Читать онлайн Физика бесплатно

Чем занимается физика

Пожалуй, многим из вас уже известно это загадочное слово – «физика». Но знаете ли вы, что оно означает?

С древних времен люди начали интересоваться тем, из чего же состоят тела, почему они движутся так или иначе, да и вообще тем, как устроен мир. Из этих и многих подобных вопросов возникал интерес человека к окружающему миру, к определенному применению приобретенных знаний о мире для улучшения условий собственной жизни.

Именно тогда, когда возникло стремление человека к познанию мира, появились первые ростки научного подхода к наблюдениям и анализу действительности.

Древние греки хотели найти первооснову всего того, из чего состоит мир.

Великие древние мыслители Демокрит, Платон, Аристотель стояли у истоков того, что мы сейчас называем физической наукой. Кстати, именно Аристотель впервые применил это слово – физика (греч. – τά φυσικά) для определения науки о природе.

Успехи науки – дело времени и смелости ума.

Вольтер

Однако если мы говорим, что физика изучает природу, то сразу же возникает вопрос: а что же изучают биология, геология, химия и другие естественные науки? Дело в том, что физическая наука открывает наиболее общие законы природы, объясняя определенные конкретные явления действием этих общих законов.

Что это означает? Например, когда физик исследует различные свойства жидкости, он не интересуется, является ли эта жидкость водой в реке, питательным соком растения или кровью в сосуде. Уже потом обнаруженные физиком закономерности биолог или врач смогут применить для объяснения тех или иных явлений, связанных с конкретными направлениями их работы.

Исследование строения вещества – тоже прежде всего задача физики. Затем, когда физические свойства обнаружены, можно перенести их на исследование и объяснение явлений, которые изучают другие области естествознания – биология, геология и т. д.

Немного истории

Зарождение физики

Приобретать знания об окружающем мире человека побудила борьба за существование. Сначала это было лишь случайное и неосознанное применение каких-то орудий природного происхождения для защиты и охоты. Со временем человек начал обрабатывать такие орудия и изготавливать более усовершенствованные. Получение и применение огня было настоящим прорывом в новое существование человека на Земле.

Найти одно научное доказательство для меня более важно, чем завоевать все персидское царство.

Демокрит

Именно в те давние времена у человека начали накапливаться первые представления и знания о мире. Хотя те знания с точки зрения сегодняшнего дня нельзя назвать подлинно научными, однако они были первой попыткой понять и описать окружающую среду.

Наверное, одной из важнейших задач, которые пытались решать первые человеческие цивилизации, было определение времени, потому что это имело большое значение прежде всего для земледелия. Исторические свидетельства о календаре и астрономических наблюдениях можно найти в Древнем Египте и Вавилоне, а также в наследии великих цивилизаций Южной Америки.

Безусловно, грандиозные сооружения древних государств (храмы, пирамиды, крепости) требовали определенных навыков и представлений о строительной механике. Мы и сейчас восхищаемся гигантскими сооружениями тех времен и задаемся вопросом, как их могли построить. А египетская и вавилонская математика тоже поражают своими изобретениями числа, геометрией, измерением времени!

Однако прародиной естественных наук следует считать Древнюю Грецию, ученые которой (в отличие от многих древних мудрецов Востока!) пытались найти логические доказательства высказываемым ими идеям.

Начало развития греческой науки обычно относят к VII–VI вв. до н. э., считая ее основоположником Фалеса Милетского. Именно ему принадлежат слова о материальной первооснове всех вещей, о развитии вещей из этой первоосновы. И представьте себе, что родственник и ученик Фалеса Анаксимандр высказывал мысли даже о развитии всей Вселенной, что и сейчас вызывает удивление и восхищение!

До наших времен не дошли работы великого Демокрита (460–370 гг. до н. э.), но благодаря более поздним описаниям и преданиям, в частности поэтическим (например, поэма римского поэта Лукреция «О природе вещей»), нам стали известны его революционные по тем временам идеи.

Демокрит

Аристотель

Известно также, что Демокрит родился во фракийском городе Абдера, на берегу Эгейского моря. Он много путешествовал: бывал в Египте, Вавилоне, Персии, Индии, Эфиопии.

Из пересказов его работ следует, что в основных положениях о строении вещей он отстаивал идею о существовании огромного количества различных атомов, из которых состоят все тела.

Однако, пожалуй, одной из самых выдающихся личностей греческой науки был Аристотель (384–322 гг. до н. э.). Он родился в греческом городе Стагир, неподалеку от Македонии. Поскольку отец Аристотеля был врачом македонского царя Аминты, то и вся царская семья была знакома с семьей Аристотеля. Сын Аминты, Филипп, став царем, пригласил Аристотеля к своему сыну Александру в качестве учителя. Уже позже Александр, известный полководец и царь Александр Македонский, говорил: «Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, так как если отцу я обязан жизнью, то Аристотелю тем, что дает ей цену».

Работал Аристотель и в Афинах – вместе с выдающимся философом Платоном, которого считал своим учителем. В Афинах Аристотель основал собственную школу – Ликей. (Последователей Аристотеля называли перипатетиками. А слово «перипатос» означает место для прогулок и дискусий, т. к. Ликей был размещен в парке, и, по преданию, Аристотель преподавал философию во время прогулок.)

Аристотель написал много научных трудов и среди них – «Физику». Именно потому, что от названия его книги произошло название науки, великого грека называют крестным отцом физики!

Аристотелю принадлежат первые описания движений (он считал, что существуют круговые, естественные и неестественные движения), а также высказывания о причинах движений и изменения скорости. Несмотря на то, что выдающийся мыслитель признавал рассуждения, выявления логических противоречий и дискуссии главными научными методами (с позиций сегодняшнего дня этого слишком мало для науки!), он все же разошелся во взглядах на науку со своим учителем Платоном. Вы, вероятно, слышали крылатое выражение, которое приписывают Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Многое из того, что написал когда-то Аристотель, кем-то воспринимается со снисходительной улыбкой. Но не будем высокомерными и отдадим должное этому выдающемуся ученому и философу, который почти две с половиной тысячи лет назад выстроил первую научную картину мира!

