ПРИМЕЧАНИЕ ПЕРЕВОДЧИКА

Очевидные опечатки и пунктуационные ошибки были исправлены после тщательного сопоставления с другими фрагментами текста и обращения к внешним источникам.

Изображение на обложке было создано переводчиком и является общественным достоянием.

Более подробную информацию можно найти в конце книги.

НАУКА ДЛЯ ШКОЛЫ И СЕМЬИ. ЧАСТЬ I. НАТУРФИЛОСОФИЯ.

АВТОР:

УОРТИНГТОН ХУКЕР, доктор медицины,

ПРОФЕССОР ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ МЕДИЦИНЫ В ЙЕЛЬСКОМ КОЛЛЕДЖЕ, АВТОР КНИГ «ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА», «ДЕТСКАЯ КНИГА О ПРИРОДЕ», «ЕСТЕСТВЕННАЯ ИСТОРИЯ» И ДР.

Иллюстрировано почти 300 гравюрами.

НЬЮ-ЙОРК:

HARPER & BROTHERS, ИЗДАТЕЛИ,

ФРАНКЛИН-СКВЕР.

1873.

Д-р Уортингтон Хукер.

Детская книга о природе. Для использования в семьях и школах; предназначена для помощи матерям и учителям в обучении детей наблюдению за природой. В трех частях. Иллюстрирована гравюрами. Три части в одном томе. Малый формат 4to, переплет, $2.00; по отдельности, переплет, по 90 центов за часть.

Часть I. РАСТЕНИЯ.

Часть II. ЖИВОТНЫЕ.

Часть III. ВОЗДУХ, ВОДА, ТЕПЛО, СВЕТ и др.

First Book in Chemistry. For the Use of Schools and Families. Illustrated
by Engravings. Square 4to, Cloth, 90 cents.

Естественная история. Для использования в школах и семьях. Иллюстрирована почти 300 гравюрами. 12mo, переплет, $1.50.

Наука для школы и семьи.

Часть I. НАТУРФИЛОСОФИЯ. Иллюстрирована почти 300 гравюрами. 12mo, переплет, $1.50.

Часть II. ХИМИЯ. Иллюстрирована многочисленными гравюрами, 12mo, переплет, $1.50.

Часть III. МИНЕРАЛОГИЯ И ГЕОЛОГИЯ. Иллюстрирована многочисленными гравюрами. 12mo, переплет, $1.50.

Опубликовано HARPER & BROTHERS, Франклин-сквер, Нью-Йорк.

Любая из вышеперечисленных работ высылается в любую часть Соединенных Штатов с предоплатой почтовых расходов по получении цены.

Зарегистрировано в соответствии с Актом Конгресса в 1863 году издательством Harper & Brothers в канцелярии окружного суда Южного округа Нью-Йорка.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Дэниел Уэбстер в своей автобиографии так отзывается о начале изучения права: «Меня заставили учиться по старинке — то есть сначала самые трудные книги, и я потерял много времени. Я прочитал "Кока на Литтлтона", не поняв и четверти. Случайно взяв в руки "Закон о Nisi Prius" Эспинасса, я обнаружил, что могу его понять; и, рассудив, что цель чтения — понимать написанное, я отложил почтенного Кока et alios similes reverendos и некоторое время общался с мистером Эспинассом и другими, самыми простыми, легкими и понятными авторами. Двадцатилетний юноша, не имеющий предварительных знаний по таким предметам, не может понять Кока. Глупо давать ему такого автора. В Коке есть положения настолько абстрактные, различия настолько тонкие, а доктрины охватывают столько условий и оговорок, что требуется усилие не только зрелого ума, но ума сильного и зрелого, чтобы понять его. Зачем внушать отвращение и обескураживать юношу, говоря ему, что он должен пробиваться в свою профессию через такую стену? Я действительно часто отчаивался. Я думал, что никогда не смогу стать юристом, и почти готов был вернуться к учительству. Однако мистер Эспинасс помог мне выбраться из этого положения тем способом, о котором я упомянул, и я всегда чувствовал себя очень обязанным ему».

Здесь очень наглядно изображен недостаток, который сейчас, как и тогда, весьма заметен во всех сферах образования. В начальном образовании он проявляется даже сильнее, чем в колледже или профессиональной школе. Даже в нежном детском возрасте учеников заставляют изучать книги, из которых, как это было у Уэбстера с его "Коком на Литтлтона", они не понимают "и четверти". Если правило не "сначала самые трудные книги", то в книгах все равно есть много такого, что им не только трудно, но и невозможно понять. И самое трудное часто ставится в начало. Например, в очень популярной начальной географии, которая лежит передо мной, ученика с самого начала знакомят с миром и его крупными делениями, в то время как о своем штате и стране он узнает только в конце книги. И этот противоестественный метод — тот, что используется очень часто. Подобную критику можно высказать в адрес большинства книг, используемых при обучении маленьких детей. Некоторые из них совершенно бесполезны. Это верно в отношении грамматик для начальных школ. Формальные определения, называемые правилами грамматики, находятся за пределами понимания очень юных школьников и поэтому являются бесполезным бременем для их памяти. Они так же бесполезны для них, как три четверти Кока, которые Уэбстер не мог понять, были для него.

Если мы проследим образование от начальной школы вверх, то обнаружим тот же недостаток на всем протяжении курса. В книгах, используемых для преподавания естественных наук, он особенно заметен. Даже в элементарных книгах, или так называемых компендиумах, формальные положения и технические термины делают изучение непривлекательным и в значительной степени непостижимым. Ученик склонен испытывать отвращение и разочарование, как Уэбстер с "Коком на Литтлтона", и по той же самой причине.

Другой недостаток, тесно связанный с тем, о котором я говорил, — это очень скудное и позднее введение физических наук. Они, как правило, откладываются на последнюю часть курса обучения, и тогда им уделяется мало времени. Обычно, когда ученик планирует поступать в колледж, изучение этих наук полностью игнорируется при подготовке, поскольку знание их не требуется для поступления. Затем в колледже ими не занимаются до последней части курса, и за короткое время, отведенное на них, нужно выучить так много, что преподавание их терпит неудачу. Особенно это верно в отношении химии и геологии.

Этот недостаток является коренным. В этом отношении следует произвести основательные изменения во всем курсе образования. Естественные науки должны стать заметными с самого начала и до конца, не только потому, что они имеют практическую ценность, но и потому, что они так же полезны по-своему для умственной дисциплины, как изучение математики и языка. Их можно в некоторой степени преподавать самым юным ученикам. Существуют факты о воздухе, воде и различных объектах, которые они видят вокруг себя, которые они могут понять, если они представлены правильным образом. И живые вопросы, которые они задают о причинах этих фактов, а также их понимание, если они изложены просто и без технических терминов, показывают уместность такого обучения. Дети на самом деле очень хорошие философы по-своему. У них большая активность не только их воспринимающих, но и рассуждающих способностей, которым следует дать должный простор в их образовании.

Начиная таким образом, не должно проходить ни года в течение всего курса, когда ученик не был бы занят изучением какой-либо из физических наук в той или иной степени. Это постоянное внимание к таким занятиям в разумном объеме, отнюдь не мешая должному продолжению других занятий, считающихся столь важными, будет настолько способствовать успехам ученика в них, что с лихвой компенсирует время, затраченное на них. Это произойдет не только благодаря благотворному влиянию, которое такие занятия оказывают на ум, но и благодаря вкладу, который они вносят в знание языка и математики; ибо язык в значительной степени построен на природных объектах и на приобретениях науки, и существует множество интересных приложений частей математики в фактах, которые развивают перед нами физические науки.

Я сказал, что преподавание естественных наук в наших колледжах, как правило, является неудачей, и так будет всегда, пока сохраняется нынешний план. Чтобы оно было успешным, должна быть та же постепенность в их преподавании, что у нас есть при преподавании языка и математики. Студенту колледжа необходимо подготовиться к лекциям, которые он слушает по натурфилософии, химии и т. д., и к изучению этих отраслей, путем предварительного знакомства с их более простыми частями, приобретенного в школьном классе.

Существует еще одна очень важная причина для раннего введения физических наук в образование. Подавляющая часть учеников в наших школах не доходит до колледжа или даже до академии и средней школы. То, что они должны выйти в мир, не имея знаний о принципах, лежащих в основе искусств, которыми многие из них будут заниматься, — это позор и несправедливость, если передача таких знаний действительно осуществима, как это, несомненно, и есть. Даже те, кто не будет заниматься этими искусствами, получат большую пользу от этих знаний, потому что, помимо их постоянного практического применения в управлении жизнью, они будут способствовать их умственной силе, и, что немаловажно, их наслаждению; и на самом деле это необходимо, чтобы сделать их хорошо информированными людьми.

Если взгляды, которые я представил, верны, должен существовать ряд книг по естественным наукам, тщательно адаптированных к различным периодам курса обучения. Те, что предназначены для юного начинающего, должны быть чрезвычайно простыми и не должны пытаться представить что-либо похожее на полный обзор рассматриваемых предметов. Они должны в значительной степени иметь дело с привычными фактами или явлениями. Терминология науки и формальные изложения принципов, такие как мы часто видим в так называемых компендиумах, не должны иметь в них места, но должны постепенно вводиться по мере продвижения серии и должны быть сделаны полными только в заключительных книгах.

Целью автора было предоставить часть такой серии. Первая книга в серии — "Детская книга о привычных вещах", предназначенная для обучения наблюдению за привычными фактами, или, другими словами, началам философии, детям, как только они хорошо начнут читать. Затем идет "Детская книга о природе", которая в своих трех частях (Часть I. Растения; Часть II. Животные; Часть III. Воздух, Вода, Свет, Тепло и т. д.) значительно расширяет знания о философии вещей, которые ребенок получил из первой книги серии. Затем следует "Первая книга по химии". На одном уровне с ней находится моя "Первая книга по физиологии". Следующий шаг в градации приводит нас к трем книгам под одним названием: "Наука для школы и семьи"; Часть I. Натурфилософия; Часть II. Химия; Часть III. Минералогия и геология. На одном уровне с ними находится еще одна книга, "Естественная история", и еще одна, которую предстоит написать, — "Введение в ботанику".

Три книги, одной из которых является настоящая, предназначены для старших школьников в том, что обычно называют грамматическими школами. В то же время они подходят для учеников, переведенных в более высокий класс, которые не прошли предыдущие книги серии. Подготовку книг, специально адаптированных для средних школ и колледжей, я оставил другим, за исключением одной отрасли науки, физиологии, по которой я несколько лет назад опубликовал работу под названием "Физиология человека".

Все эти книги вышли из печати Harper and Brothers, за исключением двух работ по физиологии, опубликованных Sheldon and Co., Нью-Йорк, и "Детской книги о привычных вещах", опубликованной Peck, White, and Peck, Нью-Хейвен.

Общий план и стиль этих книг сильно отличаются от того, что мы видим в большинстве школьных книг по тем же предметам. Порядок предметов и способ их развития отличаются от стереотипного плана, который был так широко принят. Одной из заметных особенностей является свободное использование иллюстраций из привычных явлений. Это побуждает ученика рассуждать или философствовать о привычных вещах, придавая тем самым его знаниям в высшей степени практический характер. В то же время это делает книги подходящими для использования как в семье, так и в школе, между которыми должно быть больше общего, чем позволяет нынешний способ образования.

Стиль, который я выбрал для всех книг, написанных мной для использования в обучении, — это то, что можно назвать лекционным стилем. Существует три других вида стиля, которые чаще используются в школьных учебниках. Самый распространенный — это то, что я называю стилем формального изложения. В нем излагаются принципы и правила, а затем приводятся иллюстрации. Это делает книгу формальной и непривлекательной. Голый скелет науки обычно представлен в большей части, и юный ученик склонен заучивать утверждения наизусть, не понимая их. Это стиль, подходящий только для книг, предназначенных для продвинутых учеников. Другой стиль — катехизический. Это неестественный способ передачи знаний; и, кроме того, он поощряет заучивание наизусть, как и стиль формального изложения. В третьем стиле, драматическом, ведутся разговоры между учителем и некоторыми учениками. Главное возражение против этого заключается в том, что он пытается придать постоянную форму тому, что должно быть импровизировано во время опроса. Что нужно в книге, так это просто ясное и краткое изложение в интересном стиле, а живой учитель и его ученики могут лучше всего обеспечить разговорный элемент по мере продолжения опроса.

В лекционном стиле может и должна быть такая же точность изложения, как и в стиле формального изложения, в то время как он более интересен, потому что это естественный способ передачи знаний. В этом стиле факты обычно излагаются так, чтобы развивать принципы; в то время как в другом порядок обратный: сначала излагаются принципы, а затем приводятся факты. Одна из самых успешных книг, когда-либо использовавшихся в наших колледжах, — "Естественная теология" Пейли — написана в лекционном стиле, и удивительно, что этот факт оказал такое незначительное влияние на тех, кто готовил книги для обучения.

Что бы ни было верно в отношении продвинутых учеников, при обучении юного студента науке следует избегать голого, сухого изложения, и предметы должны быть представлены во всех своих привлекательных чертах. Я не хотел бы, чтобы меня поняли как сторонника придания науке внешних прелестей. Это не нужно. Наука обладает сама по себе обилием прелестей, которые нужно только правильно развить, чтобы привлечь юный ум; и лекционный стиль является лучшим средством для такого развития.

Одним из главных условий для придания интереса любому изучению является представление различных моментов в естественном порядке, в котором они должны входить в ум. Они должны быть представлены так, чтобы каждая часть книги делала последующие части более интересными и более легко понятными. Этот принцип, который так часто нарушается, я старался строго соблюдать при подготовке этих томов.

В конце этой книги помещены вопросы для тех учителей, которые желают ими воспользоваться. Также имеется указатель.

У. Хукер.

Январь, 1863 г.

СОДЕРЖАНИЕ.

CHAPTERPAGE
I.MATTER13
II.PROPERTIES OF MATTER19
III.THE ESSENTIAL PROPERTIES OF MATTER33
IV.ATTRACTION38
V.GRAVITATION51
VI.CENTRE OF GRAVITY67
VII.HYDROSTATICS80
VIII.SPECIFIC GRAVITY100
IX.PNEUMATICS110
X.MOTION133
XI.THE MECHANICAL POWERS174
XII.SOUND193
XIII.HEAT207
XIV.LIGHT258
XV.ELECTRICITY287
XVI.MAGNETISM308

НАТУРФИЛОСОФИЯ.

ГЛАВА I. МАТЕРИЯ.

1. Материя и дух. — Различие между материей и духом почти повсеместно признается даже теми, кто мало задумывался о таких предметах. Это различие, которое мы осознаем в самих себе. Мы инстинктивно знаем, что внутри нас есть нечто, что вызывает движения наших материальных тел, и это нечто мы называем духом.

2. Идеи епископа Беркли. — Некоторые философы в своих размышлениях отрицали существование материи как таковой. Епископ Беркли, например, учил, что впечатления, которые, как мы полагаем, мы получаем от материальных объектов, исходят не от реальных субстанций, а являются "эффектами непосредственного воздействия вездесущего Божества". Неудивительно, что мудрость и знания человека, который мог всерьез принять такое убеждение, не смогли спасти его от того, чтобы стать жертвой шарлатанства. Он верил, что дегтярная вода является верным средством от всех болезней; и д-р Холмс в шутку замечает о нем, что "он придерживался двух очень странных мнений: что дегтярная вода — это все, а вся материальная вселенная — ничто".

3. Идеи Юма. — Неверующий Юм пошел дальше епископа Беркли, отрицая даже существование души как индивидуального и ответственного агента. Он сделал все состоящим из идей и впечатлений и сказал, что они не имеют необходимой связи, а являются "пучком восприятий, которые сменяют друг друга с непостижимой быстротой, и поэтому я сам сегодняшний — это не более "я сам" вчерашнего или завтрашнего дня, чем я — Навуходоносор или Клеопатра". Шутник предложил следующую эпитафию для его надгробия как подходящую иллюстрацию его теории:

«Под этой круглой идеей, вульгарно называемой гробницей,

Покоятся впечатления и идеи, которые составляли Юма».

4. Происхождение слова "дух". — Название "дух" произошло первоначально от разреженной формы материи, воздуха или дыхания, потому что воздух, подобно духовному существованию, невидим. Формирование языка в значительной степени основано на таких аналогиях.

5. Дух не является объектом чувств. — Ни одно из чувств не может воспринимать дух сам по себе, хотя они воспринимают эффекты, которые дух производит на материальные субстанции. Если, например, вы двигаете рукой, это дух внутри вас, воздействующий на мышцы через нервы, заставляет ее двигаться; и вы видите здесь эффекты, производимые духом на материю, но вы не видите самого духа.

6. Воздействие материи на чувства. — Некоторые формы материи могут восприниматься всеми чувствами; другие могут восприниматься только частью из них; некоторые — только одним. Воздух вы не можете видеть, ни обонять, ни пробовать на вкус; но вы можете чувствовать его и слышать звук его движения. Иногда материя воздействует только на чувство обоняния или на него вместе с чувством вкуса. Морской воздух пахнет солью; но соль в воздухе настолько мелко разделена, что мы не можем ее видеть. И все же именно соль, попадая в ноздри и вступая в контакт с крайними волокнами нерва обоняния, производит этот эффект. Так, когда мы нюхаем цветок, материя исходит от него частицами настолько мелкими, что никакой микроскоп не может их обнаружить, но они производят ощущение, когда ударяются о нерв.

7. Формы материи. — Материя проявляется в трех формах: твердой, жидкой и газообразной или аэриформной — то есть подобной воздуху. Иногда о материи говорят как об имеющей только две формы — твердую и жидкую. В этом случае жидкости делятся на два класса: упругие и неупругие. Воздух и различные газы и пары — это упругие жидкости; в то время как те, которые называются жидкостями, — это неупругие жидкости. Футбольный мяч отскакивает, потому что воздух в нем — упругая жидкость. Если бы он был наполнен неупругой жидкостью, как вода, он бы не отскакивал. Когда вода принимает форму пара, она является упругой жидкостью. Хотя очень часто используется выражение "упругие жидкости", деление материи на три формы является обычно признанным.

8. Твердые тела. — В твердой материи частицы не могут перемещаться друг относительно друга; но каждая частица обычно сохраняет то же положение по отношению к тем частицам, которые находятся вокруг нее — другими словами, она не меняет своего соседства. Это более верно для одних твердых тел, чем для других. Это абсолютно верно для таких твердых тел, как гранит и алмаз. В них частицы всегда находятся в одном и том же относительном положении. Но это не так с золотом или свинцом. Ударяя по ним, можно значительно изменить относительное положение их частиц. Индийская резина — это твердое тело, но относительное положение ее частиц может быть сильно изменено различными способами.

9. Жидкости. — Главная характеристика жидкости заключается в том, что ее частицы меняют свое относительное положение от малейших причин. В этом отношении она находится в сильном контрасте с твердыми телами. Когда вы перемещаете любую часть твердого тела, вы перемещаете все остальные его части, и обычно в том же направлении. Но тело жидкости нельзя переместить все вместе как одно тело, кроме как ограничив его; как, например, в случае с водопроводной трубой или шприцем. И тогда, как только вода может вырваться, частицы используют свою свободу изменять свое относительное положение. Поскольку ветер и другие агенты постоянно воздействуют на воду, ни одна частица не остается в течение какого-либо времени по соседству с одними и теми же частицами. "Неустойчивый, как вода" — это, следовательно, чрезвычайно значимое выражение. Вода никогда не находится в покое. Частица ее может в одно время плавать на поверхности океана, а в другое — быть на глубинах, недоступных для человеческого измерения. Она летит на крыльях ветра, падает с дождем, бежит в ручье, испаряется с листа, дрожит в капле росы, течет в крови животного или в соке растения и всегда готова быть подтолкнутой в своем вечно меняющемся курсе.

10. Газы. — Частицы газообразных или аэриформных веществ движутся друг среди друга еще свободнее, чем частицы жидкости. Воздух, следовательно, более неустойчив и беспокоен, чем вода. Даже когда воздух кажется совершенно неподвижным, его частицы движутся друг среди друга. Вы можете увидеть, что это правда, если затемните комнату, оставив одну ставню немного приоткрытой. Там, где входит свет, вы увидите пылинки, летающие во всех направлениях, чего не было бы, если бы воздух был действительно в покое. Частицы воздуха имеют больший диапазон перемещения, чем частицы воды; ибо море атмосферы, которое окутывает землю, поднимается на высоту около пятидесяти миль. Как высоко поднимается вода при испарении, мы не знаем; но совсем не вероятно, что она поднимается до самых верхних слоев атмосферы.

11. Заполнение пространств жидкостями и газами. — Именно свобода, с которой частицы жидкостей и газов движутся друг среди друга, позволяет им проникать в пространства повсюду. Они всегда готовы войти в любые вещества, которые имеют промежутки или поры такого размера, что могут их принять. В зернах почвы смешаны не только вода, но и воздух и газы. Они присутствуют также во всех живых субстанциях, как растительных, так и животных. Вода — главная часть сока и крови, а воздух и газы всегда идут вместе с водой. Часть воздуха, который мы вдыхаем, попадает в кровь в легких и движется с ней по системе. Рыбы не могли бы жить в воде, если бы в ней не было примешано воздуха. Это можно доказать экспериментом. Если вы поместите рыбу в закрытый сосуд, она скоро умрет, потому что использует весь воздух, который есть в воде. В открытом сосуде рыба остается живой благодаря постоянному притоку свежего воздуха в воду.

12. Растворение. — В растворах твердых веществ в воде именно свобода, с которой частицы воды движутся друг среди друга, позволяет им принимать в себя мельчайшие частицы твердого вещества. И когда вода поднимается в воздух путем испарения, можно сказать, что это настоящий раствор воды в воздухе; ибо частицы воды смешиваются с частицами воздуха, точно так же, как частицы твердого вещества смешиваются с частицами воды в растворе.

13. Отношение тепла к формам материи. — Некоторые виды материи наблюдаются во всех трех формах. Примет ли она ту или иную форму, зависит от количества присутствующего тепла. Так, когда вода твердая, лед, это потому, что часть ее тепла ушла. Приложите тепло, и она станет жидкостью, водой. Увеличьте тепло до точки кипения, и она станет паром, или аэриформным веществом. Спирт имеет только две формы — жидкую и аэриформную. Он никогда не был известен в замороженном состоянии. Железо обычно твердое; но в литейном цехе, путем применения сильного тепла, оно становится жидким. Ртуть жидкая при всех обычных температурах; но она часто становится твердой в сильные морозы арктических зим. Ртутный термометр, конечно, бесполезен в таких обстоятельствах, и спиртовой термометр используется для обозначения степени холода. Разница между ртутью, водой и железом в отношении жидкого состояния такова: требуется сравнительно мало тепла, чтобы сделать ртуть жидкой, в то время как для воды требуется больше, а для железа — гораздо больше.

14. Природа материи неизвестна. — Что теперь, давайте спросим, мы знаем о природе материи? Можем ли мы сказать, что знаем о ней что-нибудь? Мы можем наблюдать ее явления и изучать ее свойства; но с нашими самыми тщательными анализами мы не можем определить, что такое материя, так же, как не можем определить, что такое дух. Ньютон предполагал, "что Бог в начале сформировал материю в твердые, массивные, жесткие, непроницаемые частицы". Он считал это верным для жидкостей и даже для газов, а также для твердых тел. В газе эти твердые частицы находятся гораздо дальше друг от друга, чем в твердом теле. Это предположение очень вероятно; но если оно верно, оно не дает нам знать, что такое материя, ибо оставляет нас в неведении относительно природы частиц. Ньютон далее предполагал, что эти частицы всегда оставались неизменными среди всех изменений, которые происходят; эти изменения вызываются "различными разделениями и новыми ассоциациями и движениями этих постоянных частиц". Когда, например, что-то сгорает, как говорят, ни одна из этих частиц не уничтожается и не изменяется, но они просто принимают новые расположения. Хотя большая часть вещества улетела в виде газа, конечные частицы, составляющие газ, те же самые сейчас, что были, когда составляли часть твердого вещества; и они могут вскоре снова стать частью каких-то новых твердых тел. Такие изменения в формах материи происходят повсюду; и когда вы познакомитесь с химией во второй части, вы будете знакомы с ними.

15. Атомистическая теория. — Эти конечные частицы материи настолько малы, что никогда не были увидены человеком. Самая маленькая частица, которую можно увидеть с помощью самого мощного микроскопа, вероятно, состоит из очень многих из них, соединенных вместе. Эти конечные частицы мы называем атомами; и теория относительно состава из них различных веществ называется атомистической теорией. Атомы различных веществ не считаются одинаковыми, но различаются как по размеру, так и по весу. Эта теория будет более подробно рассмотрена во второй части.

16. Невесомые агенты. — Существуют определенные агенты — свет, тепло, электричество и т. д., — которые некоторыми считаются формами материи. Если они таковы, то они чрезвычайно разрежены; ибо их присутствие, как было доказано многими экспериментами, никогда ни в малейшей степени не добавляет веса любому веществу. Поэтому их называют невесомыми агентами. Их воздействие имеет большое значение и очень активно, производя повсюду постоянные изменения. Два из них — тепло и свет — очевидно и непосредственно необходимы для жизни. Какова их истинная природа, остается пока полной тайной.

ГЛАВА II. СВОЙСТВА МАТЕРИИ.

17. Разнообразие свойств материи. — Вся материя имеет свойства или качества. Некоторые из них различны у разных видов материи. Так, ее три формы имеют разные свойства, как вы видели в главе I. Существует разнообразие также в свойствах веществ одного и того же класса. Так, жидкости отличаются друг от друга в некоторых отношениях. Некоторые, например, легче других. Масло легче воды. Газообразные вещества также различаются в этом и в других отношениях. Но разнообразие свойств твердых тел больше, чем газов или жидкостей. Это станет ясно по мере моего изложения.

18. Делимость материи. — Любая видимая часть материи может быть разделена на части. Даже если она настолько мала, что вы можете видеть ее только с помощью мощного микроскопа, ее все равно можно было бы разделить, если бы у вас был инструмент, достаточно тонкий для этой цели. Делимость, следовательно, называется общим свойством материи; то есть свойством, присущим всем видам материи.

19. Примеры мельчайшего деления материи. — Существует множество примеров, в которых деление материи доходит далеко за пределы того, что может быть осуществлено любым режущим инструментом. Некоторые из них я отмечу:

Золотых дел мастер может расплющить грамм золота в лист, покрывающий пространство в пятьдесят квадратных дюймов. Он настолько тонок, что потребовалось бы 282 000 таких листов, положенных друг на друга, чтобы составить толщину в дюйм. И все же этот тонкий слой золота настолько ровный и совершенный, что при наложении на любую поверхность при золочении он имеет вид цельного золота. Пятидесятимиллионную часть этого грамма золота, таким образом расплющенного, можно увидеть с помощью микроскопа, который увеличивает диаметр объекта в десять раз. Но деление золота становится еще более мелким при производстве проволоки для золотого кружева. Это делается так: брусок серебра весом 180 унций покрывается слоем золота весом в одну унцию. Затем его протягивают через ряд отверстий в стальной пластине, уменьшающихся в диаметре, пока он наконец не выходит в виде очень тонкой проволоки длиной 4000 футов. Каждый фут ее тогда имеет только одну 4000-ю часть унции золота, и все же серебро хорошо покрыто.

Мыльный пузырь — прекрасный пример мельчайшего деления материи. Та тонкая стенка, которая заключает воздух, который вы вдули в него, состоит из частиц мыла и воды, смешанных вместе. Предполагается, что ее толщина составляет менее одной миллионной доли дюйма.

Нить шелкопряда настолько мала, что самая тонкая швейная нить формируется из многих таких нитей, скрученных вместе. Но паук прядет гораздо тоньше. Нить, по которой вы видите, как он спускается с любой высоты, состоит из около 6000 нитей или волокон, каждое из которых выходит из отдельного отверстия в его прядильной машине. Четверть унции нити паутины растянулась бы на 400 миль.

Грамм медного купороса, растворенный в галлоне воды, окрасит все в синий цвет. Такое распространение не могло бы произойти без чрезвычайно мелкого деления частиц.

Возможно, самое мелкое деление материи проявляется в запахах. Грамм мускуса будет ароматизировать комнату годами и при этом не иметь заметной потери веса. Но все это время воздух наполнен мелкими частицами, исходящими от мускуса.

Микроскоп открывает нам много удивительных примеров миниатюрности частиц материи, как в растительном, так и в животном мире.

Если вы нажмете на обычный дождевик, вылетит пыль, похожая на дым. Рассмотренная под микроскопом, каждая частица этой пыли, которая является семенем растения, представляет собой идеально круглый оранжевый шарик. Этот шарик, конечно, состоит из очень многих частиц, расположенных в этой правильной форме. Прекрасные примеры различных расположений мельчайших частиц материи мы имеем в пыльце различных растений, как видно под микроскопом.

Каждая частица пыли, которая прилипает к вашим пальцам, когда вы ловите мотылька, представляет собой чешуйку с тонкими линиями на ней, расположенными регулярно. И если вы посмотрите в микроскоп на крыло мотылька, вы увидите, там, где пыль стерта, крепления, которыми удерживались чешуйки, выступающие с поверхности крыла, как шляпки гвоздей на крыше, где была сорвана черепица.

Организация чрезвычайно маленьких животных, как показано микроскопом, дает нам удивительные примеры мельчайшего деления материи. Немного пыли гуано, исследованной под мощным микроскопом, содержит множество раковин различных форм. Эти раковины — остатки микроскопических животных, которые жили в воде, их предназначение, по-видимому, отчасти состоит в том, чтобы служить пищей для других животных, больших, чем они сами. В меловых образованиях земли видны множества таких раковин. Они были обнаружены даже в глазури визитной карточки; ибо они настолько малы, что тонкое измельчение мела не уничтожает их полностью. Существуют животные, как в воздухе, так и в воде, настолько маленькие, что потребовались бы миллионы их, чтобы сравняться по объему с граммом песка, и тысяча их могла бы проплыть бок о бок через ушко иглы обычного размера. Теперь во всех этих животных есть органы, построенные из частиц материи, которые расположены в них с таким же порядком и симметрией, как в органах наших тел. Насколько же малы должны быть эти частицы!

Как такие факты расширяют наши взгляды на силу Божества! Та же сила, которая сформировала землю, солнце, луну и все "воинство небесное", дала форму, жизнь и движение миллионам, которые резвятся в каждом солнечном луче; тот же глаз, который наблюдает за огромными небесными телами, когда они движутся по своему курсу, смотрит на всех и каждого из этих легионов животных на земле, в воздухе и в воде, хотя они невидимы для человеческих глаз, следя за тем, чтобы каждая частица заняла свое правильное положение, так что эта часть творения может вместе со всем остальным быть признана весьма хорошей; и та же щедрая рука, которая раздает средства жизни и наслаждения миллионам человеческого рода, не забывает заботиться о короткой жизни и наслаждении каждого из этих мириад микроскопических животных, хотя они кажутся почти ничем.

20. Поры и пространства в материи. — Во всей материи есть пространства вокруг частиц. Те тела, которые называются пористыми, имеют довольно большие пространства в них. Но даже в тех, которые обычно не считаются пористыми, частицы отнюдь не находятся близко друг к другу. Знаменитый эксперимент, проведенный во Флоренции давным-давно, показал, что существуют пространства между частицами такого плотного вещества, как золото, достаточно большие, чтобы пропустить через них воду. Полый золотой шар, содержащий воду, подвергался сильному давлению, и его поверхность покрывалась росой от воды, которая выходила через поры золота. Во всех веществах, в которых есть поры, видимые невооруженным глазом или с помощью микроскопа, есть другие пространства или промежутки между частицами вокруг пор. Действительно, предполагается, что существует пространство вокруг каждой конечной частицы или атома, и что никакие два из этих атомов не находятся в фактическом контакте. Тот факт, что вещества, не имеющие пор, могут быть сжаты в меньшее пространство, чем они обычно занимают, показывает, что в них есть пространства или промежутки. Твердые тела могут быть таким образом сжаты, некоторые больше других. Но самыми сжимаемыми веществами являются газы и пары. Количество пространства между их частицами должно быть очень большим, чтобы позволить такое сильное сжатие.

Fig. 1.

21. Пространство в газообразных веществах. — Мы можем иметь некоторое представление о большом количестве пространства в газообразном или аэриформном веществе, наблюдая разницу между водой в ее жидком и в ее аэриформном состоянии. Кубический дюйм воды, когда он становится паром, занимает в 1696 раз больше места, чем когда он был водой. Разница в пропорции показана на рис. 1, где внутренний круг представляет воду, а внешний — пар, в который она превращается. Теперь вода совсем не меняется по своей природе, превращаясь в пар. Частицы просто отодвигаются дальше друг от друга теплом, и как только тепло отнимается, они снова соединяются, чтобы образовать воду, или, другими словами, пар конденсируется в воду. Ясно, следовательно, что пространство между частицами в 1696 раз больше в паре, чем в воде, из которой сделан пар.

22. Растворы. — Когда любое вещество, как сахар или соль, растворяется в воде, его частицы распределяются по пространствам, которые существуют между частицами воды. Так же, когда вода испаряется (§ 12), частицы воды распределяются по пространствам между частицами воздуха. Подобным образом частицы от пахучего вещества распределяются в этих пространствах, и таким образом, смешиваясь с частицами воздуха, они переносятся в ноздри и ударяются о мельчайшие конечности нерва обоняния.

23. Отношение тепла к пространствам материи. — Изменение количества пространства между частицами материи в любом веществе обычно зависит от изменения количества присутствующего тепла. Так, тепло расширяет железо; то есть оно увеличивает пространства между частицами железа. Так же тепло увеличивает пространства между частицами ртути и тем самым заставляет ее занимать больше места в термометре. Этот эффект тепла будет рассмотрен более полно далее.

Общие взгляды, которые я дал на строение материи, прольют свет на различные качества различных веществ, некоторые из которых я отмечу.

24. Плотность и разреженность. — Плотность вещества зависит от количества материи, которое оно содержит в данном пространстве. Чем плотнее, следовательно, вещество, тем больше его вес. Кусок свинца в сорок раз тяжелее куска пробки того же размера. Ртуть почти в четырнадцать раз тяжелее равного объема воды. Вы видите, следовательно, что плотность должна зависеть от близости атомов друг к другу. В таком плотном веществе, как золото, атомы все очень близко друг к другу; в дереве есть пространства, некоторые из которых настолько велики, что вы можете их видеть; а в воздухе, паре и газах есть много пространства между частицами (§ 21), так что мы говорим об их разреженности вместо их плотности.

25. Вязкость. — Способность удерживаться вместе, называемая вязкостью, зависит от степени притяжения между частицами. Под притяжением я подразумеваю склонность частиц соединяться, эта склонность проявляется в противодействии любой силе, стремящейся разорвать их. Я скоро буду говорить об этом более подробно. Вязкость вообще не существует в газообразных веществах. Частицы воздуха и пара, например, не проявляют склонности цепляться друг за друга; то есть не имеют вязкости. Это свойство слабо выражено в жидкостях. Оно достаточно сильно в воде только для того, чтобы позволить ее частицам держаться вместе в форме капли. Оно сильно в твердых телах, позволяя их частицам не только держаться вместе в больших количествах, но и удерживать тяжелые веса, подвешенные к ним. Оно сильнее в железе, чем в любом другом твердом теле. Оно сильнее в кованом железе, чем в чугуне; и сильнее всего в стали.

26. Сравнительная вязкость веществ. — Различные металлы и другие вещества были протестированы в отношении их сравнительной вязкости. Это было сделано так: были изготовлены проволоки из металлов, все одного размера. К ним подвешивались грузы, и к грузам добавлялись понемногу, пока проволоки не рвались. Таблица ниже была составлена путем размещения напротив каждого металла наибольшего веса, который могла выдержать его проволока:

Cast steel134pounds.
Best wrought iron70pounds.
Cast iron19pounds.
Copper19pounds.
Silver11pounds.
Gold9pounds.
Tin5pounds.
Lead2pounds.

Дубовое дерево, испытанное таким же образом, выдержало 12 фунтов, на один фунт больше, чем серебро. Некоторые животные вещества обладают большой вязкостью, как нить шелкопряда, волос, шерсть, а также связки и сухожилия наших тел и других животных.

27. Ценность вязких веществ. — "Постепенное открытие", — говорит д-р Арнот, — "веществ, обладающих сильной вязкостью, которые человек мог легко формовать и применять для своих целей, имело большое значение для его прогресса в искусствах жизни. Место пеньковых канатов европейских флотов до сих пор занимает в Китае скрученный тростник и полоски бамбука; и даже пеньковый кабель Европы, столь значительное улучшение по сравнению с прежним использованием, теперь быстро уступает место более полной и удобной безопасности железной цепи, материал для которой для наших далеких предков существовал только как бесполезный камень или земля. И какое великолепное зрелище — в наши дни видеть цепи из вязкого железа, протянутые высоко через океанский канал, как в проливе Менай между Англси и Англией, и поддерживающие восхитительную мостовую дорогу безопасности, вдоль которой могут течь многолюдные процессии, не обращая внимания на глубину внизу или на шторм; в то время как корабли там, с парусами, полными ветра, продолжают свой путь, не беспокоя и не будучи беспокоенными".

28. Твердость. — Это свойство, по-видимому, зависит от некоторого особого расположения частиц материи. Мы должны были бы предположить, что самые плотные вещества были бы самыми твердыми. Но это не так. Железо — самое твердое из металлов, но его частицы не так близко друг к другу, как у золота, которое является довольно мягким металлом. И золото в пять раз тяжелее алмаза, который настолько тверд, что легко режет стекло. Обычный кремень достаточно тверд, чтобы царапать стекло, но не будет резать его, как алмаз.

Fig. 2.

29. Гибкость и хрупкость. — Если вы сгибаете гибкое тело, как кусок дерева, как показано на рис. 2, очевидно, что частицы на верхней или выпуклой стороне должны быть отодвинуты немного дальше друг от друга, в то время как те, что на нижней или вогнутой стороне, приближаются немного ближе друг к другу. Но дерево не ломается, потому что частицы, которые таким образом немного отодвинуты, все еще сохраняют свою связь друг с другом. Это объяснение того, что мы называем гибкостью. С другой стороны, частицы в стержне из стекла не могут быть отодвинуты дальше друг от друга таким образом. Они на самом деле не находятся в контакте, не больше, чем частицы дерева (§ 20), но они находятся в фиксированном относительном положении; то есть положении, которое не может быть нарушено без постоянного разделения частиц. Если вы попытаетесь согнуть стержень, не происходит небольшого разделения многих частиц, как в согнутом дереве, а происходит полное и постоянное разделение в какой-то одной части стержня. Мы называем свойство, от которого зависит этот результат, хрупкостью. Хрупкие вещества обычно твердые. Стекло, будучи самым хрупким из всех веществ, достаточно твердо, чтобы царапать железо. Хрупкие вещества также обладают большой вязкостью. Стержень из стекла может удерживать тяжелый груз, хотя легкий удар, нанесенный внезапно, сломал бы его.

30. Гибкая и хрупкая сталь. — Существует два вида стали: гибкая и хрупкая. Сталь большинства режущих инструментов хрупкая. Сталь меча довольно гибкая, а сталь часовой пружины настолько, что мы можем намотать ее в спираль. Эта разница обусловлена разницей в способе охлаждения стали. Если она охлаждается внезапно, она хрупкая; если медленно, она гибкая. Процесс, при котором она охлаждается медленно, называется отжигом. Объяснение всего этого довольно простое. Сталь расширяется от тепла — то есть ее частицы отодвигаются дальше друг от друга, чем они обычно находятся, — когда они внезапно снова сближаются, у них нет времени правильно расположить свое относительное положение. Хрупкость, следовательно, является результатом. Но, с другой стороны, когда охлаждение происходит постепенно, дается время для расположения.

31. Отпуск стали. — Внезапно закаленная сталь слишком хрупкая для обычного использования. Поэтому для уменьшения хрупкости прибегают к процессу, называемому отпуском. Сталь повторно нагревается после закалки, а затем ей дают медленно остыть. Степень, в которой хрупкость уменьшается, зависит от степени тепла, которому подвергается сталь. Она может быть полностью удалена при красном калении, ибо тогда частицы имеют полную возможность перестроиться; и чем меньше тепло не доходит до этой точки, тем менее тщательной будет настройка, потому что частицы менее совершенно освобождаются от своего внезапно занятого положения. Уменьшая хрупкость, мы уменьшаем также твердость, и поэтому отпуск варьируется в разных случаях в зависимости от степени твердости, которая желательна.

32. Отжиг стекла. — Стекло всегда подвергается отжигу. Если бы этого не делали, наши стеклянные сосуды и оконные стекла были бы чрезвычайно хрупкими и поэтому постоянно разбивались бы. Изделия из стекла проходят процесс отжига, медленно проходя через длинную печь, которая очень сильно нагрета с одного конца, причем тепло постепенно уменьшается к другому концу.

Fig. 3

33. Принцрупертовы слезки. — Мы имеем яркий пример хрупкости, вызванной внезапным охлаждением, в так называемых принцрупертовых слезках. Их изготавливают путем капания расплавленного зеленого стекла в холодную воду, и они имеют форму, представленную на рис. 3. Если отломить хотя бы самый маленький кусочек кончика одной из таких слезок, вся она мгновенно рассыплется на куски. Это означает, что внезапное расположение частиц настолько незначительно и неестественно, что нарушение этого расположения в небольшой части достаточно для разрушения структуры целого, подобно тому как ряд кирпичей падает из-за падения первого в ряду. Мистер Фарадей говорит, что эти слезки не были изобретены принцем Рупертом, как принято считать, а были впервые привезены им в Англию в 1660 году. В то время они вызывали большое любопытство и считались «своего рода чудом природы». Но вы видите, что это, как и многие другие чудеса, при небольшом размышлении получает простое объяснение.

34. Ковкость и пластичность. — Металлы, которые можно расплющить молотом в тонкие пластины, называются ковкими. Золото дает нам лучший пример этого свойства. Серебро, медь и олово весьма ковки. Большинство других металлов обладают этим свойством в очень малой степени, а некоторые вовсе не обладают, ломаясь от первого же удара. Вещество называется пластичным, когда его можно вытянуть в проволоку. Основные металлы, обладающие этим качеством, — платина, серебро, железо, медь и золото, именно в том порядке, в котором я их перечислил. Расплавленное стекло очень пластично. Его можно вытянуть в очень тонкую нить, и если эту нить разрезать и расположить в виде ветвей, она напоминает красивые белые волосы. При ковке металлов в пластины или вытягивании их в проволоку происходит значительное изменение относительного положения частиц, подобное тому, которое мы наблюдаем в жидкостях, хотя и не столь свободное. При этом изменении положения те частицы, которые остаются в непосредственной близости, обладают замечательной вязкостью или притяжением, препятствующим их разделению. При сварке двух кусков железа, которую кузнец выполняет путем их проковки в раскаленном состоянии, должно происходить достаточное движение частиц, чтобы частицы одного куска несколько смешались с частицами другого.

35. Сжимаемость. — Пористые вещества могут быть значительно сжаты. Приложенная к ним сила может сблизить их частицы, заставляя их частично заполнить свои поры. Самый знакомый вам пример этого — губка. Чем более пориста древесина, тем сильнее ее можно сжать. Но даже такие плотные вещества, как металлы, могут быть сжаты в некоторой степени; то есть промежутки между их частицами могут быть уменьшены. На медали и монеты их фигуры и буквы наносятся путем давления, точно так же, как делаются оттиски на расплавленном сургуче. Сильное и быстрое давление, необходимое для этого, фактически сжимает весь кусок твердого металла, сближая все частицы, так что он занимает меньше места, чем до чеканки.

36. Несжимаемость жидкостей. — Исходя из свободы, с которой частицы жидкостей перемещаются друг относительно друга, и из наличия промежутков (§ 22) между ними, мы могли бы предположить, что эти вещества легко сжимаются. Но это не так. Требуется самое сильное давление, чтобы сжать их даже в незначительной степени. Вода сжимается настолько незначительно, что на практике считается несжимаемой.

37. Влияние тепла на объем жидкостей. — Хотя промежутки между частицами жидкостей нельзя изменить механическим давлением, их можно изменить путем изменения температуры. Жидкости расширяются под воздействием тепла; то есть их частицы отодвигаются дальше друг от друга. Они сжимаются под воздействием холода; то есть их частицы сближаются при отнятии тепла. Самый знакомый нам пример — термометр. Ртуть поднимается в трубке, когда тепло увеличивает промежутки между ее частицами; и она опускается, когда потеря тепла позволяет частицам сблизиться. Те же эффекты наблюдаются при использовании спирта в термометре, как это делается в арктических регионах, поскольку ртуть там может замерзнуть. Термометр с водой подошел бы, если бы мы хотели измерять только температуру между точкой замерзания и точкой кипения воды. Расширяющее влияние тепла будет подробно рассмотрено далее.

38. Сжимаемость газообразных веществ. — Газообразные тела более сжимаемы, чем любые другие вещества, что показывает, что в их обычном состоянии между частицами имеется много свободного пространства. Хотя они и отличаются от жидкостей по сжимаемости, тепло воздействует на них так же, как и на жидкости.

Fig. 4. Fig. 5.

39. Упругость. — Тесно связана со сжимаемостью материи ее упругость. Мы видим это свойство, ярко проиллюстрированное на индийской резине (каучуке). Оно вызывает отскок мяча из этого вещества при броске вниз. Понаблюдайте, что именно происходит в этом случае. Мяч при встрече с сопротивлением пола сплющивается, как показано на рис. 4. Затем, принимая круглую форму, как видно на рис. 5, он давит вниз на пол. Именно этот внезапный толчок вниз заставляет его отскочить. Это как если бы между мячом и полом находилась сжатая пружина. Это можно сравнить также с прыжком. Когда человек прыгает, он сгибает ноги в тазобедренных и коленных суставах, а затем, выпрямляясь, дает внезапный толчок, подобный тому, который дает мяч, принимая свою круглую форму, и таким образом выбрасывается вперед или вверх, в зависимости от направления приложенной силы. Такое же сплющивание происходит и с шаром из слоновой кости, хотя и не в такой же степени. Вы можете доказать, что это происходит, с помощью эксперимента. Пусть мраморная плита будет влажной, и уроните на нее шар. От удара шара образуется довольно заметное сухое пятно, показывающее, что он коснулся большей площади мрамора, чем когда его просто кладут на него.

40. Упругость, проявляющаяся другими способами. — Если согнуть палку, как на рис. 2, то, как только сгибающая сила будет убрана, палка снова выпрямится благодаря своей упругости. Именно эта упругая сила лука, выпрямляющая его, придает скорость стреле. Заметьте в этом случае, что в то время как частицы на вогнутой стороне согнутого лука сближаются или сжимаются, частицы на выпуклой стороне отодвигаются друг от друга. Это расхождение частиц часто заметно на индийской резине. Вы можете увидеть, как далеко друг от друга могут быть разнесены частицы, находящиеся в непосредственной близости, если воткнете две булавки близко друг к другу в полоску индийской резины, прежде чем растянете ее.

41. Степени упругости у различных веществ. — Некоторые вещества обладают настолько малой упругостью, что на практике считается, что они не обладают ею вовсе. Свинец — одно из них. Свинцовый стержень при сгибании остается согнутым, а свинцовый шар не отскакивает. В то время как газообразные вещества являются наиболее сжимаемыми из всех, они также являются наиболее упругими. Сжатый воздух возвращается в свое обычное состояние в тот момент, когда с него снимается давление, причем с силой, пропорциональной величине давления. Так же обстоит дело с паром и газами. Различные результаты этого качества газообразных веществ потребуют нашего внимания более подробно в других частях этой книги.

42. Определение упругости. — Из приведенных иллюстраций вы видите, что упругость — это то свойство материи, благодаря которому ее частицы, будучи сближенными или разнесенными какой-либо силой, возвращаются в свое обычное состояние, когда действие силы прекращается.

43. Полезность разнообразия свойств материи. — Различные свойства материи, представленные в этой главе, являются провиденциальными адаптациями к нуждам человека. Каждое вещество обладает теми свойствами, которые лучше всего подходят для его использования. Железо, например, задуманное Творцом как самый прочный и наиболее широко используемый слуга человека среди металлов, поэтому предоставлено в большом изобилии и обладает теми сильными, решительными и разнообразными качествами, которые делают его пригодным для выполнения возложенных на него задач. Золото и серебро, напротив, предназначенные для менее масштабных, более легких и в значительной степени декоративных целей, предоставлены в гораздо меньшем количестве и обладают свойствами, удивительно приспосабливающими их к тем услугам, для которых они так явно предназначены. То же самое можно по существу сказать обо всех других веществах, и особенно о таких очень распространенных, как воздух и вода. И можно также отметить, что изобретательность человека постоянно открывает новые способы использования различных свойств материи на службе у него. Я приведу лишь один пример — закалку стали. «Это открытие, — говорит доктор Арнот, — возможно, уступает по важности лишь немногим открытиям, сделанным человеком; ибо оно дало ему все режущие инструменты и приспособления, с помощью которых он теперь придает любую другую субстанцию по своему желанию. Дикарь будет работать двенадцать месяцев с помощью огня и острых камней, чтобы свалить большое дерево и придать ему форму каноэ, тогда как современный плотник со своими инструментами мог бы выполнить эту задачу за день или два».

ГЛАВА III. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ.

44. Протяженность. — Вы не можете представить себе какую-либо часть материи, какой бы малой она ни была, которая не имела бы формы или очертаний. Она может быть настолько мала, что невооруженным глазом кажется лишь точкой, но при рассмотрении в микроскоп ее форма становится очевидной. Даже атом должен иметь длину, ширину и толщину, хотя он настолько мал, что мы не можем измерить его или увидеть его форму даже с помощью самых мощных микроскопов. Протяженность, которая является термином, обычно используемым для выражения этой идеи, является, таким образом, существенным свойством материи; то есть это свойство, которого не может быть лишено ни одно вещество или вид материи. Различие в этом отношении между этим свойством и теми, которые я отмечал ранее, может быть сделано очевидным для вас на примере. Твердость не является существенным качеством материи, ибо некоторые виды материи лишены ее; но ни одна часть материи, твердая или мягкая, не может быть лишена протяженности или формы. О воздухе иногда говорят в обычном языке как о бесформенном. Это отчасти потому, что он невидим, а отчасти потому, что ни одна часть или объем воздуха не принимает какой-либо определенной формы. Но воздух постоянно принудительно принимает определенные формы при заключении в комнаты, ящики и т. д.; и тогда его протяженность в разных направлениях можно измерить так же точно, как протяженность твердого тела. И кроме того, атомы, из которых состоит воздух, несомненно, тверды, и мы не можем представить их существование, не связывая с ними идею формы или протяженности.

45. Непроницаемость. — В обычном языке говорят, что одно вещество проникает в другое. Так, игла проникает в ткань, гвоздь проникает в дерево и т. д. Но это не совсем верно. Игла не входит в ткань, а проходит между ее волокнами, раздвигая их в ту и другую сторону. Так же и гвоздь проходит между волокнами дерева, а не внутрь них. Он не занимает то же самое пространство, что и волокна в то же самое время. Так же и никакой атом материи не может проникнуть или войти в любой другой атом. Он может только вытолкнуть его с пути, а затем занять его место. Поэтому непроницаемость считается одним из существенных качеств материи. Это означает просто, что никакая часть материи не может занимать то же самое пространство с другой частью материи в одно и то же время.

Fig. 6.

Fig. 8.

Fig. 7.

46. Иллюстрации. — Можно привести много иллюстраций этого свойства. Я приведу несколько. Если вы вдавите стакан в воду открытым концом вниз, вы не сможете наполнить его водой, так как воздух, заключенный в стакане, препятствует ее подъему. Она не может занимать то же пространство, что и воздух. Она действительно заполняет часть стакана, но это происходит потому, что воздух сжимаем. Если вы введете стеклянную воронку, a, рис. 6, в сосуд с водой, b, прижав большой палец к ее отверстию, c, вода не поднимется, чтобы заполнить ее. Но если вы уберете палец, вода поднимется до уровня воды снаружи воронки, вытесняя воздух перед собой. Если у вас нет воронки, для эксперимента подойдет пузырек или бутылка с отбитым дном. Следующий эксперимент очень наглядно иллюстрирует тот же момент. Поместите зажженную свечу, a, рис. 7, на большой плоский пробковый поплавок в сосуде с водой. Накройте ее открытым сосудом или приемником, b, имеющим запорный кран, c. Закрыв кран, вдавите приемник в воду, и вы увидите, как свеча опускается вместе с ним, как показано на рисунке, так как воздух препятствует попаданию воды в приемник. Если теперь вы откроете кран, вода хлынет внутрь, вытесняя воздух вверх и заставляя свечу выглядеть так, как будто она поднимается из воды. Водолазный колокол предлагает хорошую иллюстрацию. Он состоит из сосуда, a a, рис. 8, по форме напоминающего колокол, сделанного достаточно тяжелым, чтобы погрузиться в воду. Его опускают на цепи и тросе, как видно на рисунке. Вода не входит в колокол дальше, чем позволяет сжимаемость воздуха. Чтобы люди внутри могли оставаться под водой некоторое время, свежий воздух подается по трубке b, нагнетаемый насосом. В то же время испорченный воздух может быть выпущен через клапан, предусмотренный для этой цели. В верхней части колокола есть окна, чтобы обеспечить необходимый свет для работы на морском дне. Этим способом часто извлекаются сокровища, которые в противном случае были бы потеряны. Вы видите сходство между водолазным колоколом и устройством на рис. 7, где приемник представляет колокол, а зажженная свеча — людей в нем.

47. Другие иллюстрации. — Если вы уроните пулю в стакан с водой, она раздвинет частицы в ту и другую сторону и займет освободившееся место. Если вы уроните несколько пуль, произойдет заметный подъем воды, и вы можете уронить достаточно, чтобы она перелилась через край. То же самое верно и для самой тонкой иглы, опущенной в воду — она не проникает в нее, а, подобно пуле, вытесняет некоторые из ее частиц и занимает их место; и вы можете заставить воду перелиться через край, опустив много игл. Мы можем, таким образом, истинно сказать, что вода не может быть пронизана даже иглой. Когда какое-либо вещество, например сахар, растворяется в воде, его частицы не проникают в воду, а входят в промежутки между ее частицами. Так же и когда частицы пахучих веществ рассеиваются в воздухе, они на самом деле находятся не в воздухе, а между его частицами.

48. Инерция. — Материя не обладает силой привести себя в движение. Когда она движется, она движется под воздействием какой-то силы, которая либо находится вне материи, либо передается ей каким-либо образом. Когда движется ваша рука, не материя в вашей руке является причиной ее движения. Оно вызвано силой внутри вас, на которой я не буду здесь останавливаться, потому что этот предмет относится к физиологии. Когда движется воздух, он приводится в движение какой-то силой, действующей на него, например, когда вы выдуваете его из легких или приводите в движение веером. Когда дует ветер, воздух приводится в движение теплом и притяжением земли, как будет объяснено вам в другой части этой книги. Я мог бы умножить примеры до бесконечности, показывая, что материя сама по себе не может двигаться. Это свойство материи называется инерцией.

49. Инерция, проявляющаяся в неспособности материи остановить свое движение. — Материя, будучи однажды приведена в движение, не имеет силы остановить себя. Если бы она могла остановить себя, нельзя было бы сказать, что она инертна. А так как она инертна, она, будучи однажды приведена в движение, продолжала бы двигаться вечно, если бы не была остановлена какой-либо силой. Когда камень падает на землю, он останавливается просто потому, что земля останавливает его. Если бы земли не было на пути, камень двигался бы прямо дальше, пока не был бы остановлен чем-то другим. Так же и камень, брошенный вверх в воздух, продолжал бы лететь, вскоре исчез из виду и никогда не вернулся бы на землю, если бы его не заставили спуститься силы, действующие на него. Одной из этих сил является сопротивление воздуха, которое с момента начала движения камня разрушает его движение. Другой силой, постоянно действующей на замедление камня, является притяжение, или тянущая сила, оказываемая на него землей. Эта мощная, хотя и невидимая сила будет подробно рассмотрена в следующей главе.

