Нурбей Гулиа. Удивительная физика

      Вслед за публикацией Гершеля об обнаруженных им инфракрасных лучах (1801 г.) последовало сообщение физика П. Риттера о невидимых лучах, но уже лежащих по другую сторону спектра, дальше фиолетовых. Названы они были ультрафиолетовыми. Именно эти лучи помогают нам загорать. Длина волны этих лучей короче фиолетовых.
      Видимая часть спектра включает электромагнитные волны длиной от 4 · 10-5 см (фиолетовые) до 8 · 10-5 см (красные). Но электромагнитные волны бывают длиной от километров (радиоволны) до «жестких» рентгеновских лучей с длиной волны около 10-8 см. Есть и более короткие электромагнитные волны – так называемые гамма-лучи.
      Почему же видим мы только крохотную полоску, как бы зажатую между инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами? Ведь диапазон электромагнитных колебаний очень широк, волны по длине меняются более чем в миллиарды раз, а видим мы волны, длина которых меняется лишь в 2 раза?
      Конечно, сразу можно сказать, что человеку для практических целей подходят не все длины волн. Гамма-лучи и рентгеновские лучи испускаются при особых обстоятельствах, вокруг нас их почти нет. И это очень хорошо. Рентгеновские и особенно гамма-лучи вызывают так называемую лучевую болезнь, так что человечество недолго могло бы существовать в этих лучах.
      Длинные радиоволны были бы крайне неудобны. Они свободно огибают препятствия метровой величины, и мы не могли бы рассмотреть предметы, видеть которые нам жизненно необходимо.
      Есть еще инфракрасные лучи, способные нагревать тела, но не видимые нами. Они, казалось бы, с успехом могли бы заменить волны тех длин, которые воспринимаются глазом. Или, наконец, глаз мог бы приспособиться к ультрафиолету.
      Что же, выбор узкой полоски длин волн, которую мы именуем видимым светом, именно на данном участке шкалы электромагнитных волн сделан природой случайно?
      Нет, здесь далеко не случай. Прежде всего максимум излучения электромагнитных волн Солнца лежит как раз посредине видимого спектра, в его желто-зеленой области. Но не это все же главное! Излучение в соседних областях спектра тоже достаточно интенсивно.
      Все дело в том, что мы живем на дне воздушного океана. Земля окружена атмосферой. Мы ее считаем прозрачной или почти прозрачной. И она является таковой в действительности, но только для очень узкого участка спектра, к восприятию которого как раз приспособился глаз. Это первое оптическое «окно» в атмосфере. Кислород сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Пары воды задерживают инфракрасное излучение. Длинные радиоволны отбрасываются назад в космическое пространство вследствие отражения от ионосферы.
      Таким образом, в процессе естественного отбора живые организмы приобрели орган, чувствительный как раз к излучениям, имеющим наибольшую интенсивность и наиболее подходящим для своего назначения.
      То, что максимум излучения Солнца точно приходится на середину оптического «окна», следует, вероятно, считать дополнительным подарком природы.

Как Архимед сжег корабли?

      Существует легенда, по которой великий Архимед, якобы пользуясь зеркалами, сжег римские корабли. Об этом факте писал Диодор Сицилийский в I в. до н. э.; знаменитый римский врач Гален во II в. н. э. также упоминал об этом. В IV в. византийский математик и архитектор Анфимий в книге «О чудесных механизмах» описал зеркало Архимеда, которым тот сжег корабли. Возможно, Анфимий располагал какими-то материалами или чертежами, которые до нас не дошли.
      Зеркало Архимеда (рис. 155) представляло собой огромную деревянную раму с подвижной восьмиугольной доской на ней. На этом восьмиугольнике были установлены двадцать пять больших квадратных бронзовых зеркал, по-видимому, из щитов, которые использовали тогда воины. Зеркала были установлены так, что все они посылали свой солнечный зайчик в одно и то же место на расстояние около 100 м.
 