Говоря о науке древнего мира, нельзя не упомянуть Архимеда (287–212 гг. до н. э.) – одну из вершин научной мысли того времени.

Архимед

Отец Архимеда, астроном и математик Фидий, был приближенным царя Сиракуз Гиерона, и это позволило ему дать сыну лучшее по тому времени образование. Архимед довольно долго пробыл в Александрии Египетской – большом научном и культурном центре тех лет. Вернулся он на родину уже достаточно зрелым математиком и механиком. Архимед разработал водоподъемный винт, всевозможную военную технику, машину для полива полей и т. п. Общеизвестным (и мы еще об этом поговорим!) является закон Архимеда гласивший, что на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости. С этого закона начинается гидростатика, которая продолжила свое развитие лишь в XVI–XVII вв.

Кроме математики и механики, Архимеда интересовали оптика и астрономия. Из рассказов других авторов следует, что Архимеду были известны действия плоских и вогнутых зеркал, он проводил опыты по преломлению света. Ему принадлежат исследования равновесия тел, в частности рычага.

Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!

Архимед

Об Архимеде существует много легенд, одна из которых повествует о том, как с помощью системы блоков был спущен на воду большой корабль, предназначенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею. Возможно, именно тогда родилось крылатое выражение о точке опоры?..

Распад Римской империи и многочисленные перестройки государств, возникших на ее основе, на долгое время затормозили развитие науки. Лишь в средневековой Европе вновь началось постепенное развитие и углубление научной мысли, и прежде всего лидера естественных наук – физики.

Начало классической физики

Леонардо да Винчи

Когда говорят о физике как о науке уже в современном понимании, имеют в виду именно ту науку, которая вышла из исследовательских работ Галилео Галилея, Роберта Гука, Христиана Гюйгенса и, конечно, Исаака Ньютона. Однако невозможно тут не вспомнить еще об одной великой личности – Леонардо да Винчи (1452–1519) – выдающемся художнике, мыслителе, математике, конструкторе, астрономе и механике.

Этот флорентийский гигант эпохи Возрождения, кроме того, что рисовал картины, занимался еще вопросами механики, геологии, палеонтологии, физиологии растений и человеческого организма. Много времени и энергии он отдал исследованию движений и работе различных механизмов. Ценя математику более всего, Леонардо да Винчи говорил: «Механика – рай для математических наук». Сейчас известны его работы по изучению падения тел, движения по наклонной плоскости, воздействия трения на движение тел, колебательного движения, определению центра тяжести тел и многие другие. Интересно то, что он уже в те времена критиковал тех, кто пытался создать вечный двигатель: «О, искатели вечного движения, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках! Идите прочь вместе с алхимиками – искателями золота!»

Проекты вертолета и парашюта Леонардо да Винчи

Леонардо много занимался вопросами полета. Его первые исследования, рисунки и чертежи летательных аппаратов относятся примерно к 1487 г.

Схема крыла летательного аппарата по проекту Леонардо да Винчи

Очень интересны его проекты парашюта и вертолета (заметим, что эти современные названия он не использовал).

Фрэнсис Бэкон

Великий Леонардо как ученый был открыт только в конце XVII в., поэтому очень трудно определить, повлияли ли его исследования на современников и на ученых последующего периода. Слава Леонардо да Винчи как художника оттеснила на задний план его заслуги перед человечеством как ученого. Его рукописи часто были написаны зеркальным письмом, в зашифрованном виде, и поэтому достаточно трудно было их расшифровать. Такую расшифровку начали проводить лишь в конце XVII – начале XIX в.

Интересно, что в этих рукописях нашли высказывания о том, как именно нужно заниматься наукой: «Мне кажется, что пусты и обманчивы те науки, которые не порождаются опытом – отцом всякой достоверности… Следует проводить опыты, изменяя обстоятельства, пока не получим из них общие правила». При этом он осознавал и роль научной теории: «Тот, кто увлекается практикой без науки, подобен капитану, поднимающемуся на корабль без штурвала и компаса: он никогда не уверен, куда плывет. Всегда практика должна основываться на хорошей теории. Наука – капитан, практика – солдаты».

В Европе XVI–XVII вв. активно начал развиваться новый подход к познанию окружающего мира, а именно: не просто наблюдать и осмысливать увиденное, а сначала экспериментировать, делать первые выводы, выстраивать теорию и проверять ее на практике. В этом контексте следует упомянуть выдающегося английского философа Френсиса Бэкона (1561–1626). Он не был физиком, но его философские работы о том, как можно получить знания об окружающем мире, стали фундаментом новой науки.

Бэкон считал, что торможение развития науки его времени связано с тем, что ученые… много говорят, но мало экспериментируют, не исследуют реальных явлений на практике, не продвигаются дальше того, что было открыто древними учеными. От опытов к построению теории – вот его девиз! Ему принадлежат также и высказывания об определяющей роли науки в развитии техники, общества.

Рене Декарт

И вот наступила эпоха великих Галилея, Декарта, Ньютона.

Имя Рене Декарта (1596–1650) – выдающегося французского философа и математика – связывают с обоснованием так называемого дедуктивного метода в естественных науках и математике. (Когда вы станете взрослыми, познакомитесь с этим более подробно, а сейчас только скажем, что речь идет о таком способе занятий наукой, когда от общих рассуждений через последовательность четких выводов переходят к отдельным, частным случаям…)

В своих работах (а тогда они назывались трактаты) «Начала философии», «Правила для руководства ума», «Рассуждение о методе» Декарт, кроме всего прочего, призвал к применению методов математики для описания изучаемых явлений.