50. Материя одинаково склонна к покою и движению. — Раньше философы учили, что материя более склонна к покою, чем к движению; и это популярное представление сейчас. Это потому, что главные причины, которые останавливают движения, которые мы видим изо дня в день, — а именно воздух и притяжение земли — невидимы. По этой причине, пока мы не исследуем предмет, нам кажется, что движение имеет естественную тенденцию прекращаться, или «истощаться», как это выражается. Когда трение имеет место в остановке движения, мы видим это ясно; но общее представление состоит в том, что в этом случае движение частично истощается, а частично разрушается. Но ни в коем случае движение не истощается, а всегда разрушается препятствиями. Чем тщательнее они удаляются, тем дольше будет продолжаться движение; и если бы они были полностью удалены, движение никогда бы не прекратилось. Вечное движение, таким образом, само по себе не невозможно; ибо материя не имеет большей тенденции прекратить движение, будучи однажды приведена в движение, чем начать движение, когда она находится в покое. Все движение было бы вечным, если бы не было противодействующих ему сил. Если бы во вселенной было только одно тело, и оно было бы приведено в движение, оно двигалось бы вечно через пустое пространство по прямой линии; ибо нигде нет материи, чтобы сопротивляться его движению или отвлечь его от прямого курса.

51. Делимость. — Хотя делимость является общим качеством материи (§ 18), оно не является существенным. Ибо если верно, что каждая часть материи состоит из атомов, которые остаются целыми (§ 14), нельзя сказать, что это свойство принадлежит этим атомам. Только тела, состоящие из этих атомов, могут быть разделены. Когда мы доходим до самих атомов, деление должно прекратиться.

52. Вес. — Говоря о свойствах материи, я ничего не сказал о весе, хотя в народном сознании это считается одним из самых заметных свойств некоторых видов материи. Это будет уместно рассмотрено, когда я перейду к разговору о притяжении, ибо это лишь результат притяжения. Достаточно здесь сказать, что вес тела — это давление, вызванное притяжением, существующим между ним и другим телом. Если бы при поднятии камня с земли притяжение между ним и землей могло быть уничтожено, камень остался бы там. Он не давил бы вниз, и поэтому не имел бы веса. Очевидно, следовательно, что вес, будучи далеко не существенным свойством материи, на самом деле вообще не является свойством. Это лишь эффект свойства — притяжения. Если бы во вселенной было только одно тело, оно не имело бы веса, ибо оно не давило бы ни в каком направлении, потому что нет ничего, что могло бы его притянуть. Но так как это не так, вся материя имеет вес, ибо есть другая материя, чтобы притягивать ее.

ГЛАВА IV. ПРИТЯЖЕНИЕ.

53. Природа притяжения. — Если вы попытаетесь сломать очень вязкое твердое вещество, почему у вас не получается? Это потому, что частицы так сильно скреплены вместе. Но как? Каким-то цементом или клеем, или какими-то механическими приспособлениями, такими как гвозди или крючки? Нет. Они скреплены вместе какой-то невидимой силой. Мы ничего не знаем о природе этой силы. Мы знаем только, что она существует, и называем ее притяжением. Название это правильное, ибо оно просто выражает тот факт, что одна частица притягивает или тянет другую частицу к себе.

54. Идея Ньютона о притяжении. — В § 20 было сказано, что частицы материи, даже в самых плотных веществах, не находятся в фактическом контакте, а имеют вокруг себя промежутки. Теперь Ньютоном предполагалось, что существует некое эфирное вещество, пронизывающее все эти промежутки, которое вызывает это притяжение между частицами. Он также предполагал, что этот эфир находится везде в пространстве, вызывая притяжение между массами материи. Но все это лишь предположение, и мы не знаем, существует ли этот вид эфирного клея, удерживающий вселенную вместе, или это какое-то свойство самих частиц, которое заставляет их таким образом притягивать друг друга. Но факт притяжения мы знаем, и мы можем наблюдать явления, которые оно производит, и открывать законы или правила, которыми эта сила регулируется в своем действии.

55. Притяжение в твердых телах. — Притяжение сильнее в одних твердых телах, чем в других. Каменщик своим мастерком легко разделяет кирпич; но он не может сделать этого с куском гранита, ибо его частицы имеют большее притяжение друг к другу, чем частицы кирпича. Так, удар, который разбил бы стеклянную посуду, не повредил бы медную той же толщины. Груз, который надежно висел бы на железной проволоке, порвал бы свинцовую проволоку того же размера; то есть он разорвал бы частицы, потому что они не сильно притягиваются друг к другу. Притяжение имеет различные способы действия в разных твердых телах. Поэтому оно скрепляет их частицы разными способами и таким образом производит все различные качества, уже отмеченные, которые так полезны нам, — вязкость, твердость, мягкость, пластичность, гибкость и т. д.

56. Притяжение в жидкостях. — В жидкости притяжение между частицами очень слабое по сравнению с таковым в твердых телах. Притяжение частиц стали по силе примерно в три миллиона раз больше, чем притяжение частиц воды. Мы делаем оценку следующим образом: мы находим, что стальная проволока выдержит груз, равный 39 000 футов этой проволоки. Но капля воды, висящая на конце палочки, не может быть более одной шестой дюйма в длину; то есть вода будет держаться вместе благодаря притяжению своих частиц только до этого предела, что составляет чуть меньше трехмиллионной части длины стальной проволоки, которая могла бы висеть, не разрываясь.

57. Свобода движения частиц жидкостей. — Существует одна заметная характеристика жидкостей, которая, вероятно, не полностью обусловлена слабым притяжением их частиц, — я имею в виду свободу, с которой эти частицы перемещаются друг относительно друга. Это, вероятно, отчасти обусловлено каким-то особым расположением атомов при создании частиц жидкости. Я проиллюстрирую это грубым образом. Если бы атомы свинца в дроби были расположены так, чтобы создавать неправильные зазубренные формы, они не могли бы легко перемещаться друг относительно друга. Мы предполагаем, что конечные атомы жидкости расположены при формировании частиц так, что делают их не только круглыми, но и очень гладкими. Отсюда происходит та легкость, с которой они циркулируют друг относительно друга.

Fig. 9.

Fig. 10.

58. Шарообразная форма капель жидкостей. — Поскольку частицы жидкости перемещаются таким образом свободно друг относительно друга, их притяжение располагает их к принятию шарообразной или круглой формы. Причину этого можно сделать ясной с помощью рис. 9 и 10. Внешняя сторона идеальной сферы находится на одинаковом расстоянии от центра. Так и вся окружность круга находится на одинаковом расстоянии от центра, как представлено на рис. 9. Но это неверно для всех частей поверхности куба или квадрата: a, например, дальше от центра, чем b. Теперь в капле жидкости все частицы притягиваются к центру, ибо на этой линии от каждой частицы лежит наибольшее количество частиц, притягивающих ее. Это можно сделать очевидным, взяв какую-то точку в капле, как представлено на рис. 10, и проведя линии от нее через центр и в других направлениях. Если a — точка в капле, ясно, что линия от нее через центр длиннее, чем a b или a c. Следовательно, частица a будет притягиваться к центру, а не в направлении a b или a c, потому что в направлении центра больше частиц, а чем больше частиц, тем сильнее притяжение. Но это еще не все. Частицы на линии a c, стремящиеся заставить a двигаться к c, уравновешиваются частицами на линии a e, стремящимися заставить ее двигаться к e. Две линии частиц, следовательно, вместе стремятся заставить ее двигаться по средней линии между ними, то есть к центру, точно так же, как две нити, тянущие одинаково, одна к c, а другая к e, заставили бы тело a двигаться по средней линии между этими двумя направлениями. То же самое можно показать для двух линий частиц a b и a d, и так для любых других двух, одинаковых по положению по обе стороны от линии через центр. Тенденция каждой частицы, следовательно, состоит в том, чтобы двигаться к центру, и она двигалась бы туда, если бы не было частиц между ними, чтобы помешать этому. Вы видите, как это действовало бы в случае частиц на поверхности капли. Поскольку все они стремятся, как мы можем сказать, в послушании притяжению, попасть в центр, ни одна из них не будет поднята в угол или точку, как это было бы в случае, если бы капля имела форму куба. Если бы это произошло, это показало бы, что некоторые частицы притягиваются к центру не так сильно, как другие, что является невозможностью.

59. Шарообразная форма у различных жидкостей. — Склонность к образованию сферы видна более отчетливо в ртути, чем в любой другой жидкости. Если вы капнете немного ее на пластину, она разделится на глобулы, которые катаются, как дробь. Почему то же самое нельзя сделать с водой? Почему капли воды висят на оконном стекле, показывая лишь несовершенным образом свою склонность к шарообразному расположению? Это потому, что частицы воды имеют большее притяжение к другим веществам и меньшее притяжение друг к другу, чем частицы ртути. Вода иногда проявляет свою склонность к шарообразной форме в полной мере на листьях некоторых растений и катается в виде шариков, как ртуть. Это потому, что на поверхности листа есть что-то, что отталкивает, а не притягивает воду. Если вы, однако, прикоснетесь пальцем к одной из этих капель, вы испортите ее, и ваш палец будет увлажнен, потому что существует притяжение между частицами вашей кожи и воды. Возьмите другую иллюстрацию этого различия в притяжении. Если вы капнете немного масла на поверхность воды, оно будет плавать в виде круглых капель. Это потому, что вода отталкивает масло, как поверхность некоторых видов листьев отталкивает воду. Но когда масло проливается на дерево или ткань, его частицы имеют такое сильное притяжение к их частицам, что они соединяются с ними, вместо того чтобы собираться в маленькие круглые компании, как они делают на поверхности воды.

60. Производство дроби. — Мы имеем прекрасный пример склонности жидкостей к шарообразному расположению в производстве дроби. Расплавленный свинец выливается в большой сосуд в верхней части дроболитейной башни. Этот сосуд имеет отверстия в дне, из которых металл падает каплями. Каждая капля, вращаясь при падении, принимает шарообразную форму. К тому времени, когда она достигает конца своего пути, около двухсот футов, она настолько охлаждается, что становится твердой, и, попадая в резервуар с водой, сохраняет свою шарообразную форму. Пули нельзя сделать таким способом, потому что количество расплавленного свинца, достаточное для изготовления пули, не удержится вместе в шарообразной форме.

61. Шарообразная форма Земли и небесных тел. — Предполагается, что Солнце, Луна, Земля и все небесные тела когда-то находились в жидком состоянии и что они обязаны своей шарообразной формой этому факту. В то время как они вращались в этом состоянии на своем пути, постепенно формировались различные твердые тела, и в конце концов они приобрели свое нынешнее состояние. Как все могучие изменения могли произойти в нашей Земле, превращая ее из жидкости в тело с твердой корой, имеющее в себе такие разнообразные вещества и так разнообразно расположенные, с ее впадинами, содержащими воду, и все это покрытое мантией воздуха толщиной в пятьдесят миль, мы не можем понять. И все же есть некоторые части процесса, которые химия и геология открыли нам, давая нам некоторые проблески чудес, которые в течение веков Бог совершал в нашей Земле, подготавливая ее для обитания человека.

Fig. 11. Fig. 12.

62. Кристаллизация. — Расположение частиц твердых веществ отличается от расположения частиц жидкостей. Тенденция здесь направлена к прямым линиям и углам; то есть к кристаллическим формам. Квасцы или обычная соль, когда они становятся твердыми из раствора, образуют кристаллы. Так же делает и сахар. Кристаллы разных веществ различны. На рис. 11 вы имеете кристалл обычной соли, а на рис. 12 — кристалл квасцов. Мы видим эту кристаллическую тенденцию везде, даже в грубых скалах и обычных камнях. Скалы склонны проявлять правильные слои, или колонны, или зубчатые стены, и всегда делают это, за исключением случаев, когда мешают препятствующие обстоятельства. И когда вы исследуете их состав, или состав камня под вашими ногами, вы видите ту же кристаллическую склонность в деталях, которую вы видите в массе.

63. Кристаллизация воды. — Вода, когда она превращается в твердое тело, показывает ту же склонность, примерами которой являются кристаллы снега и морозные узоры на наших окнах. Когда образуется снег, вода облаков внезапно кристаллизуется под воздействием холодного воздуха, причем частицы занимают свои правильные места более легко и уверенно, чем если бы ими руководил разум, потому что это происходит в послушании непреложному закону, установленному Творцом. Мы иногда имеем пример этой внезапной кристаллизации воды на наших глазах. Вода в кувшине может оставаться жидкой, хотя она охлаждена до точки замерзания и даже ниже ее, если ее держать совершенно неподвижно. Но при поднятии кувшина вода мгновенно наполняется сетью ледяных кристаллов. Объяснение таково: неподвижность воды препятствовала тому, чтобы ее частицы приняли новое расположение, необходимое для образования льда; но их толчок при поднятии кувшина послужил причиной того, что они сделали это так внезапно.

Fig. 13.

64. Иней и снег. — Морозные узоры на наших окнах — это удивительная демонстрация разнообразия форм, которые может создавать кристаллизация. Иногда они представляют фигуры, похожие на листья и цветы, подобные тем, что мы видим вычеканенными на серебряных сосудах, но гораздо более тонкие и красивые. Настолько разнообразны и причудливы формы, в которых расположены эти водяные кристаллы, что очень естественно приписывать их, как это делается повсеместно в детском лепете, изобретательности странного и шаловливого духа. Каждая снежинка — это пучок маленьких кристаллов, таких же правильных и красивых, как кристаллы, которыми вы так восхищаетесь в минералогическом кабинете. И существует большое разнообразие в группировке этих кристаллов. У вас есть некоторые образцы этих групп на рис. 13, какими они кажутся при рассмотрении их в микроскоп. Было перечислено более шестисот различных форм, и сто было описано. Это очень быстрое действие, с помощью которого частицы воды в облаках таким образом выстраиваются, как будто по волшебству, в эти правильные формы. Но более быстрое действие — это то, с помощью которого образуется град, — настолько быстрое, что у частиц нет времени расположиться в кристаллическом порядке, но они сбиваются вместе без порядка. Блестящая и сверкающая белизна снега обусловлена отражением света от его мельчайших кристаллов. В арктических регионах красота снега часто гораздо больше, чем у нас. «Снежные кристаллы прошлой ночи, — говорит капитан Мак-Клинток в своем «Открытии судьбы сэра Джона Франклина», — были чрезвычайно красивы. Самый крупный вид имеет длину в дюйм; его форма точно напоминает кончик заостренного пера. Также падали звездчатые кристаллы диаметром в две десятых дюйма; они имеют шесть лучей и являются самыми изысканными вещами, когда их видишь под микроскопом. На солнце, или даже при лунном свете, все эти кристаллы сверкают очень ярко; и так как наши мачты и такелаж обильно покрыты ими, «Фокс» никогда не был так великолепно украшен, как он кажется сейчас».

65. Порядок в природе. — Мы видим в этой общей склонности к кристаллизации яркую иллюстрацию того факта, что Бог есть Бог порядка. Беспорядочное расположение никогда не наблюдается, за исключением случаев, когда для этого есть очевидная необходимость. И даже когда есть кажущийся беспорядок, небольшое исследование обычно показывает, что по существу существует порядок. Скалы, которые придают такое разнообразие пейзажу, не нагромождены в беспорядке, и порядок явно царил при их создании. Поднимите обычный камень, и, разбив его, вы увидите кристаллическое расположение в его внутренности. Более того, большая часть самой почвы состоит из разделенных и разбитых кристаллов.

Fig. 14.

66. Частицы должны быть очень близки друг к другу, чтобы прилипнуть. — Почему это так, что когда вы разбили что-то сделанное из стекла, как бы точно вы ни соединили две части, вы не можете заставить их снова соединиться в одно целое? Это просто потому, что частицы веществ не будут притягивать друг друга достаточно сильно, чтобы соединиться, если они не будут сближены очень близко. Теперь невозможно сблизить частицы на двух поверхностях разбитого куска стекла так же близко, как они были до того, как он был разбит. Если бы вы могли это сделать, никакая трещина не была бы видна. Вы можете соединить их с помощью какого-то цемента. Это потому, что частицы цемента, пока он мягкий, могут быть внедрены между частицами стекла; и таким образом, когда он высыхает, он становится связующим звеном между частицами по обе стороны разлома. По той же причине вы можете заставить прилипнуть срезанные поверхности некоторых податливых веществ. Если вы разделите кусок индийской резины чистым срезом, вы можете заставить две поверхности прилипнуть, сильно прижав их друг к другу. Частицы в этом случае не являются неподатливыми, как частицы стекла, и некоторые из них поэтому сближаются в такое соседство, что притягивают друг друга достаточно сильно, чтобы соединиться. Так же, если вы срежете две пули так, чтобы иметь очень гладкую плоскую поверхность на каждой, вы можете заставить их прилипнуть довольно сильно, прижав их друг к другу, особенно если вы сделаете небольшое вращательное движение в то же время, когда вы прижимаете, ибо это заставит частицы на двух поверхностях несколько смешаться друг с другом. Если у вас есть довольно большие свинцовые шары с ручками, как представлено на рис. 14, потребуется значительная сила, чтобы разделить их, когда они были таким образом прижаты друг к другу.

67. Другие иллюстрации. — Серебро и золото могут быть заставлены прилипнуть к железу с помощью очень сильного и внезапного давления. Железо должно быть сделано очень гладким, а серебряная или золотая пластина — очень тонкой. Мощный удар сближает частицы тонкой пластины настолько близко к частицам железа, что происходит соединение, или, другими словами, они притягивают друг друга достаточно сильно, чтобы быть соединенными. Так же лист олова и лист свинца могут быть заставлены прилипнуть так, чтобы образовать один лист, под давлением валков прокатного стана. Две очень гладкие стеклянные пластины, положенные одна на другую, могут иметь так много частиц, сближенных на очень близкое расстояние, что это вызовет некоторое прилипание. Оно будет, однако, незначительным, так как сравнительно немногие из всех частиц подходят достаточно близко, чтобы прилипнуть, ибо самое гладкое стекло полно неровностей, как можно увидеть в микроскоп.

68. Сила прилипания. — Ни в каком случае частицы не входят в фактический контакт (§ 20), и их прилипание зависит от близости их соседства друг к другу. Сила соединения, следовательно, между двумя поверхностями зависит от количества частиц, сближенных достаточно близко, чтобы прилипнуть друг к другу. В случае двух пуль или свинцовых шаров, если бы все частицы двух поверхностей были достаточно близки, чтобы прилипнуть, свинец был бы таким же прочным в месте соединения, как и в любом другом месте. Причина, по которой происходит такое сильное прилипание между частями некоторых веществ, когда мы размягчаем их теплом, заключается в том, что частицы двух размягченных концов сближаются достаточно близко для прилипания. Таким образом, два конца сломанной палочки сургуча могут быть прочно соединены путем их нагревания и последующего прижатия друг к другу. То же самое можно сделать со стеклом. Когда железо сваривается, как это называется, требуется некоторое проковывание, чтобы заставить частицы двух размягченных концов железа соединиться.

Fig. 15.

69. Притяжение между твердыми телами и жидкостями. — Притяжение, которое твердые тела и жидкости имеют друг к другу, предоставляет нам много интересных явлений. Прилипание капель воды к стеклу и другим твердым телам — знакомый пример этого притяжения. Если вы окунете руку в воду, она будет мокрой при вынимании, потому что ваша кожа имеет достаточное притяжение к воде, чтобы удержать часть ее. Полотенце удержит больше ее по двум причинам — благодаря промежуткам между своими волокнами оно представляет гораздо большую поверхность для воды, и оно не имеет маслянистого вещества, которое на вашей коже, хотя и в небольшом количестве, служит несколько для отталкивания воды. Притяжение твердых тел и жидкостей друг к другу показано очень красиво в эксперименте, представленном на рис. 15 (стр. 47). Кусок дерева прикреплен с помощью нити a к одному концу весов, и грузы, как раз достаточные, чтобы уравновесить его, помещены на противоположную чашу. Если теперь дерево приведено в контакт с водой в сосуде b, потребуется дополнительный груз на чаше, чтобы отделить дерево от воды.

Fig. 16. Fig. 17.

Fig. 18.

Fig. 19.

70. Дальнейшие иллюстрации. — Когда вы видите стебли растений, поднимающиеся над поверхностью стоячей воды, вы заметите, что вода значительно поднята вокруг них. Это происходит из-за притяжения между ними и водой. По той же причине вода не так высока в середине стакана, как по бокам. Если вы погрузите кусок стекла в воду, вода поднимется по его бокам, как представлено на рис. 16. Если вы погрузите два вместе, как на рис. 17, вода поднимется выше между ними, чем снаружи, потому что частицы между ними притягиваются двумя поверхностями, в то время как те, что снаружи, притягиваются только одной. По той же причине два человека могут поднять груз выше, чем один из них может в одиночку. И если куски стекла будут сближены совсем близко, как на рис. 18, вода будет поднята еще выше, потому что меньше того, что должно быть поднято двумя поверхностями. Это точно так же, как два человека могут поднять небольшой груз выше, чем они могут поднять большой. То же самое может быть красиво проиллюстрировано таким образом: пусть два куска стекла, как представлено на рис. 19, будут погружены в окрашенную воду, причем два их края соединены вместе в A B, а противоположные края в E D C разделены. Высота, на которую поднимается жидкость, образует кривую линию A F C, будучи самой низкой у краев, которые разделены, и самой высокой у краев, которые соединены вместе.

Fig. 20.

Fig. 21.

71. Подъем жидкостей в трубках. — По той же причине, по которой вода поднимается выше между пластинами стекла, чем снаружи, она будет подниматься выше в трубке, чем снаружи нее. Диаграмма на рис. 20 сделает это ясным. Я представляю в этом поперечное сечение трубки, увеличенное, чтобы демонстрация была ясной. Мы возьмем частицу внутри и снаружи на равных расстояниях от стекла. Ясно, что частица a не так близка к такому количеству частиц стекла, как частица b. Проведенные линии показывают это. Самые длинные линии, идущие от частиц a и b к стеклу, равны по длине; то есть a e и a f равны b g и b h. Ясно, следовательно, что все стекло между линиями в c и d так же близко к частице b, как стекло между линиями в e и f к частице a. Но это еще не все. Частица b достаточно близка ко всей внутренней части трубки, чтобы притягиваться ею, в то время как очень малое притяжение оказывается на a любой частью стекла за пределами той, которая включена между e и f. То же различие можно показать в отношении всех частиц внутри трубки по сравнению с теми, что снаружи. Первые ближе к большему количеству частиц стекла, чем вторые, и поэтому притягиваются сильнее. Опять же, поскольку чем ближе пластины стекла (§ 70), тем выше поднимается вода между ними, так чем меньше трубка, тем выше будет подниматься в ней вода. Вы можете попробовать эксперимент, как представлено на рис. 21. Очевидно, что частица b (рис. 20) не была бы очень сильно притянута частью трубки напротив, если бы трубка была большой; но она была бы, если бы трубка была очень маленькой, ибо тогда она была бы совсем близко к этой части.

72. Капиллярное притяжение. — Термин «капиллярный» (происходящий от латинского слова capilla, волос) обычно применялся к притяжению, проявляющемуся при обстоятельствах, только что замеченных, потому что оно наиболее очевидно и было впервые замечено в трубках с очень тонким каналом. Тот же термин используется, когда притяжение наблюдается при подъеме или распространении жидкости в промежутках, а также в трубках. Таким образом, капиллярное притяжение вызывает подъем масла или горючей жидкости в фитилях ламп. Жидкость поднимается в промежутках или пространствах между волокнами, как она делает это в пространствах трубок. Я приведу некоторые другие примеры. Если вы позволите одному концу полотенца находиться в чаше с водой, а другой конец будет лежать на столе, все полотенце станет мокрым от распространения воды среди волокон в послушании капиллярному притяжению. Если вы подвесите кусок губки так, чтобы он лишь касался поверхности воды, или если вы положите его на тарелку с водой, вся губка станет мокрой. Так же, если вы окунете конец куска сахара в свой чай и подержите его там некоторое время, весь он будет увлажнен. В очень влажную погоду деревянные изделия в наших домах разбухают от распространения воды в порах дерева в послушании капиллярному притяжению. Особенно это будет так в подвальных помещениях, где вода может подниматься из земли в порах стен, а также из влажного воздуха. При поливе растений в горшках, если вода будет налита в поддоны, она пройдет вверх через землю благодаря капиллярному притяжению. По той же причине растения и деревья возле ручьев растут пышно, будучи обильно снабжаемы водой, которая поднимается к их корням через поры почвы. Склонность дерева впитывать влагу в свои поры иногда очень эффективно использовалась при добыче мельничных жерновов. Сначала большой блок камня обтесывается в цилиндрическую форму. Затем по нему вырезаются канавки по всему периметру, где желается разделение, и в них плотно забиваются деревянные клинья. Они впитывают влагу от росы и дождя и поэтому разбухают настолько, что раскалывают камень в направлении канавок. Промокашка, которую вы используете, дает иллюстрацию капиллярного притяжения, так как чернила впитываются среди волокон бумаги. Обычная писчая бумага не подойдет в качестве промокашки, потому что проклейка заполняет промежутки между волокнами.

ГЛАВА V. ГРАВИТАЦИЯ.

73. Притяжение между массами. До сих пор я рассматривал притяжение как силу, существующую между атомами или частицами материи, когда они сближаются на очень близкое расстояние, что называется силой сцепления. Но она существует также между любыми частями материи, которые отделены друг от друга. Так, если поместить два пробковых шарика на поверхность воды рядом друг с другом, их притяжение вскоре сблизит их. Чтобы эксперимент был наглядным, шарики должны быть покрыты лаком, чтобы они могли легко скользить по воде. Стеклянные пузырьки демонстрируют такое же притяжение. Точно так же плавающие куски дерева склонны собираться вместе; и когда корабль терпит крушение, как только море успокаивается, обломки судна оказываются собранными в разных местах. Теперь, когда камень падает на землю, он делает это по той же самой причине, по которой два пробковых шарика сближаются в воде. Идея всех, кто не был просвещен в таких вопросах, заключается в том, что камень падает на землю, потому что земля находится внизу, а камень — вверху, и нет ничего, что поддерживало бы камень в воздухе. У них нет представления о том, что какая-то сила заставляет камень падать. Такая сила существует, и это притяжение, которое Земля и камень оказывают друг на друга. Если вы держите камень в руке и тем самым препятствуете его падению, вы просто сопротивляетесь силе, которая тянет его вниз. Если бы вы могли каким-либо образом приостановить притяжение Земли и камня друг к другу, вы могли бы отпустить камень, и он остался бы висеть в воздухе и не упал бы, пока притяжение не восстановится.

74. Взаимность притяжения. Пробковые шарики движутся навстречу друг другу, потому что их притяжение взаимно. Так же и Земля с камнем на самом деле движутся навстречу друг другу по той же причине. Поскольку камень притягивается к Земле, так и Земля притягивается к камню. Но Земля — настолько огромный объект, что ее движение чрезвычайно мало — настолько мало, что практически его можно считать равным нулю.

75. Иллюстрация. Это можно ясно проиллюстрировать, если сравнить силу притяжения с силой мышечного действия. Предположим, человек в лодке тянет за веревку, привязанную к кораблю, стоящему у причала, и таким образом подтягивает свою лодку к нему. Он даже не подозревает, что вообще сдвигает корабль; но на самом деле он это делает, ибо если вместо одной лодки сотня или более будут тянуть корабль, они сдвинут его настолько, что движение станет заметным. В случае с одной лодкой корабль движется так же реально, как и тогда, когда его тянут сто лодок, но только в сто раз меньше. Теперь пусть корабль олицетворяет Землю, а маленькая лодка — какое-либо тело, например камень, притягиваемый ею. Земля и камень движутся навстречу друг другу, точно так же, как корабль и лодка. И если бы, увеличивая число лодок, мы увеличивали массу камня до огромных размеров, он своим притяжением оказывал бы заметное влияние на движение Земли.

Заметьте в отношении этой иллюстрации, что не имеет значения, находится ли человек в лодке или на корабле, когда он тянет. В любом случае он прикладывает равную силу к кораблю и лодке, заставляя их сближаться. Так же обстоит дело и с притяжением между Землей и камнем. Это сила, приложенная в равной степени к обоим. Ее воздействие на Землю не проявляется, потому что она намного больше камня; точно так же, как воздействие тяги человека не проявляется на корабле, потому что он намного больше лодки.

76. Пропорциональность взаимных движений притяжения. Давайте продолжим иллюстрацию немного дальше. Если человек стоит в лодке и тянет за веревку, привязанную к другой лодке такого же размера и веса, обе лодки при сближении пройдут одинаковое расстояние. Точно так же обстоит дело с притяжением между двумя телами, имеющими одинаковое количество материи или равный вес — они притягивают друг друга одинаково и поэтому встречаются на полпути. Пусть теперь одна лодка будет в десять раз больше и тяжелее другой. Маленькая лодка переместится в десять раз больше, чем большая, когда человек сближает их, потянув за веревку. Подобным образом, если бы тело, составляющее одну десятую часть размера Земли, приблизилось к ней, они притягивали бы друг друга, но при сближении тело переместилось бы в десять раз дальше, чем Земля. В случае с падающими телами, даже если они могут быть большого размера, Земля движется навстречу им так незначительно, что ее движение совершенно незаметно. Было подсчитано, что если бы шар из земной породы диаметром в одну десятую мили был помещен на расстоянии одной десятой мили от Земли, то, поскольку Земля и это тело двигались бы под действием своего притяжения навстречу друг другу, движение Земли составило бы всего восемьдесят тысячных миллиардной доли (1/80 000 000 000) дюйма.

77. Всеобщность притяжения. Притяжение, о котором я говорил, существует между всеми телами, как бы далеко они ни находились друг от друга. Солнце, Земля, Луна и звезды притягивают друг друга; и в силу этого притяжения они стремятся соединиться в одну огромную массу, и сделали бы это, если бы другая сила, действующая в противовес этой, не препятствовала этому. Об этой силе будет рассказано в другой части этой книги.

78. Приливы. Один из эффектов притяжения между Землей и Луной довольно хорошо известен. Я имею в виду приливы. Когда прилив поднимается, это происходит потому, что вода океана ощущает притягательную силу Луны. Луна буквально приподнимает воду по направлению к себе. Притяжение Солнца иногда усиливает, а иногда уменьшает приливы, в зависимости от его положения по отношению к Луне и Земле. Если бы суша была такой же подвижной, как вода, или, другими словами, если бы ее частицы удерживались вместе не более сильным притяжением, чем частицы воды, происходило бы то же самое движение, что и в океане по поверхности Земли, когда при ее вращении последовательные ее части оказываются обращенными к Луне.

79. Значение слова «гравитация». Притяжение, существующее таким образом между различными телами материи, отделенными друг от друга, называется силой гравитации или тяготением, в отличие от силы сцепления, рассмотренной в предыдущей главе. Это название было дано ему потому, что у нас есть такие обычные примеры его влияния, как падение тел на Землю. Говорят, что они тяготеют к Земле. И говорят, что они делают это под действием силы гравитации или тяготения. Термин «земная гравитация» иногда используется при описании притяжения Земли, в отличие от того же явления, действующего на других планетах.

Fig. 22.

Fig. 23.

80. Притяжение к центру Земли. Все тела притягиваются к центру Земли. Это происходит потому, что Земля имеет форму шара, что можно прояснить с помощью рис. 22. Пусть круг представляет Землю, а «а» — тело, притягиваемое ею. Линии, проведенные от тела к Земле, представляют силу притяжения, оказываемую Землей на тело. Из них очевидно, что притяжение с одной стороны линии, проведенной от тела к центру Земли, такое же, как и с другой. Таким образом, сила притяжения Земли в целом действует на тело в направлении этой средней линии. Следовательно, она стремится притянуть его к центру. Поэтому, если подвесить груз на нити, продолжение линии нити пройдет через центр Земли. Раз это так, ясно, что два груза, подвешенные на двух нитях, не висят идеально параллельно друг другу. Разница настолько мала в обычных весах, что ее никак нельзя заметить. Но если бы можно было подвесить в небесах коромысло настолько длинное, чтобы оно охватывало большую часть окружности Земли, как показано на рис. 23, то прикрепленные к нему чаши весов были бы очень далеки от того, чтобы висеть параллельно друг другу. Вещества, подвешенные в разных частях земного шара, висят в разных направлениях, и те, что подвешены нашими собратьями на противоположной стороне Земли, висят прямо по направлению к нам.

Fig. 24.

81. Вверх и вниз. Все падающие тела падают к центру Земли, и по этому поводу можно сделать те же замечания, что я сделал в отношении подвешенных грузов. «Вверх» и «вниз» — это лишь относительные термины: «вверх» — это от центра Земли, а «вниз» — к нему. По мере того как Земля вращается вокруг своей оси, та же линия направления, которую мы называем «вверх» в одно время, становится «вниз» в другое. Это можно проиллюстрировать на рис. 24. Пусть круг представляет окружность Земли. При ежедневном вращении мы проходим весь этот круг. Если мы находимся в точке D в полдень, то в шесть часов мы будем в точке E, а в полночь — в точке F. Поэтому, если бросить шар А с некоторой высоты в полдень, линия, по которой он упадет, будет перпендикулярна линии, по которой он упадет, если вы бросите его с той же высоты в шесть часов; ибо эта высота за это время переместится из А в B. Если его бросить с той же высоты в полночь, линия его направления будет прямо противоположна той, что была двенадцать часов назад; ибо высота за это время переместится в C.

Не всегда верно, что падающие тела стремятся точно к центру Земли. Их притягивает не что-то в центре, а вещество всей Земли; и поскольку оно неоднородно по своей плотности и форме, притяжение также будет неравномерным. Так, точными экспериментами установлено, что отвес, подвешенный вблизи горы, притягивается ею настолько, что не будет висеть точно параллельно другому, подвешенному на некотором расстоянии от горы. Однако разница ни в коем случае не является достаточной, чтобы иметь какое-либо практическое значение.

82. Вес. Я уже говорил ранее (§ 52), что то, что мы называем весом, не является свойством материи, а лишь результатом свойства — силы гравитации. Сейчас я проиллюстрирую это. Если два тела падают на Землю, и одно из них содержит в десять раз больше частиц материи, чем другое, то для того, чтобы доставить его на землю, требуется и фактически прикладывается в десять раз большая сила гравитации. Это станет вам понятно, если вы будете помнить, что тело падает на землю не потому, что его нечему удерживать, а потому, что оно притягивается вниз силой притяжения, а затем сравните эту силу с любой другой силой, например, с силой мышечного действия. Если вы тянете к себе два груза, один из которых в двадцать раз тяжелее другого, или, другими словами, имеет в двадцать раз большее количество материи, чем другой, вы должны приложить в двадцать раз больше силы к первому, чем ко второму. Точно так же обстоит дело и с силой притяжения. Земля притягивает или тянет к себе тело, имеющее в двадцать раз большее количество материи, чем другое, с силой в двадцать раз большей. И первое тело будет иметь в двадцать раз больший вес, чем другое, ибо оно будет оказывать в двадцать раз большее давление на все, что сопротивляется силе, с которой Земля тянет его к себе. Вес, таким образом, есть величина давления, вызванного притяжением, существующим между Землей и взвешиваемым телом. Если вы поместите вещество на одну чашу весов, она опускается из-за притяжения между ним и Землей. Помещая гири на другую чашу до тех пор, пока весы не придут в равновесие, вы узнаете, сколько нужно, чтобы уравновесить давление вниз, вызванное притяжением вещества и Земли друг к другу; или, другими словами, вы узнаете, сколько оно весит. При этом вы используете определенные стандартные веса; то есть определенные количества материи, которые были согласованы человечеством и называются определенными именами, такими как фунты, унции и т. д. Когда при взвешивании используется пружина, пружина проверяется этими стандартными весами, и ее шкала размечается соответствующим образом.

83. Вес не фиксирован, а изменчив. Вес зависит не только от плотности взвешиваемого тела, но и от плотности Земли. Ибо притяжение, вызывающее давление, которое мы называем весом, является взаимным притяжением и пропорционально количеству материи как в теле, так и в Земле. Если бы, следовательно, плотность Земли увеличилась в два, три или четыре раза, вес всех тел увеличился бы в той же пропорции; то есть сила, с которой Земля притягивала бы их, была бы в два, три или четыре раза больше, чем сейчас. Это не было бы замечено по какому-либо эффекту на весах, так как гири и взвешиваемые предметы увеличились бы в весе одинаково. Но это было бы замечено в приборах, которые показывают вес тел по их влиянию на пружину. Они разошлись бы с весами и безменами пропорционально увеличению плотности Земли. Это было бы замечено также при применении мышечных и других сил при поднятии и удержании грузов. Для поднятия каждого камня потребовалось бы в два, три или четыре раза больше мышечных усилий, чем сейчас.

84. Вес меняется с расстоянием. Чем ближе два тела друг к другу, тем больше их притяжение. Чем ближе тело к Земле, тем больше притяжение, которое давит на него по направлению к Земле; другими словами, тем больше его вес. Сила гравитации, или вес, следовательно, наибольшая прямо у поверхности Земли и уменьшается по мере нашего удаления от Земли. По мере нашего удаления от Земли сила гравитации уменьшается в такой пропорции, что она всегда обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра Земли. Я объясню. Если расстояние от центра Земли до ее поверхности, которое составляет 4000 миль, назвать 1, то 4000 миль от Земли будут называться 2, или в два раза дальше от центра, а 8000 миль от Земли будут 3, и так далее. Квадраты этих чисел будут 1, 4, 9, 16 и т. д. Теперь, поскольку вес уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, тело весом в фунт на поверхности Земли весило бы всего четверть фунта на расстоянии 4000 миль и лишь девятую часть фунта на расстоянии 8000 миль. Тело весит меньше на вершине высокой горы, чем в долине внизу, потому что оно находится дальше от основной массы Земли и поэтому притягивается не так сильно. Разница, однако, невелика. Человек весом в двести пятьдесят фунтов в долине весил бы всего на полфунта меньше, если бы находился на вершине горы высотой в четыре мили.

85. Вес повсюду. Я говорил о весе только в отношении Земли. Но вес тел существует повсюду, ибо притяжение есть везде, где есть материя. Вес веществ на поверхности различных небесных тел варьируется в зависимости от количества материи в этих телах. Поскольку Луна намного меньше Земли, то, что весит фунт у нас, весило бы намного меньше фунта на Луне. А поскольку Солнце намного больше Земли, то, что является фунтом у нас, весило бы намного больше фунта там. Если бы мы знали точную плотность Солнца, Луны и Земли, а также их размер, мы могли бы точно оценить разницу в весе, который имело бы любое тело на них; ибо притяжение, которое вызывает давление, называемое нами весом, пропорционально количеству материи, а количество материи зависит как от плотности, так и от размера.

86. Сцепление, капиллярное притяжение и гравитация — одно и то же. Сила сцепления, капиллярное притяжение и гравитация — это лишь различные способы действия одной и той же силы, а именно притяжения, которое материя повсюду оказывает на материю. На первый взгляд может показаться, что есть что-то особенное в притяжении частиц, когда они сближаются настолько, что прилипают друг к другу. Ибо если мы возьмем любое вещество, например кусок стекла, его частицы, по-видимому, удерживаются вместе притяжением, значительно более сильным, чем то притяжение, которое заставляет разные тела двигаться навстречу друг другу. Однако если вы разобьете стекло, как бы плотно вы ни прижимали два куска друг к другу, они не соединятся снова. На первый взгляд кажется, что должно существовать какое-то особое расположение частиц, которое разрушается при разбивании стекла. Но мы можем легко объяснить эти факты другим способом. Притяжение между телами материи тем больше, чем ближе мы их сближаем. Чем ближе, например, Луна к любой части Земли, тем больше притяжение, которое она оказывает, что видно по приливам; и если бы она была намного ближе к Земле, чем сейчас, наши приливы были бы ужасно разрушительными. То, что верно для масс, верно и для частиц, из которых они состоят. Хотя их притяжение сравнительно слабо, когда они находятся на расстоянии друг от друга, оно увеличивается не в арифметической, а в геометрической прогрессии (§ 84), по мере того как они сближаются; так что когда они находятся чрезвычайно близко друг к другу, притяжение становится очень мощным. Следует помнить в отношении кусков разбитого стекла, что вы не можете сблизить частицы на их поверхностях так же близко, как они были до того, как стекло разбилось, ибо трещина не исчезает. А поскольку притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния, небольшое расстояние должно создавать большую разницу. Частицы некоторых веществ можно сблизить настолько, чтобы вызвать сцепление, как вы видели в случае с двумя пулями (§ 66). То, что их сцепление зависит лишь от того, что их частицы сближаются, видно из того факта, что чем более гладкими вы делаете поверхности, тем сильнее они будут сцепляться. А причина, по которой жидкости и полужидкости так легко прилипают к твердым веществам, заключается в том, что их частицы, свободно перемещаясь друг относительно друга, имеют таким образом возможность располагаться очень близко к частицам твердого тела. Так, когда капля воды висит на стекле, все частицы воды в той части капли, которая прилегает к стеклу, касаются, или, вернее, находятся чрезвычайно близко к частицам стекла.

87. Разнообразие результатов притяжения. Это одна и та же сила, которая связывает частицы гальки вместе и заставляет ее падать на землю — которая «формирует слезу» и «заставляет ее течь из источника» — которая придает Земле и всем небесным телам их шарообразную форму и, в сочетании с другой силой, о которой будет сказано ниже, заставляет их вращаться по своим орбитам. Как возвышенна мысль о том, что этот один простой принцип, придающий форму капле, распространяет свое влияние через необъятность пространства и так выстраивает «небесное воинство», что без малейшего прерывания или разлада они все продолжают свой путь из года в год и из века в век! Именно так Всемогущество использует простейшие средства для получения самых грандиозных и многообразных результатов.

88. Противодействие между способами притяжения. Хотя сцепление и гравитация по сути являются одним и тем же, мы видим, что они постоянно действуют в противовес друг другу. Можно привести множество иллюстраций, но я приведу лишь несколько.

Fig. 25. Fig. 26.

89. Почему у кувшинов есть носик. Если вы наливаете воду из стакана, происходит борьба между силой сцепления и гравитацией за господство — сила сцепления стремится заставить воду прилипнуть к стакану и стечь по его стенке, как на рис. 25, а гравитация стремится заставить ее падать прямо вниз. Но когда воду наливают из кувшина, как на рис. 26, носик кувшина действует в пользу силы гравитации; ибо воде пришлось бы повернуть под очень острым углом, чтобы стечь по внешней стороне кувшина в соответствии с силой сцепления. Наливая воду из стакана, мы часто можем быстрым движением, так сказать, бросить воду в руки гравитации, прежде чем сила сцепления успеет повернуть ее вниз по стенке стакана. Если вы сможете просто заставить воду начать течь из стакана, не стекая по его стенке, трудностей не будет; ибо существует сила сцепления между частицами воды, стремящаяся заставить их держаться вместе, которая в данном случае действует против сцепления между водой и стеклом и, следовательно, действует в пользу гравитации. Именно сцепление образует каплю на горлышке флакона, когда мы капаем лекарство — сцепление между частицами жидкости и сцепление между этими частицами и частицами стекла. С другой стороны, именно гравитация заставляет каплю упасть, когда она становится настолько большой, что сила гравитации преодолевает сцепление между каплей и флаконом.

90. Ограничение размера гравитацией. Если бы не сила гравитации, не было бы предела размеру капель любой жидкости. Когда капля достигает определенного размера, она падает, потому что она слишком тяжелая; или, другими словами, потому что при ее слабом сцеплении притяжение Земли тянет ее вниз. Теперь, если бы это притяжение можно было приостановить, а силу сцепления оставить действовать в одиночку, частицы воды могли бы добавляться к капле в любом количестве, и они бы держались там. Вы можете увидеть борьбу между сцеплением и гравитацией, очень красиво проиллюстрированную, если понаблюдаете за каплями дождя на оконном стекле. Если две капли оказываются совсем рядом, они соединяются под действием притяжения, а затем, будучи слишком большими, чтобы удерживаться там силой сцепления в противовес гравитации, объединенная капля стекает вниз. Если она не встречает другую каплю, она вскоре останавливается, потому что за счет сцепления часть ее прилипает к стеклу на всем пути, и так в конце концов уменьшается настолько, что снова может оставаться в подвешенном состоянии. Именно под влиянием силы гравитации различные виды жидкостей образуют капли разных размеров: более тяжелые дают маленькие, а более легкие — большие. Так, вы можете капнуть из флакона большую каплю спирта, чем воды, и большую каплю воды, чем азотной кислоты. У вас есть еще одна иллюстрация подобного характера в прилипании мела к классной доске или любой поверхности. Сам меловой мелок не может прилипнуть, ибо притяжение Земли не позволяет этого. Но небольшие его количества могут прилипать по той же причине, по которой вода прилипает к поверхностям в небольших количествах. Так же и пыль цепляется за боковые стороны мебели, хотя ком грязи не прилип бы.

Fig. 28.

Fig. 27.

91. Иллюстрация на твердых телах. Мы можем проиллюстрировать ограничение размера в твердых телах с помощью рис. 27 и 28. Предположим, что «а» и «b» на рис. 27 — это два выступа бруса из столба, причем «b» в два раза больше «а». Очевидно, что «b» не может поддерживать в два раза больший вес, чем «а», ибо гравитация тянет его вниз от места крепления к вертикальному столбу с силой в два раза большей, чем «а». Случай становится еще более выраженным, когда, как показано на рис. 28 (стр. 64), больший брус в два раза длиннее меньшего. Здесь «d» имеет в четыре раза больший объем, чем «с». Но он не может поддерживать в четыре раза больший вес на своем конце, не только потому, что его собственный вес давит на него вниз, но и потому, что половина его веса находится на большем расстоянии от места крепления, чем меньший брус. Гравитация здесь действует в противовес сцеплению таким образом, что выступающий брус, если его довести до определенного размера, упадет под собственным весом, либо сломавшись пополам, либо оторвавшись от места крепления. Этому стремлению очень часто противодействуют в зданиях и других конструкциях с помощью подкосов, как показано на рис. 29. Здесь вес горизонтального бруса на некотором расстоянии по обе стороны от «а» заставляют давить на вертикальный столб, а не прямо вниз.

Fig. 29.

92. Дальнейшие иллюстрации. Размер тел, как одушевленных, так и неодушевленных, ограничен Творцом в соответствии с принципами, изложенными выше. Это видно из того факта, что на суше нет животных, сравнимых по размеру с морскими чудовищами. Кит прекрасно чувствует себя в воде, потому что он поддерживается этой стихией; но животное размером с кита не могло бы хорошо существовать на суше, потому что гравитация действовала бы слишком сильно в противовес сцеплению. По крайней мере, было бы необходимо, чтобы он мог ходить или даже просто сохранять целостность, чтобы его огромная масса состояла из очень прочных и вязких материалов. Всякий раз, когда нужно поддерживать что-то очень большое или высокое, опора всегда должна быть широкой и состоять из очень прочных материалов. Мы видим это на примере массивных стволов взрослых деревьев по сравнению с тонкими стволами деревьев тех же видов в питомнике. Мы видим это на том факте, что самые высокие горы сложены из самых твердых пород, в то время как мягкие меловые образования ограничены небольшими размерами. Существует предел высоты даже гранитных гор из-за влияния гравитации. Если бы их сделали намного выше, чем они есть, притяжение Земли в своем противодействии сцеплению разорвало бы их в трещинах или заставило бы огромный вес раздавить их основания. На Луне, где гравитация меньше, чем на Земле (§ 85), горы могут быть намного выше без этих результатов, и, соответственно, телескоп показывает, что они таковы. На Юпитере, с другой стороны, который намного больше Земли, горы, если они там есть, не могут достигать большой высоты, и если на этой планете есть живые существа такого же размера, как мы, они должны быть сделаны из значительно более прочных материалов, чтобы их не раздавило собственным весом.

93. Нарушение вышеуказанных принципов человеком. Человек часто нарушает эти принципы в своих конструкциях. Например, здание дает осадку, потому что фундамент недостаточно прочен, чтобы выдержать вышележащий вес; другими словами, сила гравитации недостаточно принята во внимание. Когда возводится очень высокое здание, нижние части должны быть сделаны из очень прочных веществ. Поэтому прочный гранит является подходящим материалом для нижнего этажа высоких кирпичных зданий. По крайней мере, стены нижних этажей таких зданий должны быть сделаны толще, чем они обычно бывают, чтобы должным образом противостоять силе гравитации веса сверху. Склады, предназначенные для выдерживания большого веса на своих этажах, часто строятся без должного учета силы сцепления, необходимой для поддержания веса. Длинные брусья иногда поддерживаются только по концам, когда их собственный вес, не говоря уже о том, что может быть приложено к ним, требует, чтобы они поддерживались в других точках. В то время как в современных зданиях брусья часто слишком малы, в некоторых старых зданиях верхние брусья настолько тяжелы, что скорее уменьшают, чем увеличивают прочность конструкции. Особенно это касается неприглядных балок, которые в некоторых древних домах мы видим тянущимися вдоль потолков наверху. Можно было бы привести много других примеров, но этих будет достаточно.

Натренированный глаз, глядя на здание, инстинктивно требует, чтобы каждая часть была видна как подходящим образом поддерживаемая. Поэтому галерея в церкви, если она без колонн или подкосов от стены, неприятна такому глазу, даже если в способе конструкции действительно предусмотрена достаточная поддержка. То же самое можно сказать о галереях, поддерживаемых тонкими железными колоннами, особенно если они выкрашены в какой-нибудь светлый цвет, чтобы казалось, что они деревянные, а не железные. По той же причине портики без колонн неприглядны. Так же и глаз инстинктивно ищет достаточное основание для каждой колонны и пилястры. Сокрытие основания каким-либо образом или замена его чем-то другим является неприятной аномалией, и все же такие аномалии иногда встречаются даже в дорогих зданиях.

94. Притяжение в натурфилософии и химии. Притяжение, о котором я говорил в этой и предыдущих главах, — это то, которое относится к натурфилософии, в отличие от химии. Его эффекты носят лишь механический характер, в то время как притяжение в химии идет дальше этого и влияет на состав веществ. Например, притяжение между двумя газами, кислородом и водородом, которое заставляет их соединяться для образования воды, относится к химии; в то время как то, что заставляет частицы воды сцепляться, находится в ведении натурфилософии.

ГЛАВА VI. ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ.

Fig. 30.

 

Fig. 31. Fig. 32.

95. Центр тяжести проиллюстрирован. Если вы балансируете линейку на пальце, как на рис. 30, она сбалансирована, потому что с одной стороны веса столько же, сколько с другой. Теперь прямо над вашим пальцем, посередине линейки, есть точка, которую мы называем центром тяжести; или, другими словами, центром веса линейки. Эта точка указана на рисунке. Веса линейки с одной стороны от этой точки столько же, сколько с другой, а также столько же выше нее, сколько ниже. Если ваш палец окажется немного в стороне от этой точки, линейка не будет сбалансирована и упадет. Когда она сбалансирована, она не падает просто потому, что эта центральная точка поддерживается, находясь прямо над кончиком пальца. Вес линейки, таким образом, можно практически считать сосредоточенным в этой точке, ибо именно там оказывается все давление линейки вниз, когда она сбалансирована. Точно так же, когда линейка сбалансирована на пальце, как показано на рис. 31 (стр. 68), этот же центр тяжести находится прямо над точкой пальца и поэтому поддерживается. Если он находится в стороне, как на рис. 32, он не поддерживается, и линейка поэтому падает. Вы видите, таким образом, что если тело сбалансировано, центр тяжести находится прямо над точкой опоры. Если, с другой стороны, тело подвешено, центр тяжести находится прямо под точкой опоры.

Fig. 33.

96. Определение. Если бы отвес из центра тяжести можно было продлить в Землю, он прошел бы прямо к ее центру. Можно считать, что тело оказывает все свое давление из центра тяжести в этом направлении, в соответствии с силой гравитации. Лучшее определение, которое мы можем дать центру тяжести, — это то, что это точка в теле, из которой исходит его давление в целом по направлению к центру Земли. Это та точка, следовательно, поддержка которой обеспечивает поддержку всего тела. И говоря о весе тела, или его давлении вниз, мы можем считать всю материю, составляющую его, собранной или сосредоточенной в этой точке. Тело, следовательно, может быть сбалансировано в любом положении, в котором эта точка поддерживается, как показано на рис. 30 и 31. И когда тело подвешено, оно находится в покое только тогда, когда центр тяжести находится прямо под точкой опоры. Так, если у вас есть круглая пластина, подвешенная в точке E, рис. 33, она не будет в покое, когда ее перемещают в ту или иную сторону, как показано пунктирными линиями, а только тогда, когда центр тяжести «с» находится прямо под точкой E.

Fig. 34. Fig. 35.

97. Как найти центр тяжести тела. Если вы возьмете кусок доски и подвесите его в точке A, рис. 34, и подвесите отвес из той же точки, центр должен находиться где-то на этой линии. Но в какой именно точке он находится, вы не знаете. Как вы это выясните? Отметьте линию AB на доске и подвесьте доску за другую точку, как на рис. 35. Поскольку центр тяжести должен находиться где-то на линии отвеса, как он висит сейчас, конечно, он находится в точке O, где пересекаются две линии.

Fig. 36. Fig. 37.

98. Весы и безмены. Когда два тела соединены стержнем или перекладиной, центр тяжести целого находится где-то в соединении. Если два тела равны по весу, как на рис. 36, центр тяжести находится точно посередине стержня, как отмечено. Но если тела неравны, как на рис. 37, центр тяжести ближе к большему телу, чем к меньшему. При балансировке тела на одних весах с гирями на других вы имеете случай, параллельный случаю на рис. 36. Центр тяжести взвешиваемого тела, гирь и весов в целом находится посередине между чашами весов, в точке опоры. В безмене у вас тяжелое тело, которое нужно взвесить, находится ближе к центру тяжести, чем маленький груз на длинном плече, и поэтому этот случай параллелен случаю на рис. 37.

Fig. 38.

99. Центр тяжести тела не всегда находится в самом теле. Центр тяжести полого шара равномерной толщины находится не в веществе шара, а в центре пространства внутри шара, ибо линия давления шара вниз исходила бы из этой точки. Если бы в шаре был каркас, как показано на рис. 38, центр тяжести очевидно находился бы в точке A, центре этого каркаса. Но если бы каркаса не было, и предполагалось бы, что перпендикулярные линии проведены из разных точек подвеса C, B, D и E, они пересеклись бы в точке A, показывая, что это центр тяжести, согласно правилу нахождения, данному в § 97. Так же центр тяжести пустой коробки или пустого корабля был бы воображаемой точкой в пространстве внутри. В обруче это центр круга обруча.

Fig. 39.

100. Центр тяжести стремится к самой низкой точке. Центр тяжести всегда занимает самое низкое место, которое позволяет опора тела. В подвешенном теле, следовательно, он всегда находится прямо под точкой подвеса. Чтобы попасть в ту или иную сторону от этого положения, он должен подняться. Это запрещает сила гравитации, и если какой-либо силой его заставляют подняться, это притяжение сразу возвращает его обратно. Это очевидно в случае с подвешенным шаром, рис. 39. Если шар переместить в «b», он при отпускании вернется в свое первое положение просто потому, что его центр тяжести, в соответствии с притяжением Земли, стремится занять самое низкое возможное место. Из-за инерции (§ 49) он движется дальше этой точки и продолжает некоторое время колебаться туда-сюда; но когда его движение прекращается, он висит перпендикулярно; то есть таким образом, чтобы его центр тяжести занимал самое низкое возможное положение. Я добавлю несколько других иллюстраций того же момента. Когда лошадка-качалка находится в покое, ее центр тяжести находится прямо над точкой, в которой она касается пола, ибо так она занимает свое самое низкое возможное место. Если ее раскачать, центр тяжести перемещается в более высокую точку, и по этой причине она раскачивается обратно. То же самое видно на качелях, колыбели, кресле-качалке и т. д. Самые интересные иллюстрации того же самого явления можно найти в «Лагган», или «Логганских камнях», как их называют, несколько из которых можно увидеть на скалистых частях британского побережья. Огромная скала, которая была расшатана каким-то потрясением, покоится слегка закругленным основанием на другой скале, которая плоская, и она настолько точно сбалансирована, что один человек может вызвать заметное раскачивающее движение в ней. Много лет назад я видел большую скалу недалеко от Салема, штат Массачусетс, расположенную таким образом. Есть одна такая и в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс.

Fig. 40. Fig. 41.

Fig. 42.

Fig. 43.

