Александр Нечаев
Занимательные опыты, или Чудеса без чудес. Увлекательная физика для маленьких учёных
Предисловие автора
Книжечка моя предназначается для детей, впервые приступающих к изучению явлений природы. Но она не пытается исчерпать захваченный ею предмет и дать из физики всё, что может быть и должно быть усвоено в этом возрасте.
Эта книжка – не школьное пособие, она старается возбудить самодеятельность и привить интерес к эксперименту. Поэтому из огромного материала, который мог бы быть в нашем распоряжении, мы выбрали только то, что при изложении может быть облечено в особенно завлекательную форму, или то, что может иметь применение в играх и развлечениях.
Мы пользовались при составлении этой книжечки многими источниками, но главным образом книгами Я.И. Ковальского, Германа Вагнера, Тома Тита, Доната, Тиссандье, Федо и другими.
Все опыты, вошедшие в эту книжечку, нами непосредственно проделаны и являются безусловно исполнимыми в той обстановке, которую мы им даём. Порядок распределения материала зависит главным образом от степени трудности предлагаемых опытов, но тем не менее мы старались сделать изложение связным в пределах каждого отдела и так поставить опыты, чтобы последующее, по возможности, вытекало из предшествующего.
Пользуюсь случаем, чтобы почтить память почившего Я.И. Ковальского, оказавшего мне в своё время помощь при составлении этой книги и вообще много поработавшего в своей жизни для проведения в школу и жизнь основ точной науки.
Предисловие редактора
Этот сборник, составленный Александром Петровичем Нечаевым – известным автором ряда учебных руководств и образцовых популярно-научных книг по землеведению, – вышел в свет первым изданием в 1896 г. в виде приложения к детскому журналу. Второе издание, значительно переработанное и дополненное автором, появилось в 1911 г. В конце 1921 г. А.П. Нечаев скончался (в Кисловодске, на 55-м году жизни). Поэтому настоящее 3-е издание книги подготовлено к печати уже без участия автора, успевшего лишь пересмотреть предисловие и вставить статейку о радуге.
При пересмотре, по поручению Государственного издательства, этой книги для настоящего издания я не встретил необходимости вносить в неё значительные изменения: мной сохранены почти все параграфы предшествовавшего издания и не прибавлено ни одного нового. Правда, некоторые из описанных в книге опытов и приборов, требующие труднодоступных сейчас или чересчур дорогих материалов, едва ли смогут быть теперь выполнены юными экспериментаторами. Однако я удержал и эти параграфы в надежде, что условия нашего товарного рынка изменятся к лучшему ранее, чем книга выйдет из употребления. Работа моя состояла лишь в исправлении мелких недочётов прежнего издания, устранении неточностей, вставке пояснительных слов и замечаний, необходимом освежении сведений и приведении текста в соответствие с новыми бытовыми условиями. Полагаю, что внесённые изменения, необходимые по существу, не нарушили общего стиля этой умело и любовно составленной книжечки.
Я. Перельман
Предисловие научного редактора
То, что было верно в 1923 г. при редактировании книги Яковом Исидоровичем Перельманом, во многом остаётся верным и в XXI в. Проведение многих из представленных в книге опытов и создание некоторых приборов в современном мире несколько затруднено, хотя и вполне возможно. Ниже представлены основные изменения окружающего нас мира, которые могут сказаться на подготовке к опытам, описываемым в книге.
Основными изменениями, произошедшими с миром, являются глобальная урбанизация и сопутствующий ей технический прогресс. Так, в отличие от конца XIX и начала XX в., большинство людей живут в многоквартирных домах. Отапливаются зимой такие дома батареями и центральным отоплением, у многих в окнах стоят двойные стеклопакеты. Чтобы в комнатах было светло, люди зажигают электрические лампы, а еду готовят на электрических же плитах. Раньше с большей частью этих проблем – теплом, светом, готовкой – люди справлялись с помощью огня: в доме стояла одна большая печь, свет давала свечная или, в богатых домах, газовая лампа, еду готовили или на газовой горелке, или в печи. Такое изменение быта естественно сказывается на том, какие физические эксперименты мы можем поставить без специального оборудования. В этом издании книги была предпринята попытка адаптировать некоторые эксперименты к современным реалиям, однако все изложенные в ней эксперименты были предложены самим А.П. Нечаевым.
