Горизонты техники для детей, 1962 №2

Физика вокруг нас

Было чудесное жаркое лето, когда я собрался ехать машиной на озеро Рица. Это, как вы, наверное, знаете, высокогорное озеро, находящееся на довольно большой высоте над уровнем моря среди величественных горных массивов. Шоссейная дорога вилась вверх, а я с беспокойством посматривал на столбик термометра, который показывал температуру воды, охлаждающей мотор. На крутом подъеме мотор работал на полную мощность и нагревался все больше и больше. Цель моего путешествия была уже близка, когда термометр стал показывать 96 °C, т. е. на 4 °C ниже точки кипения. Я облегченно вздохнул. Ехать осталось немного, а вскипание воды в радиаторе перестало мне угрожать. Только я об этом подумал, как из радиатора со свистом вырвался пар. Вода вскипела!

И вдруг меня осенила мысль, и сразу стало все понятно. Ведь озеро Рица лежит на высоте почти 1000 м. На такой высоте барометрическое давление значительно ниже, чем давление на уровне моря, и вода кипит не при температуре 100 °C, а именно при температуре 96 °C. По привычке мы всегда считаем, что вода кипит только при 100°, забывая обычно о необходимом добавочном обстоятельстве. Этим обстоятельством и является давление: чем давление ниже, тем ниже и температура кипения.

Этот простой и каждому из вас, конечно, известный закон физики ведет к неожиданному выводу, что каждый термометр может послужить в качестве барометра или альтиметра (высотомера). Достаточно только воспользоваться простой таблицей, какую вы видите на рисунке.

Каждой высоте соответствует свое барометрическое давление, а каждому давлению — своя температура кипения воды. Если бы у меня с собой была эта таблица, я бы мог по показаниям термометра в машине определить, на какой высоте нахожусь и какое существует там давление. А теперь, пожалуйста, проверьте сами: 96 °C отвечает давлению около 600 мм ртутного столба на высоте около 1000 м над уровнем моря. Запомните хорошенько, что вода не всегда кипит при температуре 100 °C.

Так например, на высоте 2000 м над уровнем моря она кипит уже при температуре 93 °C, поэтому на такой высоте никогда нельзя заварить хороший чай. Кипящая вода недостаточно горячая и из лепестков чая нельзя выварить весь вкус и аромат.

Обратное явление наблюдается в глубокой шахте. Там барометрическое давление выше, чем на уровне моря, и вода вскипает при более высокой температуре, чем 100 °C. Опускаясь на каждые 300 м вглубь шахты, замечаем, что температура кипения будет повышаться на 1 °C. Шахтеры, если хотят сварить яйцо всмятку, должны быть очень внимательны. так как сворачивание белка происходит значительно быстрее, когда вода кипит при температуре на 1 или 2 градуса выше, чем на поверхности земли.

Если уж мы вспомнили о яйцах, давайте рассмотрим один интересный физический вопрос. Что должна сделать хозяйка, которая по неосторожности смешала сваренные всмятку яйца с яйцами, сваренными вкрутую? Как определить, какие всмятку или вкрутую? Внешне они ничем не отличаются. Иногда можно определить, приблизив яйцо к лампочка. Сырые яйца в небольшой степени пропускают свет; но этот метод не всегда дает верные результаты, так как если яйцо не совсем свежее, оно тоже не пропускает света.

Зная физику, этот вопрос можно решить без труда. Сырые и вареные яйца ведут себя по-разному, если им сообщить быстрое вращательное движение. Проверка выглядит следующим образом: кладем яйцо на столе, большим и указательным пальцами приводим его в быстрое вращательное движение. Тут-то и окажется, что вареное яйцо, особенно вареное вкрутую, вращается легко и быстро, а сырое не хочет быстро вращаться, ведет себя «грузно» (физик скажет: имеет большую инерцию), делает несколько оборотов и останавливается.

Причина такого поведения яйца весьма проста. Яйцо, вареное вкрутую, образует сильно связанную массу; яйцо сырое, с жидким содержимым, тормозится инерцией не успевающего за движением содержимого. Подобное явление происходит в переполненном трамвае, где часть пассажиров сидит, а часть стоит. При резком изменении движения, например, когда трамвай внезапно затормозит или тронется с места, пассажиры сидящие, те, которые имеют большую поверхность соприкосновения с трамваем, т. е. «связаны», не чувствуют больших изменений. Те, которые стоят, т. е. свободно «связаны» или совсем не «связаны» резко наклоняются вперед или упадут назад, если трамвай быстро тронется с места. Первые сохранят движение, сообщенное им трамваем, вторые не поспеют за ним, в этом-то и проявится их инерция. Инерция — это проявление «нежелания» изменить свое движение. Такое нежелание присуще каждой массе.