101. Дальнейшие иллюстрации. Именно потому, что центр тяжести всегда стремится к самому низкому месту, яйцо лежит на боку. Когда оно на боку, центр тяжести находится в самой низкой точке, что видно из сравнения рис. 40 с рис. 41 (стр. 71). У детей часто есть игрушка, называемая «ведьма», которая иллюстрирует то же самое другим способом. Это кусок легкого вещества, например сердцевины, с дробью, закрепленной в одном конце. Она всегда стоит на своем нагруженном конце и ее нельзя заставить лечь на бок, потому что центр тяжести тогда не был бы в самой низкой точке. Есть забавная китайская игрушка того же рода. Это фигурка толстой старухи, рис. 42, нагруженная свинцом внизу, так что ее центр тяжести находится в точке «а». Если фигурку толкнуть в сторону, как показано пунктирными линиями, центр тяжести поднимается, и вертикальное положение сразу же возобновляется. Если бы игрушка не была нагружена, она лежала бы в положении, представленном на рис. 43, точно так же, как яйцо лежит на боку.

Fig. 44.

 

Fig. 47.

102. Любопытные эксперименты. Вы не можете повесить ведро с водой на палку, положенную на стол, как показано на рис. 44, ибо центр тяжести не поддерживается. Но если вы поместите другую палку «а» в качестве подпорки, способом, представленным на рис. 45 (стр. 73), чтобы подтолкнуть ведро под стол, оно будет висеть надежно, потому что центр тяжести теперь находится под точкой подвеса. Объяснение следующего эксперимента такое же: проденьте большую иглу через пробку; прикрепите к пробке вилку, и вы сможете подвесить все это на край стола, как видно на рис. 46. Здесь центр тяжести находится прямо под точкой подвеса, которая находится на кончике иглы. То же самое можно сказать об очень распространенной игрушке, представленной на рис. 47. Лошадь, сделанная из очень легкого материала, стоит надежно, потому что центр тяжести целого находится в тяжелом шаре, который находится под точкой подвеса. Если заставить лошадь раскачиваться туда-сюда, центр тяжести в шаре движется по кривой линии, как в случае с шаром, подвешенным на нити (рис. 39). Он находится в самом низком месте только тогда, когда лошадь находится в покое. Подвешивание трости с крючкообразной ручкой на край стола объясняется тем же способом.

Fig. 45. Fig. 46.

Fig. 48. Fig. 49. Fig. 50.

Fig. 51.

 

Fig. 52.

103. Устойчивость тел. Твердость, с которой стоит тело, зависит от двух обстоятельств — высоты его центра тяжести и размера его основания. Чем ниже центр тяжести и чем шире основание, тем тверже стоит тело. Куб, представленный на рис. 48, более устойчив, то есть его труднее перевернуть, чем тело формы рис. 49, потому что у него большее основание. Контраст еще больше между рис. 48 и 50. Причина устойчивости тела с широким основанием заключается в том, что при его переворачивании центр тяжести должен быть поднят выше, чем при переворачивании тела с более узким основанием. Кривые линии указывают пути центров тяжести при переворачивании тел. В случае с идеально круглым шаром основание — это просто точка, и поэтому малейшее прикосновение переворачивает его. Его центр тяжести вообще не поднимается, а движется по горизонтальной линии, как показано на рис. 51. Пирамида — самая прочная структура в мире, потому что она обладает в высшей степени двумя элементами — широким основанием и низким положением центра тяжести. По обеим этим причинам центр тяжести должен значительно подняться, когда тело переворачивается, как видно на рис. 52.

 

Fig. 53.

Fig. 54.

104. Неустойчивость тел, стоящих не вертикально. Когда тело стоит не вертикально, его устойчивость уменьшается просто потому, что только часть основания участвует в его поддержке. На рис. 53 основание широкое, но тело настолько далеко от вертикального положения, что центр тяжести давит на самый край основания с одной стороны, как указывает перпендикулярная линия от него. Малейший толчок перевернет его, потому что центру тяжести не нужно подниматься ни на йоту, когда это происходит. Вы видите, таким образом, что чем менее вертикально стоит тело, тем меньше основания служит для его поддержки, потому что дальше находится линия направления давления вниз центра тяжести от центра основания. Знаменитая Пизанская башня, рис. 54, высотой сто тридцать футов, нависает над своим основанием на пятнадцать футов. Она, несомненно, была построена намеренно таким образом, чтобы вызвать удивление и изумление, ибо то, что в противном случае было бы очень небезопасной структурой, сделано устойчивым и безопасным благодаря расположению материалов. Ее нижняя часть построена из очень плотной породы, средняя — из кирпича, а верхняя — из очень легкого пористого камня. Таким образом, центр тяжести всей структуры сделан очень низким.

Fig. 55.

105. Привычные иллюстрации. Вы теперь видите объяснение факта, который обычный опыт преподает каждому: чем выше тело и чем уже его основание, тем легче его опрокинуть. Это проиллюстрировано на двух грузах, рис. 55. Основание — это пространство, ограниченное колесами. Центр тяжести настолько высок в высоком грузе, что перпендикулярная линия, проведенная от него, падает за пределы основания, если повозка попадает на значительный боковой уклон дороги. Но меньший груз при тех же обстоятельствах совершенно защищен от опрокидывания. Высокая карета легче опрокидывается, чем низкая, по той же причине. Дилижанс, если он нагружен на крыше, очень небезопасен на неровной дороге. Устойчивость придается предметам мебели путем создания их оснований широкими и тяжелыми, как вы видите в столах, поддерживаемых центральной колонной, подсвечниках, лампах и т. д. Высокие стулья, в которых дети сидят за столом, были бы очень ненадежны, если бы их ножки не были широко расставлены внизу, тем самым расширяя основание опоры. В лестнице, так часто используемой сейчас при сборе фруктов, широкое основание обеспечивается между подножием лестницы и двумя стойками, которые разведены в стороны, чтобы поддерживать ее верх.

Fig. 56. Fig. 57.

106. Поддержка центра тяжести у животных. Основание опоры, которое имеют четвероногие, а именно пространство между их четырьмя ногами, довольно велико; и это одна из причин, по которой они начинают ходить так скоро после рождения. Ребенок хорошо делает, если может ходить в конце десяти или двенадцати месяцев, ибо опорное основание довольно мало по сравнению с основанием четвероногого. Оно состоит из ступней и пространства между ними. Поэтому ребенку требуется навык, чтобы управлять центром тяжести при стоянии и ходьбе, и это постепенно приобретается. Если бы кто-то вырос, никогда не стоя на своих ногах, он обнаружил бы, как и младенец, что требуется некоторая тренировка, чтобы позволить ему сделать это. Именно из-за малости основания, обеспечиваемого ступнями, статуя человека всегда делается с большим основанием или пьедесталом. Хотя мы проявляем значительный навык при ходьбе, отнюдь не так много требуется, как должны прикладывать китайские дамы со своими маленькими ступнями. Еще больше навыка проявляет тот, у кого две деревянные ноги, или тот, кто ходит на ходулях. Основание, создаваемое ступнями, может сильно варьироваться в зависимости от их положения. Если носки развернуты наружу, а пятки сближены друг с другом, основание будет не таким большим, как когда ступни направлены прямо вперед и широко расставлены, что видно на рис. 56 и 57. Именно по этой причине ребенок в своих первых попытках стоять и ходить инстинктивно управляет своими ступнями, как на рис. 56.

Fig. 58.

Fig. 59.

Fig. 60. Fig. 61.

107. Движения центра тяжести при ходьбе. При ходьбе центр тяжести попеременно переносится над одной и другой ногой и поэтому движется по волнообразной линии. Это очень заметно, когда вы видите людей перед собой, идущих по проходу из церкви. Когда двое идут вместе, если они идут в ногу, две волнообразные линии их центров тяжести идут параллельно, как на рис. 58, и они идут легко; но если они не идут в ногу, эти линии идут, как на рис. 59, и движение является одновременно неловким и затруднительным. Линия движения центра тяжести всегда слегка волнообразно направлена также вверх, как видно на рис. 60 (стр. 78). В случае человека с деревянными ногами линия была бы не плавно волнообразной, а несколько угловатой, как представлено на рис. 61.

Fig. 62. Fig. 63.

Fig. 64.

Fig. 65.

108. Центр тяжести и положение тела. Цель принятия различных поз в разных обстоятельствах — удержать центр тяжести над площадью опоры. Человек с грузом на спине не примет позу, показанную на рис. 63, а выберет позу рис. 62, чтобы центр тяжести груза находился прямо над его ступнями. Точно так же человек, несущий что-либо перед собой, отклоняется назад, как на рис. 64. При подъеме в гору человек кажется наклоненным вперед, а при спуске — назад; но на самом деле в обоих случаях он стоит прямо относительно плоскости, на которой расположена гора, что видно на рис. 65. Перпендикулярная линия, опущенная из его центра тяжести, проходит через середину расстояния между ступнями, то есть через центр площади опоры, и, если ее продолжить, она пойдет прямо к центру Земли. Когда человек встает со стула, он отводит ноги назад, а затем наклоняет корпус вперед, чтобы переместить центр тяжести над ступнями. Если этого не сделать, встать невозможно, по крайней мере осознанно, в чем вы можете убедиться, проделав этот опыт. Человек, стоящий пятками вплотную к стене, не может наклониться вперед и что-либо поднять, так как стена мешает ему отвести любую часть тела назад, и поэтому, когда он наклоняется вперед, центр тяжести смещается далеко за пределы площади опоры, он теряет равновесие и падает. Один человек, не понимавший этого, попытался наклониться таким образом, чтобы поднять кошелек с двадцатью гинеями, которые он должен был получить в случае успеха, при этом неустойка в случае неудачи составляла десять гиней. Разумеется, его центр тяжести заставил его проиграть пари.

109. Канатоходцы, волчки и т. д. Канатоходец демонстрирует огромное мастерство в удержании центра тяжести. Подобное мастерство можно увидеть в упражнениях на равновесие, например, при балансировании длинной палкой вертикально на пальце. В этих случаях центр тяжести лишь малую часть времени находится прямо над точкой опоры. Он постоянно движется почти, но не совсем над этой точкой; такое неустойчивое равновесие, как его называют, поддерживать гораздо легче, чем устойчивое равновесие, то есть сохранение баланса в одном неизменном положении. Именно движение волчка заставляет его стоять вертикально на острие — это очень красивый пример неустойчивого равновесия. Центр тяжести вращается вокруг перпендикулярной линии, сначала на очень малом расстоянии от нее, но по мере замедления движения это расстояние становится все больше, пока, наконец, центр тяжести не удалится от этой линии настолько, что волчок упадет. По схожей причине нетрезвый человек может быть не в состоянии удержаться на ногах, если попытается стоять неподвижно, но может сделать это, если будет продолжать движение. Как и в случае с волчком, его центр тяжести должен находиться в движении, иначе он упадет.

ГЛАВА VII. ГИДРОСТАТИКА.

110. Что изучает гидростатика. Гидростатика — это раздел натурфилософии, который рассматривает давление и равновесие жидкостей. Все явления, которые она изучает, являются результатом влияния земного притяжения на жидкости. Именно по этой причине данная тема закономерно требует нашего рассмотрения после изучения общего вопроса о притяжении, как мы это делали в предыдущих главах. Чтобы полностью понять явления гидростатики, вы должны постоянно помнить о двух главных характеристиках жидкостей. Первая заключается в том, что частицы свободно перемещаются друг относительно друга (§ 9). Вторая — в том, что жидкость практически полностью несжимаема (§ 36).

111. Уровень поверхности жидкостей. Именно влияние гравитации на жидкости придает им ровную поверхность, когда они не взволнованы какой-либо причиной. Посмотрите, как это происходит. Спокойную массу воды можно рассматривать как состоящую из слоев частиц. Каждый слой будет иметь все свои частицы, одинаково притягиваемые Землей, и поэтому должен быть ровным. Если бы какие-либо частицы притягивались слабее, чем их соседи, они бы поднялись, как это происходит при нагревании, что вы увидите далее. Когда верхние слои частиц нарушаются ветром или любой другой причиной, как только возмущение прекращается, частицы снова занимают свои места в ровных слоях под влиянием гравитации.

112. Сравнение. Частицы воды можно сравнить с дробью. Если у вас есть дробь в сосуде и она насыпана горкой в какой-либо части поверхности, то при встряхивании сосуда те частицы, что находятся выше, скатятся вниз, и результатом будет ровная поверхность. Они делали бы это и без встряхивания, если бы были такими же гладкими, как частицы воды. Если бы мы могли иметь микроскоп, достаточно сильный, чтобы различить форму частиц воды, поверхность, вероятно, выглядела бы как ровная поверхность дроби в сосуде. Но частицы воды настолько чрезвычайно малы, что поверхность воды, когда она полностью свободна от возмущений, настолько гладкая, что представляет собой идеальное зеркало, часто радуя наши глаза другим миром красоты, когда мы смотрим вниз в ее тихие глубины. Вода была первым зеркалом человека, и одним из самых красивых отрывков в «Потерянном рае» является описание того, как Ева впервые проснулась после своего сотворения на берегу озера и увидела свое отражение в его гладких водах.

Fig. 66.

113. Поверхность жидкостей не является строго ровной. Строго говоря, поверхность жидкости не является ровной, а округлой. Но она настолько мало округла, что это невозможно заметить, если мы не охватим взглядом очень большую поверхность, например, океан. Здесь это очень заметно, ибо всякий раз, когда корабль входит в порт, первое, что видно с берега, — это верхушка паруса, остальная часть корабля скрыта водой, выпуклой между ним и наблюдателем. Это проиллюстрировано на рис. 66. В точке а корабль только что показался, тогда как в точке b он так близко к берегу, что глаз видит его целиком. Если бы на Земле не было возвышенностей суши или если бы воды было достаточно, чтобы покрыть их, вода образовала бы идеально шарообразное покрытие для Земли, удерживаемое силой притяжения. Причина этого в точности та же, что была приведена в § 58 для склонности капли жидкости принимать шарообразную форму. Как и в том случае, так и в этом можно доказать, что каждая частица притягивается к общему центру и что это создаст у свободно движущихся частиц равномерно округлую поверхность. То, что таким образом можно было бы показать как истину, если бы Земля была полностью покрыта водой, справедливо и для тех участков воды, которые сейчас заполняют впадины в земной коре; и это можно заметить, как показано в первой части этого параграфа, в случае любого протяженного участка воды.

Fig 67.

114. Уровень (ватерпас). То, что мы называем идеально ровной поверхностью, — это поверхность, все части которой одинаково удалены от центра Земли, и поэтому она на самом деле является сферической поверхностью. Но сфера настолько велика, что любой ее очень малый участок можно считать для всех практических целей идеальной плоскостью. Обруч, опоясывающий Землю, изгибался бы на восемь дюймов на каждой миле. Поэтому при прокладке канала существует отклонение от прямой ровной линии. Поскольку это отклонение составляет всего дюйм на восьмую часть мили, оно не имеет значения при определении уровня для зданий. Уровни определяются с помощью так называемого спиртового уровня. Он состоит из закрытой стеклянной трубки (рис. 67), почти заполненной спиртом. Пространство, не занятое спиртом, занято воздухом. Трубка для удобства и безопасности помещена в деревянный футляр, в котором имеется отверстие в точке а. Теперь, когда футляр со стеклянной трубкой находится идеально горизонтально, пузырек воздуха будет виден посередине в точке а; но если один конец будет выше другого, пузырек окажется у этого конца или сместится к нему.

115. Реки. Если желоб расположен строго горизонтально, вода будет иметь одинаковую глубину на обоих концах, так как поверхность воды на обоих концах будет находиться на одинаковом расстоянии от центра Земли. Но приподнимите один конец, и теперь глубина будет больше на другом конце. Если бы это было не так, поверхность на двух концах не находилась бы на одинаковом расстоянии от центра Земли. Теперь, если при таком положении желоба вода втекает в верхний конец и вытекает из нижнего, вы получаете пример того, что происходит во всех реках — вода находится в постоянном движении под влиянием гравитации, заставляющей ее стремиться к горизонтальному уровню. Очень небольшой уклон придаст воде движение, ибо частицы настолько подвижны друг относительно друга, что, подчиняясь гравитации, они стекают по наклонной плоскости, стремясь к уровню. Уклон в три дюйма на каждую милю в гладком прямом русле заставит реку течь со скоростью около трех миль в час. Ганг, который получает свои воды из Гималайских гор, на протяжении 1800 миль падает на 800 футов. Магдалена в Южной Америке падает всего на 500 футов, протекая 1000 миль между двумя хребтами Анд.

116. Как образовались некоторые реки. Изменения постоянно происходят на Земле из-за стремления воды к уровню. При этом вода переносит твердые вещества различных видов с возвышенных мест в пониженные, стремясь заполнить последние. Новые русла также иногда прокладываются водой. Мальчик, который делает маленький пруд со своей грязевой плотиной и позволяет воде переливаться из него в другой пруд на более низком уровне, наблюдая, как русло, пробитое водой между двумя прудами, становится все больше и больше, видит наглядное представление в малом масштабе некоторых масштабных изменений, которые происходили в прошлые века в некоторых частях Земли. Предполагается, и не без оснований, что многие реки возникли указанным выше способом. Например, там, где Дунай совершает свой долгий путь, когда-то была цепь озер. Когда они соединились между собой из-за перелива, русла, прорезанные между ними водой, постоянно увеличивались, пока, наконец, не образовалось одно длинное, глубокое и широкое русло — река, в то время как озера высохли и образовали плодородную долину, по которой эта величественная река течет, чтобы впасть в Черное море. Говорят, что подобный процесс явно происходит в Женевском озере: его сток постоянно расширяется, в то время как наносы с соседних холмов и гор заполняют озеро. Города, которые столетие назад лежали прямо на берегах озера, теперь имеют сады и поля между ними и береговой линией; и доктор Арнот говорит: «Если город Женева просуществует достаточно долго, его жителям придется говорить о реке в соседней долине, вместо живописного озера, которое сейчас ее наполняет».

Fig. 68.

Fig. 69.

117. Каналы. Управление шлюзами канала соответствует стремлению воды к уровню. Вид сверху на шлюз и часть двух соседних шлюзов приведен на рис. 68. Шлюз C имеет две пары шлюзовых ворот, D D и E E. Уровень воды в A выше, чем в C, но уровень одинаков в C и B, потому что ворота E E открыты. Предположим теперь, что в шлюзе B находится лодка, которую вы хотите перевести в шлюз A. Ее нужно ввести в шлюз C, а ворота E E закрыть. Теперь воду можно заставить течь из более высокого уровня A в C, пока уровень не станет одинаковым в A и C. Но это нельзя сделать, открыв ворота D D, так как давление такой высоты воды в шлюзе A сделало бы это трудным, возможно, невозможным; и, кроме того, если бы это можно было сделать, быстрый поток воды в C затопил бы находящуюся там лодку. Поэтому сброс осуществляется через отверстия в нижней части ворот D D. Эти отверстия закрыты сдвижными затворами, которые поднимаются с помощью зубчатых реек и шестерен, как показано на рис. 69. Когда уровень воды в A и C сравняется, ворота D D можно легко открыть, и лодку можно перевести из C в A. Если лодка должна пройти вниз по шлюзам, описанный процесс должен быть выполнен в обратном порядке.

Каналы также широко используются для подачи воды через боковые отверстия для вращения водяных колес при работе механизмов. Вода вращает колесо силой, которую ей придает гравитация при спуске с уровня канала на уровень реки.

Fig. 70.

Fig. 71.

118. Другие примеры. Мы видим стремление жидкостей находиться на одном уровне и в других случаях. В кофейнике жидкость имеет тот же уровень в носике, что и в самом сосуде, независимо от его положения, как видно на рис. 70 (стр. 86). Если его наклонить настолько, что уровень жидкости в сосуде станет выше отверстия носика, жидкость выльется. Если соединить два резервуара с водой, вода будет стоять на одной высоте в обоих, независимо от расстояния между ними. Так же и в водопроводных трубах, идущих от резервуара, вода поднимется так же высоко, как поверхность воды в самом резервуаре. Если отверстия труб будут ниже этого уровня, вода будет вытекать из них, как в случае с кофейником. Причина этих и подобных фактов та же, что и у ровной поверхности в сосудах и резервуарах — действие гравитации. Это можно пояснить с помощью рис. 71. Пусть рисунок представляет сосуд с перегородками различной толщины, которые, однако, не доходят до дна сосуда. Вода в нем будет стоять на одном уровне в разных отделениях, точно так же, как если бы в сосуде не было таких перегородок, как показано. Это просто потому, что притяжение Земли действует на воду одинаково как с перегородками, так и без них. И вы можете видеть, что не будет никакой разницы, будут ли эти перегородки толстыми или тонкими, или будут ли отделения близко, как вы видите здесь, или далеко друг от друга, как это бывает, когда от резервуара отходят ответвления труб. Ответвление трубы можно рассматривать как имеющее такое же отношение к резервуару, как одно из узких отделений на рисунке к остальной части сосуда. На результат совершенно не влияет ни размер, ни форма труб, которые могут быть соединены с общим резервуаром — жидкость будет стоять на одной высоте во всех них.

Fig. 72.

 

Fig. 73.

Таким образом, у нас есть на рис. 72 трубки различного размера и формы, a, b, c, d, e, соединенные с резервуаром r, и если налить воду в одну из них, она поднимется до одной и той же высоты во всех, точно так же, как в разных отделениях сосуда, представленного на рис. 71. Один человек однажды подумал, что он достиг великого desideratum — вечного двигателя — с помощью сосуда, сконструированного как на рис. 73. Он рассуждал так: если сосуд содержит фунт воды, а трубка — только унцию, так как унция не может уравновесить фунт, вода в сосуде должна постоянно выталкивать воду в трубке вверх. Поэтому она должна постоянно вытекать из отверстия трубки, и по мере того, как она втекает в сосуд, циркуляция должна продолжаться, и единственным препятствием для того, чтобы это была вечная циркуляция, было бы испарение воды. Он был озадачен, когда обнаружил, налив воду в сосуд, что она стоит на точно таком же уровне в сосуде и в трубке.

119. Акведуки. Древние строили каменные акведуки с огромными затратами, в некоторых случаях перекрывая долины на большой высоте, чтобы снабжать свои города водой. В настоящее время та же цель достигается со сравнительно небольшими затратами с помощью железных труб, проложенных под землей. Независимо от того, насколько ниже резервуара может быть долина, пересекаемая трубами, вода, текущая по ним, поднимется в любом месте их ответвлений до той же высоты, на которой она стоит в резервуаре. Некоторые полагают, что древние не знали об этом факте; другие же считают, что они знали о нем, но строили свои огромные акведуки, потому что у них не было материала для изготовления больших труб.

Fig. 74.

120. Источники и артезианские колодцы. Принципы, которые я развил в предыдущих параграфах, объяснят явления источников, обычных колодцев и артезианских колодцев. Земная кора в значительной степени состоит из слоев различных материалов, таких как глина, песок, гравий, мел и т. д. Когда они формировались, они, несомненно, были горизонтальными, но они были подняты природными катаклизмами таким образом, что представляют собой все разнообразие расположения. Поскольку некоторые из этих слоев гораздо более проницаемы для воды, чем другие, дождь, который выпадает и просачивается в землю, часто прокладывает себе путь через слой, лежащий между двумя другими, непроницаемыми для воды, и таким образом может появиться на большом расстоянии от места своего входа и на очень разной высоте. Как это объясняет явления источников, обычных колодцев и артезианских колодцев, можно прояснить с помощью рис. 74. A A и B B B предназначены для изображения пористых слоев земли, лежащих между другими слоями, непроницаемыми для воды. Вода в A A будет вытекать в C, образуя то, что обычно называют источником. Если мы выкопаем колодец в F, дойдя до пористого слоя B B B, вода поднимется до G, потому что это находится на одном уровне с поверхностью земли H, где входит запас воды. Из этой точки ее можно поднять насосом. Если колодец выкопан в D, вода поднимется не только до поверхности, но и до E, потому что это находится на одном уровне с H. Воду иногда получают при таких обстоятельствах с очень больших глубин. В этом случае пористый пласт, содержащий воду, достигается бурением, и тогда мы имеем то, что называется артезианским колодцем. Название происходит от Артуа во Франции, где эта операция была впервые выполнена. В Париже есть знаменитый колодец такого рода глубиной более 1800 футов, и вода поднимается на 112 футов над поверхностью. Более 600 галлонов вытекает каждую минуту. «Лондон, — говорит доктор Арнот, — стоит в низине, первым или самым внутренним слоем которой является чаша из глины, расположенная поверх мела, и при бурении через глину (иногда толщиной 300 футов) вода выходит и во многих местах поднимается значительно выше поверхности земли, показывая, что где-то есть более высокий источник или уровень — вероятно, среди холмов Суррея или тех, что к северу от Лондона».

121. Давление жидкостей пропорционально глубине. Давление жидкости находится в точной пропорции к ее глубине. Ибо, поскольку все частицы находятся под влиянием гравитации, верхний слой их должен поддерживаться вторым, а эти два слоя вместе — третьим, и каждый слой должен нести вес всех слоев над ним. Увеличение давления на больших глубинах производит самые поразительные эффекты. Так, если пустую закупоренную бутылку опустить очень глубоко в море, либо пробка будет вдавлена внутрь, либо бутылка будет раздавлена. Один джентльмен провел следующий опыт: он сделал пробку из соснового дерева, такой формы, что она выступала над горлышком со всех сторон. Затем он покрыл ее смолой и закрепил поверх всего несколько кусков брезента. Бутылку, подготовленную таким образом, он опустил на большую глубину, прикрепив к ней груз. Подняв ее, он обнаружил, что она содержит около полупинты воды, сильно пропитанной смолой, что показывает, что давление воды проталкивало воду через несколько кусков брезента, смолу и поры деревянной пробки. Когда корабль терпит крушение недалеко от берега, обломки по мере разрушения всплывают на берег; но когда авария происходит на большой глубине, огромное давление вдавливает воду в поры дерева и делает его настолько тяжелым, что ни одна часть судна никогда больше не поднимется. Когда человек ныряет очень глубоко, он сильно страдает от давления на грудь. Если мы наблюдаем за пузырьком воздуха, поднимающимся в воде, он сначала мал, но становится больше по мере приближения к поверхности, потому что испытывает меньшее давление, чем когда он был глубоко в воде. Сила, с которой жидкость вытекает из отверстия в сосуде, зависит от высоты жидкости над отверстием. Разница в этом отношении между полной бочкой и почти пустой очень очевидна. Большинство рыб, вероятно, не могут выдержать давление больших глубин, поэтому их обычно находят у побережья или на так называемых банках посреди океана.

Fig. 75.

122. Шлюзовые ворота, плотины и т. д. Применение вышеуказанных принципов при строительстве шлюзовых ворот, плотин и т. д. является делом огромной практической важности. Давайте посмотрим на это. Поскольку давление в жидкости всегда пропорционально высоте жидкости над точкой давления, давление на любую часть стороны сосуда, содержащего жидкость, должно быть пропорционально ее расстоянию от поверхности; или, другими словами, это вес столба воды, простирающегося от этой части до поверхности. Пусть A B C D (рис. 75) представляет сечение кубического сосуда, то есть такого, в котором каждая сторона имеет тот же размер, что и дно. Давление на точку a в линии A B — это давление столба частиц A a. Но A a равно c b, а c b равно b a. Следовательно, b a может представлять давление на a. Таким же образом можно показать, что e d представляет давление на d, n m — давление на m, C B — давление на B. Следовательно, давление на все точки в A B будет представлено линиями, заполняющими все треугольное пространство A B C, и это половина A B C D, которая представляет давление на линию C B. Ясно, следовательно, что, поскольку давление на вертикальную линию в стороне составляет половину давления на линию под прямым углом к ней в дне, давление на всю сторону составляет половину давления на все дно.

Fig. 76.

Из приведенного выше доказательства мы видим, почему плотина строится в форме, представленной на рис. 76. Мы также видим, почему в чудовищных чанах на некоторых английских пивоварнях (некоторые из них вмещают много тысяч баррелей) обручи и другие крепления в нижней их части должны быть сделаны очень прочными. Очевидно также, что если шлюзовые ворота должны удерживаться закрытыми одной опорой, она должна быть приложена на одной трети расстояния от дна, так как, как видно из рис. 75, на нижнюю треть ворот приходится такое же давление, как на верхние две трети.

123. Боковое давление в жидкостях. Давление жидкости на сторону сосуда, о котором я говорил выше, является боковым давлением, и оно вызвано направленным вниз давлением гравитации в жидкости. Но как? Частицы жидкости свободно перемещаются друг относительно друга и поэтому готовы избежать давления в любом направлении. Частицы в точке a, рис. 75, на которые давит столб частиц, простирающийся над ними до поверхности, готовы избежать давления вбок и сделали бы это, если бы в сосуде в этой точке было сделано отверстие. Но если бы сосуд содержал кусок льда, прилегающий к нему так же точно, как масса воды, то при открытии отверстия не было бы никакого выхода, потому что частицы твердого тела удерживаются вместе так, что направленное вниз давление земного притяжения не вызывает бокового давления.

Fig. 77.

Fig. 78.

То, каким образом направленное вниз давление земного притяжения вызывает боковое давление, можно прояснить с помощью рис. 77 и 78. Мы предположим, что частицы твердых тел и жидкостей одинаково круглые и что твердое тело отличается от жидкости только тем, что его частицы прочно соединены притяжением. Пусть a, b и c на рис. 77 представляют три частицы твердого тела. Поскольку они прочно соединены, они будут иметь объединенное давление от центра тяжести прямо к центру Земли, как показано стрелкой. Пусть теперь d, e и f на рис. 78 представляют три частицы воды. Они, будучи лишь очень слабо связанными, будут оказывать каждое независимое давление к центру Земли, как указано стрелками. Ясно, что d стремится разделить e и f и сделает это, если они будут свободны двигаться в боковом направлении. Например, если e находится сбоку сосуда и там сделано отверстие, направленное вниз давление d придаст e боковое движение, выталкивая его из отверстия.

124. Другой взгляд. Возвращаясь к рис. 75, заметьте, что боковое давление в любой точке на стороне сосуда, например a, вызвано исключительно направленным вниз давлением вертикального столба частиц, простирающегося от этой точки до поверхности. Соседние столбы частиц не имеют к этому никакого отношения. То же самое верно в отношении любой другой точки как в линии A B, так и в другой линии, проведенной на стороне сосуда. Поэтому верно для всей стороны, что давление на нее вызвано только столбами частиц, которые находятся в непосредственной близости к стороне, и вовсе не другими столбами частиц в сосуде. Количество этих столбов в сосуде, или, другими словами, ширина массы воды в нем, не имеет значения для давления на его сторону. По этой причине две пары шлюзовых ворот, расположенные так близко друг к другу, что пространство между ними заполняют несколько бочек или даже ведер воды, испытывают такое же давление, как если бы между ними лежало озеро или океан воды. Против проекта прорытия судоходного канала между Красным и Средиземным морями выдвигалось возражение, что, поскольку вода в первом на двадцать футов выше, чем во втором, она прорвется через шлюзовые ворота с такой силой, что приведет к самым катастрофическим результатам. Но согласно принципу, который я проиллюстрировал, опасности этого было бы не больше, чем если бы два пруда были соединены каналом, в одном из которых вода на двадцать футов выше, чем в другом.

Fig. 79.

125. Давление в жидкостях одинаково во всех направлениях. Теперь мы готовы сделать шаг дальше. Давление, вызванное гравитацией в жидкостях, действует одинаково во всех направлениях, когда жидкость находится в покое. То есть любая частица жидкости испытывает одинаковое давление во всех направлениях. Если бы это было не так, она не оставалась бы в покое, а перемещалась бы в направлении, в котором действует превосходящее давление. Предположим, что a, рис. 79, — это слой частиц в сосуде, содержащем воду в покое. Поскольку направленное вверх давление на него равно направленному вниз давлению, слой не поднимается и не опускается. Если масса жидкости потревожена ветром или любой другой причиной, те частицы, которые подняты выше общего уровня в волнах, под действием гравитации давятся вниз сильнее, чем вверх или вбок. Поэтому они движутся вниз, толкая соседние частицы вбок и вверх, пока жидкость не восстановит свою ровную поверхность и состояние покоя. Так же, если какие-либо частицы нагреваются, они становятся легче соседних частиц, и последние, будучи сильнее притягиваемыми, чем первые, толкают их вверх, чтобы занять их места. Когда вся жидкость приходит к одной температуре, она находится в покое, и на каждую частицу действует одинаковое давление во всех направлениях.

Fig. 80.

126. Примеры. Если сжать рукой наполненный водой мочевой пузырь, вода давится не сильнее непосредственно под рукой, чем в любой другой части пузыря, и где бы ни было сделано отверстие, вода будет вырываться с одинаковой готовностью. Шланг так же легко разрывается вверх, как и в любом другом направлении. Большой кусок пробки, если его погрузить в очень глубокую воду, будет равномерно уменьшаться в размерах, показывая, что на него давили одинаково со всех сторон. В экспериментах с закрытыми бутылками (§ 121) результат тот же, если бутылка погружена так, что ее горлышко направлено вниз. Если две трубки, имеющие форму, как на рис. 80, погрузить в воду, вода будет подниматься с одинаковой легкостью в обеих, хотя в прямой трубке давление, которое поднимает воду, направлено полностью вверх, тогда как в изогнутой — сначала вниз.

Fig. 81.

127. Давление вверх пропорционально глубине. Было показано, что направленное вниз и боковое давления пропорциональны глубине. То же самое верно и для давления вверх, ибо оно вызвано той же причиной — притяжением Земли. Давайте посмотрим на это. Почему любая частица жидкости вообще давится вверх? Это происходит из-за борьбы соседних частиц за то, чтобы оказаться под ней. И почему эта борьба? Это из-за притяжения гравитации, и поэтому чем сильнее это притяжение, тем больше как направленное вверх, так и направленное вниз давление. Поэтому давление вверх различается на разных глубинах так же, как и давление вниз. Таким образом, на рис. 81 давление вверх на слой частиц b больше, чем на a, по той же причине, по которой давление вниз на b больше, чем на a. Но два давления в b равны, как и в a, и поэтому каждый слой остается в покое.

Fig. 82

128. Эксперименты. Можно провести несколько очень изящных экспериментов, показывающих, что давление вверх изменяется с глубиной. Возьмите большую стеклянную трубку A B C D (рис. 82) и приладьте к одному концу круглую латунную пластину, которую можно удерживать там с помощью нити F. В таком виде погрузите ее довольно глубоко в воду, и вы обнаружите, что вам не нужно будет держать нить, так как латунный диск будет прижат к трубке давлением воды вверх. Теперь медленно вытягивайте трубку, и в конце концов диск упадет с конца трубки. Почему? Потому что конец трубки достиг точки, где давление воды вверх меньше, чем давление диска вниз. Чтобы этот эксперимент удался, конец трубки, к которому прикладывается диск, должен быть очень ровным и гладким. Другой эксперимент можно провести таким образом. Привяжите к одному концу стеклянной трубки кусок тонкой резины или мочевого пузыря и частично наполните трубку водой. Резина, конечно, выпятится или станет выпуклой из-за веса воды. Нажмите на закрытый конец немного вниз в сосуде с водой, чтобы уровень в трубке был выше уровня в сосуде. Резина все еще несколько выпукла, потому что, поскольку давление вверх на нее пропорционально ее расстоянию от поверхности воды снаружи трубки, оно не так велико, как давление вниз более высокой воды в трубке. Теперь протолкните трубку так глубоко, чтобы уровень в трубке был таким же, как в сосуде. Резина теперь плоская, потому что давление вниз и вверх на нее равны, точно так же, как это было бы со слоем воды вместо нее. Но нажмите на трубку еще ниже, и резина выпятится вверх в трубку, потому что давление вверх теперь больше, чем давление вниз.

129. Огромные эффекты от малых количеств жидкости. Теперь вы готовы понять объяснение некоторых очень поразительных явлений в давлении жидкостей. Если вы возьмете идеально плотную бочку и, наполнив ее водой, ввинтите в ее верх длинную трубку, то, наливая воду в трубку, вы можете разорвать бочку. Чтобы понять это, вы должны помнить два факта: что жидкость в бочке несжимаема и что ее частицы свободно перемещаются друг относительно друга. Поэтому любое давление, оказываемое на нее, ощущается во всей ее массе одинаково. «Если трубка, — говорит доктор Арнот, — имеет площадь в сороковую часть дюйма и содержит при заполнении полфунта воды, это создает давление в полфунта на каждую сороковую часть дюйма по всей внутренней поверхности бочки; что больше, чем может выдержать обычная бочка». Предположим, что в склоне горы существует небольшой резервуар воды, полностью закрытый, и что вода с высоты находит путь к нему через трещину; она может своим давлением даже разорвать склон горы. И не имеет значения, насколько большой или маленькой может быть трещина, ибо давление в жидкости зависит только от высоты. Если резервуар имеет десять ярдов в квадрате и дюйм в глубину, а трещина, ведущая к нему, имеет всего дюйм в диаметре и двести футов в высоту, подсчитано, что давление воды в трещине было бы равно по силе весу 5000 тонн.

Fig. 83.

130. Объяснение. То, каким образом производятся эти эффекты, можно прояснить с помощью рис. 83. Пусть A — закрытый сосуд, наполненный водой, и пусть трубка b закреплена в нем с подвижной пробкой или поршнем в c. Если на поверхность воды давит этот поршень с силой в фунт, поскольку вода несжимаема и ее частицы свободно перемещаются друг относительно друга, давление будет распространяться одинаково по всей воде, и на каждую часть сосуда, равную по площади отверстию трубки в c, будет оказываться давление с силой в фунт. Если бы была вставлена другая трубка d того же размера с поршнем i, сила в фунт, приложенная к поршню c, выталкивала бы вверх поршень i с той же силой. И если бы было несколько поршней того же размера, то, надавив на один с силой в фунт, все они были бы вытолкнуты вверх с точно такой же силой. Далее, если e — трубка в пять раз больше b, ее поршень n будет вытолкнут вверх с давлением в пять фунтов под действием давления вниз в фунт на c. Предположим теперь, что фунт воды был заменен поршнем c, остальные поршни были бы вытолкнуты вверх, как и прежде. И если все поршни убрать, фунт воды в b будет давить на воду вверх по трубке d с силой в фунт, а по трубке e — с силой в пять фунтов.

Fig. 84.

Чтобы сделать это еще более ясным, я представлю это в немного другой форме. Пусть B (рис. 84) будет закрытым сосудом с двумя трубками, одна из которых в пять раз больше другой. Если налить в сосуд достаточно воды, чтобы занять часть трубок, она будет стоять на одной высоте в обеих трубках, как показано. Если, таким образом, в трубке c находится фунт воды, то в a будет пять фунтов. Теперь, если бы пять фунтов воды в a оказывали большее давление на всю массу воды в B, чем фунт воды в c, они вытолкнули бы воду в c на большую высоту. Но это невозможно, как было показано в § 118. Заметьте, что пять фунтов давления в a распределены по площади или поверхности в пять раз большей, чем давление фунта в c. Если трубка c имеет площадь в квадратный дюйм, вода в ней будет оказывать давление в фунт на каждый квадратный дюйм в сосуде. Вода в a оказывает давление в пять фунтов; но следует помнить, что она давит с этой силой не на каждый квадратный дюйм, а на каждое пространство в пять квадратных дюймов, и что поэтому ее давление на каждый дюйм такое же, как в трубке c.

131. Гидростатический парадокс. Вы видите в явлениях и объяснениях, приведенных выше, что небольшое количество жидкости может при определенных обстоятельствах оказывать огромное давление. Этот факт был назван гидростатическим парадоксом. На первый взгляд кажется невероятным или парадоксальным, когда утверждают, что несколько унций воды могут поднять веса в сотни или даже тысячи фунтов. Но объяснения, которые я дал, показывают вам, что в этом факте нет необъяснимой тайны. Причина его та же, что придает ровную поверхность жидкостям; а именно, сила гравитации, действующая на вещество, частицы которого свободно перемещаются друг относительно друга.

Fig. 85.

132. Гидростатические мехи. Инструмент, называемый гидростатическими мехами, представлен на рис. 85. Он состоит из двух круглых досок, A и B, соединенных прочной кожей, и имеющих трубку C, через которую в них можно наливать воду. Величина веса, который может быть удержан на мехах, не вытесняя воду из трубки, зависит от размера мехов. Если площадь трубки составляет всего одну тысячную площади верха мехов, фунт воды в трубке уравновесит тысячу фунтов веса на мехах. По той же причине на рис. 84 фунт воды в трубке c уравновешивает пять фунтов в a. Поскольку вес давит на верх в целом, это то же самое, как если бы на нем покоился сосуд того же размера, что и мехи, содержащий тысячу фунтов воды. Вода в этом случае стояла бы на одной высоте в сосуде и в трубке. Это показывает, что гидростатический парадокс — лишь одно из проявлений великого факта, что жидкость под влиянием гравитации стремится к уровню. Именно вода в мехах, стремящаяся к уровню с водой в трубке, вызывает давление вверх, поддерживающее вес.

Когда вес на мехах меньше того, который требуется для уравновешивания воды в трубке, вес можно поднимать постоянно, наливая воду в трубку. Но заметьте, что, хотя подъемная сила так велика, она очень медленна в своем действии. Если сравнительные площади трубки и мехов таковы, как предполагалось выше, вода должна опуститься в трубке на десять дюймов, чтобы поднять вес на сотую часть дюйма.

Fig. 86.

133. Гидростатический пресс Брама. Принципы, которые я разъяснил, были применены г-ном Брама в его гидростатическом прессе. Он состоит из небольшого металлического нагнетательного насоса (рис. 86), в котором вода a накачивается поршнем s, приводимым в действие рычагом c b d, и нагнетается в прочный и большой цилиндр A. В этом цилиндре находится мощный поршень S, имеющий плоскую головку P сверху. Между этой пластиной и другой, R, помещается тело W, которое нужно сжать. Очевидно, что оказываемое давление будет пропорционально разнице между размером насоса a и цилиндра A, точно так же, как в случае с мехами оно зависело от разницы между площадями трубки и верха мехов. В прессе сила насоса заменяет давление очень высокого столба воды просто потому, что это удобнее. Этот пресс очень полезен в механических искусствах. Он используется при прессовании бумаги, ткани, сена, хлопка и т. д. Он также недавно использовался при подъеме огромных весов. Трубы знаменитого моста через пролив Менай были подняты машиной, построенной на этом принципе.

ГЛАВА VIII. УДЕЛЬНЫЙ ВЕС.

134. Природа предмета. Мы переходим к очень интересному предмету, который, по крайней мере, тесно связан с гидростатикой, если не считать его частью. Принципы, которые были развиты в главе о гидростатике в отношении жидкостей, должны быть применены здесь к различным видам веществ. И по мере того, как мы будем продвигаться, вы увидите, что все явления, рассматриваемые в этой главе, должны быть отнесены к той же причине, что и явления предыдущей главы; а именно, к притяжению гравитации.

135. Определение удельного веса. Прежде чем приступить к исследованию, я дам вам определение удельного веса. Удельный вес любого вещества — это его вес по сравнению с таким же объемом других веществ. Вода берется за стандарт, и ее удельный вес для удобства называется 1. Ртуть, таким образом, как говорят, имеет удельный вес 13,5, ибо она в тринадцать с половиной раз тяжелее такого же объема воды. Легко понять, как можно определить удельные веса различных жидкостей. Один способ, и самый очевидный, — взвесить в сосуде равные их количества. То, каким образом определяются удельные веса твердых тел, будет объяснено в другой части этой главы.

136. Действие гравитации на твердые тела в жидкости. Причина того, что очень тяжелое вещество, например камень, тонет в воде, заключается просто в том, что Земля притягивает его сильнее, чем воду, и поэтому тянет камень вниз сквозь нее. Если бы камень лежал на мочевом пузыре, наполненном водой, он давил бы на него с силой, с которой его притягивает Земля. Но там, где вода не ограничена таким образом, камень раздвигает ее частицы в одну и другую сторону, пока не достигнет дна.

Именно притяжение гравитации также заставляет легкие вещества, такие как дерево и пробка, подниматься в воде. В этом случае вода притягивается Землей сильнее, чем дерево или пробка, и поэтому оказывается под ними, и при этом выталкивает более легкое вещество вверх над собой.

Fig. 87.

Но вы заметите, что дерево, поднимаясь в воде, не выходит из нее полностью и не лежит на поверхности, а часть его остается погруженной в воду. Объяснение этого даст вам ключ к пониманию многих очень интересных фактов. Предположим, что половина бруска дерева A (рис. 87), весящего фунт, находится над поверхностью воды. Поскольку оно притягивается к Земле с силой в фунт, оно вытеснило в одну и другую сторону ровно фунт воды и заняло его место. Оно тянется вниз к Земле с той же силой, что и фунт воды по обе стороны от него, b или c. Если бы оно притягивалось сильнее, чем с силой в фунт, то есть если бы оно весило больше фунта, оно вытеснило бы больше фунта воды. Если бы оно было точно такого же веса, что и такой же объем воды, оно вытеснило бы объем воды, равный самому себе; оно было бы полностью погружено и оставалось бы где угодно в воде, куда бы вы его ни поместили, потому что оно притягивается Землей с той же силой, что и такой же объем воды.

Fig. 88.

137. Дальнейшее объяснение. Предположим, вода в сосуде разделена на равные части по фунту каждая, как представлено на рис. 88. Теперь предположим, что часть a сразу превратилась в твердый лед, вовсе не изменив своего объема или веса. Она не сдвинулась бы со своего места, потому что она притягивается Землей точно так же, как когда была водой, и так же, как каждая из равных частей воды вокруг нее. Но поскольку вода при превращении в лед действительно увеличивается в объеме и поэтому становится легче, этот кусок льда поднялся бы так, что часть его оказалась бы над поверхностью.

Fig. 89.

Чем легче вещество, погруженное в воду, тем больше его будет над поверхностью. Возьмите два бруска дерева разного веса, хотя и одинакового размера. Предположим, самый тяжелый A (рис. 89) на одну треть легче такого же объема воды. Одна треть его будет над поверхностью. Если другой, B, составляет половину веса воды, половина его будет над поверхностью. Мы должны сказать, следовательно, что удельный вес дерева в первом бруске составляет две трети удельного веса воды, а удельный вес дерева во втором — половину удельного веса воды.

138. Примеры. Существует много интересных фактов, иллюстрирующих принципы, которые я развил. Камень поднимается гораздо легче в воде, чем в воздухе, из-за поддержки, обеспечиваемой давлением воды вверх. Мальчик часто удивляется, почему он может поднять очень тяжелый камень до поверхности, но не может сдвинуть его дальше. Когда ведро воды поднимают из колодца, требуется гораздо меньше усилий, чтобы поднять его через воду, чем через воздух после того, как оно выйдет из воды. Пока оно в воде, вы поднимаете только само ведро, вода в нем не имеет веса, будучи поддерживаемой водой вокруг него. Но когда оно попадает в воздух, у вас добавляется вес воды к весу ведра. Когда человек долго лежит в ванне, при поднятии руки из воды она кажется очень тяжелой. Причина в том, что она так долго имела поддержку воды, что когда ее поднимают в воздух, отсутствие этой поддержки ощущается, точно так же, как мы воспринимаем разницу между поднятием ведра воды через воду и поднятием его через воздух. Говорят, что Архимед полностью осознал принципы удельного веса, когда его конечности почувствовали жидкую поддержку ванны, и он был настолько обрадован открытием, что побежал домой, выкрикивая всю дорогу: «Εὕρηκα! εὕρηκα!» — «Нашел! Нашел!». Это была разумная радость, ибо он нашел принцип огромной ценности для науки и для мира.

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.

184. Инерция, проявляющаяся в стремлении движения продолжаться. — Приведу несколько иллюстраций этого. Как и в случае с кораблем в первой иллюстрации в § 183, требуется время, чтобы передать движение всему кораблю, или, иными словами, преодолеть его инерцию, так и когда корабль уже находится в быстром движении, он не останавливается внезапно, когда убирают паруса, но его инерция, стремящаяся сохранить движение, постепенно преодолевается сопротивлением воды. Если человек стоит в движущемся экипаже, а лошади внезапно останавливаются, он будет выброшен вперед, ибо его тело имеет общее с экипажем движение и по инерции стремится продолжать его, когда экипаж останавливается. Когда вы ударяете ногой обо что-то, чтобы стряхнуть снег, вы придаете ноге и снегу общее движение, а затем, останавливая движение ноги, снег по инерции продолжает двигаться. То же самое иллюстрируется при выбивании пыли из книги ударом обо что-либо. Если корабль налетает на скалу, все, что на борту лежит свободно, отбрасывается вперед. Земля, вращаясь вокруг своей оси, имеет на экваторе скорость около 1000 миль в час. Если бы это вращение было внезапно остановлено, все, что лежит свободно на ее поверхности, приобретя движение Земли, было бы мгновенно отброшено на восток, точно так же, как мебель и т. д. на борту корабля отбрасываются вперед, когда он останавливается, наткнувшись на скалу. Все дома, памятники и сооружения любого рода рухнули бы на восток. Все города на нашем атлантическом побережье были бы погружены в океан; и в то время как воды покинули бы западные берега Атлантики, они затопили бы ее восточные берега и залили бы континент Европы, подобно тому как вода в сосуде на борту корабля, наткнувшегося на препятствие, была бы выброшена вперед через край.

Fig. 127.

185. Конный трюк. — В трюке, представленном на рис. 127, единственное усилие, которое делает наездник, — это приподняться достаточно, чтобы перепрыгнуть через веревку, и он снова опускается на спину лошади просто благодаря движению, которое он имеет вместе с лошадью, причем его ноги движутся по пути, обозначенному пунктирной линией. Если бы он попытался броситься вперед, как при прыжке с земли, он улетел бы слишком далеко и, возможно, ударился бы о шею лошади вместо спины. Мастерство прыжка из движущегося экипажа заключается в том, чтобы сделать правильную поправку на движение вперед, которое имеется вместе с экипажем. Большинство людей склонны переусердствовать, и поэтому падают на землю плашмя и с большей силой, чем необходимо.

186. Судебное дело. — Лихой молодой человек, управлявший легким фаэтоном, врезался в тяжелую карету. Его отец, поддавшись на рассказы сына, решил подать в суд на кучера кареты за слишком быструю езду. Знание инерции движения очень легко решило дело. Сын и его слуга оба заявили, что удар кареты о фаэтон был настолько сильным, что их выбросило через головы лошадей. Тем самым они доказали свою вину в быстрой езде, ибо именно их собственное быстрое движение выбросило их, когда фаэтон остановился, врезавшись в карету. Следующий случай аналогичен. Если две лодки, одна большая, медленно плывущая вверх по течению, другая маленькая, быстро плывущая вниз, столкнутся, человек, стоящий на носу той, что идет вниз, будет отброшен гораздо дальше вперед, чем человек, стоящий на носу другой.

187. Траектория тел, брошенных в воздух. — Из принципа, который я проиллюстрировал, следует, что когда какое-либо тело, например камень, бросают, как мы говорим, прямо вверх, оно на самом деле не поднимается и не опускается перпендикулярно. Если бы это было так, оно упало бы на большом расстоянии от нас. Предположим, что на подъем и падение на землю уходит две секунды. Если мы находимся на экваторе, за эти две секунды мы перемещаемся от точки, где подбросили камень, почти на 3000 футов на восток, и поэтому, если бы камень поднимался и падал перпендикулярно, он упал бы в 3000 футов к западу от нас. Почему же вместо этого он падает к нашим ногам? Потому что при броске в воздух он обладает не только движением вверх, приданным рукой, но и движением Земли вперед. Это случай, аналогичный случаю с наездником на рис. 127, где лошадь представляет поверхность Земли, а наездник — камень. По той же причине человек на борту парохода, даже если он движется со скоростью пятнадцать миль в час, подбрасывает свой мяч или апельсин и ловит его так же хорошо, как если бы он был на суше. Он не смог бы этого сделать, если бы и он, и его апельсин не имели того же движения вперед, что и лодка. Так же, если человек упадет с верхушки мачты, он достигнет палубы у подножия мачты, когда судно быстро плывет, точно так же, как если бы оно стояло неподвижно у пристани. Если бы он по инерции не сохранял движение вперед, которое имел вместе с судном, он упал бы на некотором расстоянии позади мачты.

188. Земля и атмосфера. — Поскольку воздух удерживается у Земли притяжением, § 151, он имеет движение вместе с Землей. Он вращается вместе с Землей, точно так же, как шина колеса вращается вместе с колесом. Раз это так, наши ветры — не что иное, как небольшие отклонения этого постоянного быстрого вихря воздушной оболочки Земли. Если бы атмосфера внезапно перестала вращаться вместе с Землей, мы бы двигались сквозь нее со скоростью 1500 футов в секунду; и разрушительный эффект для нас был бы таким же, как если бы Земля стояла неподвижно, а воздух двигался над ее поверхностью с этой страшной скоростью. Один мудрец, не подумав о том, что атмосфера движется вместе с Землей, предложил подняться на воздушном шаре и подождать, пока страна, в которую он хотел попасть, не будет проходить под ним.

189. Движение и покой. — Хотя мы используем термин «покой» в противоположность движению, из некоторых приведенных иллюстраций очевидно, что покой — это лишь относительный термин, ибо ни одна частица материи во Вселенной не находится в покое. Хотя, когда мы сидим неподвижно, мы называем себя находящимися в покое, мы движемся каждый час: на 1000 миль на восток из-за вращения Земли вокруг своей оси и на 68 000 миль в нашем ежегодном путешествии вокруг Солнца. Почему же мы так нечувствительны к этим быстрым движениям? Отчасти потому, что движения так равномерны, но главным образом потому, что все вокруг нас — наши дома, деревья и даже атмосфера — движутся вместе с нами. Если бы мы двигались в одиночку, даже с небольшой скоростью, в то время как все эти объекты стояли бы неподвижно, мы бы осознавали свое движение, как осознаем его, когда, едя в экипаже, видим, что объекты на обочине дороги не движутся вместе с нами.

190. Сравнение. — Вышесказанное можно сделать более ясным и впечатляющим с помощью простого сравнения. Человек на борту парохода, сосредоточив внимание на вещах внутри лодки, может через некоторое время почти перестать осознавать движение лодки, если вода спокойна, хотя лодка может идти со скоростью пятнадцать миль в час. Если он читает в каюте, он будет думать о своем движении так же мало, как если бы читал в своей гостиной дома. Если бы ему завязали глаза и несколько раз повернули, он не смог бы сказать, в каком направлении движется лодка. Теперь с человеком на Земле обстоит так же, как с человеком в лодке. Он не осознает движения Земли по той же причине, по которой человек в лодке не осознает движения лодки. Все объекты вокруг него движутся вместе с ним, как объекты вокруг человека в каюте лодки движутся вместе с ним. Мы можем продолжить эту параллель. Пока человек сидит в каюте, он не знает, как быстро движется лодка и движется ли она вообще. Он должен выглянуть наружу, чтобы решить это, и даже тогда он может не понять, движется ли лодка или он просто видит, как вода пробегает мимо нее. Мы часто бываем фактически обмануты в этом отношении. Пароход, борющийся с ветром и волнами, может казаться тем, кто на борту, движущимся вперед, когда он на самом деле неподвижен или даже когда он теряет позиции. Так и когда мы смотрим на Солнце, мы не знаем, движется ли Солнце или Земля. Одно лишь зрение, без рассуждения на эту тему, заставляет думать, что движется Солнце. По той же причине, если бы ребенка впервые посадили в экипаж, не дав увидеть лошадей, но с глазами, устремленными на объекты на обочине дороги, он, вероятно, подумал бы, что все заборы, деревья, камни и дома находятся в движении.

191. Абсолютное и относительное движение. — Движение тела называется абсолютным, когда оно рассматривается без отношения к положению любого другого тела. Его движение называется относительным, когда оно движется по отношению к какому-либо другому телу. Абсолютный покой неизвестен, ибо ни одно тело во Вселенной не является известным как лишенное движения. Но тело может быть относительно в покое, то есть в фиксированном относительном положении к другим телам. Каждое тело находится в состоянии абсолютного движения, и все же оно может находиться в состоянии относительного покоя. Все объекты, которые кажутся нам находящимися в покое, имеют очень быстрое абсолютное движение. Они кажутся находящимися в покое лишь потому, что имеют ту же скорость и направление абсолютного движения, что и мы сами. И все движения, которые видны глазу, — это лишь небольшие различия в общих абсолютных движениях, о которых, хотя они чрезвычайно быстры, мы совершенно не подозреваем. Так, если я стою неподвижно, а другой человек рядом со мной идет со скоростью три мили в час на восток, мы оба имеем общее абсолютное движение 1000 миль в каждый час, и он просто добавляет три мили к своим тысячам — я прохожу 1000 миль, а он 1003. Так, если я сижу неподвижно в своей гостиной, а мой друг путешествует на восток со скоростью 20 миль в час, я прохожу каждый час 1000 миль, а он 1020. А если он путешествует на запад с этой скоростью, он на самом деле движется медленнее меня — он имеет абсолютное движение на восток 980 миль, а я 1000. В то же время мы оба мчимся в нашем ежегодном путешествии вокруг Солнца со скоростью 68 000 миль в час.