Рис. 155. Зеркало Архимеда (реставрация)

      Таким образом, зеркало Архимеда, или «огненный палец», как еще называли его, было прообразом современных гелиоконцентраторов, широко используемых в современной солнечной энергетике (рис. 156). Но «фокус» его в отличие от современных установок был отодвинут довольно далеко, на расстояние, которое отделяло зеркала от кораблей.
      Световое оружие Архимеда волновало людей последующих поколений, и в начале XVII в. его подробно проанализировали двое известных ученых – астроном И. Кеплер и физик Р. Декарт. Оба пришли к выводу, что зеркало Архимеда не могло поджечь корабли и что легенда о нем – вымысел.
      Но уже в 1747 г. французский натуралист Ж. Бюффон заказывает механику Пассману устройство, подобное зеркалу Архимеда, но состоящее из 168 плоских зеркал с довольно скромной общей площадью 5,82 м2. С помощью этого устройства Бюффон воспламенил дерево на расстоянии 50 м! Этот опыт он описал в трактате «Изобретение зеркал для воспламенения предметов на больших расстояниях».
 

Рис. 156. Современный гелиоконцентратор для солнечной энергетики

      И еще через 200 лет после Бюффона другой вариант зеркала Архимеда воспроизвел греческий инженер Ионас Саккас. Для максимального приближения к условиям Архимеда Саккас использовал не стеклянные, а медные зеркала – щиты размером 1 ? 1,5 м. В 1973 г. недалеко от Афин на берегу моря, Саккас разместил людей с этими щитами, а в море на расстоянии 50 м от берега стояла обреченная лодка. По сигналу Саккаса люди направили свои солнечные зайчики от щитов на лодку, и она через несколько минут запылала.
      Итак, легенды об «огненном пальце», или зеркале Архимеда, имели под собой реальную почву. Соблазн иметь такой «огненный палец» был настолько велик, что писатель Алексей Толстой даже описал его в своем романе «Гиперболоид инженера Гарина». Гиперболоид этот представлял собой систему зеркал, отражающих лучи особых горящих пирамидок, поставленных в фокусе системы. Отражаемые лучи согласно замыслу должны были не расходиться, а идти параллельным пучком на далекие расстояния, поджигая и даже просто испепеляя все на своем пути. Увы, в таком виде подобный гиперболоид не мог выполнить этой задачи – вместо «пирамидок» нужен был «точечный» источник света (и энергии!), которого принципиально не может существовать.
      В наше время роль «огненного пальца» успешно выполняет лазер. Луч его немного расходится: пройдя расстояние до Луны, например, он оставляет на ней «пятно» около 1 км диаметром! Об этом не мог мечтать и Гарин, автор фантастического гиперболоида… Как же устроен лазер, этот современный «гиперболоид»?
 

Рис. 157. Принципиальная схема рубинового лазера:

       1 – цилиндр из кристалла рубина; 2 – спиральная импульсная лампа; 3, 4 – параллельные торцы цилиндра с зеркальным слоем
 
