Füüsika on lõbus. Sidruni aku

Jah, I. Perelman

Meelelahutuslik füüsika

TOIMETAJALT

“Meelelahutusliku füüsika” kavandatav väljaanne kordab põhimõtteliselt eelmisi. Ya. I. Perelman töötas raamatu kallal pikki aastaid, täiustades ja täiendades seda ning viimast korda autori eluajal ilmus raamat 1936. aastal (kolmeteistkümnes trükk). Järgmiste väljaannete väljaandmisel ei seadnud toimetajad eesmärgiks teksti radikaalset läbivaatamist ega olulisi täiendusi: autor valis “Meelelahutusliku füüsika” põhisisu selliselt, et füüsika põhiteavet illustreerides ja süvendades see pole tänapäevani aegunud. Lisaks on 1936. aastast nii palju aega möödas, et soov kajastada viimaseid füüsikasaavutusi oleks toonud kaasa raamatu olulise suurenemise ja selle “näo” muutumise. Näiteks ei ole autori tekst kosmoselennu põhimõtete kohta aegunud ja faktilist materjali selles valdkonnas on juba nii palju, et lugeja saab viidata ainult teistele spetsiaalselt sellele teemale pühendatud raamatutele. Neljateistkümnes ja viieteistkümnes trükk (1947 ja 1949) ilmusid prof. A. B. Mlodzejevski. Dotsent osales kuueteistkümnenda väljaande (1959-1960) ettevalmistamisel. V. A. Ugarov. Kõikide autorita ilmunud väljaannete toimetamisel asendati vaid vananenud arvud, eemaldati end mitte õigustanud projektid ning tehti üksikuid täiendusi ja märkmeid.

See raamat on iseseisev kogu, mis ei ole meelelahutusliku füüsika esimese raamatu otsene jätk. Esimese kogumiku edu ajendas autorit ülejäänud kogutud materjali töötlema ja nii valmiski see teine, õigemini teine, samu füüsikaosakondi hõlmav raamat.

Kavandatavas raamatus, nagu ka esimeses, ei püüa koostaja mitte niivõrd anda uusi teadmisi, kuivõrd taaselustada ja värskendada kõige lihtsamat füüsikaalast teavet, mis lugejal juba on. Raamatu eesmärk on ergutada teadusliku kujutlusvõime tegevust, õpetada mõtlema füüsika vaimus ning kujundada harjumust oma teadmisi mitmekülgselt rakendada. Seetõttu on “Meelelahutuslikus füüsikas” suurejooneliste katsete kirjeldus teisejärguline; esiplaanile tulevad füüsilised mõistatused, huvitavad probleemid, õpetlikud paradoksid, keerulised küsimused, ootamatud võrdlused füüsikaliste nähtuste vallast jne. Sellise materjali otsimisel pöördub koostaja igapäevaelu nähtuste ringkonna poole, igapäevaelu nähtuste valdkonda. tehnoloogiale, loodusele, teaduslike - ulmeromaanide lehekülgedele - ühesõnaga kõigele, mis väljaspool õpikut ja füüsikaklassi on võimeline köitma uudishimuliku lugeja tähelepanu.

Kavatsedes raamatut mitte õppimiseks, vaid lugemiseks, püüdis koostaja võimaluste piires anda pealesurumisele väliselt huvitava vormi, lähtudes sellest, et huvi teema vastu tõstab tähelepanu, võimendab mõttetööd ja seetõttu. , aitab kaasa teadlikumale assimilatsioonile. Et äratada huvi füüsikaliste arvutuste vastu, tutvustasid mõned selle kogumiku artiklid arvutuslikku materjali (mida esimeses raamatus peaaegu ei tehtud). Üldiselt on käesolev materjalivaliku kogumik mõeldud veidi ettevalmistumale lugejale kui “Meelelahutusliku füüsika” esimene raamat, kuigi selles osas on erinevus mõlema raamatu vahel nii tühine, et neid saab lugeda suvalises järjekorras ja ühest sõltumatust. teine.Kolmas raamat “Meelelahutuslikku füüsikat pole olemas. Selle asemel koostas selle autor järgmised raamatud: "Meelelahutuslik mehaanika", "Kas tunnete füüsikat?" ja lisaks eraldi astronoomiale pühendatud raamat: "Meelelahutuslik astronoomia".

1936 Y. Perelman

Peatükk esimene

MEHAANIKA PÕHISEADUSED

Odavaim viis reisimiseks

17. sajandi vaimukas prantsuse kirjanik Cyrano de Bergerac räägib oma satiirilises “Kuu osariikide ajaloos” (1652) muuhulgas nii hämmastavast juhtumist, mis temaga väidetavalt juhtus. Füüsiliste katsetega tegeledes tõsteti ta kunagi koos oma kolbidega arusaamatult kõrgele õhku. Kui mõne tunni pärast õnnestus tal uuesti maapinnale laskuda, ei leidnud ta end oma imestuseks enam kodumaal Prantsusmaal ega isegi mitte Euroopas, vaid Põhja-Ameerika mandriosas Kanadas! Prantsuse kirjanik peab oma ootamatut lendu üle Atlandi ookeani aga üsna loomulikuks. Ta seletab seda asjaoluga, et kui tahtmatu rändur oli maapinnast eraldatud, jätkas meie planeet pöörlemist itta; sellepärast oli ta uppudes tema jalge all Prantsusmaa asemel Ameerika manner.

Näib, milline odav ja lihtne viis reisimiseks! Tuleb vaid tõusta Maast kõrgemale ja olla vähemalt paar minutit õhus, et laskuda hoopis teises kohas, kaugel läände. Selle asemel, et ette võtta tüütuid rännakuid üle mandrite ja ookeanide, võite rippuda liikumatult Maa kohal ja oodata, kuni see ise reisijale sihtkoha pakub.

Kahjuks pole see hämmastav meetod midagi muud kui fantaasia. Esiteks, olles õhku tõusnud, pole me sisuliselt veel maakerast eraldatud: jääme seotuks selle atmosfääris rippuva gaasilise kestaga, mis osaleb ka Maa pöörlemises ümber oma telje. Õhk (õigemini selle alumised tihedamad kihid) pöörleb koos Maaga, kandes endaga kaasa kõike, mis selles on: pilved, lennukid, kõik lendavad linnud, putukad jne. Kui õhk ei osaleks maakera pöörlemises , siis Maal seistes tunneksime pidevalt tugevat tuult, millega võrreldes tunduks kõige kohutavam orkaan õrna tuulena). Pole ju absoluutselt vahet, kas me seisame paigal ja õhk liigub meist mööda või vastupidi, õhk on liikumatu ja me liigume selles; mõlemal juhul tunneme sama tugevat tuult. 100 km tunnikiirusega liikuv mootorrattur tunneb tugevat vastutuult ka täiesti tuulevaikse ilmaga.

Joonis 1. Kas õhupallilt on võimalik näha, kuidas maakera pöörleb? (Arv ei ole mõõtkavas.)

See on esimene asi. Teiseks, isegi kui suudaksime tõusta atmosfääri kõrgeimatele kihtidele või kui Maad ei ümbritseks üldse õhk, ei saaks me ära kasutada seda odavat reisimisviisi, millest prantsuse satiirik fantaseeris. Tegelikult jätkame pöörleva Maa pinnast eraldudes liikumist inertsi abil sama kiirusega, st sama kiirusega, kui Maa liigub meist allpool. Kui me uuesti alla läheme, leiame end samast kohast, millest meid varem eraldati, nagu ka pärast liikuva rongi vagunisse hüppamist pöördume tagasi oma algsesse kohta. Tõsi, me liigume inertsist sirgjooneliselt (tangentsiaalselt) ja meie all olev Maa liigub kaarekujuliselt; kuid lühikese aja jooksul see olukorda ei muuda.

"Maa, peatu!"

Kuulsal inglise kirjanikul Herbert Wellsil on fantastiline lugu sellest, kuidas teatud ametnik tegi imesid. Väga kitsarinnaline noormees osutus saatuse tahtel hämmastava kingituse omanikuks: niipea, kui ta soovi avaldas, täitus see kohe. Ahvatlev kingitus, nagu hiljem selgus, ei toonud aga ei selle omanikule ega teistele inimestele midagi peale tüli. Selle loo lõpp on meile õpetlik.

Pärast pikka joominguööd otsustas imeametnik, kes kartis koidikul koju tulla, kasutada oma kingitust öö pikendamiseks. Kuidas seda teha? Peame andma taevavalgustitele käsu oma jooksmine peatada. Ametnik ei otsustanud kohe nii erakordse vägitüki kasuks ja kui sõber soovitas tal Kuu peatada, vaatas ta teda hoolikalt ja ütles mõtlikult:

“- Mulle tundub, et ta on selleks liiga kaugel... Mis sa arvad?

Aga miks mitte proovida? - nõudis Meydig (see oli sõbra nimi - Ya.P.). - Muidugi, see ei peatu, peatate ainult Maa pöörlemise. Loodetavasti ei tee see kellelegi haiget!

Hm," ütles Fotheringay (ametnik – Ya.P.), "Olgu, ma proovin." Noh…

Ta seisis käskivas poosis, sirutas käed üle maailma ja ütles pühalikult:

Maa, peatu! Lõpeta pöörlemine! Enne kui ta jõudis need sõnad lõpetada, lendasid sõbrad juba mitmekümnemiilise minutikiirusega kosmosesse.

Sellest hoolimata jätkas ta mõtlemist. Vähem kui sekundiga oli tal aega mõelda ja avaldada endale järgmine soov:

Mis ka ei juhtuks, olgu ma elus ja vigastamata!

Ei saa mitte tunnistada, et see soov avaldati õigel ajal. Veel mõni sekund – ja ta kukkus värskelt kaevatud maa peale ning tema ümber tormasid talle kahju toomata kivid, hoonekillud ja mitmesugused metallesemed; Lendas ka mõni õnnetu lehm, kes kukkus vastu maad. Tuul puhus kohutava jõuga; ta ei suutnud isegi pead tõsta, et ringi vaadata.

"Arusaamatu," hüüatas ta murtud häälega. - Mis on juhtunud? Torm või mis? Ma tegin vist midagi valesti.

Vaadanud ringi nii kaugele kui tuul ja jopesabad lehvivad, jätkas ta:

Tundub, et taevas on kõik korras. Siit tuleb Kuu. No ja kõik muu... Kus on linn? Kus on majad ja tänavad? Kust tuul tuli? Ma ei käskinud tuulel olla.

Fotheringay üritas jalule tõusta, kuid see osutus täiesti võimatuks ja nii ta liikus neljakäpukil edasi, hoides kinni kividest ja maapinnast. Kuhugi polnud aga minna, sest nii kaugele kui tuul roomajavõluri pea kohale visatud jopesaba alt näha oli, oli kõik ümberringi üks hävingupilt.

Ta arvas, et universumis on midagi tõsiselt halvasti läinud ja mis täpselt, pole teada.

See on tõesti halvasti läinud. Ei maju, ei puid ega ühtegi elusolendit – midagi polnud näha. Ümberringi lebasid vaid vormitud varemed ja mitmesugused killud, vaevu nähtavad terve tolmuorkaani vahel.

Kõige selle süüdlane ei saanud muidugi aru, mis toimub. Ja ometi seletati seda väga lihtsalt. Olles Maa kohe peatanud, ei mõelnud Fotheringay inertsile ja ometi viskab see ringliikumise järsu peatumisega Maa pinnalt paratamatult kõik selle peale. Seetõttu lendasid majad, inimesed, puud, loomad - üldiselt kõik, mis polnud maakera põhimassiga lahutamatult seotud, kuulikiirusel tangentsiaalselt selle pinnale. Ja siis kukkus see kõik jälle tükkideks murdudes Maa peale.

Fotheringay mõistis, et tema sooritatud ime polnud eriti edukas. Seetõttu valdas teda sügav jälestus igasuguste imede vastu ja ta lubas endale neid enam mitte teha. Kuid kõigepealt oli vaja parandada tema tekitatud häda. See häda osutus sugugi väikeseks. Torm möllas, tolmupilved katsid Kuud ja kaugelt oli kuulda läheneva vee häält; Välgu valguses nägi Fotheringhay tervet veeseina, mis liikus kohutava kiirusega selle koha poole, kus ta lamas. Ta sai otsustavaks.

Lõpeta! - hüüdis ta vee poole pöördudes. - Mitte sammugi kaugemale!

Siis kordas ta sama käsku äikese, välgu ja tuule peale.

Kõik oli vaikne. Ta kükitas maha ja mõtles.

Kuidas see ei tekita jälle mingit kaost, mõtles ta ja ütles siis: "Esiteks, kui kõik, mida ma praegu käsin, on täidetud, võib mul kaduda võime teha imesid ja olla samasugune nagu tavalised inimesed." Imesid pole vaja. Liiga ohtlik mänguasi. Ja teiseks, olgu kõik endine: sama linn, samad inimesed, samad majad ja mina ise olen samasugune, kes ma olin siis.

Kiri lennukist

Kujutage ette, et olete lennukis, mis lendab kiiresti üle maa. Allpool on tuttavad kohad. Nüüd lendad üle maja, kus elab su sõber. "Oleks tore talle tervitusi saata," vilgub teie meelest. Kirjutad kiiresti paar sõna märkmikupaberile, seod sedeli mõne raske eseme külge, mida me hiljem nimetame “lastiks” ja oodanud hetke, mil maja on otse sinu all, vabastad lasti sinu käed.

Olete muidugi täiesti kindel, et koorem langeb maja aeda. See aga langeb valesse suunda, kuigi aed ja maja asuvad otse sinu all!

Lennukilt kukkumist vaadates näeks kummalist nähtust: raskus langeb, kuid jääb samal ajal lennuki alla edasi, justkui libisedes mööda selle külge seotud nähtamatut niiti. Ja kui koorem jõuab maapinnale, on see teie kavandatud kohast kaugel ees.

Siin avaldub seesama inertsiseadus, mis ei lase sul ära kasutada ahvatlevat nõuannet Bergeraci teed reisimiseks. Kuni lasti lennukis oli, liikus see koos autoga. Sa lasid tal minna. Kuid pärast lennukist eraldumist ja allakukkumist ei kaota last oma esialgset kiirust, vaid jätkab kukkudes samal ajal liikumist õhus samas suunas. Mõlemad liikumised, vertikaalsed ja horisontaalsed, liidetakse kokku ja selle tulemusena lendab koorem mööda kõverat joont alla, jäädes kogu aeg lennuki alla (muidugi juhul, kui lennuk ise lennu suunda või kiirust ei muuda). Koormus lendab sisuliselt samamoodi nagu horisontaalselt visatud keha, näiteks horisontaalselt suunatud relvast visatud kuul: keha kirjeldab kaarekujulist rada, mis lõpuks lõpeb maapinnal.

Pange tähele, et kõik siin öeldu oleks täiesti tõsi, kui õhutakistust poleks. Tegelikult pidurdab see takistus nii lasti vertikaalset kui ka horisontaalset liikumist, mille tulemusena ei jää koorem kogu aeg otse lennuki alla, vaid jääb sellest mõnevõrra maha.

Loodjoonest kõrvalekaldumine võib olla väga märkimisväärne, kui lennuk lendab kõrgel ja suurel kiirusel. Vaikse ilmaga 1000 m kõrgusel kiirusega 100 km tunnis lennanud lennukilt langev koorem kukub 400 meetrit ettepoole vertikaalselt lennuki all asuvast kohast (joonis 2).

Arvutamine (kui jätame tähelepanuta õhutakistuse) on lihtne. Ühtlaselt kiirendatud liikumisega tee valemist

me saame selle

See tähendab, et 1000 m kõrguselt peab kivi sisse kukkuma

st 14 sek.

Selle aja jooksul on tal aega horisontaalselt mööda liikuda

Pommitamine

Pärast öeldut saab selgeks, kui raske on sõjaväepiloodi ülesanne, kelle ülesandeks on pommi viskamine teatud kohta: ta peab arvestama lennuki kiirusega, õhu mõjuga langevale kehale. , ja lisaks tuule kiirus. Joonisel fig. 3 on skemaatiliselt kujutatud erinevaid teid, mida teatud tingimustel kirjeldab maha visatud pomm. Kui tuult pole, lebab heidetud pomm piki AP kõverat; miks see nii on - selgitasime eespool. Tagattuulega kantakse pomm edasi ja liigub. piki AG kõverat. Mõõduka tugevusega vastutuule korral langeb pomm mööda AD kõverat, kui tuul ülalt ja all on sama; kui, nagu sageli juhtub, on alltuule suund ülemisele tuulele vastupidine (ülaosas vastutuul, ülaosas taganttuul). alt), muudab kukkumiskõver oma välimust ja võtab joonekuju A E.

Joonis 2. Lendavalt lennukilt visatud koorem ei lange vertikaalselt, vaid mööda kurvi.

Joonis 3. Teekond, mida mööda lennukilt langenud pommid langevad. AR - tuulevaikse ilmaga; AG - taganttuulega, AD - vastutuulega, AE - vastutuulega ülevalt ja taganttuulega all.

Peatusteta raudtee

Kui seisad seisval jaamaplatvormil ja kullerrong sellest mööda kihutab, on liikumise ajal vagunisse hüppamine muidugi keeruline. Kuid kujutage ette, et teie all olev perroon liigub samuti, sama kiirusega ja samas suunas kui rong. Kas teil on siis raske vankrisse pääseda?

Üldse mitte: sisenete nii rahulikult, nagu vanker seisaks paigal. Kuna nii teie kui ka rong liigute ühes suunas sama kiirusega, siis teie suhtes on rong täiesti puhkeasendis. Tõsi, selle rattad pöörlevad, kuid teile tundub, et need pöörlevad paigal. Rangelt võttes liiguvad koos meiega ümber maakera telje ja ümber Päikese kõik need objektid, mida me tavaliselt paigalseisvateks peame – näiteks jaamas seisev rong; aga praktikas võime seda liikumist ignoreerida, kuna see ei häiri meid üldse.

Järelikult on täiesti mõeldav korraldada nii, et jaamadest mööda sõitev rong võtab reisijad peale ja jätab maha täiskiirusel, peatumata. Seda tüüpi seadmeid paigaldatakse sageli näitustele, et publik saaks kiiresti ja mugavalt vaadata oma vaatamisväärsusi laial alal. Ekspositsiooniala äärmised punktid on nagu lõputu lint ühendatud raudteega; Reisijad saavad vagunisse siseneda ja sealt väljuda igal ajal ja igal pool, kui rong sõidab täiskiirusel.

See uudishimulik seade on näidatud kaasasolevatel joonistel. Joonisel fig. 4 tähte A ja B tähistavad äärepoolseimaid jaamu. Igal jaamal on ümmargune statsionaarne platvorm, mida ümbritseb suur pöörlev rõngakujuline ketas. Mõlema jaama pöörlevate ketaste ümber jookseb köis, mille külge on kinnitatud autod. Nüüd vaadake, mis juhtub, kui ketas pöörleb. Autod jooksevad ümber ketaste sama kiirusega, kui nende välisservad pöörlevad; seetõttu saavad reisijad ilma vähimagi ohuta liikuda ketastelt vagunite juurde või vastupidi, rongist lahkuda. Pärast vagunist väljumist kõnnib reisija mööda pöörlevat ketast ringi keskele, kuni jõuab seisvale platvormile; ja liikuva ketta siseservalt statsionaarsele platvormile liikumine pole enam keeruline, kuna siin on väikese ringi raadiusega ka perifeerne kiirus väga väike). Pärast sisemise fikseeritud platvormi jõudmist saab reisija üle silla maapinnale minna ainult väljaspool raudteed (joonis 5).

Joonis 4. Peatusteta raudtee skeem jaamade A ja B vahel. Jaama struktuur on näidatud järgmisel joonisel.

Joonis 5. Peatusteta raudteejaam.

Sagedaste peatuste puudumine toob kaasa tohutu aja- ja energiakulu kokkuhoiu. Näiteks linnatrammides kulub suurem osa ajast ja peaaegu kaks kolmandikku kogu energiast jaamast väljudes järk-järgult kiirendades ja peatudes tempot maha võttes).

Raudteejaamades oleks võimalik teha ka ilma spetsiaalsete liikuvate platvormideta, et rong täiskäigul reisijaid vastu võtta ja sealt maha võtta. Kujutage ette, et tavalisest seisvast jaamast kihutab mööda kiirrong; soovime, et ta võtaks siia uusi reisijaid peatumata vastu. Praegu võtku need reisijad istet mõnes teises rongis, mis seisab vabal paralleelteel, ja las see rong hakkab edasi liikuma, arendades sama kiirust kui kiirrong. Kui mõlemad rongid on kõrvuti, on nad üksteise suhtes liikumatud: piisab, kui visata üle sildade, mis ühendaksid mõlema rongi vaguneid ja abirongi reisijad saavad turvaliselt kullerrongile ümber istuda. . Peatused jaamades muutuvad, nagu näete, tarbetuks.

Liikuvad kõnniteed

Teine seade, mida seni kasutati ainult näitustel, põhineb liikumise suhtelisuse põhimõttel: nn liikuvad kõnniteed. Esmakordselt rakendati neid 1893. aasta näitusel Chicagos, seejärel 1900. aastal Pariisi maailmanäitusel. Siin on sellise seadme joonis (joonis 6). Näete viit suletud sõidurada-kõnniteid, mis liiguvad läbi spetsiaalse mehhanismi, üksteise sees erineva kiirusega.

Ääremine rada kulgeb üsna aeglaselt - kiirusega vaid 5 km tunnis; See on jalakäija normaalne kiirus ja nii aeglaselt hiilivale sõidurajale pole raske siseneda. Selle kõrval, sees, kulgeb teine ​​sõidurada kiirusega 10 km tunnis. Otse seisvalt tänavalt sellele peale hüppamine oleks ohtlik, kuid esilehelt peale hüppamine ei maksa midagi. Tõepoolest: selle esimese triibu suhtes, roomates 5 km kiirusega, teeb teine, kiirusega 10 km tunnis joostes vaid 5 km tunnis; See tähendab, et liikumine esimesest teise on sama lihtne kui maapinnalt esimesse liikumine. Kolmas sõidurada liigub juba 15 km tunnikiirusega, kuid teiselt rajalt sellele ümberlülitumine pole muidugi keeruline. Sama lihtne on liikuda 20 km/h kiirusega sõites kolmandalt rajalt järgmisele, neljandale ja lõpuks sealt viiendale, kihutades juba 25 km/h. See viies rada viib reisija vajalikku punkti; siit, järjest ribalt ribale tagasi liikudes, maandub ta liikumatule maapinnale.

Joonis 6. Liikuvad kõnniteed.

Raske seadus

Ükski kolmest mehaanika põhiseadusest ei tekita ilmselt nii palju segadust kui kuulus “Newtoni kolmas seadus” – tegevuse ja reaktsiooni seadus. Kõik teavad seda, nad teavad, kuidas seda õigesti rakendada ka muudel juhtudel, kuid vähesed inimesed on vabad selle mõistmise ebaselgustest. Võib-olla, lugeja, sul oli õnn teda kohe mõista, kuid tunnistan, et mõistsin teda täielikult alles kümme aastat pärast esimest tutvust temaga.

Erinevate inimestega vesteldes veendusin rohkem kui korra, et enamus on valmis selle seaduse õigsust tunnistama vaid oluliste reservatsioonidega. Nad tunnistavad kergesti, et see kehtib liikumatute kehade kohta, kuid nad ei mõista, kuidas seda saab rakendada liikuvate kehade vastastikmõjule... Tegevus, ütleb seadus, on alati reaktsiooniga võrdne ja vastupidine. See tähendab, et kui hobune tõmbab vankrit, siis vanker tõmbab hobust sama jõuga tagasi. Aga siis peab käru paigale jääma: miks see ikka liigub? Miks need jõud ei tasakaalusta üksteist, kui nad on võrdsed?

Need on selle seadusega seotud tavalised segadused. Nii et seadus on vale? Ei, ta on täiesti tõsi; me saame sellest lihtsalt valesti aru. Jõud ei tasakaalusta üksteist lihtsalt seetõttu, et neid rakendatakse erinevatele kehadele: üks vankrile, teine ​​hobusele. Jõud on võrdsed, jah, aga kas võrdsetel jõududel on alati võrdne mõju? Kas võrdsed jõud annavad kõigile kehadele võrdse kiirenduse? Kas jõu mõju kehale ei sõltu kehast, sellest, kui palju "vastupanu" keha ise sellele jõule annab?

Kui järele mõelda, saab selgeks, miks hobune vankrit tirib, kuigi vanker tõmbab teda sama jõuga tagasi. Vankrile ja hobusele mõjuv jõud on igal hetkel võrdsed; aga kuna vanker liigub vabalt ratastel ja hobune toetub maapinnale, siis on arusaadav, miks vanker hobuse poole veereb. Mõelge ka sellele, et kui vanker ei vastanduks hobuse liikumapanevale jõule, siis... saaks ka ilma hobuseta hakkama: vankri peaks liikuma panema kõige nõrgem jõud. Hobust on siis vaja vankri vastuseisust ülesaamiseks.

Seda kõike saaks paremini mõista ja see tekitaks vähem hämmingut, kui seadust ei väljendataks tavalises lühivormis: "tegevus võrdub reaktsiooniga", vaid näiteks nii: "vastane jõud on võrdne tegutsemisega. jõud." Siin on ju võrdsed ainult jõud, aga teod (kui mõistame, nagu tavaliselt mõistetakse, keha liikumist “jõu toime” all) on tavaliselt erinevad, sest jõud rakenduvad erinevatele kehadele.

Samamoodi, kui polaarjää pigistas Tšeljuskini kere, surusid selle küljed jääle võrdse jõuga. Katastroof juhtus seetõttu, et võimas jää suutis sellisele survele vastu pidada ilma kokku varisemata; laeva kere, kuigi see oli terasest, kuid mitte kindel keha, alistus sellele jõule, purustati ja purustati. (Lisateavet Tšeljuskini surma füüsiliste põhjuste kohta kirjeldatakse eraldi artiklis leheküljel 44).

Isegi kehade kukkumine järgib rangelt reaktsiooniseadust. Õun kukub Maale, sest teda tõmbab maakera; kuid täpselt sama jõuga tõmbab õun enda poole kogu meie planeedi. Rangelt võttes langevad õun ja Maa teineteise peale, kuid selle kukkumise kiirus on õuna ja Maa puhul erinev. Võrdsed vastastikused tõmbejõud annavad õunale kiirenduse 10 m/s2 ja maakerale sama suure kiirenduse, kuivõrd maakera mass ületab õuna massi. Muidugi on maakera mass uskumatult palju kordi suurem kui õuna mass ja seetõttu saab Maa nii ebaolulise nihke, et seda võib praktiliselt pidada võrdseks nulliga. Sellepärast me ütleme, et õun kukub Maale, selle asemel, et öelda: "Õun ja Maa kukuvad üksteise peale").

Miks suri kangelane Svjatogor?

Kas mäletate rahvaeepost kangelasest Svjatogorist, kes otsustas maa üles tõsta? Legendi järgi oli ka Archimedes valmis sama vägitegu sooritama ja nõudis oma võimendusele tugipunkti. Kuid Svjatogor oli tugev ka ilma võimenduseta. Ta otsis ainult midagi, millest kinni haarata, midagi, millele oma kangelaslikud käed külge panna. "Niipea, kui ma veojõu leian, tõstaksin kogu Maa üles!" Võimalus avanes: kangelane leidis maast "sadulakoti", mis "ei peitu, ei voldi ega tõuse".