В связи с техническим прогрессом поменялись и товары, которые мы можем приобрести в ближайшем магазине. На смену многим вещам из стекла, дерева и металлов пришёл пластик. Как следствие, у вас дома может просто не оказаться подходящей деревяшки или кусочка стекла, которые вы могли бы применить в описываемых в книге опытах. Также из городов практически исчезли стекольщики, а ведь раньше стекольную мастерскую можно было найти практически в каждом квартале. Обычные мастерские, где работают с железом и деревом, тоже сильно поредели в городах. Однако, хоть мы и потеряли в распространённости многих материалов, найти большую часть товаров через Интернет совершенно не составит труда. По простому запросу вам привезут нужный товар хоть из другой страны, разве что придётся немного подождать. Так что, если вам понравится какой-то эксперимент, смело заказывайте нужные материалы, и скоро вы сможете его осуществить.
Отдельно хочется обратить внимание на две вещи: печи в домах и свечи как источник света. В старых деревянных домах основным и зачастую единственным источником тепла зимой являлась каменная печь. Она находилась в центре дома, и от неё во все стороны расходилось тепло. Внешняя часть дома, окна или неотапливаемые комнаты, наоборот, были источником холода. В результате в одном доме можно было найти большой перепад или, выражаясь научным языком, большой градиент температур. Благодаря этому можно было легко поставить эксперименты, показывающие движение воздуха в таких домах (как и почему оно происходит, будет пояснено в книге). В современных квартирах за счёт распределения батарей температура везде практически одинакова. Чтобы всё же провести описываемые в книге опыты, нужно использовать портативные мощные обогреватели внутри комнаты, а с другой стороны открывать окна и выключать батареи.
Книга писалась во времена, когда все люди пользовались свечными лампами. Такие лампы давали не слишком яркий свет, который светил при этом во все стороны. В экспериментах, описанных в книге, можно использовать как свечи, которые наверняка всё ещё найдутся в каждом доме, так и электрические лампы и фонарики. Разница в свете между ними имеется, и в некоторых случаях придётся подумать, как сделать так, чтобы всё работало, как задумано, но вы с этим точно справитесь.
А.М. Вервальд
Глава I
Простейшие свойства тел
Под волнами морскими
Многим из вас, вероятно, приходилось слышать о водолазах – людях, спускающихся под воду. Водолазы спускаются в воду очень часто. Иногда приходится спасать затонувшее судно; иногда бывает нужно устроить какоенибудь подводное сооружение. Спускаются водолазы в особом костюме. Этот костюм защищает их от воды; он закрывает всё тело и голову. Чтобы водолазы не задохнулись, к их костюму приделана трубка. Через неё идёт сверху свежий воздух1*.
Сколько опасностей грозит в воде этим бесстрашным людям!
Некогда англичане задумали очистить от камней дно реки Мойн. Они решили взорвать камни. С большим запасом динамита спустился на дно знаменитый в то время водолаз Смэль. Подошёл он к большому камню, пробует, есть ли место, куда положить заряд. Только он засунул под камень руку, как вдруг почувствовал, что её кто-то держит. Водолаз взглянул под камень, да так и обмер от страха: громадный спрут2 крепко захватил его руку своим щупальцем. Что делать? Смэль не растерялся. Он схватил левой рукой железный лом и стал наносить удары чудовищу. Началась борьба. Удары градом сыпались на спрута, но чудовище не выпускало своей жертвы и всё крепче сжимало онемевшую руку несчастного. Наконец спрут, изорванный в куски, отцепился от скалы… Смэль тотчас дал наверх сигнал. Немедленно его подняли, а вместе с ним и его противника.
Много и других опасностей грозит водолазу. А сколько страхов видит он под водой! Однажды большой корабль затонул у самого Нью-Йорка. Все пассажиры погибли. Людям захотелось спасти груз, и они послали водолазов разыскивать его. Спустились на дно два старых и опытных водолаза. Добрались они до корабля, взошли на него и оцепенели от страха. У каюты теснились трупы погибших. Ужас застыл на их лицах. Не помня себя, водолазы дали сигнал. Их потянули наверх. После этого один водолаз бросил совсем своё ремесло, а другой дал зарок – никогда не спускаться на погибшие суда, где есть утопленники…
В старину обязанности водолаза исполняли ловкие пловцы. Они прямо ныряли в воду и доставали оттуда, что нужно. Некогда в Италии жил один из славнейших пловцов. Звали его Николаем. В раннем детстве научился этот человек плавать. Товарищи прозвали его Николаем-рыбой. Нужда заставила пловца заняться ловлей кораллов. Отдавшись этому промыслу, он привык к воде и тяготился долгим пребыванием на суше. Он плавал от одной гавани до другой, от острова до острова и бесстрашно пускался в своё путешествие, когда отважнейшие моряки не решались покидать гавани. Целые дни проводил Николай в открытом море. В море он и закончил жизнь. Вот как это было.
