Физика на каждом шагу - Яков Перельман

Рис. 42. Почему морские волны с палубы кажутся большей высоты, чем на самом деле?

Какой корабль сильнее качает на волнах – малый или большой? Конечно, малый. Длина волн, т. е. расстояние между двумя соседними гребнями, достигает в Атлантическом океане нередко 100–140 м. Небольшое судно целиком помещается на гребне или на дне такой исполинской волны: его то возносит вверх, то бросает вниз на полную высоту волны. Иное дело корабль-гигант длиною в 200 и более метров. При быстром ходе он всегда занимает корпусом две волны, т. е. не бывает только на гребне или только в долине; оттого и качка (килевая, продольная) для него заметно ослабляется.

Рис. 43–44. Пароход на волнах. В обоих положениях судну угрожает поломка посередине. Почему?

Но ошибочно было бы думать, что большому кораблю качка менее вредна, чем малому. Как раз наоборот! Малое судно целиком подкидывается; ему не грозит опасность разломиться пополам; большой же пароход во время волнения подвержен такой угрозе.

Происходит это вот почему. Когда большой пароход скользит по волнующемуся морю, он то зарывает в воду нос и корму, то, напротив, освобождает их от воды, погружая в волну середину своего корпуса. Какие же силы действуют на судно в том и в другом случае? Когда концы корпуса в воде, а середина вне воды, то вес носа и кормы облегчается выталкивающим действием воды, середина же сохраняет свой вес почти полностью. Корпус корабля подвергается при этом таким же усилиям, как и мостовая ферма, подпертая на концах; вес стремится прогнуть середину сооружения вниз. В обратном случае, когда корма и нос почти вне воды, середина же корпуса в воде, перевешивают концы парохода, – их вес не уменьшается поддерживающим давлением воды. Это то же самое, что подпереть мостовую ферму в середине. Ясно, что концы сооружения, не подпертые снизу, будут стремиться изогнуть его середину вверх.

Задача строителя крупного океанского парохода сильно затрудняется этими изгибающими силами морского волнения, стремящимися сломать судно. При чудовищном весе современных океанских пароходов опасность поломки для них вполне реальна и должна тщательно учитываться кораблестроителем.

Немного старины

Вы видели, как много явлений объясняется законом плавания. Но как объясняется самый закон? Вот ясное и простое объяснение, принадлежащее одному из первых физиков, французскому ученому XVII века Паскалю:

«Вода, – писал он, – давит вверх на тела, к которым прикасается снизу; давит вниз на те, которых касается сверху; давит в бока на те, которых касается с боков. Отсюда легко заключить, что, когда тело погружено в воду, она, касаясь его и сверху, и снизу, и с боков, давит на него сверху, снизу и с боков. И так как высота воды есть мера силы ее давления, то легко видеть, какое из этих действий должно превозмочь. Ясно, во-первых, что вода, имея с боков тела равную высоту над его сторонами, давит на них одинаково; оттого тело не стремится двигаться ни в ту, ни в другую сторону, как флюгер между двумя одинаковыми ветрами. Но над нижнею стороною тела вода имеет больше высоты, чем над верхнею: ясно, что она должна гнать тело снизу вверх. И так как разность высот воды есть высота самого тела, то легко понять, что вода гонит тело снизу вверх с силою, равной весу одинакового с телом объема воды.

«Погруженное в жидкость тело вследствие его давления поддерживается так, как если бы оно было привешено к чашке весов, другая чашка которых нагружена объемом жидкости, равным объему тела. Отсюда следует, что если тело из меди или иного материала, более тяжелого, чем вода в том же объеме, то оно падает в воде, ибо вес его превозмогает тот, который стремится его уравновесить. Если тело из дерева или другого материала, более легкого, чем вода в том же объеме, то оно поднимается в воде с такою силою, на какую вес воды превышает его вес. Если оно весит столько же, сколько вода, то не опускается и не поднимается; так воск остается в воде приблизительно там, где его поместят. Отсюда же следует, что бадью колодца легко вытягивать, пока она в воде, но вес ее тотчас дает себя чувствовать, когда она начинает выходить из воды.