192. Препятствия движению. — Поскольку движение по своей природе склонно продолжаться (§ 49 и § 184), всякий раз, когда оно останавливается, оно не расходуется само по себе, а останавливается препятствиями. Основными из этих препятствий являются: гравитация; сопротивление противодействующих веществ — твердых тел, жидкостей и газов; и трение. Когда камень бросают в воздух, его движение вверх постепенно уничтожается притяжением Земли и сопротивлением воздуха. Понаблюдайте теперь, почему он опускается. Это происходит под действием одной из причин, которые остановили его полет вверх, — притяжения Земли. При спуске он замедляется сопротивлением воздуха, как это было при подъеме. Это замедление очень заметно в случае веществ, которые представляют большую поверхность воздуху, например, перышка. Маленький кусочек свинца перевесит много перьев, и поэтому, поскольку его количество материи гораздо больше по отношению к его поверхности, чем у перышка, он упадет на землю гораздо быстрее. Что это объясняется исключительно сопротивлением воздуха, можно доказать с помощью воздушного насоса.

Fig. 128.

Предположим, у вас есть высокий приемник, рис. 128, на воздушном насосе, и кусочек свинца и перышко помещены в его верхней части таким образом, что они могут упасть в один и тот же момент. Откачайте воздух, а затем дайте им упасть. Они будут опускаться бок о бок, как показано на рисунке, и достигнут дна приемника одновременно, потому что там нет воздуха, который сопротивлялся бы продвижению перышка. Игрушка, называемая водяным молотком, иллюстрирует то же самое. Когда вода падает сквозь воздух, сопротивление воздуха стремится разделить ее частицы, как мы видим при падении воды, выбрасываемой фонтаном. В водяном молотке, который представляет собой закрытую трубку, содержащую немного воды и не содержащую воздуха, когда вода падает из одного конца в другой, поскольку нет воздуха, чтобы разделить ее, она падает как единая масса и издает резкий звук, подобный удару молотка. Прибор, по существу похожий на этот, можно сделать из тонкой стеклянной колбы. Налейте в нее немного воды и, нагрев ее до кипения над спиртовой лампой, плотно закупорьте колбу, а затем оставьте воду остывать. Поскольку все пространство над водой было заполнено паром, когда колбу закупоривали, теперь, когда пар конденсировался, там вакуум.

193. Отношение объема к сопротивлению жидкостей и газов. — Вы уже видели в § 192, что чем больше поверхность тела по отношению к его весу, тем больше сопротивление воздуха его движению. Эта истина, которая применима к жидкостям так же, как к воздуху или газообразным веществам, объясняет тот факт, что малые тела встречают пропорционально большее сопротивление, чем большие. Тело B, рис. 129, как вы видите, состоит из восьми кубиков размером с кубик a, то есть оно имеет в восемь раз большее количество материи, чем a. Теперь, если бы B двигалось сквозь воздух или воду, любая из его сторон, толкая воду перед собой, встретила бы лишь в четыре раза большее сопротивление, чем сторона a, ибо ее поверхность лишь в четыре раза больше, а тело в восемь раз больше, чем a. И чем больше разница в размерах, тем больше разница в сопротивлении. Если бы B был кубом в двадцать семь раз больше, чем a, он встретил бы лишь в девять раз большее сопротивление. Вы видите здесь причину, по которой снаряды и пушечные ядра можно бросать гораздо дальше, чем пули и мелкую дробь. Спортсмен не тратит свою дробь, глупо целясь в птиц на больших расстояниях, и все же снаряды и большие пушечные ядра можно бросать на расстояние нескольких миль. Разница не в степени скорости, которую производит порох, а в сопротивлении воздуха. По той же причине дождь падает с большей скоростью, чем моросящий туман.

Fig. 129.

Поскольку жидкости и аэроформные вещества сопротивляются твердым телам в движении пропорционально количеству поверхности, которую твердые тела им представляют, так же и когда они ударяются о твердые тела, они вызывают в них движение пропорционально количеству поверхности, на которую оказывается воздействие. Так, сильный ветер не мог бы сдвинуть кусок олова, но мог бы сдуть лист олова или сорвать с него кровлю, если бы пробрался под нее. Так облака песка поднимаются в воздух в пустынях Африки, хотя частицы состоят из того же материала, что и камни, и поэтому имеют тот же удельный вес. По той же причине пыль, перья, пух и пыльца цветов и т. д. разлетаются, хотя они тяжелее воздуха. Галька легче перемещается потоком воды, чем камень, потому что она имеет большую поверхность по отношению к своему весу, на которую воздействует вода. По той же причине песок перемещается легче, чем галька, а мелкий ил — легче, чем песок, хотя камни, галька, песок и ил могут быть из одного и того же материала. Это объясняет, почему вы найдете ил там, где течение медленное, песок там, где оно быстрее, гальку и камни там, где оно еще быстрее, а там, где течение чрезвычайно быстрое, вы не найдете ничего, кроме больших скал — песок, галька и камни не могут противостоять его силе. По той же причине в процессе веяния мякина уносится ветром; в то время как зерно, представляющее меньшую поверхность по отношению к своему весу, на которую воздействует воздух, падает на пол.

Во всех вышеперечисленных случаях движущуюся воду или воздух можно рассматривать как действующие в противовес притяжению Земли, причем последнее тянет вещество вниз к Земле, а первые толкают его прочь от Земли. Конечно, чем больше поверхность, на которую вода или воздух могут давить, тем больше эффект; и следует помнить, что притяжение гравитации пропорционально количеству материи, без какого-либо учета величины поверхности притягиваемого тела.

194. Отношение силы к скорости. — На первый взгляд может показаться, что движение, производимое в любом теле, должно быть в точном соответствии с силой, его производящей; то есть, что двойная сила, производящая данную скорость, удвоила бы эту скорость, а тройная — утроила бы ее и т. д. Это верно там, где нет препятствий движению, как в случае небесных тел, движущихся по своим орбитам. Но во всех движениях здесь, на Земле, есть препятствия; и поскольку противодействие всегда равно действию, чем больше скорость, тем больше противодействие препятствия. Если, следовательно, вы увеличиваете скорость любого тела, вы не только должны передать ему больше движения, но вы должны также преодолеть возросшее противодействие. Скорость увеличения силы для увеличенных скоростей была очень точно установлена.

A B C D

Fig. 130.

Это я объясню. Лодка, движущаяся от B к A, рис. 130, как мы предположим, вытесняет количество воды, представленное пространством между двумя линиями, идущими от B к A. Теперь, если она движется от B к C, она вытесняет вдвое больший объем воды B C; и поскольку она вытесняется за то же время, что и B A, каждая частица вытесняется с удвоенной скоростью. Двойная сила требуется, чтобы вытеснить двойную порцию воды, и чтобы сделать это с двойной скоростью, силу нужно удвоить снова. Так, если лодку заставить двигаться в три раза дальше за то же время, то есть от B к D, вытесняется в три раза большее количество воды, и каждая из этих трех порций, B A, A C и C D, вытесняется с утроенной скоростью. Сила, требуемая для этого, следовательно, в девять раз больше той, что требуется для перемещения лодки от B к A за то же время. Очевидно, поэтому, что при скоростях, представленных числами 1, 2, 3, 4 и т. д., силы, необходимые для производства этих скоростей, должны быть пропорциональны квадратам этих чисел; а именно: 1, 4, 9, 16 и т. д. Этот закон очень важен с практической точки зрения. Например, он показывает нам, насколько большее количество угля требуется для производства на пароходах высокой скорости, чем умеренной. Его применение также к науке артиллерии важно.

195. Отношение формы к скорости. — Сопротивление воздуха или воды плоской поверхности больше, чем выпуклой, потому что последняя легко отклоняет частицы в ту и другую сторону. Так же и вогнутая поверхность встречает гораздо большее сопротивление, чем плоская, потому что частицы воздуха или воды не могут так легко ускользнуть в стороны. Рыбы имеют веретенообразную и стройную форму, чтобы испытывать как можно меньшее сопротивление со стороны воды. По этой причине у рыбы нет шеи, ибо если бы она была, верхняя часть ее тела из-за сопротивления воды, ударяющейся о нее, стала бы серьезным препятствием для быстроты движения. Человечество в некоторой мере имитировало форму рыб в своих лодках и кораблях. Лодки, предназначенные для перевозки легких грузов и быстрого хода, делаются очень длинными и узкими. Перепончатые лапы водоплавающих птиц при движении вперед складываются так, чтобы встречать как можно меньшее сопротивление; но при движении назад они расправляются, чтобы давить на воду широкой вогнутой поверхностью. По той же причине крылья птицы сделаны выпуклыми сверху и вогнутыми снизу; и когда она движет крылом вверх, она заставляет его разрезать воздух несколько ребром, но при движении вниз она давит непосредственно всей вогнутой поверхностью.

196. Трение. — Трение обычно является препятствием для движения. Когда мы катим мяч, чем более шероховата поверхность, по которой мы его катим, тем больше трение и тем скорее мяч останавливается. Трение уменьшает быстроту движения в механизмах, и чтобы предотвратить это, насколько возможно, применяются смазка и другие средства. Но иногда трение является причиной движения, как, например, трение ведущих колес локомотива о рельсы. В этом случае колесо толкает рельс назад в каждой последовательной точке контакта. Чтобы прояснить это, предположим, что обычное колесо лишено обода и вращается на концах своих спиц. Конец каждой спицы дает толчок назад, когда ударяется о землю. Теперь обод колеса делает те же толчки, но они более многочисленны — они непрерывны, совершаясь всеми последовательными точками обода. Иногда рельсы железной дороги слишком гладкие из-за мороза или по какой-то другой причине, и тогда на них бросают песок, чтобы дать локомотиву старт. Песок служит для предотвращения скольжения колес, позволяя им получить некоторое сцепление с рельсами при их толчках назад.

197. Трение жидкостей в трубках. — Так легко течет вода, что мы сначала не предположили бы, что она будет сильно задерживаться трением при прохождении через трубы или по каналам. Но замедляющее влияние значительно. Дюймовая трубка длиной 200 футов, лежащая горизонтально и соединенная с резервуаром, будет выпускать воду не в четверть быстрее, чем дюймовое отверстие в боку резервуара. Следует избегать резких поворотов в трубе, потому что они вызывают большое трение о стенки трубы и среди частиц воды, нарушая регулярность потока. В месте входа артерий в мозг, чтобы предотвратить слишком быстрое поступление крови в этот орган, существуют резкие повороты в артериях для замедления крови; а у пасущихся животных, поскольку существует особая опасность, что кровь будет слишком свободно течь к мозгу, когда голова опущена при еде, существует специальное приспособление для предотвращения этого в виде сети артерий. Если бы артерии мозга у таких животных были прямыми трубками, они постоянно умирали бы от застоя крови в мозгу или от апоплексии.

Fig. 131.

Трение в маленькой трубе больше по отношению к ее размеру, чем в большой трубе. В трубе диаметром в дюйм вода будет двигаться не более чем в одну пятую быстрее, чем в трубке диаметром в два дюйма. Это можно прояснить с помощью рис. 131, на котором представлена площадь маленькой трубки внутри площади трубки с вдвое большим диаметром. Предположим, что эффект трения в большой трубе распространяется до a. В маленькой он распространится так же далеко, то есть до b. Но e a примерно в пять раз длиннее, чем e b, так что в большой трубе воды, свободной от трения, в пять раз больше, чем в меньшей.

Fig. 132.

198. Трение в потоках. — Замедляющий эффект трения очень очевиден в ручьях и реках. Вода в середине потока течет гораздо быстрее, чем у берегов. Когда река очень мелкая по бокам, вода там едва движется, хотя в середине вода может течь с большой скоростью. Прилив, следовательно, текущий вверх по реке, движется более свободно у берегов, чем в середине потока, потому что там он встречает меньшее сопротивление со стороны нисходящего течения. Вода движется менее быстро у дна реки, чем у поверхности. По этой причине, если палку нагрузить с одного конца так, чтобы она стояла вертикально в воде, в течении реки ее верхний конец будет нестись быстрее, чем нижний, и поэтому она наклонится вперед, как на рис. 132. Когда море накатывается на берег, каждая волна в конце концов переливается через свой гребень и разбивается, потому что нижняя часть волны замедляется трением о берег. Если бы не постоянное замедление трением у берегов и дна рек, а также на их изгибах, те реки, которые берут свое начало на значительной высоте над уровнем моря, приобрели бы огромную скорость. Так, Рона, берущая свои воды с высоты 1000 футов над уровнем океана, изливала бы их со скоростью воды, упавшей перпендикулярно с той же высоты, то есть со скоростью 170 миль в час, если бы трение постоянно не уменьшало скорость.

199. Волны. — Волны обычно образуются трением воздуха о воду. Понаблюдайте, как они образуются. Как только какая-либо часть воды поднимается над общей поверхностью, она стремится под действием гравитации упасть до уровня воды вокруг нее, и при этом часть, прилегающая к ней, выталкивается вверх, образуя другую волну; и так одна волна порождает другую, каждая из которых меньше предыдущей, пока в конце концов движение полностью не затухнет. Это всегда происходит, когда причиной движения является одиночный импульс, например, когда камень бросают в воду. Но когда волны производятся последовательностью импульсов, как когда их делает ветер, они по большей части одного размера. Существует довольно распространенное мнение, что вода движется так же быстро, как кажутся волны; но вода на самом деле остается почти неподвижной, поднимаясь и опускаясь, в то время как продвигается лишь форма волны. Одна и та же волна постоянно состоит из последовательности различных частей воды, или, скорее, это последовательность различных волн. Это очень хорошо иллюстрируется взмахиванием веревки или ковра. В открытом море волна регулярно наклоняется с обеих сторон; но когда она подходит близко к берегу, по причине, указанной в § 198, она становится все более и более близкой к перпендикулярной на стороне, обращенной к берегу, пока в конце концов не падает, и если она очень большая, рев, вызванный ее разбиванием, слышен на большом расстоянии.

200. Высота волн. — «Так ужасно, — говорит доктор Арнот, — зрелище шторма в море, что его обычно рассматривают через призму, которая искажает суждение; и какими бы высокими ни были волны на самом деле, воображение рисует их еще выше. Теперь, ни одна волна не поднимается более чем на десять футов над обычным уровнем моря, что, вместе с десятью футами, на которые ее поверхность впоследствии опускается ниже этого уровня, дает двадцать футов для всей высоты от дна любой водной долины до соседней вершины. Это утверждение легко проверяется человеком, который пытается определить, на какой высоте на мачте корабля горизонт остается всегда в поле зрения поверх волн — с учетом случайных наклонов судна и ее погружения в воду гораздо ниже ватерлинии в то время, когда она достигает дна впадины между двумя волнами. Морские брызги, гонимые силой ветра, конечно, гораздо выше вершины жидкой волны; и волна, наталкиваясь на препятствие, может взметнуться на большую высоту над ним. У маяка Эддистоун, когда разбивается прибой, который рос под штормом через всю Атлантику, он перехлестывает даже через фонарь на вершине».

201. Количество движения. — Количество движения тела — это его сила в состоянии движения. При оценке количества движения любого тела необходимо учитывать две вещи: его скорость и его количество материи или вес. Пуля, выпущенная из ружья, обладает значительно большей силой, или способностью преодолевать препятствия, чем пуля, брошенная рукой, из-за своей большей скорости. Теперь предположим, что вес или количество материи увеличилось в десять раз, а скорость движения осталась прежней; тогда тело будет обладать в десять раз большей силой и преодолеет в десять раз большее препятствие. По этой причине небольшой камень, упавший на голову человека, может причинить лишь незначительный вред, в то время как камень в десять раз больше, упавший с той же высоты, может оглушить и, возможно, убить его. Но если бы большой камень мог падать со скоростью, составляющей лишь одну десятую скорости маленького, эффект от обоих был бы одинаковым. Пусть этот пример проиллюстрирует правило для вычисления количества движения движущихся тел, а именно: умножьте количество материи на скорость. Пусть вес маленького камня равен 1 унции, а большого — 10 унциям. Если они упадут с высоты 16 футов, сила, с которой ударит большой камень, будет выражена числом 160 (16×10), а сила маленького — числом 16 (1×16). Предположим теперь, что с помощью какой-либо силы, помимо гравитации, маленький камень можно заставить двигаться в десять раз быстрее большого; тогда сила, с которой он ударит, будет равна силе большого камня и будет выражена числом 160.

Fig. 133.

Я проиллюстрирую это другим способом. Пусть a и b (рис. 133) — два глиняных шара одинакового размера, подвешенных над градуированной дугой. Если позволить b упасть с верхней точки дуги, 6, то при столкновении с a он передаст половину своего движения a, и они оба продолжат движение вместе. Но как далеко они уйдут? До отметки 3 на другой стороне дуги. Почему? Пусть количество материи в каждом шаре будет равно 1, а движение b — 6. Следовательно, количество движения будет равно 6. Теперь количество движения обоих шаров вместе после удара будет таким же, как у b до него. Но количество материи стало в два раза больше, и его следует считать равным 2. Поэтому движение должно быть представлено числом 3, чтобы количество движения составило 6 (2×3). Но предположим, что b в два раза больше a. Падая с отметки 6, его количество движения будет представлено числом 12 (2×6). После того как он ударит a, количество движения обоих вместе будет таким же, как у b до удара; но так как количество материи равно 3, движение будет представлено числом 4. Таким образом, они переместятся к отметке 4 на дуге.

202. Примеры. — Достаточно нескольких примеров, иллюстрирующих, что количество движения складывается из количества материи и скорости. Если мушкетная пуля весом в одну унцию настолько потеряла энергию, что движется со скоростью всего один фут в секунду, ее сила будет настолько мала, что при попадании в кого-либо она не причинит вреда. Но пушечное ядро весом в тысячу унций, движущееся с такой медленной скоростью, будет обладать очень большой силой — фактически равной количеству движения пули весом в одну унцию, движущейся со скоростью 1000 футов в секунду. Если доска прижмет ногу человека к пристани, он едва это почувствует; но если эта доска, вместо того чтобы быть одной, является частью плота из тысячи скрепленных вместе досок, и весь плот движется с той же скоростью, сила увеличится в тысячу раз, и доска раздробит ногу. Точно так же, если бы одна доска, будучи в одиночку, двигалась в тысячу раз быстрее, чем весь плот, результат был бы тем же. Столь мягкое вещество, как свеча, может быть выстрелено сквозь доску благодаря количеству движения, сообщенному ей огромной скоростью. Пожалуй, нет лучшего примера огромной силы, сообщаемой веществу колоссальной скоростью, чем ветер. Воздух настолько легкий, что люди считают его почти ничем. Но пусть он придет в быстрое движение, и скорость придаст ему силу, количество движения, которое будет выбрасывать корабли на берег, опрокидывать здания и вырывать деревья с корнем. В этом последнем примере мы видим прекрасно проиллюстрированным смысл выражения «количество движения». В движущемся воздухе каждая частица вносит свой вклад в упомянутые разрушительные последствия. Каждую частицу, следовательно, можно рассматривать как резервуар движения, и количество движения в любом случае зависит от количества, которым обладает каждая частица, и от числа этих частиц.

203. Создание больших скоростей. — Когда нет препятствий для движения, большие скорости могут быть созданы одним импульсом. Так, в начале Творец дал единый импульс каждому из небесных тел, создав огромные скорости, которые остаются неизменными год за годом и век за веком, потому что эти тела летят по своим орбитам через пространство, где нет сопротивления чего-либо подобного воздуху, замедляющего движение. Но во всех движениях, которые мы видим вокруг себя, существуют препятствия, постоянно замедляющие их; и поэтому никакое очень быстрое движение не создается одним импульсом, а требуется последовательность импульсов для накопления достаточного количества движения, чтобы преодолеть препятствия и обеспечить большую скорость. Я приведу несколько примеров для иллюстрации. Один из лучших примеров — падение тел на землю. Вы знаете, что чем больше высота, с которой падает тело, тем больше его скорость и, следовательно, тем больше сила, с которой оно ударяется. Почему это так? Если бы оно падало из-за одного импульса, заставляющего его двигаться к земле, этого бы не происходило, и если бы на пути не было воздуха, скорость была бы равномерной; но сопротивление воздуха замедляло бы скорость, так что если бы несколько тел получили один и тот же импульс на разных высотах, то самое дальнее из них было бы наиболее замедлено и, следовательно, упало бы медленнее всех остальных. В этом случае, чем больше высота, с которой упал бы человек, тем меньше был бы вред. Но тело падает на землю не под действием одного импульса, а под действием последовательности импульсов, или, скорее, непрерывного импульса. Каждый момент, пока тело падает, оно притягивается землей, и это непрерывное действие причины движения заставляет его постоянно увеличивать скорость. На том же принципе непрерывного действия основано то, что человек высоко поднимает молоток, когда хочет нанести сильный удар. В этом случае и гравитация, и мышечная сила руки воздействуют на молоток на всем протяжении пути. Лошадь при ударе ногой делает то же самое, и благодаря большой длине ноги скорость, сообщаемая копыту этим непрерывным действием мышц, очень велика. Стрела выпускается не одним мгновенным импульсом тетивы, но тетива, следуя за ней на значительном расстоянии, сообщает ей непрерывный импульс. Действие пороха на пулю, вылетающую из ружья, кажется мгновенным и единичным импульсом, но на самом деле это не так. Большая скорость, сообщаемая пуле, придается ей непрерывным импульсом расширяющейся силы газов, образующихся из пороха, и поэтому она во многом зависит от длины ствола. Если он короткий, сила пороха не удерживается достаточно долго у пули, чтобы сообщить ей большую скорость.

204. Остановка больших скоростей. — Как для создания больших скоростей требуется непрерывная сила, так и для их остановки необходимо непрерывное сопротивление. Именно благодаря постепенному или непрерывному сопротивлению воздуха движение пушечного ядра прекращается. Теперь, если вместо этого постепенного сопротивления на пути ядра окажется какое-либо твердое вещество, например, гранитный блок, оно будет немедленно разбито. Мы видим, таким образом, причину, по которой твердое вещество умеренной толщины не оказывает такого эффективного сопротивления телу, движущемуся очень быстро, как какое-либо вещество более податливого рода и большего объема. Например, кипа хлопка остановит ядро, которое пробило бы доску, поскольку хлопок, легко подаваясь, позволяет силе ядра быть воспринятой и встретить сопротивление со стороны большего объема, в то время как дерево, не подаваясь, противопоставляет силе ядра лишь малую часть своего общего объема и поэтому не останавливает его; другими словами, количество движения ядра передается гораздо большему количеству материи в хлопке, чем в дереве. Эти принципы дают простое объяснение трюку, который иногда исполняется. Человек ложится на спину и, положив на грудь наковальню, позволяет кому-то нанести тяжелый удар молотом по наковальне, и не получает никаких повреждений. Почему? Потому что количество движения или сила молота распределяется по всему объему наковальни, а затем снова по объему податливой грудной клетки. Человек заботится о том, чтобы его легкие были хорошо наполнены воздухом в момент удара, так как это увеличивает объем и эластичность грудной клетки и тем самым способствует распределению количества движения. Если бы удар молота пришелся прямо на грудь, был бы нанесен большой вред, так как сила была бы потрачена на одну маленькую точку. Вышеизложенные принципы инстинктивно применяются людьми в их повседневной работе и усилиях. Вы видите человека, ловящего кирпичи, которые ему бросают. Принимая кирпичи в руки, он позволяет своим рукам и кирпичам немного переместиться вместе, чтобы постепенно погасить движение кирпичей. Сделать это внезапно — значит получить болезненный урок о количестве движения. Так, когда человек прыгает с высоты, он не приземляется в прямом положении. Это вызвало бы внезапную и, следовательно, болезненную остановку движения всего тела. Чтобы избежать этого, он приземляется на ноги со всеми согнутыми крупными суставами тела, так что различные части приближаются к земле последовательно, причем движение его головы останавливается в последнюю очередь.

Fig. 134.

205. Передача движения в упругих телах. — Количество движения передается от одного тела к другому совсем иначе в упругих телах, чем в неупругих. Как вы видели в § 201, когда одно неупругое тело ударяется о другое, количество движения делится между ними, и оба продолжают движение вместе. Теперь, если a и b (рис. 133) были бы упругими телами, как шары из слоновой кости, и b позволили бы упасть на a, он передал бы все свое количество движения телу a. Следовательно, b остановился бы, а a продолжил бы движение до той же высоты, с которой пришел b. Причина в том, что скорость, потерянная b и полученная a, ровно в два раза больше той, которая была бы, если бы шары были неупругими. По той же причине, если a и b, будучи упругими, встречаются друг с другом, падая с равных высот на дуге, они оба отскочат и вернутся на те же высоты, с которых пришли. Но если они неупругие, они просто уничтожают количество движения друг друга и останавливаются. Эффект, произведенный в первом случае, ровно в два раза больше, чем во втором, что вы можете увидеть, посчитав по дуге. По той же причине, если у вас есть ряд упругих шаров, как на рис. 134, и вы позволите a упасть из точки i на b, он остановится там; и, передав все свое количество движения b, это количество движения перейдет от b к c и так далее через весь ряд шаров к e, последнему из них, который отлетит в точку h на той же высоте, что и i, точка, с которой упал a. Если b удерживать неподвижно, а a позволить упасть на него, a отскочит на высоту, с которой упал, ибо тогда сжатая упругая пружина (§ 39) каждого шара, поскольку b неподвижен, передает все движение телу a. Именно по этой причине упругий шар при броске о что-либо неподвижное отскакивает. Если то, во что его бросают, идеально упруго, он отскакивает с силой, равной той, с которой его бросили.

Fig. 135.

206. Отражение движения. — Если упругое тело брошено перпендикулярно на поверхность, оно отскакивает по тому же пути, по которому было брошено. Но если оно ударяется о поверхность под углом, оно отбрасывается или отражается в другом направлении. Так, шар, брошенный из b на c (рис. 135, стр. 158), вернется по линии, проведенной к b. Но если он будет брошен из d, он отразится по линии c a. Теперь угол d c b, называемый углом падения, всегда равен b c a, углу отражения. То же самое, как вы обнаружите в других частях этой книги, верно для звука, света и тепла.

207. Равномерность движения. — Поскольку движение, однажды начавшись, склонно продолжаться, если его не остановят препятствия, оно естественно равномерно как по скорости, так и по направлению. Я буду говорить сейчас только о скорости. Предположим, что тело приведено в движение и не встречает никакого сопротивления со стороны трения, сопротивления воздуха или притяжения; оно будет двигаться вечно и с той же скоростью, с которой начало. Именно такие обстоятельства мы имеем при движении небесных тел по их орбитам. Они, правда, находятся под влиянием притяжения, но таким образом, как вы скоро увидите, который не мешает равномерности их движения. Если бы не эта равномерность, у нас не было бы регулярности времен и сезонов. Только благодаря равномерному движению Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси мы можем производить расчеты на завтра, на следующую неделю или на следующий год. Если бы эти движения были нерегулярными, это внесло бы путаницу во все наши расчеты на будущее и во все наши воспоминания о прошлом. Мы не можем измерять время ничем иным, кроме регулярного движения, и если бы не было регулярного движения, у нас была бы лишь весьма неточная мера, предоставляемая нашими ощущениями. Чтобы измерять время с точностью, мы берем какое-нибудь великое и обширное равномерное движение в качестве нашего эталона. Так, обращение Земли вокруг Солнца мы принимаем за одно деление времени и называем его годом. Мы наблюдаем, что в течение этого времени она вращается вокруг своей оси 365 раз, и время, затрачиваемое на каждое из этих вращений, мы называем днем.

208. Маятник. — Человечеством были приняты различные способы измерения времени. Сначала время неточно делилось простым наблюдением за Солнцем. Но спустя некоторое время человек прибег к различным приспособлениям для точного измерения коротких промежутков времени. Все они зависят только от равномерности движения. Солнечные часы измеряют время по равномерному движению тени на их циферблате, вызванному равномерным движением Земли по отношению к Солнцу. Песочные часы измеряют время по равномерному падению песка, вызванному силой гравитации. Лучшим измерением времени является сравнительно современное изобретение часов, в которых время делится на очень мелкие периоды равномерным движением маятника или балансира. Маятник представляет собой интересный пример движения, поддерживаемого влиянием гравитации. Лишь во времена Галилея, менее трех веков назад, его работа была понята и приспособлена для измерения времени. Он заметил, что люстры, свисающие с высоких потолков, вибрировали очень долго и равномерно после того, как были случайно приведены в движение, и мысль философа извлекла из этого явления самые важные результаты. Хотя это было перед глазами людей в том или ином виде с момента сотворения, именно Галилею было суждено заметить его значение, и результатом стало то, что маятник стал хранителем времени для человека по всей Земле.

Fig. 136.

209. Объяснение его работы. — Маятник обычно состоит из шара или груза на конце стержня, подвешенного так, чтобы вибрировать с малым трением в точке подвеса. Пусть a b (рис. 136) представляет такой маятник. Когда он находится в покое, он образует отвес, висящий к центру Земли. Если его поднять в точку c и оставить падать, сила гравитации не только перенесет его в b, но благодаря ускоренной скорости или накопленному количеству движения, которое она придает ему при спуске, она перенесет его в d. То же самое будет верно и для его возвращения из d. И он вибрировал бы вечно таким образом, если бы его можно было полностью освободить от сопротивления воздуха и трения. Но в действительности маятник, предоставленный самому себе, постепенно теряет свое движение из-за этих препятствий. В обычных часах задача гири состоит в том, чтобы противодействовать влиянию этих препятствий и поддерживать вибрацию маятника. В часах ту же роль для балансира выполняет пружина.

Fig. 137.

Времена вибраций маятника почти равны, независимо от того, велика или мала описываемая им дуга. Ибо когда вибрация большая, скорость, которую маятник приобретает при падении, больше, чем когда вибрация невелика. Причина в том, что чем выше он поднимается, тем круче начало его спуска. Так, a c (рис. 137) круче, чем c b.

Fig. 138. Fig. 139.

210. Компенсационный маятник. — Чем длиннее маятник, тем больше времени занимает его вибрация. Требуется маятник длиной чуть более тридцати девяти дюймов, чтобы вибрировать секунды. Холодная погода, сжимая маятник, заставляет его вибрировать быстрее, чем летом, и поэтому часы идут быстрее. К различным ухищрениям прибегали, чтобы противодействовать изменению длины маятников из-за тепла и холода, но то, что называется компенсационным маятником, является лучшим. В этом маятнике остроумно используется тот факт, что тепло расширяет латунь почти в два раза больше, чем сталь. Простая форма этого маятника приведена на рис. 138. Средний стержень сделан из латуни, а боковые стержни, b и c, — из стали. Предположим, что латунный стержень расширяется или увеличивается в длину на полдюйма. Стержень c был бы потянут им вверх, а стержень b — вниз, каждый на четверть дюйма; но этот эффект нейтрализуется расширением каждого стального стержня, которое составляет половину расширения латуни, то есть одну четверть дюйма. Груз d, следовательно, всегда сохраняет одно и то же расстояние от точки подвеса e. На рис. 139 вы видите компенсационный маятник более сложного характера, часть стержней которого стальная, а часть — латунная.

211. Склонность движения к прямолинейности. — Когда тело приведено в движение, если его предоставить самому себе — то есть если ничто не мешает его движению, — оно будет двигаться по идеально прямой линии. Требуется некоторое вмешательство какой-либо силы, чтобы искривить движение. Вы легко увидите из взглядов, которые я вам представил, что никогда не бывает движения, которое было бы, строго говоря, прямым, потому что каждое движение в некоторой мере сложное; то есть каждая причина движения модифицируется в своем действии другими причинами движения. Но мы можем очень близко приблизиться к прямому движению, заставив одну причину значительно преобладать над другими причинами. Я проиллюстрирую это. Если мы выстрелим пулей горизонтально из ружья, на нее воздействуют три силы: движущая сила пороха, сопротивление воздуха и притяжение Земли. Действие второй из них находится в прямом противоречии с первой и поэтому только замедляет движение, а вовсе не стремится отклонить его от прямого курса. Это видно из того факта, что пуля не отклоняется ни вправо, ни влево. Но третья сила стремится заставить пулю искривить свой путь к земле. Она делает это с того момента, как пуля покидает ружье, на протяжении всего полета, но настолько незначительно, что практически мы можем считать, что пуля движется прямо на коротких расстояниях. Когда мы берем большую дальность, мы должны учитывать это искривление движения вниз. Соответственно, ради точности в современных ружьях предусмотрен двойной прицел, как видно на A и B, рис. 140. Это, как вы видите, обеспечивает наведение ружья немного выше уровня цели, причем этот уровень обозначен пунктирной линией.

Fig. 140.

Fig. 141.

Чем больше движущая сила, тем ближе к прямой линии путь движущегося тела. Это можно очень ясно увидеть на рис. 141, изображающем вытекание воды из разных точек сосуда. Поскольку давление в жидкости зависит от глубины, § 121, сила, с которой вода выбрасывается, больше в точке C, чем в B, и в D, чем в C. Вытекающая струя, следовательно, наиболее близка к прямой в самой нижней точке, D.

Движение снарядов, упомянутое таким образом, будет более подробно рассмотрено далее.

Fig. 142.

Fig. 143.

212. Сложное прямолинейное движение. — Мы называем сложным то движение, которое создается двумя или более силами, действующими на тело. Оно может быть прямым или криволинейным. Я сначала скажу о прямом. Если человек попытается переплыть на лодке прямо через реку, точка, которой он достигнет, будет не прямо напротив той, из которой он начал, а ниже. На лодку действуют две силы: течение, стремящееся унести ее прямо вниз по потоку, и его гребля, стремящаяся перенести ее прямо поперек. Лодка пойдет ни в одном из этих направлений, а по линии между ними. Пусть A B (рис. 142) представляет берег реки, от которого он начинает путь в точке A, с носом лодки, направленным к C на противоположном берегу. Предположим теперь, что за время, которое требуется ему, чтобы переплыть, течение унесло бы его вниз к B, если бы он вообще не греб. Он достигнет за это время под действием обеих сил вместе точки D, напротив B, причем его курс будет линией A D. Так, если ветер дует на судно таким образом, что несет его на восток, а течение толкает его на юг, судно пойдет по средней линии, а именно на юго-восток. По той же причине, если мальчик ударит ногой футбольный мяч, уже находящийся в движении, он не будет нестись в том направлении, в котором он его ударил, а по линии между этим направлением и направлением, в котором его несло прежнее движение. В плавании, полете, гребле и т. д. мы имеем примеры сложного движения, при этом движущееся тело всегда выбирает среднюю линию между направлениями сил.

Fig. 144.

Fig. 145.

Если мы возьмем рис. 142, иллюстрирующий движение лодки, и проведем две линии, одну от A к C, а другую от B к D, мы получим параллелограмм A C D B (рис. 143), в котором линия A C представляет силу гребли, A B — силу течения, а A D — путь лодки. Вы видите, таким образом, что если мы хотим узнать, в каком направлении и как далеко за данное время переместится тело, на которое действуют две силы, мы должны провести две линии в направлении этих сил и длиной, пропорциональной расстояниям, на которые они переместили бы его за это время; затем, проведя две линии, параллельные этим, мы получим параллелограмм, и его диагональ будет представлять расстояние и курс движущегося тела. Если на тело действуют две равные силы под прямым углом друг к другу, описанная фигура будет квадратом, как вы видите на рис. 144. Если они отклоняются от прямого угла друг к другу, фигура будет варьироваться в той же пропорции от квадратной фигуры, как видно на рис. 145 и 146. На трех фигурах A B и A D представляют две силы, а A C — результирующее движение. Вы замечаете по этим диаграммам, что чем ближе две силы подходят к тому, чтобы быть в одном направлении, тем дальше они переместят тело. Вы видите это по разной длине диагоналей на рис. 144 и рис. 146. Чем ближе, следовательно, ветер совпадает с течением, тем быстрее судно будет нестись по ветру. Когда, с другой стороны, угол, под которым две силы действуют на тело, намного больше прямого угла, они продвинут его лишь на небольшое расстояние. Так, если две силы действуют на тело в направлениях D A и D C (рис. 147), они переместят его только на расстояние, представленное диагональю D B. Эта диаграмма представляет движение судна, плывущего почти прямо против течения при ветре, сила которого равна силе течения, в то время как рис. 146 представляет движение судна, где ветер и течение, будучи равной силы, почти совпадают. В приведенных выше диаграммах я предполагал, что силы равны; но та же истина может быть показана в отношении неравных сил, как видно на рис. 143.

Fig. 146.

Fig. 147.

213. Криволинейное движение. — Никакой единичный импульс не может создать криволинейное движение. Не могут этого и два или более импульса, сообщенные в одно время. В обоих этих случаях движение было бы по прямой линии. Криволинейное движение может быть создано двумя силами, одна из которых дает единичный импульс, а другая действует на него непрерывно. Знакомый пример у вас есть в шаре, вращающемся на конце веревки. Вы можете придать ему импульс, а затем, держа его в руке, позволить ему вращаться. Здесь импульс, который вы придаете шару, — это одна сила, а натяжение веревки — другая, причем последняя действует непрерывно. Ваша рука, держащая конец веревки, является центром, вокруг которого вращается движение; импульс, который вы придали шару, стремится заставить его улететь от центра по прямой линии, и поэтому называется центробежной силой; натяжение веревки удерживает его от такого улета, и поэтому называется центростремительной силой. Когда Земля при сотворении была приведена в движение, она двигалась бы по идеально прямой линии, если бы ее постоянно не притягивало к Солнцу, причем непрерывное действие этой последней силы такое же, как натяжение веревки в случае с вращающимся шаром. Сила притяжения, следовательно, является центростремительной силой Земли, а импульс, который был дан ей Творцом в начале, — это ее центробежная сила; и, сбалансированные между этими двумя силами, Земля и все небесные тела равномерно движутся вперед по своим орбитам. Центробежная сила, которую вы видите в этих иллюстрациях, — это просто стремление движения к прямой линии из-за инерции материи; и этому постоянно противодействует центростремительная сила.

Fig. 148.

214. Иллюстрации центробежной силы. — Когда вращают мокрую швабру, вода разлетается во все стороны под действием центробежной силы. По тому же принципу собака, выходя из воды, стряхивает ее полувращательным движением. Когда подвешенное ведро с водой быстро вращают, вода поднимается высоко по его стенкам и оставляет пустоту посередине. Именно стремление улететь от центра движения вызывает это. Большие колеса, вращающиеся с большой скоростью, ломались под действием центробежной силы своих частиц, и отсюда необходимость делать такие колеса очень прочными. Огромные точильные камни, используемые на оружейных заводах, иногда ломались посередине или разлетались на куски по той же причине. Человек, едущий верхом, при повороте на крутом углу наклоняет свое тело к углу, чтобы избежать падения под действием центробежной силы. Так, в цирковых номерах человек, стоящий на лошади, бегущей на полной скорости по кругу, сильно наклоняет тело внутрь, как вы видите на рис. 148 (стр. 167). Лошадь также инстинктивно наклоняется в ту же сторону по той же причине. Если всадник чувствует опасность падения, то, заставив лошадь бежать немного быстрее, тем самым увеличив центробежную силу, он облегчает трудность. Центробежная сила используется в мукомольном деле. Зерно подается между двумя круглыми камнями через отверстие в центре верхнего из них, и по мере вращения камня оно постоянно движется к окружности и там выходит в виде муки.

Fig. 149.

Fig, 150.

215. Изгибы рек. — Мы видим действие центробежной силы в изгибах рек. Когда изгиб уже начался в реке, он склонен увеличиваться, ибо, когда вода несется вдоль внешнего берега изгиба, она сильно давит на него, точно так же, как вода во вращающемся ведре, § 214, давит на его стенки под действием своей центробежной тенденции, или, другими словами, своего стремления принять прямое движение. Конечно, результатом является размывание этого внешнего берега, и в пропорции к рыхлости материала, из которого он состоит, и скорости течения реки. И когда образуется один изгиб, другой склонен образоваться ниже, но в противоположном направлении. Вода, проносясь вдоль изгиба a (рис. 149), направляется им к противоположному берегу в точке b и делает изгиб и там. Именно таким образом река, протекающая через рыхлую почву, например Миссисипи, приобретает очень извилистое русло. Как вода во вращающемся ведре поднимается вдоль стенок, так и в реке вода будет выше у берега a, чем на противоположной стороне. Водовороты и омуты производятся по тем же принципам, когда вода вынуждена быстро поворачивать вокруг какого-либо выступающего пункта. Если бы течение быстро двигалось вдоль берега a к пункту b (рис. 150), оно было бы направлено наружу сопротивлением этого выступа, и таким образом углубление осталось бы в точке c, прямо позади него, и это углубление было бы окружено вращающимся краем воды.

Fig. 151.

216. Применение центробежной силы в искусствах. — Центробежная сила широко используется в искусствах, но я приведу только два примера. В гончарном искусстве глина заставляется вращаться на вращающемся столе, при этом мастер одновременно придает глине такую форму, какую пожелает, с помощью своих рук и различных инструментов. Делая это, он постоянно соотносится с центробежной силой, придавая столу скорость, пропорциональную количеству этой силы, которая необходима на каждом этапе операции. Самое красивое применение этой силы, которое я когда-либо видел, — это производство обычного оконного стекла. Стеклодув собирает на конце своей железной трубки количество расплавленного стекла и выдувает его в большой шар. Когда он достигает достаточного размера и тонкости, он помещает его на подставку, как вы видите на рис. 151 (стр. 169). Второй человек теперь подходит со стержнем, имеющим немного расплавленного стекла на конце, и прикрепляет его к шару в точке, противоположной той, где трубка первого человека соединена с ним. Теперь подходит мальчик и, нанеся быстрый удар по этой трубке, разрывает ее соединение с шаром, оставляя отверстие в шаре там, где стекло выламывается. Второй человек, имея шар, прикрепленный к своему стержню, несет его к пылающей печи и, положив стержень на перекладину у ее устья, помещает шар прямо в пламя. Стекло вскоре размягчается, и он постоянно вращает шар. Отверстие в шаре увеличивается под действием центробежной силы, и в конце концов под действием этой силы шар превращается в плоский круглый диск. Стекла, которые называют «бычьими глазами», вырезаются из центров этих дисков.

Fig. 152.

217. Паровой регулятор. — Действие центробежной силы прекрасно иллюстрируется в этом регуляторе паровой машины. Он состоит из двух тяжелых шаров (рис. 152), подвешенных на стержнях от вертикальной оси, причем стержни соединены с осью шарнирами. Стержни также имеют шарнирное соединение на своих нижних концах с двумя меньшими стержнями, а последние имеют аналогичное соединение с кольцом, которое скользит вверх и вниз по оси. Теперь, чем быстрее вращается ось, тем дальше шары отлетают от нее под действием центробежной силы, и тем выше кольцо скользит вверх по оси. От кольца отходит, как вы видите, рычаг. Он соединен с клапаном в паровой трубе и таким образом регулирует количество пара, которое поступает в рабочую часть двигателя. Цель этого остроумного приспособления — заставить двигатель регулировать свою собственную скорость. Когда он работает не слишком быстро, клапан в паровой трубе широко открыт. Но в тот момент, когда он работает слишком быстро, шары выдвигаются далеко от оси, так что кольцо поднимается и с помощью рычага частично закрывает клапан. Меньше пара, следовательно, может поступить в двигатель, и двигатель, работая вследствие этого менее быстро, шары снова падают, открывая клапан. Вы видите, таким образом, что регулировка этого клапана регулятором эффективно предотвращает слишком быстрое действие двигателя.

 

Fig. 153.

Fig. 154.

218. Форма Земли, на которую влияет центробежная сила. — Если бы гончар заставил шар из мягкой глины быстро вращаться на палке, пропущенной сквозь него, шар выпятился бы посередине, где центробежная сила наибольшая, и был бы сплющен на концах, где проходит палка. Это именно то, что произошло с Землей. На экваторе, где центробежная сила наибольшая, она выпятилась примерно на тринадцать миль, в то время как она сплющена у полюсов. Эта форма, конечно, была принята до того, как Земля стала твердой. На рис. 153 мы имеем форму Земли, где N S — полярный диаметр, а E E' — экваториальный диаметр. Стремление принять эту форму под действием центробежной силы может быть проиллюстрировано инструментом, представленным на рис. 154. Он состоит из набора круглых латунных обручей с осью b a. Обручи прикреплены к оси в точке a, но оставлены свободными в точке b. С помощью небольшого механизма наверху их можно заставить быстро вращаться, и, выпячиваясь по бокам под действием центробежной силы, они сползают вниз по оси в точке b.

219. Снаряды. — Я уже говорил о снарядах в § 211. Вы видели там, что любое тело, например пушечное ядро, которое проецируется горизонтально, падает на землю по кривой линии. На ядро действуют две силы: сила проецирования, сообщенная порохом, и сила гравитации. Поскольку сила гравитации всегда одинакова, форма кривой, которую описывает проецируемое тело, должна зависеть от силы, с которой оно проецируется. Это очень поразительно иллюстрируется кривыми, описываемыми различными струями воды на рис. 141. Но независимо от того, велика или мала сила проецирования, движущееся тело, брошенное горизонтально, в любом случае достигнет земли за одно и то же время. Так, если две пушки стоят бок о бок на высоте, одна из которых пошлет ядро на милю, а другая на полмили, два ядра, если выстрелить одновременно, достигнут земли в один и тот же момент, хотя при первом размышлении могло бы показаться, что ядро, которое пролетает в два раза дальше другого, затратит на это больше времени. Это потому, что горизонтальная сила ядра нисколько не противодействует направленной вниз силе гравитации. Если бы оно было брошено вверх, а не горизонтально, сила проецирования противодействовала бы гравитации, и в той пропорции, в какой направление приближалось бы к вертикальному. Поскольку горизонтальная сила не мешает действию силы гравитации, из этого следует, что пуля, брошенная в тот момент, когда другая выстрелена, достигнет земли в тот же момент, что и выстреленная пуля. Это можно прояснить с помощью рис. 155. Предположим, что пуле требуется три секунды, чтобы упасть с вершины башни к ее подножию. В первую секунду она падает до a. Ядро, проецируемое горизонтально из пушки, будучи под воздействием той же силы гравитации, упадет на такое же расстояние и будет на одном уровне с ней в точке b. Оба ядра падают все дальше и дальше каждую секунду, оба ускоряются в одинаковой степени, потому что это делается одной и той же силой. Проецируемое ядро достигнет d, когда падающее ядро будет в c, и равнины в f, когда падающее ядро будет в e, у подножия башни. То же самое верно во всех случаях. Пуля, брошенная с уровня ствола ружья, как бы парадоксально это ни казалось, упадет на землю не раньше, чем та, которая выстрелена из ружья.

Fig. 155.

Fig. 156.

220. Все падающие тела на самом деле проецируются. — Когда тело падает с какой-либо высоты, оно не падает, как вы уже видели в § 187, по прямой линии, как кажется. Оно падает по кривой линии, ибо, как и все снаряды, оно находится под воздействием горизонтальной силы, а также силы гравитации. Но что это за горизонтальная сила? Это движение, которое тело имеет вместе с Землей при ее вращении вокруг своей оси. При этом вращении высота, с которой падает тело, перемещается к востоку на 1500 футов в секунду. Если бы, следовательно, тело не участвовало в движении Земли и падало на землю по прямой линии за секунду, оно оказалось бы, достигнув земли, на 1500 футов западнее подножия высоты, с которой упало. Но оно участвует в движении Земли и движется на восток так же быстро, как и высота, и поэтому описывает кривую линию снаряда. Предположим, что ядро падает с высоты A (рис. 156), и за секунду времени эта высота проходит к C. Движущая или проецирующая сила стремилась бы унести ядро к C, а сила гравитации стремилась бы унести его к B. Но обе силы, действуя вместе, заставляют его следовать по среднему пути, и этот путь — кривая линия, потому что одна из сил является непрерывной, § 213. По той же причине, если ядро брошено из движущегося железнодорожного вагона, и ему требуется секунда, чтобы упасть, оно будет в конце этой секунды прямо под той частью вагона, из которой оно упало. Хотя вагон мог переместиться на значительное расстояние, брошенное ядро, участвуя в его движении, движется вместе с ним при падении. Так, ядро, брошенное с верхушки мачты, когда корабль находится в движении, движется вместе с кораблем при падении. Ядро в каждом из этих случаев описывает при падении кривую линию.

221. Движение по орбитам. — Почему, спросим мы, пушечное ядро, выстреленное горизонтально с какой-то большой высоты, не будет вращаться вокруг Земли, как Луна? На него действуют те же две силы, что и на Луну, — а именно, проецирующая сила и притяжение Земли, — и оба, ядро и Луна, описывают кривую в своем движении. Но кривая ядра изгибается к Земле, в то время как кривая Луны всегда огибает Землю. Почему это так? Во-первых, существует сопротивление воздуха, постоянно замедляющее скорость ядра. Но, во-вторых, даже если бы ядро могло быть проецировано с высоты, достаточно большой, чтобы быть вне атмосферы, сила проецирования была бы недостаточно велика. Мы знаем из скорости движения небесных тел по их орбитам, что потребовалась бы огромная скорость, чтобы удержать ядро от падения на Землю под действием ее притяжения. Творец этих миров, когда он запускал их на их орбиты, дал им именно тот импульс, который необходим для балансировки центростремительной силы притяжения, и поэтому они следуют средним курсом между двумя направлениями, в которых эти две силы стремятся их унести. И поскольку их скорости никогда не замедлялись сопротивлением воздуха или какого-либо другого вещества, они всегда оставались одинаковыми с самого начала.

ГЛАВА XI. МЕХАНИЧЕСКИЕ СИЛЫ.

222. Машины не являются источниками силы. — Механические силы, как их называют, числом шесть — а именно: рычаг, колесо и ось, наклонная плоскость, винт и клин. Они не являются, строго говоря, силами; ибо, как вы увидите в ходе нашего исследования, они являются лишь средствами применения силы с выгодой и в действительности не являются источниками силы. Истинными источниками силы являются причины движения, рассмотренные в § 181. Инструмент или машина не могут создать силу, и единственное использование всего разнообразия инструментов и механизмов состоит в том, чтобы позволить нам применять силу таким образом, с такой скоростью и в таком направлении, чтобы осуществить объекты, которые мы имеем в виду. Термин «Механическая сила», следовательно, не совсем правилен применительно к тем приспособлениям, которые обычно имеют это название; но термин настолько общеупотребителен, что было бы нехорошо его изменять.

Каждый инструмент, каким бы простым и незначительным он ни был, и каждая машина, какой бы большой или сложной она ни была, является примером какой-либо одной из шести Механических Сил или их комбинации. Я приступлю к рассмотрению каждой из них отдельно. При этом будут использованы определенные термины, которые я сначала объясню. Сила — это воздействие, с помощью которого машина или инструмент приводится в движение. Вес — это сопротивление, которое необходимо преодолеть. Если сопротивление находится в какой-либо другой форме, чем форма веса, оно технически называется этим именем. Так, то, что называется Силой, может быть в форме веса. Точка опоры — это точка, на которой инструмент или машина поддерживается во время движения.

223. Рычаг. — Рычаг — самая простая из всех Механических Сил и поэтому находится в повсеместном употреблении. Хотя дикарь использует лишь немногие инструменты по сравнению с цивилизованным человеком, он использует рычаг почти постоянно в том или ином виде. Клин — единственный из других Механических Сил, который он использует в значительной степени. Рычаги бывают трех видов, которые я рассмотрю отдельно.

Fig. 157.

 

Fig. 158.

224. Рычаг первого рода. — В рычаге первого рода точка опоры или опора находится между весом и силой. Обычный лом или вага — знакомый пример, как видно на рис. 157 — камень S или другое тяжелое тело, которое нужно переместить, является весом, камень или деревянный блок F, на который опирается стержень, является точкой опоры, а давление руки H — силой. Чем ближе точка опоры к весу или чем дальше сила от точки опоры, тем больше сила рычага. Это может быть проиллюстрировано на рис. 158. Здесь короткое плечо рычага, как его называют, C W, составляет одну восьмую длины длинного плеча, A C. Если вес, висящий на конце короткого плеча, равен 72 фунтам, вес в 9 фунтов или сила руки, равная этому, уравновесит его на конце длинного плеча. Но если бы сила была приложена только на расстоянии в четыре раза большем от точки опоры, чем вес, то потребовалась бы сила в 18 фунтов, чтобы уравновесить 72 фунта на коротком плече. Подобные вариации могут быть сделаны путем изменения длины короткого плеча. Сила и вес уравновесят друг друга, если вес, умноженный на длину короткого плеча, и сила, умноженная на длину длинного плеча, дают равные произведения.

225. Весы и безмен. — В обычных весах мы имеем рычаг, два плеча которого равны, и поэтому равные веса, подвешенные на концах, уравновешиваются. Если они не совсем равны, на более коротком плече потребуется больший вес, чем на более длинном. Неравенство повредит покупателю, если опора слишком близка к чаше, в которую помещены веса, и продавцу, если она слишком близка к той, которая держит товар для продажи. Любую разницу можно легко обнаружить, поменяв местами товар и веса. Всякий раз, когда обман практикуется с помощью «ложных весов», это, конечно, делается в малом масштабе, чтобы избежать наблюдения глазом неравенства двух плеч коромысла, и вес чаши, висящей на более коротком плече, делается немного больше, чем другой, чтобы они могли уравновешиваться. Весы могут быть сделаны очень точными, если сделать точку опоры или ось из закаленной стали и клиновидной формы, с острым краем, чтобы избежать трения, насколько это возможно. Безмен отличается от коромысла тем, что имеет плечи разной длины. Принципы, на которых построен этот инструмент, были развиты в том, что я сказал о рис. 158. Когда либо с весами, либо с безменом два веса уравновешивают друг друга, центр весов и аппарата вместе взятых находится прямо над точкой опоры, § 195. Мы видим в этом причину, по которой необходимо иметь опору близко к большому весу, когда мы хотим уравновесить его маленьким.

226. Другие примеры. — Ножницы — это двойные рычаги первого рода. Точка опоры — это заклепка, вес или сопротивление, которое нужно преодолеть, — это предмет, который нужно разрезать, а сила прикладывается к длинным плечам рычагов пальцами. С помощью больших ножниц можно резать твердые вещества. Даже железные пластины режутся как бумага ножницами, которые работают от паровой машины. Клещи — это двойные рычаги. Шарнир или заклепка — это точка опоры. Обычный молоток, используемый при вытаскивании гвоздей, — хороший пример силы этого вида рычага. Хотя он изогнут, он действует так же, как прямой рычаг. Точка опоры — это точка на доске, где опирается молоток, и она находится между сопротивлением, которое нужно переместить, — гвоздем, и силой, то есть рукой, которая сжимает рукоятку.

Fig. 159.

227. Отсутствие выигрыша в силе у этого рычага. — Сейчас я проиллюстрирую истину о том, что в этом рычаге нет выигрыша или экономии силы, хотя на первый взгляд может показаться, что они есть. Пусть a b, рис. 159, представляет собой рычаг, а e — его точку опоры. Пусть плечо a e будет в два раза длиннее, чем e b. Следовательно, один фунт, подвешенный в точке a, уравновесит два фунта в точке b. Если теперь, когда грузы подвешены, поднять длинное плечо так, чтобы рычаг занял положение, представленное линией c d, а затем отпустить его, то один фунт в точке c, уравновешивающий два фунта в точке d, снова вернет рычаг в положение a b. Можно заметить, что конец длинного плеча рычага за то же время проходит расстояние a c, которое больше, чем b d, пройденное концом короткого плеча. Фактически, однофунтовый груз опускается на два фута, поднимая двухфунтовый груз на один фут, и он перемещается в два раза дальше, чем переместился бы однофунтовый груз, подвешенный в точке i. Если бы однофунтовый груз мог поднять двухфунтовый груз, не проходя при этом вдвое большее расстояние, мы могли бы тогда сказать, что в рычаге есть реальный выигрыш в силе. Но очевидно, что нет никакой разницы, перемещается ли один фунт на два фута или два фунта на один фут; сила в обоих случаях одинакова. Ибо импульс или сила движущегося тела пропорциональны его весу и скорости, § 201; и поэтому фунтовый груз, перемещающийся на два фута, обладает таким же импульсом, как и двухфунтовый груз, перемещающийся на один фут за то же время. Малый груз совершает ту же работу, что и больший, перемещаясь за то же время в два раза дальше, чем больший, подобно тому как мальчик, несущий груз вдвое меньший, чем мужчина, совершит столько же работы, что и мужчина, если будет нести его вдвое быстрее.