      Внешне лазер устроен очень просто (рис. 157). Например, кристалл 1 рубина с небольшой примесью хрома выполнялся в форме цилиндра диаметром около 3 см и длиной 20 см. Торцы цилиндра 3 и 4 строго параллельны друг другу, и на них нанесен отражающий (зеркальный) слой, причем один из этих слоев полупрозрачен: около 8 % света проходит через него, а 92 % отражается. Рубиновый стержень помещен внутри импульсной спиральной лампы 2 (называемой иногда «лампой-вспышкой»), являющейся источником возбуждающего излучения, или так называемой лампой накачки.
      Известно, что порция света, или фотон, испускается атомами в момент перехода с верхнего энергетического уровня на нижний. Обычно это испускание фотонов происходит неупорядоченно – сперва один атом «даст» порцию света, затем – другой. А в лазере, в частности, рубиновом, о котором мы говорили, после того как лампа основательно «накачала» его атомы до возбужденного состояния, стоит хоть одному атому хрома выпустить хоть один фотон, как возникает целая лавина фотонов, испускаемых возбужденными атомами. Фотоны летят от одного торца кристалла до другого, отражаясь в зеркальных покрытиях, и по дороге вызывают вынужденное излучение все у новых и новых атомов хрома. И происходит это не так медленно, как описывает автор, а очень и очень быстро (скорости-то световые!) – за 10-8 – 10-10 с. Из-за такой кратковременности процесса выделенной световой энергии мощность излучения лазера достигает 109 Вт, то есть мощности крупной электростанции! Вот что значит всем атомам сработать «хором». Излучение лазера имеет не только большую мощность, но и малую расходимость. Вспомните, как луч лазера дошел до Луны почти компактным пучком!
      Сейчас, кроме кристаллических лазеров, существуют лазеры газовые, а также на жидкостях-красителях. Газовые лазеры в отличие от кристаллических работают не короткими вспышками-импульсами, а непрерывно. Лазеры на красителях могут менять свою частоту (длину волны луча) в довольно широких пределах.
      Лазер сейчас применяется столь широко, что даже трудно перечислить все его «специальности» – от резания, сварки, сверления металлов и камней до хирургических операций, в том числе и на глазе. Пораженный способностью лазера «выжигать» живые ткани, автор для интереса попросил друзей «выжечь» ему кусочек таковой на спине. Что ж, запахло немножко паленым, дым отсасывали особым пылесосом, боли не ощущалось. Шрама почти не осталось!
      Сейчас стали модными лазерные фонарики-указки. Луч красного света ставит «отметину» на довольно большом расстоянии. К сожалению, дети балуются такими фонариками, направляя луч друг другу в глаза, что опасно. А однажды произошла буквально трагедия – молодые люди направили луч такого фонарика на незнакомого человека. А красное пятнышко этого луча поразительно похоже на пятнышко, оставляемое лазерным прицелом стрелкового оружия. И охранники этого незнакомца, который оказался «важной птицей», открыли пальбу по молодым людям с лазерными фонариками…
      Отдельный интерес представляет мощное лазерное оружие. Особенно эффективно оно в космосе, где луч лазера не рассеивается, как в воздухе. Лазер «накачивается» от источников солнечной или накопленной энергии и посылает смертоносный луч, способный за сотни и тысячи километров уничтожить вражескую ракету или спутник. Так как мощности «накачки» в таких лазерах очень велики, то непосредственно энергии солнечных батарей для этого не хватает. Ее приходится запасать в особых накопителях энергии – маховичных или конденсаторных, чтобы потом выделить ее в виде мощнейшего импульса. Ведь лазер не «создает» энергию, он только преобразует ее, причем не с таким уж высоким КПД – 30—40 %.
      Поэтому одной из важнейших задач лазерного оружия является обеспечение лазера мощным источником энергии. Автору представляется, что наиболее компактным и легким источником накопленной солнечной энергии мог бы стать супермаховик с мощным генератором. Согласно расчетам, он гораздо легче, компактнее и надежнее батарей из большого числа соединенных друг с другом конденсаторов. В космосе маховик «чувствует себя» особенно хорошо – у него нет веса, и он не «давит» на опоры. Нет и сопротивления воздуха, поскольку в космосе вакуум. Поэтому потери на вращение там – минимальные.

ЖИДКОСТИ И ГАЗЫ

Почему римский водопровод на столбах?

      В Италии до сих пор сохранились остатки водопровода, по словам Маяковского, «сработанного еще рабами Рима». Все восхищаются римским водопроводом, и есть почему – это фантастическое сооружение в виде мостов-акведуков петляет, выделывая самые замысловатые кренделя. Один из римских акведуков – Аква-Марциа имеет длину 100 км, хотя по прямой расстояние между его началом и концом вдвое короче (рис.158).
 

Рис 158. Римский водопровод (после реставрации)

      В чем дело, почему бы не построить водопровод по-современному? Поставить водонапорную башню, развести куда надо трубы под землей, и все обошлось бы во много раз дешевле (рис. 159). Все, писавшие о римском водопроводе, утверждают в один голос: римские инженеры не знали закона сообщающихся сосудов и не могли представить себе, что вода может идти вверх. Поэтому они давали своему акведуку равномерный уклон на всем протяжении пути, что сильно удлиняло и удорожало постройку. Известный популяризатор науки Я. И. Перельман также придерживался этого мнения и сетовал, что, например, на Аква-Марциа «полсотни километров каменной кладки пришлось проложить из-за незнания элементарного закона физики!»
 