Kui Svjatogor oleks teadnud tegutsemise ja reaktsiooni seadust, oleks ta mõistnud, et tema maale rakendatud kangelaslik jõud põhjustab võrdse ja seega sama kolossaalse vastujõu, mis võib ta maasse tõmmata.

Igatahes on eeposest selgelt näha, et populaarne vaatlus on juba ammu märganud vastupanu, mida maa avaldab sellele toetudes. Inimesed rakendasid alateadlikult reaktsiooniseadust tuhandeid aastaid enne seda, kui Newton seda esimest korda oma surematus raamatus "Loodusfilosoofia matemaatilised alused" (st füüsika) välja kuulutas.

Kas on võimalik liikuda ilma toetuseta?

Kõndimisel surume jalaga maast või põrandast eemale; Te ei saa kõndida väga siledal põrandal ega jääl, millelt jalg ei saa eemale tõugata. Liikudes lükatakse vedur rööbastelt eemale tema “vedavate” rataste abil: kui rööpad õliga määrida, jääb vedur paigale. Mõnikord puistatakse isegi (jäistes oludes) rongi liigutamiseks veduri veorataste ees olevad rööpad spetsiaalse seadmega liivaga. Kui rattaid ja rööpaid (raudtee koidikul) valmistati hammasratastega, eeldati, et rattad peaksid rööbastelt maha suruma. Aurulaev lükatakse veest eemale külgratta või propelleri labade abil. Lennuk tõukab õhust eemale ka propelleri abil. Ühesõnaga, ükskõik mis meediumis objekt liigub, ta toetub sellele liikumise ajal. Kuid kas keha saab hakata liikuma ilma, et tal oleks väljaspool iseennast mingit tuge?

Näib, et sellise liigutuse poole püüdlemine on sama, mis üritab end juustest üles tõsta. Teatavasti on selline katse seni olnud edukas vaid parun Münchausenile. Vahepeal toimub just see võimatuna näiv liikumine sageli meie silme all. Tõsi, keha ei saa ennast täielikult liikuma panna ainult sisemiste jõudude toimel, kuid ta võib sundida osa oma ainest liikuma ühes suunas, ülejäänud aga vastupidises suunas. Mitu korda olete näinud lendavat raketti, kuid kas olete mõelnud küsimusele: miks see lendab? Raketis on meil selge näide täpselt sellisest liikumisest, mis meid praegu huvitab.

Miks rakett õhku tõuseb?

Ka füüsikat õppinud inimeste seas kuuleb raketi lennule sageli täiesti vale seletust: ta lendab, sest tõrjub teda õhust eemal püssirohu põlemisel tekkivad gaasid. Nii nad vanasti arvasid (raketid on vana leiutis). Kui aga õhuvabas ruumis raketi välja lasta, ei lendaks see halvemini ega isegi paremini kui õhus. Raketi liikumise tegelik põhjus on täiesti erinev. Seda ütles väga selgelt ja lihtsalt esimese märtsi revolutsionäär Kibalchich oma enesetapukirjas tema leiutatud lendavast masinast. Lahingurakettide konstruktsiooni selgitades kirjutas ta:

"Ühest põhjast suletud ja teisest avatud plekk-silindrisse on tihedalt sisestatud pressitud püssirohusilinder, mille teljel on kanali kujul tühimik. Püssirohu põlemine algab selle kanali pinnalt ja levib teatud aja jooksul pressitud püssirohu välispinnale; põlemisel tekkivad gaasid tekitavad survet igas suunas; kuid gaaside külgmised rõhud on vastastikku tasakaalus, samal ajal kui rõhk püssirohu tinakarbi põhjas, mida ei tasakaalusta vastupidine rõhk (kuna gaasidel on selles suunas vaba väljalaskeava), lükkab raketi edasi.

Siin juhtub sama, mis kahurist tulistades: mürsk lendab edasi ja kahur ise lükatakse tagasi. Pidage meeles relva ja üldse tulirelva "tagasilöögi"! Kui kahur rippuks õhus, mitte millegagi toetamata, liiguks see pärast tulistamist tagasi teatud kiirusega, mis on sama mitu korda väiksem kui mürsu kiirus, mitu korda on mürsk kahurist kergem. ise. Jules Verne’i ulmeromaanis “Tagurpidi” otsustasid ameeriklased isegi kasutada hiiglasliku kahuri tagasilöögijõudu, et viia ellu grandioosne ettevõtmine – “maa telg sirgeks”.

Rakett on sama kahur, ainult et see ei paiska mitte mürske, vaid pulbergaase. Samal põhjusel pöörleb nn hiina ratas, mida ilmselt ilutulestikku pannes imetlema juhtusid: püssirohu põlemisel ratta külge kinnitatud torudes voolavad gaasid ühes suunas välja ning torud ise (ja koos neile ratas) saavad vastupidise liikumise. Sisuliselt on tegu lihtsalt tuntud füüsilise seadme – Segneri ratta – modifikatsiooniga.

Huvitav on märkida, et enne aurulaeva leiutamist oli mehaanilise laeva konstruktsioon, mis põhines samal algul; veevaru laeval pidi vabastama tugeva survepumba abil ahtris; selle tulemusena pidi laev edasi liikuma nagu need ujuvad tinad, mis on kättesaadavad, et kooli füüsikaklassides kõnealust põhimõtet tõestada. Seda projekti (pakkus välja Remsey) ei rakendatud, kuid see mängis aurulaeva leiutamisel tuntud rolli, kuna andis Fultonile idee.

Joonis 7. Vanim aurumasin (turbiin), mis omistati Aleksandria Heronile (2. sajand eKr).

Joonis 8. Newtonile omistatud auruauto.

Joonis 9. Paberist ja munakoortest mänguauruti. Kütuseks on sõrmkübarasse valatud alkohol. “Aurukatla” august väljuv aur (puhutud muna) paneb aurulaeva vastupidises suunas sõitma.

Teame ka seda, et kõige iidseim aurumasin, mille leiutas Aleksandria Heron 2. sajandil eKr, oli konstrueeritud samal põhimõttel: katlast väljuv aur (joon. 7) voolas toru kaudu horisontaalteljele paigaldatud kuuli. ; siis vändatavatest torudest välja voolates lükkas aur need torud vastupidises suunas ja pall hakkas pöörlema. Kahjuks jäi Heroni auruturbiin iidsetel aegadel vaid uudishimulikuks mänguasjaks, kuna orjatöö odavus ei julgustanud kedagi masinaid praktilisel kasutusele võtma. Kuid põhimõtet ennast pole tehnoloogia hüljanud: meie ajal kasutatakse seda reaktiivturbiinide ehitamisel.

Toime- ja reaktsiooniseaduse autorile Newtonile on omistatud üks varasemaid auruautode konstruktsioone, mis põhines samal põhimõttel: ratastele asetatud boilerist tormab aur ühes suunas ja boiler ise, tänu. tagasilöögiks, veereb vastupidises suunas (joon. 8) .

Rakettautod, mille katsetest 1928. aastal ajalehtedes ja ajakirjades laialdaselt kirjutati, on Newtoni vankri kaasaegne modifikatsioon.

Kellele meeldib meisterdada, siis siin on joonis paberist aurulaevast, mis on samuti väga sarnane Newtoni vankriga: aurukatlas tekib tühjendatud munast aur, mida kuumutatakse sõrmkübaras piirituses leotatud vatiga; põgenedes ojana ühes suunas, sunnib see kogu auriku vastassuunas liikuma. Selle õpetliku mänguasja ehitus nõuab aga väga osavaid käsi.

Kuidas seepia liigub?

Teile on imelik kuulda, et on päris palju elusolendeid, kelle jaoks kujuteldav "ennast juustest tõstmine" on tavaline vees liikumise viis.

Joonis 10. Seepia ujumine liikumine.

Seepia ja üldiselt enamus peajalgseid liiguvad vees nii: nad viivad külgpilu ja keha ees oleva spetsiaalse lehtri kaudu vett lõpuseõõnde ning viskavad seejärel energiliselt läbi nimetatud lehtri veejoa välja; samal ajal saavad nad vastavalt reaktsiooniseadusele tagasitõuke, mis on piisav, et ujuda üsna kiiresti, keha tagumine pool ettepoole. Seepia võib aga lehtritoru külili või tahapoole suunata ning sealt kiiresti vett välja pigistades liikuda suvalises suunas.

Meduuside liikumine põhineb samal asjal: lihaseid kokku tõmmates surub ta kellukese keha alt vee välja, saades vastu tõuke vastupidises suunas. Sarnast tehnikat kasutatakse salpide, kiilivastsete ja teiste veeloomade liikumisel. Ja ikka kahtlesime, kas niimoodi liikuda saab!

Mis võiks olla ahvatlevam kui lahkuda maakeralt ja reisida läbi tohutu universumi, lennates Maalt Kuule, planeedilt planeedile? Kui palju ulmeromaane on sel teemal kirjutatud! Kes poleks viinud meid väljamõeldud teekonnale läbi taevakehade! Voltaire filmis Micromegas, Jules Verne filmis A Trip to the Moon ja Hector Servadac, Wells filmis The First Men on the Moon ja paljud nende jäljendajad tegid kõige huvitavamad rännakud taevakehadesse – loomulikult unenägudes.

Kas tõesti ei saa kuidagi seda ammust unistust teoks teha? Kas kõik nii ahvatleva tõepärasusega romaanides kujutatud geniaalsed projektid on tõesti võimatud? Tulevikus räägime rohkem fantastilistest planeetidevahelise reisimise projektidest; Nüüd tutvume selliste lendude tegeliku projektiga, mille pakkus esmakordselt välja meie kaasmaalane K. E. Tsiolkovski.

Kas lennukiga on võimalik Kuule lennata? Muidugi mitte: lennukid ja õhulaevad liiguvad ainult seetõttu, et nad toetuvad õhule, on sellest eemale tõugatud ning Maa ja Kuu vahel pole õhku. Globaalses ruumis ei ole üldiselt piisavalt tihedat keskkonda, millele "planetidevaheline õhulaev" tugineda saaks. See tähendab, et peame välja mõtlema seadme, mis oleks võimeline liikuma ja olema juhitav ilma millelegi tuginemata.

Oleme juba tuttavad sarnase mürsuga mänguasja kujul - rakett. Miks mitte ehitada tohutu rakett, kus on spetsiaalne ruum inimestele, toiduvarud, õhupaagid ja kõik muu? Kujutage ette, et raketis olevad inimesed kannavad endaga kaasas suures koguses tuleohtlikke aineid, mis võivad plahvatusohtlike gaaside väljavoolu suunata mis tahes suunas. Saate tõelise juhitava taevalaeva, millel saate seilata kosmilise kosmose ookeanis, lennata Kuule, planeetidele... Reisijad saavad plahvatusi kontrollides suurendada selle planeetidevahelise õhulaeva kiirust vajalik järkjärgulisus, et kiiruse suurenemine oleks neile kahjutu. Kui nad tahavad mõnele planeedile laskuda, saavad nad oma laeva pöörates mürsu kiirust järk-järgult vähendada ja seeläbi langemist nõrgendada. Lõpuks saavad reisijad samamoodi Maale naasta.

Joonis 11. Planeetidevahelise õhulaeva projekt, mis on konstrueeritud nagu rakett.

Meenutagem, kuidas hiljuti tegi lennundus oma esimesed arglikud edusammud. Ja nüüd lendavad lennukid juba kõrgel õhus, lennates üle mägede, kõrbete, mandrite ja ookeanide. Võib-olla õitseb astronavigatsioon kahe-kolme aastakümne pärast sama suurejooneliselt? Siis murrab inimene nähtamatud ahelad, mis on teda nii kaua oma koduplaneedi külge aheldanud, ja tormab universumi piiritusse avarustesse.

Teine peatükk

JÕUD. TÖÖ. HÕRDUMINE.

Luige, vähi ja haugi probleem

Lugu sellest, kuidas “luik, jõevähk ja haug pagasikoormat vedama hakkasid”, on kõigile teada. Kuid vaevalt keegi püüdis seda muinasjuttu mehaanilisest vaatenurgast käsitleda. Tulemus pole sugugi sarnane fabulist Krylovi järeldusega.

Meie ees on mehaaniline probleem, mis hõlmab mitme üksteise suhtes nurga all mõjuva jõu liitmist. Jõudude suund on faabulas määratletud järgmiselt:

... Luik tormab pilvedesse,

Vähid liiguvad tagasi ja haug tõmbab vette.

See tähendab (joonis 12), et üks jõud, luige tõukejõud, on suunatud ülespoole; teine, haugi tõukejõud (OV), - külili; kolmandaks vähi tõukejõud (CR), - tagasi. Ärgem unustagem, et on ka neljas jõud – käru raskus, mis on suunatud vertikaalselt allapoole. Muinasjutt väidab, et "käru on endiselt alles", teisisõnu, et kõigi vankrile rakendatud jõudude resultant on võrdne nulliga.

On see nii? Vaatame. Pilvede poole tormav luik ei sega vähkide ja haugi tööd, vaid isegi aitab neid: luige tõukejõud, mis on suunatud gravitatsioonile, vähendab rataste hõõrdumist maapinnal ja telgedel, kergendades seeläbi rataste raskust. käru ja võib-olla isegi selle täielikku tasakaalustamist - lõppude lõpuks on koorem väike ("pagas tundub neile kerge"). Eeldades lihtsuse mõttes viimast juhtumit, näeme, et järele jääb vaid kaks jõudu: vähi tõuge ja haugi tõukejõud. Nende jõudude suuna kohta öeldakse, et "vähk liigub tagasi ja haug tõmbab vette." Ütlematagi selge, et vesi ei olnud käru ees, vaid kuskil külje peal (Krylovi töömehed ei kavatsenud käru uputada!). See tähendab, et vähi ja haugi jõud on suunatud üksteise suhtes nurga all. Kui rakendatavad jõud ei asu samal sirgel, ei saa nende resultant mingil juhul olla võrdne nulliga.

Joonis 12. Krylovi luige, vähi ja haugi probleem, lahendatud mehaanika reeglite järgi. Tulemus (OD) peaks vedama vankri jõkke.

Mehaanika reeglite kohaselt ehitame rööpküliku nii jõule OB kui ka OS, mille diagonaal OD annab resultandi suuna ja suuruse. On selge, et see resultantjõud peab käru oma kohalt liigutama, eriti kuna selle raskus on täielikult või osaliselt tasakaalustatud luige tõukejõuga. Teine küsimus on, et millises suunas käru liigub: edasi, taha või külili? See sõltub jõudude vahekorrast ja nendevahelise nurga suurusest.

Lugejad, kellel on jõudude lisamise ja laiendamise praktikat, saavad kergesti aru juhtumist, kui luige jõud ei tasakaalusta vankri raskust; nad on veendunud, et vanker ei saa ka siis liikumatult püsida. Ainult ühel tingimusel ei tohi vanker liikuda nende kolme jõu mõjul: kui hõõrdumine selle telgedel ja vastu teepinda on suurem kui rakendatud jõud. Kuid see ei nõustu väitega, et "pagas näib neile kerge".

Igal juhul ei saanud Krylov kindlalt väita, et "asjad ikka liiguvad", et "asjad on endiselt alles". See aga ei muuda muinasjutu tähendust.

Vastupidiselt Krylovile

Äsja nägime, et mehaanikas ei kehti alati Krylovi igapäevane reegel: "kui seltsimeeste vahel pole kokkulepet, ei lähe neil asjad hästi". Jõud saab suunata rohkem kui ühte suunda ja sellele vaatamata anda teatud tulemuse.

Vähesed teavad, et kõvad tegijad – sipelgad, keda seesama Krylov kiitis kui eeskujulikke töötajaid, teevad koostööd just nii, nagu fabulist naeruvääristas. Ja üldiselt läheb neil asjad hästi. Taas tuleb appi jõudude liitmise seadus. Sipelgaid nende töötamise ajal tähelepanelikult jälgides näete peagi, et nende intelligentne koostöö on vaid näiline: tegelikult töötab iga sipelgas iseenda jaoks, isegi mõtlemata teiste abistamisele.

Üks zooloog kirjeldab sipelgate tööd järgmiselt:

“Kui kümmekond sipelgat tassib suurt saaki mööda tasapinda, siis kõik käituvad ühtemoodi ja tulemuseks on koostöö. Aga saak - näiteks röövik - sattus mõne takistuse, muru varre, kivikese otsa. Te ei saa seda edasi lohistada, peate sellest mööda minema. Ja siin ilmneb selgelt, et iga sipelgas püüab omal moel ja kaaslastele vastamata takistusega toime tulla (joon. 13 ja 14). Üks lohiseb paremale, teine ​​vasakule; üks lükkab ette, teine ​​tõmbab tagasi. Nad liiguvad ühest kohast teise, haaravad teises kohas rajast kinni ja kumbki lükkab või tõmbab omal moel. Kui juhtub, et tööliste jõud on moodustatud nii, et neli sipelgat liigutavad röövikut ühes ja kuus teises suunas, siis lõpuks liigub röövik vaatamata nelja vastuseisule täpselt nende kuue sipelga suunas. ”

Toome (laenatud teiselt uurijalt) veel ühe õpetliku näite, mis seda sipelgate mõttelist koostööd ilmekalt illustreerib. Joonisel fig. Joonisel 15 on kujutatud ristkülikukujulist juustutükki, millest on kinni haaranud 25 sipelgat. Juust liikus aeglaselt noolega A näidatud suunas ja võiks arvata, et sipelgate esijoon tõmbas koormat enda poole, tagajoon lükkas seda ette, külgmised sipelgad aga abistasid mõlemat. Kuid see pole nii, mida on lihtne kontrollida: kasutage nuga, et eraldada kogu tagumine auaste - koorem roomab palju kiiremini! On selge, et need 11 sipelgat tõmbasid tahapoole, mitte ettepoole: igaüks neist püüdis koormat pöörata nii, et taganedes tõmbaks selle pesa poole. See tähendab, et tagumised sipelgad mitte ainult ei aidanud eesmisi, vaid segasid neid usinalt, hävitades nende pingutused. Selle juustutüki lohistamiseks piisaks vaid nelja sipelga pingutusest, kuid tegevuse ebajärjekindlus viib selleni, et koormat veab 25 sipelgat.

Joonis 13. Kuidas sipelgad röövikut lohistavad.

Joonis 14. Kuidas sipelgad saaki tõmbavad. Nooled näitavad üksikute sipelgate pingutussuundi.

Joonis 15. Kuidas sipelgad üritavad juustutükki lohistada noole A suunas asuvasse sipelgapesasse.

Seda sipelgate ühistegevuse omadust märkas Mark Twain juba ammu. Rääkides kahe sipelga kohtumisest, kellest üks leidis rohutirtsu jala, ütleb ta: „Nad võtavad jalast mõlemast otsast kinni ja tõmbavad kõigest jõust vastassuundadesse. Mõlemad näevad, et midagi on valesti, kuid ei saa aru, mis. Algab vastastikune nääklemine; vaidlus läheb üle kakluseks... Toimub leppimine ning taas algab ühine ja mõttetu töö, kus võitluses haavatud seltsimees on vaid takistuseks. Püüdes kõigest jõust, veab terve seltsimees koormat ja koos sellega ka haavatud sõpra, kes saagist loobumise asemel selle küljes ripub. Naljatamisi teeb Twain täiesti õige tähelepaneku, et "sipelgas töötab hästi ainult siis, kui teda jälgib kogenematu loodusteadlane, kes teeb valesid järeldusi."

Kas munakoori on lihtne purustada?

Filosoofiliste küsimuste hulgas, mille üle mõtlik Kifa Mokievitš filmist "Surnud hinged" oma tarka pead raputas, oli järgmine probleem: "Noh, kui elevant sünniks munas, sest koor, tee, oleks väga paks, siis võiksite. t lüüa seda kahuriga; me peame leiutama uue tulirelva."

Gogoli filosoof oleks ilmselt päris hämmastunud, kui oleks saanud teada, et ka tavaline munakoor pole oma kõhnusele vaatamata kaugeltki õrn asi. Muna ei ole nii lihtne peopesade vahel purustada, vajutades selle otstele; Sellistes tingimustes kesta purustamine nõuab palju vaeva.

Munakoore selline erakordne tugevus sõltub ainult selle kumerast kujust ja seda seletatakse samamoodi nagu igasuguste võlvide ja kaarte tugevust.

Lisatud joonisel fig. 17 on kujutatud väikest kivivõlvi akna kohal. Kiilukujulisele kaare keskmisele kivile suruv koormus S (ehk müüritise katvate osade kaal) surub alla jõuga, mida joonisel näitab nool A. Kuid kivi ei saa liikuda. alla kiilukujulise kuju tõttu; see avaldab survet ainult naaberkividele. Sel juhul jaotatakse jõud A rööpkülikureegli järgi kaheks jõuks, mida tähistavad nooled C ja B; neid tasakaalustab külgnevate kivide vastupanu, omakorda naaberkivide vahele. Seega ei saa võlvi väljastpoolt suruv jõud seda hävitada. Kuid seestpoolt mõjuva jõuga on seda suhteliselt lihtne hävitada. See on viga, kuna kivide kiilukujuline kuju, mis takistab nende kukkumist, ei takista vähimalgi määral kerkimist.

Joonis 16. Selles asendis muna murdmiseks kulub märkimisväärne jõud.

Joonis 17. Kaare tugevuse põhjus.

Munakoor on samasugune võlv, ainult tahke. Välise survega kokku puutudes ei lagune see nii kergesti, kui nii rabedalt materjalilt eeldaks. Neljale toorele munale saate asetada üsna raske jalgadega laua - ja need ei purune (stabiilsuse tagamiseks peate munad varustama otstes krohvipikendustega; krohv kleepub kergesti lubjakoore külge).

Nüüd saate aru, miks kana ei pea oma keharaskusega oma munade kestad purustama. Ja samas murrab nõrk tibu, kes soovib loomulikust vanglast välja pääseda, nokaga kesta seestpoolt kergelt katki.

Munakoort teelusika külglöögiga hõlpsalt purustades pole meil õrna aimugi, kui tugev see on, kui sellele looduslikes tingimustes surve avaldab, ning millise usaldusväärse turvisega on loodus selles arenevat elusolendit kaitsnud.

Pealtnäha nii õrnade ja habraste lambipirnide salapärane tugevus on seletatav samamoodi nagu munakoorte tugevus. Nende tugevus muutub veelgi hämmastavamaks, kui meenutame, et paljud neist (õõnsad, mitte gaasiga täidetud) on peaaegu täiesti tühjad ja miski seestpoolt ei tõrju välisõhu survet. Ja õhurõhu hulk elektripirnil on arvestatav: 10 cm läbimõõduga pirn surutakse mõlemalt poolt kokku jõuga üle 75 kg (inimese kaal). Kogemus näitab, et õõnes pirn talub isegi 2,5 korda suuremat survet.

Purjetamine vastutuult

Raske on ette kujutada, kuidas purjelaevad saavad “vastutuult” või, nagu meremehed ütlevad, “lähedalt vedada”. Tõsi, meremees ütleb sulle, et otse vastutuult purjetada ei saa, vaid liikuda saab ainult terava nurga all tuule suuna suhtes. Kuid see nurk on väike - umbes veerand täisnurka - ja võib-olla tundub sama arusaamatu: kas sõita otse vastutuult või selle suhtes 22° nurga all.

Tegelikkuses pole see aga ükskõikne ja nüüd selgitame, kuidas on võimalik tuule jõul kerge nurga all selle poole liikuda. Kõigepealt mõelgem, kuidas tuul üldiselt purjele mõjub, st kuhu ta purje peale puhudes surub. Tõenäoliselt arvate, et tuul lükkab purje alati selles suunas, kuhu see puhub. Kuid see pole nii: kus iganes tuul puhub, surub ta purje purje tasapinnaga risti. Tõepoolest: laske tuulel puhuda nooltega näidatud suunas joonisel fig. 18; joon AB tähistab purje. Kuna tuul surub ühtlaselt kogu purje pinnale, asendame tuulesurve purje keskele rakendatava jõuga R. Jagame selle jõu kaheks: jõud Q, mis on purjega risti, ja jõud P, mis on suunatud mööda seda (joonis 18, paremal). Viimane jõud ei lükka purje kuhugi, kuna tuule hõõrdumine lõuendil on tühine. Jõud Q jääb alles, mis surub purje selle suhtes täisnurga all.

Seda teades saame kergesti aru, kuidas purjelaev saab sõita terava nurga all tuule poole. Olgu joon KK (joonis 19) tähistab laeva kiilujoont. Tuul puhub selle joone suhtes terava nurga all nooltega näidatud suunas. Joon AB tähistab purje; see asetatakse nii, et selle tasapind poolitab nurga kiilu suuna ja tuule suuna vahel. Jälg joonisel fig. 19 vägede lagunemise eest. Esitame tuule survet purjele jõuga Q, mis, nagu me teame, peab olema purjega risti. Jagame selle jõu kaheks: jõuks R, mis on risti kiiluga, ja jõuks S, mis on suunatud edasi piki aluse kiilujoont. Kuna laeva liikumine suunas R puutub kokku tugeva vee vastupanuga (purjelaevadel on kiil väga sügav), siis on jõud R peaaegu täielikult vee takistusega tasakaalus. Jääb vaid üks jõud S, mis, nagu näha, on suunatud ettepoole ja liigutab seetõttu laeva viltu, justkui tuule poole. Tavaliselt tehakse seda liigutust siksakidena, nagu on näidatud joonisel fig. 20. Meremeeste keeles nimetatakse sellist laeva liikumist "tacking" selle sõna kitsas tähenduses.

Joonis 18. Tuul surub purje alati oma tasapinnaga täisnurga all.

Joonis 19. Kuidas purjetada vastutuult.

Joonis 20. Purjelaeva loovutamine.

Kas Archimedes võiks Maa tõsta?

"Anna mulle tugipunkt ja ma tõstan Maa üles!" - legend omistab selle hüüatuse Archimedesele, antiikaja hiilgavale mehaanikule, kes avastas kangi seadused.

Joonis 21. "Archimedes tõstab maad kangiga." Graveering Varignoni raamatust (1787) mehaanika kohta.

“Kunagi kirjutas Archimedes,” loeme Plutarchost, “Syracuse kuningale Hieronile, kellele ta oli sugulane ja sõber, et selle jõuga saab liigutada mis tahes koormat. Tõendite tugevuse tõttu lisas ta, et kui oleks olnud veel üks Maa, oleks ta meie oma sinna kolinud.

Archimedes teadis, et pole olemas koormat, mida ei saaks kangi kasutamisel tõsta kõige nõrgema jõuga: tuleb lihtsalt see jõud rakendada kangi väga pikale õlale ja sundida lühikest kätt koormale mõjuma. Seetõttu arvas ta, et kangi ülipikale õlale vajutades saab käte jõuga tõsta ka koormat, mille mass võrdub maakera massiga.

Aga kui antiikaja suur mehaanik oleks teadnud, kui tohutu on maakera mass, oleks ta ilmselt hoidunud oma uhkest hüüatusest. Kujutagem korraks ette, et Archimedesele anti see “teine ​​Maa”, see tugipunkt, mida ta otsis; Kujutagem edasi, et ta on valmistanud vajaliku pikkusega kangi. Kas teate, kui kaua kuluks tal massilt võrdse koorma tõstmiseks maakerale vähemalt ühe sentimeetri võrra? Vähemalt kolmkümmend tuhat miljardit aastat!

Tõepoolest. Maa mass on astronoomidele teada; sellise massiga keha kaaluks Maal umbes 6 000 000 000 000 000 000 000 tonni.

Kui inimene suudab otse tõsta vaid 60 kg, siis peab ta “Maa tõstmiseks” panema käed kangi pikale käele, mis on 100 000 000 000 000 000 000 000 korda suurem kui lühike!

