Занимательная физика. Книга 1

Разумеется, все это имеет место только для катящегося колеса, а не для такого, которое вращается на неподвижной оси. В маховом колесе, например, и верхние и нижние точки обода движутся с одинаковою скоростью.

Загадка железнодорожного колеса

В колесе железнодорожном происходит еще более неожиданное явление. Вы знаете, конечно, что эти колёса имеют на ободе выступающий край. И вот, самая нижняя точка такого обода при движении поезда перемещается вовсе не вперед, а назад! В этом легко убедиться при рассуждении, подобном предыдущему, – и мы предоставляем читателю самому дойти до неожиданного, но вполне правильного вывода, что в быстро мчащемся поезде существуют точки, которые движутся не вперед, а назад. Правда, это обратное движение длится лишь ничтожную долю секунды, но дело от этого не меняется: обратное перемещение (и при том довольно быстрое – раза в два быстрее пешехода) все же существует, наперекор нашим обычным представлениям.

Рис. 4. Когда железнодорожное колесо катится по рельсу направо, точка Р его обода движется назад, налево.

Откуда плывет лодка?

Вообразите, что пароход плывет по озеру, и пусть стрелка a на рис. 5 изображает скорость и направление его движения. Наперерез ему плывет лодка, и стрелка b изображает ее скорость и направление. Если вас спросят, откуда отчалила эта лодка, вы сразу укажете пункт A на берегу. Но если с тем же вопросом обратиться к пассажирам плывущего парохода, то они укажут совершенно другой пункт.

Происходит это оттого, что пассажиры парохода видят лодку движущейся вовсе не под прямым углом к его движению. Не следует забывать, что они не чувствуют своего собственного движения. Им кажется, что сами они стоят на месте, а лодка несется с их скоростью в обратном направлении (вспомните, что мы видим, когда едем в вагоне железной дороги). Поэтому для них лодка движется не только по направлению стрелки b, но и по направлению стрелки c, – которая равна a, но обратно направлена (см. рис. 6). Оба эти движения – действительное и кажущееся – складываются, и в результате пассажирам парохода кажется, будто лодка движется по диагонали параллелограмма, построенного на b и c. Эта диагональ, обозначенная на рис. 6 пунктиром, выражает величину и направление кажущегося движения.

Рис. 5. Лодка (b) плывет наперерез пароходу (a).

Вот почему пассажиры будут утверждать, что лодка отчалила в B, а не в A.

Когда мы, несясь вместе с Землей по её орбите, встречаем лучи какой-нибудь звезды, то мы судим о месте исхода этих лучей так же неправильно, как и вышеупомянутые пассажиры ошибаются в определении места отплытия второй лодки. Поэтому все звезды кажутся нам немного перемещенными вперед по пути движения Земли. Но так как скорость движения Земли ничтожна по сравнению со скоростью света (в 10.000 раз меньше), – то и перемещение это крайне ничтожно и улавливается только при помощи точнейших астрономических приборов. Явление это носит название «аберрации света».

Рис. 6. Пассажирам парохода (a) кажется, будто лодка (b) плывет из точки B.

Но вернемся к рассмотренной выше задаче о пароходе и лодке.

Если вас подобные явления заинтересовали, попробуйте, не изменяя условий предыдущей задачи, ответить на вопросы: по какому направлению перемещается пароход для пассажиров лодки? К какому пункту берега пароход направляется, по мнению её пассажиров? Чтобы ответить на эти вопросы, вам нужно на линии a построить, как раньше, параллелограмм скоростей. Диагональ его покажет, что для пассажиров лодки пароход кажется плывущим в косом направлении, словно собираясь причалить к некоторому пункту берега, лежащему (на рис. 6) правее B.

Можно ли поднять человека на семи пальцах?

Кто никогда не пробовал делать этого опыта, тот наверное скажет, что поднять взрослого человека на пальцах – невозможно. Между тем это исполняется очень легко и просто. В опыте должно участвовать пять человек: двое подсовывают свои указательные пальцы (обеих рук) под ступни поднимаемого; двое других подпирают указательными пальцами правой руки его локти; наконец, пятый подкладывает свой указательный палец под подбородок поднимаемого. Затем, по команде: – Раз, два, три! – все пятеро дружно поднимают своего товарища, без заметного напряжения.

Рис. 7. Семью пальцами можно поднять взрослого человека.

Если вы проделываете этот опыт впервые, то сами поразитесь, с какой неожиданной легкостью он выполняется. Секрет этой легкости кроется в законе разложения сил. Вес взрослого человека равен в среднем 170 фунтам[3 - Фунт – единица измерения массы; 1 фунт = 0,454 кг. – Прим. изд.]; эти 170 фунтов давят сразу на семь пальцев, так что на каждый палец приходится всего только около 25-ти фунтов. Поднять же одним пальцем такой груз для взрослого человека сравнительно нетрудно.

Графин с водой поднять соломинкой

Этот опыт тоже с первого взгляда кажется совершенно невозможным. Но мы уже видели только что, как неосторожно доверять «первому взгляду».

Возьмите длинную цельную крепкую соломинку, согните ее и введите в графин с водой так, как показано на рис. 8: конец её должен упираться в стенку графина. Теперь можете поднимать – соломинка удержит графин.

Рис. 8. Графин с водой висит на соломинке.

Вводя соломинку, надо следить за тем, чтобы часть её, упирающаяся в стенку графина, была совершенно пряма; в противном случае соломинка изогнется – и вся система рухнет. Здесь все дело в том, чтобы сила (вес графина) действовала строго по длине соломинки: в продольном направлении солома обладает большой прочностью, хотя легко ломается в поперечном направлении.