Новая философия Декарта была достаточно популярной, ее называли картезианство – от латинизированного имени ученого: Картезиус (Cartesius). Когда вы в школе или дома будете делать опыт с картезианским водолазом, имейте в виду, что это название тоже происходит от Декарта!

Известно, что в то время официальная церковь не очень радовалась тому направлению, в русле которого развивалась мысль Декарта. Его трактат «Правила для руководства ума» был внесен Папой Римским в «Индекс запрещенных книг».

Хотя сегодня многие из идей Декарта считаются неверными, его вклад в развитие науки остается бесспорным.

Мы не будем останавливаться на таком важном этапе развития физики, как борьба за создание гелиоцентрической системы мира. Пусть эта история останется астрономам! Однако следует заметить, что как в те давние времена, так и сейчас в некоторых вопросах очень трудно разграничить физику и астрономию с ее проблемами создания и развития Вселенной, Солнечной системы, процессов, происходящих в недрах звезд и т. п.

Кроме того, многие из крупных ученых прошлого просто сочетали в одном лице физика, астронома, математика и философа! Например, у Аристотеля и Платона, Галилея и Лапласа, Декарта и Ньютона были такие направления научной деятельности, которые тесно связаны с попыткой описать строение Вселенной, найти в ней место нашей Земли, выявить законы, объясняющие движение планет. Размышления над этими проблемами, безусловно, заставляли ученых несколько по-иному взглянуть и на «земные проблемы».

Николай Коперник

Значительное влияние на развитие всего естествознания и в частности физики имели работы выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473–1543). Именно в его трактате «О вращениях небесных сфер» говорится о Земле не как о центре Вселенной, а как об одной из планет, вращающихся вокруг Солнца (поэтому предложенная ученым система была названа гелиоцентрической: от греческого hçlios – солнце). Он писал также, что Земля вращается и вокруг собственной оси. Для того чтобы описать видимое движение планет, Коперник использовал понятие об относительности движения (хотя оно не совсем совпадает с современными представлениями, для того времени это было шагом вперед).

Книга Коперника поставила перед наукой много важных проблем, среди которых важнейшими были вопросы, связанные с движением планет вокруг Солнца, выявлением причин, благодаря которым планеты удерживаются около Солнца, созданием новой математики, с помощью которой можно было бы описать эту новую систему мира.

Но не только с наукой были связаны те проблемы, которые возникли после появления труда Коперника. Католическая церковь отнеслась к новому учению как к ереси (так как оно противоречило господствующим религиозным взглядам). Несмотря на это, некоторые ученые и философы приняли и поддержали основные идеи учения Коперника, хотя им было нелегко противостоять официально признанным догмам[1]. Одним из таких ученых был Галилео Галилей (1564–1642).

Этот выдающийся итальянский физик и астроном справедливо считается одним из основателей современной физики и астрономии и первым ученым, наблюдавшим за небом при помощи построенных им «зрительных» трубок. Он обнаружил, что на поверхности Луны есть горы, равнины и впадины, увидел спутники у Юпитера, открыл, что Венеру так же, как и Луну, можно видеть с Земли по-разному (т. е., как говорят, в разных фазах).

Галилей сформировал закон о падении и движении тел. В своей знаменитой книге «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой», которая вышла в 1632 г. во Флоренции, Галилей привел собственные доводы в пользу учения Коперника. Эта книга произвела эффект взрыва в научном мире, а инквизиция начала против Галилея обвинительный процесс…

Чем все это закончилось, вы сможете узнать, обратившись к последнему разделу этой книги. Сейчас только скажем, что Галилео Галилей внес очень весомый вклад в развитие физики как науки, благодаря которому следующие поколения ученых могли идти дальше и развивать эту науку. Фигура Галилея – это одна из вершин классической физики. Он расчистил путь для новых создателей классической и современной физики. Его бессмертные научные произведения будут служить примером того, как гениально он «всю жизнь читал открытую для всех большую книгу природы» (это высказывание самого Галилея).

Имя человека, благодаря открытиям которого физика приобрела настоящий научный характер, – Исаак Ньютон (1643–1727).

Титульный лист книги Г. Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой»

Его важными научными достижениями были: открытие закона всемирного тяготения и связанная с ним теория движения планет; основные законы динамики, известные нам как «Три закона Ньютона»; открытия в области оптики. Для описания физических явлений Ньютон применил математический аппарат, который до него не существовал вообще. Этим математическим аппаратом ученые пользуются и теперь. По словам академика С. Вавилова, «ньютоновская механика – не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня».

Кто осмелится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?

Галилей

Эта выдающаяся личность интересна как своими конкретными научными результатами, так и теми методами, с помощью которых они были получены. Его знаменитое «Гипотез не измышляю…» свидетельствует о необходимости опираться на опыт, на практику, на сопоставление новой идеи, новой теории с реально происходящими явлениями.

Личный и научный авторитет Ньютона был так велик, что его поклонники и последователи довольно часто превозносили его научные предположения и гипотезы до абсолюта, считалось, что их даже обсуждать нельзя. Из-за этого Ньютону часто приписывали такие вещи, о которых он и не говорил, и не писал. Вот что могут натворить «научные фанаты»!..

Сделал все, что мог, пусть другие сделают лучше.

Ньютон

Биография и творческая судьба этого выдающегося человека настолько интересна, что некоторые ее фрагменты мы вынесли в отдельный раздел в конце книги.

Ньютон. Рис. У. Блейка. 1795 г.

Таким образом, можно считать, что именно с конца XVII – начала XVIII в. началась и физическая наука, которая сегодня является основой естествознания, техники и новых супертехнологий.

Европейский научный прорыв не обошел и Россию, где благодаря открытой в 1725 г. Петербургской академии наук тоже началось бурное развитие научных, в том числе физических, исследований. Развитие физики в Академии связано с именами М. В. Ломоносова (1711–1765) и приглашенных европейских ученых – Леонарда Эйлера, Даниила Бернулли, Георга Рихмана и других.