Рис. 45. Блез Паскаль, физик XVII века

«Если человек погружен в воду, вода давит на него и сверху и снизу, но он весит больше, чем вода, и потому опускается, хотя не так скоро, как падает в воздухе: в воде ему служит противовесом вес равного объема воды, почти одинаковый с весом его тела. Если бы вес этот был совсем одинаков, то человек плавал бы. Ударяя о воду или делая некоторые усилия против воды, он поднимается и плавает. По той же причине человек, погруженный в ванну, без труда поднимает руку, пока она в воде, но, выйдя из воды, чувствует, что она много весит, ибо нет более противовеса от равного ей объема воды, как было, пока она была погружена.

«Выпуклая свинцовая чашка плавает на воде потому, что занимает много места в воде вследствие своей формы; но если бы это был сплошной кусок, он занимал бы в воде только место, равное объему своего вещества, а вес такого объема воды не мог бы его уравновесить».

Пловучая игла

Можно ли заставить иголку плавать на воде, как соломинку?

Казалось бы, невозможно: сплошной кусочек железа, хотя бы и маленький, должен в воде непременно потонуть.

Так думают многие, и если вы находитесь в их числе, то следующий опыт заставит вас переменить свое мнение.

Возьмите не слишком толстую швейную иголку, обмажьте ее слегка маслом или жиром и положите аккуратно на поверхность воды в блюдце или стакане. К вашему изумлению, игла не пойдет ко дну. Она будет держаться на поверхности, наглядно опровергая всеобщую уверенность в том, что игла не может плавать на воде.

Почему же она не тонет? Ведь сталь тяжелее воды! Безусловно, она в 8 раз тяжелее, и, очутись игла под водою, она не всплыла бы сама собою, как всплывает спичка. Но наша игла под воду не погружается. Чтобы найти причину, поддерживающую ее на воде, рассмотрите внимательно поверхность воды возле нашей плавающей иглы. Вы увидите, что близ нее вода образует вогнутость, небольшую долину, на дне которой и лежит игла.

Рис. 46. Опыты с плаванием иглы на воде

Изгибается водная поверхность в этом случае потому, что игла, покрытая тонким слоем жира, не смачивается водой. Вы заметили, вероятно, что когда у вас руки жирные, то вода, налитая на них, оставляет кожу сухой, вовсе не смачивает ее поверхности. Перья гуся и всех вообще плавающих птиц всегда покрыты жиром, выделяемым особой железой; поэтому-то вода и не пристает к ним («что с гуся вода»). Вот почему без мыла, которое растворяет слой жира и удаляет его с кожи, нельзя вымыть жирных рук даже и горячей водой. Жирная иголка тоже не смачивается водой и потому оказывается на дне водяной лощинки, поддерживаемая водяной пленкой, которая стремится расправиться. Это-то стремление воды расправить свою вдавленную иглою поверхность выталкивает иглу из воды, не давая ей затонуть.

Так как руки наши всегда немного жирны, то и без намеренного обмазывания жиром игла в наших руках уже покрыта тонким слоем его. Можно поэтому заставить плавать иглу, не покрывая ее нарочно жиром. Надо сделать так: положить иглу на лоскуток папиросной бумаги, а затем, постепенно сгибая вниз края листочка другой иглой, погрузить всю бумажку под воду. Лоскуток упадет на дно, а игла останется на поверхности.

При некоторой ловкости можно обойтись и без бумажки: положите иглу на согнутую шпильку для волос, как показано на рис. 46 внизу, или на две нитяные петли и осторожно опустите иглу на поверхность воды. Иные изловчаются даже и прямо класть иглу на воду пальцами.

Рис. 47. Насекомое водомерка

В летние дни вам случалось, вероятно, видеть на пруде насекомых, шагающих по поверхности воды:

Какие-то комарики,Проворные и тощие,Вприпрыжку, словно по суху,Гуляют на воде.

Это водомерки – насекомые из семейства клопов (рис. 47). Теперь, видя, как проворно бегают они по поверхности воды, вы не станете в тупик. Вы сообразите, что лапки их благодаря особому устройству кожицы не смачиваются водой и оттого образуют под собою вдавленности; стремясь расправиться, вдавленности эти подталкивают легкое насекомое снизу. Поймайте водомерку и заставьте ее бегать по поверхности воды в прозрачной банке; заглядывая снизу, вы ясно увидите вдавленности под лапками насекомого.

Поверхностная пленка

Опыты, о которых мы сейчас рассказали, научили нас тому, что жидкость словно одета тонкой упругой пленкой, которою она поддерживает на воде и стальную иглу, и бегающую водомерку. Попытаемся понять теперь, что же это за пленка.

Рис. 48. Частица жидкости подвержена действию окружающих частиц