Fig. 160.

228. Качели. — Мы видим то же самое, проиллюстрированное на примере качелей, рис. 160. Человек, будучи намного тяжелее мальчика, находится ближе к опоре, и по мере того как они движутся вверх и вниз, мальчик проходит гораздо большее расстояние, чем человек, описывая дугу в гораздо большем круге.

229. Рычаг Архимеда. — Архимед говорил, что если бы у него был достаточно длинный рычаг и достаточно прочная опора, он мог бы сдвинуть мир собственным весом. Но он не подумал о том, как далеко ему пришлось бы переместиться для этого, учитывая колоссальную разницу между его весом и весом Земли. «Ему потребовалось бы, — говорит доктор Арнот, — двигаться со скоростью пушечного ядра в течение миллионов лет, чтобы изменить положение Земли на малую долю дюйма».

230. Аналогия. — Вы помните, что в случае с гидростатическим парадоксом, гидростатическими мехами и прессом Брама (§ 131, § 132 и § 133) малая сила производит значительные эффекты. Но эта малая сила должна совершить значительное движение, чтобы произвести эти эффекты. Так, как указано в § 132, если площадь верхней части гидростатических мехов в тысячу раз больше площади трубки, то, хотя вода, налитая в трубку, поднимет очень большой груз на мехах, вода в трубке должна опуститься на десять дюймов, чтобы поднять груз на сотую долю дюйма. Так и когда давление руки на длинное плечо рычага перемещает большой груз, например тяжелый камень, груз перемещается лишь немного, в то время как величина движения руки сравнительно очень велика.

 

Fig. 161.

Fig. 162.

 

Fig. 163.

231. Рычаг второго рода. — В рычаге второго рода груз находится между точкой опоры и силой, как вы видите на рис. 161. Здесь применяется то же правило равновесия, что и в случае с рычагом первого рода. Груз в 72 фунта может быть удержан силой в 8 фунтов, потому что сила действует на рычаг на расстоянии в 9 раз большем от точки опоры, чем груз, ибо 1×72 = 9×8. Обычная садовая тачка, рис. 162 (стр. 180), является примером рычага такого рода. Точка, в которой колесо давит на землю, является точкой опоры, а груз — это поклажа, давление которой вниз от центра тяжести обозначено буквой M. Конечно, чем ближе груз к точке опоры, тем легче при начале движения поднять ручки. Лом можно использовать как рычаг этого типа, когда его острие помещается за поднимаемым грузом. Нож для рубки, рис. 163, — еще один пример. Конец F, прикрепленный к доске, является точкой опоры, рука, нажимающая в точке P, — силой, а сопротивление вещества R, которое нужно разрезать, — весом. Щипцы для орехов имеют похожее устройство. Закрывая дверь, толкая ее возле края, мы приводим в действие рычаг этого типа. Петля — это точка опоры, а груз находится между ней и рукой. Мы видим, таким образом, причину, по которой легкий толчок руки при закрывании двери может даже раздавить палец, если он попадет в нее со стороны петель. Палец представляет собой сопротивление, находящееся так близко к точке опоры, что сила, перемещающаяся на большое расстояние, воздействует на него с огромной мощностью. То же объяснение применимо к сильному защемлению пальца, когда он попадает в шарнир щипцов. Весло лодки — это рычаг такого же типа, где перемещаемый груз — это лодка, находящаяся между силой (рукой гребца) и точкой опоры (сопротивляющейся водой).

Fig. 164.

232. Рычаг третьего рода. — В рычаге третьего рода сила находится между точкой опоры и грузом, как показано на рис. 164. В первых двух видах рычагов сила может быть меньше веса, но в этом сила всегда должна быть больше веса. Таким образом, этот рычаг не дает механического преимущества в том смысле, как это выражение обычно используется. Применяя здесь то же правило, что и к другим рычагам, посмотрите, каков результат. Если груз, как на рис. 164, находится в 9 раз дальше от точки опоры, чем сила, то для удержания груза в 72 фунта потребуется сила, равная весу в 648 фунтов, ибо 9×72 = 1×648.

Fig. 165.

233. Примеры. — Когда человек упирается ногой в основание лестницы и поднимает ее, держась за одну из перекладин, лестница является рычагом этого рода. Очевидно, что он тратит свою силу на нее с большим механическим невыгодным положением, так как сила прикладывается гораздо ближе к точке опоры, чем вес лестницы, взятый в целом. Если вы закрываете дверь, поместив руку очень близко к петлям, вы закрываете ее не так легко, как если бы вы взялись за ее край. В первом случае это рычаг третьего рода, и рука проходит небольшое расстояние, а потому должна приложить значительную силу; в то время как в последнем случае дверь является рычагом второго рода, и рука, проходя большее расстояние, затрачивает меньше силы. Когда мы используем щипцы, мы используем пару рычагов третьего рода. Это инструмент, в котором важнее удобство, а не сила. Мы не можем ухватить что-либо очень крепко с их помощью, потому что сила находится гораздо ближе к точке опоры, чем поднимаемый груз. По этой причине защемление концами щипцов ничто по сравнению с защемлением в шарнире. Самый прекрасный пример этого рычага мы имеем в двигательном аппарате животных. Возьмем, к примеру, главную мышцу, сгибающую локоть, как показано на рис. 165 (стр. 182). Она спускается от плеча перед костью руки и прикрепляется чуть ниже локтевого сустава к одной из костей предплечья. Она тянет предплечье очень близко к точке опоры, которой является локтевой сустав, и поэтому действует с большим механическим невыгодным положением. Цель такого устройства — обеспечить быстроту движения, что здесь, как и почти во всех мышечных движениях, важнее, чем большая сила. Когда поднимаются большие грузы, тот факт, что мышцы действуют с таким механическим невыгодным положением, делает проявление силы удивительным.

Fig. 166.

Fig. 167.

234. Составные рычаги. — Когда несколько рычагов соединены вместе, мы называем весь аппарат составным рычагом. Пусть каждый из рычагов на рис. 166 будет длиной 3 дюйма, при этом длинные плечи равны 2 дюймам, а короткие — 1 дюйму. Один фунт в точке A, согласно правилу, уравновесит 2 фунта в точке B, а 2 фунта в точке B уравновесят 4 фунта в точке C, а 4 фунта в точке C уравновесят 8 фунтов в точке D. Следовательно, 1 фунт в точке A уравновесит 8 фунтов в точке D. И вы видите, что равновесие достигается, когда сила относится к весу так же, как произведение всех коротких плеч относится к произведению всех длинных плеч. Составной рычаг используется при взвешивании тяжелых грузов — сена, угля и т. д. У вас есть изображение этого устройства на рис. 167. Груз W стоит на платформе A B, которая опирается на два рычага E D и E C. Длинные плечи этих рычагов — E G и E F, а короткие — G D и F C. Концы длинных плеч давят на точку опоры рычага H I. Давление теперь передается от конца длинного плеча через стержень I K на малый рычаг K L, где малый груз или сила P уравновешивает вес тяжелого груза W. Две цели, достигаемые этим устройством, — это точность и занятие малого пространства.

Fig. 168

235. Колесо и ось. — Механическая сила, следующая по простоте за рычагом, — это колесо и ось. Самые знакомые применения этой силы мы видим при подъеме воды и при подъеме тяжелых предметов на складах. Принцип этой силы такой же, как у рычага, что можно показать на рис. 168, который представляет сечение колеса и оси. Сила P висит на шнуре, который идет вокруг колеса, а груз W — на шнуре вокруг оси. Мы можем рассматривать силу как тянущую рычаг, представленный A B, длинное плечо которого — A C, а короткое — B C. Вы видите, что колесо и ось, таким образом, могут рассматриваться как постоянная последовательность рычагов, и поэтому их иногда называют вечным рычагом. И то же правило равновесия применяется здесь, как и в простом рычаге.

Fig. 169.

236. Ворот. — В обычном вороте сила прикладывается к рукоятке или кривошипу D C B, рис. 169, вместо колеса. При оценке силы этого устройства B C должно считаться длинным плечом рычага, а половина диаметра оси B A — его коротким плечом.

Fig. 170.

 

Fig. 171.

237. Кабестан. — В кабестане, представленном на рис. 170 и 171, ось находится в вертикальном положении. Ее верхняя часть пронизана отверстиями, в которые вставляются рычаги. На рис. 170 вы видите инструмент, как он обычно используется при перемещении зданий. Иногда к концам рычагов прикладывается лошадиная сила. Этот инструмент развивает большую силу; но здесь мы имеем тот же факт, что и во всех случаях, когда малая сила производит большой эффект — эффект медленный, и сила проходит большое расстояние, производя его. Перемещение здания на фут требует многих кругов лошади вокруг оси. Рис. 171 показывает нам кабестан, как он обычно бывает на борту корабля. Его головка круглая, с множеством отверстий для рычагов, так что многие люди могут работать вместе, поднимая тяжелый якорь.

Fig. 172.

238. Фузея часов. — В фузее часов мы имеем колесо и ось особой конструкции. Когда мы заводим часы, цепь наматывается вокруг спирального пути на фузее B, рис. 172, и в то же время пружина туго скручивается в круглом барабане A. Пружина, постепенно раскручиваясь, поворачивает этот круглый барабан и тем самым тянет цепь c, заставляя фузею вращаться и таким образом передавать движение другим частям механизма. Теперь пружина в своем стремлении раскрутиться действует сильнее всего вначале; и поэтому, если бы фузея была одинакового размера, часы шли бы быстрее всего сразу после завода и постепенно замедлялись бы по мере того, как они раскручиваются. Это затруднение устраняется тем, что силе дается маленькое колесо, на которое она тянет вначале, и колесо постепенно увеличивается по мере раскручивания пружины. Это происходит потому, что для того, чтобы произвести определенный эффект на заданный груз с помощью силы, чем меньше сила, тем длиннее должно быть плечо рычага, на которое действует сила.

 

Fig. 173.

Fig. 174. Fig. 175.

239. Блок. — Третья механическая сила — это блок. Блоки бывают неподвижные и подвижные. На рис. 173 вы видите неподвижный блок. В этом блоке нет механического преимущества, ибо его действие можно представить как действие последовательных рычагов с равными плечами B F и A F, и поэтому равновесие требует равенства силы и веса. Но этот блок часто является большим удобством. Например, человек может поднять себя или какой-либо груз на любую желаемую высоту, как показано на рис. 174. Он также используется при осуществлении спусков. С помощью двух неподвижных блоков можно использовать горизонтальную силу для подъема груза вертикально, как показано на рис. 175. При использовании неподвижного блока достигается одна из двух целей — приложение силы там, где мы иначе не могли бы ее приложить, и изменение направления ее приложения.

Fig. 176.

240. Подвижный блок. — У вас есть изображение подвижного блока на рис. 176 (стр. 186). Здесь очевидно, что сила веса поровну распределяется между шнурами A B, так что шнур B, проходящий через неподвижный блок, должен иметь груз P, составляющий лишь половину веса W, чтобы уравновесить его. Подвижный блок иногда называют «бегунком», и с ним обычно соединяется неподвижный блок, чтобы придать желаемое направление силе. Многие блоки часто соединяются вместе различными способами, как показано на рис. 177. В таких случаях легко оценить отношение силы к весу на основе принципов, разработанных применительно к рычагу. Если, например, в системе блоков слева вес составляет 36 фунтов, то два шнура первого блока будут поддерживать вес по 18 фунтов каждый, шнуры следующего блока — по 9 фунтов каждый, а следующего — по 4,5 фунта каждый. Тогда груз W будет уравновешен грузом P, если он весит 4,5 фунта.

Fig. 177.

Fig. 178.

241. Наклонная плоскость. — Четвертая механическая сила — это наклонная плоскость. Будучи очень простым приспособлением, она широко используется, особенно когда тяжелые тела нужно поднять лишь на небольшую высоту, например, при погрузке больших ящиков и бочек в магазины. Механическое преимущество наклонной плоскости можно проиллюстрировать на рис. 178. Линия A c представляет собой наклонную плоскость. Если груз тянуть вверх по этой плоскости, он поднимается только на высоту B c. Для того чтобы втянуть груз на плоскость, требуется меньшая сила, чем для того, чтобы поднять его перпендикулярно; и необходимая сила будет тем меньше, чем длиннее плоскость. Сила, которая уравновесила бы груз на наклонной плоскости, относилась бы к весу так же, как высота плоскости к ее длине. Таким образом, если A c в два раза длиннее, чем B c, груз в четыре фунта на плоскости может быть уравновешен двухфунтовым грузом, подвешенным на шнуре, проходящем от груза через вершину плоскости. Лестница — это наклонная плоскость в отношении принципа, на котором осуществляется подъем, причем выступы на ней служат для обеспечения надежной опоры при совершении подъема или спуска. Точно так же бочки спускают по ступеням лестницы в подвал с помощью веревок, и в принципе операции нет никакой разницы, лежат ли на ступенях доски или нет. Предполагается, что огромные камни в пирамидах и других массивных египетских сооружениях были установлены на свои места с помощью наклонной плоскости. Дороги, когда они не ровные, являются наклонными плоскостями, и чем круче наклон, тем больше силы требуется, чтобы втянуть груз на дорогу. Раньше совершались большие ошибки, когда дороги слишком часто прокладывались через высокие холмы. Помимо того, что не использовались преимущества принципов наклонной плоскости, во многих случаях лошадь при прохождении через холм проходит столько же расстояния, сколько она прошла бы, если бы дорогу сделали в обход основания холма, а иногда даже больше. Если бы холм был идеальной полусферой, дорога через него была бы точно равна по длине дороге вокруг его основания до противоположной точки.

Fig. 179.

242. Клин. — Это пятая из механических сил. Его можно рассматривать как две наклонные плоскости, соединенные основаниями, как показано на рис. 179. Действительно, иногда клин имеет только одну наклонную сторону, будучи лишь половиной обычного клина. Разница между наклонной плоскостью и клином в работе заключается в том, что в первом случае наклонная плоскость неподвижна, а груз заставляют двигаться вверх по ее поверхности, в то время как в последнем случае груз, то есть сопротивление, неподвижен, а поверхность плоскости заставляют двигаться вдоль него. Сила клина оценивается так же, как сила наклонной плоскости, то есть путем сравнения толщины клина с длиной его стороны. Очевидно, что чем меньше толщина клина по сравнению с его длиной, тем мощнее клин как проникающий инструмент. Клин используется для раскалывания блоков дерева и камня, для создания больших давлений, для подъема тяжелых тел и т. д. Все режущие и колющие инструменты — ножи, бритвы, топоры, иглы, булавки, гвозди и т. д. — действуют по принципу клина.

243. Винт. — Это шестая механическая сила. Принцип ее по существу тот же, что и у наклонной плоскости. «Резьба», идущая вокруг винта, — это наклонная плоскость, которая является спиральной, а не прямой, и точно так же соответствующая часть в гайке — это наклонная плоскость, идущая в противоположном направлении. В обычном винте гайка неподвижна, а винт заставляют двигаться вверх и вниз в ней; но иногда винт неподвижен, а гайку заставляют вращаться вокруг него. Винт действует как клин и имеет такое же отношение к прямому клину, какое дорога, вьющаяся вверх по холму, имеет к прямой дороге той же длины и подъема. Особенно это сравнение справедливо, когда винт ввинчивается в дерево; клин идет прямо в дерево, но край резьбы винта входит в дерево по спирали.

Fig. 180.

Чтобы оценить силу винта, мы сравниваем длину одного витка резьбы вокруг него с высотой, на которую поднимается резьба при обходе. Пусть a b, рис. 180, представляет один виток резьбы, а b c — высоту, на которую он поднимается. Из рисунка ясно, что принцип, который применяется к наклонной плоскости и к клину, применяется и здесь. Поскольку чем меньше высота плоскости, тем легче грузу быть втянутым на нее; и чем меньше толщина клина, тем меньше он встречает сопротивления; так же и чем меньше высота витка резьбы винта, тем легче перемещать винт и тем большую силу он оказывает. Отсюда колоссальная сила винта с резьбой, которая очень медленно поднимается в своих спиральных витках. Винты широко используются, когда требуется большое давление, например, при отжиме масел и соков из растительных веществ, при сжатии хлопка в тюки, при сведении вместе с твердым захватом губок тисков и т. д. При повороте винта используется стержень, так что мы имеем в этом инструменте объединенные преимущества винта и рычага. Чтобы у вас было некоторое представление о силе этих двух инструментов, действующих вместе, я предположу случай. Пусть груз, который нужно поднять винтом, составляет 10 000 фунтов. Пусть виток винта будет длиной 10 дюймов, а подъем — всего один дюйм. Тогда, что касается винта, сила, необходимая для подъема 10 000 фунтов, будет 1000 — отношение высоты витка резьбы к его длине. Но силу рычага еще предстоит оценить. Пусть длина рычага, пропущенного через головку винта так, чтобы он был равен с каждой стороны, составляет 30 дюймов. Диаметр винта составляет около трех дюймов, или одна десятая диаметра круга, описываемого концом рычага. Теперь потребуется сила всего в 100 фунтов, чтобы поднять груз, — это отношение радиуса винта к половине длины рычага.

244. На самом деле всего три механические силы. — Колесо и ось, как вы видели, являются лишь модификацией рычага, а клин и винт — модификациями наклонной плоскости. Механических сил, таким образом, в действительности всего три — рычаг, блок и наклонная плоскость. И это элементы всех машин, от простейшего инструмента, используемого для самых обычных целей, до самого сложного и мощного двигателя, который когда-либо проектировала изобретательность человека. Принцип, по которому формируется булавка, идентичен принципу клина, которым раскалываются большие массы; и инструмент, которым тончайшие ткани разрезаются деликатными пальцами, устроен по тому же принципу, что и те разнообразные приспособления, с помощью которых огромные грузы поднимаются сравнительно небольшой силой, а именно — по принципу рычага.

245. Трение в машинах. — Вы видели, по мере того как мы продвигались, что механические силы, хотя и названы так, не генерируют силу. Напротив, при их использовании происходит потеря силы, главным образом из-за трения. При подъеме груза, например, непосредственно рукой, нет потери от этой причины; но если вы используете блок, у вас есть трение шнура о него и потеря силы пропорционально величине трения. В некоторых случаях потеря силы от этой причины настолько велика, что требует значительного отклонения от таких расчетов, которые мы сделали в этой главе относительно отношений силы и веса в машинах. В операциях винта трение оказывает большое влияние, уменьшая силу инструмента.

246. Реальные преимущества механических сил. — Если нет экономии, а есть потеря силы в инструментах и машинах, каковы же, давайте спросим, их преимущества?

Если один человек может сделать в одиночку с помощью какого-либо инструмента то, что иначе потребовало бы усилий многих людей, пусть даже он делает это медленно, все же это большое преимущество. Так, один человек может с помощью рычага сдвинуть камень, для перемещения которого без него, возможно, потребовалось бы тридцать человек, и хотя это займет у него в тридцать раз больше времени, это избавляет его от хлопот по поиску компании людей, чтобы помочь ему. Так, если человек может поднять свои товары с помощью колеса и оси на верхний чердак своего магазина, хотя он поднимает их медленнее, чем несколько человек подняли бы их непосредственно с помощью веревок, это преимущество для него, так как избавляет от найма компании рабочих. Несколько человек с помощью кабестана могут поднять якорь, который без него мог бы быть поднят только большой компанией людей.

Другое преимущество часто заключается в том, что при приложении силы могут быть интервалы отдыха без каких-либо потерь. Это очевидно в случае с блоком, но еще более в случае с винтом. Именно трение в обоих этих случаях позволяет рабочему отдыхать. Оно сохраняет для него все, что он приобрел, противодействуя любой тенденции к соскальзыванию назад. Мы видим то же самое в клине. Когда он забивается в дерево, он остается там, потому что трение дерева о его стороны препятствует его возвращению. Это та же причина, которая удерживает гвоздь на месте и противодействует любой попытке вытащить его. При забивании клина рабочий может иметь такие интервалы, какие пожелает, между своими ударами, потому что трение сохраняет все, что было приобретено. Этот эффект очень хорошо проиллюстрирован на кабестане, рис. 170. От человека, который сидит там, требуется лишь небольшое усилие, чтобы удерживать веревку, потому что несколько ее витков вокруг оси предотвращают ее легкое соскальзывание.

Третье преимущество, которое часто сопровождает использование инструментов и машин, заключается в том, что сила может быть заставлена производить движение на различных расстояниях, в различных направлениях и с различной степенью скорости. Так, что касается расстояния, человек, стоящий на земле, может поднять груз на крышу дома с помощью блока. Так же и водяное колесо может посредством соединений машин производить движение на значительном расстоянии от него. Затем, что касается направления, горизонтальное движение может быть преобразовано в вертикальное, вращательное — в прямолинейное и т. д. Скорость движения обычно варьируется с помощью зубчатых колес. Так, колесо с 60 зубьями, вращающееся один раз в минуту, воздействуя на колесо с 10 зубьями, заставит его вращаться один раз в 6 секунд.

Fig. 181.

Другое преимущество инструментов и машин заключается в том, что они обеспечивают лучший способ приложения силы, чем мы могли бы иметь иначе. Так, когда несколько человек тянут за веревку, много силы теряется из-за того, что они тянут неравномерно, — трудность, которая устраняется блоком. То же самое можно сказать о приложении давления с помощью винта. Один человек давит более устойчиво, а следовательно, более эффективно, чем пятьдесят человек без винта. Устройства инструментов и машин сделаны так, чтобы обеспечить удобные способы приложения нашей силы. Инструмент, например, для перемещения груза вручную, имеет такую форму, чтобы хорошо удерживать груз, а также обеспечивать хорошую рукоятку для захвата рукой. Обычный молоток с гвоздодером — очень хороший пример. Мы захватываем гвоздь железным когтем, с помощью рукоятки мы можем приложить не просто силу кисти, но и всей руки, и тогда мы имеем огромную рычажную силу инструмента. У нас есть хороший пример удобства в инструменте, в том, что называется «Льюис», представленном на рис. 181. Он используется для подъема блоков камня при строительстве. Он имеет три части, A B C. Он используется таким образом: в верхней части поднимаемого блока камня делается отверстие по форме инструмента; затем вставляются A и C, и между ними вставляется B. С кольцом D, закрепленным болтом через инструмент, камень поднимается на свое место с помощью обычных машин. Принцип инструмента, как видите, — это принцип клина.

247. Человек — животное, создающее инструменты. — Хотя в инструментах и машинах, которые использует человек, нет реальной экономии силы, тем не менее, настолько велики преимущества, которые он извлекает из них, что более двух тысяч лет назад философ подумал, что человека нельзя лучше отличить от животных, чем назвав его животным, создающим инструменты. Если это отличие было столь поразительным во времена Аристотеля, когда инструментов и машин было так мало по количеству и они были так грубо сконструированы, и так мало источников силы было присвоено человеком для своего использования, насколько более поразительным оно является сейчас, со всем разнообразием и совершенством инструментов и машин, и с постоянно расширяющимся присвоением источников силы, предоставляемых элементами. Сила, которую дают воздух, вода и гравитация, применяется постоянно с все большим разнообразием и эффектом; и присвоение того могучего источника силы, пара, является полностью современным изобретением.

ГЛАВА XII. ЗВУК.

248. Что такое звук. — Звук — это такая вибрация веществ, которая, будучи переданной в ухо, может воздействовать на чувство слуха. Я говорю «такая» вибрация, потому что могут быть вибрации, которые не будут производить ощущение звука. Вибрации, которые либо очень медленные, либо очень быстрые, не сделают этого. Так, если металлическая пластина или струна совершают менее 15 или более 48 000 вибраций в секунду, никакого эффекта на ухо не производится. Способность слышать, однако, различается у разных людей, так что, хотя немногие могут слышать вибрации, выходящие за пределы диапазона, который я упомянул, есть много тех, чья способность попадает далеко внутрь него либо на одном, либо на обоих концах шкалы. Диапазон для животных не такой, как для человека. Так, лев и слон могут слышать звук, когда вибрации слишком нечастые, чтобы произвести какое-либо впечатление на наши уши; в то время как мелкие животные имеют восприимчивость в органе слуха к вибрациям настолько быстрым, что мы не можем их слышать, и в то же время не восприимчивы к более медленным вибрациям. Насколько диапазон варьируется у разных животных, не было установлено в какой-либо значительной степени.

Fig. 182.

249. Вибрация звучащих тел, проявляющаяся для чувств. — Если мы положим руку на большой колокол, по которому ударили, мы можем почувствовать вибрацию. Если мы ударим одним из концов камертона о какое-либо твердое тело, мы можем увидеть вибрацию, как представлено на рис. 182 пунктирными линиями. Если мы посмотрим на струны пианино во время игры, вибрация больших струн очень заметна для глаза. Если мы потрем край питьевого стакана так, чтобы произвести музыкальный звук, вода, которая находится в нем, будет приведена в волнение от вибрации стекла.

Fig. 183.

250. Духовые инструменты. — В духовых инструментах, таких как флейта, рог и т. д., именно вибрация тела воздуха в инструменте вызывает звук. В обычном жестяном свистке или манке, рис. 183, звук производится вибрацией, сообщаемой содержащемуся воздуху импульсом дыхания через отверстие B.

251. Аналогия. — Вибрация звучащего тела очень похожа на вибрацию маятника. Конец камертона, рис. 182, при ударе проходит к b и при возвращении проходит точку покоя A, как это делает маятник, и достигает a. Так же, если струну A B, рис. 184, оттянуть в сторону к D, при полете обратно к C она по инерции пройдет к E и так будет продолжать вибрировать взад и вперед некоторое время. То же правило применяется к величине вибраций здесь, как и в случае с маятником, § 209. Быстрота вибрации совсем не зависит от ее ширины. Чем дальше струна A B оттянута в одну сторону, тем больше будет сила, с которой она вернется, и, следовательно, она прибудет в свое положение на другой стороне средней линии так же быстро, будучи оттянутой далеко от этой линии, как если бы она была оттянута лишь немного. То же самое верно для вибраций или волн воздуха, хотя это не так легко сделать понятным для вас.

Fig. 184.

252. Как производится ощущение звука. — Вибрация звучащего тела передается в ухо обычно через воздух и там ударяет в маленький барабан, мембрану в нижней части внешней полости уха, точно как обычная барабанная перепонка. Здесь вибрация воздуха передается этому барабану, а от него — цепи очень маленьких косточек. От последней из этих косточек она передается другому очень маленькому барабану, а от него — жидкости в некоторых очень сложных проходах в самой твердой кости в теле. Их можно назвать «залами аудиенций». В жидкости, содержащейся в них, разветвляются ветви нерва слуха, которые получают впечатление от вибрации и передают его в мозг, где разум получает знание о нем. Заметьте, что вибрация, передаваемая сначала через воздух, затем через барабан, затем через цепь косточек, затем через другой барабан к жидкости, останавливается у жидкости. Что передается от этого в мозг нервом, мы не знаем, и поэтому называем это впечатлением.

253. Звук, передаваемый через различные вещества. — При обычном слухе звук, как вы видели, передается через различные вещества, прежде чем вибрация достигает жидкости в залах аудиенций. Но звук не должен идти этим путем во всех случаях, чтобы достичь нерва слуха. Если, например, вы поместите часы между зубами, звук пройдет через твердые зубы и кости челюсти прямо в залы аудиенций коротким путем, вместо того чтобы идти вокруг через внешний ушной проход к барабану и так через цепь косточек. Рыбы при слухе получают вибрацию через воду. Если вы приложите ухо к концу бревна, пока кто-то скребет булавкой с другого конца, вы услышите звук отчетливо, ибо вибрация передается через бревно; как и в случае с часами между зубами, она проходит через твердую кость.

Fig. 185.

254. Звук не передается через вакуум. — Поскольку звук — это вибрация какого-либо вещества, он не может передаваться через абсолютное пространство. Это можно доказать экспериментом с воздушным насосом, как представлено на рис. 185. Аппарат в приемнике устроен так, что в колокол a можно ударить, нажав на скользящий стержень h. Если ударить по нему до того, как воздух будет откачан, звук слышен через стекло. Но чем больше вы откачиваете воздух, тем слабее будет звук; и в конце концов, если вы продолжаете качать, его вообще не будет слышно. Тот же эксперимент можно попробовать с музыкальной шкатулкой. Именно из-за разреженности воздуха на высоких горах и на больших высотах, достигаемых воздушными шарами, все звуки такие слабые. Выстрел пистолета на вершине Монблана — это лишь щелчок по сравнению с его выстрелом в долине внизу.

255. Движение небесных тел без шума. — Звук часто слышен на очень большом расстоянии на Земле. Звук извержения вулкана был слышен в одном случае на расстоянии 970 миль. Но предположим, что тот же звук произошел бы на том же расстоянии от Земли, то есть более чем в 900 милях за пределами атмосферы, которая окутывает Землю, ни один обитатель нашего мира не смог бы его услышать по той же причине, по которой вы не слышите звон колокола в откачанном приемнике. Если бы, следовательно, какой-либо звук, каким бы громким он ни был, был издан каким-либо из небесных тел, мы не смогли бы его услышать. Курс этих тел по их орбитам бесшумен, потому что они не встречают сопротивления со стороны какого-либо вещества. Тела, быстро проходящие через нашу атмосферу, вызывают звук из-за сопротивления, которое воздух оказывает их прохождению. Свист пули — пример этого. Именно прохождение электрической жидкости через воздух производит гром. Но небесные тела, не имея такого сопротивления, не издают звука в своем курсе, хотя их скорость так огромна. Выразительным языком Библии: «голос их не слышен».

256. Скорость звука. — Скорость звука варьируется в разных средах. Так, он проходит через воду в четыре раза быстрее, чем через воздух. Доктор Франклин, опустив голову под воду, отчетливо слышал звук двух камней, ударенных друг о друга в воде на расстоянии более полумили. Звук проходит через твердые тела гораздо легче, а следовательно, и быстрее, чем через жидкости. Так, его скорость через медь в двенадцать раз, а через стекло в семнадцать раз больше, чем через воздух. Если вы приложите ухо к длинной кирпичной стене с одного конца и позволите кому-то ударить по другому концу, вы услышите два отчета: первый через стену, а второй через воздух. Индейцы имеют привычку определять приближение своих врагов, прикладывая ухо к земле. Когда извержение вулкана слышно на большом расстоянии, звук приходит через твердую землю, а не через воздух. Легкая передача звука через твердые тела предоставляет нам очень ценное средство исследования болезней легких и сердца. Звуки, вызванные движением воздуха в легких и действием сердца, очень отчетливо слышны через твердые стенки грудной клетки.

257. Измерение расстояний с помощью звука. — Для скорости звука нет никакой разницы, громкий он или нет. Так, звуки музыкального оркестра на расстоянии все достигают вашего уха в одно и то же время, звуки инструментов, которые едва слышны, идут в ногу в воздухе со звуками самых громких. Так же и скорость звука равномерна на всем его пути, будучи такой же быстрой, когда он вот-вот затихнет, как и тогда, когда он начался. Именно из-за этой равномерности скорости звука мы можем оценить расстояние до объекта, которым производится какой-либо звук. Мы делаем это путем сравнения света и звука. Звук движется со скоростью 1120 футов в секунду. Теперь свет движется со скоростью 192 000 миль в секунду, и поэтому для всех обычных расстояний на Земле нам не нужно делать никакой поправки на время для света по сравнению со звуком. Если мы видим, таким образом, операцию, посредством которой производится звук, мы можем оценить его расстояние от нас по длине времени, которое проходит между тем, что мы видим, и тем, что мы слышим. Таким образом, мы можем очень точно оценить расстояние до пушки, которую мы видим стреляющей, или расстояние до вспышки молнии.

258. Громкость звука. — Громкость звука зависит от ширины вибраций, производящих его. Чем сильнее вы ударите по концу камертона, рис. 182, тем дальше он будет вибрировать в одну и другую сторону, и тем громче будет звук. То же самое верно для струн пианино. Круглый колокол при ударе стремится в своей вибрации принять овальную форму, и степень его вибрации взад и вперед, когда он делает это, определяет громкость звука. По мере того как звук проходит от звучащего тела, вибрация постепенно уменьшается и в конце концов затихает. Это похоже на последовательные вибрации или волны воды, производимые бросанием камня в нее. Чем громче звук, тем больше первые вибрации и тем дальше будут распространяться вибрации, как в воде большой камень, брошенный в нее, произведет большие волны, чем маленький, и волны распространятся на большее пространство.

259. Распространение звука. — Когда нет препятствий, звук распространяется одинаково во всех направлениях. В этом отношении с вибрациями или волнами воздуха обстоит так же, как с волнами воды, когда в нее бросают камень. Свет также распространяется таким же образом, как вы увидите в другой главе.

Fig. 186.

260. Отражение звука. — Как волны воды, ударяясь о какой-либо объект, отскакивают, так происходит и с вибрациями или волнами звука. И то же самое верно для этого, как и для всякого движения, как указано в § 206, что угол падения равен углу отражения. Отражение звука является причиной эха. Чтобы эхо было идеальным, звук должен быть отражен обратно к уху от какой-либо плоской поверхности определенного размера. Иногда, когда вдоль реки есть последовательные плоские поверхности скал, возникают последовательные эхо. Так, на рис. 186 (стр. 200) представлена местность на Рейне, где звук отражается в последовательных местах 1, 2, 3, 4. Раскаты грома, хотя иногда вызываются разными расстояниями частей одной и той же вспышки молнии, обычно обязаны отражениям звука среди облаков. По этой причине выстрел пушки чаще бывает раскатистым звуком, когда над головой облака, чем когда небо чистое. Звук постоянно отражается во всяком направлении от препятствий, с которыми он встречается. Так, в комнате он отражается от стен и от всех объектов в комнате; и чем разнообразнее поверхности, тем разнообразнее и запутаннее отражения. Вы знаете, что голос имеет очень разный звук в комнате, когда она пуста, по сравнению с тем, когда комната заполнена аудиторией. Действительно, слепой оратор может оценить довольно точно размер своей аудитории по звуку собственного голоса. Объяснение в том, что при полной аудитории поверхности для отражения значительно умножаются, и так лишают звук резкого и звонкого характера, который придается ему отражением от сравнительно немногих поверхностей, которые являются плоскими и твердыми. Эффект, производимый аудиторией на голос оратора, вполне аналогичен эффекту глушения на звук барабана.

Fig. 187.

261. Шепчущие галереи. — Отражение звука от изогнутых поверхностей дает нам некоторые интересные явления. Волны звука при отражении от вогнутой поверхности собираются в некоторую точку. Если поверхность является идеально сферической, а звук исходит из центра, отражение будет из всех точек в центр. Но предположим, что вогнутая поверхность имеет кривизну эллипса, как представлено на рис. 187. Это, вместо того чтобы иметь центр, имеет два фокуса, c и g. Теперь, если звук исходит из одного фокуса c, волны звука, как представлено линиями c d, c e, c f, c h, будут все отражены в другой фокус g; так что если человек говорит очень низким тоном или даже шепчет в точке c, он может быть услышан отчетливо другим в точке g, хотя люди в других точках могут ничего не слышать. Мы можем иметь этот результат с изогнутой стеной, простирающейся даже на несколько сотен футов; и такие сооружения называются шепчущими галереями. Если в одной из этих галерей человек, стоящий в одном фокусе, говорит громко, он будет услышан другими в любой точке прямыми волнами звука; но отраженный звук будет добавлен к прямому в случае того, кто стоит в другом фокусе.

Fig. 188.

 

Fig. 189.

262. Концентрация звука. — Именно благодаря отражению звука он может быть сконцентрирован различными способами. Так, при использовании рупора волны звука, вместо того чтобы двигаться во всех направлениях, как только они выходят изо рта, отражаются сторонами инструмента к центральной линии, как представлено на рис. 188. Волны или вибрации, будучи таким образом сконцентрированными, имеют большую интенсивность и выбрасываются на большее расстояние, чем если бы они исходили непосредственно изо рта. Так, переговорная труба, ограничивая вибрации, доносит голос до отдаленных частей здания. По той же причине голос можно услышать гораздо дальше через узкую улицу, чем на открытом пространстве. Так же и оратор может быть услышан более отчетливо в зале, чем при обращении к аудитории того же размера на открытом воздухе. «Звуковая доска», когда-то столь модная в церквях, была действительно значительным подспорьем в предотвращении ухода вибраций голоса проповедника вверх и направлении их вниз на аудиторию. В слуховой трубе, рис. 189, вибрации собираются в широком открытом конце инструмента и путем отражения выбрасываются вместе в узкий компас, прежде чем они войдут в ухо, чтобы ударить в барабан. Мы часто инстинктивно заставляем ладонь руки действовать как слуховую трубу, когда не слышим отчетливо. Многие животные имеют внешние уши подвижными, так что они могут направлять свою вогнутую поверхность к точке, из которой хотят слышать. Такие уши — это подвижные слуховые трубы.

263. Разница между музыкальным звуком и шумом. — Разница между музыкальным звуком и шумом очень аналогична разнице между кристаллом и тем же веществом, лишенным кристаллического расположения. В обоих есть вибрации, но в музыкальном звуке они имеют идеальную регулярность, в то время как в шуме вибрации нерегулярны и есть путаница. Действительно, настолько регулярны вибрации музыкальных звуков, что правила и принципы музыки имеют всю жесткую точность математики.

264. Как производятся разные ноты. — Чем быстрее вибрация, тем выше нота. Так, короткая и маленькая струна на скрипке или в пианино дает более высокую ноту, чем длинная и большая струна, потому что ее вибрации быстрее. Натяжение струны также имеет влияние, нота повышается при увеличении натяжения. При настройке скрипки правильная высота тона придается каждой струне путем уменьшения или увеличения натяжения с помощью винтов, к которым прикреплены струны. При игре на ней различные ноты делаются на каждой струне путем укорачивания вибрирующей части более или менее нажатием пальца.

Fig. 190.

В духовых инструментах высота звука зависит от длины и размера столба воздуха, содержащегося в них. Это можно проиллюстрировать на примере органной трубы, рис. 190 (стр. 203). Это одна из труб так называемого флейтового регистра. Она устроена во многом подобно ивовой свистульке. Воздух из мехов органа входит в отверстие P и вызывает вибрацию всего столба воздуха в трубе, при этом звук выходит через отверстие t. В верхнем конце находится подвижная пробка s, с помощью которой при настройке регулируется высота звука трубы. Если звук слишком низкий, эту пробку опускают вниз, чтобы укоротить столб воздуха.

Именно из-за разницы в быстроте вибрации большой колокол дает более низкий звук, чем маленький. Точно так же, когда музыкальные звуки извлекаются путем проведения смоченными пальцами по краям стеклянных сосудов, чем больше сосуд, тем ниже его звук. Стакан даст более низкий звук, чем винный бокал.

265. Человеческий голос. — Принципы, которые я изложил применительно к музыкальным инструментам, применимы и к голосу. Музыкальный инструмент человека, с помощью которого производится голос, заключен в очень малом объеме. Это та коробочка в верхней части горла, которую обычно называют адамовым яблоком. Через нее, спереди назад, натянуты два листа мембраны, оставляя пространство между своими краями. При обычном дыхании эти мембраны расслаблены, и пространство между их краями значительно, чтобы воздух мог свободно входить и выходить. Но когда мы говорим или поем, эти мембраны, или голосовые связки, как их называют, приводятся в напряженное состояние мышцами, тянущими их, и отверстие между ними уменьшается. Голос производится воздухом, выталкиваемым из легких, который, ударяясь о связки, заставляет их вибрировать. Чем ближе их края друг к другу и чем они напряженнее, тем выше звук. Звуки производятся точно так же, как звуки эоловой арфы: воздух в одном случае вызывает вибрацию струн, а в другом — краев мембран.

266. Гармония. — Когда звуки, издаваемые одновременно, приятны для слуха, говорят, что они гармонируют. Эта гармония зависит от определенного соотношения между вибрациями. Чем проще это соотношение, тем больше гармония. Например, если мы возьмем первую ноту, называемую основной нотой, того, что в музыке называется гаммой, она гармонирует с октавой лучше, чем с любой другой из восьми нот, потому что на каждую вибрацию в ней приходится ровно две вибрации в октаве. Возьмем для сравнения с октавой вторую ноту. Здесь на каждые восемь вибраций первой ноты приходится девять вибраций второй, и следствием этого является диссонанс, когда они звучат вместе. Разница между двумя случаями такова: в первом случае начало каждой вибрации в основной ноте совпадает с началом каждой второй вибрации в октаве. Но в другом случае совпадение происходит только при каждой восьмой вибрации первой ноты с каждой девятой вибрацией второй. После октавы наиболее приятной гармонией с основной нотой является гармония квинты. Здесь мы имеем три вибрации на каждые две вибрации первой ноты, и поэтому каждая вторая вибрация в первой ноте совпадает с каждой третьей вибрацией квинты. Далее идет гармония кварты, где совпадение происходит при каждой третьей вибрации основной ноты. Чем чаще, как видите, происходят совпадения между вибрациями, тем больше гармония. В трех только что упомянутых случаях совпадение происходит: в первом — в начале каждой вибрации основной ноты, во втором — в начале каждой второй вибрации, а в третьем — в начале каждой третьей вибрации.

267. Диатоническая гамма. — Чтобы вы могли увидеть относительное число вибраций для каждой из нот, я приведу их для всей гаммы. Они следующие:

19/85/44/33/25/315/82
CDEFGABC.

Согласно этому, нота D имеет девять вибраций на каждые восемь вибраций C, E имеет пять на каждые четыре C и т. д., причем октава C имеет ровно вдвое большее число вибраций, чем основная нота C. Здесь выражена пропорция между числами вибраций в различных нотах. Предположим, вы знаете число вибраций в секунду, которое имеет C, основная нота, тогда вы можете легко вычислить число вибраций каждой из других нот. Это делается путем умножения числа, которое имеет C, на дроби над другими нотами. Так, если число вибраций в секунду в основной ноте равно 128, то с помощью этого процесса мы получим вибрации всех нот следующим образом:

 CDEFGABC
128144160170192213240256.

На самом деле в так называемой диатонической гамме всего семь нот, восьмая нота, C, по сути является первой из семи других нот выше, имеющих отношения друг к другу, подобные отношениям нот ниже, и составляющих другую октаву. Таким образом, мы можем иметь несколько октав, одну над другой.

Интересно заметить, что пропорциональные длины струн, необходимые для получения восьми нот гаммы, имеют точное числовое отношение, но обратное отношению чисел вибраций. Так, если у вас есть восемь струн одинакового размера, их вибрирующие длины, необходимые для нот, следующие:

CDEFGABC
18/94/53/42/33/58/151/2.

Для нот октавы выше длины таковы:

 CDEFGABC
1/24/92/53/81/33/104/151/4.

268. Унисон. — При настройке инструментов так, чтобы они гармонировали, результат достигается, когда соответствующие части инструментов имеют одинаковое число вибраций. Так, струна на одной скрипке, которая дает любую конкретную ноту, должна вибрировать ровно столько же раз в секунду, сколько струны, дающие ту же ноту на других скрипках, иначе она не будет в идеальном унисоне с ними. То же самое верно для других струн для других нот, а также для соответствующих частей всех видов инструментов, на которых нужно играть вместе. Когда при настройке инструментов вместе говорят, что струна скрипки, например, звучит слишком низко (flat), трудность заключается в том, что она вибрирует недостаточно быстро, и поэтому ее подтягивают, чтобы сделать ее звук достаточно высоким (sharp), как говорят, чтобы он был в унисоне со звуком соответствующих струн или частей других инструментов.

269. Тайны звука и слуха. — Существует много загадочного как в отношении звука, так и в том, каким образом он вызывает ощущение слуха. Я едва коснусь лишь двух из них. Эффект, или, скорее, цепь эффектов, приводящих к слуху, является чисто механическим, пока мы не доходим до слухового нерва, который разветвляется на мельчайшие фибриллы в слуховых залах внутреннего уха. Это просто серия вибраций. Теперь, как это происходит, что простое возбуждение жидкости, заключенной в твердой кости, может передать через тонкие белые волокна в мозг, а через него — в сознание, идею, которую мы имеем обо всех различных звуках, которые производятся, — это великая тайна. Все, что мы знаем, это то, что нерв является средством передачи, но о том, каким образом он выполняет свою функцию, мы не знаем абсолютно ничего. Далее, хотя достаточно загадочно, что эта информация может быть таким образом передана в сознание, когда один звук за другим передает свою вибрацию жидкости в ухе, тайна значительно усиливается, когда различные звуки приходят в ухо в одно и то же время. Чтобы получить четкое представление об очень сложном и удивительном характере процесса слуха в таком случае, мы предположим, что играет полный музыкальный оркестр, и в то же время с его звуками смешиваются различные другие звуки, некоторые из них, возможно, диссонирующие. Какое разнообразие вибраций мы имеем здесь! У нас есть медленные вибрации, производимые низкими нотами, и быстрые вибрации более высоких, все они движутся вместе через воздух к уху, и каждая сохраняет свой отличительный характер. И более того, после того как они прибывают в ухо, они передаются без изменений через барабанную перепонку, цепь косточек, второе ухо и жидкость, где находится нерв, так что правильный отчет о каждой из всех нот передается через нерв в сознание. Затем, если есть какой-либо диссонанс, его вибрация движется вместе с остальными, так же как и вибрации других звуков, таких как рев ветра, выстрел пушки и шум людей. И помимо всего этого, в множественности вибраций, передаваемых таким образом через так много различных веществ, сознание получает верный отчет о сравнительной громкости звуков и даже об их характере, так что звуки барабана, флейты, трубы и т. д. все точно различаются. В свете таких чудес насколько значим вопрос: «Насадивший ухо не услышит ли?»

ГЛАВА XIII. ТЕПЛОТА.

270. Теплота и холод. — В обычном языке мы говорим о теплоте и холоде как о двух различных и противоположных вещах. Что это не совсем верно, можно показать следующим экспериментом: Возьмите три сосуда и наполните первый ледяной водой, второй — горячей водой, а третий — теплой водой. Если вы поместите правую руку в первый, а левую — во второй, и дадите им побыть там некоторое время, то при вынимании и погружении их вместе в третий сосуд вода в нем покажется теплой для правой руки и холодной для левой. Так же воздух погреба кажется вам теплым зимой и холодным летом по контрасту с воздухом снаружи. По той же причине вода температуры, которая обычно была бы освежающе прохладной для нас, кажется теплой, когда ее пьют после поедания мороженого. Очевидно, следовательно, что нет фиксированной разделительной линии между теплотой и холодом. На самом деле нет такой вещи, как холод. Вещества холодны из-за того, что они лишены теплоты; и ни одно вещество никогда не теряет всю свою теплоту. Сэр Гемфри Дэви доказал, что в ледяной воде есть теплота, потирая два куска льда друг о друга в очень холодном помещении. Они постепенно растаяли. Теперь это было сделано не воздухом, ибо он был при температуре ниже точки замерзания. Теплота, которая растопила лед, исходила от самого льда посредством трения.

271. Природа теплоты. — Существует две теории относительно природы теплоты. Одна состоит в том, что теплота — это невесомый агент (§ 16) и, конечно, очень тонкая субстанция, которая пронизывает всю материю. Предполагается, что ее частицы сильно отталкиваются друг от друга, и поэтому они имеют тенденцию рассеиваться и отделять частицы материи друг от друга. Именно таким образом, как предполагается, они вызывают расширение веществ. Другое предположение, которое является наиболее общепринятым, состоит в том, что теплота — это вибрация частиц тел, и что она передается от них к менее теплым телам через тонкую жидкость, называемую эфиром, который, как предполагается, заполняет все пространство. Вы видите, что если это верная теория, то существует некоторая аналогия между теплотой и звуком.

Fig. 191.

272. Источники теплоты. — Главным из источников теплоты на нашей Земле является Солнце, хотя это тело находится в девяноста пяти миллионах миль от нас. Поскольку теплота, совершая весь этот долгий путь, становится все более и более рассеянной; или, другими словами, поскольку ее лучи на всем пути все больше и больше отделяются друг от друга, мы не можем иметь никакого представления о сконцентрированной теплоте, которая существует в самом Солнце. Мы можем, однако, приблизиться к этой идее, наблюдая эффекты теплоты, когда некоторые из ее разделенных лучей собираются в точку мощной линзой, как показано на рис. 191. Линза, которая концентрировала теплоту в десять тысяч раз, расплавила платину, золото, кварц и т. д. за несколько секунд. А поскольку теплота на Солнце, как предполагается, в тридцать раз более концентрирована, чем эта, ни одно из самых твердых веществ нашей Земли не осталось бы твердым, если бы они были там, но некоторые из них были бы жидкими, а другие даже в состоянии пара. Теплота, которую Солнце постоянно излучает на Землю, пронизывает все вещества, вызывая движение и пробуждая жизнь повсюду, так что, выражаясь словами Библии: «Нет ничего, что укрылось бы от теплоты ее».

Другой источник теплоты находится внутри самой Земли. Было обнаружено, что по мере того, как мы спускаемся вглубь Земли, происходит постоянное повышение температуры, чем дальше мы идем. Эта внутренняя теплота частично приписывается подземным пожарам и различным химическим действиям. Мы видим здесь и там внешние свидетельства действия этих причин в извержениях вулканов, кипящих источниках, струях пара и сернистых испарениях и т. д. Но то, что теплота в нашей Земле, которая исходит из этих подземных источников, мала по сравнению с той, которая исходит от Солнца, видно из того факта, что скорость повышения теплоты на больших глубинах намного меньше, чем ближе к поверхности. Это, по-видимому, показывает, что, хотя пожары внутри Земли могут оказывать значительное влияние на нагревание ее коры, на которой мы живем, она получает большую часть своей теплоты от Солнца, по крайней мере до очень большой глубины.

Насколько велик источник теплоты электричество, мы не знаем, но то, что значительная теплота исходит из этого источника, очевидно из плавящего и обжигающего эффекта, который мы часто видим в результате прохождения электрического флюида.

Другим очень распространенным источником теплоты является химическое действие. Мы видим, как она постоянно производится в химических экспериментах. Горение, которое, как будет показано вам во второй части этой серии, является не чем иным, как примером химического действия, является самым распространенным из всех химических источников теплоты. Животная теплота также по большей части является результатом химического действия.

Механическое действие является распространенным источником теплоты. Трение спички, производящее достаточно теплоты, чтобы вызвать пламя, является знакомым примером. Искра, производимая при так называемом высекании огня, — это горение частицы стали, подожженной ударом. Индеец привык зажигать свой огонь трением двух сухих палок, пока не научился более легкому способу у цивилизованных соседей; а кузнец до изобретения фосфорных спичек часто зажигал свой огонь, касаясь серной спичкой гвоздя, раскаленного докрасна быстрым и продолжительным кованием. Механизмы иногда загорались от трения, а вода вокруг массы металла нагревалась при сверлении настолько, что даже закипала. Если вы растянете кусок индийской резины несколько раз подряд, а затем приложите его к губам, вы заметите, что движение согрело его.

273. Отношения теплоты и света. — Теплота иногда бывает одна, а иногда находится в тесном союзе со светом. Все вещества имеют некоторое количество теплоты, и она переходит от них к другим телам в их окрестностях, которые случайно имеют в себе меньше теплоты. При этом она может сопровождаться светом, а может и нет. При излучении теплоты от печи, если она не нагрета докрасна, нет света вместе с теплотой; но от открытого горящего огня свет и теплота исходят вместе. Но лучи Солнца дают нам лучший пример союза света и теплоты. Двигаясь вместе с равной скоростью, они самым любопытным образом смешаны, как вы увидите, когда я буду говорить конкретно о свете.

Теперь я перейду к рассмотрению основных эффектов теплоты, а именно: расширения, сжижения и испарения.

Fig. 192.

274. Расширение в твердых телах. — Теплота, как вы видели в § 23, действует в противовес силе сцепления, стремясь разделить частицы, и тем самым вызывает расширение любого вещества. Это можно проиллюстрировать экспериментом, представленным на рис. 192, в котором A B — железный стержень, имеющий такой размер, что при обычной температуре он входит в пространство C D в железном бруске и легко проходит через отверстие E. Если стержень нагреть, он увеличится или расширится во всех направлениях, так что он не войдет ни в C D, ни в отверстие E. Когда колесник надевает шину на колесо, он использует расширение от теплоты, чтобы она сидела плотно и прочно. Шина делается немного меньше, чтобы она плотно сидела на колесе в обычном состоянии. Но при нагревании она расширяется настолько, что легко надевается на колесо, а затем, сжимаясь при остывании, так сильно сжимает ободья, что держится очень крепко. Воду льют, чтобы быстро охладить железо и тем самым предотвратить обгорание дерева. Железные обручи надеваются на бочки подобным образом, сжатие, вызванное их сокращением, очень сильно связывает клепки. Так, при скреплении пластин котлов заклепки вставляются раскаленными докрасна, чтобы при сжатии они могли плотно прижать пластины друг к другу. Если железные ворота едва закрываются на своем месте в холодную погоду, их расширение помешает им закрыться, когда наступит теплая погода. Чтобы избежать этой трудности, при установке их на место необходимо сделать расчет на расширение, которому они будут подвергаться от теплоты. Так, при укладке рельсов железной дороги в холодную погоду нужно следить за тем, чтобы не ставить концы слишком близко друг к другу. При строительстве железных мостов расширение от теплоты должно быть рассчитано в конструкции. Гвозди часто становятся свободными по прошествии лет из-за износа дерева вокруг них, вызванного их попеременным расширением и сжатием. Утечка газовых труб в земле, несомненно, часто вызывается ослаблением соединений из-за сжатия и расширения труб при изменяющихся температурах почвы, особенно там, где они проложены не очень глубоко. Если пробка застряла в бутылке, ее можно ослабить, приложив вокруг горлышка ткань, смоченную в горячей воде, потому что горлышко сразу расширяется от теплоты. Подобный прием был однажды очень изобретательно использован при ремонте механизмов парохода «Персия» в море и, возможно, стал средством спасения судна и жизней всех, кто был на борту. Произошедшая авария заключалась в поломке левого пальца кривошипа двигателя. Проблема, которую нужно было решить, заключалась в удалении этого пальца, который весил почти тонну, и замене его на исправный, который у них был под рукой. Но оказалось невозможным сдвинуть сломанный палец с его гнезда со всей силой, которую можно было приложить к нему с помощью своего рода тарана, сконструированного экспромтом для этой цели. Теперь было решено попробовать расширяющую силу теплоты. Под гнездом была построена железная платформа, и на ней был разведен сильный огонь. Гнездо вскоре расширилось, и палец был легко выбит тараном, точно так же, как пробка бутылки легко удаляется, когда горлышко нагревается. Стены очень большого здания в Париже, которые выпятились и находились под угрозой обрушения, были возвращены в вертикальное положение расширением от теплоты.

Fig. 193.

Это было сделано следующим образом: длинные железные стержни были пропущены сквозь стены по плану, представленному на рис. 193 (стр. 213), их концы были сделаны с винтовой резьбой, с навинченными на них гайками. Стержни, отмеченные a, сначала нагревались, и по мере их удлинения гайки плотно завинчивались к стенам. При остывании их сжатие, конечно, стягивало стены вместе. Другие стержни, b, теперь нагревались и обрабатывались таким же образом. Один комплект, видите ли, удерживался своими гайками на том, что уже было достигнуто, в то время как другой расширялся. Путем многих повторений этого процесса стены были выправлены, а здание спасено. Тот же метод был успешно применен в других случаях подобного характера.

275. Расширение в жидкостях. — Жидкости расширяются от теплоты больше, чем твердые тела. Но они расширяются от нее очень неравномерно. Так, вода расширяется более чем в два раза больше, чем ртуть, а спирт — в шесть раз больше. У нас есть частый пример расширения воды от теплоты на наших кухнях. Если чайник поставить на огонь, наполнив его до краев, он перельется через край задолго до того, как вода начнет кипеть. Все жидкости занимают больше места летом, чем зимой, и в первом случае весят меньше — то есть имеют в себе меньше реального вещества, чем во втором. Поэтому, если спирт, или масло, или патоку покупать галлонами зимой и продавать летом, расширение даст прибыль. Двадцать галлонов спирта зимой превращаются в двадцать один в середине лета.