Михаил Ломоносов оставил не много завершенных и опубликованных научных работ по физике и химии: большая часть так и осталась в виде заметок, фрагментов. Сейчас трудно даже поверить, что долгое время он вообще был известен, прежде всего, как поэт и писатель. Только, пожалуй, начиная с Пушкина, потомки стали относиться к Ломоносову как к «первому русскому университету».

Движение всегда и везде

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что такое движение? А, вообще, стоит ли над этим задумываться: может, этот вопрос не очень интересен и не достоин нашего внимания? Однако давайте поразмыслим немного над этим.

Жизнь ставит перед наукой цели; наука освещает пути жизни.

Н. Михайловский

Пожалуй, еще первобытным людям приходилось смотреть на небо, на все, что их окружает, и чувствовать (конечно, еще не понимать!), что происходят определенные изменения. Они интуитивно использовали накопленный опыт наблюдений за движением животных, птиц для собственных нужд, например для охоты.

Через десятки тысяч лет человеку уже было необходимо более сознательно учитывать особенности движений, осуществляемых им и всем, что находится вокруг. Глядя на небо, древние греки задавались вопросом, почему яркие «точки» на небе (звезды и планеты!) движутся именно так, а не иначе. А почему падает камень, выпущенный из рук? Как сделать полет стрелы или камня из пращи более точным? И еще много других «почему» заставляло людей задумываться над тем, что они наблюдали и что уже даже вошло в их обиход.

Оказалось, что абсолютно все объекты, которые находятся вокруг нас, движутся, причем даже тогда, когда они якобы находятся в состоянии покоя.

Чем различаются движение и состояние покоя?

Представьте себе, что после тяжелого трудового дня в школе вы, просмотрев любимую телевизионную передачу, уснули на диване. Вы, конечно, считаете, что в таком состоянии вы не двигаетесь?

А известно ли вам, что наша Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот примерно за двадцать четыре часа? Но тогда и вы, пусть и неподвижны относительно своего дивана, вращаетесь вместе с Землей! То есть вы движетесь!

Но и это еще не все. Оказывается, наша планета Земля движется вокруг Солнца, а в свою очередь Солнце со всей своей планетной семьей (следовательно, и с Землей) вращается вокруг центра нашей Галактики с огромной скоростью! А современные ученые-астрофизики говорят, что и галактики с огромной скоростью разбегаются в пространстве. Где же нам с вами найти покой?..

Каким образом можно определить, что такое движение и что такое покой?

Попробуем сначала определить, что движение – это процесс изменения положения в пространстве одного тела относительно какого-то другого (или других) тела.

Сказав так, мы отметили, что говорить о движении одного тела, не имея другого, в отношении которого мы это движение наблюдаем, просто бессмысленно. Однако, если мы такие умные, отчего же мы не заметили еще одного важного условия: изменение положения тела осуществляется со временем, так как именно каждый раз через какой-то промежуток времени (через час, минуту, секунду или долю секунды) мы замечаем изменение положения тела в пространстве. То есть, обобщая, следует сказать, что движение тела является процессом изменения его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Когда же говорят о состоянии покоя определенного объекта, то имеют в виду, что этот объект не движется именно в отношении какого-либо другого объекта, избранного в качестве тела отсчета, то есть в нашем примере вы находитесь в состоянии покоя относительно дивана.

Вот это и называют относительностью движения: по отношению к разным объектам движение одного и того же тела выглядит по-разному.

Однако наряду с относительностью у механического движения есть и определенные черты того, что не меняется даже тогда, когда на то же самое движение будет смотреть какой-нибудь другой наблюдатель. Например, если относительно земли расстояние между двумя определенными телами увеличивается, то относительно какого-либо другого тела отсчета расстояние между этими телами тоже будет увеличиваться, т. е. расстояние между телами является абсолютным, одинаковым с точки зрения разных наблюдателей.

Например, представьте себе, что на палубе теплохода, плывущего по реке, расходятся танцующие пары, а вы наблюдаете их движение, сидя на берегу. Что наблюдает в это же время ваша мама, которая стоит на той же палубе, – неужели, что пары сходятся?.. Пожалуй, нет. То есть, расстояние между танцорами и с вашей точки зрения, и с точки зрения вашей мамы будет одинаковым. И вы одинаково будете видеть его увеличение.

Ученым понадобилась не одна сотня лет, чтобы понять, что движение тел является неотъемлемым их свойством (как говорят философы, формой существования материальных объектов).

Одним из важнейших разделов физики является механика. Она изучает движение тел или их частей. В механике рассматривается движение больших (макроскопических) тел. Однако оказывается, что движутся и частицы, из которых состоят все тела. Движутся определенные частицы во время того процесса, который мы называем электрическим током. Движутся частицы воздуха (пока назовем их так), которым мы дышим. А когда возникает и распространяется звук, то это тоже связано с определенным движением – колебаниями. И так далее, и так далее…

Движение действительно есть везде и всегда!

Что необходимо делать для исследования движения

Наблюдать и экспериментировать!

Ранее мы уже говорили, что в далеком прошлом движение практически не исследовали. Античные философы только наблюдали его и высказывали определенные мысли относительно особенностей этого явления.

Когда спустя много сотен лет за дело взялся выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей, физика из «умозрительной» постепенно превратилась в действительно экспериментальную науку.

Кстати, в своих «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки – механики и местного движения» в 1638 г. Галилей писал: «Во-первых, я сомневаюсь, чтобы Аристотель видел на опыте справедливость того, что два камня, один из которых в десять раз тяжелее другого, начавшие одновременно падать с высоты, допустим, сотни локтей, двигались с такими разными скоростями, что когда более тяжелый дошел до земли, более легкий прошел всего 10 локтей…»

Когда сам Галилей захотел определить характер движения тела, падающего с определенной высоты, он бросал камень со знаменитой Пизанской башни, измеряя время по ударам собственного пульса (тогда удобных для этого опыта часов еще не было).

