является отражающей поверхностью, а bc — линией, перпендикулярной к ней, то луч света dc отразится по линии ca, и угол падения dcb будет равен углу отражения bca.

341. Как мы видим. — Мы видим различные объекты вокруг нас благодаря свету, который отражается от них. Каждая точка каждой поверхности, которую мы видим, отражает лучи или вибрации света в наши глаза. Так, если мы видим человека, то от каждой части его тела в наши глаза отражаются лучи света. Эти лучи образуют его изображение в задней части каждого глаза, и именно благодаря этому изображению мы видим его, как будет подробно объяснено в другой части этой главы. Отраженный свет ежесекундно рисует изображения объектов в глазу в огромном изобилии и разнообразии. Если у оратора есть аудитория из тысячи человек, смотрящих на него, его изображение одновременно находится в двух тысячах глаз, и в каждом из этих двух тысяч изображений каждое движение и каждое меняющееся выражение лица верно запечатлены.

Fig. 228.

342. Зеркала. — То, что отраженный свет действительно формирует изображения объектов, вы видите в обычном зеркале. Изображение любого объекта, сформированное в нем, происходит от света, отраженного от этого объекта в стекло. Затем, при взгляде на изображение, свет отражается от него в глаз, где формирует похожее изображение, хотя и гораздо меньшего размера. Используя два или более зеркал, отражения изображения можно умножить, а при некоторых их расположениях — в очень значительной степени. То, что изображение кажется находящимся на том же расстоянии за поверхностью, на котором объект находится перед ней, объясняется тем фактом, что отраженные лучи исходят из стекла под тем же углом, под которым падающие лучи ударяются о него. Это можно показать на рис. 228 (стр. 263). Предположим, что mm' — это зеркало, а перед ним находится стрелка AB. Лучи света исходят от нее во всех точках к стеклу. Мы возьмем только два из этих лучей на каждом конце стрелки. Луч Ag отразится в глаз под тем же углом в луче go, а луч Af отразится в луче fE. И отраженные лучи будут иметь ту же степень расходимости, что и падающие лучи. То же самое можно показать в отношении лучей от B или любой другой точки на стрелке. Теперь, если линии og и Ef продлить, они встретятся в точке a, которая находится на том же расстоянии за зеркалом, что и A перед ним. То же самое можно показать для лучей от B или любой другой точки. Поэтому изображение стрелки будет казаться глазу имеющим то же относительное положение за стеклом, что и сама стрелка перед ним.

Fig. 229.

343. Калейдоскоп. — Я уже отмечал умножение изображений объектов при использовании двух или более зеркал. В калейдоскопе, благодаря особому расположению зеркал, изображения умножаются, а при изменении положения объектов относительные положения изображений бесконечно варьируются. Рис. 229 послужит для объяснения работы инструмента. Пусть AB и BC — два плоских зеркала, расположенных под прямым углом друг к другу, а a — объект перед ними. Пусть I — положение глаза, смотрящего в зеркала. Лучи af и ag будут отражены к I, как показано, и глаз увидит два изображения, которые кажутся находящимися в b и E. Но луч aK отразится к c, а затем к I, так что третье изображение будет видно в d. Здесь всего лишь одно второе отражение, или отражение изображения; но при расположении зеркал под углом 60°, 45° и 30° количество изображений может быть увеличено до шести, восьми и десяти, имеющих круговое расположение. В калейдоскопе два зеркала помещаются в трубку под углом 30°, а разноцветные кусочки стекла в дальнем конце инструмента, меняя свое относительное положение при каждом его движении, дают бесконечное разнообразие симметрично расположенных изображений.

Fig. 230.

Fig. 231.

344. Изогнутые зеркала. — Они могут быть вогнутыми или выпуклыми. Действие вогнутого зеркала на свет можно проиллюстрировать рис. 230. Если параллельные лучи, как показано, падают на зеркало, то при отражении они будут сходиться, или собираться вместе, в фокусе a. Но предположим, что свет исходит из этого фокуса, лучи, конечно, расходятся, или удаляются друг от друга; тогда лучи при отражении будут параллельными. Если свет или объект находится ближе к зеркалу, чем фокус, и лучи, конечно, более расходящиеся, то эффект зеркала будет заключаться в уменьшении расходимости при отражении лучей. Вы видите, что тенденция заключается в том, чтобы заставить лучи сходиться. И поэтому вогнутые отражатели часто используются, когда желательно направить большое количество света в одном направлении. Эффект вогнутого зеркала на кажущийся размер и положение объектов, помещенных перед ним, варьируется в зависимости от их положения относительно фокуса. Действие выпуклого зеркала на свет противоположно действию вогнутого. Его тенденция заключается в том, чтобы заставить лучи расходиться. Так (рис. 231), если параллельные лучи падают на выпуклое зеркало, они расходятся, как если бы они исходили из фокуса за зеркалом, такого как b, как показано пунктирными линиями.