С яйцами можно произвести еще один очень интересный опыт, простой и не требующий никаких добавочных приборов. Осторожно опорожните яйцо: для этого сделайте два небольших отверстия в обоих противоположных концах. Пустую и легкую скорлупу положите свободно на стол, а затем приведите ее в быстрое вращательное движение. Через несколько секунд вращающееся яйцо поднимется и будет вращаться стоя, опираясь на суженный конец. Настоящее чудо!

Если бы об этом знал Колумб, он бы по другому решил свою знаменитую задачу. Как известно, Колумб поставил яйцо «на ребро», ударяя сильно одним его концом о стол и разбивая часть скорлупы. Это не мудрено. Но почему же вращающееся яйцо не падает, а сохраняет такое ненатуральное стоячее положение. Потому, что такое яйцо — это не что иное, как жироскоп, или, говоря более популярно, обыкновенный волчок. Тысячи детей имеют дома волчок, тысячи взрослых когда-то крутили волчок, но немногие смогут объяснить, почему вращающийся волчок не падает. Вопрос этот очень и очень трудный. Я постараюсь объяснить его упрощенно, так как если бы поступил иначе, вы бы никогда не хотели читать того, что я здесь пишу.

Посмотрите на рисунок. Вы видите вращающийся волчок. Точка А на окружности волчка (в верхней части) бежит к нам, а точка В убегает от нас. Если мы захотим отклонить ось волчка, например, вправо, обе эти точки зареагируют на это, как на отклонение от траектории, по которой они пробегали до этого момента. Точка А будет испытывать нажим вниз, точка В — вверх.

Что же произойдет с точкой А. Её собственное движение, которое можем представить стрелкой Е, испытывает препятствие, указанное стрелкой R. Такие стрелки в физике называем векторами. В данном случае имеем дело с векторами скорости: длина стрелки (вектора) обозначает величину скорости, а направление стрелки (вектора) — направление скорости. Как будет себя вести точка А, если один вектор будет «тянуть» ее влево (Е), а другой — вниз (S). Точка А движется вдоль вектора R, т. е. и влево и вниз. В физике это называется «сложением скоростей», но такое умное название не должно вас пугать. Дело здесь совсем простое. Итак, точка А не побежит ни вдоль линии вектора Е, ни вдоль линии вектора S. Она побежит вдоль линии вектора R, т. е. так, как будто бы сначала побежала вдоль линии Е и сразу же после этого вдоль линии S. Как говорится: и волки сыты, и овцы целы.

Точка В, лежащая на противоположном по диаметру конце волчка (или на втором конце яйца), бежит вдоль линий векторов Е и S с той только разницей, что вектор S направлен вверх. Что же получается? Один конец яйца испытывает действие силы, тянущей его вниз, а второй конец — вверх. Яйцо становится на одном из своих узких концов, в нашем случае на точке А. Точка А стремится занять самое удобное положение, т. е. стать точкой опоры. Положение яйца, когда оно вращается на одном из своих узких концов, более устойчивое. Попытайтесь щелчком вывести яйцо из такого положения. Оно отклонится немного в сторону, качнется несколько раз, а если быстро вертится, обязательно вернется к своему первоначальному, спокойному вращению вокруг вертикальной оси. Это объяснение, безусловно, очень упрощено, но пока его вам вполне достаточно.

С волчком вам придется не раз в жизни встретиться, конечно, не в виде игрушки. А встретитесь с ним, не сознавая даже этого. Когда вы едете на велосипеде, приводите в движение два больших волчка. Это колеса велосипеда. Благодаря их вращению и свойствам волчка, с которыми вы сейчас познакомились, довольно легко ездите на велосипеде. Оба эти волчка-колеса трудно отклонить от положения, занимаемого ими во время вращения.

Есть и другие, более научные, применения этого принципа. Например, жирокомпас. Это устройство, напоминающее собой волчок, небольшое, тяжелое и вращающееся с большой скоростью при помощи электродвигателя. Чем быстрее вращается волчок-жирокомпас, тем сильнее он противостоит изменению положения своей оси. Это, наверное, совершенно понятно на основе наших предыдущих объяснений. Жирокомпас устроен так, что может вращаться вокруг любой оси, соблюдая одно и то же заданное направление. Если таким направлением будет север-юг, ничто не сможет изменить направления жирокомпаса. Самолет или корабль, на котором устанавливаются жирокомпасы, может менять курс, качаться на волнах или попадать в воздушные ямы, жирокомпас, благодаря свободе поворота оси во все стороны не изменит положения своей оси в пространстве и по-прежнему будет указывать север, так же, как и магнитный компас. Изменяться будет только положение его оси по отношению к «качающемуся» кораблю или самолету.