Lihtne arvutus veenab teid, et kui lühikese käe ots tõuseb 1 cm, siis teine ​​ots kirjeldab tohutut kaare pikkust 1000 000 000 000 000 000 km universumis.

Nii kujuteldamatult pika distantsi tuleks kangile vajutava Archimedese käega läbida, et „Maad vaid ühe sentimeetri võrra üles tõsta“! Kui kaua see aega võtab? Kui oletada, et Archimedes suutis 60 kg raskuse koormuse ühe sekundiga 1 m kõrgusele tõsta (kasutegur peaaegu terve hobujõud!), siis isegi siis kulub “Maa tõstmiseks” 1000 000 000 000 000 000 000 sekundit. 1 cm võrra ehk kolmkümmend tuhat miljardit aastat! Kogu oma pika eluea jooksul poleks kangile vajutav Archimedes "Maad tõstnud" isegi kõige õhemate juuste paksuse võrra...

Ükski geniaalse leiutaja trikk poleks aidanud tal seda perioodi märgatavalt lühendada. “Mehaanika kuldreegel” ütleb, et igal masinal kaasneb jõuvõimendusega paratamatult vastav liikumispikkuse ehk aja vähenemine. Isegi kui Archimedes oleks oma käe kiiruse viinud suurima looduses võimaliku kiiruseni - kuni 300 000 km sekundis (valguse kiirus), siis isegi sellise fantastilise oletuse korral oleks ta "Maad tõstnud" vaid 1 cm võrra. pärast kümne miljoni tööaastat .

Jules Vernovi jõumees ja Euleri valem

Kas mäletate Jules Verne'i jõumeest-sportlast Mathifat? “Suurepärane pea, võrdeline hiiglasliku pikkusega; rinnus nagu sepalõõts; jalad - nagu korralikud palgid, käed - tõelised tõstetäpid, rusikad nagu haamrid...” Tõenäoliselt meenub romaanis „Mathias Sapdorf” kirjeldatud vägilase vägitegudest hämmastav juhtum laevaga „Trabokolo”, kui meie võimsate jõukätega hiiglane lükkas kogu laeva laskumise edasi.

Siin on kirjanik, kuidas sellest saavutusest räägib:

«Laev, mis oli juba vabastatud seda külgedelt toetavatest tugedest, oli veeskamiseks valmis. Piisas sildumiskohtade eemaldamisest, et laev hakkaks alla libisema. Laeva kiilu all töötas juba pool tosinat puuseppa. Pealtvaatajad jälgisid operatsiooni elava uudishimuga. Sel hetkel ilmus rannikuäärel ringi sõitev lõbusõidulaev. Sadamasse sisenemiseks pidi jaht mööduma laevatehase eest, kus valmistati ette Trabocolo kaatrit ning kohe pärast signaali andmist tuli õnnetuste vältimiseks vettelaskmine edasi lükata. naaske tööle pärast jahi sisenemist kanalisse. Kui laevad – üks seisis risti, teine ​​liikus suure kiirusega – oleks kokku põrganud, oleks jaht hukkunud.

Töölised lõpetasid löömise. Kõikide pilgud olid suunatud graatsilisele laevale, mille valged purjed tundusid kaldus Päikesekiirtes kullatud. Peagi leidis jaht end otse laevatehase vastas, kuhu tardus tuhandepealine uudishimulik rahvahulk. Järsku kostis õudushüüd: Trabocolo kõikus ja hakkas liikuma just sel hetkel, kui jaht tüürpoordi tema poole pööras! Mõlemad laevad olid valmis kokkupõrkeks; ei olnud aega ega võimalust seda kokkupõrget ära hoida. Trabocolo libises kiiresti kallakust alla... Hõõrdumise tagajärjel tekkinud valge suits keerles selle vööri ette, samal ajal kui ahter juba sukeldus lahe vette (laev laskus esimesena ahtrist alla - Ya. P.).

Järsku ilmub välja mees, kes haarab Trabocolo esiosas rippuvast sildumisnöörist kinni ja püüab seda maapinnale kummardades kinni hoida. Ühe minutiga keerab ta sildumiskohad ümber maasse löödud raudtoru ning muljumise ohus hoiab köit üliinimliku jõuga käes 10 sekundit. Lõpuks murduvad sildumiskohad. Kuid sellest 10 sekundist piisas: vette sukeldunud Trabocolo puudutas jahti vaid kergelt ja tormas edasi.

Jaht päästeti. Mis puutub inimesesse, kellele keegi isegi ei jõudnud appi tulla – kõik juhtus nii kiiresti ja ootamatult –, see oli Matifu.

Mehaanika õpetab, et kui pollari ümber keritud köis libiseb, saavutab hõõrdejõud suure väärtuse. Mida suurem on köie pöörete arv, seda suurem on hõõrdumine; suureneva hõõrdumise reegel on selline, et pöörete arvu suurenemisega aritmeetilises progressioonis suureneb hõõrdumine geomeetrilises progressioonis. Seetõttu suudab ka nõrk laps, hoides paigalseisvale võllile 3-4 korda keritud köie vabast otsast kinni, tohutut jõudu tasakaalustada.

Jõeaurulaevade kaidel kasutavad teismelised seda tehnikat, et peatada sadade reisijatega aurulaevad, mis kaidele lähenevad. Neid ei aita mitte käte fenomenaalne tugevus, vaid trossi hõõrdumine vaiale.

Kuulus 18. sajandi matemaatik Euler tegi kindlaks hõõrdejõu sõltuvuse trossi keerdude arvust ümber vaia. Neile, keda algebraliste avaldiste tihendatud keel ei hirmuta, esitame selle õpetliku Euleri valemi:

Siin on F jõud, mille vastu meie pingutus f on suunatud. Täht e tähistab arvu 2,718... (naturaallogaritmide alus), k on hõõrdetegur köie ja statiivi vahel. Täht a tähistab "mähkimisnurka", st köiega kaetud kaare pikkuse ja selle kaare raadiuse suhet.

Rakendame valemit Jules Verne'i kirjeldatud juhtumile. Tulemus saab olema hämmastav. Jõud F on sel juhul piki dokki libiseva laeva tõmbejõud. Laeva kaal romaanist on teada: 50 tonni. Olgu ellingu kalle 0,1; siis ei mõjunud trossile mitte laeva täismass, vaid sellest 0,1, s.o 5 tonni ehk 5000 kg.

Kõigi nende väärtuste asendamine ülaltoodud Euleri valemiga annab võrrandi

Tundmatu f (st vajaliku jõu suuruse) saab määrata selle võrrandi alusel, kasutades logaritme:

Lg 5000 = lg f + 2n lg 2,72, kust f = 9,3 kg.

Nii pidi hiiglane vägiteo sooritamiseks köit tõmbama vaid 10 kilogrammi jõuga!

Ärge arvake, et see arv - 10 kg - on ainult teoreetiline ja et tegelikkuses on vaja palju rohkem pingutada. Vastupidi, meie tulemus on isegi liialdatud: kanepiköie ja puuhunnikuga, kui hõõrdetegur k on suurem, on vajaminev jõud naeruväärselt tühine. Kui ainult köis oli piisavalt tugev ja talus pingeid, siis isegi nõrk laps, kes oli köit 3-4 korda kerinud, mitte ainult ei korrata Jules Verne'i kangelast, vaid ka ületab teda.

Mis määrab sõlmede tugevuse?

Igapäevaelus, isegi teadmata, kasutame sageli eeliseid, mida Euleri valem meile näitab. Mis on sõlm, kui mitte ümber rulli keeratud nöör, mille rolli täidab antud juhul sama nööri teine ​​osa? Igasuguste sõlmede – tavaliste, “lehtla”, “meri”, lipsude, vibude jne – tugevus sõltub ainult hõõrdumisest, mida siin suurendab oluliselt asjaolu, et pits keerdub enda ümber nagu köis ümber. kapp. Seda on lihtne kontrollida, järgides sõlmes oleva pitsi painutusi. Mida rohkem painutusi, mida rohkem kordi nöör enda ümber keerdub, seda suurem on “kerimisnurk” ja seega ka tugevam sõlm.

Rätsep kasutab alateadlikult ära sama asjaolu nööbi külge õmmeldes. Ta mähib niidi mitu korda ümber pistega kinni jäänud materjali ala ja katkestab selle; Kui ainult niit on tugev, siis nööp ära ei tule. Siin kehtib meile juba tuttav reegel: niidi keerdude arvu suurenemisega aritmeetilises progressioonis suureneb õmblustugevus geomeetrilises progressioonis.

Kui hõõrdumist poleks, ei saaks me nuppe kasutada: niidid rullusid oma raskuse all lahti ja nööbid kukuvad maha.

Kui hõõrdumist poleks

Näed, kuidas hõõrdumine meid ümbritsevas keskkonnas mitmel ja kohati ootamatul moel avaldub. Hõõrdumine osaleb ja seejuures väga oluline, kus me isegi ei kahtlusta seda. Kui hõõrdumine järsku maailmast kaoks, kulgeksid paljud tavalised nähtused hoopis teistmoodi.

Prantsuse füüsik Guillaume kirjutab hõõrdumise rollist väga värvikalt:

“Oleme kõik pidanud väljas käima jäistes tingimustes: kui palju oli meil vaja pingutada, et kukkuda, kui palju naljakaid liigutusi pidime püsti seismiseks tegema! See sunnib meid mõistma, et tavaliselt on maapinnal, millel me kõnnime, väärtuslik omadus, mis võimaldab meil säilitada tasakaalu ilma suurema pingutuseta. Sama mõte tuleb meile pähe, kui sõidame jalgrattaga libedal kõnniteel või kui hobune libiseb asfaldil ja kukub. Selliseid nähtusi uurides jõuame tagajärgede avastamiseni, milleni hõõrdumine kaasa toob. Insenerid püüavad seda võimalikult palju autodes kõrvaldada – ja teevad head tööd. Rakendusmehaanikas räägitakse hõõrdumisest kui äärmiselt ebasoovitavast nähtusest ja see on õige, kuid ainult kitsas erivaldkonnas. Kõigil muudel juhtudel peaksime olema tänulikud hõõrdumise eest: see annab meile võimaluse kõndida, istuda ja töötada, kartmata, et raamatud ja tindipott kukuvad põrandale või laud libiseb kuni nurka või pliiats libiseb meie käest. sõrmed.

Hõõrdumine on nii tavaline nähtus, et harvade eranditega ei pea me seda appi kutsuma: see tuleb meieni iseenesest.

Hõõrdumine soodustab stabiilsust. Puusepad tasandavad põrandat nii, et lauad ja toolid jääksid sinna, kus need asetati. Lauale asetatud nõud, taldrikud, klaasid jäävad liikumatuks ilma meiepoolse erilise mureta, kui see just laeval kiigutamise ajal ei juhtu.

Kujutagem ette, et hõõrdumist saab täielikult kõrvaldada. Siis ei saa ükski keha, olgu need rahnu suurused või väikesed nagu liivaterad, kunagi üksteisele toetuda: kõik libiseb ja veereb, kuni jõuab samale tasemele. Kui hõõrdumist poleks, oleks Maa ebakorrapärasusteta kera nagu vedelik.

Sellele võib lisada, et hõõrdumise puudumisel lipsaksid naelad ja kruvid seintest välja, ainsatki asja ei saaks käes hoida, ükski keeristorm ei lakkaks, ükski heli ei lakkaks, vaid kajas lõputult, kajab. lakkamatult, näiteks toa seintelt.

Must jää annab meile iga kord objektiõpetuse, mis veenab meid hõõrdumise tohutus tähtsuses. Tänaval talle vahele jäädes avastame end abituna ja oleme alati kukkumisohus. Siin on õpetlik väljavõte ajalehest (detsember 1927):

“London 21. Tugeva jää tõttu on tänava- ja trammiliiklus Londonis märgatavalt raskendatud. Ligikaudu 1400 inimest viidi haiglatesse, kellel olid käe-, jalaluumurrud jne.“

Joonis 22. Ülal - koormatud kelgud jäisel teel; kaks hobust veavad 70 tonni lasti. All on jäine tee; A - rada; B - libisemine; C - tihendatud lumi; D - tee muldpõhi.

"Hyde Parki lähedal toimunud kokkupõrkes kolme auto ja kahe trammivaguni vahel hävisid autod bensiini plahvatuse tõttu täielikult..."

"Pariis 21. Jää Pariisis ja selle eeslinnades põhjustas arvukalt õnnetusi..."

Siiski saab jääl tekkinud tühist hõõrdumist tehniliselt edukalt ära kasutada. Selle näiteks on juba tavalised kelgud. Seda tõestavad veelgi paremini nn jääteed, mis olid korrastatud puidu transportimiseks raieplatsilt raudteele või parvetamispunktidesse. Sellisel teel (joon. 22), millel on siledad jäärööpad, tõmbavad kaks hobust 70 tonni palke koormatud saani.

Tšeljuskini katastroofi füüsiline põhjus

Nüüd öeldu põhjal ei tohiks kiirustada järeldusega, et jää hõõrdumine on igal juhul tühine. Isegi nullilähedasel temperatuuril on hõõrdumine jääga sageli üsna märkimisväärne. Seoses jäämurdjate tööga uuriti hoolega polaarmere jää hõõrdumist laeva terasplaadistusel. Selgus, et see oli ootamatult suur, mitte vähem kui raua hõõrdumine raual: uue teraslaeva hõõrdetegur jääle on 0,2.

Et mõista, kui oluline on see arv laevade jaoks jääl sõitmisel, vaatame joonist fig. 23; see kujutab jäärõhu all laeva küljele MN mõjuvate jõudude suunda. Jää survejõud P jaguneb kaheks jõuks: R, mis on lauaga risti, ja F, mis on suunatud lauaga puutuja suunas. P ja R vaheline nurk on võrdne külje vertikaali kaldenurga a nurgaga. Jää hõõrdejõud Q küljel on võrdne jõuga R korrutatuna hõõrdeteguriga, st 0,2-ga; meil on: Q = 0,2R. Kui hõõrdejõud Q on väiksem kui F, tõmbab viimane jõud tõukavat jääd vee alla; jää libiseb mööda parda, ilma et oleks aega laevale kahju tekitada. Kui jõud Q on suurem kui F, häirib hõõrdumine jäätüki libisemist ning jää võib pikaajalisel survel muljuda ja külgpinnast läbi suruda.

Joonis 23. “Tšeljuskin”, jäässe eksinud. Alt: jäärõhu all MN laeva pardale mõjuvad jõud.

Millal on Q "F"? Seda on lihtne näha

seega peab olema ebavõrdsus:

ja kuna Q = 0,2R, viib ebavõrdsus Q «F teise:

0,2R “R tg a või tg a” 0,2.

Tabelite abil leiame nurga, mille puutuja on 0,2; see on võrdne 11°-ga. See tähendab, et Q "F", kui a on 11°. See määrab, milline laeva pardade kalle vertikaali suhtes tagab jääl ohutu sõitmise: kalle peab olema vähemalt 11°.

Pöördugem nüüd "Tšeljuskini" surma juurde. See aurik, mitte jäämurdja, navigeeris edukalt kogu põhjapoolse meretee, kuid leidis end Beringi väinas jäälõksus.

Jää kandis Tšeljuskini kaugele põhja ja purustas selle (veebruaris 1934). Tšeljuskiniitide kahekuuline kangelaslik jäälaval viibimine ja nende päästmine kangelaslike lendurite poolt on paljude meeles. Siin on katastroofi enda kirjeldus:

"Kere tugev metall ei andnud kohe järele," teatas ekspeditsiooni juht O. Yu. Schmidt raadios. «Näha oli, kuidas jäätükk külje sisse suruti ja kuidas selle kohal olevad plaadistuse lehed paisusid, paindusid väljapoole. Jää jätkas oma aeglast, kuid vastupandamatut edasiliikumist. Kere mantli paisunud raudlehed rebenesid mööda õmblusi. Needid lendasid kolinaga. Hetkega rebenes auriku vasak külg vööritrümmist lahti teki tagumise otsani...”

Pärast selles artiklis öeldut peaks lugeja mõistma katastroofi füüsilist põhjust.

Sellest tulenevad praktilised tagajärjed: jääl sõitmiseks mõeldud laevade ehitamisel tuleb pardadele anda õige kalle, nimelt vähemalt 11°.

Isetasakaalustuv pulk

Asetage sile pulk väljasirutatud käte nimetissõrmedele, nagu on näidatud joonisel fig. 24. Nüüd liigutage oma sõrmi üksteise poole, kuni need on tihedalt kokku puutunud. Kummaline asi! Selgub, et selles lõppasendis kepp ei kaldu ümber, vaid säilitab tasakaalu. Teete katset mitu korda, muutes sõrmede algset asendit, kuid tulemus on alati sama: kepp osutub tasakaalus olevaks. Kui asendate pulga joonistusjoonlaua, nupuga kepi, piljardikii või põrandaharjaga, märkate sama omadust. Mis on ootamatu lõpu lahendus? Esiteks on selge järgmine: kuna pulk on ühendatud sõrmedel tasakaalustatud, siis on selge, et sõrmed on pulga raskuskeskme alla koondunud (keha jääb tasakaalu, kui keskelt tõmmatakse loodijoon gravitatsioon läbib toe piire).

Kui sõrmed on laiali laotatud, langeb suurem koormus sõrmele, mis on pulga raskuskeskmele lähemal. Rõhu suurenedes suureneb ka hõõrdumine: raskuskeskmele lähemal olev sõrm kogeb rohkem hõõrdumist kui sõrm kaugemal. Seetõttu ei libise raskuskeskme lähedal olev sõrm pulga alla; Alati liigub ainult see sõrm, mis on sellest punktist kõige kaugemal. Niipea, kui liikuv sõrm on raskuskeskmele lähemal kui teine, vahetavad sõrmed rolli; sellist vahetust tehakse mitu korda, kuni sõrmed saavad tihedalt kokku. Ja kuna iga kord liigub ainult üks sõrm, nimelt see, mis asub raskuskeskmest kaugemal, siis on loomulik, et lõppasendis koonduvad mõlemad sõrmed pulga raskuskeskme alla.

Joonis 24. Katse joonlauaga. Paremal on katse lõpp.

Joonis 25. Sama katse põrandaharjaga. Miks on kaalud tasakaalust väljas?

Enne selle katse lõpetamist korrake seda põrandaharjaga (joonis 25, ülal) ja esitage endale see küsimus; Kui lõikad pintsli kohast, kus seda sõrmed toetavad, ja asetad mõlemad osad erinevatele kaalukaussidele (joon. 25, allpool), siis kumb tass võidab - pulga või pintsliga?

Näib, et kuna mõlemad harja osad tasakaalustasid üksteist sõrmedel, peaksid need olema tasakaalus ka kaaludel. Tegelikkuses tõmbub pintsliga tass üle pingutama. Põhjust pole raske ära arvata, kui võtta arvesse, et kui hari oli sõrmedel tasakaalus, mõjusid mõlema osa raskusjõud kangi ebavõrdsetele harudele; kaalude puhul rakendatakse samad jõud võrdse käega kangi otstele.

Leningradi kultuuripargi “Meelelahutusliku teaduse paviljoni” jaoks tellisin erinevate raskuskeskme asenditega pulkade komplekti; pulgad eraldati kaheks tavaliselt ebavõrdseks osaks täpselt raskuskese paiknemise kohas. Neid osi kaalule pannes nägid külastajad üllatusega, et lühike osa oli raskem kui pikk.

Kolmas peatükk

RINGREIRING.

Miks vurr ei kuku?

Nendest tuhandetest inimestest, kes lapsepõlves topiga mängisid, ei suuda paljud sellele küsimusele õigesti vastata. Kuidas seletada tõsiasja, et vertikaalselt või isegi kallutatud pöörlev ülaosa vastupidiselt kõigile ootustele ümber ei lähe? Mis jõud hoiab teda sellises näiliselt ebastabiilses asendis? Kas raskustunne teda ei mõjuta?

Siin toimub väga huvitav jõudude koostoime. Pööramise teooria pole lihtne ja me ei lähe sellesse sügavamale. Toome välja ainult peamise põhjuse, miks pöörlev ülaosa ei kuku.

Joonisel fig. 26 näitab noolte suunas pöörlevat ülaosa. Pange tähele selle velje osa A ja selle vastas olevat osa B. Osa A kipub sinust eemalduma, osa B sinu poole. Nüüd jälgige, millise liikumise need osad saavad, kui kallutate ülaosa telge enda poole. Selle tõuke abil sunnid osa A üles liikuma, osa B alla liikuma; mõlemad osad saavad tõuke oma liikumise suhtes täisnurga all. Kuid kuna tipu kiire pöörlemise ajal on ketta osade perifeerne kiirus väga suur, annab teie teatatud ebaoluline kiirus punkti suurele ringikujulisele kiirusele liites tulemuse, mis on sellele ringkiirusele väga lähedal - ja tipu liikumine peaaegu ei muutu. See teeb selgeks, miks tipp näib vastu olevat katsele see kukutada. Mida massiivsem ülaosa ja mida kiiremini see pöörleb, seda kangekaelsemalt peab see ümberminekule vastu.

Joonis 26. Miks tipp ei lange?

Joonis 27. Pöördnukk säilitab visates oma telje esialgse suuna.

Selle seletuse olemus on otseselt seotud inertsiseadusega. Iga tipuosake liigub ringikujuliselt tasapinnal, mis on risti pöörlemisteljega. Inertsiseaduse kohaselt kipub osake igal hetkel ringjoonelt liikuma ringi puutuja sirgele. Kuid iga puutuja asub ringjoonega samal tasapinnal; seetõttu kipub iga osake liikuma nii, et see jääb kogu aeg pöörlemisteljega risti olevale tasapinnale. Sellest järeldub, et kõik üleval, pöörlemisteljega risti olevad tasandid kipuvad säilitama oma positsiooni ruumis ja seetõttu kipub oma suunda säilitama ka nendega risti olev ühisosa, st pöörlemistelg ise.

Me ei võta arvesse kõiki tipu liikumisi, mis tekivad siis, kui sellele mõjub välisjõud. See nõuaks liiga üksikasjalikku selgitust, mis ilmselt tunduks igav. Tahtsin lihtsalt selgitada põhjust, miks iga pöörlev keha soovib hoida pöörlemistelje suunda muutumatuna.

Seda vara kasutatakse laialdaselt kaasaegse tehnoloogiaga. Laevadele ja lennukitele paigaldatakse erinevaid güroskoopilisi (topi omaduse alusel) seadmeid - kompasse, stabilisaatoreid jne.

Selline on pealtnäha lihtsa mänguasja kasulik kasutamine.

Žonglööride kunst

Mitmekesise žongleerimisprogrammi paljud hämmastavad nipid põhinevad ka pöörlevate kehade omadusel säilitada pöörlemistelje suunda. Lubage mul tsiteerida katkendit inglise füüsiku prof. John Perry vurr.

Joonis 28. Kuidas pöörlemisega visatud münt lendab.

Joonis 29. Pöörlemata visatud münt maandub juhuslikusse asendisse.

Joonis 30. Visatud mütsi on kergem tabada, kui sellele on antud pöörlemine ümber oma telje.

«Ühel päeval demonstreerisin Londoni suurepärases Victoria kontserdisaalis mõnda oma katset publikule, kes jõi kohvi ja suitsetas tubakat. Üritasin kuulajaid nii palju kui võimalik huvitada ja rääkisin, kuidas lamedale rõngale tuleb anda pöörlemine, kui seda visata tahetakse, et saaks ette näidata, kuhu see kukub; Nad teevad sama, kui tahavad kellelegi mütsi visata, et ta saaks selle eseme pulgaga kinni püüda. Võite alati tugineda takistusele, mida pöörlev keha oma telje suuna muutmisel avaldab. Edasi selgitasin oma kuulajatele, et olles kahuri toru sujuvalt lihvinud, ei saa kunagi loota sihiku täpsusele; Selle tulemusel valmistatakse nüüd vintpüsstorud ehk kahuri suu siseküljele lõigatakse välja spiraalikujulised sooned, millesse mahuvad kahuri kuuli või mürsu väljaulatuvad osad, nii et viimane peaks jõu mõjul saama pöörleva liikumise. püssirohu plahvatus sunnib seda liikuma piki kahurikanalit. Tänu sellele lahkub mürsk relvast täpselt määratletud pöörleva liikumisega.

See oli kõik, mida ma selle loengu jooksul teha sain, kuna mul pole kübarate ega kettaheite osavust. Kuid pärast seda, kui olin oma loengu lõpetanud, ilmusid lavale kaks žonglööri ja ma ei oskaks soovida paremat illustratsiooni ülalmainitud seaduspärasustest, kui see, mille annab iga nende kahe artisti sooritatud trikk. Nad loopisid üksteisele keerlevaid mütse, rõngaid, taldrikuid, vihmavarju... Üks žonglöör viskas õhku terve rea nuge, püüdis need uuesti kinni ja viskas jälle suure täpsusega üles; minu publik, olles just kuulnud nende nähtuste seletust, rõõmustas mõnuga; ta märkas pöörlemist, mille žonglöör igale noale andis, vabastades selle oma käest, nii et ta võis tõenäoliselt teada, millises asendis nuga tema juurde tagasi pöördub. Olin siis üllatunud, et peaaegu eranditult kõik sel õhtul tehtud žongleerimistrikid illustreerisid ülaltoodud põhimõtet.

Uus lahendus Columbuse probleemile

Kolumbus lahendas oma kuulsa probleemi, kuidas muna asetada, liiga lihtsalt: ta murdis selle koore. See otsus on sisuliselt vale: murdnud munakoore, muutis Kolumbus selle kuju ja seetõttu ei asetanud muna muna, vaid teise keha; on ju kogu probleemi olemus muna kujus: kuju muutes asendame muna teise kehaga. Kolumbus ei pakkunud lahendust kehale, mille jaoks seda otsiti.

Joonis 31. Kolumbuse ülesande lahendus: muna pöörleb otsa peal seistes.

Vahepeal saate suurepärase navigaatori probleemi lahendada muna kuju üldse muutmata, kui kasutada ülaosa omadust; Selleks piisab, kui panna muna ümber oma pikitelje pöörlevale liikumisele - ja see seisab mõnda aega nüri või isegi terava otsa peal ilma ümberminekuta. Joonis näitab, kuidas seda teha: munale tehakse sõrmedega pöörlev liikumine. Käed ära võttes näete, et muna keerleb veel mõnda aega püsti: probleem on lahendatud.

Katse jaoks tuleb kindlasti võtta keedetud munad. See piirang ei ole vastuolus Columbuse probleemi tingimustega: selle välja pakkudes võttis Columbus kohe laualt muna ja arvatavasti ei serveeritud lauale tooreid mune. Vaevalt toorest muna püsti keerlema ​​saad, sest sisemine vedel mass on sel juhul piduriks. See, muide, on lihtne viis eristada tooreid mune kõvaks keedetud munadest - see on paljudele koduperenaistele tuntud tehnika.

"Hävitatud" gravitatsioon

"Pöörlevast anumast ei voola vesi välja, see ei kalla välja isegi siis, kui anum on tagurpidi pööratud, sest pöörlemine segab seda," kirjutas Aristoteles kaks tuhat aastat tagasi. Joonisel fig. 32 kujutab seda suurejoonelist katset, mis on kahtlemata paljudele tuttav: veeämbrit piisavalt kiiresti pöörates, nagu joonisel näidatud, saavutate selle, et vesi ei valguks välja isegi selles osas, kus ämber. on tagurpidi pööratud.