Fig. 194.

Влияние расширения от теплоты на удельный вес жидкостей можно очень красиво показать следующим экспериментом: Пусть несколько маленьких кусочков янтаря — вещества, которое имеет почти такой же удельный вес, как вода, — будут брошены в воду в стеклянном сосуде, и пусть вода нагревается, как показано на рис. 194, спиртовой лампой. Та часть воды, которая нагревается, поднимается вверх, потому что она становится удельно легче, а более холодная вода постоянно опускается вниз, чтобы занять ее место. Восходящие и нисходящие токи показаны стрелками, восходящие проходят посередине, нисходящие опускаются по бокам. Это станет очевидным благодаря маленьким кусочкам янтаря.

276. Термометры. — Именно расширение жидкостей от теплоты в термометре дает нам меру температуры. Жидкий металл ртуть обычно используется для этой цели и хорошо подходит, за исключением экстремального холода арктических регионов. Там, поскольку ртуть становится твердой при 39 градусах ниже нуля, необходимо использовать термометр со спиртом, так как эта жидкость не может быть заморожена никакой степенью холода. Работа термометра проста: теплота расширяет жидкость в колбе, и единственный способ, которым она может занять больше места при расширении, — это подняться в трубке. Удаление теплоты, с другой стороны, вызывает сжатие и, конечно, пропорциональное опускание жидкости.

Fig. 195.

277. Термометр Фаренгейта. — Термометр был изобретен в начале семнадцатого века, но не решено, кто был изобретателем. В этом случае, как и в других, могло быть более одного изобретателя, так как одни и те же идеи, возможно, приходили в несколько пытливых умов одновременно. Различные жидкости использовались разными людьми. Сэр Исаак Ньютон использовал льняное масло. Фаренгейт, уроженец Гамбурга, процветавший в первой части прошлого века, был первым, кто использовал ртуть. Хотя Ньютоном и другими были сделаны различные предложения относительно измерения теплоты с помощью термометров, никакая термометрическая шкала, по-видимому, не получила всеобщего признания до шкалы Фаренгейта, которая была выдвинута около 1720 года. План ее таков: его ноль — это точка, при которой ртуть стояла в самой холодной смеси для замораживания, которую он мог сделать; и он предполагал, что это была максимально возможная степень холода, так как это была самая большая, которую он знал. Затем он нашел точку, при которой ртуть стояла в тающем льду. Это он назвал точкой замерзания, потому что температура одинакова как в воде, переходящей в твердое состояние из жидкого, так и в воде, переходящей в жидкое состояние из твердого. Другими словами, эта точка на шкале отмечает линию перехода между двумя состояниями. От этой точки Фаренгейт отложил 32 равных деления или градуса вниз до нуля. Теперь он нашел точку, при которой ртуть стоит в кипящей воде, и назвал это точкой кипения. Отмечая пространство на шкале между этим и точкой замерзания таким же образом, получаем 180 градусов — то есть точка кипения находится на 212 градусов выше нуля. Градусы выше нуля обычно обозначаются знаком +, плюс; а те, что ниже, — знаком -, минус. Таким образом, +32° означает 32 градуса выше нуля, а -32° означает 32 градуса ниже.

278. Другие термометры. — Термометр Фаренгейта — это тот, который обычно используется в этой стране. Но есть несколько других термометров с разными шкалами, таких как Цельсия, Реомюра и Делиля. На рис. 195 вы видите планы шкал этих термометров, расположенных бок о бок. В термометре Цельсия, который используется во Франции и, действительно, в большой части Европы, ноль, как вы видите, помещен в точке замерзания; а пространство между этим и точкой кипения разделено на 100 градусов, что и дает ему название Цельсия. У Реомюра, который используется в России, тот же ноль, но у него всего 80 градусов от него до точки кипения. У Делиля, который полностью вышел из употребления, ноль находится в точке кипения. Устройство Фаренгейта, хотя его ноль — это просто произвольная точка, в целом является лучшим, потому что его градусы такого размера, что они отмечают различия температуры с достаточной точностью для всех практических целей обычного характера, не прибегая к дробным частям.

Fig. 196.

279. Расширение в аэриформных веществах. — Теплота производит значительно больший расширяющий эффект в воздухе, газах и парах, чем в жидкостях. Расширение воздуха от теплоты можно очень красиво показать следующим образом: Возьмите стеклянную трубку, имеющую колбу на одном конце, и, поместив другой открытый конец в воду (как показано на рис. 196), приложите ладонь к колбе. Теплота руки, передаваемая колбе, расширит воздух, и поэтому, как вы видите, пузырьки воздуха будут выходить через воду. Убрав руку и дав колбе остыть, воздух в ней сконденсируется, и вода поднимется в трубке пропорционально количеству воздуха, который вышел. Пузырь, частично наполненный воздухом, раздуется до полноты, если его достаточно нагреть, а полный пузырь может быть нагрет настолько, что лопнет от расширения воздуха. Пористая древесина, как каштан, сильно трещит при горении, потому что теплота расширяет воздух, содержащийся в порах.

280. Воздушные шары. — Первые воздушные шары, которые использовались, были наполнены нагретым воздухом. Вы уже видели в § 149, почему воздушные шары поднимаются. Теперь в воздушном шаре с горячим воздухом именно расширение воздуха от теплоты делает его легче окружающего воздуха. Конечно, такой шар не так эффективен, как газовый шар, ибо воздух внутри него теряет свою сравнительную легкость по мере остывания; в то время как газ, который используется, будучи намного легче воздуха при той же температуре, не теряет своей легкости по мере подъема шара. Вы узнали в § 152, что атмосфера становится тоньше по мере того, как мы поднимаемся вверх. Поэтому газовый шар поднимается до тех пор, пока не достигнет той точки, где воздух имеет примерно такой же удельный вес, как газ, и там он останавливается. Его заставляют спуститься, выпуская часть газа через клапан. Газ не использовался для воздушных шаров до 1782 года. Сначала использовался водород, будучи более чем в четырнадцать раз легче воздуха. В последнее время обычно используется обычный горючий газ, карбюрированный водород, потому что его можно так легко получить там, где есть газовые заводы.

Fig. 197.

281. Токи в воздухе от теплоты. — Теплота — великий двигатель атмосферы. Любая ее часть, которая становится теплее окружающих частей, поднимается, или, скорее, выталкивается вверх, по той же причине, по которой поднимается воздушный шар с горячим воздухом, единственная разница между двумя случаями заключается в том, что в одном воздух ограничен, а в другом оставлен свободным и поэтому рассеивается. И именно это поднятие воздуха от расширения вызывает почти все движения, которые мы наблюдаем в воздухе. Мы видим это на примере различных способов, где бы ни был огонь. Воздух, который нагревается огнем, выталкивается вверх более холодным воздухом, который, согласно принципам удельного веса, стремится оказаться под более теплым и легким воздухом. Горячий воздух, который проходит через регистры печи, выталкивается вверх более холодным воздухом снизу. По той же причине нагретый воздух вокруг печной трубы постоянно идет вверх. Это очень красиво показано игрушкой, представленной на рис. 197 (стр. 218), которая представляет собой бумагу, разрезанную по спирали и подвешенную, как вы видите, на острие проволоки. Восходящий ток заставляет бумагу быстро вращаться вокруг проволоки. Именно из-за поднятия теплого воздуха галереи церкви теплее, чем пространство внизу. В обычной комнате расположение воздуха постоянно таково, что его самые теплые части находятся вверху, а более холодные — внизу. Именно по этой причине у нас есть наши приспособления для производства или введения теплоты в как можно более низкой точке.

282. Дымоходы. — Мы говорим о тяге дымохода и говорим о том, который не дымит, что он хорошо тянет, как если бы дым каким-то образом действительно втягивался вверх. Но здесь применимы те же принципы, что и в § 281. Дым, который представляет собой комбинацию нагретого воздуха и газов с некоторыми твердыми веществами в мелком состоянии, выталкивается вверх по дымоходу. Когда дымоход тянет плохо, мы открываем дверь или окно на некоторое время, пока огонь не разгорится как следует. Почему это так? Это для того, чтобы у нас был более плотный воздух, чем в комнате, чтобы дым мог выталкиваться более сильно. Когда дымоход хорошо нагревается, обычно нет никаких трудностей, потому что тогда дым в нем не обязан отдавать много своей теплоты стенкам дымохода и поэтому настолько легче воздуха в комнате, что очень легко выталкивается вверх. Основная причина, по которой печная труба обычно тянет лучше, чем дымоход, заключается в том, что гораздо меньше теплоты расходуется на установление и поддержание восходящего тока. Особенно это верно, если дымоход большой. В таком случае есть как большая площадь кирпича, так и большой объем воздуха, которые нужно нагреть, чтобы установить восходящий ток, и их нужно поддерживать в тепле, чтобы поддерживать его.

Fig. 198.

Fig. 199.

283. Ветры. — Если вы откроете дверь нагретой комнаты, пламя свечи, поднесенной к полу, будет задуваться внутрь, в то время как пламя свечи, поднесенной к верху двери, будет задуваться в сторону холодного входа. Здесь у вас есть хорошая иллюстрация того, как производятся ветры. Везде, где дует ветер, это воздух, выталкивающий с пути другой воздух, который теплее, чтобы он мог, в соответствии с гравитацией, оказаться как можно ближе к земле. Возьмем, например, так называемые береговые и морские бризы. В течение жаркого летнего дня Солнце сильно нагревает землю, в то время как океан получает лишь малую часть его теплоты. Нагретая земля нагревает воздух над ней; и поскольку воздух над океаном прохладнее и, следовательно, тяжелее, он выталкивает вверх воздух земли по той же причине, по которой вода выталкивает масло; и поскольку это происходит непрерывно, устанавливается регулярный ток. Ветер дует на сушу, как показано на рис. 198, в то время как более теплый воздух проходит вверх в более высокие слои атмосферы и поворачивает к морю. Стрелки показывают направление токов. Сходство всего этого с эффектом на свечу, поднесенную к открытой двери, очень очевидно: холодный воздух из входа, вдуваемый снизу, представляет бриз с океана, а теплый воздух комнаты, выдуваемый сверху, представляет прохождение теплого воздуха земли наружу к океану. Ночью это обычно меняется на противоположное. Земля остывает, а вместе с ней и воздух, который находится над ней. Результат заключается в том, что охлажденный воздух земли теперь выталкивает вверх более теплый воздух моря, как видно на рис. 199.

Fig. 200.

Fig. 201.

284. Ветры, на которые влияет вращение Земли. — Теплота вертикального Солнца над тропиками вызывает подъем нагретого воздуха в верхние слои, в то время как происходит приток более холодного воздуха к экватору как с севера, так и с юга. Этот эффект представлен на рис. 200 (стр. 221), где E — Солнце, N — северный полюс, а S — южный полюс. Эффект, подобный представленному на рис. 198 и 199, производится здесь, но в гораздо большем масштабе. Но диаграмма не представляет дело в истинном свете во всех отношениях. Преобладающие ветры в экваториальных регионах — это не северные и южные ветры, как могло бы показаться из этой диаграммы; но они северо-восточные и юго-восточные. Я объясню это с помощью рис. 201. Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, ясно, что нет такой части поверхности Земли, которая движется так быстро, как экватор, E W, ибо он движется по большему кругу, чем любая другая часть. И чем ближе вы идете к любому полюсу, N или S, тем меньше быстрота вращения. Теперь атмосфера, как сказано в § 188, участвует в движении Земли. Поэтому воздух на экваторе движется с запада на восток вместе с вращением Земли быстрее, чем где-либо еще, и чем ближе вы идете к любому полюсу, тем медленнее его движение. Из этого следует, что любая часть воздуха, дующая с севера или юга к экватору, поскольку она приходит оттуда, где она двигалась на восток медленнее, чем воздух на экваторе, из-за своего меньшего импульса отставала бы от воздуха экватора, ветер искривлялся бы к западу, как показано стрелками. Результат был бы таким, что северный ветер превратился бы в северо-восточный, а южный — в юго-восточный. Все это можно сделать более ясным с помощью глобуса или, действительно, с помощью любого круглого объекта.

285. Сжижение. — Изменение твердых тел в жидкости — один из наиболее заметных эффектов теплоты. Это изменение требует различных степеней теплоты в различных веществах. Так, в то время как железо плавится при высокой теплоте 2786°, свинец плавится при 633°, сера при 239°, лед при 32°, а ртуть при 39° ниже нуля. Ртуть никогда не встречается в твердом состоянии, но иногда она становится твердой в арктических регионах, когда ее приносят туда и оставляют на открытом воздухе. Мы склонны думать о воде как о находящейся в более естественном состоянии, когда она жидкая, чем когда она твердая, точно так же, как мы думаем о железе как о естественно твердом, а о ртути как о естественно жидкой. Но во всех этих случаях состояние вещества зависит от его температуры, и она варьируется в зависимости от обстоятельств. Вода на экваторе всегда жидкая, и идея льда там чрезвычайно неестественна; в то время как около полюсов все наоборот, лед и снег царят повсюду в течение всего года.

286. Испарение. — Существует два способа, которыми происходит изменение жидкости в пар. Один — это быстрое изменение, когда теплота применяется таким образом, чтобы довести жидкость до точки кипения. Это обычно называется вапоризацией. Другой способ — это обычное постепенное испарение, которое происходит с поверхности жидкости. Этот процесс идет непрерывно, не требуя никакой определенной степени теплоты, но происходя при всех степенях температуры жидкости. Его быстрота, однако, пропорциональна степени теплоты, что можно увидеть по подъему пара от воды, которая нагревается, задолго до того, как она начинает кипеть. То же самое можно увидеть и ясным летним утром, когда теплота Солнца заставляет влагу, собранную от дождя или росы, подниматься с заборов, досок и крыш так обильно, что она видна как дым.

287. Растворение воды в воздухе. — Испарение постоянно происходит с каждой влажной поверхности, за исключением случаев, когда воздух настолько нагружен влагой, что не может принять больше. Пар обычно не виден, частицы воды тихо поднимаются вверх среди частиц воздуха, растворяясь в воздухе точно так же, как некоторые твердые тела растворяются в воде. Он становится видимым только тогда, когда его поднимается так много, что растворение воды в воздухе не происходит легко. Готовность, с которой происходит растворение, во многом зависит от температуры атмосферы. Некоторые очень распространенные явления иллюстрируют это. В очень холодный день дыхание животных, выходящее изо рта, кажется нагруженным влагой. Почему? Это не потому, что в нем больше влаги, чем в теплую погоду, а потому, что холодный воздух не может удерживать в растворе столько воды, сколько может теплый воздух. То же объяснение применимо к дымлению влажных заборов и крыш на солнце летним утром. Влага нагревается Солнцем, но воздух, еще не ставший очень теплым, не может легко растворить всю влагу, которая поднимается. Это явление не склонно происходить, когда жаркое солнце светит после ливня в полдень или во второй половине дня, потому что тогда воздух достаточно теплый, чтобы принять всю влагу, которая посылается в него.

Как вода, будучи тяжелее воздуха, поднимается в атмосфере — это тайна. Некоторые предполагали, что это происходит из-за своего рода сродства, существующего между водой и воздухом. Но в противовес этому выступает тот факт, что испарение происходит быстрее под откачанным приемником воздушного насоса, где почти нет воздуха, чем там, где оно свободно подвергается воздействию атмосферы.

288. Облака. — Вода, которая поднимается в воздух при испарении, по-разному распределяется. Часть ее оседает в виде росы или инея. Часть ее образует туман. Часть ее также поднимается высоко вверх и образует облака, которые на самом деле являются скоплениями тумана, образовавшимися высоко в воздухе. В тумане и в облаках вода, которая при испарении невидима, становится видимой. Давайте посмотрим, как это происходит. В чистом воздухе всегда есть больше или меньше воды, но частицы настолько мелко разделены и так тщательно смешаны с частицами воздуха, что их нельзя увидеть. Но в тумане или облаке частицы воды собраны вместе в маленькие компании, как мы можем выразиться. И предполагается, некоторые думают, что установлено, что каждая из этих компаний частиц является шарообразной и полой. Если так, то мы можем рассматривать каждое облако как огромное скопление крошечных пузырьков или воздушных шаров, несущихся по воздуху.

Fig. 202.

Fig. 203.

289. Формы облаков. — Облака имеют очень большое разнообразие форм, причины которых по большей части не поняты. Они обычно делятся на четыре класса: перистые, кучевые, слоистые и слоисто-дождевые. Перистые облака представлены на рис. 202 (стр. 225). Это легкое, пушистое облако, имеющее изящные изгибы, похожие на локоны, отсюда и его название, которое является латинским словом для локона. Такие облака обычно находятся очень высоко в воздухе. Кучевые (латинское слово для кучи) вы видите на рис. 203 (стр. 225). Облака, принимающие эту форму, выглядят как кучи, закругленные вверх, и часто кажутся похожими на горы снега, когда они освещены Солнцем. Мы видим такие облака в основном летом. Слоистые (латинское слово для покрытия) видны на том же рисунке под кучевыми. Облака этой формы лежат низко на горизонте, растянутые, как простыня. Они часто образуются в последней части дня и увеличиваются ночью, но восходящее Солнце рассеивает их. Слоисто-дождевые, или дождевые облака, представлены на рис. 204 (стр. 226). Они имеют однородный серый или темный цвет. Мы часто имеем две формы облаков, смешанные вместе. Так, на рис. 205 (стр. 226) мы имеем смесь слоистых и перистых, называемую перисто-слоистыми. Это обычно называют «макрелевым небом», и это довольно верный прогностик дождя. Затем у нас есть перисто-кучевые, рис. 206 (стр. 227), и кучево-слоистые, рис. 207 (стр. 227).

Fig. 204.

Fig. 205.

Вода собирается в облака, несомненно, частично, по крайней мере, под влиянием притяжения. Но каковы обстоятельства, которые придают им все эти различные формы, мы не знаем. Каковы бы они ни были, они иногда действуют очень широко, придавая схожую форму всем облакам, которые покрывают всю арку небес; а в другое время они действуют по-разному в разных местностях, производя разные формы, иногда даже в близком соседстве друг с другом. Иногда край облака неровный, или изогнутый, или перистый; а в других случаях это четко определенная линия, растянутая вдоль большой части горизонта. Во всех этих случаях мы имеем только различные расположения одного и того же — скопления пузырьков воды, содержащих воздух, который делается легче воздуха вне облака с помощью средств, о которых я буду говорить в другой части этой главы.

Fig. 206.

Fig. 207.

Fig. 208.

290. Дождь, снег и град. — Когда идет дождь, пузырьки или крошечные пузырьки, из которых состоят облака, разрушаются, и каждая капля дождя содержит воду, которая пришла от множества этих пузырьков. Но давайте посмотрим точно, как этот результат производится. Дождь происходит от сжатия облаков холодом. Холодный ток воздуха, вступая в контакт с облаком, сконденсирует его пузырьки в капли, и они, конечно, упадут. Тот же результат происходит, если облако проходит в холодный слой воздуха. Но давайте посмотрим на процесс более детально. Давайте посмотрим, каков эффект холода на пузырьки. Первый эффект можно прояснить рис. 208. Если пузырек сжат под влиянием холода, вода его стенки становится толще, произойдет ее собирание под действием гравитации в нижней части, как представлено пунктирной линией. Вы часто видите подобный эффект в мыльном пузыре. Он поднимается, наполненный теплым воздухом из ваших легких, и по мере того, как он поднимается, он сжимается более холодным воздухом, который находится вокруг него. Это сжатие заставляет воду свисать вниз с его дна. И поскольку мыльный пузырь в конце концов, возможно, лопается в воздухе от веса этой воды, так происходит и с пузырьками в облаке. И многие из них, соединенные вместе притяжением, образуют каплю. Когда холод достаточно силен, он заставляет воду разорванных пузырьков облака расположиться в снежные кристаллы вместо капель. И когда холод действует с большой быстротой на облако, он сжимает частицы воды вместе так внезапно, что нет времени для кристаллического расположения, и образуется град.

291. Вапоризация. — Производство пара путем кипения отличается в некоторых отношениях от тихого испарения. Здесь жидкость нагревается до своей точки кипения, и образование пара не ограничивается поверхностью. В воде точка кипения составляет 212°, но она более или менее варьируется от этого в других жидкостях. Так, точка кипения спирта составляет 173°, эфира 95°, скипидарного масла 568°, а ртути 652°.

Fig. 209.

292. Влияние давления на образование пара. — Давление сдерживает производство пара, независимо от того, образуется ли он путем испарения или вапоризации. Мы знаем из экспериментов с воздушным насосом, что чем меньше давление воздуха на поверхность жидкости, тем быстрее будет идти испарение из нее. Я уже говорил о влиянии давления на кипение жидкостей в § 171. Я приведу здесь несколько дополнительных иллюстраций. Эфир кипит, когда он нагрет до 95°, на три градуса ниже теплоты крови в наших телах. Если мы поместим немного его в сосуд под приемник воздушного насоса, путем откачки воздуха мы можем так снять давление, что эфир будет кипеть при обычной температуре воздуха в комнате. Сдерживание давления при кипении очень поразительно показано в дигестере, рис. 209. Это сильный котел, a, частично наполненный водой. Термометр, d, прикреплен к нему так, чтобы указывать теплоту воды. Есть также трубка, c, простирающаяся почти до дна котла в небольшое количество ртути, которая там находится. Пусть теперь котел нагревается, пока вода не закипит, воздух при этом выходит через запорный кран, b. Если запорный кран закрыть и мы продолжим применять теплоту, мы можем поднять воду до очень высокой температуры, не доводя ее до кипения вообще, из-за давления конденсированного пара на ее поверхность. Аппарат, несколько похожий на этот план, называемый дигестером Папена, иногда использовался при приготовлении пищи. Большая теплота, до которой вода может быть таким образом поднята, заставляет ее извлекать питательное вещество из костей и хрящей, предоставляя материал для супа из того, что обычно выбрасывается. Чтобы обезопасить от опасности взрыва, предусмотрен предохранительный клапан, имеющий груз на нем, который будет держать его закрытым, пока не накопится определенное количество давления, а затем он принудительно открывается, выпуская часть пара.

293. Пар. — Облако пара, так называемое, которое вы так часто видите выходящим из локомотива, на самом деле не является паром. Пар прозрачен и невидим. Вы можете увидеть, что это так, если понаблюдаете за ним, выходящим из носика чайника. Только после того, как он отходит на дюйм или более от носика, он становится видимым, и тогда он на самом деле превращается из пара в воду под конденсирующим влиянием холодного воздуха. И вода в облаке, таким образом образованном, вероятно, находится в том же состоянии, что и вода в облаках выше, как описано в § 288.

Fig. 210.

294. Паровая машина. — Как сжатый или конденсированный воздух обладает большой силой благодаря своей упругости, что видно на примере пневматического ружья (§ 164), так же ею обладает и конденсированный пар. Именно конденсированный пар, стремящийся расшириться пропорционально степени своего сжатия, составляет движущую силу паровой машины. Пар генерируется в котле, который, подобно котлу автоклава Папена, имеет клапан с прикрепленным к нему грузом. Этот клапан называется предохранительным, потому что, когда пар достигает определенной степени сжатия, он приподнимает клапан, и часть пара выходит наружу, что предотвращает повышение давления, которое могло бы привести к взрыву. Сила расширения пара в котле оценивается в фунтах по весу груза на клапане, отсюда и пошло обычное выражение «столько-то фунтов давления пара». Но котел — это лишь генератор пара, и остается показать, как пар используется для приведения в движение механизмов. Это достигается путем пропускания пара из котла в цилиндр, где он своей силой расширения перемещает поршень вперед и назад. То, как это происходит, можно прояснить с помощью схемы, рис. 210 (стр. 231). Пусть e — поршень в цилиндре f, который имеет четыре отверстия: a, b, c и d. Все они снабжены клапанами. Пар подается из котла в цилиндр через a и c, а выходит через b и d. Предположим теперь, что поршень находится в нижней части цилиндра, как показано на рисунке. Клапан a открывается, чтобы пар мог войти и подтолкнуть поршень вверх, а клапан b закрывается, чтобы пар не выходил. В то же время, чтобы снять давление с верхней поверхности поршня, открывается клапан d, чтобы пар мог выйти, а клапан c закрывается, чтобы пар не входил. Когда поршень должен быть принудительно опущен вниз, все происходит наоборот: c открывается для впуска пара, d закрывается, чтобы предотвратить его выход; а внизу открывается b, чтобы выпустить пар, и a закрывается, чтобы предотвратить его вход. Это устройство того, что называется машиной высокого давления. Машина низкого давления отличается тем, что пар при выходе из цилиндра попадает в воду для конденсации. Последняя требует меньшего давления пара для работы и поэтому является более безопасной. Мне не нужно останавливаться на объяснении того, как движение поршня заставляет работать различные виды механизмов, тем более что примеры этого можно увидеть повсюду.

295. Передача тепла. — Тепло имеет постоянную тенденцию к равновесию. Поэтому, если какое-либо теплое вещество находится по соседству с менее нагретым, происходит поток тепла от первого ко второму. Эта передача тепла происходит тремя различными способами, называемыми конвекцией, теплопроводностью и излучением. Я расскажу о каждом из них отдельно.

296. Конвекция. — Этот способ распространения тепла действует в тех веществах, частицы которых подвижны относительно друг друга, а именно в жидкостях и газообразных веществах. Я уже упоминал примеры этого способа, говоря о движениях, которые тепло вызывает в этих веществах. Тепло перемещается вместе с частицами, которые движутся, или переносится вместе с ними, отсюда и термин «конвекция». При этом движении нагретые частицы всегда поднимаются вверх по причине, указанной в § 275. Из множества примеров конвекции я приведу лишь несколько.

В восходящем потоке вокруг дымоходной трубы вы имеете пример конвекции: тепло, выделяемое печью, переносится вверх частицами этого потока. Поскольку это так, тепло печи не оказывает никакого влияния на воздух под ней посредством конвекции, хотя и оказывает посредством излучения, как вы скоро увидите. Любая горячая жидкость остывает главным образом за счет конвекции. Воздух, соприкасаясь с ней, забирает часть тепла и поднимается, а на его место приходит другой воздух, чтобы также нагреться, и так далее, пока жидкость не достигнет температуры воздуха, после чего воздушные потоки прекращаются. Жидкость остывает быстрее при помешивании, потому что воздух приводится в соприкосновение с большей площадью поверхности, и поэтому тепло отводится быстрее. Результат один и тот же, нарушаем ли мы поверхность помешиванием или дуя на нее. В последнем случае, однако, эффект усиливается за счет того, что воздух быстрее воздействует на взволнованную поверхность. Так и при обмахивании веером: именно более быстрое воздействие воздуха на поверхность тела вызывает более быструю конвекцию тепла от него. Каждый, должно быть, замечал, что гречневая лепешка остывает гораздо быстрее, чем лепешка из пшеничной или рисовой муки. Это потому, что у нее так много пор и мелких выступов, и поэтому она представляет гораздо большую площадь поверхности для теплопроводящего воздуха, чем более гладкие и плотные лепешки. Вязкие жидкости, такие как патока, масло и т. д., при нагревании остывают не так легко, как вода, потому что их частицы менее подвижны, и поэтому тепло не переносится вверх так быстро, чтобы быть отданным воздуху.

Fig. 211.

297. Теплопроводность. — При этом способе распространения тепло проходит сквозь частицы веществ или между ними. Например, если один конец железного стержня держать в огне, тепло распространяется сквозь частицы или между ними к другому концу. Постепенное продвижение тепла можно увидеть с помощью следующего простого эксперимента: возьмите железный стержень и прикрепите к нему, как показано на рис. 211, несколько маленьких деревянных шариков с помощью воска. При нагревании одного конца лампой шарики будут падать один за другим, по мере того как тепло, проходя вдоль стержня, расплавляет воск, который их удерживает.

Fig. 212.

298. Проводники и непроводники. — Тепло проводится через одни вещества быстрее, чем через другие. В этом отношении существует большое разнообразие. Значительная разница наблюдается даже среди тех, которые считаются хорошими проводниками, что показано экспериментом, представленным на рис. 212. Здесь конусы одинакового размера из семи различных веществ — меди, железа, цинка, олова, свинца, мрамора и кирпича — все покрыты сверху небольшим количеством воска и помещены на печь. Воск расплавится на медном конусе первым, показывая, что это лучший проводник из всех; а на кирпичном — последним, показывая, что это самый плохой проводник. Проводящие способности остальных соответствуют порядку, в котором я их перечислил.

Вещества, которые позволяют теплу проходить через них очень медленно, называются непроводниками. Этот термин, хотя и удобен, не является строго правильным, ибо нет таких веществ, которые не проводили бы тепло в некоторой степени. Дерево — один из таких плохих проводников, поэтому деревянные ручки ставятся на различные инструменты и сосуды, используемые при работе с огнем, такие как паяльники жестянщика, металлический чайник и т. д. Поскольку ткань является непроводником, прихватка используется при снятии чайника с огня и при использовании утюга. Стекло — настолько плохой проводник, что если вы будете держать его стержень или трубку над пламенем спиртовой лампы или газовой горелки и нагреете даже докрасна, вы можете безболезненно поднести пальцы очень близко к нагретой части. Мне довелось сегодня согнуть небольшую стеклянную трубку таким образом, и я заметил, что вода в ней совсем рядом с нагретой частью оставалась спокойной на протяжении всего процесса. Именно непроводящее качество стекла делает его таким склонным к разрушению, если оно толстое и подвергается резкому изменению температуры. Например, если горячую воду налить в толстостенный стеклянный сосуд, внутренняя поверхность быстро расширяется; но внешняя поверхность не расширяется вместе с ней, поскольку тепло не передается через толщу стекла быстро, и эта неравномерность расширения вызывает трещину. Именно по этой причине колбы, реторты и т. д., используемые химиками, делаются очень тонкими, особенно там, где будет прикладываться тепло.

Fig. 213.

299. Безопасная лампа Дэви. — Одно из самых прекрасных применений теплопроводности мы имеем в безопасной лампе сэра Гемфри Дэви, изобретении, которое послужило средством спасения жизней множества шахтеров. Она представлена на рис. 213. С этой лампой можно безбоязненно входить в среду самых взрывоопасных газов. Все, что предотвращает воспламенение газов снаружи пламенем внутри, — это покрытие из металлической сетки. Будучи хорошим проводником, она отводит тепло пламени внутри так быстро, что оно не может пройти через отверстия в виде пламени и, следовательно, не поджигает газ снаружи. Факт, на котором основывалась конструкция этой лампы, был обнаружен путем проведения множества экспериментов. Среди них были следующие: кусок металлической сетки держали над свечой так, чтобы ее пламя ударялось о сетку. Дым выходил сверху, но пламени не было. Затем поток газа пропускали через сетку, как показано на рис. 214, и поджигали сверху. Он горел, не воспламеняя газ внизу. [4]

Fig. 214.

300. Зависимость теплопроводности от плотности. — Как правило, чем плотнее вещество, тем лучше оно проводит тепло. Таким образом, металлы являются лучшими проводниками, чем дерево, мрамор — чем кирпич, твердые тела — чем жидкости, а жидкости — чем газообразные вещества. Мы часто имеем хорошую иллюстрацию разницы между камнем и кирпичом как проводниками при таянии снега на тротуарах. Если весной, после того как земля немного прогрелась, выпадает легкий снег, вы увидите, что он тает на каменных дорожках гораздо раньше, чем на кирпичных. Это будет особенно заметно, если снег тает в основном от тепла земли без воздействия солнца. Объяснение очевидно. Камень — лучший проводник, чем кирпич, и поэтому тепло земли проходит через него быстрее, чем через кирпич.

Fig. 215.

Fig. 216.

301. Теплопроводность в жидкостях. — То, что жидкости являются плохими проводниками тепла, можно показать одним или двумя экспериментами. Если тонкую стеклянную трубку, закрытую с одного конца, наполнить водой и применить тепло спиртовой лампы к ее верхней части, как показано на рис. 215, то, хотя вода в этой части может закипеть, в нижней части не будет ни малейшего движения. Это будет очень заметно, если в воде есть немного янтарной пыли. Далее, пусть немного воды замерзнет в нижней части трубки, поместив ее в охлаждающую смесь, затем введите немного масла, а поверх него — немного спирта. Теперь подержите трубку над дымоходом лампы, как показано на рис. 216, пока спирт не закипит. Лед на дне трубки нисколько не пострадает, а масло лишь слегка нагреется. Если бы тепло в любом из вышеперечисленных случаев прикладывалось к нижней части трубки, результат был бы иным, потому что тогда в распространении тепла участвовала бы конвекция.

302. Воздух как непроводник. — Тепло быстро распространяется в воздухе посредством конвекции; но это возможно только тогда, когда воздух свободен. Когда воздух заключен в пространствах, порах или между волокнами, тепло проходит через него очень медленно, ибо тогда оно может распространяться только посредством теплопроводности. Разнообразие способов, которыми воздух служит нам как непроводник, почти бесконечно. Я отмечу некоторые из них.

303. Двойные окна. — Эффективность двойных окон зависит от заключенного между ними воздуха. В случае одинарного окна большая часть тепла внутри теряется следующим образом: теплый воздух комнаты, соприкасаясь с окном, передает ему часть своего тепла и, охлаждаясь и, следовательно, сжимаясь, опускается вниз. Поскольку этот процесс идет постоянно, этот нисходящий поток у окна постоянен. Поток снаружи направлен в противоположную сторону. Тепло, переданное окну, поглощается холодным воздухом, и, становясь теплее, он поднимается вверх. И этот восходящий поток снаружи так же постоянен, как и нисходящий поток внутри. Теперь почти все это предотвращается непроводящим качеством заключенного воздуха в случае двойных окон. Если бы вынуть стекло из верхней части внутреннего окна, а другое — из нижней, внутреннее окно было бы малополезно, ибо тогда тепло воздуха в комнате постоянно уменьшалось бы за счет конвекции, как в случае с одинарным окном. Теплый воздух проходил бы через верхнее отверстие и, охлаждаясь, опускался бы через нижнее. [5]

304. Воздух как непроводник в стенах зданий. — Пространства между внешней стеной здания и внутренней штукатуркой, заполненные заключенным воздухом, препятствуют тому, чтобы тепло воздуха в помещениях легко уходило через стену. Дом, построенный из кирпича или камня, со штукатуркой, нанесенной непосредственно на внутреннюю сторону стены, зимой с трудом сохранял бы тепло, потому что твердая стена слишком легко проводила бы тепло наружу. Так же и летом такой дом был бы очень жарким, потому что тепло солнца и внешнего воздуха так же быстро передавалось бы воздуху внутри дома. В этой связи я упомяну приспособление для предотвращения распространения пожаров в блоках зданий, которое, хотя и очень эффективно, используется редко, отчасти потому, что доставляет некоторые хлопоты и расходы, а отчасти потому, что занимает немного места. Оно заключается в следующем: в разделительной стене между каждыми двумя домами сверху донизу оставляется небольшое пространство, содержащее, конечно, объем заключенного воздуха, то есть если пространство полностью закрыто, что здесь так же важно, как и в случае с двойными окнами. При таком устройстве внутренность одного дома может полностью выгореть, не передав через заключенный воздух достаточного количества тепла, чтобы поджечь другой.

305. Мех, волосы и перья. — Животные, обитающие в холодных климатических условиях, обеспечены подходящими покровами для своей защиты. Четвероногие, например, покрыты мехом, а птицы имеют обилие пуховых перьев. Эти покровы сами по себе не обладают теплом, хотя в обычном языке мы говорим, что они теплые. Они просто являются непроводниками и поэтому предотвращают уход тепла, вырабатываемого в теле животного, так быстро, как это происходило бы в противном случае. Но почему они являются непроводниками? Это не потому, что вещество, из которого они сделаны, является непроводником, а потому, что среди их бесчисленных волокон частично заключен этот великий непроводник — воздух. Если бы мех или пух были спрессованы в тонкую твердую пластину на животном, они оказались бы малополезны как защита от холода. Пуха гораздо больше на птицах холодных климатов, чем на птицах в более теплых регионах, потому что среди волокон пуха может быть заключено больше воздуха, чем среди волокон обычных перьев. Четвероногие, являющиеся уроженцами теплых климатов, обычно имеют волосы вместо меха. Поэтому, когда лошадь попадает в холодный климат, зимой ей требуется защита в виде попоны; а быку в тех же обстоятельствах требуется лучшее укрытие, чем обычно. Поскольку слон — уроженец климата, который является безусловно жарким, его волосы редкие и грубые. Раньше в холодных регионах Сибири были слоны, что было установлено по найденным там останкам. Но у сибирского слона под волосами, близко к коже, была тонкая шерсть для защиты от холода. У животных, живущих в холодных климатах, покровы становятся тоньше по волокну в холодное время года, чтобы дать им дополнительную защиту, в которой они тогда нуждаются. А животные с меховым покровом, если их перевезти в теплый климат, имеют мех, который становится грубым и приближается к состоянию волос.

306. Одежда. — Человек не имеет покрова, чтобы защитить себя от холода, потому что он способен придумывать одежду, подходящую для различных степеней температуры, которым он может быть подвержен. Цель одежды — не сделать тело теплым, а сохранить его таковым. Тепло тела постоянно вырабатывается внутри него самого, и при любых обстоятельствах это тепло поддерживается довольно равномерно на уровне 98°. Это, как вы видите, гораздо более высокая степень, чем та, которую обычно имеет атмосфера. Мы все время, таким образом, отдаем тепло окружающему нас воздуху, за исключением случаев, когда воздух нагревается до 98°. Нам комфортно только тогда, когда мы отдаем значительное количество тепла, ибо точка температуры, которая наиболее приятна нам в состоянии покоя, составляет 70° или немного меньше, то есть почти на тридцать градусов ниже температуры нашего тела. Когда температура ниже этой, нам нужна дополнительная одежда. Выбирая одежду для различных степеней температуры, мы практически применяем принципы, которые я развил. Те предметы одежды, которые могут удерживать или запутывать, как мы можем сказать, наибольшее количество воздуха среди своих волокон, являются лучшими непроводниками, или, на обычном языке, самыми теплыми. Так же и свободная одежда теплее, чем тесная, из-за количества воздуха между одеждой и телом. Таким образом, свободная перчатка гораздо теплее, чем тесная. Тот же общий факт иллюстрируется соломенными покрытиями, которые мы надеваем на нежные деревья и кустарники зимой. Именно воздух, заключенный в трубках соломы, делает эти покрытия столь эффективной защитой. Вероятно, именно воздух в порах кирпича делает его более плохим проводником, чем камень, что иллюстрируется фактом, изложенным в § 300.

307. Коконы. — Многие насекомые проходят стадию куколки или переходную стадию в коконах. Когда это происходит в теплое время года, как в случае с шелкопрядом, кокон простой. Но когда стадия куколки длится всю зиму, в устройстве кокона принимаются особые меры для защиты насекомого от холода. Я приведу в качестве примера кокон одной из наших самых больших молей, Cecropia. Этот кокон, прикрепленный к какому-нибудь кустарнику, защищает своего обитателя от суровости зимы с помощью очень красивого устройства. Настоящий кокон похож на кокон шелкопряда; но он имеет очень плотное воздухонепроницаемое внешнее покрытие, а пространство между этими двумя покрытиями куколки заполнено рыхлым веществом, которое, конечно, имеет воздух, смешанный со своими волокнами, и поэтому играет роль одеяла для насекомого.

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.

Теперь вы видите, как глаз похож на камеру-обскуру. У вас есть в нем темная камера с экраном, отверстие через радужную оболочку, зрачок, для поступления света, и прямо за этим отверстием линза для собирания или концентрации света, прежде чем он упадет на сетчатку. Преломление света, однако, осуществляется не полностью этой линзой. Выступающая роговица с содержащейся в ней водянистой влагой преломляет его значительно, так как она образует выпуклую линзу.

Fig. 245.

 

Fig. 246.

354. Четкое зрение. — Чтобы зрение было совершенно четким, необходимо, чтобы лучи, исходящие из каждой точки объекта, который виден, при сходимости встречались вместе или собирались в фокус на экране глаза, сетчатке. Так, на рис. 245 лучи, которые исходят из a, конца стрелки, встречаются на сетчатке в b, а те, что из c, другого конца, собираются в фокус в d. Теперь мышцы глаза обладают значительной силой в настройке глаза на объекты на разных расстояниях, чтобы собирать лучи в большинстве случаев точно на сетчатке. Им не удается сделать это с объектами, которые находятся очень близко. Вы можете увидеть, что это так, если поднесете любой объект, например, свой палец, все ближе и ближе к глазу. В конце концов вы обнаружите, что не можете видеть его четко. Причина в том, что лучи от него расходятся так сильно, что роговица и линза не могут заставить их сойтись достаточно, чтобы встретиться на сетчатке. Эта расходимость лучей на разных расстояниях проиллюстрирована на рис. 246. Предположим, что вы смотрите на какой-то очень мелкий объект. Чем ближе вы подносите его к глазу, тем лучше вы можете его видеть, пока не дойдете до определенной точки. Там лучи настолько расходятся, как вы можете легко увидеть по рисунку, что линзы глаза не могут заставить их сойтись достаточно для четкого зрения. Теперь как раз здесь микроскоп приходит на помощь глазу, заставляя эти расходящиеся лучи сближаться, прежде чем они войдут в окошко глаза, роговицу.

Fig. 247.

Fig. 248.

355. Близорукость и дальнозоркость. — У некоторых людей глаза имеют такую форму, что они не могут полностью настроить их на объекты на разных расстояниях. Так, близорукие могут видеть с четкостью только те объекты, которые находятся близко. Причина в том, что лучи сходятся слишком сильно и собираются в фокус до того, как они достигают сетчатки, как представлено на рис. 247. Поэтому изображения удаленных объектов нечеткие. Если бы сетчатку можно было каким-то образом немного выдвинуть вперед, трудность была бы устранена. Но так как это сделать невозможно, прибегают к вогнутым стеклам, которые противодействуют эффекту слишком высокой преломляющей способности глаза. У дальнозорких трудность имеет противоположный характер. Преломляющая способность настолько слаба, что при просмотре близких объектов лучи не собираются в фокус достаточно быстро, как видно на рис. 248. В этом случае используются выпуклые стекла, делающие расходящиеся лучи близких объектов менее расходящимися, прежде чем они войдут в роговицу.

356. Изображения в глазу перевернутые. — Изображения, сформированные на сетчатке, перевернутые. Это можно доказать, взяв глаз быка и осторожно срезав его заднюю часть, оставив мало что, кроме самой сетчатки. Удерживая теперь свечу перед глазом, ее изображение можно увидеть перевернутым на его задней части. Возникает вопрос, почему мы видим объекты прямыми, когда их изображения на сетчатке перевернутые. По этому пункту я процитирую из своей «Физиологии человека»: «Некоторыми предполагалось, что мы действительно видим все перевернутым, и что наш опыт с чувством осязания, в связи с чувством зрения, исправляет нас в этом отношении. И это, как предполагается, делается тем легче из того факта, что наши собственные конечности и тела перевернуты, как изображено на сетчатке, так же как и объекты, которые находятся вокруг нас, так что все относительно правильно по положению. Но если это истинное объяснение, те, у кого зрение восстановлено после того, как они были слепыми от рождения, должны сначала видеть все вверх ногами и должны осознавать исправление ошибки, глядя на свои собственные конечности и тела. Но это не так. Вышеупомянутое объяснение прямого зрения и другие объяснения подобного характера основаны на неверном представлении о функции, которую нерв выполняет в процессе зрения. Это не изображение, сформированное на сетчатке, передается в мозг, а впечатление, произведенное этим изображением. Разум не заглядывает в глаз и не видит изображение, но он получает впечатление от него через нерв; и это впечатление управляется так, что разум получает правильное представление об относительном положении объектов. О том, как это делается, мы знаем так же мало, как мы знаем о природе самого впечатления».

357. Одиночное зрение. — Всякий раз, когда мы видим какой-либо объект обоими глазами, в каждом глазу формируется изображение, и впечатления идут от обоих глаз по зрительным нервам в мозг. И все же с этими двумя впечатлениями нет двойного зрения, пока два глаза соответствуют друг другу по положению. Это происходит потому, что изображение в одном глазу занимает то же место на сетчатке, что и изображение в другом глазу. Соответствие обычно идеальное, два глаза всегда поворачиваются вместе одинаковым образом, вверх, вниз или в сторону, без малейшего отклонения. Вы можете наблюдать эффект отсутствия этого соответствия, надавив на один из глаз в каком-либо направлении пальцем, в то время как другой остается свободным для движения в соответствии с мышцами. Когда это делается, каждый объект кажется двойным, потому что его изображение занимает в одном глазу другую часть сетчатки, чем в другом, и поэтому два разных впечатления передаются в мозг. То же самое происходит при косоглазии, при котором действие мышц двух глаз не согласуется. Обычно при косоглазии нет двойного зрения, потому что разум имеет привычку игнорировать впечатления, которые исходят от дефектного глаза. Но когда косоглазие возникает внезапно из-за болезни, возникает двойное зрение, ибо требуется некоторое время, чтобы сформировать упомянутую привычку.

358. Стереоскоп. — Изображения объектов в двух глазах, хотя всегда похожие, обычно не являются совершенно одинаковыми. Они таковы только тогда, когда объект представляет простую поверхность, как в случае с картинками. Когда объект представляет две или более поверхностей для зрения, изображения более или менее неодинаковы. Это можно проиллюстрировать очень простым способом. Держите книгу прямо перед глазами корешком к себе. Вы видите корешок и обе стороны. Теперь, если вы закроете правый глаз, вы увидите левым глазом корешок книги и левую сторону. То есть эти две части книги отображаются на сетчатке левого глаза. Закрыв левый глаз, станет ясно, что изображение в правом другое, ибо вы видите теперь вместе с корешком правую сторону книги. Здесь у вас есть объяснение стереоскопа. В правой части этого инструмента у вас есть картинка объекта, какой объект сам по себе казался бы правому глазу, а в левой части у вас есть картинка его, какой он казался бы левому глазу. Так, если бы книга в положении, упомянутом выше, была объектом, на правой картинке должен был бы быть представлен корешок вместе с правой стороной обложки, а на левой — корешок с левой стороной обложки. Два впечатления, перенесенные в мозг зрительными нервами, дают вместе впечатление твердой книги. Те же принципы применяются к представлению всех твердых тел в стереоскопе.

Fig. 249.

359. Тауматроп. — Каждое впечатление, произведенное на зрительный нерв светом, длится около восьмой части секунды. Никакие четкие впечатления не могут быть произведены, следовательно, на сетчатке, если они не следуют друг за другом с меньшей быстротой, чем эта. Если, например, при вращении колеса восемь или более спиц проходят мимо одной точки в секунду, они не могут быть увидены как отдельные спицы, а будут смешаны вместе, производя одно непрерывное впечатление. Так же, если свет вращается так, чтобы описать круг за восьмую часть секунды, он покажется глазу как один неразрывный круг света. Именно это непрерывное впечатление на сетчатке заставляет маленькие объекты, когда вагоны быстро проезжают, казаться бегущими длинными линиями вместе с нами. Факт, таким образом развитый, используется в устройстве игрушки, называемой тауматропом. Картинка делается на каждой стороне круглой карточки, и при вращении карточки очень быстро с помощью двух прикрепленных к ней нитей две картинки смешиваются вместе как одна. Так на рис. 249 представлены две стороны такой карточки, на одной стороне есть картинка собаки, а на другой — обезьяны. При быстром вращении обезьяна будет видна сидящей на спине собаки.

Fig. 250.

360. Свет составной. — Я до сих пор говорил о свете, как если бы он был простой вещью. Но он составной. Каждый луч белого света имеет в себе семь различных цветов. То, что это так, мы можем доказать, взяв луч света отдельно и расчленив его, как мы можем сказать, или разделив его на семь частей. Я покажу вам, как это можно сделать. Пусть DE, рис. 250, луч солнечного света проходит через небольшое отверстие в ставне в темную комнату. Лучи будут следовать прямым курсом, и если экран поместить в F, они сделают пятно белого света. Но если стеклянную призму ABC держать в представленном положении, лучи будут преломлены, и при получении на экране MN свет будет разделен на семь цветов в порядке, который дан. Фигура, таким образом произведенная, называется солнечным спектром. Наблюдайте, почему цвета разделены. Это потому, что они преломляются неравномерно. Если бы они были одинаково преломлены, свет на экране был бы белым, как до того, как он был преломлен. Фиолетовые лучи преломляются больше всего, индиго — следующие, синие — следующие и т. д., а красные — меньше всего преломлены из всех.

361. Пропорции цветов в свете. — Цвета в свете представлены не в равных количествах. Если разделить спектр на 360 равных частей, то пропорции цветов будут следующими: красный — 45; оранжевый — 27; желтый — 40; зеленый — 60; синий — 60; индиго — 48; фиолетовый — 80.

Некоторые полагают, что на самом деле существует только три простых цвета: красный, желтый и синий, а остальные цвета образуются путем их сочетания. Так, красный и желтый вместе образуют оранжевый, а желтый и синий — зеленый.

Fig. 251.

362. Рекомпозиция света. — Разложив свет путем пропускания его через призму, мы можем вновь соединить разделенные цвета и получить из них белый свет. Способ, которым это достигается, показан на рис. 251. Луч света, пройдя через призму S A A', вместо того чтобы следовать в направлении, указанном пунктирными линиями для образования спектра, направляется через призму S' B B', расположенную в перевернутом положении, и его лучи преломляются так, что принимают свое первоначальное соотношение, образуя белый луч M. Здесь вторая призма нейтрализует действие первой, поскольку ее положение прямо противоположно.

Fig. 252.

Ньютон совершенно справедливо считал разложение и рекомпозицию света наиболее убедительным доказательством того, что белый свет содержит все семь цветов. Он проводил различные эксперименты, чтобы доказать это. Так, он тщательно смешал семь порошков, имеющих семь призматических цветов, и обнаружил, что смесь имеет серовато-белый вид. Он также раскрасил этими цветами круглый диск и обнаружил, что при его вращении с такой скоростью, что цвета нельзя было различить, весь диск казался белым. Чтобы это удалось в совершенстве, необходимо соблюдать пропорции между цветами, как показано на рис. 252. Очень красивый способ проиллюстрировать состав света — использовать волчок, раскрашенный таким образом. Когда волчок быстро вращается, он кажется белым, но по мере замедления его движения появляются семь цветов.

363. Цвета объектов. — Цвет любого объекта зависит от того, как он отражает свет. Так, если объект красный, он отражает красные лучи спектра, поглощая остальные; если он зеленый, он отражает зеленые лучи и т. д. Если объект отражает все цвета вместе, он белый; если он не отражает свет или отражает его крайне мало, он черный.

Вы легко можете понять, почему цвет объекта меняется в зависимости от вида света, падающего на него. Если объект, который кажется красным при солнечном свете, поместить в желтый свет, например, в свет желтого пламени или солнечный свет, прошедший через желтое стекло или занавеску, он теряет свой красный цвет, так как в этом свете нет красных лучей, которые могли бы отразиться от него в наши глаза. Человек, находящийся в таком свете, приобретает мертвенную бледность, а губы и кожа полностью теряют свой красный цвет. Этот эффект можно наблюдать в любое время, смешав на тарелке спирт с небольшим количеством соли и поджегши его. В сказанном выше вы видите причину того, почему при осмотре товаров вечером, особенно при свечах, мы часто обнаруживаем, что их цвета несколько отличаются от тех, что они имеют днем.

У некоторых веществ цвета меняются при изменении положения, даже если свет остается прежним. Мы часто видим это у раковин и минералов. Мы видим это также у некоторых тканей, например, у переливчатого шелка. Это объясняется расположением частиц, которое таково, что вызывает разнообразие в отражении при изменении положения.

364. Цвета облаков. — Нет более великолепного зрелища цветов, чем то, которое мы иногда видим на облаках утром или вечером, особенно вечером. Эти цвета вызваны просто преломлениями и отражениями в мельчайших пузырьках (§ 288), из которых состоят облака. Как просты материалы — свет, вода и воздух, — и все же как грандиозны и разнообразны результаты!

Fig. 253.

Fig. 254.

365. Радуга. — При создании цветов радуги материалы еще проще, чем при создании цветов облаков. Это только свет и вода. Цвета возникают в результате отражения и преломления света в каплях падающего дождя. Я проиллюстрирую то, как происходят эти отражения и преломления. Возьмем одну каплю, представленную на рис. 253. Пусть S — луч от солнца. Входя в каплю в точке A, он преломляется и проходит к B, на противоположную сторону капли. Здесь часть его теряется, продолжая путь по линии B C. Оставшаяся часть отражается к D и проходит к E, преломляясь при выходе в более разреженную среду — воздух. Здесь мы имеем одно отражение и два преломления. Но во второй дуге, которая иногда образуется, происходят два отражения, а также два преломления, как показано на рис. 254. Луч света S от солнца входит в каплю в точке A, преломляется и проходит к B. Здесь часть луча продолжает путь в направлении B C. Другая часть отражается к D. Затем она уменьшается, так как часть ее продолжает путь по линии D E. То, что остается, отражается к E. Вы видите здесь причину того, почему вторая дуга не такая яркая, как первичная. В последней в каждой капле происходит только одно отражение, и поэтому есть только одна точка, где происходит потеря света из-за его выхода из капли; в то время как в первой происходят два отражения, и, следовательно, потеря происходит в двух точках.

Fig. 255.

366. Обстоятельства, при которых наблюдаются радуги. — Радуга видна, когда наблюдатель стоит между солнцем и падающим дождем. Обычно это возможно только во второй половине дня. Иногда, хотя и очень редко, случается, что ливень проходит с востока на запад утром, и тогда радугу можно увидеть на западе. Рис. 255 призван показать, при каких обстоятельствах видна радуга. Пусть горизонтальная линия проведена от O, наблюдателя, к P, точке прямо под средней точкой дуги. Если бы эта линия была продолжена назад от наблюдателя, она была бы точно в направлении солнца от него. То есть солнце находится прямо напротив середины дуги. Теперь, если капля в точке A отражает красный луч в глаз наблюдателя, все другие капли, аналогично расположенные в дуге, будут отражать красные лучи. Так же, если B отражает зеленый луч, все другие аналогично расположенные капли будут делать то же самое. И так далее для C, отражающей фиолетовый луч. Для ясности представлены только три отражения, но то же самое верно для всех семи цветов. Во вторичной дуге расположение цветов обратное: красный находится во внутренней части дуги, а фиолетовый — во внешней. Двойные отражения заметны в каплях D, E и F. То, что я описал как происходящее в нескольких каплях, происходит в бесчисленном множестве их при формировании дуги. Поскольку точное местоположение радуги зависит не только от направления солнечных лучей, но и от положения наблюдателя, ясно, что никакие два наблюдателя не видят одну и ту же радугу, ибо капли, образующие ее для одного, не являются теми же каплями, что образуют ее для другого. Это очень очевидно, если они находятся далеко друг от друга; но это в равной степени верно, если они находятся очень близко, хотя в этом случае дуга для одного будет почти совпадать с дугой для другого. Также верно, что радуга одного момента — это не радуга следующего, ибо, поскольку капли, отражающие ее, являются падающими, в любой части дуги должна происходить их постоянная смена.

367. Цвета в каплях росы и кристаллах льда. — Мы часто видим нечто очень похожее на радугу в росе. Когда солнце встает, если мы смотрим на капли росы, повернувшись к нему спиной, мы видим все цвета радуги, сверкающие повсюду перед нами, как будто трава наполнена драгоценными камнями всех оттенков. Здесь мы имеем те же преломление и отражение в каплях воды, и сходство нарушается только регулярностью расположения, которую представляет радуга. Мы видим то же самое, если земля усыпана кусочками льда, упавшими с ветвей деревьев, и солнце светит на них под углом.

368. Тепло и свет. — Мы еще не закончили наш разбор луча света, начатый в § 360. В луче света, разделенном на семь цветов, есть также тепло; и при разделении обнаруживается, как показано на рис. 256, что тепловые лучи наиболее обильны сразу за красными лучами, в то время как на другом конце спектра их очень мало. Наибольшая степень света находится на границе между оранжевыми и желтыми лучами.

Fig. 256.