Неаполитанский король Фридрих захотел узнать о тайнах морского дна. Никто из водолазов не решался нырнуть в пучину: место было страшное, вода пенилась и шипела, корабли гибли в этом водовороте. Отказался и Николай. Тогда царь бросил в морскую бездну золотой кубок. Достанется он тому, кто за ним нырнёт! Страшно захотелось Николаю завладеть царским сокровищем. Он нырнул, достал кубок и рассказал королю много интересного о морской пучине. Король приказал Николаю спуститься в море ещё раз и обещал много золота. Снова отважился Николай на страшное путешествие, но более не возвращался… Знаменитый немецкий поэт Шиллер написал прекрасное и трогательное стихотворение «Кубок», темой для него послужила смерть знаменитого пловца Николая.
Теперь водолазу вовсе не надо быть ловким пловцом. Секрет водолазного искусства не в ловкости, а в одежде. Как же эта одежда устроена? Каким образом водолаз остаётся под водой многие часы? Отчего он не захлебнётся? Ответим на все эти вопросы опытом. Устроим игрушечного водолаза.
Ловкий водолаз
Купите в магазине игрушек маленькую фигуру человечка, величиной с полвершка3 (ок. 2 см)4, или, ещё лучше, сами сделайте её хоть из бумаги и раскрасьте. Покажите фигурку товарищам и объявите, что это – ловкий водолаз, он умеет нырять на дно самых глубоких сосудов: спускается в вёдра, в бочки, наполненные водой, и всегда выходит оттуда сухим. Вам никто не поверит. Тогда вы, к общему удивлению, заставите вашу фигурку и на самом деле проделывать все эти штуки.
Рис. 1
Добудьте низкую, неширокую пробку и булавкой укрепите на ней водолаза. Наполните глубокую банку водой и опустите туда пробку. Водолаз, стоя на ней, будет плавать. Пригласите товарищей быть внимательными: водолаз сейчас нырнёт. Накройте его стаканом и спокойно опустите стакан хоть до самого дна (рис. 1). Водолаз, стоящий под стаканом, тоже опустится под воду. Когда вы вытащите стакан, водолаз вынырнет. Посмотрите его, ощупайте, и вы увидите, что он совершенно сух.
Зрители будут удивлены. «Да уж нет ли тут какого-нибудь обмана?» – подумает каждый. Но вы предложите желающим повторить опыт. И сколько бы раз вы его ни проделывали, он всегда блистательно удастся. Конечно, – с кем не бывает несчастий, – ваш водолаз может свалиться с пробки, но это – простая случайность. Его надо хорошенько высушить, посадить покрепче на пробку, и он снова может с успехом нырять. Все будут думать, что водолаз ваш и в самом деле волшебный. Позабавившись недоумением зрителей, вы наконец объясните, в чём секрет.
Рис. 2. Водолазный колокол
Вокруг нас находится воздух. Он наполняет комнаты и дома. Он лежит толстым слоем над землёй. Но он, как и все бесцветные газы, невидим. Слыхали ли вы, как в бурные дни вьюга носится над землёй? Она плачет в трубах, воет, стонет. Суеверные люди говорили, что это леший пугает их рёвом, а в сказках рассказывается, будто в ненастную погоду Баба-яга с шумом ездит по земле. Задумывались ли вы, отчего это на самом деле происходит? Это шумит воздух. Воздух находится везде. Он наполняет и стаканы, и банки, которые мы считаем пустыми. В этом и секрет опыта. Когда вы опускаете стакан в воду вверх дном, вода не может войти в него: её не пускает воздух. Бумажная фигурка остаётся сухой. Как и все тела, воздух занимает место, и в сосуд, наполненный им, нельзя поместить другое тело. Такое свойство всех тел называется непроницаемостью.