Igapäevaelus on kombeks seda nähtust seletada "tsentrifugaaljõuga", mis tähendab kujuteldavat jõudu, mis väidetavalt mõjub kehale ja määrab selle soovi pöörlemiskeskmest eemalduda. Seda jõudu pole olemas: see soov pole midagi muud kui inertsi ilming ja igasugune inertsiga liikumine toimub ilma jõu osaluseta. Füüsikas tähendab tsentrifugaaljõud midagi muud, nimelt tegelikku jõudu, millega pöörlev keha tõmbab seda hoidvat niiti või surub oma kõverale teele. Seda jõudu ei rakendata mitte liikuvale kehale, vaid takistusele, mis takistab selle sirgjoonelist liikumist: keermele, rööbastele kõveral teelõigul jne.

Pöördudes ämbri pöörlemise poole, proovime mõista selle nähtuse põhjust, kasutamata üldse mitmetähenduslikku mõistet "tsentrifugaaljõud". Küsigem endalt küsimuse: kuhu veejuga läheb, kui ämbri seina tehakse auk? Kui gravitatsiooni poleks, oleks veejuga inertsi mõjul suunatud piki puutujat AK ringile AB (joonis 32). Gravitatsioon põhjustab joa vähenemise ja kirjeldab kõverat (parabool AR). Kui perifeerne kiirus on piisavalt suur, asub see kõver väljaspool ringi AB. Oja paljastab meie ees tee, mida mööda ämbri pöörlemisel vesi liiguks, kui kopp sellele survet ei segaks. Nüüd on selge, et vesi ei kipu üldse vertikaalselt allapoole liikuma ega kalla seetõttu ämbrist välja. See sai sellest välja voolata ainult siis, kui ämbril oleks auk pöörlemissuunas.

Joonis 32. Miks ei voola pöörlevast ämbrist vesi välja?

Nüüd arvuta, millise kiirusega tuleb selles katses ämbrit pöörata, et vesi sealt välja ei valguks. See kiirus peab olema selline, et pöörleva ämbri tsentripetaalne kiirendus ei oleks väiksem kui raskuskiirendus: siis jääb tee, mida mööda vesi kipub liikuma, väljaspool ämbri kirjeldatud ringi ja vesi ei jääks maha ämber kuhugi. Tsentripetaalkiirenduse W arvutamise valem on;

kus v on perifeerne kiirus, R on ringjoone raadius. Kuna gravitatsioonikiirendus maapinnal on g = 9,8 m/sek2, on meil ebavõrdsus v2/R» = 9,8. Kui seame R väärtuseks 70 cm, siis

Vedeliku võimet suruda vastu anuma seinu, milles see pöörleb ümber horisontaaltelje, kasutatakse tehnoloogias nn tsentrifugaalvalu jaoks. Sel juhul on oluline, et heterogeenne vedelik oleks erikaalu järgi kihistunud: raskemad komponendid paiknevad pöörlemisteljest kaugemal, kergemad teljele lähemal. Selle tulemusena vabanevad kõik sulametallis sisalduvad gaasid, mis moodustavad valus nn kestad, metallist valandi sisemisse õõnsasse ossa. Sel viisil valmistatud tooted on tihedad ja ilma kestadeta. Tsentrifugaalvalu on odavam kui tavaline survevalu ja ei vaja keerulisi seadmeid.

Sina kui Galileo

Tugevate aistingute austajatele korraldatakse mõnikord väga omapärane meelelahutus - nn “kuradikiik”. Leningradis oli selline kiiks. Ma ei pidanud ise selle peal kiikuma ja seetõttu annan siin selle kirjelduse Fedo teadusliku nalja kogust:

"Kiik ripub tugeva horisontaalse lati külge, mis on visatud üle ruumi teadaoleval kõrgusel põrandast. Kui kõik istuvad, lukustab spetsiaalselt määratud saatja välisukse, eemaldab sissepääsuks kasutatud tahvli ja, teatades, et annab nüüd publikule võimaluse teha väike lennureis, hakkab vaikselt kiike õõtsuma. Pärast seda istub ta tagasi ja kõigub, nagu kutsar kannul, või lahkub saalist täielikult.

Vahepeal muutuvad kiige kiiged suuremaks ja suuremaks; see tõuseb ilmselt risttala kõrgusele, läheb siis sellest kaugemale, aina kõrgemale ja lõpuks kirjeldab tervet ringi. Liikumine kiireneb üha märgatavamalt ja kiikujad, kuigi enamasti juba hoiatatud, kogevad vaieldamatut õõtsumise ja kiire liikumise tunnet; Neile tundub, et nad tormavad tagurpidi kosmoses, nii et tahes-tahtmata haaravad istmete seljatugedest, et mitte alla kukkuda.

Kuid ulatus hakkab vähenema; kiik ei tõuse enam risttala kõrgusele ja mõne sekundi pärast peatub see täielikult.

Joonis 33. Seadme “Kuradikiik” skeem.

Tegelikult rippus kiik katse jätkumise ajal kogu aeg liikumatult ja ruum ise pööras väga lihtsa mehhanismi abil ümber horisontaaltelje publikust mööda. Esiku põrandale või seintele kinnitatakse erinevat tüüpi mööbel; laua külge joodetud lamp, mis näib kergesti ümber minevat, koosneb suure kapoti alla peidetud hõõglambist. Teenindaja, kes ilmselt kiigutas, andes sellele kergeid tõuke, sisuliselt sobitas need saali kergete vibratsioonidega ja vaid teeskles kiikumist. Kogu olukord aitab kaasa pettuse täielikule õnnestumisele.

Illusiooni saladus, nagu näete, on naeruväärselt lihtne. Ja ometi, kui nüüd, juba teades, milles asi, satuksite “neetud hoo pealt”, siis paratamatult alluksite pettusele. Selline on illusiooni jõud!

Mäletate Puškini luuletust "Liikumine"?

Liikumist pole, ütles habemega tark.

Kui pöörlevale platvormile on antud selline kumerus, et teatud kiirusel on selle pind igas punktis tekkivaga risti, siis põrandale asetatud inimene tunneb end kõigis selle punktides justkui horisontaaltasapinnal. Matemaatilise arvutuse abil leiti, et selline kõverpind on spetsiaalse geomeetrilise keha – paraboloidi – pind. Selle saab kätte, keerates pooleldi veega täidetud klaasi kiiresti ümber vertikaaltelje: siis vesi servadest tõuseb, keskel langeb ja selle pind võtab paraboloidi kuju.

Kui vee asemel valame klaasi sulavaha ja jätkame pöörlemist, kuni vaha jahtub, siis annab selle kivistunud pind meile täpselt paraboloidi kuju. Teatud pöörlemiskiirusel on selline pind raskete kehade puhul justkui horisontaalne: mis tahes punkti asetatud pall ei veere alla, vaid jääb sellele tasemele (joonis 36).

Nüüd on "nõiutud" palli struktuurist lihtne aru saada.

Selle põhi (joonis 37) koosneb suurest pöörlevast platvormist, millele on antud paraboloidi kõverus. Kuigi pöörlemine on tänu platvormi alla peidetud mehhanismile ülimalt sujuv, tunneks platvormil viibijatel siiski pearinglust, kui ümbritsevad objektid nendega kaasa ei liiguks; et vaatleja ei saaks liikumist tuvastada, asetatakse platvorm suure läbipaistmatute seintega palli sisse, mis pöörleb sama kiirusega kui platvorm ise.

Joonis 36. Kui seda klaasi pöörata piisava kiirusega, ei veere pall põhja.

Joonis 37. “Nõiutud” pall (lõik).

See on selle karusselli struktuur, mida nimetatakse "nõiutud" või "maagiliseks" sfääriks. Mida kogete, kui olete sfääri sees platvormil? Kui see pöörleb, on teie jalgealune põrand horisontaalne, olenemata sellest, kus te platvormi kõveras asute – teljel, kus põrand on tõeliselt horisontaalne, või servas, kus see on 45° kaldega. Silmad näevad selgelt nõgusust, kuid lihasetunne näitab, et teie all on tasane koht.

Mõlema meele tõendid on kõige dramaatilisemal viisil vastuolus. Kui liigute platvormi ühelt servalt teisele, tundub teile, nagu oleks kogu tohutu pall seebimulli kergusega teie keha raskuse all teisele poole veerenud: ju igas punktis tunned end justkui horisontaaltasapinnal. Ja teiste platvormil viltu seisvate inimeste asend peaks teile tunduma äärmiselt ebatavaline: teile jääb sõna otseses mõttes mulje, et inimesed kõnnivad seintel nagu kärbsed (joonis 39).

Nõiutud palli põrandale valatud vesi levis ühtlase kihina üle selle kumera pinna. Inimestele tundub, et vesi seisab nende ees nagu kaldsein.

Tundub, et tavapärased ideed gravitatsiooniseaduste kohta on selles hämmastavas pallis tühistatud ja me oleme viidud vapustavasse imede maailma...

Samasuguseid aistinguid kogeb piloot ka pöörates. Seega, kui ta lendab kiirusega 200 km tunnis piki 500 m raadiusega kurvi, peaks maapind talle tunduma 16° üles tõstetud ja kallutatud.

Joonis 38. Inimeste tegelik asukoht "nõiutud" palli sees.

Joonis 39. Mõlemale külastajale esitatud positsioon.

Joonis 40. Pöörlev labor – tegelik asend.

Joonis 41. Sama pöörleva labori näiv asend.

Saksamaal Göttingeni linnas ehitati samasugune pöörlev laboratoorium teaduslikuks uurimistööks. See (joonis 40) on 3 m läbimõõduga silindriline ruum, mis pöörleb kiirusega kuni 50 pööret sekundis. Kuna ruumi põrand on tasane, siis pöörlemisel tundub seina lähedal seisvale vaatlejale, et ruum on tahapoole kaldu ja ta ise lamab kaldseinal (joon. 41).

Vedeliku teleskoop

Peegelduva teleskoobi peegli jaoks on parim kuju paraboolne ehk täpselt selline kuju, mille pöörlevas anumas vedeliku pind loomulikult omandab. Teleskoobidisainerid teevad peeglile sellise kuju andmiseks palju vaeva. Teleskoobi peegli valmistamine võtab aastaid. Ameerika füüsik Wood vältis neist raskustest vedela peegli konstrueerimisega: elavhõbedat laias anumas pöörates sai ta ideaalse paraboolse pinna, mis võiks mängida peegli rolli, kuna elavhõbe peegeldab valguskiiri hästi. Woodi teleskoop paigaldati madalasse kaevu.

Teleskoobi miinuseks on aga see, et vähimgi löök kortsutab vedela peegli pinda ja moonutab pilti, aga ka see, et horisontaalpeegel võimaldab vahetult uurida vaid neid valgusteid, mis on seniidis.

"Kuradisilmus"

Võib-olla on teile tuttav tsirkuses mõnikord ettevõetav mõtlemapanev rattatrikk: jalgrattur sõidab aasas alt üles ja läbib täisringi, hoolimata sellest, et ta peab ringi ülaosas sõitma tagurpidi. Puidust rada on areenil ühe või mitme lokiga aasa kujul, nagu on näidatud meie joonisel 42. Kunstnik sõidab jalgrattaga mööda aasa kaldosa alla, seejärel tõuseb kiiresti oma terashobusel üles. , mööda selle ringikujulist osa ja teeb täispöörde, sõna otseses mõttes pea alla ja libiseb turvaliselt maapinnale.

Joonis 42. “Kuradisilmus”. Allpool vasakul on diagramm arvutamiseks.

See mõistatuslik jalgrattatrikk näib olevat akrobaatilise kunsti tipp. Hämmeldunud avalikkus küsib endalt hämmeldunult: milline salapärane jõud hoiab hulljulge pahupidi? Umbusaldajad on siin valmis kahtlustama nutikat pettust, kuid vahepeal pole nipis midagi üleloomulikku. See on täielikult seletatav mehaanika seadustega. Seda teed mööda lastud piljardipall teeks sama vähema eduga. Kooli füüsikaklassides on miniatuursed “Kuradisilmused”.

Tasuta prooviperioodi lõpp.

Jah, I. Perelman

Meelelahutuslik füüsika

TOIMETAJALT

„Meelelahutusliku füüsika” väljaanne, autor Ya.I. Perelman kordab nelja eelmist. Autor töötas raamatu kallal pikki aastaid, täiustades ja täiendades seda ning viimast korda autori eluajal ilmus raamat 1936. aastal (kolmeteistkümnes trükk). Järgmiste väljaannete väljaandmisel ei seadnud toimetajad eesmärgiks teksti radikaalset läbivaatamist ega olulisi täiendusi: autor valis “Meelelahutusliku füüsika” põhisisu selliselt, et füüsika põhiteavet illustreerides ja süvendades see pole tänapäevani aegunud. Lisaks aeg pärast 1936. a nii palju on juba möödas, et soov kajastada füüsika uusimaid saavutusi oleks toonud kaasa raamatu olulise suurenemise ja selle “näo” muutumise. Näiteks ei ole autori tekst kosmoselennu põhimõtete kohta aegunud ja faktilist materjali selles valdkonnas on juba nii palju, et lugeja saab viidata ainult teistele spetsiaalselt sellele teemale pühendatud raamatutele.

Neljateistkümnes ja viieteistkümnes trükk (1947 ja 1949) ilmusid prof. A. B. Mlodzejevski. Dotsent osales kuueteistkümnenda väljaande (1959–1960) ettevalmistamisel. V. A. Ugarov. Kõikide autorita ilmunud väljaannete toimetamisel asendati vaid vananenud arvud, eemaldati end mitte õigustanud projektid ning tehti üksikuid täiendusi ja märkmeid.

Selles raamatus ei püüa autor mitte niivõrd anda lugejale uusi teadmisi, vaid aidata tal "saada teada, mida ta teab", st süvendada ja taaselustada põhiteavet füüsikast, mis tal juba on, õpetada talle, kuidas seda teadlikult hallata ja julgustada teda seda mitmel viisil kasutama. See saavutatakse, uurides kirevat jada mõistatusi, keerulisi küsimusi, meelelahutuslikke lugusid, lõbusaid probleeme, paradokse ja ootamatuid võrdlusi füüsika valdkonnast, mis on seotud igapäevaste nähtustega või ammutatud tuntud ulmekirjandusest. Viimast laadi materjali kasutas koostaja eriti laialdaselt, pidades seda kogumiku eesmärkide seisukohalt kõige asjakohasemaks: välja on toodud väljavõtteid Jules Verne’i, Wellsi, Mark Twaini jt romaanidest ja juttudest, neis kirjeldatud fantastilisi elamusi, lisaks nende ahvatlusele, võivad õpetamisel mängida olulist rolli ka õpetamise kvaliteedis.elavad illustratsioonid.

Koostaja püüdis jõudumööda anda esitlusele väliselt huvitava vormi ja anda edasi teema atraktiivsust. Ta lähtus psühholoogilisest aksioomist, et huvi aine vastu tõstab tähelepanu, hõlbustab mõistmist ja järelikult aitab kaasa teadlikumale ja kestvamale assimilatsioonile.

Vastupidiselt sedasorti kollektsioonide jaoks kehtestatud kombele pühendatakse “Meelelahutuslikus füüsikas” väga vähe ruumi naljakate ja suurejooneliste füüsiliste katsete kirjeldamisele. Sellel raamatul on teistsugune eesmärk kui kogumikel, mis pakuvad materjali katsetamiseks. “Meelelahutusliku füüsika” põhieesmärk on ergutada teadusliku kujutlusvõime tegevust, harjutada lugejat mõtlema füüsikateaduse vaimus ning luua tema mällu arvukalt füüsikaliste teadmiste seoseid kõige erinevamate elunähtustega, kõike, millega ta tavaliselt kokku puutub. Hoiaku, millest koostaja püüdis raamatut revideerides kinni pidada, andis V. I. Lenin järgmiste sõnadega: „Populaarne kirjanik juhib lugeja sügavale mõttele, sügavale õpetusele, mis põhineb kõige lihtsamatel ja üldtuntud andmetel, osutades välja lihtsate põhjenduste või hästi valitud põhinäidete abil järeldused nendest andmetest, suunates mõtleva lugeja aina edasiste küsimuste juurde. Populaarne kirjanik ei eelda lugejat, kes ei mõtle, ei taha või ei oska mõelda, vaid vastupidi, ta eeldab arenematus lugejas tõsist kavatsust töötada oma pea ja peaga. aitab teda seda tõsist ja rasket tööd tegema, juhendab teda, aitab astuda esimesi samme ja õpetamine liikuge ise edasi” [V. I. Lenin. Kollektsioon tsit., toim. 4, kd 5, lk 285.].

Pidades silmas lugejate huvi selle raamatu ajaloo vastu, esitame selle kohta mõningaid bibliograafilisi andmeid.

“Meelelahutuslik füüsika” “sündis” veerand sajandit tagasi ja oli esmasündinu oma autori suures raamatuperes, kuhu kuulub praegu mitukümmend liiget.

“Meelelahutuslikul füüsikal” oli õnn tungida – nagu tunnistavad lugejate kirjad – liidu kõige kaugematesse nurkadesse.

Raamatu märkimisväärne levik, mis annab tunnistust laiade ringkondade elavast huvist füüsiliste teadmiste vastu, paneb autorile tõsise vastutuse selle materjali kvaliteedi eest. Selle vastutuse teadvustamine seletab “Meelelahutusliku füüsika” teksti arvukaid muudatusi ja täiendusi korduvate väljaannete käigus. Võiks öelda, et raamat on kirjutatud kõigi 25 eksisteerimisaasta jooksul. Viimases väljaandes on esimese tekstist säilinud napilt pool ja illustratsioonidest peaaegu mitte ühtegi.

Autor sai teistelt lugejatelt palveid hoiduda teksti läbivaatamisest, et mitte sundida neid "ostma iga kordusväljaannet tosina uue lehekülje tõttu". Vaevalt võivad sellised kaalutlused autorit vabastada kohustusest oma tööd igal võimalikul viisil täiustada. “Meelelahutuslik füüsika” ei ole ilukirjandus, vaid teaduslik teos, ehkki populaarne. Selle aine - füüsika - on isegi oma esialgsetel alustel pidevalt rikastatud värske materjaliga ja raamat peab seda perioodiliselt oma teksti sisse lülitama.

Teisalt kuuleb sageli etteheiteid, et “Meelelahutuslikus füüsikas” ei ole pühendatud ruumi sellistele teemadele nagu raadiotehnoloogia uusimad edusammud, aatomituuma lõhustumine, kaasaegsed füüsikateooriad jne. Sedalaadi etteheited on arusaamatus. “Meelelahutuslikul füüsikal” on väga konkreetne eesmärk; nende küsimuste käsitlemine on teiste tööde ülesanne.

"Meelelahutuslik füüsika" sisaldab lisaks tema teisele raamatule mitmeid teisi sama autori teoseid. Üks on mõeldud suhteliselt ettevalmistamata lugejale, kes pole veel füüsika süstemaatilist uurimist alustanud, ja kannab pealkirja “Füüsika igal sammul” (väljaandja “Detizdat”). Ülejäänud kaks, vastupidi, viitavad neile, kes on juba gümnaasiumi füüsikakursuse läbinud. Need on "Meelelahutuslik mehaanika" ja "Kas sa tead füüsikat?". Viimane raamat on nagu "Meelelahutusliku füüsika" valmimine.

1936. aastal Jah Perelman

Peatükk esimene. KIIRUS. LIIKUMISTE LISANDAMINE.

Kui kiiresti me liigume?

Hea jooksja läbib 1,5 km pikkuse spordidistantsi umbes 3 minutiga. 50 sek. (maailmarekord 1958 – 3 minutit 36,8 sekundit). Tavapärase jalakäijate kiirusega - 1,5 m sekundis - võrdlemiseks peate tegema väikese arvutuse; siis selgub, et sportlane jookseb 7 m sekundis.. Need kiirused pole aga täiesti võrreldavad: jalakäija võib kõndida pikka aega, tunde, tehes 5 km tunnis, kuid sportlane suudab säilitada märkimisväärse jooksu. kiirust vaid lühikest aega. Jalaväeväeosa liigub jooksuga kolm korda aeglasemalt kui rekordiomanik; ta teeb 2 meetrit sekundis ehk üle 7 kilomeetri tunnis, kuid tal on sportlase ees eelis, et ta suudab teha palju suuremaid üleminekuid.

Huvitav on võrrelda inimese normaalset kõnnakut selliste vanasõnaliste aeglaste loomade nagu tigu või kilpkonn kiirusega. Tigu vastab täielikult sellele mainele, mida talle omistab ütlus: ta liigub 1,5 mm sekundis ehk 5,4 m tunnis – täpselt tuhat korda vähem kui inimene! Teine klassikaliselt aeglane loom, kilpkonn, ei ole teost palju kiirem: tema tavaline kiirus on 70 m tunnis.

Agar teo ja kilpkonna kõrval ilmub inimene meie ette hoopis teises valguses, kui võrrelda tema liikumist teiste, isegi mitte väga kiirete liikumistega ümbritsevas looduses. Tõsi, enamiku madaliku jõgede veevoolust möödub see kergesti ega jää mõõdukast tuulest palju alla. Aga 5 m sekundis lendava kärbsega saab inimene edukalt võistelda ainult suuskadel. Inimene ei saa jänest ega jahikoera juhtida isegi hobuse seljas. Inimene saab kotkaga kiiruses võistelda ainult lennukis.

Selline meri eksisteerib riigis, mis on inimkonnale teada iidsetest aegadest. See on kuulus Palestiina Surnumeri. Selle veed on ebatavaliselt soolased, nii et neis ei saa elada ükski elusolend. Palestiina kuum ja vihmavaba kliima põhjustab vee tugevat aurustumist merepinnalt. Kuid aurustub ainult puhas vesi, samas kui lahustunud soolad jäävad merre ja suurendavad vee soolsust.Seetõttu ei sisalda Surnumere vesi 2 või 3 protsenti soola (massi järgi), nagu enamik meresid ja ookeane, kuid 27 protsenti või rohkem; Soolsus suureneb sügavusega. Seega on veerand Surnumere sisust selle vees lahustunud soolad. Selles sisalduvate soolade koguhulk on hinnanguliselt 40 miljonit tonni.
Surnumere kõrge soolsus määrab selle ühe tunnuse: selle mere vesi on palju raskem kui tavaline merevesi. Nii raskesse vedelikku on võimatu uppuda: inimkeha on sellest kergem.
Meie keha kaal on märgatavalt väiksem kui võrdse mahuga tihedalt soolase vee kaal ja seetõttu ei saa inimene ujumisseaduse järgi Surnumeres uppuda; ta hõljub selles, täpselt nagu kanamuna hõljub soolases vees (mis vajub magedasse vette)
Huumorist Mark Twain, kes seda järve-merd külastas, kirjeldab koomiliselt üksikasjalikult erakordseid aistinguid, mida tema ja ta kaaslased kogesid Surnumere rasketes vetes ujudes:
“See oli lõbus ujumine! Me ei saanud uppuda. Siin saate sirutada end vee peal täies pikkuses, lamades selili ja pannes käed rinnale kokku, kusjuures suurem osa kehast jääb vee kohale. Samas võid pea täiesti üles tõsta... Sa võid väga mugavalt lamada selili, tõstes põlved lõua poole ja surudes neid kätega kinni, kuid peagi lähed ümber, kuna pea kaalub üle. Sa võid seista pea peal ja rindkere keskelt kuni jalgade otsani jääd veest välja, kuid seda asendit sa kaua hoida ei suuda. Selili ujuda ei saa, liikudes märgatavalt, kuna jalad paistavad veest välja ja maha tuleb tõugata ainult kandadega. Kui ujute näoga allapoole, siis ei liigu te edasi, vaid taha. Hobune on nii ebastabiilne, et ei saa Surnumeres ujuda ega seista – lamab kohe külili.
Joonisel fig. 49 näed meest Surnumere pinnal üsna mugavalt istumas; vee suur erikaal võimaldab tal selles asendis raamatut lugeda, kaitstuna põletavate päikesekiirte eest vihmavarjuga.
Samade erakordsete omadustega on Kara-Bogaz-Goli (Kaspia mere laht) vesi ja Eltoni järve sama soolane vesi, mis sisaldab 27% soolasid.
Need patsiendid, kes võtavad soolavanne, peavad midagi sellist kogema. Kui vee soolsus on väga kõrge, nagu näiteks Starorussky mineraalvees, siis peab patsient vanni põhjas püsimiseks palju vaeva nägema. Kuulsin, kuidas üks naine, keda raviti Staraya Russas, kurtis nördinult, et vesi "tõukas ta positiivselt vannist välja". Näib, et ta kaldus selles süüdistama mitte Archimedese seadust, vaid kuurordi administratsiooni...

Joonis 49. Inimene Surnumere pinnal (fotolt).

Joonis 50. Lastijoon laeva pardal. Brändi tähistused tehakse veepiiri tasemel. Selguse huvides on need näidatud eraldi ka suurendatud kujul. Tähtede tähendust selgitatakse tekstis.
Erinevate merede vee soolsusaste varieerub mõnevõrra ja vastavalt sellele ei istu laevad merevees võrdselt sügaval. Võib-olla juhtus mõni lugeja laeva pardal veepiiri lähedal nägema nn Lloydi märki - märki, mis näitab maksimaalsete veeliinide taset erineva tihedusega vees. Näiteks näidatud joonisel fig. 50 lastijoon tähendab maksimaalset veeliini taset:
magevees (Fresch Water) ................................. FW
India ookeanis (India suvi) ...................... IS
soolases vees suvel (suvel) ........................ S
soolases vees talvel (talvel) ........................ W
kõik sisse. Atlant. ookean talvel (Talvine Põhja-Atland) .. WNA
Meie riigis on need kaubamärgid kasutusele võetud kohustuslikuna alates 1909. aastast. Märkigem lõpetuseks, et on olemas vesi, mis isegi puhtal kujul, ilma igasuguste lisanditeta on märgatavalt raskem kui tavaline vesi; selle erikaal on 1,1, st 10% tavalisest suurem; seetõttu ei saanud sellise veega basseinis inimene, kes isegi ujuda ei osanud, uppuda. Sellist vett nimetati "raskeks" veeks; selle keemiline valem on D2O (selles sisalduv vesinik koosneb kaks korda raskematest aatomitest kui tavalised vesinikuaatomid ja on tähistatud tähega D). “Rasket” vett lahustatakse väikeses koguses tavalises vees: ämber joogivett sisaldab umbes 8 g.
Rasket vett koostisega D2O (võib-olla on seitseteist erineva koostisega rasket vett) kaevandatakse praegu peaaegu puhtal kujul; tavalise vee segu on umbes 0,05%.

Kuidas jäämurdja töötab?