Лучше всего предварительно научиться производить этот опыт с бутылкой и лишь затем попробовать повторить его с графином. Неопытным экспериментаторам мы рекомендуем на всякий случай подстилать на пол что-нибудь мягкое. Физика – великая наука, но графины разбивать незачем…

Следующий опыт имеет с описанным большое сходство и основан на том же принципе.

Проткнуть монету иглой

Сталь тверже меди, – и следовательно, под известным давлением стальная игла должна пробить медную монету. Беда только в том, что молоток, ударяя по игле, согнет ее и сломает. Надо, значит, обставить опыт так, чтобы не дать игле возможности сгибаться. Это достигается очень просто: воткните иглу в пробку по её оси – и можете приступать к делу. Монету (копейку) положите на два деревянных брусочка, как показано на рис. 9, а на нее поставьте пробку с иглой. Несколько осторожных ударов – и монета пробита. Пробку для опыта надо выбирать плотную и достаточно высокую.

Рис. 9. Игла пробивает медную монету.

Почему заостренные предметы колючи?

Задумывались ли вы над вопросом: отчего игла вообще так легко пронизывает разные предметы? Отчего сукно или картон легко проткнуть тонкой иглой и так трудно пробить толстым стержнем? Ведь в обоих случаях действует, казалось бы, одинаковая сила.

В том-то и дело, что сила не одинакова. В первом случае все давление сосредоточивается на острие иглы, во втором же случае та же сила распределяется на гораздо большую площадь конца стержня. Площадь острия иглы в тысячи раз менее площади конца стержня, а следовательно, и давление иглы будет в тысячи раз более, нежели давление стержня – при одном и том же усилии наших мускулов.

Вообще, когда речь идет о давлении, всегда необходимо, кроме силы, принимать во внимание также и величину площади, на которую эта сила действует. Когда нам говорят, что кто-либо получает 600 руб. жалованья, то мы не знаем еще, много ли это или мало: нам нужно знать – в год или в месяц? Точно так же и действие силы зависит от того, распределяется ли сила на квадратный дюйм[4 - Дюйм – (от нидерл. duim – большой палец) – русское название для единицы измерения расстояния в некоторых европейских неметрических системах мер, обычно равной

/

или

/

(«десятичный дюйм») фута соответствующей страны. Слово дюйм введено в русский язык Петром I в самом начале XVIII века. Сегодня под дюймом чаще всего понимают английский дюйм, равный 2,54 см ровно. – Прим. изд.] или сосредоточивается на

/

кв. миллиметра.

Совершенно по той же причине острый нож режет лучше, нежели тупой.

Итак, заостренные предметы оттого колючи, а отточенные ножи оттого хорошо режут, что на их остриях и лезвиях сосредоточивается огромная сила.

Глава II

Сила тяжести. Рычаг. Весы

Вверх по уклону

Мы так привыкли видеть весомые тела скатывающимися с наклонной плоскости вниз, что пример тела, свободно катящегося по ней вверх, кажется с первого взгляда чуть не чудом. Однако нет ничего легче, как устроить подобное мнимое чудо. Возьмите полоску гибкого картона, изогните в виде кружка и склейте концы – у вас получится картонное кольцо. К внутренней стороне этого кольца приклейте воском тяжелую монету, например полтинник. Поместите теперь это кольцо у основания наклонной дощечки так, чтобы монета приходилась впереди точки опоры, вверху. Отпустите кольцо – и оно само вкатится вверх по уклону (см. рис. 10).

Рис. 10. Кольцо само вкатывается вверх.

Причина ясна: монета, в силу своего веса, стремится занять низшее положение в кольце, но, двигаясь вместе с кольцом, она тем самым заставляет его катиться вверх.

Если вы хотите превратить опыт в фокус и поразить ваших гостей, то должны обставить его несколько иначе. К внутренней боковой стороне пустой круглой коробки от шляпы прикрепите какой-нибудь тяжелый предмет; затем, закрыв коробку и поместив ее надлежащим образом на середину наклонной доски, спроси?те гостей: куда покатится коробка, если ее не удерживать – вверх или вниз? Разумеется, все в один голос скажут, что вниз, – и будут немало изумлены, когда коробка на их глазах покатится вверх. Наклон доски должен быть для этого, конечно, не слишком велик.

Вопреки силе тяжести

Бильярдный шар и пара киев позволяют произвести подобный же фокус, – подобный, впрочем, лишь по внешности, а не по существу. Положите на стол два кия так, чтобы их острия соприкасались, а толстые концы отстояли друг от друга на поперечник шара. Казалось бы, что шар, положенный у середины киев, должен был скатиться в сторону тонких концов, а не толстых. Но стоит вам проделать этот опыт, чтобы убедиться в противном: шар катится к толстым концам, как бы подымаясь вверх!

Секрет в том, что здесь перед нами любопытная иллюзия зрения: так как кии по направлению к толстым концам расходятся врозь, то шар, катясь по ним, опускается все глубже и глубже; поэтому в действительности центр тяжести его следует по линии, понижающейся к толстым концам. Тот же опыт можно проделать и иначе. Приготовьте из картона два одинаковых конуса и склейте их основаниями. Затем поставьте на стол две книги – одну повыше, другую пониже. На спинки книг положите две ровных палки, – не параллельно, а с небольшим углом между ними. Ваш двойной конус будет по этим палкам катиться не от высокой книги к низкой, а как раз наоборот (рис. 11).

Рис. 11. Куда катится этот двойной конус?