Отчего же в стакан наливается вода, если его опускать в воду, повернув боком? Воздух лёгок. Вода его вытесняет, он поднимается и пузырями выходит из стакана. Опустите в воду бутылку горлышком вверх. Вы услышите бульканье и увидите, как из воды поднимаются пузыри. Опускайте бутылку иначе, горлышком вниз. Не будет ни пузырей, ни бульканья. Вода не войдёт в бутылку. Воздух никуда не выйдет.
Рис. 3. Водолаз в костюме
Если сделать очень большой стакан – конечно, не из стекла, а из железа, – то в него можно посадить настоящего человека и опустить в воду. В таком стакане человек будет сидеть, как у себя в комнате. Люди уже давно научились делать такие стаканы. Они называются водолазными колоколами (рис. 2). Находясь в таком колоколе, водолаз может работать на морском или речном дне, например, строить что-нибудь.
Водолазный колокол не всегда удобен для подводных работ. Иногда водолазу нужно ходить на большие расстояния. Потому-то люди придумали водолазный костюм (рис. 3). Главная часть его – шлем. Это – тот же водолазный колокол, но только маленький. Шлем делается из тонкой меди и покрывает всю голову с плечами. Спереди, напротив глаз, в ней делаются окошки с толстыми стёклами. Кроме того, от шлема идёт трубочка наверх, а иногда их делается и две. Через эту-то трубочку и доставляется водолазу воздух. На тело надевается особая прорезиненная одежда, сделанная из цельного куска, сапоги делаются со свинцовыми подошвами. В таком виде водолаз смело идёт в воду. Сверху по трубке пригоняют свежий воздух в шлем, в котором находится его голова. К поясу привязана верёвка, при помощи которой водолаз подаёт наверх сигналы.
Под водой темно. Огонь там не горит, но электричество работает так же хорошо, как и на земле. С электрическими фонарями в руках водолазы видят всё… Теперь люди под водой делают фотографии и снимают видео.
Несгораемая нитка
Приготовьте крепкий соляной рассол. Для этого сыпьте в воду соль, пока она не перестанет растворяться. Опустите в этот раствор нитку, а потом выньте её и высушите. Привяжите к нитке какой-нибудь лёгкий предмет, например кусочек скрепки, свёрнутый в виде кольца. Повесьте его, как показано на левой стороне рис. 4, и зажгите нитку. Нитка вспыхнет, но вам покажется, что она не сгорела: по крайней мере, кольцо не упадёт, а останется на своём месте… Опыт удастся, если предмет будет достаточно лёгким и если воздух в комнате будет находиться в полном покое. Поэтому во время опыта не следует отпирать двери, окна, ходить и т. п.
Почему же кольцо не падает? Нитка, конечно, сгорела: вы видели пламя и дым, вы чувствовали запах гари. Осталась зола и соль, которой была пропитана нитка. Но почему же зола не рассыпалась в порошок?.. Мельчайшие частички тел притягиваются друг к другу; сила, которая сдерживает их, называется сцеплением. Между частичками золы сцепление очень слабое, и потому она рассыпается обыкновенно в порошок. Но вы пропитали нитку солью. Нитка сгорела, соль же сначала расплавилась, а потом застыла. Застывая, она склеила отдельные частички золы. Сцепление между ними увеличилось настолько, что на сгоревшей нитке может держаться лёгкий предмет. Наша нитка не крепка: достаточно лёгкого толчка, чтобы она разорвалась, потому-то опыт и удаётся только при полном спокойствии; другими словами, сцепление между частицами золы невелико: достаточно ничтожного усилия, чтобы его преодолеть.
Рис. 4. Несгораемая нитка
Можно сделать опыт ещё более красивым. Пропитайте солью кусок коленкора и, когда он высохнет, повесьте его на четырёх нитках, тоже пропитанных солью. Возьмите свежее яйцо, сделайте в противоположных концах его небольшие дырки и выдуйте белок и желток. Положите затем яичную скорлупу на вашу коленкоровую подвеску и зажгите её. Коленкор и нитки сгорят, но яйцо не упадёт. Присутствующие сочтут вас настоящим волшебником, особенно если не будут знать, что на подвеске лежит пустое яйцо.