Vannis käies ärge jätke kasutamata võimalust teha järgmine katse. Enne vannist lahkumist avage vanni väljalaskeava, lamades samal ajal vanni põhjas. Kui üha suurem osa teie kehast hakkab vee kohal välja ulatuma, tunnete selle järkjärgulist raskust. Kõige selgemalt näete, et keha vees kaotatud kaal (pidage meeles, kui kerge vannis tundsite!) ilmub uuesti kohe, kui keha on veest väljas.
Kui vaal sellise katse tahes-tahtmata läbib, olles mõõna ajal luhtunud, osutuvad tagajärjed loomale saatuslikuks: ta purustatakse tema enda koletu raskusega. Pole asjata, et vaalad elavad veeelemendis: vedeliku üleslükkejõud päästab nad gravitatsiooni hukatusliku mõju eest.
Ülaltoodu on tihedalt seotud selle artikli pealkirjaga. Jäämurdja töö põhineb samal füüsikalisel nähtusel: veest eemaldatud laevaosa lakkab vee ujuva toimel tasakaalust ja omandab oma “maismaa” raskuse. Ei maksa arvata, et jäämurdja lõikab jääd liikudes läbi oma vööri pideva surve – varre surve. Nii ei tööta jäämurdjad, vaid jäälõikurid. See toimimisviis sobib ainult suhteliselt väikese paksusega jääle.
Ehtsad merejäämurdjad – nagu Krasin või Ermak – töötavad erinevalt. Võimsate masinate toimel surub jäämurdja oma vööri jääpinnale, mis on selleks otstarbeks paigutatud tugevalt kaldu vee alla. Veest välja tulles omandab laeva vöör täismassi ja see tohutu last (Ermaki jaoks ulatus see kaal näiteks 800 tonnini) murdub jäält. Efekti suurendamiseks pumbatakse jäämurdja vööripaakidesse sageli rohkem vett - "vedel ballast".
Jäämurdja töötab sel viisil seni, kuni jää paksus ületab poole meetri. Võimsama jää alistab laeva löök. Jäämurdja taandub tagasi ja põrkab kogu oma massiga vastu jääserva. Sel juhul ei mõju enam mitte kaal, vaid liikuva laeva kineetiline energia; laev muutub nagu väikese kiirusega, kuid tohutu massiga suurtükimürsk jääraks.
Mitme meetri kõrgused jääküürid lõhub jäämurdja tugevast vöörist korduvate löökide energia.
1932. aasta kuulsas Sibirjakovi läbisõidus osaleja, polaaruurija N. Markov kirjeldab selle jäämurdja tööd järgmiselt:
«Sadade jääkivide vahel, pideva jääkihi vahel alustas Sibirjakov lahingut. Masina telegraafinõel hüppas viiskümmend kaks tundi järjest olekust "täis tagasi" kuni "täis edasi". Kolmteist Sibirjakovi neljatunnist merevahti kukkusid kiirendusest jäässe, purustasid selle ninaga, ronid jääle, murdsid selle ja liikusid uuesti tagasi. Kolmveerand meetri paksune jää andis vaevu järele. Iga löögiga läbisime kolmandiku laevakerest.
NSV Liidul on maailma suurimad ja võimsaimad jäämurdjad.

Kus on uppunud laevad?

Ka meremeeste seas on levinud arvamus, et ookeani uppunud laevad ei ulatu merepõhja, vaid ripuvad liikumatult mingil sügavusel, kus vesi on "vastavalt tihendatud pealiskihtide survest".
Seda arvamust jagas ilmselt isegi raamatu “20 tuhat liigat mere all” autor; Ühes selle romaani peatükis kirjeldab Jules Verne uppunud laeva, mis rippus liikumatult vees, ja teises mainib ta laevu, mis "mädanevad, ripuvad vabalt vees".
Kas see väide on õige?
Sellel näib olevat alust, kuna veesurve ookeani sügavustes ulatub tõesti tohutult. 10 m sügavusel pressib vesi jõuga 1 kg 1 cm2 veealuse keha kohta. 20 m sügavusel on see rõhk juba 2 kg, 100 m sügavusel - 10 kg, 1000 m - 100 kg. Ookean on paljudes kohtades mitme kilomeetri sügavune, ulatudes Suure ookeani sügavaimates kohtades (Mariana süvikus) üle 11 km. On lihtne arvutada tohutut survet, mida vesi ja sellesse sukeldatud esemed neil tohutul sügavusel kogevad.
Kui tühi korgiga pudel langetada märkimisväärsele sügavusele ja seejärel uuesti eemaldada, avastatakse, et veesurve on korgi pudelisse ajanud ja kogu anum on vett täis. Kuulus okeanograaf John Murray ütleb oma raamatus "Ookean", et tehti järgmine katse: kolm erineva suurusega klaastoru, mis olid mõlemast otsast suletud, mähiti lõuendisse ja asetati vasest silindrisse, millel olid augud vee vabaks läbimiseks. . Silinder langetati 5 km sügavusele. Kui see sealt ära võeti, selgus, et lõuend oli täidetud lumetaolise massiga: tegemist oli klaasikilluga. Sellisele sügavusele langetatud puidutükid vajusid pärast eemaldamist vette nagu telliskivi - need olid nii kokku surutud.
Tundub loomulik eeldada, et selline koletu surve peaks suurel sügavusel vett nii tihendama, et isegi rasked esemed sellesse ei vaju, nagu raudraskus ei upu elavhõbedasse.
Selline arvamus on aga täiesti alusetu. Kogemused näitavad, et vett, nagu üldiselt kõiki vedelikke, on raske kokku suruda. Jõuga 1 kg 1 cm2 kohta kokkusurutud vesi surutakse kokku vaid 1/22 000 selle mahust ja surutakse ligikaudu sama palju kokku, suurendades rõhku kilogrammi kohta. Kui tahta vett sellise tiheduseni viia, et raud selles hõljuks, oleks vaja seda 8 korda tihendada. Vahepeal ainult pooleks tihendamiseks, st mahu poole võrra vähendamiseks, on vaja rõhku 11 000 kg 1 cm2 kohta (kui nii tohutute rõhkude puhul toimus ainult mainitud survemeede). See vastab sügavusele 110 km allpool merepinda!
Sellest on selge, et vee märgatavast tihenemisest ookeanide sügavustes pole absoluutselt vajadust rääkida. Nende sügavaimas kohas tiheneb vesi vaid 1100/22000, see tähendab 1/20 normaaltihedusest, vaid 5%. Vaevalt võib see mõjutada mitmesuguste kehade hõljumise tingimusi selles, eriti kuna sellisesse vette sukeldatud tahked esemed on samuti selle rõhu all ja seetõttu ka tihenevad.
Seetõttu ei saa olla vähimatki kahtlust, et uppunud laevad lebavad ookeani põhjas. "Kõik, mis vajub veeklaasis," ütleb Murray, "peab vajuma kõige sügavamas ookeanis."
Sellele olen kuulnud järgmist vastuväidet. Kui asetate klaasi ettevaatlikult tagurpidi vette, võib see jääda sellesse asendisse, kuna see tõrjub välja veekoguse, mis kaalub sama palju kui klaas. Raskemat metallklaasi saab hoida sarnases asendis allpool veetaset, ilma et see põhja vajuks. Samamoodi tundub, et ristleja või muu alus, mille kiil on kummuli, võib poolel teel peatuda. Kui mõnes laeva ruumis on õhk tihedalt lukustatud, sukeldub laev teatud sügavusele ja peatub seal.
Päris paljud laevad lähevad ju põhja tagurpidi – ja võimalik, et osa neist ei jõuagi põhja, jäädes ookeani pimedasse sügavusse rippuma. Piisaks kergest tõukest, et selline laev tasakaalust välja viia, ümber pöörata, veega täita ja põhja kukkuda – aga kust tulevad šokid ookeanisügavustest, kus valitseb alati rahu ja vaikus ning kuhu isegi tormide kajad ei tungi?
Kõik need argumendid põhinevad füüsilisel veal. Ümberpööratud klaas ei uputa ennast vette – see tuleb vette kasta välise jõu mõjul nagu puutükk või tühi korgiga pudel. Samamoodi ei hakka kiiluga kummuli pööratud laev üldse uppuma, vaid jääb veepinnale. Ta ei suuda kuidagi leida end poolel teel ookeani taseme ja selle põhja vahel.

Kuidas Jules Verne'i ja Wellsi unistused täitusid

Meie aja tõelised allveelaevad pole mõnes mõttes mitte ainult jõudnud järele fantastilisele Jules Werpi Nautilusele, vaid isegi ületanud seda. Tõsi, praeguste allveelaevade ristlejate kiirus on poole väiksem Nautiluse omast: 24 sõlme versus 50 Jules Verne’il (sõlm on umbes 1,8 km tunnis). Kaasaegse allveelaeva pikim reis on ümbermaailmareis, samas kui kapten Nemo tegi kaks korda pikema reisi. Kuid Nautiluse veeväljasurve oli vaid 1500 tonni, pardal oli vaid kahe- kuni kolmekümneliikmeline meeskond ja ta suutis ilma vaheajata vee all püsida kuni nelikümmend kaheksa tundi. 1929. aastal ehitatud ja Prantsuse laevastikule kuulunud allveelaevaristleja Surcouf veeväljasurve oli 3200 tonni, selle mehitati saja viiekümneliikmelise meeskonnaga ning see oli võimeline püsima vee all ilma pinnale tõusmata kuni sada kakskümmend tundi. .
See allveelaev võiks teha ülemineku Prantsusmaa sadamatest Madagaskari saarele, külastamata ühtegi sadamat. Eluruumide mugavuse poolest ei jäänud Surcouf ehk Nautilusele alla. Lisaks oli Surcoufil kapten Nemo laeva ees vaieldamatu eelis, kuna ristleja ülemisele tekile ehitati veekindel angaar luure-vesilennuki jaoks. Samuti märgime, et Jules Verne ei varustanud Nautilust periskoobiga, mis annaks paadile võimaluse vaadata horisonti vee alt.
Ainult ühes osas jäävad tõelised allveelaevad prantsuse romaanikirjaniku fantaasia loomisest siiski kõvasti maha: keelekümbluse sügavuses. Siiski tuleb märkida, et sel hetkel ületas Jules Verne'i fantaasia usutavuse piirid. "Kapten Nemo," loeme romaani ühes punktis, "jõudis kolme, nelja, viie, seitsme, üheksa ja kümne tuhande meetri sügavusele ookeani pinna all." Ja kord vajus Nautilus isegi enneolematusse sügavusse - 16 tuhat meetrit! "Tundsin," räägib romaani kangelane, "kuidas allveelaeva raudplaadi klambrid värisesid, kuidas selle tugipostid paindusid, kuidas aknad vee survele alludes sissepoole liikusid. Kui meie laeval ei olnud tugeva valatud kere tugevust, see vajus koheselt koogiks.
Hirm on üsna asjakohane, sest 16 km sügavusel (kui selline sügavus ookeanis oleks) peaks veesurve ulatuma 16 000: 10 = 1600 kg 1 cm2 kohta , või 1600 tehnilist atmosfääri ; selline jõud ei purusta rauda, ​​kuid purustaks kindlasti konstruktsiooni. Kaasaegne okeanograafia aga sellist sügavust ei tunne. Jules Verne’i ajastul (romaan on kirjutatud 1869. aastal) valitsenud liialdatud ideid ookeani sügavuste kohta seletatakse sügavuse mõõtmise meetodite ebatäiuslikkusega. Tollal ei kasutati linastamiseks mitte traati, vaid kanepiköit; nii palju hoidis hõõrdumine vastu vett, mida tugevamalt, seda sügavamale see vajus; märkimisväärsel sügavusel suurenes hõõrdumine nii kaugele, et paat lakkas üldse laskumast, ükskõik kui palju nööri mürgitati: kanepiköis läks ainult sassi, tekitades mulje tohutust sügavusest.
Meie aja allveelaevad taluvad kuni 25 atmosfääri rõhku; see määrab nende sukeldumise suurima sügavuse: 250 m. Palju suurem sügavus saavutati spetsiaalses aparaadis, mida nimetatakse batüsfääriks (joonis 51) ja mis oli loodud spetsiaalselt ookeanisügavuste fauna uurimiseks. See aparaat ei meenuta aga Jules Verne’i Nautilust, vaid teise romaanikirjaniku – Wellsi süvamereõhupalli – fantastilist loomingut, mida kirjeldatakse loos “Mere sügavustes”. Selle loo kangelane laskus paksuseinalises teraskuulis 9 km sügavusele ookeani põhja; seade oli vee all ilma kaablita, kuid eemaldatava koormaga; Ookeani põhja jõudes vabanes pall teda kaasa kandnud koormast ja lendas kiiresti veepinnale.
Batüsfääris on teadlased jõudnud enam kui 900 m sügavusele Batüsfäär lastakse laevalt kaablil alla, millega pallis istujad telefonisidet peavad.

Joonis 51. Terasest sfääriline aparaat "batisfäär" laskumiseks ookeani sügavatesse kihtidesse. Selle aparaadiga jõudis William Beebe 1934. aastal 923 m sügavusele. Kuuli seinte paksus on umbes 4 cm, läbimõõt 1,5 m ja kaal 2,5 tonni.

Kuidas Sadkot kasvatati?

Ookeani avaruses hukkub igal aastal tuhandeid suuri ja väikeseid laevu, eriti sõjaajal. Uppunud laevadest hakati merepõhjast välja tooma kõige väärtuslikumat ja ligipääsetavamat. Nõukogude insenerid ja sukeldujad, kes kuulusid EPRON-i (s.o "Eriotstarbeline veealune ekspeditsioon"), said kogu maailmas kuulsaks enam kui 150 suure laeva eduka taastamise tõttu. Nende hulgas on üks suuremaid jäämurdja "Sadko", mis uppus 1916. aastal Valgel merel kapteni hooletuse tõttu. Pärast 17 aastat merepõhjas lamamist tõstsid EPRONi töötajad selle suurepärase jäämurdja üles ja pandi uuesti kasutusele.
Tõstetehnika põhines täielikult Archimedese seaduse rakendamisel. Uppunud laeva kere all kaevasid tuukrid merepõhja 12 tunnelit ja venitasid neist igaühe läbi tugeva terasrätiku. Rätikute otsad kinnitati pontoonide külge, mis sihilikult jäämurdja lähedale uputati. Kogu see töö viidi läbi 25 m sügavusel merepinnast.
Pontoonid (joon. 52) olid õõnsad läbitungimatud raudsilindrid pikkusega 11 m ja läbimõõduga 5,5 m. Tühi pontoon kaalus 50 tonni. Geomeetria reeglite kohaselt on selle mahtu lihtne arvutada: umbes 250 kuupmeetrit. On selge, et selline silinder peaks vee peal tühjalt hõljuma: see tõrjub välja 250 tonni vett, aga ise kaalub vaid 50; selle kandevõime võrdub 250 ja 50, s.o 200 tonni vahega. Et sundida pontooni põhja vajuma, täidetakse see veega.
Kui (vt. joon. 52) olid terastroppide otsad tugevalt kinnitatud vajunud pontoonide külge, hakati voolikute abil balloonidesse suruõhku pumpama. 25 m sügavusel pressib vesi jõuga 25/10 + 1, s.o 3,5 atmosfääri. Silindritesse juhiti õhku umbes 4-atmosfäärilise rõhu all ja seetõttu pidi see pontoonidest vett välja tõrjuma. Kerged silindrid suruti ümbritseva vee poolt tohutu jõuga merepinnale. Nad hõljusid vees nagu õhupall õhus. Nende kombineeritud tõstejõud vee täieliku väljatõrjumisega neist oleks võrdne 200 x 12, st 2400 tonniga. See ületab uppunud Sadko kaalu, nii et sujuvama tõusu huvides vabastati pontoonid veest vaid osaliselt.

Joonis 52. Sadko tõsteskeem; näitab jäämurdja, pontoonide ja liinide ristlõiget.
Sellegipoolest viidi tõus läbi alles pärast mitut ebaõnnestunud katset. "Päästerühm kannatas sellel neli õnnetust enne edu saavutamist," kirjutab töid juhtinud EPRONi laevapeamehaanik T.I. Bobritsky. „Kolm korda nägime pingsalt laeva oodates tõusva jäämurdja asemel pontoonid ja rebenenud voolikud, mis lainete ja vahu kaoses spontaanselt ülespoole purskuvad nagu maod. Jäämurdja ilmus ja kadus uuesti meresügavustesse kaks korda enne, kui ta pinnale kerkis ning lõpuks jäi pinnale.

"Igavene" veemootor

Paljude "igiliikuri" projektide hulgas oli palju selliseid, mis põhinesid kehade vees hõljumisel. 20 m kõrgune kõrge torn on veega täidetud. Torni üla- ja alaosas on rihmarattad, millest visatakse läbi tugev köis lõputu rihma kujul. Trossi külge on kinnitatud 14 meetri kõrgust õõnsat kuupkasti, mis on needitud raudlehtedest, et vesi kastide sisse ei pääseks. Meie riis. 53 ja 54 kujutavad sellise torni välimust ja selle pikilõike.
Kuidas see paigaldus toimib? Igaüks, kes tunneb Archimedese seadust, mõistab, et kastid kipuvad vees olles üles hõljuma. Neid kannab üles jõud, mis on võrdne kastide poolt väljatõrjutud vee massiga, st ühe kuupmeetri vee massiga, mida korratakse nii mitu korda, kui kastid on vette kastetud. Piltidelt on näha, et vees on alati kuus kasti. See tähendab, et jõud, mis kannab kaste ülespoole, on võrdne 6 m3 vee massiga, s.o 6 tonni. Neid tõmbab alla kastide enda raskus, mida aga tasakaalustab nööri välisküljel vabalt rippuv kuuest kastist koosnev koorem.
Seega mõjub sel viisil visatud köis alati ühele küljele ja ülespoole suunatud tõukejõule 6 tonni. On selge, et see jõud sunnib trossi peatumatult pöörlema, libisedes mööda rihmarattaid ja iga pöördega tegema tööd 6000 * 20 = 120 000 kgm.
Nüüd on selge, et kui me riigi selliste tornidega täidistame, saame neilt piiramatult tööd, millest piisab kõigi rahvamajanduse vajaduste katmiseks. Tornid pööravad dünamo armatuure ja annavad elektrienergiat mis tahes koguses.
Kui aga seda projekti tähelepanelikult vaadata, on lihtne näha, et köie oodatud liikumist ei tohiks üldse tekkida.
Selleks, et lõputu köis pöörleks, peavad kastid torni veebasseini sisenema altpoolt ja sealt lahkuma ülevalt. Kuid basseini sisenedes peab kast ületama 20 m kõrguse veesamba surve! See rõhk kasti pinna ruutmeetri kohta on võrdne ei rohkem ega vähem kui kakskümmend tonni (20 m3 vee mass). Tõukejõud ülespoole on vaid 6 tonni, see tähendab, et kasti basseini tõmbamiseks on see selgelt ebapiisav.
Arvukate näidete hulgast vee "igavestest" mootoritest, millest sadu leiutasid ebaõnnestunud leiutajad, võite leida väga lihtsaid ja vaimukaid võimalusi.

Joonis 53. Kujutletava “igavese” veemootori projekt.

Joonis 54. Eelmise joonise torni ehitus.
Heitke pilk joonisele fig. 55. Teljele paigaldatud puittrumli osa on pidevalt vee all. Kui Archimedese seadus on tõene, siis peaks vette kastetud osa üles hõljuma ja seni, kuni ujuvusjõud on suurem kui hõõrdejõud trumli teljel, ei peatu pöörlemine kunagi...

Joonis 55. Veel üks “igavese” veemootori projekt.
Ärge kiirustage selle "igavese" mootori ehitamisega! Kindlasti kukute läbi: trummel ei liigu. Milles on asi, mis on meie arutlusviga? Selgub, et me ei arvestanud tegutsevate jõudude suunda. Ja need on alati suunatud trumli pinnaga risti, st piki raadiust telje suhtes. Igapäevasest kogemusest teavad kõik, et ratast on võimatu pöörlema ​​panna, rakendades jõudu mööda ratta raadiust. Pöörlemise tekitamiseks tuleb rakendada jõudu, mis on raadiusega risti, st ratta ümbermõõduga puutuja. Nüüd pole raske mõista, miks sel juhul katse "igavese" liikumise rakendamiseks ebaõnnestub.
Archimedese seadus pakkus ahvatlevat toitu "igavese" liikuri otsijatele ja julgustas neid leidma leidlikke seadmeid näilise kaalukaotuse kasutamiseks, et saada igavene mehaanilise energia allikas.

Kes lõi sõnad "gaas" ja "atmosfäär"?

Sõna "gaas" on üks teadlaste väljamõeldud sõnu koos selliste sõnadega nagu "termomeeter", "elekter", "galvanomeeter", "telefon" ja ennekõike "atmosfäär". Kõigist leiutatud sõnadest on "gaas" kõige lühem. Vana-Hollandi keemik ja arst Helmont, kes elas aastatel 1577–1644 (Galileo kaasaegne), tuletas "gaas" kreekakeelsest sõnast "kaos". Olles avastanud, et õhk koosneb kahest osast, millest üks toetab põlemist ja põleb läbi, ülejäänud aga ei oma neid omadusi, kirjutas Helmont:
"Ma nimetasin seda tüüpi aurugaasiks, sest see ei erine peaaegu üldse iidsete inimeste kaosest."(sõna "kaos" algne tähendus on särav ruum).
Pärast seda uut sõna aga kaua ei kasutatud ja selle taaselustas alles kuulus Lavoisier aastal 1789. See sai laialt levinud siis, kui kõik hakkasid rääkima vendade Montgolfieride lendudest esimestel kuumaõhupallidel.
Lomonosov kasutas oma kirjutistes gaasiliste kehade jaoks teist nimetust - “elastsed vedelikud” (mis jäi kasutusse isegi siis, kui ma koolis käisin). Märgime muide, et Lomonosovile omistatakse vene kõnesse mitmete nimede kasutuselevõtt, millest on nüüdseks saanud teaduskeeles standardsõnad:
õhkkond
rõhumõõdik
baromeeter
mikromeeter
õhupump
optika, optika
viskoossus
e(e)elektriline
kristalliseerumine
e(f)kuusk
asja
ja jne.
Vene loodusteaduse hiilgav rajaja kirjutas selle kohta: „Olin sunnitud otsima sõnu, et nimetada mõningaid füüsilisi instrumente, tegusid ja loodusasju, mis (st sõnad) tunduvad küll alguses kuidagi kummalised, kuid loodan, et aja jooksul muutuvad need kasutamise kaudu tuttavamaks muutub."
Teatavasti olid Lomonossovi lootused igati õigustatud.
Vastupidi, sõnad, mille V. I. Dahl (kuulus “Selgitava sõnaraamatu koostaja”) pakkus välja “atmosfääri” asendamiseks – kohmakas “mirokolitsa” või “kolozemitsa” – ei juurdunud sugugi, nagu ka tema “skybozem”. ” horisondi asemel ja muud uued sõnad ei juurdunud .

Tundub lihtne ülesanne

Samovar, mis mahutab 30 klaasi, on vett täis. Paned klaasi selle kraani alla ja, kell käes, jälgid sekundiosutit, et näha, kui kaua kulub klaasi ääreni täitumiseks. Ütleme, et pool minutit. Nüüd esitame küsimuse: kui kaua kulub kogu samovari tühjendamiseks, kui jätate kraani lahti?
Tundub, et tegemist on lapselikult lihtsa aritmeetilise ülesandega: üks klaas voolab välja 0,5 minutiga, mis tähendab, et 15 minutiga voolab välja 30 klaasi.
Kuid tehke eksperiment. Selgub, et samovar tühjeneb mitte veerand tunniga, nagu eeldasite, vaid poole tunniga.
Mis viga? Lõppude lõpuks on arvutus nii lihtne!
Lihtne, aga vale. Ei saa arvata, et voolukiirus jääb algusest lõpuni samaks. Kui esimene klaas samovarist välja voolab, voolab oja väiksema rõhu all, kuna samovari veetase on langenud; on selge, et teine ​​klaas täitub rohkem kui poole minutiga; kolmas voolab veel laisamalt välja jne.
Mis tahes vedeliku voolukiirus avatud anumas olevast august sõltub otseselt augu kohal oleva vedelikusamba kõrgusest. Geniaalne Toricelli, Galileo õpilane, juhtis esimesena tähelepanu sellele sõltuvusele ja väljendas seda lihtsa valemiga:

Kus v on voolukiirus, g on raskuskiirendus ja h on vedeliku taseme kõrgus augu kohal. Sellest valemist järeldub, et voolava voolu kiirus on vedeliku tihedusest täiesti sõltumatu: aukust voolavad võrdselt kiiresti välja samal tasemel kerge alkohol ja raske elavhõbe (joonis 56). Valem näitab, et Kuul, kus gravitatsioon on 6 korda väiksem kui Maal, kuluks klaasi täitmiseks umbes 2,5 korda rohkem aega kui Maal.
Kuid pöördume tagasi oma ülesande juurde. Kui pärast 20 klaasi väljavoolamist samovarist on veetase selles (kraaniavast lugedes) langenud neli korda, siis 21. klaas täitub kaks korda aeglasemalt kui 1. klaas. Ja kui tulevikus langeb veetase 9 korda, siis viimaste klaaside täitmine võtab kolm korda kauem aega kui esimeste täitmine. Kõik teavad, kui loiult voolab vesi samovari kraanist, mis on juba peaaegu tühi. Lahendades seda ülesannet kõrgema matemaatika meetoditega, saab tõestada, et anuma täielikuks tühjendamiseks kuluv aeg on kaks korda pikem kui aeg, mille jooksul voolaks välja sama kogus vedelikku, kui algne tase jääks muutumatuks.

Joonis 56. Kumb valgub tõenäolisemalt välja: elavhõbe või alkohol? Vedeliku tase anumates on sama.

Basseini probleem

Öeldu põhjal on üks samm kurikuulsate basseiniülesannete juurde, ilma milleta ei saa hakkama ükski aritmeetika ja algebra ülesannete raamat. Kõik mäletavad selliseid klassikaliselt igavaid, õpetlikke probleeme nagu järgmised:
“Basiini sisse on paigaldatud kaks toru. Pärast esimest esimest tühja basseini saab täita 5 tunniga; ühe sekundiga saab täis basseini kell 10 tühjaks. Mis ajal tühja basseini täis saab, kui mõlemad torud korraga avada?
Sedalaadi probleemidel on auväärne ajalugu – peaaegu 20 sajandit, ulatudes tagasi Aleksandria Heronini. Siin on üks Heroni probleeme, kuigi mitte nii keeruline kui tema järeltulijatel:

Antakse neli purskkaevu. Seal on ulatuslik veehoidla.
24 tunni jooksul täidab esimene purskkaev selle ääreni.
Teine peab töötama sama asja kallal kaks päeva ja kaks ööd.
Kolmas on kolm korda nõrgem kui esimene.
Nelja päeva pärast suudab viimane temaga sammu pidada.
Ütle mulle, kas see saab varsti täis,
Mis siis, kui avate need kõik korraga?

Basseiniprobleemid on lahendatud kaks tuhat aastat ja selline on rutiini jõud! – kaks tuhat aastat on valesti otsustatud. Miks see vale on – saate ise aru pärast seda, mis just veevoolu kohta öeldi. Kuidas õpetatakse neid basseinidega seotud probleeme lahendama? Näiteks esimene probleem lahendatakse nii. 1 tunni pärast valab esimene toru 0,2 basseini, teine ​​toru valab 0,1 basseini; See tähendab, et mõlema toru toimel siseneb basseini igas tunnis 0,2 – 0,1 = 0,1, mis annab basseini täituvuse ajaks 10 tundi. See arutluskäik on vale: kui vee sissevoolu võib pidada konstantse rõhu all toimuvaks ja seega ühtlaseks, siis selle väljavool toimub muutuval tasemel ja seetõttu ebaühtlaselt. Sellest, et teine ​​toru tühjendab basseini kell 10, ei järeldu sugugi, et igas tunnis voolab välja 0,1 basseini; Kooli otsustusmeetod, nagu näeme, on ekslik. Ülesannet on elementaarse matemaatika abil võimatu õigesti lahendada ja seetõttu pole (voolava veega) basseini puudutavatel ülesannetel aritmeetikaülesannete raamatutes üldse kohta.

Joonis 57. Basseini probleem.