 
      Автор с этим утверждением не согласен и попытается пояснить почему.
      В чем заключается закон сообщающихся сосудов? Да всего лишь в том, что в сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одном уровне. Закон этот первым опубликовал французский математик Блез Паскаль (1623—1662), и он носит его имя. Иногда его приписывают Э. Торричелли (1608—1647). Но люди знают этот закон и применяют его с глубокой древности.
      Например строители, чтобы отметить горизонтальную линию. В прозрачную гибкую пластмассовую трубку, какие используют сейчас для полива огородов, заливают воду, а концы трубки разносят по местам, которые должны быть выполнены на одном уровне. Вода в трубке и показывает этот уровень – он един для обоих концов трубки (рис. 160).
      Могли ли римляне не знать этого простого свойства жидкости? Римляне, которые пользовались причудливыми бассейнами и многочисленными ваннами, заливаемыми водой из одного источника? Даже простой чайник или кофейник демонстрирует нам этот закон – вода в носике доходит до того же уровня, что и в самом чайнике.
 

Рис. 160. Строительный уровень

Рис. 161. «Хитрый» кувшин XVIII в. и его секрет

      А вот сосуд похитрее (рис. 161). В старину забавлялись поучительной игрушкой: изготовляли кружку (кувшин), в верхней части которой имелись крупные узорчатые вырезы. Такую кружку, наполненную вином, предлагали гостю, над которым хотели посмеяться. Как пить из нее? Наклонить нельзя – вино польется из множества сквозных отверстий, а в рот не попадет ни капли. Получится как в сказке: «Мед-пиво пил, по усам текло, в рот не попало…» Но кто знал секрет устройства таких кружек, – секрет, который показан на рисунке, – тот закрывал пальцем отверстие А, брал в рот носик В и втягивал в себя жидкость, не наклоняя сосуда: вино поднималось через отверстие С по каналу внутри ручки, далее по его продолжению D внутри верхнего края кружки и достигало носика. И здесь закон сообщающихся сосудов!
      Закон этот использовали и жрецы Древнего Египта для демонстрации своих «чудес», и древние греки. В одном из древнегреческих храмов, например, находилась «неиссякаемая» чаша А, наполненная водой (рис. 162). Люди постоянно черпали из нее воду, но ее уровень не понижался. Это в народе считалось чудом. А ведь там было два сообщающихся сосуда: один на виду – «неиссякаемая» чаша, а за стеной, невидимый для посетителей, второй сосуд – большой бак В с водой. Он-то и соединялся с чашей спрятанной под полом трубой С, и подпитывал ее, как только уровень воды в ней понижался. Аналогичное устройство имеют поилки для скота. Вот вам закон сообщающихся сосудов во всей его красе!

Рис. 162. «Неиссякаемая чаша» в древнегреческом храме

      Известен был этот закон и Герону Александрийскому, и даже его учителю Ктезибию. Стоит посмотреть на устройство насоса (рис. 163), а особенно водяных часов Ктезибия (рис. 164), чтобы понять, что знал он не только закон сообщающихся сосудов и другие гидростатические законы, но и законы движения жидкости.
 

