Для юных физиков. Опыты и развлечения (сборник)

5. Яйцо в стакане

Клоуны в цирках часто изумляют публику тем, что сдергивают скатерть с накрытого стола, но вся столовая посуда – тарелки, стаканы, бутылки – невредимо остается на своих местах. Здесь нет ни чуда, ни обмана, – это дело ловкости, которая изощряется продолжительным упражнением.

Такого проворства рук вам, конечно, не достичь, – но проделать подобный же опыт в маленьком виде совсем не трудно. Приготовьте на столе стакан, до половины налитый водой, и почтовую карточку (еще лучше – половину ее); далее, попросите у старших ссудить вам для опыта широкое (мужское) обручальное кольцо и запасите яйцо, сваренное вкрутую, ради спокойствия хозяйки дома. Располагаете вы эти четыре предмета так: стакан с водой покрываете карточкой, на нее кладете кольцо, на которое опирается стоймя яйцо. Можно ли выдернуть карточку так, чтобы яйцо не покатилось на стол?

На первый взгляд это так же немыслимо, как выдернуть скатерть, не уронив расставленной на ней посуды. Но вы осуществляете эту кажущуюся невозможность одним удачным щелчком по краю карточки: карточка вышибается и летит на другой конец комнаты, а яйцо… яйцо вместе с кольцом оказываются невредимы в стакане с водой, которая смягчает удар и охраняет скорлупу от поломки.

Достигнув надлежащей ловкости, можно рискнуть проделать этот опыт и с сырым яйцом.

Физическая причина этого маленького чуда кроется в том, что, вследствие кратковременного удара, яйцо не успевает получить от вышибаемой карточки сколько-нибудь заметной скорости, между тем как сама карточка, непосредственно получившая удар, успевает выскользнуть; оставшись без опоры, яйцо падает по отвесному направлению в подставленный стакан.

На том же основан и следующий, еще более интересный опыт.

6. Необычайная поломка

Странствующие фокусники выполняют нередко очень красивый опыт, который кажется удивительным и необычайным, хотя довольно просто объясняется законами физики. На двух бумажных кольцах подвешивается довольно длинная палка; она опирается на них своими концами, сами же кольца перекинуты: одно – через лезвее бритвы, другое – через хрупкую курительную трубку (черт. 4). Фокусник берет другую палку и со всего размаха ударяет ею по первой. Лежащая палка ломается, а бумажные кольца… остаются невредимы!

Объяснение этого опыта то же, что и предыдущего: удар настолько краток, что не только бумажные кольца, но даже и концы ударяемой палки не успевают получить никакого перемещения; движется только та часть палки, которая непосредственно подвергалась удару, и палка переламывается. Секрет успеха, следовательно, в том, чтобы удар был быстр, отрывист. Удар медленный, вялый не переломит палки, а разорвет бумажные кольца.

Большие мастера среди фокусников ухитряются даже переламывать палку, опирающуюся на края двух тонких стаканов – и стекло остается неповрежденным.

Вам придется примириться с более скромным видоизменением того же опыта. Положите на край низкого стола или скамейки два карандаша так, чтобы часть их свободно выступала, и на эти свободные концы положите тонкую и длинную палочку. Сильный и быстрый удар линейкой по середине лежащей палочки переломит ее пополам, – но карандаши, на которые она опиралась концами, останутся на прежних местах.

Опыт этого рода объясняет вам, почему орех невозможно расколоть плавным, хотя и сильным давлением ладони, но очень легко раздробить сильным ударом кулака (черт. 2): в последнем случае удар не успевает распространиться по мясистой части кулака, и мягкие мускулы наши, не уступая напору ореха, действуют на него, как твердое тело.

По той же причине пуля пробивает в окне маленькую круглую дырочку, а брошенный рукой камешек, менее стремительно летящий, разбивает в осколки все стекло (черт. 3); еще более медленный толчок сможет повернуть оконную раму в петлях, чего ни пуля, ни камень сделать не могут.

Наконец, еще пример такого же явления представляет перерезывание стебля ударом прута (черт. 1). Напирая медленно прутом, хотя бы и с большой силой, вы стебля не перережете и только отклоните в сторону; ударив же с размаха, вы перережете его наверняка, если только, конечно, стебель не слишком толст. И здесь, как в предыдущих случаях, быстротой движения прута достигается то, что удар не успевает передаться всему стеблю и сосредоточивается только на небольшом, непосредственно затронутом участке, который и принимает на себя все последствия удара.

7. Наподобие подводной лодки

Свежее яйцо в воде тонет – это знает каждая опытная хозяйка и, когда желает убедиться, свежи ли яйца, испытывает их именно таким образом. Физик выводит из этого наблюдения то, что свежее яйцо весит больше, чем такой же объем чистой воды. Прибавляю: «чистой» потому, что нечистая – например соленая – вода весит больше. Можно приготовить такой густой раствор соли в воде, что яйцо будет легче вытесняемого им рассола, и тогда – по физическому закону плавания, открытому еще в древности знаменитым Архимедом – самое свежее яйцо будет в такой воде всплывать. Вы можете сыграть коварную шутку с хозяйкой, испугав ее тем, что вся сейчас купленная ею партия яиц нехороша: яйца всплывают в воде! (Разумеется, вы скроете от нее, что вода у вас соленая.)