Пизанская башня

А когда Галилей пытался найти закономерности движения тела, скатывающегося с наклонной поверхности, он изготовил специальный желоб-«линейку», отполировал его, а затем пустил по нему бронзовый шарик.

Снова предоставим слово самому Галилею: «…Сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения ее половины, двух третей, трех четвертей или других ее частей и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно обнаруживали, что отношение пройденных Водяной указатель времени путей равно отношению квадратов времени их прохождения при любых наклонах плоскости, то есть канала, вдоль которого скатывался шарик…

Что касается способа измерения времени, то мы использовали большое ведро, которое было заполнено водой и подвешено сверху; дно ведра имело узкий канал, через который вода выливалась тонкой струей и собиралась в маленьком бокале в течение времени, пока шарик спускался по всему каналу или его части; собранное таким образом количество воды каждый раз взвешивалось с помощью самых точных весов…»

Итак, Галилей проводил тщательно продуманный физический эксперимент, на основании которого приходил к определенным выводам относительно особенностей движения тела.

Таким образом, важным этапом любого физического исследования, кроме наблюдения, должен быть и специальный опыт, эксперимент. Причем в таком специальном научном эксперименте часто удобнее применять не сам реальный объект, а его модель – упрощенный заменитель реального тела.

Сейчас у нас есть больше, чем у Галилея, возможностей и для измерения времени, и вообще для наблюдения движения. Можно, например, фотографировать объект в разные моменты времени при наблюдении его движения. Этим часто пользуются астрономы, которым приходится следить за различными космическими объектами – звездами, планетами, кометами, галактиками.

Можно снять движущееся тело на кинопленку. А еще интересно наблюдать за движущимся телом в стробоскопическом освещении.

Представьте себе, что вы находитесь в темном помещении. Если, например, где-то по столу будет катиться шарик, то в темноте вы его не увидите. Но если в помещении через маленькие интервалы времени будет загораться яркая лампочка, то шарик в эти моменты будет становиться видимым. (Это специальное устройство, которое управляет вспышками лампочки, называют стробоскопом.) Освещая таким способом различные движения различных тел, получаем интересную информацию о характере движений. Такое исследование можно сделать еще более удобным, если не просто наблюдать за телом, но и фотографировать его в стробоскопическом освещении.

На этой фотографии виден шарик, падающий вертикально. Надеемся, вы заметили, что через равные промежутки времени шарик проходит все большие и бо́льшие расстояния? Попробуйте подумать над этим и определить, какую еще информацию можно получить, анализируя эту фотографию.

Измерять!

При исследовании движения нужно найти способы сравнения различных движений, ведь недостаточно будет, например, просто сказать: этот автомобиль движется быстрее, чем другой. Необходимо выяснить, чем именно отличаются движения, как можно предвидеть дальнейшее движение любого тела, и так далее.

Для того чтобы это сделать, нужно использовать язык физических величин: путь, время, скорость.

В давние времена ученые пытались описывать явления обычным обыденным языком. Но потом оказалось, что обычные разговоры о телах и явлениях ни к чему не приводят: каждый подразумевает что-то свое, и понять, о чем именно идет речь, очень трудно. Кроме того, со временем выяснилось, что нужно количественно сравнивать определенные свойства изучаемых объектов. Так в физике появились физические величины.

Каждая из физических величин характеризует определенное свойство объекта или явления, при этом ее можно измерять, выражая с помощью определенных единиц.

Стробоскопическая фотография падающего шарика

Например, физическая величина время характеризует длительность событий. Время измеряют с помощью различных часов, а выражают чаще всего в секундах, минутах, часах, месяцах, годах. Мы говорим: продолжительность школьного урока – 45 минут (или 3/4 часа, или 2700 секунд).

Измеряй все, что доступно измерению, и делай недоступное измерению доступным.

Галилей

Когда тело движется, оно все время перемещается из одного места пространства в другое. Физическая величина путь характеризует длину того отрезка траектории, вдоль которой двигалось тело. Измерять путь можно линейками, рулетками (но чаще всего путь рассчитывают, измерив другие, связанные с ним, величины). Выражают путь с помощью различных единиц: метров, сантиметров, дюймов, футов и т. п. Вы, наверняка, видели надпись на дискете для компьютера 3,5", что значит три с половиной дюйма.

О том, как возникли некоторые единицы измерения величин и приборы, с помощью которых проводят измерения, – и пойдет речь ниже.

Измерение времени

История создания приборов для измерения различных физических величин очень интересна. С давних времен и до наших дней сохранились определенные выражения, которые демонстрируют старые представления и способы измерения определенных физических величин. Например, мы до сих пор иногда говорим, что время течет (или «с течением времени»). Дело в том, что когда-то время измеряли водяными часами – вспомните, например, приведенное выше описание опыта Галилея, в котором он использовал такие часы.

Но считают, что одними из первых были солнечные часы. Они были известны еще за 2500 лет до н. э. в Китае! Именно из Китая солнечные часы были завезены в Европу, где они получили очень широкое распространение. Солнечные часы состоят из шкалы-циферблата (как мы сказали бы сейчас), на которую нанесены штрихи, соответствующие целым часам. Промежутки между этими штрихами часто тоже делились на несколько (5 или 10) частей.

Солнечные часы

В большинстве солнечных часов были стержни, которые отбрасывали тень на циферблат. Иногда вместо стержня использовали щиток с отверстием, через которое проходил солнечный луч, и на циферблате образовывалось изображение Солнца. Отсчитывая соответствующий штрих циферблата, на который падала тень или на котором было изображение Солнца, можно было получить определенное значение времени.