Рис. 163. Древнеримский пожарный насос

Рис. 164. Водяные часы Ктезибия

      Таким образом, о чем-о чем, а о законе сообщающихся сосудов римские инженеры знали. Но знали они и еще одно свойство жидкостей, а именно то, что они давят не только вниз, но и вбок, и даже вверх!
      Понять это свойство жидкости нам поможет простой опыт с использованием кастрюли и стекла от керосиновой лампы, которое еще можно найти в хозяйственном магазине, подойдет и любая стеклянная трубка хотя бы с одним ровным краем. Вырежьте из плотного гладкого картона кружок такого диаметра, чтобы он с запасом закрывал отверстие лампового стекла. Приложите его к торцу стекла и погрузите в воду, как показано на рис. 165. Чтобы кружок не отпадал при погружении, его можно придерживать ниткой или просто прижать пальцем. Погрузив стекло до некоторой глубины, вы заметите, что кружок хорошо держится и сам, не прижимаемый ни пальцем, ни нитью: его подпирает вода, давящая снизу вверх.
      Вы можете даже измерить величину этого давления. Налейте осторожно в стекло воду; как только уровень ее внутри стекла приблизится к уровню снаружи, кружок отпадет. Это происходит тогда, когда давление воды на кружок снизу уравновешивается давлением на него сверху столба воды, высота которого равна глубине погружения кружка под воду. Таков закон давления жидкости на всякое погруженное в нее тело. Отсюда происходит и та потеря веса тел, погруженных в жидкость, о которой говорит известный закон Архимеда.
 

Рис. 165. Опыт, доказывающий, что вода давит и вверх

      Имея несколько ламповых стекол различной формы, но с отверстиями одинакового диаметра, вы сможете проверить и другой важный закон, относящийся к жидкостям, а именно: давление жидкости на дно сосуда зависит только от площади и высоты уровня жидкости, от формы же сосуда оно совершенно не зависит. Проверка будет заключаться в том, что вы проделаете описанный опыт со стеклами разной формы, погружая их на одну и ту же глубину (для чего надо предварительно отметить маркером на стеклах равные высоты). Вы заметите, что картонный кружок всякий раз будет отпадать при одном и том же уровне воды, наливаемой в стекла. Значит, давление водяных столбов различной формы, но одинаковой высоты, одинаково (рис. 166). Обратите внимание на то, что здесь говорится именно о высоте, а не длине, потому что длинный наклонный столб давит на дно также, как и короткий, но отвесный столб той же высоты.
 

Рис. 166. Давление на дно сосуда зависит от высоты уровня жидкости при любой форме сосуда

      Почему же знание этого свойства жидкости не позволило римлянам строить водопровод с большими перепадами высот?
      Ответ на этот вопрос автор получил в поселке Новый Афон на Кавказе, где часто отдыхал. Там есть старинный водопровод, в котором имеются участки, как и в Риме, находящиеся на возвышенности с равномерным уклоном, и современные участки с большими перепадами высот. Так вот, на тех участках, где вода текла с равномерным уклоном, все было нормально. А там, где были большие перепады, вода давила не только вниз, но и вбок и вверх, и свистала из всех дырок в разные стороны. Если и 100 лет назад не смогли построить достаточно герметичных труб, то в Древнем Риме этого нельзя было сделать в принципе.
      Металлических труб большого диаметра и на высокие давления тогда производить не могли – сварки не было, да и металла столько не нашлось бы. Даже литые из бронзы трубы (роскошь неслыханная!) надо было чем-то соединять. Свинцовых труб, столь любимых в Древнем Риме, такого диаметра и в таких количествах произвести было нельзя. Оставались трубы керамические или из кирпича с известкой, но такие трубы практически невозможно выполнить герметичными. Римляне хорошо это знали и использовали свои водопроводные трубы как лотки, где вода их полностью даже не заполняла. А сделай они водопровод современной конструкции, свистал бы он водой во все стороны уже сразу же после постройки, а не служил бы тысячи лет!

Какой формы свинцовые капли?

      А вообще, какой формы капля жидкости, хотя бы дождевая капля? Как какой? Каплеобразной – такой, какую мы видим у капли, свисающей с крана или пипетки!
 