369. Химия света и дагеротипия. — В свете также есть химическая сила, производящая повсюду, тихо, но основательно, важные эффекты. Химические лучи наиболее обильны на конце спектра, противоположном тому, где изобилуют тепловые лучи. Именно они совершают работу при дагеротипировании. В этом искусстве свет называют художником; но это не совсем верно. Свет создает изображение объекта, точно так же, как в камере-обскуре и в глазу, но он не обладает силой закрепить это изображение на металлической пластине. Это делают химические лучи, которые, подобно тепловым лучам, сопровождают свет. Не вдаваясь в подробности, которые будут приведены во второй части, процесс дагеротипирования прост: металлическая пластина подготавливается таким образом, чтобы химические лучи света могли воздействовать на нее ощутимо. Затем, когда объект, который нужно снять — человек или что-либо другое, — находится перед инструментом, вставляется матовое стекло, и когда оператор настраивает линзу так, что на стекле видно хорошее изображение объекта, он вынимает его и ставит на его место металлическую пластину. Лучи света, исходящие от объекта, создают изображение, а химические лучи, связанные со светом, воздействуют на пластину, закрепляя изображение на ней.

ГЛАВА XV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

370. Происхождение термина. — Древние заметили, что при трении определенных веществ друг о друга возникают необычные явления. Одним из таких веществ был янтарь, и поскольку греческое название для него — ηλεκτρον, сила, которая таким образом приводится в действие, была названа электричеством.

Fig. 257.

371. Притяжение и отталкивание в электричестве. — Одним из наиболее распространенных эффектов электричества является притяжение. Если мы потрем стеклянную трубку или стержень шерстью или шелком, они будут притягивать легкие предметы, такие как хлопок, перья, пух и т. д., так что те будут прилипать к ним. Но отталкивание также является эффектом электричества при определенных обстоятельствах. Чтобы объяснение этих двух противоположных эффектов было для вас ясным, я подробно опишу некоторые эксперименты, которые демонстрируют оба. Предположим, у нас есть бузиновый шарик A (рис. 257), подвешенный на шелковой нити B к штативу C. Я должен предварительно заметить, что шелк не позволяет электричеству легко проходить по нему, то есть является непроводником, и поэтому любое электричество, сообщенное бузиновому шарику, останется там, если только что-либо не будет приведено в контакт с ним или очень близко к нему. Если теперь вы потрете стеклянную трубку, возбудив на ней электричество, а затем поднесете ее к шарику, она притянет шарик к себе, а затем через мгновение оттолкнет его, так что он будет держаться на расстоянии от трубки и отступать от нее, если вы будете следовать за шариком с трубкой. Почему это происходит? Предполагается, что на наэлектризованном стекле есть тонкая жидкость, часть которой переходит на шарик, когда он касается стекла, так что шарик и стекло находятся в сходном состоянии. Но частицы жидкости отталкиваются друг от друга; и это причина того, что шарик отталкивается от стекла, как только он заряжается частью электричества стекла. По той же причине, если два бузиновых шарика, висящих на штативе, наэлектризовать от стеклянной трубки или стержня, они будут отталкиваться друг от друга, так как они находятся в одинаковом электрическом состоянии.

372. Стекловидное и смоляное электричество. — Предположим теперь, что вы потрете стержень из сургуча шерстью или шелком и поднесете его к бузиновому шарику, который был наэлектризован от стекла. Он притянет шарик. Причина в том, что на сургуче возбуждается электричество иного рода, чем то, которое возбуждается на стекле. Первое называется смоляным, а второе — стекловидным электричеством. Предполагается, что это две жидкости, которые обладают сильным притяжением друг к другу, в то время как, с другой стороны, частицы любой из жидкостей отталкиваются друг от друга. Именно это притяжение между двумя жидкостями вызывает в только что описанном случае притяжение сургучом шарика к себе. Мы можем проиллюстрировать это притяжение другим способом. Возьмите два бузиновых шарика и наэлектризуйте их: один от стекла, а другой от сургуча. При сближении они будут притягивать друг друга, потому что у них два разных электричества. Это, как вы видите, прямо противоположно эффекту, полученному в эксперименте, упомянутом в конце § 371, в котором электричества в двух бузиновых шариках были одинаковыми. Далее, если вы поднесете натертый сургуч к шарику, наэлектризованному от стекла, шарик будет притянут, и тот же эффект последует, если вы поднесете натертое стекло к шарику, наэлектризованному от сургуча.

373. Теория Франклина. — В § 372 изложена теория, ныне общепринятая в отношении электричества. Теория Франклина была иной. Он предполагал, что существует только одна электрическая жидкость и что все тела в своем обычном состоянии заряжены определенной ее порцией, причем одни имеют ее больше, чем другие, в зависимости от их емкости для электричества. Пока тело находится в своем обычном состоянии, проявления электричества нет. Жидкость находится в спокойном состоянии, потому что ее частицам мешает отталкиваться друг от друга притяжение, существующее между ними и частицами вещества. Но это спокойствие может быть нарушено трением и другими причинами. Так, если стеклянный стержень потереть куском шелка, естественное равновесие нарушается: стекло получает избыток, а ткань — недостаток электричества. Поэтому говорят, что стекло наэлектризовано положительно, а ткань — отрицательно. Равновесие может быть восстановлено в случае положительно наэлектризованного тела путем отвода его избытка, а в случае отрицательно наэлектризованного тела — путем восполнения его недостатка путем получения электричества от других тел. Хотя эта теория отвергнута, термины «положительный» и «отрицательный», производные от нее, сохранены, применяясь к двум жидкостям или электричествам, и они часто обозначаются двумя знаками + и -.

374. От чего зависит вид возбуждаемого электричества. — От того, чем натирается вещество, зависит, будет ли в нем возбуждено стекловидное или смоляное электричество. Так, гладкое стекло, натертое шерстяной тканью или шелком, будет наэлектризовано положительно; в то время как если его потереть о кошачью спину, оно проявит отрицательное или смоляное электричество. Так же, если смолу, например гумлак или сургуч, потереть шелком или шерстяной тканью, она будет заряжена смоляным электричеством, но она будет заряжена стекловидным или положительным, если ее потереть серой. Термины «стекловидное» и «смоляное» поэтому неточны, ибо они основаны на идее, что один вид электричества всегда возбуждается на стекле, чем бы ни производилось трение, и что другой вид всегда возбуждается на смолах. Наиболее решительной иллюстрацией неточности этих терминов является тот факт, что в то время как гладкое стекло, натертое шелком или шерстяной тканью, заряжается положительным (стекловидным) электричеством, шероховатое стекло, натертое тем же самым, дает нам отрицательное (смоляное) электричество. Ниже я привожу таблицу веществ, любое из которых приобретает положительное электричество при натирании его любым веществом, стоящим ниже его в списке, и отрицательное — при натирании любым веществом, стоящим выше его:

1. Cat-skin.

2. Polished glass.

3. Woolen cloth.

4. Feathers.

5. Wood.

6. Paper.

7. Silk.

8. Sealing-wax.

9. Amber.

10. Roughened glass.

11. Sulphur.

375. Проводники и непроводники. — Электричество проходит по поверхности некоторых веществ очень легко; в то время как по другим оно движется с очень большим трудом, а следовательно, очень медленно и скудно. Первые называются проводниками, а вторые — непроводниками. Как и в случае с теплом, так и с электричеством нет веществ, которые были бы полностью непроводящими. Лучшими из всех проводников являются металлы, причем те, которые наименее подвержены окислению, являются наиболее совершенными. Затем идут древесный уголь, вода, живые существа, пламя, дым, пар. Лучшими непроводниками являются гумлак и гуттаперча. Затем идут янтарь, смолы, сера, стекло, шелк, шерсть, волосы, перья, хлопок, бумага. Непроводники иногда называют изоляторами, от латинского слова insula, так как они служат для удержания электричества в определенных границах и предотвращения его утечки. Так, в экспериментах с бузиновыми шариками, уже упомянутых, шелковые нити, на которых они подвешены, предотвращают утечку электричества с них. Так и стеклянные колпачки, на которых покоятся провода телеграфа, являются изоляторами, предотвращая утечку электрической жидкости вниз по столбам в землю.

Fig. 258.

376. Электричество всегда на поверхности. — Существует заметная разница между теплом и электричеством в том, как они распределяются. Тепло проникает во все частицы веществ и при проведении распространяется через них, в то время как электричество при своих обычных движениях действует исключительно на поверхности. Полый шар, следовательно, может содержать столько же электричества, сколько сплошной, и полый проводник электричества столь же эффективен, как и сплошной. Следующий эксперимент демонстрирует очень поразительным образом эту склонность электричества занимать только поверхность: пусть a (рис. 258) будет металлическим шаром, поддерживаемым стеклянной подставкой b; и пусть c c будут металлические колпачки, которые как раз покрывают шар, имеющие непроводящие ручки, либо стеклянные, либо из гумлака. Теперь, после того как шар заряжен электричеством, осторожно наденьте колпачки, удерживаемые за изолирующие ручки, на шар. При их снятии обнаружится, что электричество шара полностью перешло на внешнюю поверхность этих колпачков.

377. Электрики и неэлектрики. — Можно заметить, просматривая список проводников и непроводников, что среди непроводников находятся те вещества, в которых электричество легко возбуждается трением, такие как стекло, янтарь, шелк и т. д. Поэтому их называли электриками. Проводники, с другой стороны, называли неэлектриками, полагая, что электричество не может быть возбуждено с их помощью. Но это оказалось неверным. Например, если металл изолировать, поместив его на колонну из стекла или гумлака, так чтобы электричество при возбуждении не могло легко уйти, его генерация может быть сделана явной. Вероятно, верно, что каждое вещество является в большей или меньшей степени электриком, причем трудно сделать это явным в случае проводников, потому что электричество уходит так же быстро, как и генерируется.

378. Электричество везде активно. — Я сказал, что электричество есть во всех веществах, каждое из которых имеет свою емкость для него, но что в обычном состоянии веществ электричество находится в состоянии равновесия, а следовательно, покоя. Мы видим, как это спокойствие нарушается всякий раз, когда происходит гроза, когда мы трем стекло или шелк, или кошачью спину, или когда мы работаем с электрической машиной. Но активное состояние электричества не ограничивается такими ощутимыми демонстрациями, как эти. Электричество, несомненно, действует везде и всегда, хотя мы редко можем оценить и измерить его действие. Везде, где есть движение, есть нарушение равновесия электричества и последующее возвращение к этому равновесию. И это изменение из одного состояния в другое должно быть постоянной причиной важных изменений и операций в мире вокруг нас и в наших собственных телах. Давайте посмотрим на некоторые признаки этой универсальности электрического действия. Трение одного электрика о другой пробуждает его. Трение ремней о барабаны на хлопчатобумажных фабриках делает это довольно свободно. Каждый штрих индийской резинки по бумаге, когда вы стираете карандашную отметку, возбуждает электричество. Дуновение воздуха на стекло делает то же самое. Так же делает и выпуск пара из двигателя. Электричество было возбуждено даже на льду путем трения его, когда он был охлажден до 13° ниже нуля. Эксперименты с воздухом показали, что в нем обычно есть некоторое свободное электричество, причем атмосфера в целом находится в положительном состоянии, особенно когда воздух сухой и ясный. Оно постоянно генерируется из одного источника и другого. Оно генерируется повсюду путем испарения. Каждый порыв ветра, вызывающий трение частиц воздуха о различные вещества, генерирует его. Движение любого рода, вероятно, генерирует его. Химическое действие, как вы увидите в другой части этой главы, генерирует его повсюду. Оно генерируется также в процессах жизни, и у некоторых животных есть специальные органы — электрические батареи — для генерации этого агента.

Fig. 259.

379. Индукция. — Замечательное влияние оказывает наэлектризованное тело на другое тело, находящееся в обычном состоянии, при приближении к нему, и это влияние называется индукцией. Я проиллюстрирую это рис. 259. Пусть A — металлический шар, стоящий на стеклянной колонне и заряженный положительным электричеством. Пусть B — металлический цилиндр, поддерживаемый двумя стеклянными колоннами. Теперь, если A поместить рядом с B, но не настолько близко, чтобы электрическая искра могла пройти от него к B, это разрушит равновесие двух электричеств в B, причем отрицательное электричество будет накапливаться на конце, близком к A, а положительное — на удаленном конце. Это происходит потому, что положительное электричество в A отталкивает подобное себе в B и притягивает противоположную жидкость. Вы замечаете, что на каждом конце B, а также посередине подвешена пара бузиновых шариков. Два шарика на положительном конце отталкиваются друг от друга, потому что они заряжены одним и тем же электричеством, так же и шарики на отрицательном конце. Но шарики, висящие посередине, не затронуты, потому что они находятся на нейтральной территории между двумя электричествами. Здесь нет передачи электричества от A к B, а только влияние на спокойные сбалансированные электричества B. Соответственно, если избыточное электричество A разрядить, приложив руку или любой хороший проводник к нему, влияние прекратится, равновесие в B будет восстановлено, и все бузиновые шарики будут висеть прямо вниз. Тот же эффект будет произведен, если A отодвинуть на расстояние от B, и влияние возобновится, если A снова приблизить.

Fig. 260.

Если вместо одного проводника мы используем два, B и C (рис. 260), и приведем их в контакт, мы получим отрицательное электричество на B и положительное на C. Теперь, если мы отделим C от B, мы можем получить два электричества раздельно: B будет заряжено отрицательным, а C — положительным.

Fig. 261.

380. Электрическая машина. — Теперь вы готовы увидеть, как работает обычная электрическая машина. Существует два вида — пластинчатая и цилиндрическая. Пластинчатая машина (рис. 261) имеет в p большую стеклянную пластину, а в r — подушку, которая состоит из двух латунных пластин, выложенных кожей с набивкой, давление которой на стекло регулируется винтом. Над этой подушкой находится латунный шар d, и латунная цепь соединяет подушку и шар с полом, или, другими словами, с землей. В c находится то, что называется главным проводником — полый латунный цилиндр с закругленными концами, к которому прикреплен стержень с остриями, как видно в a. Подобный стержень прикреплен к нему с другой стороны стеклянной пластины. Различные части инструмента поддерживаются стеклянными колоннами g g g, стоящими на деревянной платформе. Нижняя часть пластины покрыта футляром из шелка, который, будучи непроводником, предотвращает потерю электричества со стекла в воздух, а также служит для защиты пластины от пыли. Подушка покрыта амальгамой олова, цинка и ртути, что оказывается очень эффективным при возбуждении электричества. Работа машины такова: по мере вращения пластины положительное электричество собирается на стекле, а отрицательное электричество — на подушке. Первое, доходя до остриев в a, переходит к ним и проходит по стержням к главному проводнику, в то время как второе проходит от подушки по цепи к земле. Острия в a очень полезны для сбора электричества, потому что жидкость всегда гораздо охотнее идет к остриям, чем к проводникам тупой формы.

Fig. 262.

Цилиндрическая машина представлена на рис. 262, где a a — стеклянный цилиндр, который можно быстро вращать с помощью множительного колеса b b. В c находится кусок шелка, а на задней части цилиндра находится подушка. В d находится главный проводник.

381. Эксперименты. — С электрической машиной можно провести много экспериментов. Я приведу несколько из них:

Если прикрепить бузиновые шарики к главному проводнику, как показано на рис. 261, они будут расходиться друг от друга, как только машина заработает, потому что они оба заряжены одним и тем же видом электрической жидкости.

Пусть маленькая фигурка с головой, покрытой волосами, будет помещена на главный проводник. Как только проводник заряжается электричеством, волосы встают дыбом, как показано на рис. 263, по той же причине, по которой бузиновые шарики расходились в предыдущем эксперименте.

Fig. 263. Fig. 264.

Так же, если вы поместите на проводник фигурку, к которой прикреплены полоски папиросной бумаги, они будут расходиться способом, показанным на рис. 264.

Fig. 265.

Пусть металлическая пластина a (рис. 265) будет подвешена на цепи к главному проводнику, а другая пластина b будет поддерживаться на проводящей подставке. Если между этими пластинами поместить фигурки из бумаги или бузины, то по мере работы машины они будут оживленно двигаться между пластинами, попеременно притягиваясь и отталкиваясь при передаче электричества.

Fig. 266.

Эксперимент, представленный на рис. 266, очень красив. Пусть a b будет латунным стержнем с дугой g, за которую его можно подвесить к концу главного проводника. К этому стержню подвешены три колокольчика: два внешних на цепях, а средний — на шелковой нити; также два язычка d и e на шелковых нитях. Средний колокольчик имеет цепь f, соединяющую его со столом, то есть с землей. Работа аппарата такова: как только внешние колокольчики наэлектризуются, они притягивают язычки. Эти, коснувшись колокольчиков, получают часть их электричества и отталкиваются. Поэтому они ударяются о средний колокольчик, которому передают электричество, полученное от внешних колокольчиков. Затем они отлетают назад в том же состоянии, в котором были сначала, и теперь снова притягиваются внешними колокольчиками. Это продолжается до тех пор, пока передается электричество.

Fig. 267.

Пусть на полоску стекла будет наклеена непрерывная линия оловянной фольги, идущая взад и вперед, как показано на рис. 267, и пусть будет шар G, соединенный с одним концом фольги. Слово «свет» сделано на ней путем вырезания острым ножом небольших участков фольги. Если теперь, держа палец на одном конце линии фольги в a, вы поднесете шар G к главному проводнику, электрическая жидкость побежит по всей длине линии от G к a. При этом буквы красиво освещаются, причем на каждом разрыве линии возникает искра. Настолько быстро прохождение электричества, что все кажется глазу одновременно освещенным.

Fig. 268.

382. Изолирующий табурет. — Он состоит из деревянной крышки a (рис. 268), поддерживаемой стеклянными ножками c c. Его можно сделать просто, просверлив отверстия в четырех углах куска доски, достаточно большого, чтобы вместить горлышки бутылок. С ним можно провести много забавных экспериментов. Человек, стоящий на нем, может быть сильно заряжен электричеством, держа цепь, соединенную с главным проводником. Волосы поднимутся, как показано на рис. 263, и он может давать электрические разряды другим людям любой частью своего тела.

Fig. 269.

383. Электричество, разряжаемое с остриев. — Я уже, рассказывая об электрической машине, говорил о готовности, с которой электричество принимается остриями. Оно разряжается с них с такой же готовностью; так что, если прикрепить металлическое острие к главному проводнику, электричество будет уноситься в воздух почти так же быстро, как оно принимается на проводник. И по мере того как оно уходит, оно создает ток в воздухе, когда ударяется о него. Реакцию воздуха на электрические токи можно очень красиво продемонстрировать с помощью аппарата, представленного на рис. 269, который состоит из колпачка A, покоящегося на острие стержня и имеющего заостренные проволоки, отходящие от него в виде колеса. Вы замечаете, что острия все согнуты в одну сторону. Если этот аппарат установить вертикально на главный проводник, колесо можно заставить быстро вращаться, работая на машине. Как реакция воздуха против газов, выходящих из ракеты, заставляет ее подниматься, так и та же реакция против электричества, выходящего из этих остриев, вызывает круговое движение. Если электричество разряжается с острия в темной комнате, оно выглядит как кисточка света, как показано на рис. 270.

Fig. 271.

Fig. 270.

384. Лейденская банка. — Лейденская банка (рис. 271) так называется потому, что она была придумана в Лейдене. Она была предложена в результате случайного результата эксперимента, проведенного там с электрической машиной. Она состоит из стеклянной банки, покрытой внутри и снаружи до верха оловянной фольгой, и имеющей металлический стержень, проходящий через пробку, один конец которого касается внутреннего покрытия, а другой увенчан латунным шаром или кнопкой. Банка заряжается путем удержания кнопки близко к главному проводнику во время работы машины. Электричество проходит по металлическому стержню к внутреннему покрытию банки и накапливается там. Это положительное электричество. Тем временем происходит накопление отрицательного электричества на внешнем покрытии. Но как это? Это происходит из-за отталкивания положительного электричества от самого себя и его притяжения к противоположному, отрицательному электричеству. Когда вы держите банку в руке, положительное электричество отталкивается с ее внешней стороны через вашу руку к земле, в то время как отрицательное электричество притягивается к ней положительным, которое находится внутри. Две жидкости подходят как можно ближе друг к другу. Им мешает соединиться непроводящее качество стекла. Если бы полоска оловянной фольги соединила внутреннюю фольгу с внешней, накопления электричества внутри не было бы, ибо как только оно переходило бы от главного проводника внутрь, оно проходило бы по мостику из фольги наружу и вниз по вашей руке и телу к земле.

Fig. 272.

Если бы не было связи внешней стороны с землей, банка не зарядилась бы. Никакое электричество не перешло бы к ней, потому что положительное электричество, которое находится снаружи, не может быть вытеснено, и никакое отрицательное электричество не может быть получено. Чтобы сделать это понятным, предположим, что банка a (рис. 272), имеющая изогнутый стержень, подвешена к главному проводнику b. Здесь у вас внутренняя оловянная фольга соединена с источником положительного электричества. Но внешняя сторона изолирована. Никакое электричество не может пройти от нее или к ней. Она имеет как положительное, так и отрицательное электричество, но они находятся в равновесии. Если бы там было преобладание отрицательного электричества, оно притянуло бы положительное электричество к себе как можно ближе, и так последнее вошло бы в банку от проводника. Но такого преобладания нет, и поэтому, хотя немного может войти — искра или две, — недостаточно, чтобы зарядить банку ощутимо, потому что в том направлении нет притяжения. Но поднесите теперь другую банку c близко к внешнему покрытию a, и сразу же происходит движение в электричествах. Положительное электричество теперь имеет возможность уйти с внешней стороны a на внутреннюю сторону c, оставляя, таким образом, преобладание отрицательного электричества на внешней стороне a, которое оказывает притягивающее влияние на положительное электричество проводника, втягивая его внутрь банки.

Fig. 273.

385. Разрядка лейденской банки. — Банку можно разрядить, создав связь между внутренней и внешней сторонами с помощью любого проводника. Это можно сделать с помощью разрядника (рис. 273). Он имеет два тонких металлических стержня с латунными кнопками на концах, соединенных в a, так что кнопки можно раздвигать на разные расстояния. Ручка стеклянная, так что, когда электричество проходит через стержни, никакая его часть не может быть передана руке. При разрядке банки одна кнопка помещается на внешнюю фольгу, а другая подносится близко к кнопке банки. Две жидкости теперь устремляются друг к другу из-за их притяжения, и при этом возникает яркая вспышка, идущая от кнопки банки к кнопке разрядника, и вместе с этим — звук. Вы сами можете быть проводником для разрядки банки. Если, держа одну руку на внешней стороне банки, вы поднесете другую близко к ее кнопке, жидкости встретятся в вас, как они делают это в разряднике, и вы почувствуете удар, пропорциональный величине заряда в банке. Любое количество людей может вместе получить один и тот же удар. Для этого они должны взяться за руки, и человек на одном конце ряда должен коснуться кнопки банки, в то время как человек на другом конце держит руку на внешней стороне.

Вы можете коснуться кнопки банки или внешнего покрытия по отдельности, и сила, которая в ней есть, остается спокойной; но в тот момент, когда вы касаетесь обоих, она вырывается наружу, потому что создается мостик, по которому две жидкости могут встретиться.

В сухом воздухе заряд в банке может сохраняться некоторое время, так как связь между двумя электрическими жидкостями через среду воздуха очень медленная. Иначе обстоит дело, когда в воздухе много влаги, ибо вода — хороший проводник. По этой причине, если вы позволите влаге от вашего дыхания попасть на банку между внешним покрытием и стержнем, банка скоро разрядится, хотя и незаметно, так как влага создает среду связи между внутренним и внешним электричествами.

Fig. 274.

386. Электрический стрелок. — В этом приспособлении (рис. 274) разряд лейденской банки демонстрируется очень красиво. Банка c имеет стержень с двумя ответвлениями. На конце одного из них, B, подвешены бузиновые шарики, вырезанные в форме птиц. На другом находится кнопка, с помощью которой банка может получить свой заряд от главного проводника. После того как она заряжена, ее помещают на подставку так, чтобы ее кнопка b была близко к ружью a металлической фигурки. Подвешенные птицы, вы замечаете, стоят отдельно друг от друга, потому что они заряжены одной и той же жидкостью, положительным электричеством, и поэтому отталкиваются. Теперь, когда цепь e, которая соединена с внешней стороной банки, касается ноги металлической фигурки, устанавливается связь между внутренней и внешней сторонами банки. Конечно, между a и b происходит мгновенная вспышка, и птицы, теряя свое электричество, падают и висят так, как они висели до того, как банка была заряжена.

Fig. 275.

387. Электрическая батарея. — Объединив вместе несколько банок, имеющих внутренние стороны, соединенные вместе, как видно на рис. 275, металлическими стержнями, и внешние стороны, соединенные подобным образом, мы получаем то, что называется электрической батареей. С помощью такого устройства мы можем накопить большое количество электричества, которое может быть разряжено по существу тем же способом, что и в случае с одной банкой.

388. Свет электричества. — Свет, производимый электричеством, не вызван чем-либо вроде горения. Он зависит, очевидно, от сопротивления, которое оказывается его прохождению. Так, когда электрическая жидкость проходит через воздух от главного проводника к кнопке лейденской банки, она вызывает вспышку света, но когда она доходит до кнопки, вспышка прекращается. В чем причина разницы? В обоих случаях она имеет сопротивление воздуха, ибо когда она доходит до кнопки, она проходит по поверхности кнопки и стержня; но в последнем случае она настолько рассеивается при проведении по металлической поверхности, что встречает гораздо меньшее сопротивление со стороны воздуха. С помощью экспериментов с воздушным насосом установлено, что чем плотнее воздух, тем ярче искра; и если электричество пропустить через стеклянный сосуд, из которого воздух был по большей части откачан, мы получаем потоки света, видимые в северном сиянии, которые так поразительно контрастируют с яркими вспышками молнии. В эксперименте (§ 381), в котором слово «свет» создается проходящим электричеством, мы имеем поразительную иллюстрацию производства искры сопротивлением воздуха. Если бы фольга была одной непрерывной поверхностью, электричество рассеивалось бы по ней, не давая никакого света. Только там, где электрическая жидкость должна перепрыгивать через воздух от одной части фольги к другой, виден свет.

389. Звук электричества. — Звук электричества — это своего рода треск или щелчок от внезапного сжатия воздуха быстрым прохождением жидкости. Раскаты грома вызваны эхом первого звука среди облаков. Чем ближе вспышка к нам, тем больше похож на треск ее первый звук, когда он доходит до наших ушей.

390. Механические повреждения от электричества. — Когда большое количество электричества встречает на своем пути какой-либо несовершенный проводник, оно причиняет ему много насилия. Так, оно расщепляет дерево, разбрасывает воду, разбивает стекло и т. д. Были проведены различные эксперименты, иллюстрирующие то, как механические повреждения возникают от электричества. Так, если его заставить пройти через карточку или несколько плотно прижатых друг к другу листов, на каждой стороне образуется заусенец такого характера, который показывает, что две силы, движущиеся в противоположных направлениях, совершили свой проход.

391. Тепло, производимое электричеством. — Электричество всегда производит при своем прохождении некоторое количество тепла, вероятно, своим механическим эффектом. Когда оно рассеивается по большой проводящей поверхности, тепла недостаточно, чтобы быть заметным; но если оно ограничено поверхностью тонкого провода, тепла может быть достаточно, чтобы расплавить или даже сжечь его. Различные эффекты могут быть произведены теплом, вызванным таким образом прохождением электричества. Порох может быть взорван им. Спирт и эфир могут быть легко воспламенены им, особенно последний. Газ иногда можно зажечь, направив палец на открытую горелку после того, как два или три раза быстро пройдешься по комнате, натирая ноги о толстый ковер.

Fig. 276.

392. Открытие Франклина. — Очень рано было высказано предположение, что электричество, производимое электрической машиной, идентично молнии; но было суждено нашему соотечественнику Франклину доказать этот факт. Высокий шпиль, который возводили в Филадельфии в 1752 году, он задумал использовать в своих исследованиях, но до того, как он был завершен, вид детского воздушного змея в воздухе подсказал ему другой план. Он сделал змея, натянув шелковый платок на раму, и запустил его, когда увидел, что поднимается гроза, его единственным спутником был его сын. Подняв змея, он прикрепил к концу пеньковой веревки ключ, а также шелковую ленту, с помощью которой он изолировал свой аппарат, как видно на рис. 276. Теперь он с большой тревогой наблюдал за результатом. Поднялось облако, которое, как он полагал по его виду, было хорошо заряжено электричеством, и все же никакого эффекта не было видно. Франклин начал отчаиваться; но вскоре он увидел, как некоторые свободные волокна пеньковой веревки встали дыбом, и, приложив костяшку пальца к ключу, получил точно такую же искру, какую он часто получал от проводника электрической машины. Открытие было сделано, и Франклин был сразу же охвачен волнением при мысли о бессмертии, которое оно даст его имени. Он чувствовал себя почти так же, как Архимед, когда, сделав одно из своих великих открытий, лежа в ванне, он шел домой, всю дорогу повторяя: «Εὕρηκα! Εὕρηκα!» Слава об открытии, сделанном таким простым и в то же время таким оригинальным способом, распространилась повсюду и побудила к проведению многих экспериментов другими философами. Один из них, профессор Рихман из Санкт-Петербурга, стал жертвой своих исследований. Во время посещения заседания Академии наук он услышал звук далекого грома и поспешил домой, чтобы провести некоторые наблюдения с аппаратом, который он установил. Во время этого заряд электричества выскочил из проводящего стержня и, пронзив его голову, убил его мгновенно. Его помощник, который стоял рядом, был сбит с ног и оставался без чувств некоторое время, а дверь комнаты была сорвана с петель.

393. Громоотводы. — Именно открытие Франклина привело к обычаю прикреплять громоотводы к зданиям. Цель громоотвода — проводить любое электричество в облаке, которое может оказаться над зданием, вниз в землю. Для этой цели стержень должен заканчиваться в воздухе остриями, так как они, как вы видели в § 380, так легко принимают электрическую жидкость. Стержень должен быть отделен от дома деревянными опорами, и он должен проходить так глубоко в землю, чтобы его конец находился среди постоянной влаги. Острия должны быть позолочены, чтобы сохранить их от коррозии, или они могут быть сделаны из серебра или платины. Молния очень склонна спускаться по дымоходам, так как дым — очень хороший проводник; и поэтому хорошо, чтобы стержни проходили по дымоходам, особенно если в них собираются разводить огонь летом. Громоотводы часто, несомненно, приносят пользу, когда нет явного прохождения молнии по ним, тихо и постоянно принимая электричество на свои острия и передавая его вниз в землю.

Fig. 277.

394. Гальваническое или вольтово электричество. — Эту форму или вид электричества я здесь лишь упомяну, оставляя его полное рассмотрение для второй части, где оно уместно принадлежит. История его открытия интересна. Первые проблески гальванизма можно найти в эксперименте, замеченном Зульцером, гражданином Берлина, в 1767 году. Он утверждает, что если кусок цинка положить под язык, а кусок серебра — на него, то при приведении их в контакт ощущается металлический вкус и язык чувствует удар. Зульцер приписал этот эффект некоторому вибрационному движению, вызванному контактом металлов, и, удовлетворившись этим причудливым объяснением, не стал продолжать исследование. Это утверждение вызвало мало внимания, пока другие факты подобного характера не были представлены в 1790 году Гальвани, профессором анатомии в Болонье. Он заметил, что лапки некоторых лягушек, которые были получены для его больной жены, судорожно дергались, когда находились рядом с возбужденной электрической машиной, при прикосновении к нервам ножом. В отличие от примера Зульцера, он был побужден исследовать этот вопрос дальше. Он обнаружил, что эффект производился, когда никакое электричество не передавалось от машины, путем установления связи между нервами и мышцами с помощью некоторых проводников. Например, когда полоска цинка была приведена в контакт с нервом, который идет к нижним конечностям, а полоска меди — в контакт с лапками, при соединении их вместе на другом конце лапки начинали судорожно дергаться, подтягиваясь, как показано на рис. 277 (стр. 306). Но Гальвани не дошел до истинного объяснения. Он предполагал, что это проявление животного электричества, рассматривая мышцы как своего рода лейденскую банку, а нерв — как среду связи с внутренней стороной.

Fig. 278.

395. Вольтов столб. Наблюдения Гальвани вызвали большой интерес в научных кругах, что, разумеется, привело к множеству исследований, наблюдений и экспериментов. Профессор Вольта из Павии продвинулся в поисках верного объяснения дальше Гальвани, связав наблюдаемые эффекты с контактом разнородных металлов. Это привело его к созданию прибора, названного в его честь вольтовым столбом или батареей, целью которого было получение гораздо большего количества электричества, чем можно было получить при контакте всего двух кусков металла. Столб состоит из кружков меди, цинка и ткани, причем ткань смачивается соленой водой. Они располагаются так, как показано на рис. 278. Сначала кладется медный диск, затем на него цинковый, потом тканевый, и так далее в том же порядке; вершина столба заканчивается пластиной из цинка. Если вы коснетесь одного конца столба смоченным пальцем, а другого конца — пальцем другой руки, вы почувствуете удар, подобный разряду лейденской банки. Соединение между двумя концами столба может быть осуществлено с помощью проводов, как показано на рисунке. Впоследствии Вольта изменил конструкцию, создав чашечную батарею, в которой металлические пластины погружались в ряд чашек с раствором серной кислоты в воде. С тех пор время от времени появлялись различные усовершенствования, но принцип устройства всех батарей остается по сути тем же. Хотя Вольта достиг многого, он не пришел к полной истине. Его так называемая «контактная теория», столь долго принимавшаяся за верную, постепенно уступила место правильному объяснению, а именно: вырабатываемое электричество обусловлено химическим действием.

396. Различие между электричеством трения и вольтовым электричеством. Электричество, получаемое при трении в электрической машине, обладает большей интенсивностью, чем электричество вольтовой батареи. Вольтово электричество, напротив, гораздо более обильно, непрерывно и продолжительно. Поскольку оно более стабильно и легче поддается управлению, чем электричество трения, его используют в работе телеграфа.

ГЛАВА XVI. МАГНЕТИЗМ.

397. Магнитный железняк. Много веков назад было обнаружено, что определенная железная руда обладает свойством притягивать куски обычного железа или стали. Поначалу этот факт, вероятно, считался лишь любопытным явлением, и мир не сразу осознал его ценность. Лишь совсем недавно было открыто, что магнетизм является одной из великих сил Земли; и даже сейчас мы, вероятно, мало знаем о реальном масштабе и разнообразии его действия. Несомненно, еще предстоит сделать новые важные открытия относительно природы и законов этой таинственной силы, а также ее связи с другими великими силами природы. Термины «магнит» и «магнетизм» происходят от того факта, что магнитный железняк был впервые найден близ Магнесии, древнего города в Малой Азии. Эта руда встречается в значительных количествах в железных рудниках Швеции и Норвегии, а также в различных частях Аравии, Китая и Сиама. Иногда ее находили в небольших количествах в Англии и в нашей стране.

398. Магнитное притяжение. Притяжение магнита и железа друг к другу проявляется самыми разными способами. Если поднести магнит к кучке железных опилок или иголок, то при поднятии магнита к нему прилипнет их некоторое количество. В детских игрушечных рыбках в голову вделан кусочек железа, благодаря чему рыбки следуют за магнитом. В этом случае можно ясно видеть, что чем ближе магнит и железо находятся друг к другу, тем сильнее притяжение. Действительно, сила притяжения подчиняется тому же закону расстояния, что и обычное притяжение материи, а именно: она обратно пропорциональна квадрату расстояния. Притяжение здесь также взаимно: железо притягивает магнит в той же мере, в какой магнит притягивает железо.

Fig. 279.

 

Fig. 280.

399. Полюса магнита. У каждого магнита есть два полюса. Именно в этих полюсах сосредоточена основная сила. По этой причине, если покатать магнит в железных опилках, они соберутся вокруг его концов, как показано на рис. 279. Притяжение уменьшается от концов к средней линии, которая называется нейтральной линией. Эти полюса называются северным и южным, потому что если подвесить магнит или установить его на опоре (оси) так, чтобы он мог вращаться, он примет направление север-юг, причем один из его концов неизменно будет указывать на север. На рис. 280 изображен магнит, установленный на оси C.

Fig. 281.

400. Магнетизм посредством индукции. Магнит, проявляя свое притяжение, фактически временно превращает в магнит то, что притягивает. Для этого результата не требуется непосредственного контакта. Так, если большой ключ поднести очень близко к мощному магниту, он сможет удерживать маленькие ключи, как показано на рис. 281. Когда ключ убирают от магнита, прикрепленные к нему ключи падают. Вы видите аналогию с индукцией электричества, отмеченной в § 379. Как и при электрической индукции, здесь два конца тела, в котором индуцируется влияние, находятся в противоположных состояниях. Если конец магнита, к которому приближен или прикреплен первый ключ, является северным полюсом, то конец ключа, обращенный к магниту, становится южным полюсом, а его дальний конец — северным. То же самое происходит и с маленьким ключом, прикрепленным к концу большого. И если бы на маленьком ключе висел гвоздь, а на нем игла, то все они обладали бы такой же полярностью. Но все это изменилось бы на противоположное, если бы большой ключ был прикреплен к южному полюсу магнита. В этом случае верхний конец каждого из этих предметов был бы северным полюсом, а нижний — южным.

401. Притяжение и отталкивание у магнитов. Вы видели при индукции, что у магнитов одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но этот закон можно проиллюстрировать еще более наглядно. Если поместить магнит на ось, как на рис. 280, и поднести к нему другой магнит, то в зависимости от способа поднесения проявится либо притяжение, либо отталкивание. Если поднести северный полюс к северному или южный к южному, результатом будет отталкивание. Но если поднести северный полюс к южному или южный к северному, то проявится притяжение.

Fig. 282.

402. Магнитные линии. Полярность магнетизма вызывает весьма своеобразное расположение железных опилок, если их слегка встряхнуть на листе бумаги, лежащем над магнитом, как показано на рис. 282. Некоторые полагали, что наблюдаемые кривые вызваны истечением какой-то жидкости или влияния из магнита в этих определенных направлениях. Но они целиком и полностью объясняются тем, что каждая частица опилок поляризуется частицей, предшествующей ей в ряду, начиная от магнита наружу, причем ближайшая частица в каждом ряду получает свое магнитное состояние от самого магнита. Поскольку это так, и основная сила сосредоточена в концах магнита, легко понять, как возникает такое расположение линий магнитных опилок. Эти кривые можно красиво и необычно варьировать, помещая под бумагу несколько магнитов, расположенных различным образом.

403. Искусственные магниты. Сила, заключенная в магнитном железняке, может быть легко передана, как вы видели, железу и стали. Хотя мягкое железо легче воспринимает магнитное влияние, чем сталь, оно не удерживает его так, как сталь, поэтому последняя используется для изготовления искусственных магнитов. Когда магнит передает свое магнитное влияние, он не теряет собственной силы, будь то природный магнит или искусственный. Существует много способов постоянного намагничивания стали, но я отмечу лишь два из них. Если вы хотите намагнитить стержень или иглу, проведите полюсом магнита от одного его конца до другого значительное количество раз, всегда в одном и том же направлении. Более эффективный способ — взять два магнита и, поместив южный полюс одного и северный полюс другого в контакт над серединой стержня или иглы, медленно и равномерно развести их к противоположным концам. Этот процесс необходимо повторить несколько раз.

 

Fig. 283.

Fig. 284.

404. Подковообразные магниты. Одной из самых распространенных форм магнита является подковообразный магнит, рис. 283. К его концам прикреплен кусок мягкого железа, удерживаемый там силой притяжения. Он называется якорем. Пока он остается на месте, он является магнитом, имеющим два полюса: северный полюс (+) прикреплен к южному полюсу (-) магнита, который его удерживает, в то время как с его южным полюсом дело обстоит наоборот. Цель якоря — сохранить силу инструмента. Действительно, обнаружено, что приложение силы магнита не только сохраняет, но и фактически увеличивает ее. Поэтому, если вы прикрепите к магниту якорь с крючком, как показано на рис. 284, вы сможете постепенно, день за днем, увеличивать вес и тем самым значительно повысить мощность магнита.

405. Магнитная стрелка. Магнитная стрелка — это очень маленький магнит, закрепленный на оси. Поскольку она указывает на север и юг, она очень полезна мореплавателю. Компас мореплавателя представляет собой круглую коробку с такой стрелкой, сбалансированной внутри, и карточкой, на которой нарисован круг, разделенный на тридцать две части, как видно на рис. 285. Изначально компас был грубым приспособлением, состоящим из кусочка магнитного железняка, положенного на пробку, плавающую в воде. Дата и место его первого использования неизвестны.

406. Склонение стрелки. Склонение стрелки — это ее отклонение от линии север-юг. Сравнительно в немногих частях земной поверхности нет отклонения от этой линии к востоку или западу. Выражение «верный, как стрелка к полюсу» стало пословицей, и когда оно было впервые произнесено, предполагалось, что оно основано на строгой истине; но современные исследования показали не только то, что стрелка меняет свое направление в разных местах, но и то, что она в некоторой степени меняет свои отклонения. Склонение стрелки было впервые замечено Колумбом во время его первого путешествия, и это вызвало большую тревогу среди моряков, которые, как отмечает Ирвинг, «думали, что законы природы меняются и что компас вот-вот потеряет свою таинственную силу». Несмотря на эти и другие подобные наблюдения, до середины XVII века склонению стрелки не придавали большого значения. Но с тех пор были составлены обширные записи о ее склонениях в разных местах, а также таблицы и карты, отображающие их. Эти склонения не постоянны, а несколько меняются каждый день, предположительно под влиянием Солнца на Землю.

Fig. 285.

407. Наклонение стрелки. Установлено, что в большинстве частей Земли, если стрелку сбалансировать до намагничивания, а затем подвесить за ту же точку, она не будет сбалансирована, а один из ее концов наклонится вниз. Этот факт был открыт Норманом, лондонским оптиком, в 1576 году. Он обнаружил, что наклонение в Лондоне направлено к северу под углом 72°. В ходе дальнейшего исследования этого явления выяснилось, что при движении с севера к экватору наклонение постоянно уменьшалось, пока не достигалась точка, где стрелка становилась горизонтальной. Затем, при движении к югу от этой точки, происходило обратное наклонение — южного полюса, и чем дальше на юг перемещалась стрелка, тем больше было наклонение. На севере капитан Росс в 1832 году достиг местности к северу от Гудзонова залива, на 70° 5' с.ш. и 96° 45' з.д., где свободно подвешенная магнитная стрелка занимала вертикальное положение. Подобной местности вблизи южного полюса пока не обнаружено.

408. Земля как магнит. Из всего сказанного о магнитной стрелке можно легко понять, что Земля является магнитом или содержит в себе нечто, что каким-то образом действует как таковой. Наклонение стрелки показывает, что два полюса этого магнита находятся где-то вблизи северного и южного полюсов Земли. Местность, которую нашел капитан Росс, должна находиться вблизи северного полюса магнита в той части света. Вертикальное положение стрелки там аналогично прямым линиям железных опилок, которые вы видите на рис. 282 вблизи полюсов магнита; также легко проследить аналогию между наклонением стрелки на разных расстояниях от так называемого магнитного экватора Земли, где стрелка горизонтальна, и кривыми, которые, как вы видите, простираются от полюса к полюсу. Различные склонения стрелки и различная интенсивность магнитной силы в разных местах, соответствующих широте, показывают, что магнит внутри Земли, если он существует, имеет неправильную форму или его сила каким-то образом сильно варьируется в разных частях земной коры.

409. Земля как намагничивающее тело. Поскольку Земля действительно является магнитом, можно ожидать, что она будет передавать магнетизм посредством индукции, как это делают другие магниты. И это действительно так. Если держать стержень из мягкого железа в направлении наклонения стрелки, он становится магнитом, причем его нижний конец является северным полюсом, а верхний — южным. В этом можно убедиться, поднеся маленькую магнитную стрелку к каждому концу. Никакого эффекта такого рода не происходит, если стержень держать горизонтально с востока на запад. Молниеотводы, кочерги, вертикальные железные прутья в оградах и т. д. часто оказываются намагниченными, потому что они долгое время находились почти в нужном для намагничивания положении. Когда железный стержень был намагничен указанным способом, его магнетизм иногда можно зафиксировать ударом молотка. Любопытный, но необъяснимый факт заключается в том, что эта вибрация частиц железа оказывает такой эффект. Но хотя такая вибрация помогает передать магнетизм, она совсем не способствует его удержанию, ибо магниты всегда портятся от ударов или падений, или вообще от любого грубого обращения. По этой причине требуется осторожность при снятии якоря с магнита. Если его оторвать резко, сила магнита уменьшается.

410. Магнетизм в других веществах, кроме железа. Раньше предполагалось, что магнетизм ограничен железосодержащими веществами, но это оказалось неверным. Различные минералы обладают магнитными свойствами, особенно после нагревания, а также некоторые драгоценные камни и даже кремнезем, который в большом количестве входит в состав некоторых горных пород Земли. И некоторые полагают, что будущие исследования покажут, что влияние магнетизма в Земле столь же обширно, как и влияние электричества.

411. В чем магнетизм подобен электричеству. Магнетизм подобен электричеству в нескольких отношениях: 1. Его сила проявляется на поверхности тел. 2. Он бывает двух видов: северный и южный, или бореальный и австральный, что сравнимо с положительным и отрицательным электричеством. 3. К обоим применим один и тот же закон притяжения и отталкивания, а именно: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются. 4. Как электричество может передаваться посредством индукции, так и магнетизм.

412. В чем магнетизм не похож на электричество. Обстоятельства, в которых магнетизм не похож на электричество, в основном следующие: 1. Очевидные проявления магнетизма в значительной степени ограничены одним классом веществ — железосодержащими, и лишь их частью; в то время как электричество проявляется в связи со всеми видами веществ. 2. Магнетизм никогда не передается, как электричество, от одного тела к другому, но тело скорее приобретает, чем теряет, передавая магнитную силу другим телам. 3. Два магнетизма, бореальный и австральный, нельзя получить отдельно, как два электричества. Если разломить магнит пополам, каждый кусок будет содержать в себе оба магнетизма и оба полюса, как и целое. Это находится в полном противоречии с электрическим экспериментом, упомянутым в конце § 379. 4. Не существует непроводников, прерывающих магнитное влияние. Если в экспериментах в § 379 между A и B поместить пластину из стекла или смолы, влияние прекратится, но это не окажет никакого эффекта на индукцию магнетизма, если поместить ее между магнитом и куском стали или железа.

413. Электромагнетизм. Хотя электричество и магнетизм так сильно отличаются друг от друга, они имеют тесные связи, и сейчас среди ученых бытует общее мнение, что они являются лишь разными формами одной и той же силы. Магнетизм может порождать электричество, а электричество может порождать магнетизм. Первое открытие фактов, раскрывающих эту связь, было сделано профессором Эрстедом из Копенгагена в 1819 году. С тех пор электромагнетизм, или получение магнетизма с помощью электричества, стал важным предметом наблюдений и экспериментов. Первое наблюдение Эрстеда состояло в том, что электрический ток, проходящий по проводу рядом с магнитной стрелкой, влиял на положение стрелки. Он также обнаружил, что железные опилки прилипают к проводу, по которому проходит электрический ток, точно так же, как к магниту, однако осыпаются, как только ток перестает проходить. Такие факты привели к большому разнообразию исследований и компоновок аппаратуры Эрстедом и другими.

 

Fig. 286.

Fig. 287.

414. Электромагниты. Самые мощные электромагниты изготавливаются путем сгибания толстого цилиндрического стержня из мягкого железа в форме подковы, A B, рис. 286, и наматывания на него медной проволоки. Проволока должна быть изолирована путем обмотки каким-либо непроводящим материалом, например шелком, чтобы электрический ток мог проходить по всей длине проволоки. С таким подготовленным инструментом, если соединить два конца проволоки с полюсами работающей вольтовой батареи, стержень намагнитится и будет удерживать тяжелый груз до тех пор, пока электрический ток проходит по проволоке. Как только ток прерывается путем отсоединения проводов, груз падает. Электромагниты, изготовленные таким образом, обладали силой, способной выдержать вес в четыре тысячи фунтов. На рис. 287 мы представили аппарат, который очень наглядно демонстрирует электромагнетизм. Мягкое железо, как видите, состоит из двух частей, которые при соединении образуют кольцо, d, и каждая часть имеет ручку. Если соединить части с катушкой c в положении, показанном на рисунке, то при подключении проводов P и N к работающей батарее сцепление становится настолько сильным, что сопротивляется большой силе; но как только соединение разрывается, части немедленно разъединяются.

415. Электрический телеграф. Самое замечательное и полезное применение электромагнетизма мы имеем в электрическом телеграфе. Как было сказано ранее, используется вольтово электричество. Оно генерируется в месте, откуда отправляется сообщение, и проходит по проводу к месту, где сообщение принимается. Там оно воздействует на мягкое железо, проходя через катушку из проволоки, создавая измененную силу, называемую электромагнетизмом. Я сделаю все это понятным для вас, описав машину, используемую в телеграфе Морзе, рис. 288. W W — это провода, которые соединяются со станцией, от которой должно быть получено сообщение, и они соединяются с медной проволокой, намотанной вокруг подковы из мягкого железа, m m. Над магнитом находится рычаг, a l, который работает на точке опоры d. К одному концу этого рычага прикреплен стальной наконечник s. В точке c находится механизм с колесиками, цель которого — равномерно пропускать полоску бумаги p в направлении стрелок. Понаблюдайте теперь, как работает аппарат. Когда электрический ток проходит через намотанную медную проволоку, он превращает железо m m в магнит. Поэтому рычаг a l притягивается концом a вниз. Конечно, конец l движется вверх, прижимая стальной наконечник s к бумаге, где он оставляет отметку. Длина этой отметки зависит от того, как долго электричеству позволено проходить по намотанной проволоке, ибо в тот момент, когда оно отключается, m m перестает быть магнитным, «якорь» a, больше не притягиваемый, движется вверх, а другой конец l рычага движется вниз, отводя наконечник s от бумаги.

Fig. 288.

Fig. 289.

Чтобы делать на бумаге отметки разной длины, существует приспособление для регулирования продолжительности времени, в течение которого ток должен проходить через намотанную проволоку. Это приспособление, называемое сигнальным ключом, представлено на рис. 289. N и P — две латунные полоски, соединенные с двумя проводами R и M, из которых M идет от батареи. Конец полоски N приподнят немного выше конца P. Пока они не соприкасаются, цепь не замкнута и электричество не проходит. Но если оператор нажмет N на P, цепь замыкается, и электричество проходит на станцию, с которой он поддерживает связь, и там воздействует на аппарат, показанный на рис. 287. Теперь, чем дольше палец нажимает N на P, тем длиннее будет отметка на бумаге на удаленной станции. Таким образом, оператор в Нью-Йорке, например, управляет с помощью этого ключа длиной отметок, сделанных на бумаге в Нью-Хейвене или любом другом месте, с которым он общается.

Вы можете легко увидеть, как можно составить телеграфный алфавит с помощью комбинаций отметок разной длины, согласованных для обозначения разных букв и цифр. Я привожу алфавит, используемый в связи с телеграфом Морзе:

A — ——

B —— — — —

C — — —

D —— — —

E —

F — —— —

G —— —— —

H — — — —

I — —

J —— — —— —

K —— — ——

L ————

M —— ——

N —— —

O — —

P — — — — —

Q — — —— —

R — — —

S — — —

T ——

U — — ——

V — — — ——

W — —— ——

X — —— — —

Y — — — —

Z — — — —

Numerals.

1 — —— —— —

2 — — —— — —

3 — — — —— —

4 — — — — ——

5 —— —— ——

6 — — — — — —

7 —— —— — —

8 —— — — — —

9 —— — — ——

0 ———————

Одна из самых необычных и интересных вещей в работе телеграфа еще не была отмечена. Чтобы электричество работало, необходимо иметь соединение между полюсами батареи в точке, где должен быть произведен эффект. Вы видите это в экспериментах, представленных на рис. 286 и 287. То же самое верно и для электромагнита телеграфа. Поскольку это так, сначала думали, что необходимо иметь два провода, соединяющих две общающиеся станции; но выяснилось, что нужен только один провод, так как сама Земля выполняет ту же функцию, что и другой провод. Чтобы сделать связь через Землю эффективной, на каждой станции имеется металлическая пластина с поверхностью в несколько квадратных футов, закопанная в землю, с проводом, идущим вверх к машине.

ВОПРОСЫ.

[Учителя сильно различаются в своих планах проведения опросов. Некоторые очень детально подходят к своим вопросам; в то время как другие впадают в другую крайность и просто называют темы, ожидая, что ученики полностью изложат то, что о них сказано. Ни один из этих планов не следует принимать исключительно, но способ опроса должен время от времени значительно варьироваться. Это разнообразие в некоторой степени предусмотрено в вопросах, которые я подготовил, хотя ни в коем случае вопросы не являются такими детальными, какими они должны быть время от времени у учителя. Цифры относятся к страницам.

Было бы хорошо, если бы ученики рисовали многие из рисунков на классной доске, а затем отвечали по ним. Рисуя сначала самые простые фигуры, можно приобрести достаточный навык, чтобы позволить ученику рисовать те, которые довольно сложны.]

ГЛАВА I.

13. Что говорится о различии между материей и духом? Что об идеях епископа Беркли? Что о Юме?

14. Каково происхождение слова «дух»? Каково отношение чувств к духу? Что говорится о воздействии материи на чувства? Каковы формы материи?

15. Проиллюстрируйте разницу между упругими и неупругими жидкостями. Что говорится о соединении частиц твердого тела? Укажите разницу, отмеченную между различными твердыми телами. Чем жидкость отличается от твердого тела? Приведите в особенности то, что сказано о воде.

16. Что говорится о частицах газообразных веществ? Что об атмосфере? Что о паре в ней? Что говорится о проникновении жидкостей и газов в промежутки? Что о смешивании газов с жидкостями? Приведите иллюстрацию в отношении рыб.

17. Что говорится о растворении твердых тел в жидкостях? Что об испарении воды в воздухе? Проиллюстрируйте влияние тепла на формы материи. Что говорится о термометре? Что о ртути, воде и железе в отношении жидкого состояния? Что говорится о нашем знании материи?

18. Каково было предположение Ньютона о составе материи? Что говорится об изменениях материи? Что такое невесомые агенты и почему они так называются?

ГЛАВА II.

19. Что говорится о разнообразии свойств материи? Что о делимости материи?

20. Что говорится о сусальном золоте и о проволоке золотого кружева? Что о мыльном пузыре? Что о нити шелкопряда и о паутине паука? Что о растворе медного купороса? Что о запахах?

21. Что говорится о пыли дождевика? Что о пыльце? Что о пыли, стертой с крыла мотылька? Что о гуано? Что о глазировании визитных карточек? Что о миниатюрности некоторых животных?

22. Что говорится о Божестве в отношении мельчайших животных? Что говорится о веществах, называемых пористыми? Что о тех, в которых нет видимых пор? Какое есть доказательство того, что все вещества имеют в себе промежутки?

23. Что говорится о количестве пространства в газах и парах? Приведите утверждение в отношении пара. Что говорится о растворах твердых тел в жидкостях? Что об испарении? Что о распространении запахов в воздухе?

24. Каково отношение тепла к пространству в материи? От чего зависят плотность и разреженность? Объясните вязкость (прочность). Что говорится об этом свойстве в газах и жидкостях?

25. Как определяется сравнительная вязкость (прочность) веществ? Приведите сравнительную вязкость различных веществ. Какие животные вещества обладают большой вязкостью? Что говорится о ценности вязких веществ?

26. Что говорится о твердости? Что о гибкости и хрупкости?

27. Приведите примеры гибкой и хрупкой стали. Объясните фактическую разницу между ними. Объясните отпуск стали.

28. Что говорится об отжиге стекла? Что о каплях принца Руперта? Какие металлы наиболее ковки? Какие наиболее пластичны?

29. Что говорится о пластичности расплавленного стекла? Что об изменении положения частиц при изготовлении пластин и проволоки из металлов? Что о сварке? Что говорится о сжимаемости? Что о несжимаемости жидкостей?

30. Какое влияние оказывает тепло на объем жидкостей? Проиллюстрируйте на примере термометра. Что говорится о сжимаемости газов? Как действует упругость в случае мяча из индийской резины?

31. Приведите иллюстрацию в отношении прыжков. Опишите эксперимент с шаром из слоновой кости. Что говорится о движениях частиц друг относительно друга в упругих веществах? Что о степенях упругости в различных веществах?

32. Каково определение упругости? Что говорится о полезности разнообразия свойств материи?

ГЛАВА III.

33. Что подразумевается под протяженностью как свойством материи? Проиллюстрируйте тот факт, что это существенное качество. Что говорится о нем применительно к воздуху?