Солнечные часы – обсерватория в Дели (Индия)

Некоторые крупные древние сооружения, например, обсерватория в Индии или известный Стоунхендж, выполняли еще и роль солнечных часов.

Точность измерения времени с помощью солнечных часов с современной точки зрения была недостаточно большой. Поэтому интересно будет узнать, что в древности существовали и другие приборы, в частности так называемая клепсидра – водяные часы.

Время летит стрелой, хотя минуты ползут…

Ф. Мендельсон

Клепсидры были двух видов: для отмеривания определенного интервала времени, в течение которого вода перетекает из одного сосуда в другой (подобно песочным часам), а также для определения времени солнечных _ суток – подобно современным часам. В конструкциях второго вида древние механики достигли очень высокого уровня мастерства. Существовали клепсидры, которые действовали безостановочно, причем вода поступала по водопроводу в верхний сосуд, откуда вытекала через насадку, сделанную из драгоценных камней или золота, в нижнюю емкость. Скорость вытекания регулировалась или учитывалась при нанесении делений на специальную шкалу.

Стоунхендж

У римлян сутки от восхода до захода Солнца разбивались на двенадцать часов, поэтому в разное время года продолжительность часа была разной (световой день был разным в разные времена года!). Позже стали применять часы, в которых ход был одинаковым в течение года.

Известная клепсидра Ктезибия (150 г. до н. э.) состояла из цилиндрической колонны, на поверхности которой для каждого из двенадцати месяцев года были нанесены снизу римскими цифрами деления для ночных часов, арабскими – для дневных. Рядом с колонной стояли фигурки двух мальчиков: одна из них была пустотелой и через нее могла поступать вода из водопровода, другая фигурка была прикреплена к специальному поплавку (см. рисунок).

Вода из водопровода поступала в пустотелую фигурку, а потом вытекала из нее каплями через глаза мальчика. Затем эти капли попадали через специальную трубочку в цилиндр, имеющий сверху поплавок со второй фигуркой мальчика, который палочкой указывал на шкалу-циферблат.

Клепсидра Ктезибия

По мере наполнения цилиндра мальчик с палочкой поднимался все выше и выше. В конце, когда палочка-указатель достигала цифры XII, вода из цилиндра с помощью трубки-сифона вытекала. В процессе вытекания вода приводила в действие механизм, вращающий всю колонну на определенный угол так, что за год колонна делала полный оборот.

Клепсидра

Таким образом, это устройство показывало не только время суток, но и месяц!

Согласитесь, эти замечательные часы достойны нашего удивления и восхищения! Заметим, что другие клепсидры были мало похожи на произведение искусства, однако работали по тому же принципу.

Не очень были распространены, однако все же применялись часы из свечей. На довольно большой толстой свече наносили на равных расстояниях черточки. По мере сгорания свечи судили о том, сколько времени прошло. Конечно, такие часы были очень неточными.

В XI веке (а по другим данным – еще в IX в.) появились первые механические часы, но они были такими неточными, что их приходилось сверять по солнечным часам. Лишь в середине XVII в., когда Галилей открыл закон колебания маятника, механические часы вышли на новый уровень точности.

Христиан Гюйгенс

Оказалось, что более точно измерять интервалы времени можно на основе периодических, т. е. повторяющихся процессов. Именно тогда можно обеспечить равномерность хода созданных часов. Свойство, на котором основывается принцип работы маятниковых часов, называется изохронностью (изо – равный, одинаковый; хронос – время).

Современный секундомер

Если вы подвесите к нитке небольшой шарик, винт или нечто подобное, а затем подтолкнете подвешенный предмет, вы сможете наблюдать колебательное движение подвешенного тела – маятника. С помощью маятника можно определять продолжительность определенных событий, приняв за единицу измерения, например, одно полное колебание подвешенного тела.

В свое время голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) изобрел механизм часов, основанный именно на колебательном движении гири-маятника. Интересно, что изначально он решал задачу создания устройства, с помощью которого можно было бы точно определять географическую долготу во время путешествий по океану (вспомним, то были времена великих морских походов европейцев в Индию и Новый Свет – Америку, и проблемы морской навигации были очень важными).

Занимаясь разработкой точных часов, Гюйгенс заинтересовался закономерностями колебательного движения вообще. Еще Галилею было известно, что время, которое требуется для одного колебания маятника вдоль дуги окружности, практически не зависит от размаха колебаний. (Между прочим, маятник как измеритель времени, но без часового механизма, применяли еще арабские астрономы в Х в.) Однако Гюйгенс пытался найти такую форму кривой, чтобы колебания маятника совсем не зависели от размаха. Такой кривой оказалась циклоида: при движении по малым дугам циклоиды колебания маятника были изохронными!

Механизм часов Гюйгенса

Позже были изобретены карманные часы, в которых качающийся маятник, был заменен маленьким колесом, удерживаемым спиральной пружиной (балансиром).

Очень удобными оказались специальные часы-секундомеры, которые можно запускать и останавливать нажатием кнопки.

Современные наука и техника применяют уже более точные (в тысячи раз!) часы. Сначала это были кварцевые часы, действие которых основывается на колебаниях кварцевых кристаллов. Еще более точными являются так называемые атомные часы, по ходу которых сегодня определяют продолжительность основной единицы времени – секунды.

Хотя атомные системы совсем не такие, как механические, все равно можно сказать, что там тоже происходят определенные колебания, свойства которых позволяют использовать их для определения малых (до триллионных долей секунды!) промежутков времени.

Измерение длины

Пожалуй, первыми в истории измерениями были измерения длины. Именно на их примере можно видеть, что провести измерение – это значит сравнить значение измеряемой величины с соответствующей эталонной мерой этой величины. (Напомним, что эталон – это образцовая мера, предназначенная для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения с максимальной точностью.)

Определение длины «в попугаях»

Иначе говоря, измерение – это определение того, сколько раз в измеряемой величине укладывается определенная единица измерения.