Рис. 167. Форма падающей дождевой капли

      А вот и нет. Дождевые капли сфотографировали в полете, и они оказались почти круглыми, чуть притупленными у переднего края (рис. 167). Почему же капля воды приняла такую форму? Да потому, что она естественна для жидкости, а падающая капля – свободное тело. Если устранить давление жидкости на сосуд, например, введя ее в другую жидкость, то она и в неподвижном виде примет сферическую форму. Почему это происходит?
      Если вы подумали, что гравитация собирает жидкость в шар, то вы и правы, и нет. Если мы находимся невероятно далеко от каких-нибудь небесных тел, то действительно, частички жидкости или любые другие «скользкие» шарики рано или поздно соберутся в сферу. Но не на Земле – слишком ничтожны силы собственного притяжения в капле и слишком много причин помешать этому. Собирает жидкость в сферу сила ее поверхностного натяжения.
      Вы видели ртуть, разлившуюся из разбитого градусника? Она ведь тоже скатывается в мелкие шарики, у ртути большое поверхностное натяжение, ему даже сила тяжести не мешает. (После того как полюбовались на шарики ртути, немедленно удалите их из комнаты, иначе вам не сдобровать!) Вода на столе, например, не удержится в виде сферы (если только капельки не очень маленькие, а поверхность несмачиваемая, например, жирная). Но можно устроить так, что даже большие объемы жидкости примут свою естественную, шарообразную форму. Находясь внутри другой жидкости такой же плотности, жидкость по закону Архимеда как бы теряет свой вес и принимает свою естественную, шарообразную форму.
      Растительное масло плавает в воде, но тонет в спирте – такова его плотность. Можно поэтому приготовить такую смесь из воды и спирта, в которой масло не тонет и не всплывает. Введя шприцем или резиновой грушей в эту смесь немного масла, мы увидим, как оно собирается в сферу – большую круглую каплю, которая не всплывает и не тонет, а висит, как в невесомости (рис. 168, а).
 

Рис. 168. Неподвижный (а) и вращающийся (б) масляный шар в водно-спиртовой смеси

      Это еще не все. Пропустите через центр жидкой масляной сферы длинную ось (палочку или проволоку) и вращайте ее, а вместе с ней и масляный шар. Опыт удастся лучше, если насадить на ось смоченный маслом небольшой картонный кружочек, который весь находился бы внутри шара. Под влиянием вращения шар, совсем как небесные тела, начнет сначала сплющиваться, а затем отделит от себя кольцо. Разрываясь на части, кольцо это образует новые шарообразные капли, которые будут крутиться возле основного шара – масляной сферы (рис. 168, б). За смесь воды со спиртом не переживайте – ничего с ней не сделается от растительного масла. Ее можно будет в дальнейшем употребить по назначению так же, как и любую смесь этилового спирта с водой (например, в медицинских целях).
      Итак, всякая жидкость, освобожденная от действия тяжести, принимает свою естественную форму – шарообразную. Из сказанного ранее о дождевой капле (включая и то, что в самом начале падения при небольшой скорости капли можно пренебречь ничтожным сопротивлением воздуха) следует, что падающие порции любой жидкости должны принимать форму шаров так же, как падающие капли дождя. Дробинки же представляют собой не что иное, как застывшие капли расплавленного свинца, который при заводском способе изготовления заставляют падать каплями с большой высоты в воду.
      Дробь, отлитая таким методом, называется башенной, потому что при отливке ее заставляют падать с вершины высокой дроболитейной башни. Башни дроболитейного завода достигают в высоту до 45 м. В верхней части башни располагается литейное помещение, а внизу – бак с водой (рис. 169). Капли расплавленного свинца застывают в дробинки еще во время падения; бак с водой нужен лишь для того, чтобы смягчить удар дробинки при падении и предотвратить ее деформацию. Отлитую дробь сортируют и правят. Дробь диаметром более 6 мм, называемую картечью, изготавливают иначе. Ее вырубают из свинцового прутка в виде кусочков, которые потом обкатываются.
 

Рис. 169. Башня дроболитейного завода

      Дробь получается более шарообразной формы, чем дождевая капля, у которой передняя часть притуплена, потому, что расплавленный свинец, как и жидкая ртуть, имеет высокое поверхностное натяжение, гораздо большее, чем у воды.

Какой толщины пена?

      Что же такое поверхностное натяжение в жидкостях? Многие говорят о нем, но, как автор убедился, представляют себе его очень смутно.
      Жидкости состоят из весьма подвижных молекул, совершающих колебательные движения около положения равновесия. Расположены эти молекулы очень близко друг к другу, поэтому жидкости так трудно сжать. Понятно, почему жидкости легко меняют форму – раз их молекулы постоянно «скачут», то «перескоки» происходят легче в направлении действия сил.