Hämmastav laev

Kas on võimalik konstrueerida anumat, millest vesi voolaks ühtlase joana välja kogu aeg, ilma selle voolu aeglustamata, vaatamata vedelikutaseme langusele? Pärast seda, mida olete eelmistest artiklitest õppinud, olete tõenäoliselt valmis pidama seda tüüpi probleemi ületamatuks.
Vahepeal on see üsna teostatav. Joonisel fig näidatud purk. 58, on lihtsalt nii hämmastav laev. See on tavaline kitsa kaelaga purk, mille korgi kaudu on sisestatud klaastoru. Kui avate toru otsast allpool kraani C, voolab sealt lakkamatu joana vedelik välja, kuni veetase anumas langeb toru alumise otsani. Toru peaaegu kraani tasemele surudes saad sundida kogu augu tasemest kõrgemal oleva vedeliku ühtlase, kuigi väga nõrga joana välja voolama.

Joonis 58. Mariotte'i laeva ehitus. Vesi voolab ühtlaselt august C.
Miks see juhtub? Jälgige vaimselt, mis juhtub anumas, kui kraan C avatakse (joonis 58). Kõigepealt valatakse klaastorust vesi välja; selle sees oleva vedeliku tase langeb toru lõpuni. Edasise väljavooluga veetase anumas langeb ja välisõhk siseneb klaastoru kaudu; see imbub mullidena läbi vee ja koguneb selle kohale anuma ülemisse ossa. Nüüd on igal tasemel B rõhk võrdne atmosfäärirõhuga. See tähendab, et kraanist C voolab vesi ainult veekihi BC rõhu all, sest anuma seest ja väljast tulev atmosfäärirõhk on tasakaalus. Ja kuna BC kihi paksus jääb konstantseks, pole üllatav, et juga voolab kogu aeg sama kiirusega.
Proovige nüüd vastata küsimusele: kui kiiresti vesi välja voolab, kui eemaldate korgi B toru otsa kõrguselt?
Selgub, et see ei voola üldse välja (muidugi, kui auk on nii väike, et selle laiust võib tähelepanuta jätta; vastasel juhul voolab vesi välja õhukese veekihi survel, paksusega sama laiuse paksusega). auk). Tegelikult on siin nii sees kui väljas rõhk võrdne atmosfäärirõhuga ja miski ei soodusta vee väljavoolu.
Ja kui eemaldaksite toru alumise otsa kohal oleva korgi A, siis mitte ainult ei voolaks anumast vesi välja, vaid sinna satuks ka välisõhk. Miks? Väga lihtsal põhjusel: selles anuma osas on õhurõhk väiksem kui väljas.
Selle selliste erakordsete omadustega anuma leiutas kuulus füüsik Marriott ja see sai nime teadlase "Mariotte'i laeva" järgi.

Pagas õhust

Sinna kogunenud Rogensburgi linna elanikud ja Saksamaa suveräänsed vürstid eesotsas keisriga said 17. sajandi keskel näha hämmastavat vaatepilti: 16 hobust püüdsid kõigest väest eraldada kaks teineteise külge kinnitatud vasest poolkera. Mis neid ühendas? "Mitte midagi" - õhk. Ja ometi ei suutnud kaheksa hobust, kes tõmbasid ühes suunas, ja kaheksa hobust, kes tõmbasid teises, neid eraldada. Nii näitas burgomeister Otto von Guericke kõigile oma silmaga, et õhk pole üldse mitte midagi, et sellel on kaalu ja see surub märkimisväärse jõuga kõigile maistele objektidele.
See katse viidi läbi 8. mail 1654 väga pidulikus õhkkonnas. Õppinud burmaster suutis oma teadusuuringute vastu kõiki huvitada, hoolimata asjaolust, et see juhtus keset poliitilisi segadusi ja laastavaid sõdu.
Kuulsa „Magdeburgi poolkeradega” tehtud katse kirjeldus on saadaval füüsikaõpikutes. Sellegipoolest olen kindel, et lugeja kuulab huviga seda lugu Guericke’i enda huulilt, seda “saksa Galileot”, nagu seda tähelepanuväärset füüsikut mõnikord nimetatakse. Mahukas raamat, mis kirjeldas tema eksperimentide pikka seeriat, ilmus 1672. aastal Amsterdamis ladina keeles ja kandis nagu kõik selle ajastu raamatud pikka pealkirja. Siin see on:
OTTO von GUERIKE

Nn uued Magdeburgi katsed

üle ÕHUVARU ruumi,

algselt kirjeldas matemaatikaprofessor
Würzburgi ülikoolis, autor CASPAR SCHOTT.
Autori enda väljaanne,
üksikasjalikumaks ja mitmekesisemaks rikastatud
uusi kogemusi.
Selle raamatu XXIII peatükk on pühendatud kogemusele, mis meid huvitab. Anname selle sõnasõnalise tõlke.
"Katse, mis tõestab, et õhurõhk ühendab kaks poolkera nii kindlalt, et neid ei saa 16 hobuse jõupingutustega eraldada.
Tellisin kaks vasest poolkera läbimõõduga kolmveerand Magdeburgi küünart. Kuid tegelikkuses oli nende läbimõõt vaid 67/100, kuna käsitöölised, nagu tavaliselt, ei suutnud toota täpselt seda, mida nõuti. Mõlemad poolkerad vastasid üksteisele täielikult. Ühele poolkerale kinnitati kraan; Selle kraaniga saate eemaldada õhu seest ja takistada õhu sisenemist väljast. Lisaks kinnitati poolkeradele 4 rõngast, millest keerdusid läbi hobuste rakmete külge seotud köied. Tellisin ka nahast sõrmuse õmmelda; seda leotati vaha ja tärpentini segus; poolkerade vahele surutud, ei lasknud õhku neisse. Kraani sisestati õhupumba toru ja õhupalli sees olev õhk eemaldati. Siis avastati, millise jõuga suruti mõlemad poolkerad läbi nahkrõnga teineteise vastu. Välisõhu rõhk surus neid nii tugevasti, et 16 hobust (tõmbega) ei suutnud neid üldse eraldada või saavutasid selle vaid vaevaliselt. Kui hobuste kogu jõupingele järele andnud poolkerad eraldusid, kostis nagu lasust kohin.
Kuid niipea, kui keerasite kraani, et avada vaba juurdepääs õhule, oli poolkerasid lihtne kätega eraldada.
Lihtne arvutus võib meile selgitada, miks on tühja palli osade eraldamiseks vaja nii suurt jõudu (8 hobust mõlemal küljel). Õhk pressib jõuga umbes 1 kg ruutcm kohta; 0,67 küünart (37 cm) läbimõõduga ringi pindala on 1060 cm2. See tähendab, et õhurõhk igal poolkeral peab ületama 1000 kg (1 tonn). Seetõttu pidid kõik kaheksa hobust välisõhu rõhu vastu võitlemiseks tõmbama tonni jõudu.
Näib, et kaheksa hobuse jaoks (mõlemal küljel) pole see kuigi suur koormus. Ärge unustage aga, et näiteks 1-tonnise koorma teisaldamisel ületavad hobused mitte 1-tonnise, vaid palju väiksema jõu, nimelt rataste hõõrdumist teljel ja kõnniteel. Ja see jõud on - näiteks maanteel - ainult viis protsenti, s.o ühetonnise koormaga - 50 kg. (Rääkimata sellest, et kaheksa hobuse jõupingutuste kombineerimisel, nagu praktika näitab, kaob 50% veojõust.) Järelikult vastab 1 tonnine veojõud kaheksa hobusega 20-tonnisele vankrikoormusele. See oli see õhupagas, mida Magdeburgi burgomasteri hobused pidid kandma! Tundus, nagu pidid nad liigutama väikest vedurit, mida pealegi ei pandud rööbastele.
Tugev veohobune on mõõdetud vedama vankrit vaid 80 kg jõuga. Järelikult oleks Magdeburgi poolkerade purustamiseks ühtlase veojõu korral vaja 1000/80 = 13 hobust mõlemal küljel.
Tõenäoliselt hämmastab lugeja, kui saab teada, et mõned meie luustiku liigesed ei lagune samal põhjusel nagu Magdeburgi poolkerad. Meie puusaliiges on just selline Magdeburgi poolkera. Saate selle liigese paljastada lihaste ja kõhrede ühendustest, kuid puusa ei kuku välja: seda surub atmosfäärirõhk, kuna liigestevahelises ruumis pole õhku.

Uued Heroni purskkaevud

Mu lugejad teavad ilmselt muistsele mehaanikule Heronile omistatud purskkaevu tavalist kuju. Lubage mul siinkohal meenutada selle ülesehitust, enne kui asun selle kurioosse seadme uusimate modifikatsioonide kirjelduse juurde. Heroni purskkaev (joon. 60) koosneb kolmest anumast: ülemine avatud üks a ja kaks kerakujulist b ja c, hermeetiliselt suletud anumat. Anumad on ühendatud kolme toruga, mille asukoht on näidatud joonisel. Kui punktis a on veidi vett, pall b täidetakse veega ja pall c õhuga, hakkab purskkaev tööle: vesi voolab läbi toru punktist a punkti c. õhu väljatõrjumine sealt kuuli b; sissetuleva õhu rõhu all voolab b vesi torust üles ja purskkaevud anuma a kohal. Kui pall b on tühi, lakkab purskkaev voolamast.

Joonis 59. Meie puusaliigeste luud ei lagune atmosfäärirõhu mõjul, nagu ka Magdeburgi poolkerad on tagasi hoitud.

Joonis 60. Muistse haiguri purskkaev.

Joonis 61. Heroni purskkaevu kaasaegne modifikatsioon. Ülal on plaadi paigutuse variant.
See on Heroni purskkaevu iidne vorm. Juba meie ajal lihtsustas üks Itaalia kooliõpetaja, keda ajendas leidlikkus oma füüsikaklassi kasina sisustuse tõttu, Heroni purskkaevu kujundust ja mõtles välja selle modifikatsioonid, mida igaüks saab kõige lihtsamate vahenditega korraldada (joonis 61). Pallide asemel kasutas ta apteegipudeleid; Klaasist või metalltorude asemel võtsin kummist. Ülemisse anumasse ei ole vaja auke teha: võite lihtsalt torude otsad sinna sisestada, nagu on näidatud joonisel fig. 61 eespool.
Selles modifikatsioonis on seadet palju mugavam kasutada: kui kogu vesi purgist b on valatud läbi anuma a purki c, saate lihtsalt purgid b ja c ümber paigutada ning purskkaev hakkab uuesti tööle; Ärge unustage muidugi ka otsikut teise torusse üle kanda.
Muudetud purskkaevu mugavus on ka see, et see võimaldab meelevaldselt muuta anumate asukohta ja uurida, kuidas anumate tasandite vaheline kaugus mõjutab joa kõrgust.
Kui soovite joa kõrgust mitu korda suurendada, saate seda saavutada, asendades kirjeldatud seadme alumises kolvis oleva vee elavhõbedaga ja õhu veega (joonis 62). Seadme töö on selge: purgist c purki b voolav elavhõbe tõrjub sealt välja vee, pannes selle purskkaevu kombel voolama. Teades, et elavhõbe on veest 13,5 korda raskem, saame arvutada, millisele kõrgusele peaks purskkaevu joa tõusma. Tähistagem tasemete erinevust vastavalt h1, h2, h3. Nüüd selgitame välja, milliste jõudude mõjul voolab elavhõbe anumast c (joonis 62) b-sse. Ühendustoru elavhõbedale avaldab survet mõlemalt poolt. Paremal on see elavhõbedasammaste erinevuse h2 rõhk (mis võrdub 13,5-kordse kõrgema veesamba rõhuga, 13,5 h2) pluss veesamba rõhu h1. Vasakul vajutab veesammas h3. Selle tulemusena kantakse elavhõbe jõuga minema
13,5 h2 + h1 – h3.
Aga h3 – h1 = h2; Seetõttu asendame h1 – h3 miinus h2-ga ja saame:
13,5 h2 – h2 ehk 12,5 h2.
Niisiis siseneb elavhõbe anumasse b 12,5 h2 kõrguse veesamba raskuse rõhu all. Teoreetiliselt peaks purskkaev seega tulistama kõrgusele, mis võrdub pudelite elavhõbedatasemete erinevusega, mis on korrutatud 12,5-ga. Hõõrdumine alandab seda teoreetilist kõrgust mõnevõrra.
Sellegipoolest annab kirjeldatud seade mugava võimaluse kõrgelt üles laskuva reaktiivlennuki saamiseks. Näiteks purskkaevu 10 m kõrgusele tulistamise tegemiseks piisab, kui tõsta üks purk teisest umbes ühe meetri võrra kõrgemale. On uudishimulik, et nagu meie arvutusest näha, ei mõjuta plaadi a tõstmine elavhõbedaga kolbide kohal vähimalgi määral joa kõrgust.

Joonis 62. Elavhõbeda rõhu all töötav purskkaev. Jet tabab kümme korda kõrgemale kui elavhõbeda taseme erinevus.

Petlikud laevad

Vanasti - 17. ja 18. sajandil - lõbustasid aadlikud end järgmise õpetliku mänguasjaga: valmistasid kruusi (või kannu), mille ülemises osas olid suured mustrilised väljalõiked (joon. 63). Sellist veiniga täidetud kruusi pakuti tavalisele külalisele, kelle üle sai karistamatult naerda. Kuidas sellest juua? Te ei saa seda kallutada: vein valgub paljudest aukudest välja, kuid suhu ei jõua tilkagi. See juhtub nagu muinasjutus:

Joonis 63. Petlik kann 18. sajandi lõpust ja selle disaini saladus.
Kallis, jõin õlut,
Jah, ta tegi just vuntsid märjaks.
Kuid kes teadis selliste kruuside valmistamise saladust - saladust, mis on näidatud joonisel fig. 63 paremal - ta sulges sõrmega augu B, võttis tila suhu ja imes vedeliku sisse ilma anumat kallutamata: vein tõusis läbi augu E mööda käepideme sees olevat kanalit, seejärel mööda selle jätku C ülemise osa sees. kruusi serva ja jõudis tilani.
Mitte nii kaua aega tagasi valmistasid sarnased kruusid meie pottsepad. Juhtusin ühes majas nägema nende töö näidist, mis varjab üsna osavalt laeva ehituse saladust; Kruusi peal oli kiri: "Joo, aga ära märjaks saa."

Kui palju kaalub vesi ümberpööratud klaasis?

"Loomulikult ei kaalu see midagi: vesi ei hoia sellises klaasis, vaid voolab välja," ütlete.
– Mis siis, kui see välja ei vala? — ma küsin. — Mis siis?
Tegelikult on võimalik ümberpööratud klaasis vett hoida, et see välja ei valguks. See juhtum on näidatud joonisel fig. 64. Ümberpööratud klaasist pokaal, mis on põhjaga seotud ühe kaalu panni külge, täidetakse veega, mis ei valgu välja, kuna klaasi servad on kastetud veega anumasse. Täpselt samasugune tühi klaas asetatakse kaalu teisele pannile.
Kumb pool kaalust kallutab?

Joonis 64. Milline karikas võidab?
Võidab see, mille külge ümberpööratud veeklaas on seotud. See klaas kogeb ülevalt täielikku atmosfäärirõhku ja altpoolt atmosfäärirõhku, mida nõrgestab klaasis sisalduva vee kaal. Tasside tasakaalustamiseks oleks vaja teise tassi peale asetatud klaas veega täita.
Seetõttu kaalub nendes tingimustes ümberpööratud klaasis olev vesi sama palju kui põhja asetatud vesi.

Miks laevad meelitavad?

1912. aasta sügisel juhtus järgmine intsident ookeanil sõitva aurikuga Olympic, mis oli tollal üks maailma suurimaid laevu. Olympic sõitis avamerel ja sellega peaaegu paralleelselt sadade meetrite kaugusel möödus suurel kiirusel teine, palju väiksem laev, soomustatud ristleja Gauk. Kui mõlemad laevad võtsid joonisel fig. 65 juhtus midagi ootamatut: väiksem laev keeras kiiresti teelt välja, justkui kuuletudes mingile nähtamatule jõule, pööras nina suure auriku poole ja tüürile allumata liikus peaaegu otse selle poole. Toimus kokkupõrge. Gauk põrkas nina ees Olmpiku külje alla; löök oli nii tugev, et Gauk tegi Olympicu külge suure augu.

Joonis 65. Laevade Olympic ja Gauk asukoht enne kokkupõrget.
Kui seda kummalist juhtumit merekohtus arutati, tunnistati hiiglasliku "Olympic" kapten süüdi, kuna kohtuotsuse kohaselt "ei andnud ta ühtegi käsku anda teed üle selle sõitvale Haukile".
Seetõttu ei näinud kohus siin midagi ebatavalist: kapteni lihtsalt puudulikku juhtimist, ei midagi enamat. Vahepeal juhtus täiesti ettenägematu asjaolu: laevade vastastikuse meelitamise juhtum merel.
Selliseid juhtumeid esines rohkem kui üks kord, ilmselt varemgi, kui kaks laeva liikusid paralleelselt. Kuid kuni väga suurte laevade ehitamiseni see nähtus ei avaldunud sellise jõuga. Kui “ujuvad linnad” hakkasid ookeanivett kündma, muutus laevade külgetõmbe fenomen palju märgatavamaks; sõjaväelaevade komandörid arvestavad sellega manööverdamisel.
Arvatavasti juhtus samal põhjusel ka arvukalt suurte reisi- ja sõjaväelaevade läheduses sõitnud väikelaevade õnnetusi.
Mis seletab seda atraktsiooni? Muidugi ei saa siin Newtoni universaalse gravitatsiooniseaduse järgi tõmbejõust juttugi olla; oleme juba näinud (IV peatükis), et see atraktsioon on liiga tühine. Nähtuse põhjus on hoopis teistsugune ja seda seletatakse torudes ja kanalites voolava vedeliku seadustega. Võib tõestada, et kui vedelik voolab läbi kanali, millel on ahenemised ja paisumised, siis kanali kitsastes kohtades voolab see kiiremini ja avaldab kanali seintele vähem survet kui laiades kohtades, kus voolab rahulikumalt ja paneb rohkem. surve seintele (nn "Bernoulli põhimõte").
Sama kehtib gaaside kohta. Seda nähtust gaaside uurimisel nimetatakse Clément-Desormesi efektiks (nimetatud selle avastanud füüsikute järgi) ja seda nimetatakse sageli "aerostaatiliseks paradoksiks". Väidetavalt avastati see nähtus esimest korda juhuslikult järgmistel asjaoludel. Ühes Prantsusmaa kaevanduses kästi töölisel katta kilbiga välisseadise ava, mille kaudu kaevandusse suruõhku juhiti. Töötaja vaevles pikka aega õhuvooluga, kuid ühtäkki lõi kilp ise katuseluugi sellise jõuga kinni, et kui kilp poleks olnud piisavalt suur, oleks ta koos õhuvooluga tõmmatud tuulutusluuki. hirmunud tööline.
Muide, see gaasivoolu omadus seletab pihustuspüstoli tegevust. Kui puhume (joon. 67) küünarnukki a, mis lõpeb kitsenemisega, vähendab ahenemisse liikuv õhk selle rõhku. Seega ilmub toru b kohale vähendatud rõhuga õhk ja seetõttu juhib atmosfäärirõhk vedeliku klaasist torust üles; Ava juures siseneb vedelik puhutud õhu voolu ja pihustatakse sellesse.
Nüüd saame aru, mis on laevade ligitõmbamise põhjus. Kui kaks laeva sõidavad üksteisega paralleelselt, näeb see välja nagu veekanal nende pardade vahel. Tavalises kanalis on seinad liikumatud, aga vesi liigub; siin on vastupidi: vesi on liikumatu, aga seinad liiguvad. Kuid jõudude mõju ei muutu sugugi: liikuva tilkuva vee kitsas kohtades on rõhk seintele nõrgem kui aurulaevade ümbruses. Teisisõnu kogevad aurulaevade üksteise vastas olevad küljed veest vähem survet kui laevade välimised osad. Mis peaks selle tulemusena juhtuma? Anumad peavad välisvee survel üksteise poole liikuma ning on loomulik, et väiksem anum liigub märgatavamalt, massiivsem aga jääb peaaegu liikumatuks. Seetõttu on tõmme eriti tugev, kui suur laev väikesest kiiresti mööda läheb.

Joonis 66. Kanali kitsastes osades voolab vesi kiiremini ja avaldab seintele vähem survet kui laiades kohtades.

Joonis 67. Pihustuspudel.

Joonis 68. Veevool kahe purjelaeva vahel.
Niisiis, laevade ligitõmbamine on tingitud voolava vee imemisefektist. See seletab ka kärestikuohtu ujujatele ja mullivannide imemisefekti. Võib välja arvutada, et veevool jões mõõduka kiirusega 1 m sekundis tõmbab inimkeha sisse 30 kg jõuga! Sellisele jõule pole lihtne vastu seista, eriti vees, kui meie enda kehakaal ei aita meil stabiilsust säilitada. Lõpuks selgitatakse kiiresti liikuva rongi tõmbeefekti sellesama Bernoulli põhimõttega: rong, mille kiirus on 50 km tunnis, lohistab lähedalasuvat inimest umbes 8 kg suuruse jõuga.
Kuigi "Bernoulli põhimõttega" seotud nähtused on väga levinud, on mittespetsialistide seas vähe tuntud. Seetõttu on kasulik sellel üksikasjalikumalt peatuda. Allpool esitame väljavõtte populaarteaduslikus ajakirjas sel teemal avaldatud artiklist.

Bernoulli põhimõte ja selle tagajärjed

Daniel Bernoulli poolt 1726. aastal esmakordselt välja öeldud põhimõte ütleb, et vee- või õhuvoolus on rõhk madala kiiruse korral kõrge ja suure kiiruse korral madal. Sellel põhimõttel on teadaolevad piirangud, kuid me ei peatu neil siin pikemalt.
Riis. 69 illustreerib seda põhimõtet.
Õhk puhutakse läbi toru AB. Kui toru ristlõige on väike, nagu punktis a, on õhu kiirus suur; kus ristlõige on suur, nagu punktis b, on õhu kiirus väike. Kui kiirus on suur, on rõhk madal ja kus kiirus on väike, on rõhk kõrge. Madala õhurõhu tõttu a-s tõuseb vedelik torus C; samal ajal sunnib tugev õhurõhk b-s torus D olevat vedelikku laskuma.

Joonis 69. Bernoulli printsiibi illustratsioon. AB toru kitsendatud osas (a) on rõhk väiksem kui laias osas (b).
Joonisel fig. 70 toru T on paigaldatud vaskkettale DD; õhk puhutakse läbi toru T ja seejärel vabast kettast dd mööda. Kahe ketta vahelisel õhul on suur kiirus, kuid see kiirus väheneb kiiresti, kui see läheneb ketaste servadele, kuna õhuvoolu ristlõige suureneb kiiresti ja ketaste vahelisest ruumist voolava õhu inerts on ületada. Kuid ketast ümbritseva õhu rõhk on kõrge, kuna kiirus on väike, ja õhurõhk ketaste vahel on väike, kuna kiirus on suur. Seetõttu avaldab ketast ümbritsev õhk ketastele suuremat mõju, kaldudes neid üksteisele lähemale tooma, kui ketaste vaheline õhuvool, kaldudes neid üksteisest eemale lükkama; Selle tulemusena kleepub dd-ketas DD-ketta külge, mida tugevamini, seda tugevam on õhuvool T-s.
Riis. 71 on analoogne joonisele fig. 70, aga ainult veega. Kiiresti liikuv vesi DD-kettal on madalal tasemel ja ise tõuseb basseini rahuliku vee kõrgemale tasemele, kui see keerdub ümber ketta servade. Seetõttu on ketta all olev vaikne vesi suurema rõhuga kui ketta kohal liikuv vesi, mis põhjustab ketta tõusu. Varras P ei võimalda ketta külgsuunalist nihkumist.

Joonis 70. Kogemused ketastega.

Joonis 71. Ketas DD tõuseb vardal P, kui sellele valatakse paagist veejuga.
Riis. 72 kujutab õhuvoolus hõljuvat valguspalli. Õhuvool tabab palli ja takistab selle kukkumist. Kui pall hüppab joast välja, suunab ümbritsev õhk selle tagasi joasse, kuna ümbritseva õhu rõhk, mille kiirus on väike, on kõrge ja õhu rõhk joas, mis on suure kiirusega. kiirus, on väike.
Riis. 73 kujutab kahte vaikses vees kõrvuti liikuvat laeva või, mis tähendab sama asja, kahte laeva, mis seisavad kõrvuti ja voolavad ümber vee. Voolu on piiratum anumatevahelises ruumis ja vee kiirus selles ruumis on suurem kui mõlemal pool anumat. Seetõttu on veesurve laevade vahel väiksem kui laevade mõlemal küljel; laevu ümbritsev kõrgem veerõhk lähendab neid. Meremehed teavad väga hästi, et kaks kõrvuti sõitvat laeva tõmbavad teineteise poole tugevasti.

Joonis 72. Pall, mida toetab õhuvool.

Joonis 73. Kaks paralleelselt liikuvat laeva näivad teineteist meelitavat.

Joonis 74. Kui laevad liiguvad edasi, pöörab laev B oma vööri laeva A poole.

Joonis 75. Kui õhku puhutakse kahe kerge palli vahele, lähenevad need üksteisele, kuni puutuvad kokku.
Tõsisem juhtum võib tekkida siis, kui üks laev järgneb teisele, nagu on näidatud joonisel fig. 74. Kaks jõudu F ja F, mis toovad laevu kokku, kipuvad neid pöörama ja laev B pöördub märkimisväärse jõuga A poole. Kokkupõrge on sel juhul peaaegu vältimatu, kuna roolil pole aega laeva liikumissuunda muuta.
Seoses joonisega fig. 73 saab demonstreerida õhu puhumisega kahe kerge kummikuuli vahele, mis on riputatud, nagu on näidatud joonisel fig. 75. Kui puhud nende vahele õhku, tulevad nad lähemale ja löövad üksteist.