Например, в Древнем Египте измеряемую длину сравнивали с царским локтем (около 52,5 см) и малым локтем (около 45 см). А вот локоть в Вавилоне составлял примерно 54 см. (Конечно, для того, чтобы мы имели представление о древних единицах длины, сейчас мы их выразили с помощью единицы, которую применяем сегодня, – сантиметра.)

Ну как, вам нравятся такие «эталоны»? Попробуйте, использовать локоть каждого из членов вашей семьи (отца, матери, брата или сестры, бабушки и т. д.) для измерения, например, длины стола. Конечно, вы догадались, что значение результатов этих измерений будут отличаться и это крайне неудобно.

А сейчас вспомните знаменитый мультфильм про тридцать восемь попугаев, где друзья пытались определить длину удава разными мерками: обезьянками и попугаями.

В Древней Руси для измерения длины тоже использовали интересные единицы. В сравнении с современными единицами метрической системы значения этих единиц следующие:

1 вершок = 4,45 см,

1 аршин = 16 вершков = 71,120 см,

1 сажень = 3 аршина = 2,1336 м,

1 верста = 500 саженей = 1,0668 км.

В Соединенных Штатах Америки и Великобритании достаточно долго были распространены такие меры длины:

1 дюйм = 2,54 см,

1 фут = 12 дюймов = 30,48 см,

1 ярд = 3 фута = 36 дюймов = 0,9144 м.

Поскольку у нас применяется именно метрическая система (или, как ее сейчас называют, SI – Международная система единиц (СИ)), следует вспомнить, как она сама и, в частности, ее основные единицы появились.

Метод обмера скульптур. 1727 г.

Впервые слово «метр» как наименование единицы длины применил Тит Буратини в книге «Универсальная мера» в 1675 г. Тогда за единицу длины он предлагал принять длину нити маятника, который делает одно колебание за одну секунду (этот маятник так и называют – секундный). Но в те годы эта мера так и не получила распространения.

В конце XVIII в. в Европе было около сотни различных «футов», десятки различных «миль», различные «фунты», что очень мешало торговым делам. В 1789 г. торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой о введении одинаковых единиц измерения.

В 1791 г. Национальным собранием Франции была создана специальная комиссия по подготовке новой системы измерения. В состав комиссии вошли Пьер Симон Лаплас, Лагранж, Гаспар Монж и другие.

Комиссия предложила в качестве единицы длины принять длину, равную одной десятимиллионной части четверти длины Парижского меридиана (1/40000000 длины меридиана). Именно эту единицу и назвали метром.

Интересно, что в главном манифесте комиссии была провозглашена такая идея – необходимо создать новую систему измерения:

1) основанную на «неизменном прототипе, взятом из природы, чтобы ее могли принять все нации»;

2) построенную на десятичной системе, которая соответствует десятичной системе исчисления и поэтому упрощает расчеты.

(Кстати, именно этой комиссией было принято определение 1 секунды как 1/86400 доли солнечных суток, а также определение единицы массы, о чем речь пойдет ниже.)

Для измерения длины дуги меридиана собралась экспедиция, в которую вошли астрономы и геодезисты (специалисты по измерениям расстояний и углов на Земле). В течение нескольких лет (с 1792 по 1799 год) проводились измерения части меридиана между Дюнкерком и Барселоной (примерно 1000 км).

На основе измерений дуги меридиана был изготовлен эталон метра, так называемый «архивный метр» (практически одновременно был изготовлен и «архивный килограмм»). Эталон метра был сделан из платины, его отдали на хранение в Национальный архив Французской республики (откуда и происходит его название «архивный метр», или «метр архива»), а копии этого эталона были переданы в Бюро мер и весов.

Позже, в 1799 г., оказалось, что этот архивный метр короче на 0,08 мм более точно измеренной длины дуги земного меридиана! Но из-за того, что метрическая система мер уже широко распространилась, было решено отказаться от стремления к абсолютно идеальному метру и принять за метр расстояние между двумя штрихами того же архивного платинового метра.

На основе международных соглашений (1870, 1872 и 1875 гг.) в Париже было создано Международное бюро мер и весов, которое изготовило новый эталон метра и 31 его копию. Все эти копии были пронумерованы. Один из этих стандартов (эталон № 6), который более всех других был приближен к старому архивному метру, был принят в 1888 г. в качестве международного прототипа метра. Именно он хранится сейчас во Франции в Международном бюро мер и весов неподалеку от Парижа в г. Севр. Остальные 28 копий были распределены в 1889 г. по жребию между государствами, заказавшими их предварительно. России достались копии № 28 и 11.

С развитием науки и техники возникла потребность в более точном определении единицы длины. Для этого пытались найти способ, благодаря которому удалось бы максимально уменьшить зависимость эталона от каких-то внешних воздействий (изменений температуры и др.). Штриховой эталон не обеспечивал требуемой точности, потому что нужно было как-то учитывать и ширину штрихов, и погрешность, которая возникала при сличении эталонов с прототипом. Кроме того, такой искусственный эталон в случае потери не мог быть восстановлен.

И вот в 1960 г. вместо стержня из сплава платины и иридия был принят новый эталон метра. Он основан на электромагнитном излучении света газом криптоном и равен 1 650 763,73 длины волны в вакууме. Созданный таким образом эталон стали называть криптоновым эталоном метра.

Для уменьшения погрешностей при воспроизведении теперь уже криптонового эталона ученые пошли еще дальше. С целью повышения точности воспроизведения единицы длины было предложено заменить криптоновую лампу другим источником излучения. Таким источником стал лазер.

Усилиями многих ученых из разных стран на основе лазерной техники был создан единый эталон частоты-времени-длины, который позволяет определять эти величины с наибольшей точностью. В результате создания единого эталона было заявлено как точное следующее значение скорости света в вакууме: 299 792 458 м/с. Исходя из этого, сегодня определением единицы длины Международной системы единиц является следующее: метр – это длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды.