34. Проникает ли материя когда-нибудь в материю? Приведите иллюстрацию, представленную на рис. 6. Приведите ту, что представлена на рис. 7.

35. Опишите устройство водолазного колокола. Приведите сравнение между пулями и иглами в отношении проникновения. Что говорится о растворении? Что о запахах?

36. Что такое свойство материи, называемое инерцией? Приведите примеры. Проиллюстрируйте тот факт, что материя не имеет силы остановить свое собственное движение. Какова причина того, что популярное мнение гласит, что материя более склонна к покою, чем к движению?

37. Что говорится о вечном двигателе? Почему неверно, что делимость является существенным свойством материи? Что говорится о весе?

ГЛАВА IV.

38. Что говорится о природе притяжения? Какова была идея Ньютона о нем?

39. Что говорится о притяжении в твердых телах? Что о его различных способах действия? В чем разница в притяжении в случае стали и воды? Что говорится о свободе, с которой частицы жидкости движутся друг среди друга?

40. Объясните рис. 9. Объясните рис. 10.

41. В чем разница между ртутью и водой в отношении шарообразной формы? Что говорится о каплях воды на листьях?

42. Что говорится о масле в отношении притяжения? Опишите и объясните производство дроби. Что говорится о шарообразной форме Земли и небесных тел?

43. Что говорится о кристаллизации? Укажите приведенные примеры. Что говорится о кристаллизации воды? Приведите и объясните пример внезапной кристаллизации.

44. Что говорится об узорах инея? Что о снеге?

45. Что говорится в отношении снежных кристаллов арктических регионов? Что говорится о порядке в природе? Почему вы не можете заставить поверхности разбитого стекла прилипнуть?

46. Объясните склеивание стекла. Что говорится об адгезии кусков индийской резины? Опишите и объясните эксперимент с пулями и свинцовыми шарами. Как можно заставить серебро и золото прилипнуть к железу? Что говорится об адгезии олова и свинца? Что об адгезии оконных стекол?

47. От чего зависит сила адгезии? Проиллюстрируйте действие тепла в содействии адгезии. Приведите знакомые примеры притяжения между твердыми телами и жидкостями. Объясните эксперимент, представленный на рис. 15.

48. Что говорится о стеблях в стоячей воде? Объясните рис. 16, 17 и 18.

49. Объясните рис. 19. Объясните подъем жидкостей в трубках с помощью рис. 20.

50. Что подразумевается под капиллярным притяжением? Приведите знакомые примеры подъема жидкостей в промежутках.

51. Опишите и объясните процесс добычи жерновов. Чем промокательная бумага отличается от писчей?

ГЛАВА V.

51. Что такое притяжение сцепления? Приведите примеры притяжения между массами или частями материи.

52. Объясните падение камня на землю. Проиллюстрируйте тот факт, что притяжение взаимно. Приведите иллюстрацию с кораблем и лодкой полностью.

53. Проиллюстрируйте пропорцию между взаимными движениями притягивающихся тел. Приведите расчет в отношении движения Земли при притяжении меньших тел.

54. Что говорится об универсальности притяжения? Объясните приливы. Что говорится о притяжении Луны к суше? В чем разница между притяжением сцепления и притяжением гравитации? Почему слово «гравитация» используется таким образом? Что такое земная гравитация?

55. Объясните рис. 22. Объясните рис. 23. Что говорится о веществах, подвешенных в разных частях Земли?

56. Объясните рис. 24. Что говорится о отвесах?

57. Что такое вес? Приведите сравнение в отношении мышечной силы. Что говорится о весах и гирях? Что об использовании пружин при взвешивании?

58. Каков был бы эффект для веса, если бы плотность Земли увеличилась? Какими способами это было бы замечено? Что говорится об изменении веса с расстоянием?

59. Что говорится о разнице веса на горах и в долинах? Что о весе на Луне? Что о нем на Солнце? Что говорится о различных способах притяжения?

60. Покажите, почему притяжение сцепления кажется отличным от гравитации. Покажите теперь, что оно на самом деле не отличается. Что говорится об эксперименте с двумя пулями, упомянутом в § 66? Что об адгезии жидкостей к твердым веществам?

61. Что говорится о различных результатах притяжения? Объясните полностью, почему вы можете налить воду из кувшина легче, чем из стакана.

62. Объясните действие быстрого движения, с помощью которого вы предотвращаете стекание воды по стороне стакана при наливании. Что говорится о падении из флакона? Как ограничивается размер капель? Что говорится о движениях капель на оконных стеклах?

63. Почему капли разных жидкостей различаются по размеру? Приведите иллюстрацию с мелом. Приведите ту, что с пылью. Объясните рис. 27 и 28.

64. Объясните рис. 29. Что говорится о разнице в размерах между водными и наземными животными?

65. Приведите иллюстрацию в отношении деревьев. Приведите ту, что в отношении гор. Что говорится о горах Луны? Что о горах Юпитера? Приведите иллюстрации в § 93 нарушения принципов, которые были разъяснены.

66. В чем разница между притяжением, рассматриваемым в натурфилософии, и химическим притяжением?

ГЛАВА VI.

67. Покажите, что мы подразумеваем под центром тяжести с помощью рис. 30, 31 и 32.

68. Дайте определение центра тяжести и объясните его. Что показано на рис. 33?

69. Как мы можем найти центр тяжести тела? Что говорится о весах и безменах?

70. Укажите, что представлено на рис. 38. Проиллюстрируйте тот факт, что центр тяжести всегда стремится к самой низкой точке.

71. Приведите иллюстрации лошадки-качалки, качелей и т. д. Что говорится о камнях Лаггана? Почему яйцо лежит на боку?

72. Приведите иллюстрации из игрушек в § 101. Приведите иллюстрации в § 102.

73. От каких двух вещей зависит устойчивость тела?

74. Что говорится об устойчивости тел, формы которых представлены на рис. 48, 49 и 50? Что об устойчивости круглого шара? Почему пирамида является самой прочной из всех структур?

75. Каково отношение вертикального положения к устойчивости? Что утверждается о Пизанской башне?

76. Приведите знакомые иллюстрации в § 105. Что говорится о поддержке центра тяжести у животных?

77. Что говорится о навыке, проявляемом при ходьбе? Что о способе ходьбы у ребенка? Что о движениях центра тяжести при ходьбе?

78. Что говорится о ходьбе человека с деревянными ногами? Проиллюстрируйте управление центром тяжести в разных позах. Опишите и объясните способ, которым человек встает со стула.

79. Изложите и объясните случай с пари. Что говорится о неустойчивом равновесии? Приведите примеры.

ГЛАВА VII.

80. Что говорится о явлениях, рассматриваемых в гидростатике? Каковы две характеристики жидкостей? Что заставляет жидкость иметь ровную поверхность? Дайте объяснение. Приведите сравнение с дробью.

81. Что говорится о воде как о зеркале? Покажите, что поверхность жидкости не является строго ровной. Если бы на Земле не было возвышенностей суши, почему она имела бы идеально шарообразное покрытие из воды?

82. Что такое так называемая идеально ровная поверхность? Каково отклонение на милю от реального уровня? Опишите ватерпас. Приведите сравнение между желобом и рекой.

83. Что говорится об уклоне рек? Как были сделаны некоторые реки? Что утверждается в отношении реки Дунай?

84. Что утверждается о Женевском озере? Опишите устройство шлюзов канала.

85. Как каналы используются для работы механизмов? Приведите различные иллюстрации стремления воды быть на одном уровне.

86. Опишите устройство, представленное на рис. 71, и дайте объяснение.

87. Опишите план глупого человека для вечного двигателя и назовите причину его неудачи. Что говорится о древних и современных акведуках?

88. Объясните работу источников и артезианских колодцев.

89. Откуда происходит название «артезианский»? Что утверждается о колодце в Париже? Что о расположении Лондона? Почему давление жидкости пропорционально ее глубине? Приведите иллюстрации этого, упомянутые в § 122.

90. Объясните рис. 75.

91. Что говорится о строительстве плотин и пивоваренных чанов? Объясните боковое давление жидкостей. Покажите разницу между жидкостью и твердым телом в этом отношении.

92. Покажите, как притяжение Земли вызывает боковое давление с помощью рис. 77 и 78. Приведите взгляд, представленный в § 124.

93. Что говорится о предложенном судоходном канале между Средиземным и Красным морями? Покажите, что давление в жидкостях одинаково во всех направлениях.

94. Приведите иллюстрации в § 126. Покажите, что восходящее давление в жидкости зависит от глубины и что оно создается гравитацией.

95. Изложите эксперимент, представленный на рис. 82. Приведите эксперимент с трубкой и индийской резиной.

96. Укажите примеры больших эффектов, производимых малыми количествами жидкости. Объясните эти эффекты с помощью рис. 83.

97. Объясните рис. 84.

98. Что такое гидростатический парадокс и почему он так называется? Опишите и объясните гидростатические мехи.

99. Опишите и объясните гидростатический пресс Брама.

ГЛАВА VIII.

100. Дайте определение удельного веса.

101. Какой самый очевидный способ определения удельного веса различных жидкостей? Объясните погружение тяжелых веществ в воду. Объясните всплытие легких веществ в воде. Объясните то, что проиллюстрировано на рис. 87.

102. Объясните рис. 88. Объясните рис. 89.

103. Приведите иллюстрации в § 138: поднятие камня; поднятие ведра; и поднятие руки в ванне. Расскажите анекдот об Архимеде. Что говорится о лодках и спасательных шлюпках? Что об оценке веса груза в барже?

104. Что говорится об удельном весе птиц? Насекомых? Рыб? Что об удельном весе человеческого тела и о предотвращении утопления?

105. Приведите причины, почему так много людей тонет, которых можно было бы легко спасти?

106. Что утверждается о детях в Китае? Почему тело утонувшего человека тонет? Почему оно через некоторое время всплывает? Что говорится о хождении вброд по рекам?

107. Объясните способ, которым можно определить удельный вес твердого тела? Приведите эксперимент со взвешиванием воды. Что утверждается об Архимеде и короне?

108. Опишите и объясните ареометр. Расскажите анекдот о китайцах. Что говорится о продаже молока в Швейцарии?

109. Что говорится о центре тяжести в плавающих телах? Приведите иллюстрации.

ГЛАВА IX.

110. Чему учит пневматика? Как вы можете показать, что воздух материален? Как то, что он имеет вес? Каков его вес по сравнению с весом воды?

111. Что говорится о том, что воздух притягивается Землей? Объясните, почему одни вещи поднимаются, а другие падают в воздухе. Насколько толсто воздушное покрытие Земли?

112. Как определяется высота атмосферы? С какой скоростью Земля движется вокруг Солнца? Как она увлекает за собой воздух? Укажите влияние, которое гравитация оказывает на плотность воздуха на разных высотах.

113. Приведите сравнение воздуха с шерстью. Что говорится о водороде и воздушных шарах? В чем газы и жидкости похожи, и каковы результаты этого сходства? Какова величина давления атмосферы на каждый квадратный дюйм поверхности? Приведите расчеты в отношении этого давления.

114. Покажите, почему большое давление воздуха не производит разрушительных эффектов. Опишите воздушный насос.

115. Объясните с помощью рис. 95 план и работу воздушного насоса.

116. Укажите некоторые эксперименты с воздушным насосом. Как вы можете доказать, что воздух, как и вода, давит одинаково во всех направлениях? Укажите сравнение про рыбу.

117. Что говорится о магдебургских полушариях? Приведите эксперимент с ртутью. Объясните работу детской присоски.

118. Приведите утверждения о присоскоподобных устройствах у животных. Укажите эксперимент с мочевым пузырем и грузом. Приведите эксперимент с мешком из индийской резины.

119. Укажите эксперимент с яйцом. Объясните работу гидростатического шара.

120. Объясните работу картезианского водолаза. Что говорится о присутствии воздуха в различных веществах?

121. Что говорится об упругости воздуха? Опишите и объясните конденсатор.

122. Опишите и объясните газометр. Покажите, как работает пневматическое ружье. Объясните хлопушку.

123. Объясните работу пороха. Объясните работу пара. Что говорится о замедлении сжатым воздухом в артиллерии?

124. Опишите и объясните то, что представлено на рис. 113. Объясните сбор газов в пневматической ванне.

125. Объясните эксперимент, представленный на рис. 115. Что говорится о врезке в бочку? Что вызывает булькающий звук, когда жидкость наливается из бутылки? Какой высоты столб воды выдержит давление атмосферы? Как вы находите из этого давление воздуха на каждый квадратный дюйм поверхности? Какой высоты столб ртути выдержит атмосфера?

126. Объясните устройство барометра. Расскажите случай, приведенный доктором Арнотом.

127. Почему водяной барометр не подошел бы? Что говорится о барометре как об измерителе высоты? Как атмосферное давление влияет на точку кипения? Опишите опыт с эфиром.

128. Опишите опыт с колбой. Что произошло бы с жидкостями, если бы атмосфера была удалена от Земли? Объясните действие сифона по рис. 117.

129. Объясните, что изображено на рис. 118.

130. Объясните применение сифона. Объясните действие «Чаши Тантала».

131. Как объясняется существование периодических источников? Объясните действие обычного насоса.

132. Почему вода поднимается в насосе? Как осуществляется всасывание? Объясните действие нагнетательного насоса.

133. Объясните устройство пожарной машины.

ГЛАВА X.

134. Что говорится об универсальности движения? Что говорится о притяжении как о причине движения? Что о теплоте? Что о химических агентах? Что о жизни?

135. Что значит утверждение, что действие и противодействие равны? Приведите иллюстрации этой истины, которые здесь даны. Опишите мельницу Баркера.

136. Приведите сравнения с действием пружины, выстрелом из пушки и выбросом камней из кратера вулкана. Что говорится о прыжке человека с земли?

137. Что говорится о противодействии в случае прыгающей птицы? Проиллюстрируйте инерцию материи, как она проявляется при передаче движения. Приведите иллюстрации того факта, что для передачи движения телам требуется время.

138. Приведите иллюстрации инерции, проявляющейся в стремлении движения продолжаться.

139. Опишите и объясните конный трюк, изображенный на рис. 127. Что говорится о мастерстве прыжка с движущейся повозки? Расскажите случай в суде, который здесь приводится.

140. Что говорится о траектории тел, брошенных в воздух? Что о человеке, падающем с верхушки мачты?

141. Что говорится об атмосфере, вращающейся вместе с Землей? Каким быстрым движениям мы подвергаемся, когда считаем себя находящимися в покое? Почему мы не ощущаем этих движений?

142. Проследите полностью сравнение с пароходом. В чем разница между абсолютным и относительным движением? Что говорится об абсолютном покое?

143. Проиллюстрируйте истину о том, что все движения, видимые глазу, являются лишь незначительными отклонениями от общих абсолютных движений. Каковы препятствия для движения? Как уничтожается движение камня, брошенного вверх? Что вызывает и что препятствует его падению?

144. Изложите и объясните опыт со свинцом и пером. Объясните действие водяного молота. Покажите связь объема с сопротивлением жидкостей и газов.

145. Проиллюстрируйте связь объема с движением твердых тел, вызванным движущимися газами и жидкостями.

146. Что говорится о противодействии гравитации воде и воздуху при перемещении твердых тел? Какую разницу в отношении силы к скорости создает наличие препятствий?

147. Сформулируйте закон отношения силы к скорости и проиллюстрируйте его рис. 136. Каковы некоторые практические применения этого закона? Что говорится об отношении формы к скорости? Что говорится о форме рыб?

148. Что говорится о форме лодок? Что об использовании перепончатых лап водоплавающих птиц? Что о крыльях птиц? Что говорится о трении как о препятствии для движения? Что о нем как о причине движения? Подробно проиллюстрируйте на примере колеса.

149. Что говорится о трении жидкостей в трубках? Каков эффект резких поворотов в трубах? Каково расположение артерий в головах пасущихся животных? Проиллюстрируйте разницу трения в малых и больших трубах рис. 131.

150. Что говорится о влиянии трения в ручьях и реках? В какой части потока вода движется наиболее быстро? Объясните образование и разрушение гребня волн, катящихся по берегу. Что говорится о скорости рек, на которую влияет трение? Объясните образование волн.

151. Что на самом деле продвигается вперед при движении волны? Приведите упомянутое сравнение. Что говорится о высоте волн?

152. Что такое количество движения? От каких двух вещей оно зависит? Проиллюстрируйте эту зависимость. Объясните рис. 133.

153. Приведите иллюстрацию с мушкетной пулей и пушечным ядром. Приведите пример с доской. Со свечой. С воздухом.

154. Что говорится о выражении «количество движения»? При каких обстоятельствах единичный импульс может создать большую скорость? Какие примеры у нас есть? Как обстоят дела с движениями, которые мы видим вокруг себя? Что говорится о падении тел на Землю?

155. Приведите примеры мышечного действия. Приведите пример со стрелой. С порохом. Что говорится об остановке больших скоростей? Приведите иллюстрации в отношении пушечных ядер.

156. Изложите и объясните трюк с наковальней. Приведите примеры из обычных усилий и работ.

157. Объясните передачу движения в случае упругих тел с помощью рис. 133 и 134. Что говорится об отражении движения?

158. Что говорится о равномерности движения? Что о его равномерности по скорости? Укажите, с помощью каких средств мы производим расчеты времени.

159. Что говорится о солнечных часах? Что о песочных часах? Что о Галилее и маятниках? Объясните действие маятника.

160. Объясните рис. 137. Объясните действие маятника «гридирон» по рис. 138.

161. Что говорится о стремлении движения быть прямолинейным? Почему движение никогда не бывает прямолинейным, насколько нам известно? Как мы можем сделать движение очень близким к прямолинейному? Полностью приведите иллюстрацию с пулей.

162. Приведите иллюстрацию, представленную на рис. 141. Что такое сложное движение? Проиллюстрируйте прямолинейное сложное движение.

163. Объясните рис. 143.

164. Объясните, что изображено на рис. 144, 145 и 146.

165. Объясните рис. 147. Как создается криволинейное движение? Приведите иллюстрацию с шаром и веревкой. Что такое центробежная и центростремительная силы?

166. Что представляют собой эти две силы при вращении Земли вокруг Солнца? Приведите различные иллюстрации действия центробежной силы.

167. Что говорится об образовании изгибов в реках?

168. Покажите, как образуются водовороты. Как центробежная сила используется в гончарном искусстве? Как при изготовлении оконного стекла?

169. Опишите и объясните действие парового регулятора.

170. Что говорится о роли центробежной силы в формировании Земли?

171. Объясните действие аппарата, изображенного на рис. 154. Какие силы действуют на снаряд? Что говорится о ядрах, брошенных горизонтально из пушек с разными скоростями?

172. Покажите на рис. 155, почему ядро, выпущенное из дула пушки, упадет на землю за то же время, что и ядро, брошенное из него. Какими двумя силами приводится в действие падающее тело?

173. Объясните рис. 156. Какова траектория ядра, брошенного с железнодорожного вагона или с верхушки мачты? Приведите сравнение между пушечным ядром и Луной.

174. Что говорится о скоростях небесных тел?

ГЛАВА XI.

174. Что такое механические силы? Почему термин «сила» не совсем корректен?

175. Объясните термины «сила», «вес» и «точка опоры». Что говорится об использовании рычага? Что такое рычаг первого рода? Что говорится о его силе?

176. Что говорится о весах? Что о безмене?

177. Приведите примеры рычага первого рода. Покажите на рис. 159, что в этом рычаге нет выигрыша в силе.

178. Приведите иллюстрацию с качелями. Что говорится о рычаге Архимеда?

179. Укажите аналогию между этим рычагом и гидростатическими мехами, прессом Брама и т. д. Что такое рычаг второго рода? Примените к нему правило равновесия. Покажите, как обычная тачка является рычагом этого рода.

180. Приведите другие примеры рычага второго рода. Что такое рычаг третьего рода? Чем он отличается от двух других видов? Примените к нему правило равновесия.

181. Приведите примеры рычага третьего рода. Покажите, как он действует с механическим невыигрышем в различных упомянутых примерах. Полностью изложите то, что говорится о мышечном действии.

182. Объясните по рисункам действие сложных рычагов.

183. Укажите сравнение между рычагом и колесом с осью. Что говорится об обычном вороте?

184. Опишите и объясните кабестан. Каковы его основные применения? Что говорится о фузее часов?

185. Опишите устройство неподвижного блока. Каковы его применения?

186. Опишите устройство подвижного блока. Покажите, как оценивается отношение силы к весу в случае сложных блоков.

187. Объясните механическое преимущество наклонной плоскости. Приведите ее примеры.

188. Что говорится о дорогах? Приведите сравнение клина с наклонной плоскостью. Как оценивается сила клина? Приведите примеры клина.

189. Что говорится о винте? Покажите на рис. 180, как оценивается сила винта. Каковы некоторые применения винта?

190. Приведите оценку силы винта и рычага при их совместном использовании. Как можно показать, что на самом деле существует только три механические силы? Что говорится о них как о составляющих инструментов и механизмов? Что говорится о трении в механизмах?

191. Какое первое преимущество механических сил упоминается? Приведите иллюстрации. Какое второе преимущество? Приведите иллюстрации.

192. Какое третье преимущество? Приведите примеры. Как обычно варьируется скорость движения в механизмах? Какое четвертое преимущество? Приведите примеры. Опишите инструмент, называемый «Льюис».

193. Что говорится о названии, которым Аристотель отличал человека от других животных?

ГЛАВА XII.

194. Что такое звук? Какое отношение имеет звук к быстроте вибрации? Укажите случаи, в которых вибрация звучащих тел очевидна для зрения и осязания. Что говорится о духовых инструментах?

195. Укажите аналогию звучащего тела с маятником. Опишите процесс, посредством которого создается ощущение звука. Где в ухе останавливается вибрация, вызванная звучащим телом? Что передается оттуда в мозг?

196. Приведите примеры передачи звука через различные вещества. Изложите опыт, с помощью которого показано, что звук не передается через вакуум. Что говорится о звуке на больших высотах?

197. На каком расстоянии был слышен звук вулкана? Если бы такой же звук был произведен в космосе на таком же расстоянии от Земли, почему жители не могли бы его услышать? Какова причина шума тел, проходящих через воздух? Почему небесные тела, движущиеся так быстро, не производят звука? Приведите примеры, показывающие различные скорости звука в разных средах.

198. Что говорится о равномерности скорости звука? Покажите, как мы можем измерять расстояния с помощью звука по сравнению со скоростью света. От чего зависит громкость звука? Проиллюстрируйте этот момент.

199. Что говорится о распространении звука? Что о его отражении? Что об эхе?

200. Что говорится о многократных и смешанных отражениях звука? Объясните действие шепчущих галерей по рис. 187.

201. Объясните действие рупора. Приведите другие примеры концентрации звуковых вибраций.

202. В чем разница между музыкальным звуком и шумом? Что говорится о точной регулярности музыкальных вибраций? Как производятся разные ноты в струнных инструментах? От чего зависит нота в духовых инструментах?

203. Объясните действие органной трубы, изображенной на рис. 190. Что говорится о нотах колоколов и музыкальных стаканов? Объясните механизм человеческого голоса.

204. Что такое гармония? От чего она зависит? Между какими двумя нотами гаммы существует наибольшая гармония? Какая нота после октавы лучше всего гармонирует с основной нотой? А какая нота следующая? Покажите, почему вторая нота, в отличие от октавы, так диссонирует с основной нотой.

205. Укажите пропорции между числами вибраций в разных нотах. Если вы знаете число вибраций основной ноты в секунду, как вы можете определить число вибраций в других нотах? Что говорится о числе нот в диатонической гамме? Что о пропорциональной длине струн для разных нот? Что говорится о настройке инструментов?

206. Что значит сказать, что нота слишком высокая или слишком низкая? Полностью изложите то, что говорится о тайнах звука и слуха.

ГЛАВА XII.

207. Опишите опыт с тремя сосудами и вывод из него.

208. Какие другие факты подтверждают этот вывод? Как сэр Гемфри Дэви доказал, что во льду есть тепло? Каковы две теории теплоты? Каков главный источник тепла для Земли? Что говорится о тепле самого Солнца?

209. Что говорится об универсальном влиянии тепла Солнца на Земле? Что о тепле, поступающем изнутри самой Земли? Что об электричестве как источнике тепла?

210. Что говорится о химическом действии как источнике тепла? Приведите примеры производства тепла механическим действием. Что говорится об отношениях теплоты и света?

211. Покажите расширяющее влияние тепла, описав опыт, представленный на рис. 192. Приведите знакомые примеры этого расширения.

212. Как можно ослабить пробку, застрявшую в бутылке? Приведите анекдот о «Персии». Приведите утверждение о здании в Париже.

213. Что говорится о расширении жидкостей от тепла? Как можно показать влияние этого расширения на удельный вес?

214. Что говорится о термометрах? Что об изобретении термометра?

215. Изложите план термометра Фаренгейта. Приведите планы других термометров.

216. Почему термометр Фаренгейта в целом лучший? Что говорится о расширении газов от тепла? Изложите опыты в качестве иллюстрации.

217. Что говорится о воздушных шарах? Что о влиянии тепла на атмосферу? Приведите примеры этого влияния.

218. Почему при отоплении помещений мы создаем или вводим тепло как можно ниже? Объясните тягу дымохода. Почему печная труба обычно тянет лучше, чем дымоход?

219. Изложите опыт со свечой и дверью. Каково объяснение возникновения ветра? Объясните береговой бриз.

220. Объясните морской бриз. Как на ветры влияет вращение Земли?

221. Покажите на рис. 201, почему преобладающие ветры на экваторе — северо-восточные и юго-восточные.

222. Укажите точки плавления различных веществ. Что говорится о естественном состоянии воды и других веществ? Каковы два способа превращения жидкости в пар?

223. Что говорится о быстроте испарения? Что о растворении воды в воздухе? Какое влияние оказывает тепло на способность воздуха растворять воду? Какие явления это иллюстрируют? Как предполагается, что вода поднимается в воздух? Какой факт противоречит этому предположению?

224. Что происходит с водой, которая поднимается в воздух? Что говорится об образовании тумана и облаков? Укажите различные формы облаков и их названия.

226. Что говорится о влияниях, которые придают форму облакам?

228. Укажите, как образуется дождь, и объясните рис. 208. Как образуются снег и град? Что говорится о парообразовании?

229. Какое влияние оказывает давление на образование пара? Приведите опыт с эфиром в качестве иллюстрации. Опишите опыт, представленный на рис. 209. Что говорится о дигестере Папена?

230. Что говорится о паре? В чем заключается сила паровой машины? Как оценивается сила расширения пара в котле? Опишите работу двигателя по рис. 210.

231. В чем разница между двигателями высокого и низкого давления? Что говорится о передаче тепла? Сколько существует способов передачи и какие они? Что такое способ, называемый конвекцией?

232. Приведите примеры конвекции. Что такое теплопроводность?

233. Изложите опыт, представленный на рис. 211. Изложите опыт, представленный на рис. 212. Что говорится о непроводниках тепла? Приведите цитируемые примеры.

234. Объясните безопасную лампу Дэви.

235. Приведите то, что сказано в примечании о Стивенсоне и Дэви. Что говорится о влиянии плотности на теплопроводность? Приведите иллюстрацию о таянии снега.

236. Изложите опыты, которые показывают, что жидкости являются плохими проводниками тепла. Что говорится о воздухе как о непроводнике тепла? Что говорится о двойных окнах?

237. Что говорится об устройстве стен зданий? Что об устройстве для предотвращения распространения пожаров в кварталах?

238. Как животные в очень холодных регионах защищены от холода? Что в их покровах обеспечивает защиту? Что говорится о покровах четвероногих, являющихся уроженцами теплых климатов? Что о слонах, чьи останки найдены в Сибири?

239. Какие изменения происходят в покровах животных, перевезенных из холодного климата в теплый, и наоборот? Почему у человека нет покрова от холода? Объясните цель одежды. Что говорится о предметах одежды? Что о свободной одежде? Что о соломенных покрытиях, надетых на деревья? Что о кирпичах по сравнению с камнями?

240. Что говорится о коконах? Что о почках растений зимой? Что о снеге как о защите растений?

241. Укажите расположение снега, наблюдаемое в арктических регионах. Полностью изложите то, что говорится о влиянии теплопроводности на ощущения.

242. Что подразумевается под излучением тепла? Приведите примеры. Что говорится о связи тепла и света в лучах Солнца? Что говорится о тепле от обычного огня?

243. Что говорится об отношении между поглощением и излучением? Что об отражении тепла? Изложите опыт с зеркалами, термометром и колбой.

244. Объясните опыт со льдом. Приведите опыт с фосфором. Приведите опыт, представленный на рис. 218.

245. Объясните образование росы. Укажите аналогию со стаканом. Что говорится об обстоятельствах, влияющих на выпадение росы и инея?

246. Что говорится о различных веществах в отношении выпадения росы? Что насчет руна Гедеона? Что такое точка росы? Как вы можете ее определить?

247. Что говорится о замерзании ртути? Объясните разницу между явной и скрытой теплотой. Что говорится о теплоемкости? Изложите опыт, представленный на рис. 219.

248. Каково отношение теплоты к плотности? Приведите иллюстрации.

249. Какова причина того, что воздух такой холодный на больших высотах? Каково отношение теплоты к формам веществ? Что говорится о таянии льда? Что о парообразовании воды? Сформулируйте общий вывод в отношении скрытой и явной теплоты.

250. Полностью изложите то, что говорится о скрытой теплоте применительно к облакам. Объясните действие охлаждающих смесей.

251. Приведите примеры производства холода путем испарения.

252. Изложите и объясните опыт, представленный на рис. 221.

253. Приведите факты, изложенные в отношении степени тепла, которую может выдержать человек. Приведите причины, почему тепло не произвело большего эффекта в этих случаях.

254. Какой эффект производит тепло на объем веществ? Что говорится о воде как об исключении? Опишите процесс замерзания, как показано на диаграмме.

256. Каков был бы процесс, если бы исключение не существовало? Укажите, каковы были бы результаты.

257. Каково было бы последствие, если бы точка замерзания была выше 32°? Что если бы она была ниже? Что говорится о силе расширения во льду? Каковы некоторые выгоды, которые происходят от этого расширения?

ГЛАВА XIV.

258. Что такое теория света Ньютона? Что такое волновая теория? Укажите аналогии со звуком и теплом. Когда тело является светящимся? Каковы источники света?

259. Как вы можете увидеть, что свет движется по прямым линиям? Укажите различные знакомые подтверждения этого факта. Проиллюстрируйте тот факт, что интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния.

260. Что говорится о скорости света применительно к обычным расстояниям? Как долго свет идет от Солнца до Земли? Что говорится о свете, приходящем к нам от определенных звезд?

261. Приведите наблюдение Ремера, представленное на рис. 226.

262. Что говорится об отражении света? Что о его отражении применительно к зрению? Что об изображениях, сформированных в зеркалах?

263. Покажите на рис. 228, почему изображение в зеркале кажется находящимся на том же расстоянии за ним, что и объект перед ним. Объясните по рис. 229 действие калейдоскопа.

264. Объясните действие вогнутого зеркала по рис. 230. Объясните действие выпуклого зеркала по рис. 231.

265. Что подразумевается под преломлением света? Проиллюстрируйте его отражение при переходе из более плотной среды в более редкую. Затем из более редкой в более плотную.

266. Как происходит преломление относительно перпендикуляра в двух случаях? Объясните рассвет и сумерки. Объясните, что изображено на рис. 234.

267. Что такое миражи? Опишите мираж, который произошел в Рамсгейте. Опишите тот, который видел капитан Скорсби. Расскажите случай, который произошел в Нью-Хейвене.

268. Что говорится о миражах в пустынях?

269. Опишите мираж французского побережья. Объясните, что подразумевается под зрительным углом, как проиллюстрировано на рис. 236.

270. Объясните рис. 237. Что такое линзы? Какие бывают виды?

271. В чем разница эффекта в выпуклых и вогнутых линзах? Объясните эффект выпуклой линзы на зрительный угол. Что говорится о микроскопах и телескопах?

272. Опишите и объясните волшебный фонарь. Опишите и объясните камеру-обскуру.

273. Опишите устройство камеры для рисования. Как глаз похож на камеру?

274. Опишите расположение частей глаза, как показано на рис. 244.

275. Покажите теперь в частности, как глаз похож на камеру. Что говорится о влиянии роговицы на свет? Покажите, что требуется для четкого зрения, как проиллюстрировано на рис. 245. Покажите, почему объекты, поднесенные очень близко к глазу, не видны четко.

276. Что говорится о микроскопе? Объясните трудность у близоруких. У дальнозорких.

277. Как вы можете показать, что изображения объектов на сетчатке перевернуты? Полностью изложите то, что говорится об объяснениях факта, что мы видим объекты прямыми, несмотря на это перевертывание. Объясните одиночное зрение.

278. С помощью какого простого опыта вы можете показать, что объяснение одиночного зрения верно? Что говорится о косоглазии? Объясните стереоскоп.

279. Что говорится о четких впечатлениях на сетчатке? Объясните тауматроп.

280. Полностью изложите то, что говорится о составной природе света. Приведите пропорции цветов в нем. Что говорится о том, что существует только три цвета?

281. Что говорится о рекомпозиции разложенного света? Приведите иллюстрацию с порошком — круглой доской — волчком.

282. Что говорится о цветах веществ? Что о вариациях этих цветов в разных источниках света? Что о вариациях с меняющимися позициями? Что о цветах облаков?

283. Объясните образование первой радуги по рис. 253. Объясните образование второй дуги по рис. 254.

284. Что говорится об обстоятельствах, при которых видны радуги?

285. Полностью объясните образование двух дуг, как проиллюстрировано на рис. 255. Что говорится о дуге, как ее видят разные люди и в разные моменты один и тот же человек? Что о радужных оттенках в каплях росы и кристаллах льда?

286. Приведите разложение света, как представлено на рис. 256. Что говорится о дагеротипии?

ГЛАВА XV.

287. Каково происхождение термина «электричество»? Что говорится о притяжении и отталкивании в электричестве?

288. Каково предполагаемое объяснение электрического отталкивания? Объясните разницу между смоляным и стеклянным электричеством. Что говорится о двух предполагаемых электрических жидкостях? Подробно опишите иллюстрации притяжения, которые приведены.

289. Изложите теорию Франклина. Объясните использование терминов «положительный» и «отрицательный». Проиллюстрируйте тот факт, что вид возбужденного электричества зависит от того, чем натерто вещество.

290. Что говорится о некорректности терминов «стеклянный» и «смоляной»? Что говорится о проводниках и непроводниках? Почему непроводники называются изоляторами?

291. Какая заметная разница существует между теплом и электричеством? Изложите опыт, представленный на рис. 258. Что говорится об электриках и неэлектриках?

292. Что говорится о равновесии в электричестве и о его нарушении? Полностью изложите то, что говорится об универсальности электричества.

293. Изложите то, что говорится об индукции, как проиллюстрировано опытом, представленным на рис. 259.

294. Изложите опыт, представленный на рис. 260. Опишите устройство и работу электрической машины, представленной на рис. 261.

295. Опишите цилиндрическую машину. Изложите опыт с бузинными шариками. Изложите опыт с волосами на голове.

296. Изложите опыт с папиросной бумагой. Изложите опыт с танцующими фигурками. Изложите опыт с колокольчиками.

297. Опишите опыт с оловянной фольгой. Опишите изолирующий табурет и его работу.

298. Что говорится об утечке электричества с острий? Опишите аппарат, представленный на рис. 269, и его работу. Что говорится о разряде электричества с острия в темной комнате? Опишите Лейденскую банку.

299. Объясните работу Лейденской банки. Каков был бы эффект соединения внутренней фольги с внешней полоской фольги? Полностью приведите опыт, представленный на рис. 272, и объяснение.

300. Что говорится о разряде банки? Как большое количество людей может получить от нее удар вместе?

301. Объясните влияние влажности на заряженную банку. Изложите опыт, представленный на рис. 274.

302. Что такое электрическая батарея? Что говорится о свете, производимом электричеством?

303. Чем обусловлен треск электричества? Что говорится о механических повреждениях, вызванных электричеством? Что о тепле, вызванном им? Какие эффекты могут быть произведены этим теплом?

304. Каким было открытие Франклина и как он его сделал?

305. Расскажите несчастный случай, который произошел в Санкт-Петербурге. Что говорится о молниеотводах?

306. Каков был опыт Сульцера? Каковы были наблюдения Гальвани?

307. Что говорится о столбе Вольта? Что о его чашечной батарее и других батареях?

308. В чем разница между фрикционным и вольтовым электричеством?

ГЛАВА XVI.

308. Что такое магнитный железняк? Где он изобилует? Что говорится об открытиях в магнетизме? Откуда происходят термины «магнетизм» и «магнит»?

309. Что говорится о притяжении магнетизма? Какой закон существует в отношении него? Что говорится о полюсах магнита? Что о магнетизме путем индукции?

310. Что говорится о притяжении и отталкивании в магнитах? Объясните образование кривых железных опилок в опыте, представленном на рис. 282.

311. Как можно сделать искусственные магниты? Что говорится о подковообразном магните и его якоре?

312. Что говорится о магнитной стрелке и морском компасе?

313. Что такое склонение стрелки? Когда оно было впервые замечено? Что говорится о наблюдениях после этого? Что говорится о наклонении стрелки?

314. Что говорится о Земле как о магните? Что о ней как о намагничивателе?

315. Что говорится о фиксации магнетизма? Что об его ослаблении? В каких других веществах, кроме железа, существует магнетизм? В чем магнетизм похож на электричество? В чем он не похож на него?

316. Какое отношение имеет магнетизм к электричеству? Каковы были первоначальные наблюдения Эрстеда в отношении него?

317. Опишите способ изготовления самых мощных электромагнитов. Опишите опыт, представленный на рис. 287.

318. Покажите применение электромагнетизма в электрическом телеграфе.

319. Что такое приспособление, называемое сигнальным ключом? Как построен алфавит телеграфа Морзе?

320. Что говорится о связи через Землю при телеграфировании?

УКАЗАТЕЛЬ.

[Цифры относятся к параграфам]

Action and reaction equal, 182

Air, compressibility of, 152

Air, elasticity of, 161

Air, density of, dependent on pressure, 158

Air, pressure of, as affecting the boiling point, 171, 327

Air, currents in, from heat, 281

Air, solution of water in, 287

Air attracted by the earth, 148

Air in interstices of substances, 160

Air a non-conductor of heat, 302, 304

Air-pump, 155

Air-guns, 164

Animals, coverings suited to climate, 305

Archimedes, his lever, 229

Archimedes, his discovery in the bath, 138

Archimedes and the crown, 143

Artesian wells, 120

Aqueducts, 119

Atmosphere, pressure of, 154, 168

Atmosphere, how it moves with the earth, 188

Atomic theory, 15

Attraction, nature of, 53

Attraction, capillary, 72

Attraction between masses, 73

Attraction between solids and liquids, 69

Attraction, Newton's idea of, 54

Attraction, universality of, 77

Attraction, variety in results of, 87

Attraction, opposition between modes of, 88

Attraction, proportion of the mutual motions of, 76

Balloons, 149, 280

Balloon, hydrostatic, 159

Barometer, 169

Barker's mill, 182

Battery, electrical, 387

Berkeley, his ideas of matter, 2

Boats, why they float, 139

Boiling point as affected by the pressure of the air, 171

Brittleness, 29

Buds in winter, 308

Bulk, relation of, to resistance of liquids and gases, 193

Camera obscura, 352

Canals, 117

Capillary attraction, 72, 86

Cartesian image, 159

Centre of gravity defined, 96

Centre of gravity, support of, in animals, 106

Centre of gravity, movements of, in walking, 107

Centre of gravity in relation to attitudes, 108

Centre of gravity in floating bodies, 145

Centrifugal force, 213

Centripetal force, 213

Chimneys, draught of, 282

Clothing, object of, 306

Clouds, how formed, 288

Clouds, colors of, 364

Clouds, shapes of, 289

Clouds, latent heat in, 324

Cocoons, constructed for winter, 307

Colors of objects, 363

Colors of the clouds, 364

Cohesion, strength of, 68

Cohesion, what is essential to it, 66

Cold, absence of heat, 270

Cold at great heights, cause of, 322

Cold from evaporation, 326

Compressibility of substances, 35

Compressibility of air, 152

Condenser, 162

Conductors of heat, 298

Conductors of electricity, 375

Conduction of heat, 297

Conduction, relation of density to, 300

Conduction in liquids, 301

Conduction, influence of, on sensation, 310

Convection of heat, 296

Coverings of animals suited to climate, 305

Crystallization, 62

Daguerreotype, 369

Dams, 122

Davy's safety-lamp, 299

Dawn explained, 346

Density, 24

Dew, formation of, 315

Dew-drops, colors in, 367

Dew-point, 317

Diatonic scale, 267

Draught of chimneys, 282

Drowning, how it can often be prevented, 141

Earth, globular form of, 61

Earth, roundness of, shown, 113

Earth, attraction toward centre of, 80

Earth, thickness of its air-covering, 150

Earth, shape of, influenced by centrifugal force, 218

Earth, rotation of, affecting winds, 284

Elasticity, 39

Elasticity, definition of, 42

Electricity, origin of the term, 370

Electricity, attraction and repulsion in, 371

Electricity, vitreous and resinous, 372

Electricity, galvanic, 394

Electricity, universality of, 378

Electricity, discharge of, from points, 383

Electricity, sound of, 389

Electricity, heat produced by, 391

Electricity, mechanical injuries by, 390

Electrics and non-electrics, 377

Electrical battery, 387

Electro-magnetism, 413

Electro-magnets, 414

Electric telegraph, 415

Equestrian feat, 185

Equilibrium, stable and unstable, 109

Evaporation, 286

Evaporation, cold produced by, 326

Expansion by heat, 274

Expansion, exception to it, 330, 331

Extension, a property of matter, 44

Eye, description of, 353

Eye, images in, inverted, 356

Feathers, how a non-conductor of heat, 305

Fire-engine, 179

Flexibility, 29

Flies, feet of, 157

Force, relation of, to velocity, 194

Forcing-pumps, 178

Franklin, his theory of electricity, 373

Franklin, his discovery, 392

Freezing, process of, described, 330

Freezing point, why at 32°, 332

Freezing in the midst of boiling, 327

Freezing mercury, 318

Freezing mixtures, 325

Трение, 196-198

Friction in machinery, 245

Frost, 44

Fur, how a non-conductor of heat, 305

Fur, how altered by climate, 305

Fusee of a watch, 238

Galvanism, 394

Gases, movements of the particles in, 10

Gases, space in, 21

Gases, compressibility of, 38

Gasometer, 163

Glass, annealing of, 32

Glass-making, centrifugal force used in, 216

Governor, steam, 217

Gravitation, 79, 86

Gravitation, limiting size, 90

Gravitation, action of, on solids in a liquid, 136

Gravity, specific, defined, 135

Gridiron pendulum, 210

Gunnery, retardation by condensed air in, 166

Hail, how produced, 290

Hardness, 28

Harmony, 266

Hearing, mysteries of, 269

Hearing, trumpet, 262

Heat, nature of, 271

Heat, sources of, 272

Heat, relations of, to forms of matter, 13

Heat, relation of, to bulk of liquids, 37

Heat, relation of, to light, 273

Heat producing expansion, 274, 275, 279

Heat, communication of, 295

Heat, convection of, 296

Heat, conduction of, 297

Heat, radiation of, 311

Heat, reflection of, 314

Heat, connection of, with light, 312

Heat, production of, by electricity, 391

Heat, degree of, endurable by man, 328

Heat, latent, 319

Heat, capacity of different substances for, 320

Heat, relation of, to density, 321

Heat, relation of, to forms of substances, 323

Heat and cold, 270

Heights measured by barometer, 170

Hume, his ideas of matter, 3

Hydrometer, 144

Hydrostatics, what it teaches, 110

Hydrostatic balloon, 159

Hydrostatic bellows, 132

Hydrostatic paradox, 131

Hydrostatic press, 133

Ice, formation of, 329

Ice, force of its expansion, 333

Ice-crystals, colors in, 367

Icebergs, centre of gravity in, 145

Impenetrability, 45

Imponderable agents, 16

Inclined plane, 241

Induction in electricity, 379

Induction in magnetism, 400

Inertia, 48

Inertia shown in the communication of motion, 183

Inertia shown in disposition of motion to continue, 184

Insulating stool, 382

Jupiter, mountains in, 92

Kaleidoscope, 343

Laggan stones, 100

Land-breeze, 283

Lenses, 349

Lever of first kind, 224

Lever, no gain of power in it, 227

Lever of second kind, 231

Lever of third kind, 232

Leyden jar, 384, 385

Life-boats, 139

Light, nature of, 334

Light, sources of, 335

Light, diffusion of, 337

Light, velocity of, 338

Light, reflection of, 340

Light, refraction of, 345

Light moves in straight lines, 336

Light shown to be compound, 360

Light, colors in, 360

Light, recomposition of, 362

Light, chemistry of, 369

Lightning-rods, 393

Liquids, movability of their particles, 9, 57

Liquids, incompressibility of, 36

Liquids, attraction in, 56

Liquids, globular shape of drops of, 58

Liquids, cause of level surface of, 111

Liquids, pressure of, in proportion to depth, 121

Liquids, lateral pressure of, 123

Liquids, pressure of, equal in all directions, 125

Liquids, upward pressure as depth, 127

Liquids, in what like gases, 153

Liquids, friction of, in tubes, 197

Liquids, friction of, in streams, 198

Liquids, expansion of, by heat, 275

Loadstones, 397

Machines not sources of power, 222

Machinery, friction in, 245

Magic lantern, 351

Magdeburg hemispheres, 156

Magnetism, origin of term, 397

Magnetism, attraction of, 398

Magnetism, repulsion of, 401

Magnet, poles of, 399

Magnets, artificial, 403

Magnets, horseshoe, 404

Magnetic needle, 405

Malleability, 28

Man a tool-making animal, 247

Mariner's compass, 405

Matter distinguished from spirit, 1

Matter, effects of, on senses, 6

Matter, forms of, 7

Matter, nature of, 14

Matter, constitution of, 14

Matter, variety in properties of, 17

Matter, divisibility of, 18, 51

Matter, minute division of, 19

Matter, pores and spaces in, 22

Matter, relation of heat to spaces of, 23

Matter, inertia of, 48

Matter, impenetrability of, 45

Matter equally inclined to rest and motion, 50

Mechanical powers, real advantages of, 246

Mercury, freezing of, 318

Microscopes, 350

Microscopical animals, 19

Mirages, 347

Mirrors, 342

Mirrors, curved, 344

Moth's wing, 19

Motion, causes of, 181

Motion, universality of, 180

Motion, absolute and relative, 191

Motion, obstacles to, 192

Motion, reflection of, 206

Motion, compound, 212

Motion, curved, 213

Motion in orbits, 221

Motion disposed to be straight, 211

Motion, that of falling bodies projectile, 220

Motion and rest, 189

Momentum, 201

Mountains, size limited, 92

Nature, order in, 65

Near-sightedness, 355

Needle, magnetic, 399

Needle, declination of, 406

Needle, dip of, 407

Noise, how it differs from musical sound, 263

Non-conductors of heat, 298

Non-conductors of electricity, 375

Notes, musical, how produced, 264

Odors, minuteness of their particles, 19

Order in nature, 65

Papin's digester, 292

Маятник, 208-210

Perpetual motion attempted, 118

Persia, accident to, 274

Pisa, tower of, 104

Pitchers, why they have lips, 89

Pneumatics, what it teaches, 146

Pneumatic trough, 167

Pop-guns, 164

Pottery, centrifugal force used in, 216

Powder, explosive force of, 165

Prince Rupert's drops, 33

Projectiles, 219, 220, 221

Pulleys, 239

Pumps, 176

Pumps, forcing, 178

Radiation of heat, 311

Radiation, its relation to absorption, 313

Rain, how it is caused, 290

Rainbow, 365, 366

Rarity, 24

Reaction equal to action, 182

Reflection of heat, 314

Reflection of light, 340

Reflection of motion, 206

Reflection of sound, 260

Remora, 157

Rest, merely relative, 189

Rivers, 115, 116

Rivers, bends in, 215

Roemer, observations of, in regard to the velocity of light, 339

Rope-dancers, skill of, in managing centre of gravity, 109

Safety-lamp, 299

Scales, 98, 225

Screw, 243

Sea-breeze, 283

See-saw, a lever, 228

Sensation, influence of the conduction of heat on, 310

Shape, relation of, to velocity, 195

Shot, manufacture of, 60

Signal key, 415

Silk-worm, thread of, 19

Size limited by gravity, 90

Sluice-gates, 122

Snow, how produced, 290

Snow, crystals of, 64

Snow a protection to plants, 309

Solids, constitution of, 8

Solids, attraction in, 39

Solution, 12, 22

Sound, what it is, 248

Sound, sensation of, how produced, 252

Sound, velocity of, 256

Sound, transmission of, 253

Sound, loudness of, 258

Sound, diffusion of, 259

Sound, reflection of, 260

Sound, concentration of, 262

Sound, none produced by the heavenly bodies, 255

Speaking-trumpet, 262

Specific gravity defined, 135

Specific gravity of animals, 140

Specific gravity of the human body, 141

Specific gravity of solids, how ascertained, 142

Specific gravity of liquids, how ascertained, 144

Spectrum, 360

Spider, web of, 19

Spirit distinguished from matter, 1

Spirit, origin of word, 4

Spirit-level, 114

Springs, 120

Устойчивость тел, 103-105

Steam transparent and invisible, 293

Steam, expansive force of, 165

Steam-engine, 294

Steel, flexible and brittle, 30

Steel, tempering of, 31

Steelyards, 98, 225

Stereoscope, 358

Suckers, 157

Sucking, explanation of, 167

Suction, 177

Sulzer's experiment, 394

Sun as a source of heat, 272

Surface, relation of, to movability, 193

Syphon, 172

Tantalus, cup of, 174

Telegraph, 415

Telescopes, 350

Tenacity, 25

Tenacity, comparative, of substances, 26

Tenacious substances, value of, 27

Thermometer, 37, 276

Thermometer, Fahrenheit's, 277

Tides, 78

Tubes, friction of liquids in, 197

Twilight explained, 346

Unison, 268

Up and down, explanation of, 81

Vapor, influence of pressure upon the formation of, 292

Vaporization, 291

Velocity, relation of, to force, 194

Velocity, relation of, to shape, 195

Velocities, great, how produced, 203

Velocities, great, how arrested, 204

Vibration of sounding bodies, 249

Vision, distinct, what necessary to, 354

Vision, why single, 357

Vision, why erect, 356

Visual angle, 348

Voice, how produced, 265

Voltaic electricity, 394

Volta's pile, 395

Walrus, feet of, 157

Water, crystallization of, 63

Water man's first mirror, 112

Waves, how formed, 199

Waves, height of, 200

Wedge, 242

Weight, 52, 82-85

Wheel and Axle, 235

Wheel-barrow a lever, 231

Whispering galleries, 261

Windlass, 236

Windows, double, 303

Winds, 283

Winds as affected by the rotation of the earth, 284

КОНЕЦ.

СНОСКИ:

[1] Я беру следующее у доктора Арнота:

Причины, по которым так много людей тонет в обычных случаях, хотя их можно было бы легко спасти, следующие:

1. Их убеждение, что для удержания тела от погружения необходимо постоянное усилие, и, следовательно, их принятие положения пловца, при котором лицо обращено вниз, и вся голова должна быть над водой для дыхания. Поскольку человек не может удерживать это положение без постоянного усилия, он быстро истощается, даже если он пловец, а если нет, то неумелая попытка едва ли обеспечит ему даже несколько вдохов. Тело, поднятое на мгновение усилием над естественным уровнем, погружается настолько же ниже, когда усилие прекращается; и погружение, кажущееся началом постоянного утопления, пугает неопытного человека и делает его более легкой жертвой своей судьбы.

2. Из страха, что вода, попадающая в уши, может утопить так же, как если бы она попала в нос или рот, делается бесполезное усилие, чтобы предотвратить это; правда, однако, заключается в том, что она может заполнить только наружное ухо или дойти до барабанной перепонки и поэтому не имеет значения.

3. Люди, непривычные к воде и находящиеся в опасности утонуть, обычно пытаются в своей борьбе держать руки над поверхностью, чувствуя, как будто их руки связаны, если их держать внизу; но это действие наиболее вредно, потому что любая часть тела, удерживаемая вне воды, в дополнение к лицу, которое должно быть таковым, требует усилия для поддержки, которое человек в то время считается неспособным обеспечить.

4. Не задумываясь о том, что когда бревно или человеческое тело плавает вертикально, лишь с небольшой частью над поверхностью, в бурной воде, как в море, каждая волна при прохождении должна на короткое время покрывать голову, но снова оставит ее выступающей в промежутке. Опытный пловец выбирает этот промежуток для дыхания.

5. Не зная важности держать грудь как можно более полной воздуха; это имеет почти такой же эффект, как привязывание пузыря с воздухом к шее, и без других усилий заставит почти всю голову оставаться над водой. Если грудь однажды опустошена, и если из-за того, что лицо находится под водой, человек не может вдохнуть снова, тело становится специфически тяжелее воды и утонет.

[2] Это верно, за исключением случаев, когда трубка настолько мала, что капиллярное притяжение оказывает значительное влияние.

[3] Со мной однажды консультировались по поводу дымящей печи. Это была открытая печь Франклина, труба которой проходила через противопожарную доску в чудовищный дымоход. Я рекомендовал, чтобы труба с коленом шла от трубы печи немного вверх по дымоходу. Уловка была успешной, потому что лишь небольшой объем воздуха, тот, что в трубе, нужно было нагреть, чтобы установить восходящий ток.

[4] Как и в случае со многими другими изобретениями, здесь та же идея была создана и применена на практике более чем одним умом. Джордж Стивенсон, который, будучи обычным машинистом на угольной шахте, шаг за шагом поднялся до изобретения локомотива, сконструировал лампу, которая иллюстрировала другим способом тот же принцип, что и лампа Дэви — другими словами, он изобрел другую безопасную лампу. Но это нисколько не умаляет славы, которую изобретение принесло имени Дэви, ибо каждый действовал независимо от другого. В случае Дэви следует отметить, что был долгий путь научных рассуждений и исследований, которые привели его в конце концов к изобретению, запись о чем чрезвычайно интересна. Ни одно изобретение или открытие не делается без мысли, хотя случай может подсказать мысль; но здесь изобретение, которое без какого-либо намека на случай было развито кропотливой и долгой мыслью, шаг за шагом продвигающейся к своему заключению.

[5] Я упомяну здесь приспособление, которое я однажды принял для небольшой оранжереи, которую я хотел держать в тепле от тепла комнаты, к которой она примыкала. В каждом пространстве оконных рам были помещены два стекла, между которыми было почти полдюйма пространства. Таким образом, я получил всю выгоду двойных окон с меньшими затратами и менее громоздким устройством. Упоминая это приспособление время от времени, случайно, я обнаружил, что немногие другие думали о нем и приняли его с тем же успехом, что и я.

[6] Мы находимся в полном неведении относительно природы электричества, и мы используем термин «жидкость» просто для удобства.

ПРИМЕЧАНИЕ ПЕРЕВОДЧИКА

Рис. 70 и рис. 276, отображенные боком в оригинале, были повернуты на 90 градусов.

Несколько длинных параграфов были разделены на два, чтобы лучше разместить несколько иллюстраций в этом параграфе.

Некоторые иллюстрации были размещены справа от текста, хотя в оригинале они были слева, чтобы лучше отображаться на некоторых портативных устройствах. Несколько были перемещены в следующий параграф.

Очевидные опечатки и ошибки пунктуации были исправлены после тщательного сравнения с другими вхождениями в тексте и консультации с внешними источниками.

За исключением изменений, отмеченных ниже, все орфографические ошибки в тексте, а также непоследовательное или архаичное использование были сохранены. Например: farther, further; India rubber, India-rubber; every where; catechetical; incloses; tricksy; pervious; motal; enrobes; subtile.

Стр. 79, 'gravity made made him' заменено на 'gravity made him'. Стр. 157, 'if non elastic' заменено на 'if non-elastic'. Стр. 264, 'the divergency when' заменено на 'the divergence when'. Стр. 297, '283. Electricity' заменено на '383. Electricity'. Стр. 321, Вопросы начинаются с номера '13' и не были изменены. Стр. 331, номер '174' используется дважды и не был изменен. Стр. 335, 'with phosporus' заменено на 'with phosphorus'.

 The Project Gutenberg eBook of Science for the School and Family, by Worthington Hooker, M.D..