Kalapõie eesmärk

Tavaliselt räägitakse ja kirjutatakse kalade ujupõie rolli kohta järgmist – see tunduks üsna usutav. Sügavusest vee pinnakihtidesse väljumiseks puhub kala oma ujupõie täis; siis tema keha maht suureneb, väljatõrjutud vee kaal muutub suuremaks kui tema enda kaal - ja ujumisseaduse kohaselt tõuseb kala ülespoole. Tõusmise või laskumise lõpetamiseks surub ta oma ujupõie kokku. Keha maht ja koos sellega väljatõrjutud vee kaal väheneb ning kala vajub Archimedese seaduse järgi põhja.
See lihtsustatud idee kalade ujupõie otstarbest pärineb Firenze akadeemia teadlaste aegadest (XVII sajand) ja selle väljendas professor Borelli 1685. aastal. Rohkem kui 200 aastat võeti see vastu ilma vastuväideteta, õnnestus juurduda kooliõpikutes ja alles uute uurijate (Moreau, Charbonel) tööde kaudu avastati selle teooria täielik ebakõla,
Mullil on kahtlemata väga tihe seos kalade ujumisega, kuna kalad, kelle mull katsete käigus kunstlikult eemaldati, võisid vees püsida vaid uimedega kõvasti töötades ja kui see töö katkes, kukkusid nad põhja. Mis on tema tõeline roll? Väga piiratud: see aitab kalal püsida vaid teatud sügavusel, just sellisel, kus kala poolt väljatõrjutud vee kaal on võrdne kala enda kaaluga. Kui kala langeb uimede toimel sellest tasemest allapoole, tõmbub tema keha, mis avaldab veest suurt välist survet, kokku, pigistades mulli; väljatõrjutud veekoguse kaal väheneb, kala kaal väheneb ja kala langeb kontrollimatult. Mida madalamale see langeb, seda tugevamaks muutub veerõhk (1 atmosfäär iga 10 m langetamise kohta), seda rohkem surutakse kala keha kokku ja seda kiiremini jätkab ta laskumist.
Sama asi, ainult vastupidises suunas, juhtub siis, kui kala, olles lahkunud kihist, kus ta oli tasakaalus, viiakse uimede toimel kõrgematesse kihtidesse. Selle keha, mis on vabastatud osast välisrõhust ja mida ujupõis seestpoolt endiselt laiendab (milles gaasirõhk oli kuni selle hetkeni tasakaalus ümbritseva vee rõhuga), suureneb selle maht ja selle tulemusena. , hõljub kõrgemal. Mida kõrgemale kala tõuseb, seda rohkem tema keha paisub ja järelikult ka edasine tõus. Kala ei saa seda "põit pigistades" ära hoida, kuna tema ujupõie seintel puuduvad lihaskiud, mis võiksid selle mahtu aktiivselt muuta.
Et selline passiivne kehamahu suurenemine kaladel ka tegelikult toimub, kinnitab järgmine katse (joonis 76). Kloroformeeritud olekus kõle asetatakse veega suletud anumasse, milles hoitakse kõrgendatud rõhku, mis on lähedane looduslikus veekogus teatud sügavusel valitsevale rõhule. veepinnal lebab kala passiivselt, kõht üleval. Natuke sügavamale uputatuna hõljub uuesti pinnale. Põhjale lähemale asetatuna vajub see põhja. Kuid mõlema taseme vahelises intervallis on veekiht, milles kala püsib tasakaalus – ei vaju ega uju. Kõik see saab selgeks, kui meenutada äsja öeldut ujumispõie passiivsest laienemisest ja kokkutõmbumisest.
Seega, vastupidiselt levinud arvamusele, ei saa kala oma ujupõit vabatahtlikult täis puhuda ja kokku tõmmata. Selle mahu muutused toimuvad passiivselt, suurenenud või nõrgenenud välisrõhu mõjul (vastavalt Boyle-Mariotte seadusele). Need mahumuutused pole kalale mitte ainult kasulikud, vaid hoopis kahjustavad teda, kuna põhjustavad kas kontrollimatu, üha kiireneva põhja langemise või samavõrd kontrollimatu ja kiireneva tõusu pinnale. Teisisõnu aitab mull paigal oleval kalal tasakaalu säilitada, kuid see tasakaal on ebastabiilne.
See on kalade ujupõie tõeline roll, mis puudutab selle seost ujumisega; kas see ka muid funktsioone kala kehas täidab ja milliseid täpselt, pole teada, seega on see elund siiani salapärane. Ja ainult selle hüdrostaatilist rolli võib nüüd lugeda täielikult selgeks.
Kalurite tähelepanekud kinnitavad seda.

Joonis 76. Katse bleakiga.
Suurest sügavusest kala püüdes juhtub, et mõni kala laseb poolel teel lahti; kuid vastupidiselt ootustele ei vaju see tagasi sügavusse, kust ta ammutati, vaid, vastupidi, tõuseb kiiresti pinnale. Selliste kalade puhul on mõnikord märgata, et põis ulatub suu kaudu välja.

Lained ja keerised

Paljusid igapäevaseid füüsikalisi nähtusi ei saa seletada füüsika elementaarsete seadustega. Isegi sellist sageli täheldatavat nähtust nagu tuulisel päeval karm meri ei saa koolifüüsika kursusel lõpuni lahti seletada. Mis põhjustab liikuva aurulaeva vöörist vaikses vees laiali levivaid laineid? Miks lehvivad lipud tuulise ilmaga? Miks on mererannas liiv lainetena paigutatud? Miks tehase korstnast tuleb suitsu välja?

Joonis 77. Rahulik ("laminaarne") vedelikuvool torus.

Joonis 78. Vortex (“turbulentne”) vedeliku vool torus.
Nende ja teiste sarnaste nähtuste selgitamiseks peate teadma vedelike ja gaaside nn keerisliikumise tunnuseid. Püüame siin veidi rääkida keeriste nähtustest ja märkida nende põhijooned, kuna kooliõpikutes on keeriseid vaevu mainitud.
Kujutagem ette vedelikku, mis voolab torus. Kui kõik vedeliku osakesed liiguvad mööda toru mööda paralleelseid jooni, siis on meil kõige lihtsam vedeliku liikumise tüüp - rahulik või, nagu füüsikud ütlevad, “laminaarne” vool. See pole aga kõige levinum juhtum. Vastupidi, palju sagedamini voolavad vedelikud torudes ebakindlalt; keerised lähevad toru seintelt selle teljele. See on keeriselaadne või turbulentne liikumine. Nii voolab vesi näiteks veevärgi torudes (kui ei pea silmas peenikesi torusid, kus vool on laminaarne). Pöörisvoolu täheldatakse alati, kui antud vedeliku voolukiirus torus (antud läbimõõduga) saavutab teatud väärtuse, nn kriitilise kiiruse.
Torus voolava vedeliku keerised saab silmale nähtavaks teha, kui viia klaastorus voolavasse läbipaistvasse vedelikku veidi kerget pulbrit, näiteks lükopoodiumi. Siis on selgelt näha toru seintelt selle teljele tulevad keerised.
Seda keerisevoolu omadust kasutatakse külmikute ja jahutite ehitamise tehnoloogias. Jahutatud seintega torus turbulentselt voolav vedelik viib kõik oma osakesed külmade seintega kokku palju kiiremini kui ilma keeristeta liikudes; Tuleb meeles pidada, et vedelikud ise on halvad soojusjuhid ja segunemise puudumisel jahutavad või soojenevad väga aeglaselt. Vere elav soojus- ja materjalivahetus sellega pestavate kudedega on võimalik ka ainult seetõttu, et selle vool veresoontes ei ole laminaarne, vaid keeris.
Torude kohta öeldu kehtib ühtviisi nii avatud kanalite kui ka jõesängide kohta: kanalites ja jõgedes voolab vesi turbulentselt. Jõe voolukiiruse täpsel mõõtmisel tuvastab seade pulsatsioonid, eriti põhja lähedal: pulsatsioonid näitavad pidevalt muutuvat voolusuunda, s.o pööriseid. Jõevee osakesed liiguvad mitte ainult piki jõesängi, nagu tavaliselt ette kujutatakse, aga ka kallastest kuni keskpaigani . Seetõttu on vale väita, et jõe sügavustes on vee temperatuur aastaringselt sama, nimelt +4°C: segunemise tõttu on jõe põhja lähedal voolava vee temperatuur (kuid mitte järv) on sama, mis pinnal. Jõe põhja tekkivad keerised kannavad endaga kerget liiva ja tekitavad siin liiva “laineid”. Sama on näha saabuvast lainest uhutud mere liivakaldal (joon. 79). Kui veevool põhja lähedal oleks rahulik, oleks põhjas olev liiv sileda pinnaga.

Joonis 79. Liivalainete teke mererannas veekeeriste toimel.

Joonis 80. Trossi laineline liikumine voolavas vees on põhjustatud keeriste tekkimisest.
Seega tekivad veega pestud keha pinna lähedal keerised. Nende olemasolust annab meile märku näiteks piki veevoolu venitatud ussilaadne keerdköis (kui köie üks ots on seotud ja teine ​​vaba). Mis siin toimub? Trossi osa, mille lähedale keeris on tekkinud, kantakse sellega minema; kuid järgmisel hetkel liigub see lõik teise keerisega vastupidises suunas - saadakse serpentiinne väänlemine (joon. 80).
Liigume vedelikelt gaasidele, veest õhku.
Kes poleks näinud, kuidas õhukeerised tolmu, põhku jms maapinnalt minema kannavad? See on õhu keerisvoolu ilming piki maapinda. Ja kui õhk voolab mööda veepinda, siis kohtades, kus tekivad keerised, tõuseb siinse õhurõhu languse tõttu vesi üles nagu küür – tekib elevus. Sama põhjus tekitab liivalaineid kõrbes ja luidete nõlvadel (joonis 82).

Joonis 81. Tuules lehviv lipp...

Joonis 82. Liiva laineline pind kõrbes.
Nüüd on lihtne aru saada, miks lipp tuules loksub: temaga juhtub sama, mis voolavas vees köiega. Tuulelipu tahke plaat ei hoia tuules kindlat suunda, vaid võngub keeristele alludes kogu aeg. Tehase korstnast väljuvad suitsupilved on sama keerise päritoluga; suitsugaasid voolavad läbi toru keerisliikumisel, mis jätkub mõnda aega inertsi mõjul väljaspool toru (joonis 83).
Turbulentsel õhuliikumisel on lennunduse jaoks suur tähtsus. Lennuki tiibadele antakse selline kuju, et tiiva all olev õhu vähenemise koht on täidetud tiiva ainega ja tiiva kohal olev keeris, vastupidi, intensiivistub. Selle tulemusena on tiib altpoolt toestatud ja ülalt imetud (joonis 84). Sarnased nähtused tekivad ka siis, kui lind sirutab väljasirutatud tiibadega.

Joonis 83. Tehase korstnast väljuvad suitsusambad.
Kuidas tuul üle katuse töötab? Keerised tekitavad katuse kohal õhu vähenemist; Püüdes rõhku võrdsustada, surub katusealune õhk ülespoole kantuna sellele vastu. Selle tulemusel juhtub midagi, mida peame kahjuks sageli jälgima: kerge, lõdvalt kinnitatud katus lendab tuul minema. Samal põhjusel pigistatakse tuule puhudes seest välja suured aknaklaasid (mitte väljastpoolt tuleva surve tõttu puruneda). Neid nähtusi on aga kergem seletada rõhu langusega liikuvas õhus (vt eespool “Bernoulli põhimõte”, lk 125).
Kui kaks erineva temperatuuri ja niiskusega õhuvoolu voolavad üksteisest mööda, tekivad mõlemas keerised. Pilvede mitmekesine kuju on suuresti tingitud sellest.
Näeme, millised laiad nähtused on seotud keeristevoogudega.

Joonis 84. Millistele jõududele mõjub lennukitiib?
Rõhu (+) ja õhu vähenemise (-) jaotus piki tiiba katsete põhjal. Kõigi rakendatud jõupingutuste, toetamise ja imemise tulemusena tõmmatakse tiib üles. (Pidvad jooned näitavad rõhu jaotust; punktiirjoon – sama ka lennukiiruse järsu suurenemisega)

Reis Maa sisikonda

Mitte ükski inimene pole kunagi Maa sisse laskunud sügavamale kui 3,3 km ja ometi on maakera raadius 6400 km. Maa keskpunktini on veel väga pikk tee. Sellegipoolest langetas leidlik Jules Verne oma kangelased – ekstsentrilise professori Lidenbrocki ja tema vennapoja Axeli – sügavale Maa sisikonda. Romaanis “Teekond Maa keskmesse” kirjeldas ta nende maa-aluste reisijate hämmastavaid seiklusi. Nende üllatuste hulgas, mida nad maa all kohtasid, oli muuseas õhutiheduse suurenemine. Kui õhk tõuseb, muutub see väga kiiresti haruldaseks: selle tihedus väheneb geomeetrilises progressioonis, samas kui tõusu kõrgus suureneb aritmeetilises progressioonis. Vastupidi, allapoole, ookeanipinnast allapoole laskudes peaks ülemiste kihtide surve all olev õhk muutuma järjest tihedamaks. Maa-alused reisijad ei saanud seda muidugi märkamata jätta.
See on vestlus, mis leidis aset teadlasest onu ja tema vennapoja vahel 12 liiga (48 km) sügavusel Maa sisikonnas.
"Vaata, mida näitab manomeeter? - küsis onu.
- Väga tugev surve.
"Nüüd näete, et vähehaaval laskudes harjume kondensõhuga järk-järgult ja ei kannata seda üldse."
- Välja arvatud valu kõrvades.
- Jama!
"Olgu," vastasin ma, otsustades onule mitte vastu rääkida. – Kondensõhus on isegi meeldiv olla. Kas olete märganud, kui tugevad helid selles on?
- Kindlasti. Selles õhkkonnas kuulsid isegi kurdid.
– Kuid õhk muutub üha tihedamaks. Kas see saavutab lõpuks vee tiheduse?
– Muidugi: rõhu all 770 atmosfääri.
- Ja veelgi madalamal?
– Tihedus suureneb veelgi.
- Kuidas me siis alla saame?
- Täidame oma taskud kividega.
- Noh, onu, sul on kõigele vastus!
Ma ei laskunud arvamise valdkonda kaugemale, sest võib-olla leian jälle mingi takistuse, mis mu onu välja vihastaks. Oli aga ilmselge, et mitme tuhande atmosfääri rõhu all võib õhk muutuda tahkeks ja siis, isegi kui oletada, et suudame sellisele rõhule vastu pidada, peame ikkagi peatuma. Siin ei aita ükski vaidlemine.”

Fantaasia ja matemaatika

Nii jutustab romaanikirjanik; kuid see selgub, kui kontrollime selles lõigus mainitud fakte. Me ei pea selleks laskuma Maa sisikonda; Väikeseks ekskursiooniks füüsika valdkonda piisab pliiatsi ja paberi varumisest.
Kõigepealt proovime kindlaks teha, millisele sügavusele peame laskuma, et atmosfäärirõhk tõuseks 1000. osa võrra. Normaalne atmosfäärirõhk võrdub 760 mm elavhõbedasamba massiga. Kui me oleksime kastetud mitte õhku, vaid elavhõbedasse, peaksime rõhu tõusmiseks 1000. osa võrra laskuma vaid 760/1000 = 0,76 mm. Õhus peame selleks loomulikult laskuma palju sügavamale ja täpselt nii palju kordi, kui õhk on elavhõbedast kergem – 10 500 korda. See tähendab, et selleks, et rõhk tõuseks 1000. normaalväärtusest, peame langema mitte 0,76 mm võrra, nagu elavhõbedas, vaid 0,76x10500, st peaaegu 8 m. Kui langeme veel 8 m, siis suurenenud rõhk kasvab oma väärtusest veel 1000 võrra jne... Ükskõik millisel tasemel me oleme - päris "maailma laes" (22 km), Mount Everesti tipus (9 km) või ookeani pinna lähedal - peame langema 8 m, et õhurõhk tõuseks 1000. võrra algsest väärtusest. Seetõttu saame järgmise õhurõhu tabeli, mis kasvab sügavusega:
Maapinna rõhu all
760 mm = normaalne
"sügavus 8 m" = 1,001 normaalne
"sügavus 2x8" =(1,001)2
"sügavus 3x8" =(1,001)3
"sügavus 4x8" =(1,001)4
Ja üldiselt on nx8 m sügavusel atmosfäärirõhk (1,001)n korda suurem kui normaalrõhk; ja kuigi rõhk ei ole väga kõrge, suureneb õhu tihedus sama palju (Mariotte seadus).
Pange tähele, et antud juhul räägime, nagu romaanist näha, Maasse süvenemisest vaid 48 km võrra ning seetõttu ei saa arvesse võtta gravitatsiooni nõrgenemist ja sellega kaasnevat õhu massi vähenemist.
Nüüd saate arvutada, kui suur see ligikaudu oli. surve, mida Jules Verne'i maa-alused rändurid kogesid 48 km (48 000 m) sügavusel. Meie valemis võrdub n 48000/8 = 6000. Peame arvutama 1,0016000. Kuna 1,001 korrutamine iseendaga 6000 korda on üsna igav ja võtaks palju aega, siis pöördume logaritmide appi. mille kohta Laplace ütles õigesti, et tööjõu vähendamisega kahekordistavad nad kalkulaatorite eluiga. Võttes logaritmid, saame: tundmatu logaritm on võrdne
6000 * lg 1,001 = 6000 * 0,00043 = 2,6.
Kasutades logaritmi 2,6 leiame vajaliku arvu; see võrdub 400-ga.
Nii et 48 km sügavusel on atmosfäärirõhk 400 korda tavalisest tugevam; Nagu katsed on näidanud, suureneb sellise rõhu all oleva õhu tihedus 315 korda. Seetõttu on kaheldav, et meie maa-alused rändurid üldse ei kannataks, kogedes ainult “kõrvavalu”... Jules Werpi romaan räägib aga inimestest, kes jõuavad veelgi suuremasse maa-alusesse sügavusse, nimelt 120 ja isegi 325 km kaugusele. Õhurõhk pidi seal saavutama koletu taseme; inimene suudab kahjutult taluda õhurõhku mitte rohkem kui kolm-neli atmosfääri.
Kui hakkaksime sama valemiga arvutama, millisel sügavusel muutub õhk sama tihedaks kui vesi, see tähendab, et see muutub 770 korda tihedamaks, saaksime arvu: 53 km. Kuid see tulemus on vale, kuna kõrge rõhu korral ei ole gaasi tihedus enam võrdeline rõhuga. Mariotte'i seadus kehtib ainult mitte liiga oluliste rõhkude puhul, mis ei ületa sadu atmosfääre. Siin on eksperimentaalselt saadud andmed õhutiheduse kohta:
Surve tihedus
200 atmosfääri... 190
400" ............... 315
600" ............... 387
1500" ............... 513
1800" ............... 540
2100" ............... 564
Tiheduse suurenemine, nagu näeme, jääb rõhu suurenemisest märgatavalt maha. Jules Verne'i teadlane lootis asjata, et ta jõuab sügavusele, kus õhk on veest tihedam - ta poleks pidanud seda ootama, kuna õhk saavutab vee tiheduse alles 3000 atmosfääri rõhu all ja siis vaevalt surub kokku. Õhu tahkeks muutmisest ühe rõhuga, ilma äärmise jahutuseta (alla miinus 146°) ei saa juttugi olla.
Ausus nõuab aga, et eelmainitud Jules Verne’i romaan ilmus ammu enne seda, kui nüüd esitatud faktid teatavaks said. See õigustab autorit, kuigi ei paranda narratiivi.
Kasutame varem antud valemit, et arvutada välja kaevanduse suurim sügavus, mille põhja võib inimene jääda ilma oma tervist kahjustamata. Kõrgeim õhurõhk, mida meie keha veel talub, on 3 atmosfääri. Tähistades võlli soovitud sügavust läbi x, saame võrrandi (1.001)x/8 = 3, millest (logaritme kasutades) arvutame x. Saame x = 8,9 km.
Seega võib inimene ilma vigadeta viibida peaaegu 9 km sügavusel. Kui Vaikne ookean äkki kuivaks, võiksid inimesed elada selle põhjas peaaegu kõikjal.

Sügavas kaevanduses

Kes on liikunud Maa keskpunktile kõige lähemale – mitte romaanikirjaniku fantaasias, vaid tegelikkuses? Muidugi kaevurid. Teame juba (vt IV peatükk), et maailma sügavaim kaevandus kaevatakse Lõuna-Aafrikas. See ulatub sügavamale kui 3 km. Siin ei peeta silmas mitte puuri läbitungimissügavust, mis ulatub 7,5 km-ni, vaid inimeste enda süvenemist. Nii ütleb näiteks prantsuse kirjanik dr Luc Durten, kes seda isiklikult külastas, Morro Velho kaevanduse kaevanduse kohta (sügavus umbes 2300 m):
«Kuulsad Morro Veljo kullakaevandused asuvad Rio de Janeirost 400 km kaugusel. Pärast 16-tunnist rongisõitu kivisel maastikul laskute sügavasse orgu, mida ümbritseb džungel. Siin arendab üks Inglise firma kulda kandvaid veene sügavusel, kuhu inimene pole kunagi varem laskunud.
Veen läheb sügavusse kaldu. Kaevandus järgneb sellele kuue servaga. Vertikaalsed šahtid on kaevud, horisontaalsed šahtid on tunnelid. Kaasaegsele ühiskonnale on äärmiselt iseloomulik, et maakera maapõue kaevatud sügavaim kaevandus – inimese julgeim katse tungida planeedi sisikonda – tehti kulda otsides.
Kandke lõuendist kombinesooni ja nahktagi. Olge ettevaatlik: väikseim kaevu kukkuv kivike võib teid vigastada. Meid saadab üks kaevanduse “kaptenitest”. Sisened esimesse hästi valgustatud tunnelisse. Sa värised külmast 4° tuulest: see on ventilatsioon kaevanduse sügavuste jahutamiseks.
Pärast esimesest 700 m sügavusest kaevust kitsas metallpuuris läbimist leiate end teisest tunnelist. Minge teise kaevu; õhk muutub soojemaks. Olete juba allpool merepinda.
Alates järgmisest kaevust põletab õhk teie nägu. Higist tilkudes, madala kaare alla painutatud, liigud puurmasinate mürina poole. Alasti inimesed töötavad paksus tolmus; Nad tilguvad higist, käed lasevad pidevalt veepudelist mööda. Ärge puudutage nüüd maha murdunud maagikilde: nende temperatuur on 57°.
Mis on selle kohutava, vastiku reaalsuse tulemus? "Umbes 10 kilogrammi kulda päevas..."
Kirjeldades füüsilisi tingimusi kaevanduse põhjas ja töötajate äärmusliku ärakasutamise ulatust, märgib prantsuse kirjanik kõrget temperatuuri, kuid ei maini suurenenud õhurõhku. Arvutame välja, milline see on 2300 m sügavusel Kui temperatuur jääks samaks kui Maa pinnal, siis meile juba tuttava valemi järgi suureneks õhutihedus võrra

Raza.
Tegelikkuses temperatuur ei püsi konstantsena, vaid tõuseb. Seetõttu ei suurene õhutihedus nii oluliselt, vaid vähem. Lõppkokkuvõttes erineb kaevanduse põhjas olev õhk tiheduse poolest Maa pinnal olevast õhust veidi rohkem kui kuuma suvepäeva õhk talvisest pakasest õhust. Nüüd on selge, miks see asjaolu kaevanduskülastaja tähelepanu ei pälvinud.
Kuid märkimisväärne õhuniiskus sellistes sügavates kaevandustes on väga oluline, muutes neis viibimise kõrgel temperatuuril talumatuks. Ühes Lõuna-Aafrika kaevanduses (Johansburg), 2553 m sügavusel, ulatub õhuniiskus 50° kuumuse juures 100%; siia on nüüd paigaldatud nn tehiskliima, mille jahutav toime võrdub 2000 tonni jääga.

Kõrge stratosfääri õhupallidega

Eelmistes artiklites rändasime mõtteliselt maa sisikonda ja meid aitas õhurõhu sõltuvuse valem sügavusest. Seikleme nüüd üles ja vaatame sama valemi abil, kuidas õhurõhk suurtel kõrgustel muutub. Selle juhtumi valem on järgmisel kujul:
p = 0,999 h/8,
kus p on rõhk atmosfääris, h on kõrgus meetrites. Murd 0,999 asendas siin arvu 1,001, sest 8 m ülespoole liikudes ei tõuse rõhk 0,001, vaid langeb 0,001 võrra.
Esmalt lahendame probleemi: kui kõrgele peate tõusma, et õhurõhk väheneks poole võrra?
Selleks võrdsustame oma valemis rõhu p = 0,5 ja hakkame otsima kõrgust h. Saame võrrandi 0,5 = 0,999h/8, mida pole keeruline lahendada lugejatel, kes oskavad logaritme käsitleda. Vastus h = 5,6 km määrab kõrguse, mille juures õhurõhk tuleks poole võrra vähendada.
Suundume nüüd veelgi kõrgemale, järgides vapraid Nõukogude õhupallimängijaid, kes jõudsid 19 ja 22 km kõrgusele. Need atmosfääri kõrged piirkonnad asuvad juba nn stratosfääris. Seetõttu nimetatakse õhupallidele, millel selliseid tõuse tehakse, mitte õhupallid, vaid "stratostaadid". Ma ei usu, et vanema põlvkonna seas on vähemalt üks, kes poleks kuulnud 1933. ja 1934. aastal maailma kõrgusrekordeid püstitanud Nõukogude stratosfääri õhupallide “NSSR” ja “OAKh-1” nimesid: esimene - 19. km, teine ​​- 22 km.
Proovime välja arvutada, milline on õhurõhk nendel kõrgustel.
19 km kõrgusel leiame, et õhurõhk peaks olema
0,99919000/8 = 0,095 atm = 72 mm.
22 km kõrgusele
0,99922000/8 = 0,066 atm = 50 mm.
Kuid stratonautide ülestähendusi vaadates leiame, et näidatud kõrgustel täheldati muid rõhke: 19 km - 50 mm kõrgusel, 22 km - 45 mm kõrgusel.
Miks arvestust ei kinnitata? Mis on meie viga?
Mariotte'i seadus nii madala rõhuga gaaside kohta on täiesti rakendatav, kuid seekord jätsime vahele veel ühe: pidasime õhutemperatuuri kogu 20-kilomeetrise paksuse ulatuses samaks, samas kui see kõrgusega märgatavalt langeb. Keskmiselt nad aktsepteerivad; et temperatuur langeb 6,5° iga kilomeetri tõusu kohta; See juhtub kuni 11 km kõrguseni, kus temperatuur on miinus 56° ja püsib seejärel muutumatuna arvestatava vahemaa jooksul. Kui seda asjaolu arvesse võtta (mille jaoks elementaarmatemaatika vahenditest enam ei piisa), saame reaalsusega palju paremini kooskõlas olevad tulemused. Samal põhjusel tuleb ligikaudsetena vaadelda ka meie varasemate arvutuste tulemusi sügavuste õhurõhu kohta.

Koolifüüsikatundides räägivad õpetajad alati, et füüsikalised nähtused on meie elus igal pool. Ainult me ​​unustame selle sageli ära. Vahepeal on läheduses hämmastavad asjad! Ärge arvake, et kodus füüsiliste katsete korraldamiseks vajate midagi ekstravagantset. Ja siin on sulle tõestus ;)

Magnetpliiats

Mida on vaja ette valmistada?

• Aku.
• Paks pliiats.
• Isoleeritud vasktraat läbimõõduga 0,2–0,3 mm ja pikkusega mitu meetrit (mida pikem, seda parem).
• šotlane.

Eksperimendi läbiviimine

Kerige traat tihedalt, keerake ümber pliiatsi servadest 1 cm kaugusele. Kui üks rida on lõppenud, kerige teine ​​​​peale vastupidises suunas. Ja nii edasi, kuni kogu juhe saab otsa. Ärge unustage jätta traadi kaks otsa, kumbki 8–10 cm, vabaks. Et vältida keerdude lahtikerimist pärast kerimist, kinnitage need teibiga. Eemaldage traadi vabad otsad ja ühendage need aku kontaktidega.

Mis juhtus?

See osutus magnetiks! Proovige sinna tuua väikseid rauast esemeid – kirjaklambrit, juuksenõela. Nad on meelitatud!

Vee isand

Mida on vaja ette valmistada?

• Pleksiklaasist pulk (näiteks õpilase joonlaud või tavaline plastist kamm).
• Kuiv siidist või villast riie (näiteks villane kampsun).

Eksperimendi läbiviimine

Avage kraan nii, et voolaks õhuke veejuga. Hõõru pulka või kammi jõuliselt ettevalmistatud lapile. Viige kepp kiiresti veejoale lähemale, ilma seda puudutamata.

Mis juhtub?

Veejuga paindub kaarekujuliselt, tõmbub pulga külge. Proovige sama asja kahe pulgaga ja vaadake, mis juhtub.

Üles

Mida on vaja ette valmistada?

• Paber, nõel ja kustutuskumm.
• Varasemast kogemusest pulk ja kuiv villane riie.