Fig. 232.

Fig. 233.

345. Преломление света. — Когда свет проходит из одной среды в другую, он отклоняется от своего курса. Это можно проиллюстрировать рис. 232, на котором ABCD — ящик, в который светит свеча E. Свеча расположена так, что тень от стороны AC падает в D. Но пусть ящик будет наполнен водой, и теперь тень переместилась в d, как если бы свеча находилась в e. Это происходит потому, что лучи света от свечи при переходе из воздуха в воду изгибаются или преломляются, принимая другое направление. Здесь мы имеем свет, проходящий из менее плотной в более плотную среду. Давайте теперь посмотрим, как это происходит, когда свет проходит из более плотной среды в менее плотную. Это можно проиллюстрировать на рис. 233. Пусть сосуд ABCD пуст, и пусть монета помещена в O. Пусть глаз E находится в таком положении, что прямая линия OGE от монеты к глазу ударилась бы о сторону сосуда чуть ниже края, или, другими словами, что край сосуда помешал бы глазу увидеть ее. Если теперь, удерживая глаз в этом положении, налить воду до определенного уровня, скажем FG, монета появится в поле зрения. Это происходит потому, что свет, идущий от монеты к L, преломляется в другом направлении, LE, и монета поэтому кажется глазу находящейся в K. В этом случае преломление происходит от перпендикуляра PQ, опущенного через точку L, где свет выходит из более плотной в менее плотную среду. Но когда свет проходит из менее плотной в более плотную среду, преломление меняется на обратное — оно направлено к перпендикуляру. Именно из-за этого преломления света палка, частично погруженная в воду, кажется глазу сломанной прямо у поверхности воды.

Fig. 234.

346. Рассвет и сумерки. — Свет солнца при переходе из космоса в нашу атмосферу преломляется. Если бы этого не было, у нас не было бы дневного света перед восходом солнца или сумерек после его заката; но свет внезапно вспыхивал бы в темноте ночи, когда солнце появлялось над горизонтом, и темнота внезапно сменяла бы дневной свет на закате. В действительности же утром свет изгибается к нам, проходя сквозь атмосферу задолго до того, как мы видим солнце, а после того, как солнце исчезает из виду вечером, его свет изгибается к нам таким же образом. И более того, мы действительно видим солнце утром до того, как оно поднимается над горизонтом, и вечером после того, как оно опускается ниже него. Это можно прояснить с помощью рис. 234. Пусть центральный шар представляет землю. Поскольку атмосфера наиболее плотная вблизи земли и становится менее плотной по мере удаления от нее, на рисунке она представлена как имеющая различные слои, чтобы процесс преломления был более понятен вам. Самый внешний слой чрезвычайно разрежен, и каждый слой плотнее предыдущего по мере приближения к земле. Свет, идущий от солнца S, находящегося ниже горизонта, в первый слой воздуха, вместо того чтобы идти прямо к a, как показано пунктирной линией, изгибается к земле. Затем, входя во второй слой, вместо того чтобы идти к b, он будет изгибаться или преломляться еще больше, так как этот слой плотнее; и так далее через все слои, преломляясь в каждом больше, чем в предыдущем. Результат заключается в том, что, поскольку каждый объект виден в направлении, в котором лучи от него в конечном итоге достигают глаза, солнце, хотя и находится в действительности ниже горизонта, кажется находящимся над ним, как показано на рисунке. Путь света от солнца при прохождении через воздух представляет собой кривую линию. Это происходит потому, что воздух, вместо того чтобы иметь равномерную плотность, уменьшается в плотности по мере удаления от земли. Если бы он имел равномерную плотность, свет преломлялся бы по прямым линиям, как в экспериментах в § 345.

347. Миражи. — Иногда в плотности нижних слоев атмосферы возникают неоднородности, вызывающие, конечно, неравномерное преломление и создающие некоторые странные явления, называемые миражами. Например, в Рамсгейте, на побережье Англии, однажды было видно, как показано на рис. 235 (стр. 268), судно на таком расстоянии, что были видны только его марсели; а высоко в воздухе были два полных изображения судна, верхнее из которых было прямым, а нижнее — перевернутым. Капитан Скорсби во время плавания в Гренландию увидел перевернутое изображение судна, настолько четкое, что он решил, что это изображение судна его отца, «Fame», что впоследствии подтвердилось. Само судно в то время находилось на расстоянии 30 миль. Случай из ранней истории места жительства автора может быть приведен как пример миража. Судно отправилось в Англию, груженное ценным грузом и имеющее на борту большое количество лучших граждан колонии. Некоторое время спустя в Нью-Хейвене возникло огромное волнение, потому что жители увидели с большой отчетливостью то, что они приняли за это судно, на небольшом расстоянии, по-видимому, плывущее против ветра. Но вскоре оно исчезло из виду, часть за частью, пока не исчезло совсем. О самом судне больше никогда не слышали, и в то время предполагалось, что это явление было проявлением Провидения с целью сообщить колонистам, что стало с их друзьями. Но то, что было увидено, несомненно, было отраженным изображением этого или какого-то другого судна. Именно такие явления породили истории, которые иногда рассказывали о кораблях-призраках. Миражи очень распространены в обширных пустынях в жарком климате, демонстрируя глазу путешественника различные обманчивые явления, такие как острова, озера и т. д. В египетской кампании Бонапарта такое явление заставило целые батальоны измученных жаждой солдат броситься вперед, полагая в тот момент, что обильный запас воды находится под рукой.

