Горизонты техники для детей, 1963 №1 (8)

Физика вокруг нас

Первый в классе шутник Коля спросил однажды на перемене у ребят:

«Отгадайте, что больше весит килограмм железа или килограмм перьев?»

Большинство ребят считало, что килограмм есть килограмм и вовсе не имеет значения килограмм чего (если только весы «честные» — говорили осторожные) и, следовательно, и железо и перья весят одинаково. Но один мальчишка считал и спорил до последнего, что железо тяжелее. Конечно, все это была старая шутка, на которую он и поймался.

Но больше всего ребят удивил веснушчатый Валя, лучший по физике ученик, который со всей серьезностью, соответствующей его пятерке, заявил, что… перья будут тяжелее. Да, именно перья, легкие и неуловимые!

Валя не хотел объяснять и только вызывал возражающих ему поспорить на почтовую марку, ставя со своей стороны редкий экземпляр марки из Эквадора. Все подумали, что раз так, значит он прав, и побоялись спорить с «физиком-отличником».

* * *

Мы постараемся объяснить вам, ребята, как Валя пришел к своему оригинальному выводу.

Известный всем вам закон Архимеда относится не только к жидкостям, но и к газам. Итак, кажущееся уменьшение веса любого тела имеет место не только в случае погружения этого тела в воду, но и тогда, когда оно находится в газообразной среде. Это уменьшение (кажущееся) будет равно весу жидкости или газа, вытесненного данным телом. Воздух — газ, вернее смесь нескольких газов, а все окружающие нас предметы, все растения, находящиеся над поверхностью воды или земли как бы «погружены» в воздух. Следовательно, все предметы, с которыми мы повседневно встречаемся, теряют часть своего веса, так как на них действует сила, называемая подъемной силой. Довольно ярким примером действия и практического применения этой силы является шар, наполненный, например, водородом. Воздух, вытесненный шаром, весит больше, чем шар вместе с содержащимся в нем очень легким газом. На шар действует подъемная сила, поднимающая его вверх, подобно тому, как подъемная сила выталкивает на поверхность погруженную в воду пробку. Конечно, шар не достигает такой границы, каковой является зеркало воды для погруженной в неё пробки. Дело просто в том, что с ростом высоты количество воздуха уменьшается постепенно и незаметно. Чем выше, тем давление воздуха меньше, но все же, как показали исследования, проведенные при помощи спутников, даже на высоте 1000 км над поверхностью земли есть еще следы, правда ничтожные, воздуха. Границу высоты, которую достигает шар, трудно заметить. Ну об этом мы еще с вами поговорим— шары — вещь интересная для наблюдения многих физических явлений.

А пока с высот, на которые привело нас любопытство физиков, опустимся на землю. Здесь каждый предмет испытывает действие подъемной силы, направленной вверх, величина которой зависит от объема тела. С этим вы, наверное, все согласны, так как совершенно очевидно, что чем больше объем какого-нибудь тела, тем больше оно вытеснит воздуха. Значит, если мы взвешиваем какой-либо предмет на весах (причем любых): пружинных, вагонных или чашечных, то определяем силу, с какой предмет притягивается землей. Это и есть вес тела. Но здесь мы должны сделать небольшую поправку: весы показывают силу притяжения земли, уменьшенную на величину подъемной силы, направленной в обратную сторону. Воздух как бы обманывает продавца в пользу покупателя. Он легонько приподнимает вверх взвешиваемый предмет, а весы регистрируют его меньший вес. Воздух, к счастью продавца, очень легкий: один литр его весит всего лишь один грамм. Легко подсчитать, что, покупая товар, имеющий объем в 1 литр (1000 см³), получаем на один грамм этого товара больше. Никто, конечно, на эту разницу не обратит внимания. А с научной точки зрения, чтобы точно знать вес взвешиваемого предмета, необходимо удалить «обманщика», то есть воздух, и взвешивать наш предмет в пустоте. Тогда только мы бы убедились, что в действительности предмет весит больше, чем на воздухе.

Чтобы все это еще лучше представить, взвешивать будем большое количество грузов и разницы будут более заметными. Взвесим, например, тонну древесины и тонну железа. Если тонну железа положить на одной чашке громадных равноплечих весов, а тонну древесины — на другой, то весы будут точно уравновешены. Это значит, что грузы весят одинаково (тут-то вы подумаете, что Валя что-то перепутал, и пожалеете, что не поспорили с ним).

В обычных условиях это действительно будет так. А если бы наши весы поставили под большой стеклянный колпак и откачали бы из него воздух, то в таких необычных условиях весы показали бы, что древесина тяжелее. Итак, более тяжелым является тот материал, который в обычных условиях. легче. Перья, конечно, тоже под колпаком и в пустоте оказались бы более тяжелыми. Все в порядке, Валя прав!

Многие из вас уже хорошо поняли в чем дело. Воздух делает неправильными показания весов, так как тянет вверх находящиеся в нем тела. Тянет тем сильнее, чем больше объем вытесняющего его тела. На каждые 1000 см³ объема действует тянущая его вверх сила, равная 1 грамму. Тонна древесины занимает много места, вытесняет много воздуха, и, конечно, теряет довольно много своей тяжести, приблизительно 2,5 кг в зависимости от качества древесины и её влажности. Тонна железа занимает немного места, значит вытесняет мало воздуха и поэтому теряет в весе всего лишь 150 г. Перевесит чашка с древесиной. Совершенно очевидно, что «килограмм» перьев тяжелее «килограмма» железа. Я умышленно взял в кавычки слово килограмм, ибо равные в воздухе килограмм с килограммом перестают быть равными в пустоте. А так как только взвешиванием в пустоте можно узнать настоящий вес тел, не измененный влиянием воздуха, то окажется, что понятие килограмм в определенных условиях может быть неправильным.

Еще раз подчеркиваем, ребята, что эти разницы незначительные и не учитываются ни в продовольственных магазинах, ни в булочных, ни в кондитерских даже самыми придирчивыми продавцами. В точных научных исследованиях такие разницы необходимо всегда учитывать, поэтому для получения точных данных взвешивают в вакууме.

Совершенно обратное явление мы наблюдали бы в глубокой шахте. Всеми вами любимый писатель Жюль Верн в одном из своих произведений описал гигантскую шахту, проложенную на глубине 50 км. Конечно, такую шахту построить невозможно. Но кто нам запретит пофантазировать? Так вот, на дне шахты (вымышленной нами) давление воздуха в 400 раз больше, чем на поверхности земли. Во столько же раз возрос бы и вес воздуха, сжатого под этим давлением (имеется в виду, конечно, вес единицы объема воздуха, то есть удельный вес). На дне шахты воздух был бы только в два раза легче воды! Высушенный кусок дерева выталкивался бы воздухом вверх, совершенно так же, как пробка выталкивается на поверхность воды. Такой кусочек дерева поднимался бы вверх до тех пор, пока его вес не стал бы равным весу вытесненного им воздуха.

Это была всего-навсего фантазия. А вот как вы думаете, могли бы люди жить на дне высохшего океана? Организм человека выдерживает давление в 3 атмосферы, что соответствует глубине 9 км ниже уровня моря. Самая большая глубина моря равна 11.000 метрам. На такой глубине жизнь человека уже невозможна.

Воздух невидим, неощутим, легок и прозрачен. Но все же он имеет большое влияние на нашу жизнь и на наши научные наблюдения. Загадка с перьями и железом показывает лишь одну из ролей, которую играет воздух в природе.