Eksperimendi läbiviimine

Saate juhtida rohkemat kui lihtsalt vett! Lõika paberist 1–2 cm laiune ja 10–15 cm pikkune riba, painuta seda mööda servi ja keskelt, nagu pildil näidatud. Sisestage nõela terav ots kustutuskummi. Tasakaalustage ülemine toorik nõelale. Valmistage ette “võluvits”, hõõruge see kuivale lapile ja viige see pabeririba ühte otsa küljelt või pealt, ilma seda puudutamata.

Mis juhtub?

Riba liigub üles-alla nagu kiik või pöörleb nagu karussell. Ja kui saate õhukesest paberist liblika lõigata, on kogemus veelgi huvitavam.

Jää ja tuli

(katse viiakse läbi päikesepaistelisel päeval)

Mida on vaja ette valmistada?

• Väike ümara põhjaga tass.
• Tükk kuiva paberit.

Eksperimendi läbiviimine

Valage vesi tassi ja asetage see sügavkülma. Kui vesi muutub jääks, eemaldage tass ja asetage see kuuma veega anumasse. Mõne aja pärast eraldub jää tassist. Nüüd minge rõdule, asetage rõdu kivipõrandale paber. Kasutage jäätükki, et fokusseerida päike paberitükile.

Mis juhtub?

Paber peaks olema söestunud, sest see pole enam lihtsalt jää sinu käes... Kas arvasid, et tegid suurendusklaasi?

Vale peegel

Mida on vaja ette valmistada?

• Läbipaistev tihedalt suletava kaanega purk.
• Peegel.

Eksperimendi läbiviimine

Täitke purk liigse veega ja sulgege kaas, et vältida õhumullide sissepääsu. Asetage purk kaanega ülespoole peegli vastu. Nüüd saate "peeglisse" vaadata.

Too oma nägu lähemale ja vaata sisse. Seal on pisipilt. Nüüd hakake purki küljele kallutama, ilma seda peeglist tõstmata.

Mis juhtub?

Muidugi ka teie pea peegeldus purgis kaldub kuni tagurpidi pööramiseni ja jalgu pole ikka näha. Tõstke purki ja peegeldus pöördub uuesti ümber.

Mullidega kokteil

Mida on vaja ette valmistada?

• Klaas tugeva lauasoola lahusega.
• Aku taskulambist.
• Kaks umbes 10 cm pikkust vasktraadi tükki.
• Peen liivapaber.

Eksperimendi läbiviimine

Puhastage traadi otsad peene liivapaberiga. Ühendage juhtme üks ots aku iga poolusega. Kastke juhtmete vabad otsad lahusega klaasi.

Mis juhtus?

Traadi langetatud otste lähedale kerkivad mullid.

Sidruni aku

Mida on vaja ette valmistada?

• Sidrun, põhjalikult pestud ja kuivaks pühitud.
• Kaks umbes 0,2–0,5 mm paksust ja 10 cm pikkust isoleeritud vasktraati.
• Terasest kirjaklamber.
• Lambipirn taskulambist.

Eksperimendi läbiviimine

Riba mõlema traadi vastasotsad 2–3 cm kauguselt, torka sidrunisse kirjaklamber ja keera ühe juhtme ots selle külge. Sisestage teise traadi ots sidrunisse, 1–1,5 cm kaugusel kirjaklambrist. Selleks torgake sidrun sellesse kohta esmalt nõelaga läbi. Võtke juhtmete kaks vaba otsa ja kinnitage need lambipirni kontaktidele.

Mis juhtub?

Tuli süttib!

Kirjastus "RIMIS" on nimelise kirjandusauhinna laureaat. Aleksandra Beljajev 2008.

Tekst ja joonised on taastatud Ya. I. Perelmani raamatust “Meelelahutuslik füüsika”, mille avaldas P. P. Soykin (Peterburi) 1913. aastal.

© RIMIS kirjastus, väljaanne, kujundus, 2009

* * *

Väljapaistev teaduse populariseerija

Matemaatika laulja, füüsika bard, astronoomia poeet, astronautika kuulutaja - see oli ja jääb Yakov Isidorovitš Perelmani mällu, kelle raamatuid müüdi üle maailma miljonites eksemplarides.

Selle tähelepanuväärse inimese nime seostatakse teadmiste põhialuste teadusliku populariseerimise erilise – meelelahutusliku – žanri tekke ja arenguga. Enam kui saja raamatu ja brošüüri autoril oli haruldane anne rääkida kuivadest teadustõdedest põnevalt ja huvitavalt, äratades põletavat uudishimu ja uudishimu – need on mõistuse iseseisva töö esimesed etapid.

Piisab kasvõi põgusalt tutvuda tema populaarteaduslike raamatute ja esseedega, et näha nende autori loomingulise mõtlemise erilist suunda. Perelmani eesmärk oli näidata tavalisi nähtusi ebatavalises, paradoksaalses perspektiivis, säilitades samal ajal nende tõlgendamise teadusliku laitmatuse. Tema loomemeetodi põhijooneks oli erakordne oskus lugejat üllatada ja tema tähelepanu haarata juba esimesest sõnast. "Me lakkame üllatumast varakult," kirjutas Perelman oma artiklis "What is Entertaining Science", "me kaotame varakult võime, mis sunnib meid huvi tundma asjade vastu, mis meie olemasolu otseselt ei mõjuta... Vesi oleks ilma kahtlemata kõige hämmastavam aine looduses ja Kuu - kõige hämmastavam vaatepilt taevas, kui mõlemad ei oleks liiga sageli nähtavad.

Tavalise ebatavalises valguses näitamiseks kasutas Perelman suurepäraselt ootamatu võrdluse meetodit. Terav teaduslik mõtlemine, tohutu üldine ning füüsiline ja matemaatiline kultuur, arvukate kirjanduslike, teaduslike ja igapäevaste faktide ja süžee oskuslik kasutamine, nende hämmastavalt vaimukas, täiesti ootamatu tõlgendus viisid põnevate teaduslike ja kunstiliste novellide ja esseede ilmumiseni, mida loetakse. jäägitu tähelepanu ja huviga. Meelelahutuslik esitlus pole aga sugugi eesmärk omaette. Vastupidi, see ei ole teaduse muutmine lõbusaks ja meelelahutuseks, vaid esitluse elavuse ja kunstilisuse seadmine teaduslike tõdede mõistmise teenistusse - see on Yakov Isidorovitši kirjandusliku ja populariseerimise meetodi olemus. "Et poleks pealiskaudsust, et faktid oleksid teada..." - Perelman järgis seda mõtet rangelt kogu oma 43-aastase loomingulise karjääri jooksul. Perelmani raamatute jätkuva edu saladus peitub range teadusliku usaldusväärsuse ja meelelahutusliku, mittetriviaalse materjali esitusviisi kombinatsioonis.

Perelman ei olnud tugitoolikirjanik, elavast reaalsusest lahutatud. Ta vastas kiiresti oma riigi praktilistele vajadustele ajakirjanduslikult. Kui 1918. aastal andis RSFSRi rahvakomissaride nõukogu välja määruse kaalude ja mõõtude meetermõõdustiku kasutuselevõtu kohta, avaldas Yakov Isidorovich esimesena sellel teemal mitu populaarset brošüüri. Ta pidas sageli loenguid töö-, kooli- ja sõjaväepublikul (pidas umbes kaks tuhat loengut). Perelmani ettepanekul, mida toetas N. K. Krupskaja, hakati 1919. aastal (tema enda toimetamisel) välja andma esimest Nõukogude populaarteaduslikku ajakirja “Looduse töökojas”. Jakov Isidorovitš ei jäänud keskkoolireformist kõrvale.

Tuleb rõhutada, et ka Perelmani õpetamistegevust iseloomustas tõeline andekus. Aastaid õpetas ta kõrg- ja keskkoolides matemaatika ja füüsika kursusi. Lisaks kirjutas ta Nõukogude ühendtöökoolile 18 õpikut ja õppevahendeid. Neist kaks - "Füüsiline lugemik", 2. number ja "Uus geomeetria probleemraamat" (1923) said väga suure au võtta kohad Vladimir Iljitš Lenini Kremli raamatukogu riiulil.

Minu mälus on säilinud Perelmani kuvand - laia haritud, äärmiselt tagasihoidlik, mõneti häbelik, ülikorrektne ja sarmikas inimene, kes on alati valmis oma kolleegidele vajalikku abi osutama. Ta oli tõeline teaduse töötaja.

15. oktoobril 1935 alustas Leningradis tegevust Meelelahutusliku Teaduse Maja – nähtav, kehastatud Perelmani raamatute näitus. Selle ainulaadse kultuuri- ja haridusasutuse saalidest käisid läbi sajad tuhanded külastajad. Nende hulgas oli Leningradi koolipoiss Georgi Grechko, praegune NSV Liidu lendur-kosmonaut, kahel korral Nõukogude Liidu kangelane, füüsika- ja matemaatikateaduste doktor. Perelmaniga on seotud ka kahe teise kosmonaudi - Nõukogude Liidu kangelaste K. P. Feoktistovi ja B. B. Egorovi - saatus: lapsepõlves tutvusid nad raamatuga “Planeetidevaheline reisimine” ja hakkasid selle vastu huvi tundma.

Kui algas Suur Isamaasõda, avaldus selgelt Ya. I. Perelmani patriotism ja kõrge kodanikukohusetunne kodumaa ees. Piiratud Leningradi jäädes talus ta, mitte enam noor mees (oli 60-aastane), koos kõigi leningradlastega vankumatult blokaadi ebainimlikud piinad ja raskused. Vaatamata vaenlase suurtükimürskudele ja linna õhupommitamisele leidis Jakov Isidorovitš jõudu näljast ja külmast üle saamiseks ning Leningradi otsast lõpuni kõndida, et sõjaväeosades loenguid pidada. Ta pidas armee ja mereväe luureohvitseridele, aga ka partisanidele loenguid sellel ajal ülimalt olulisest – oskusest navigeerida maastikul ja määrata kaugust sihtmärkideni ilma igasuguste instrumentideta. Jah, ja meelelahutuslik teadus teenis vaenlase võitmise eesmärki!

Meie suureks kurvastuseks suri 16. märtsil 1942 Jakov Isidorovitš - ta suri piiramisrõngas nälga...

Ya. I. Perelmani raamatud teenivad rahvast tänapäevani - neid avaldatakse meie riigis pidevalt uuesti, need naudivad lugejate seas pidevat edu. Perelmani raamatud on välismaal laialt tuntud. Neid on tõlgitud ungari, bulgaaria, inglise, prantsuse, saksa ja paljudesse teistesse võõrkeeltesse.

Minu ettepanekul anti ühele Kuu kaugemal küljel asuvale kraatrile nimi Perelman.

Akadeemik V. P. Glushko

Katkendeid raamatu “Meelelahutusteaduste doktor” (G. I. Mishkevich, M.: “Znanie”, 1986) eessõnast.

Eessõna

Kavandatav raamat erineb sellesse kogutud materjali olemuse poolest mõnevõrra teistest seda tüüpi kogudest. Füüsilised katsed selle sõna kitsas tähenduses on selles teisejärgulised, esiplaanile tuuakse meelelahutuslikud ülesanded, keerulised küsimused ja paradoksid elementaarfüüsika valdkonnast, mis võivad olla vaimse meelelahutuse otstarbeks. Sarnase materjalina kasutatakse muide mõningaid ilukirjanduslikke teoseid (Jules Verne, C. Flammarion, E. Poe jt), puudutatakse füüsika küsimusi. Kogumik sisaldab ka artikleid mõnel huvitaval elementaarfüüsika teemal, mida tavaliselt õpikutes ei käsitleta.

Katsetest on raamatus peamiselt sellised, mis pole mitte ainult õpetlikud, vaid ka meelelahutuslikud ning pealegi on neid võimalik sooritada alati käepärast olevate esemetega. Nende katsed ja illustratsioonid laenati Tom Tituselt, Tisandierilt, Beuysilt jt.

Pean meeldivaks kohustuseks avaldada tänu õpetatud metsnik I. I. Polferovile, kes osutas mulle viimaste tõendite lugemisel asendamatuid teeneid.

Peterburi, 1912. a

Jah Perelman

Stevini joonistus oma raamatu tiitellehel ("Miracle and Not a Miracle").

I peatükk
Liikumiste ja jõudude liitmine ja lagunemine

Millal liigume kiiremini ümber Päikese – päeval või öösel?

Imelik küsimus! Näib, et Maa liikumise kiirus ümber Päikese ei saa kuidagi olla seotud päeva ja öö muutumisega. Lisaks on Maal alati ühel poolel päev ja teisel öö, nii et küsimus ise on ilmselt mõttetu.

Siiski ei ole. Asi pole selles, millal Maa liigub kiiremini, aga umbes millal Meie, inimesed, me liigume pigem globaalses ruumis. Ja see muudab asju. Ärge unustage, et teeme kahte liikumist: tormame ümber Päikese ja samal ajal pöörleme ümber Maa telje. Mõlemad need liigutused voltida– ja tulemus on erinev, olenevalt sellest, kas oleme päeval või öösel pool Maast. Vaadake joonist - ja näete kohe, et öösel pöörlemiskiirus lisatakse Maa edasiliikumise kiirusele ja päeval, vastupidi, võetakse ära temalt.

Riis. 1. Inimesed öisel poolel maakeral liiguvad ümber Päikese kiiremini kui päeval.

See tähendab, et öösel liigume maailmaruumis kiiremini kui päeval.

Kuna iga ekvaatori punkt kulgeb umbes pool miili sekundis, ulatub ekvaatoririba keskpäeva ja kesköö kiiruste vahe terve miilini sekundis. Peterburi jaoks (asub 60. paralleelil) on see erinevus täpselt poole väiksem.

Käruratta mõistatus

Kinnitage valge vahvel vankri ratta serva külge (või jalgratta rehvi külge) ja jälgige seda vankri (või jalgratta) liikumist. Märkate kummalist nähtust: kui vahvel on veereva ratta allosas, on see üsna selgelt nähtav; vastupidi, ratta ülemises osas vilgub sama vahvel nii kiiresti, et sul pole aega seda näha. Mis see on? Kas on võimalik, et ratta ülaosa liigub kiiremini kui alumine?

Teie hämmeldus suureneb veelgi, kui võrrelda veereva ratta ülemist ja alumist kodarat: selgub, et kui ülemised kodarad sulanduvad üheks pidevaks tervikuks, siis alumised jäävad üsna selgelt nähtavale. Jällegi tundub, et ratta ülaosa veereb kiiremini kui alumine. Kuid vahepeal oleme kindlalt veendunud, et ratas liigub kõigis oma osades ühtlaselt.

Mis on vastus sellele kummalisele nähtusele? Jah, lihtsalt iga veereva ratta ülemised osad liiguvad tõesti kiiremini kui allolevad. See tundub esmapilgul täiesti uskumatu ja ometi on see nii.

Lihtne arutluskäik veenab meid selles. Meenutagem, et veereva ratta iga punkt teeb korraga kaks liigutust: ta pöörleb ümber telje ja liigub samal ajal koos selle teljega edasi. Toimub kahe liigutuse lisamine- ja selle lisamise tulemus pole ratta ülemise ja alumise osa puhul sugugi sama. Nimelt on ratta ülaosas pöörlev liikumine lisatakse translatsiooniks, kuna mõlemad liigutused on suunatud samas suunas. Ratta alumises osas on pöörlev liikumine suunatud vastupidises suunas ja võetakse ära progressiivsest. Esimene tulemus on muidugi suurem kui teine ​​– ja seetõttu liiguvad ratta ülemised osad kiiremini kui alumised.

Veereva ratta ülaosa liigub kiiremini kui alumine. Võrrelge AA" ja BB" liikumisi.

Et see tõesti nii on, saab hõlpsasti veenduda lihtsa katsega, mida soovitame teha esimesel soodsal võimalusel. Torkake seisva käru ratta kõrvale maasse nii, et tikk oleks vastu telge (vt joonis 2). Ratta velje ülaosas ja allosas tehke kriidiga märk; need märgid on täpid A Ja B pildil - nad peavad pulga vastu võitlema. Nüüd veeretage käru veidi ettepoole (vt joonis 3), kuni telg on pulgast umbes 1 jala kaugusel – ja pange tähele, kuidas teie jäljed liiguvad. Selgub, et tippmark on A– on liikunud oluliselt rohkem kui alumine – B, mis vaid veidi eemaldus pulgast ülespoole suunatud nurga all.

Ühesõnaga, nii arutluskäik kui kogemus kinnitavad esmapilgul kummalist mõtet, et suvalise veereva ratta ülemine osa liigub kiiremini kui alumine.

Milline osa jalgrattast liigub aeglasemalt kui kõik teised?

Teate juba, et kõik liikuva käru või jalgratta punktid ei liigu võrdselt kiiresti ning kõige aeglasemalt liiguvad need rataste punktid, mis parasjagu maaga kokku puutuvad.

Loomulikult toimub see kõik ainult selleks veeremine rattad, mitte rattad, mis pöörlevad kindlal teljel. Näiteks hoorattas liiguvad nii velje ülemine kui alumine punkt ühesuguse kiirusega.

Raudteeratta müsteerium

Veelgi ootamatum nähtus toimub raudteerattas. Teate muidugi, et nendel ratastel on veljel väljaulatuv serv. Ja nii, sellise velje madalaim punkt, kui rong liigub, ei liigu üldse edasi, vaid tahapoole! Seda on lihtne veenduda eelnevaga sarnase arutluskäiguga - ja jätame lugeja teha ootamatu, kuid üsna õige järelduse, et kiiresti liikuvas rongis on punkte, mis ei liigu mitte edasi, vaid tagasi. Tõsi, see tagurpidi liikumine kestab vaid tühise murdosa sekundist, kuid see ei muuda asja: tagurpidi liikumine (ja seejuures üsna kiire - kaks korda kiirem kui jalakäija) on vastupidiselt meie tavapärastele ideedele endiselt olemas.

Riis. 4. Kui raudteeratas veereb mööda rööpa paremale, punkt R tema velg liigub tagasi vasakule.

Kust paat tuleb?

Kujutage ette, et aurulaev sõidab järvel, ja laske noolt a joonisel fig. 5 kujutab selle liikumise kiirust ja suunda. Temast üle sõidab paat ja nool b kujutab selle kiirust ja suunda. Kui teilt küsitakse, kust see paat väljus, märkate kohe punkti A kaldal. Kui aga küsida sama küsimusega purjelaeva reisijatelt, viitavad nad hoopis teisele punktile.

See juhtub seetõttu, et laeva reisijad näevad, et paat ei liigu üldse selle liikumise suhtes täisnurga all. Ei tasu unustada, et nad ise oma liikumist ei tunne. Neile tundub, et nad ise seisavad paigal ja paat kihutab nende kiirusega vastassuunda (pidage meeles, mida me näeme raudteevagunis sõites). Sellepärast neile paat ei liigu ainult noole suunas b, aga ka noole suunas c, – mis on võrdne a, kuid suunatud vastupidises suunas (vt joonis 6). Mõlemad liikumised – tegelikud ja näilised – liidetakse kokku ning selle tulemusena tundub laeva reisijatele, et paat liigub diagonaalselt mööda rööpkülikut, mis on ehitatud b Ja c. See diagonaal, mis on näidatud joonisel fig. 6 punktiirjoonega väljendab näiva liikumise suurust ja suunda.

Riis. 5. Paat ( b) sõidab üle auriku ( a).

Seetõttu väidavad reisijad, et paat läks kell B, mitte sisse A.

Kui meie koos Maaga tema orbiidil kihutades kohtame mõne tähe kiiri, siis hindame nende kiirte tekkekohta sama valesti, kui eelnimetatud reisijad eksivad teise paadi väljumiskoha määramisel. . Seetõttu tunduvad kõik tähed meile Maa liikumisrada mööda veidi ettepoole nihkunud. Kuid kuna Maa liikumiskiirus on valguse kiirusega võrreldes tühine (10 000 korda väiksem), on see liikumine äärmiselt ebaoluline ja seda saab tuvastada ainult kõige täpsemate astronoomiliste instrumentide abil. Seda nähtust nimetatakse "valguse aberratsiooniks".

Riis. 6. Laeva reisijad ( a) tundub nagu paat ( b) hõljub punktist B.

Kuid pöördume tagasi ülalpool käsitletud aurulaeva ja paadi probleemi juurde.

Kui olete sellistest nähtustest huvitatud, proovige eelmise probleemi tingimusi muutmata vastata küsimustele: mis suunas laev liigub? paadireisijatele? Kuhu kaldal laev reisijate sõnul suundub? Nendele küsimustele vastamiseks peate olema võrgus a konstrueerida nagu varemgi kiiruste rööpkülik. Selle diagonaal näitab, et paadi reisijate jaoks näib aurik sõitvat kaldus suunas, justkui sildudes mingil hetkel paremal asuval kaldal (joonis 6). B.

Kas inimest on võimalik seitsmel sõrmel tõsta?

Igaüks, kes pole seda katset kunagi proovinud, ütleb ilmselt, et täiskasvanu sõrmedel tõstmine on võimatu. Vahepeal tehakse seda väga lihtsalt ja lihtsalt. Katses peaks osalema viis inimest: kaks panevad oma nimetissõrmed (mõlema käe) tõstetava jala alla; ülejäänud kaks toetavad tema küünarnukke parema käe nimetissõrmedega; lõpuks asetab viies oma nimetissõrme tõstetava lõua alla. Siis käsu peale: "Üks, kaks, kolm!" – tõstavad nad kõik viis üksmeelselt seltsimeest, ilma märgatava pingeta.

Riis. 7. Täiskasvanu suudad tõsta seitsme sõrmega.

Kui teete seda katset esimest korda, hämmastab teid selle ootamatu lihtsus. Selle lihtsuse saladus peitub seaduses lagunemine tugevus Täiskasvanu keskmine kaal on 170 naela; need 170 naela avaldavad survet seitsmele sõrmele korraga, nii et iga sõrm kannab ainult umbes 25 naela. Täiskasvanul on sellist koormat ühe sõrmega suhteliselt lihtne tõsta.

Tõsta kõrrega karahvin vett

Ka see kogemus tundub esmapilgul täiesti võimatu. Kuid me nägime äsja, kui hoolimatu on "esmapilgul" usaldada.

Võtke pikk, tugev ja tugev põhk, painutage see ja asetage see veekarahvinisse, nagu on näidatud joonisel fig. 8: selle ots peaks toetuma karahvini seinale. Nüüd saad tõsta – kõrs hoiab karahvini kinni.

Riis. 8. Õlekõrre küljes ripub karahvin veega.

Õlekõrre sissetoomisel tuleb jälgida, et selle osa, mis toetub karahvini seinale, oleks täiesti sirge; muidu põhk paindub ja kogu süsteem kukub kokku. Asi on siin selles, et jõud (karahvini kaal) mõjub rangelt pikkusegaÕlekõrred: pikisuunas on põhk suure tugevusega, kuigi murdub põikisuunas kergesti.

Parim on kõigepealt õppida seda katset pudeliga läbi viima ja alles seejärel proovida seda karahviniga korrata. Soovitame kogenematutel katsetajatel igaks juhuks põrandale midagi pehmet asetada. Füüsika on suur teadus, aga karahvineid pole vaja lõhkuda...

Järgnev katse on väga sarnane kirjeldatule ja põhineb samal põhimõttel.

Torgake nõelaga münt läbi

Teras on vasest kõvem ja seetõttu peaks terasnõel teatud rõhu all läbistama vaskmündi. Ainus häda on selles, et kui haamer nõela vastu lööb, siis see paindub ja murrab selle. Seetõttu on vaja katse korraldada nii, et nõel ei painduks. See saavutatakse väga lihtsalt: torgake nõel piki selle telge korgi sisse - ja saate asja kallale asuda. Asetage münt (kopika) kahele puitklotsile, nagu on näidatud joonisel fig. 9 ja asetage sellele nõelaga pistik. Mõned ettevaatlikud löögid ja münt on katki. Katse kork peab olema tihe ja piisavalt kõrge.

Riis. 9. Nõel läbistab vaskmündi.

Miks on teravatipulised esemed kipitavad?

Kas olete kunagi mõelnud küsimusele: miks nõel nii kergesti läbistab erinevaid objekte? Miks on kangast või pappi kerge läbi torgata peenikese nõelaga ja nii raske jämeda vardaga? Tõepoolest, mõlemal juhul näib, et mõjub sama jõud.

Asi on selles, et tugevus pole sama. Esimesel juhul koondub kogu rõhk nõela otsale, teisel juhul jaotub sama jõud varda otsa palju suuremale alale. Nõela otsa pindala on tuhandeid kordi väiksem kui varda otsa pindala ja seetõttu on nõela rõhk tuhandeid kordi suurem kui varda rõhk - sama jõuga meie lihastest.

Üldiselt, kui me räägime survest, on alati vaja lisaks jõule arvestada ka selle ala suurusega, millele see jõud mõjub. Kui meile öeldakse, et keegi saab 600 rubla. palk, siis me veel ei tea, kas seda on palju või vähe: me peame teadma - aastas või kuus? Samamoodi sõltub jõu mõju sellest, kas jõud jaotub ruuttolli kohta või on koondunud 1/100 ruuttollile. millimeeter.

Täpselt samal põhjusel lõikab terav nuga paremini kui tuim.

Seega on teritatud esemed kipitavad ja teritatud noad lõikavad hästi, sest nende teravatele ja teradele on koondunud tohutu jõud.

II peatükk
Gravitatsioon. Kangi hoob. Kaalud

Kallakust üles

Oleme nii harjunud nägema kaalukaid kehasid kaldtasapinnast alla veeremas, et näide kehast, mis veereb vabalt mööda seda ülespoole, tundub esmapilgul peaaegu imena. Siiski pole midagi lihtsamat, kui korraldada selline väljamõeldud ime. Võta painduvast papist riba, painuta see ringiks ja liimi otsad kokku – saad papist rõnga. Liimige selle sõrmuse sisemusse vahaga raske münt, näiteks viiekümnekopikane. Nüüd asetage see rõngas kaldlaua alusele, nii et münt oleks tugipunkti ees, ülaosas. Vabastage rõngas ja see rullub ise mööda kallakut üles (vt joonis 10).

Riis. 10. Sõrmus rullub ise kokku.

Põhjus on selge: münt kipub oma kaalu tõttu olema rõngas kõige madalamal kohal, kuid rõngaga koos liikudes sunnib see seda ülespoole veerema.

Kui soovite muuta elamuse fookuspunktiks ja oma külalisi üllatada, peate selle pisut teisiti lavastama. Kinnitage raske ese tühja ümmarguse mütsikarbi siseküljele; siis, sulgenud kasti ja asetanud selle korralikult kaldlaua keskele, küsi külalistelt: kuhu kast veereb, kui seda ei hoia – üles või alla? Muidugi ütlevad kõik üksmeelselt, et see on maas, ja nad on üsna üllatunud, kui kast nende silme all kokku veereb. Tahvli kalle ei tohiks selleks muidugi liiga suur olla.

Versta on Venemaa kauguse mõõtühik, mis on võrdne viiesaja sülda ehk 1066,781 meetriga. – ca. toim.

Jalg – (inglise keeles foot – foot) – Briti, Ameerika ja Vana-Venemaa kauguse mõõtühik, võrdne 30,48 sentimeetriga. Ei kuulu SI süsteemi. – ca. toim.

Tolli – (hollandi keelest duim – pöial) – venekeelne nimetus kaugusühiku kohta mõnes Euroopa mittemeetrilises süsteemis, mis on tavaliselt võrdne 1/12 või 1/10 ("kümnendtolli") vastava riigi jalast. Sõna tolli tõi vene keelde Peeter I 18. sajandi alguses. Tänapäeval mõistetakse tolli all kõige sagedamini ingliskeelset tolli, mis võrdub täpselt 2,54 cm-ga. – ca. toim.