Fig. 235.

Самый удивительный случай миража, о котором я когда-либо слышал, описан так: «Скалы на французском побережье находятся в 50 милях от Гастингса, на побережье Сассекса, и они фактически скрыты от глаз из-за выпуклости земли; то есть прямая линия, проведенная от Гастингса до Кале или Булони, прошла бы через море. Однако год или два назад член Королевского общества, проживавший в Гастингсе, был удивлен, увидев толпу людей, бегущих к морскому берегу. На вопрос о причине этого ему сообщили, что побережье Франции можно увидеть невооруженным глазом. Он немедленно спустился к берегу, чтобы стать свидетелем столь необычного зрелища, и там отчетливо обнаружил французские скалы, простирающиеся на несколько лиг вдоль горизонта, и настолько ярко, что они казались находящимися всего в нескольких милях. Моряки и рыбаки, с которыми мистер Лэтэм шел вдоль кромки воды, сначала с трудом могли поверить в реальность этого явления; но по мере того, как скалы постепенно становились все более возвышенными, они настолько убедились в этом, что указывали мистеру Лэтэму на различные места, которые они привыкли посещать, — такие как бухта и ветряная мельница в Булони, Сен-Валери и другие места на побережье Пикардии, даже до Дьеппа, причем все французские берега казались английским морякам так, будто они плывут на небольшом расстоянии от них к гаваням. С помощью телескопа были отчетливо видны французские рыбацкие лодки на якоре; и различные цвета земли на высотах, вместе со зданиями, были прекрасно различимы. День, когда это произошло, как говорят, был чрезвычайно жарким, без единого дуновения ветра, и явление оставалось видимым во всем своем великолепии до восьми часов вечера, будучи видимым в течение трех часов непрерывно».

Fig. 236.

Fig. 237.

348. Угол зрения. — Чтобы вы могли понять действие линз в отношении зрения, я должен сначала объяснить вам, что подразумевается под углом зрения. На рис. 236 (стр. 270) представлены стрелки одинакового размера на разных расстояниях от глаза. От концов каждой из стрелок к глазу проведены линии. Угол, который эти линии образуют в каждом случае, встречаясь у глаза, называется углом зрения. Теперь кажущийся размер объекта зависит от величины этого угла. Градусы углов отмечены на рисунке. Так, угол зрения ближайшей стрелки составляет 120 градусов, а второй — 60, всего вдвое меньше. Поэтому первая стрелка кажется вдвое больше второй. По той же причине она кажется в четыре раза больше третьей, в восемь раз больше четвертой и в двенадцать раз больше пятой. То же самое проиллюстрировано другим способом на рис. 237. Здесь стрелки ef, gh и ik кажутся глазу такими же большими, как AB, потому что они имеют тот же угол зрения и по этой причине создают изображение того же размера в глазу, как вы видите, указано на рисунке. Едва ли нужно говорить, что то, что верно для объектов в целом, верно и для любой их части. Каждая часть, какой бы маленькой она ни была, имеет свой угол зрения, и это определяет ее кажущийся размер.

Fig. 238.

Fig. 239.

349. Линзы. — Прозрачные тела, имеющие изогнутые поверхности, называются линзами. Существует шесть видов, представленных на рис. 238. Линзы, наиболее часто используемые, — это двояковыпуклые и двояковогнутые. Объяснение того, как они воздействуют на свет, будет достаточно для иллюстрации работы остальных. Они действуют путем преломления: выпуклая собирает лучи или сближает их, а вогнутая раздвигает их дальше друг от друга. Вы сразу можете увидеть, что выпуклая линза, заставляя лучи, исходящие от объекта, сходиться сильнее, увеличивает угол зрения и поэтому заставляет объект казаться больше, чем он был бы в противном случае. Этот эффект проиллюстрирован рис. 239. Лучи света, исходящие от стрелки, заставляются линзой сходиться так, чтобы встретиться в a, вместо b, где они встретились бы, если бы не проходили через линзу. То есть, проходя через линзу, они имеют больший угол зрения, и поэтому объект увеличивается. Расстояние между c и d показывает размер, который стрелка казалась бы имеющей глазу, помещенному в a.