Но лучше используйте ваши познания для следующего поучительного опыта, при котором вы заставите яйцо ни тонуть, ни всплывать, а, так сказать, висеть внутри жидкости; физик назвал бы такое состояние яйца «взвешенным». Для этого вы должны приготовить такой раствор соли в воде, чтобы погруженное в него яйцо вытесняло ровно столько рассола, сколько оно само весит. Получить подобный раствор можно только рядом проб, то немного подливая воды – если яйцо всплывает, то немного прибавляя более крепкого рассола – если яйцо тонет. При некотором терпении вы всегда найдете, наконец, требуемую крепость рассола, в котором погруженное яйцо не всплывает и не тонет, а остается неподвижным в том месте, куда его поместили.

В подобном состоянии находится подводная лодка. Она может держаться ниже уровня воды, не падая на дно, только тогда, когда весит ровно столько, сколько вытесняет воды. Чтобы придать ей как раз такой вес, экипаж лодки напускает внутрь ее, в особые вместилища, воду извне; когда же нужно подняться, воду выкачивают.

Дирижабль – не аэроплан, а именно дирижабль – плавает в воздухе на определенной высоте по той же самой причине: подобно яйцу в соленой воде, дирижабль вытесняет ровно столько пудов воздуха, сколько пудов он сам весит.

8. Бездонный стакан

Вы налили воды в стакан до самых краев. Больше не поместится ни одной капли. Что же будет, если в этот стакан с водой опустить булавку? Вода, скажете вы, должна перелиться через край. И уж, конечно, она перельется, если вздумаем опустить в полный стакан целую сотню булавок.

На деле же оказывается совсем не то, что вы ожидаете. Если осторожно, без сотрясений, опускать в наполненный водой стакан одну булавку за другой, то не только после десятой или после сотой, даже после двухсотой и трехсотой булавки вода не перельется за края стакана.

Как же это? Булавки разве не занимают никакого объема и не вытесняют воды? Конечно, они ее вытесняют. Так куда же она в таком случае девается? Не бездонный же у нас, в самом деле, стакан! Вы найдете разгадку, если внимательно всмотритесь в свободную поверхность воды вашего стакана. До опыта она была плоская, теперь же заметно вздулась, – и это вздутие воды занимает объем, равный объему всех потонувших булавок, вместе взятых.

При некоторой осторожности можно стакан с водою густо наполнить доверху булавками, так что они будут даже торчать выше его краев, – а вода все-таки не будет переливаться, и только сильное вздутие ее поверхности покажет, что булавки тоже занимают место. Картина получается для глаз удивительная: стакан воды и стакан булавок одновременно помещаются в одном стакане!

9. Плавучая игла

Можно ли заставить стальную иглу плавать на поверхности воды, как соломинку? Как будто бы невозможно: кусочек металла, хотя бы и самый маленький, должен непременно потонуть в воде. Так думают многие, и если вы думаете так же, то следующий опыт заставит вас переменить свое мнение.

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

Почему же, однако, она не тонет? Ведь сталь все-таки тяжелее воды? Безусловно, в 7–8 раз тяжелее, и, чтобы плавать, игла должна, по физическому закону плавания, вытеснять воды во столько же раз больше объемом, чем сама занимает. В нашем случае так и есть: если вы внимательно рассмотрите поверхность воды возле вашей плавающей иглы, то увидите, что близ нее вода образует вогнутость, небольшую долину, на дне которой и лежит игла (как показано в разрезе на рисунке в левом нижнем углу рисунка). Изгибается же водная поверхность возле нашей иглы 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, т. е. не смачивает ее. Перья гуся и всех вообще плавающих птиц всегда покрыты жиром, выделяемым особой железой; вот почему вода не пристает к ним («что с гуся вода»). Оттого-то без мыла – которое растворяет слой жира и удаляет его с кожи, – нельзя вымыть жирных рук даже и горячей содой. Жирная иголка тоже не смачивается водой и потому оказывается на дне водяной лощинки, объем которой настолько превышает объем иглы, что она поддерживается выталкивающей силой жидкости, как стальной дредноут на океане.

Так как руки наши всегда немного жирны, то и без намеренного обмазывания жиром игла в наших руках тоже покрыта тонким слоем его. Поэтому можно заставить иглу плавать, и не покрывая ее специально жиром, – надо только изловчиться очень осторожно положить ее на воду. Это можно сделать так: положить иглу на лоскуток папиросной бумаги, а затем, постепенно отгибая вниз края лоскутка другой иглой, погрузить всю бумажку под воду. Лоскуток упадет на дно, а игла останется на поверхности.

Если теперь вам случится наблюдать насекомое водомерку, шагающую по воде «яко по суху» (см. рис. на стр. 32, внизу), то вы уже не будете поставлены в тупик этим фактом, а догадаетесь, что лапки насекомого покрыты жиром и оттого не смачиваются водой. Шесть лапок водомерки, вместе взятые, вытесняют, благодаря этому, такой объем воды, который весит столько, сколько само насекомое, и тогда оно поддерживается на поверхности по мере движения.