Сцепление действует между частицами всех тел, только в одних случаях оно сильнее, в других – слабее… Сделайте подвеску из бумаги и положите на неё какую-нибудь очень лёгонькую картонную или деревянную вещь. Эта вещь будет превосходно держаться; но положите вместо неё камень – и бумага разорвётся. Стало быть, в бумаге сцепление невелико; действительно, вы можете её легко разорвать или разрезать ножницами. Но возьмите вместо бумаги кусок жести, например крышку от конфетной коробки, и привесьте её на проволоках. На такой подвеске будет держаться довольно тяжёлый предмет: например, вы можете положить на неё утюг… Стало быть, в жести сцепление сильнее, чем в бумаге.
Между частицами твёрдых тел, жидких и газов сцепление действует неодинаково. В твёрдом теле частицы соединены друг с другом настолько крепко, что вы должны с силой оторвать их друг от друга, если захотите изменить форму твёрдого тела. Когда я гну или ломаю кусок дерева, то заставляю частицы двигаться или поворачиваться одна около другой и могу сделать это только с большим трудом. И в жидкостях частицы соединены между собой, но не так крепко: они легко могут скользить одна около другой; поэтому если вы выльете воду из чашки на стол, то она теряет полукруглую форму, какую имела в чашке, и разливается по столу плоским слоем. Наконец, в газе частицы вовсе не связаны между собой, наоборот, они стремятся разлететься. Если газ не находится в плотно закупоренном сосуде, то он скоро распространится по всей комнате.
Как делают стекло
Однажды, рассказывает предание, остановились на песчаном берегу древние финикийские моряки. В дальних странах купили они селитру и везли её к себе на родину в больших кусках. Там продадут они с выгодой свой товар. Утомились путники в дороге и задумали сварить себе обед. Притащили с корабля котёл, развели огонь и стали искать камней, чтобы сложить очаг. Но кругом не было никаких камней: далеко тянулась голая песчаная пустыня. Тогда путешественники принесли с корабля два куска селитры, положили их вместо очага и поставили на них котёл. Скоро поспела вкусная похлёбка. Утолив голод, моряки мирно отдыхали и вели длинную беседу. Говорили они и о пустынном береге, на котором лежали миллионы песчинок.
«Зачем на земле этот песок? – спросил один путешественник. – В море сложены из него мели, корабли наезжают на них и разбиваются. Каравану песок несёт смерть. Целой тучей налетает он на людей и заживо засыпает их. Грозит он нередко голодом и пахарю. Разве родится на песке хлеб? Страшен вид пустыни, расстилающейся кругом нас. Жаром пышет от каждой песчинки, нигде не видно свежего ключа, нечем утолить жгучую жажду. Да, ничего, кроме зла, не даёт человеку песок…»
Моряк кончил свою речь, а товарищи его всё время слушали и соглашались. Все бранили песок, как врага людей.
Огонь погас. Пора было вернуться на корабль. Снимая котёл, моряки заметили с удивлением на земле какое-то крепкое вещество. Оно блестело, как серебро, и было прозрачно, как драгоценный камень.
«Что это такое?! – воскликнули путники. – Откуда взялась эта прекрасная находка?!» Они стали думать и сообразили, что от жара селитра и песок расплавились, смешались и образовали прозрачный камень. Поняли тогда моряки, что и от песка может быть людям польза, что из него можно делать стекло.
Так рассказывает старое предание об изобретении стекла. Вряд ли оно справедливо: песок, смешанный с селитрой, плавится трудно. Но, как бы то ни было, стекло изобретено людьми очень давно. Уже за 3000 лет до нашего времени люди знали его. Но сперва они не умели хорошо плавить песок; стекло было делать трудно, и ценилось оно страшно дорого. В XIX в. в Англии только в главных покоях королевского дворца были вставлены в окна стёкла, а один английский богач, уезжая надолго из своего замка, приказал для сбережения стёкол вынуть их из рам. Путешественники XV столетия с удивлением рассказывают о богатстве немецкой земли: «Там, – говорят они, – почти во всяком доме стёкла».
Много прошло лет, пока люди научились плавить песок. Теперь стекло делается очень просто, и стоит оно совсем дёшево. Песок толкут в мелкий порошок, смешивают его с содой и известью и всё бросают в жаркую печь. Песок плавится и, смешиваясь с содой, превращается в тягучее прозрачное тесто. Это и есть стекло. Из этого теста выдувают бутылки, вытягивают трубки и делают оконные стёкла.