Fig. 240.

350. Микроскопы и телескопы. — То, что было сказано о действии выпуклой линзы на угол зрения, послужит для объяснения работы микроскопа. Этот инструмент может быть простым или составным. Составной микроскоп имеет более одной линзы и используется для увеличения очень мелких объектов. Его работу можно увидеть на диаграмме, рис. 240. Лучи от объекта EF, проходя через первую линзу, или объектив, как его называют, образуют увеличенное перевернутое изображение GH, которое еще больше увеличивается окуляром CD. В телескопе у нас также есть выпуклые линзы, но они расположены иначе, чем в микроскопе, так как объекты, которые нужно увеличить, находятся на расстоянии.

Fig. 241.

351. Волшебный фонарь. — Это инструмент, с помощью которого изображения, сделанные на полосках стекла красящими веществами, пропускающими свет, проецируются на экран в увеличенном виде. Это металлический фонарь, AA, рис. 241, с вогнутым отражателем pq и двумя выпуклыми линзами m и n. В cd есть пространство между линзами, в которое вставляются изображения. L — сильный источник света, который находится в фокусе как зеркала, так и линзы m. Поэтому изображение сильно освещается лучами, отраженными от зеркала и прошедшими через линзу. Линза n, которая является подвижной, отрегулирована так, чтобы проецировать сильно увеличенное изображение картинки на экран. Поскольку изображение является перевернутым, картинки должны вставляться вверх ногами, чтобы изображения на экране были прямыми. Солнечный микроскоп по своим основным частям похож на волшебный фонарь, где солнце используется в качестве осветителя.

Fig. 242.

Fig. 243.

352. Камера-обскура. — Этот инструмент отличается от волшебного фонаря тем, что дает нам уменьшенные изображения объектов. Инструмент такого рода можно устроить экспромтом где угодно. Так, если в затемненную камеру пропустить свет через небольшое отверстие, на белом экране в противоположной части камеры будут сформированы перевернутые изображения любых объектов перед отверстием. Такое устройство представлено на рис. 242 (стр. 273), где CD — камера, L — отверстие, а ab — изображение объекта AB. Изображения в таком случае, однако, тусклые, потому что отверстие обязательно должно быть маленьким, и поэтому сравнительно мало лучей исходит от объектов. Сделав отверстие больше и собрав лучи, которые входят в него, с помощью двояковыпуклой линзы, мы можем получить четкие и яркие изображения объектов. Хотя камера-обскура может иметь различные формы, я описал то, что по сути является устройством этого инструмента. Одна из его форм, для зарисовки как отдельных объектов, так и их групп в пейзажах, представлена на рис. 243. Здесь лучи света, исходящие от объектов, ударяются о зеркало AB и отражаются через выпуклую линзу CD на белую бумагу на дне, EF, ящика, где очертания изображений обводятся художником. Свет может входить только через отверстие сверху, так как на стороне ящика, которая открыта, висит занавеска, находящаяся за спиной художника, когда он рисует.

Fig. 244.

353. Глаз. — Глаз по сути является камерой-обскурой. Это темная камера, в которой изображения формируются на экране в ее задней части, а свет, исходящий от объектов, поступает через отверстие спереди, где находится двояковыпуклая линза. Чтобы вы могли понять, каким образом формируются изображения, я даю вам на рис. 244 карту глаза. В a находится толстая, прочная белая оболочка, называемая склерой, от греческого слова, означающего твердый. Это, что обычно является белком глаза, придает глазному яблоку его твердость. В нее спереди вставлена, как стекло в корпусе часов, e, роговица. Склера и роговица, как вы видите, составляют вместе одну оболочку глаза, внешнюю. Роговица — это прозрачное окошко глаза, через которое входит свет. Рядом со склерой идет сосудистая оболочка, которая темная, чтобы предотвратить слишком сильное отражение туда и обратно в глазу. Затем у вас есть очень тонкая мембрана, c, сетчатка, экран, на котором формируются изображения. Она состоит в основном из тонких волокон зрительного нерва, d. Вернемся к передней части глаза, куда входит свет, — за роговицей находится радужная оболочка, gg, которая погружена в водянистую жидкость, f, называемую водянистой влагой. Свет, проходя через роговицу и водянистую влагу, попадает на хрусталик, h, который, как вы видите, является двояковыпуклой линзой. Проходя через него и через желеобразное вещество, называемое стекловидным телом, которое заполняет все это большое пространство i, он ударяется о сетчатку, c, где формирует изображения объектов, от которых он исходил.