Сейчас Международная система единиц (СИ) применяется почти во всем мире. Одним из последних «бастионов», где до недавнего времени использовали другие единицы, была Великобритания. Однако и там недавно официально перешли к единицам СИ, хотя консерваторам-британцам очень трудно проститься с привычками представлять все в своих футах или фунтах…

Заканчивая эту краткую историю измерения длины и ее единиц, заметим, что не следует пугаться приведенных здесь пока еще не совсем ясных для вас физических понятий (электромагнитное излучение, длина волны, лазер и т. д.). Во-первых, видимо, интуитивно вы догадались, о чем идет речь, а во-вторых, у вас еще все впереди, и, продолжая знакомиться с миром физики, вы сможете лучше все это понять. Даже упоминание о современных определениях единиц и современных методах их получения может нацелить вас на восприятие физики уже XXI в., а не только ее истории.

Скорость движения, или Кто самый быстрый

Если какое-нибудь тело движется относительно другого (или других), то со временем его положение в пространстве меняется. Опыт наблюдения за движением тел показывает, что эти изменения различны: у кого-то они больше, у кого-то – меньше.

Для того чтобы описывать движение тел, чтобы определить, где будет находиться определенное тело в определенный момент времени, физики применяют физическую величину скорость.

Когда говорят о скорости какого-то тела, чаще всего указывают, какой путь оно проходит за определенный промежуток времени. Например, если автомобиль равномерно движется и за 1 час проезжает 70 километров, мы говорим, что его скорость 70 километров в час (сокращенно 70 км/ч). А если другой автомобиль проехал 140 км за два часа или 210 км за три часа, то его скорость… тоже 70 км/ч.

Надеемся, вы поняли, почему значение скорости оказалось прежним. Действительно, скорость – это физическая величина, которая показывает, какой путь проходит тело за единицу времени. Именно поэтому, чтобы получить значение скорости, нужно значение пути разделить на время: 210 км: 3 часа = 70 км/ч.

В Международной системе единиц (СИ) единицей скорости является метр в секунду (м/с), но на практике достаточно часто используют другие единицы, например, километр в час (км/ч). Поскольку 1 км = 1000 м, а 1 час = 3600 с, то скорость 1 км/ч = 1000 м/3600 с «0,28 м/с.

Так же, как и с измерением времени и длины, из истории измерения скорости сохранились еще и другие, так называемые внесистемные единицы. Например, моряки применяют такую меру скорости судов, как узел, равный 0,514444 м/с.

Если нам известно, с какой скоростью (V) прямолинейно равномерно движется тело, мы можем рассчитать путь (Б), который оно пройдет за определенное время (1):

S = v · t.

Физико-математическое «лирическое» отступление: векторные и скалярные величины

То, о чем было сказано выше, касается движения в одном направлении с постоянной скоростью. Но ведь мы знаем, что реальные объекты могут двигаться так, что направление их движения будет меняться. Для того чтобы учесть и значение, и направление, в физике применяют векторные величины. Следовательно, скорость движения – это векторная величина! Из этого следует, что, если какая-то физическая задача требует нахождения скорости, нужно найти не только числовое значение этой величины, но и указать ее направление.

В отличие от векторных, скалярные величины характеризуются только своим числовым значением. К скалярным величинам относятся, например, время, масса, температура, плотность и другие. С этими величинами можно выполнять обычные алгебраические действия.

Векторные физические величины нельзя просто прибавлять или вычитать, как скалярные, для действия с ними существуют особые математические правила. И это не выдумка физиков и математиков, а отражение того, что мы видим в природе.

Например, представьте себе, что вы поднимаетесь по ступенькам эскалатора метро со скоростью 1 м/с относительно ступенек. Но вы стали не на тот эскалатор: он едет вниз со скоростью 1,5 м/с! Куда и с какой скоростью вы движетесь относительно стен?

Наверное, вы уже догадались, что, просто сложив 1 м/с и 1,5 м/с, реальный результат мы не получим!

Если хорошо подумать, можно найти и другие физические величины, являющиеся векторными. Например, физическая величина перемещение является векторной величиной; в ее определение, кроме значения, входит еще и направление.

Пусть какое-то тело двигалось по дуге окружности и через некоторое время прошло расстояние l = 5 м. Перемещение тела за это время изображают направленным отрезком прямой; этот отрезок соединяет начальную и конечную точки движения тела. Если на рисунке изобразить путь и перемещение тела, то можно увидеть, что они не совпадают. Числовые значения пути и перемещения будут разными, а перемещение, кроме того, характеризуется направлением.

Путь и перемещение

Интересно, что можно найти и такие случаи, когда за определенное время тело прошло довольно значительный путь, а его перемещение оказалось нулевым. Надеемся, вы догадались, в каких случаях это бывает?

Если тело движется в одном направлении вдоль прямой, то числовые значения пути и перемещения будут совпадать. Однако и в этом случае нельзя считать, что это одинаковые величины, потому что перемещение имеет еще и направление.

Векторные и скалярные величины отличаются обозначениями: векторные величины имеют стрелку над символом величины. Например, скорость обозначается , а перемещение – .

С учетом векторного характера скорости и перемещения более точно и корректно формулу скорости прямолинейного равномерного движения следует писать так:

Вернемся к разговору о скорости.

Различные объекты живой и неживой природы движутся со скоростями, значения которых достаточно сильно различаются.

Приблизительные значения некоторых скоростей движения в живой природе и технике

В технике значение скорости движения тел или их частей различаются еще больше.

Поговорим немного о том, каким образом в разных случаях измеряют скорость движения.

Скорость автомобиля определяют с помощью спидометра (англ. speed – скорость и греч. metreo – измерять). Действие этого прибора основано на возникновении электрического тока в цельном алюминиевом диске при вращении перед ним магнита (в физике это явление называют электромагнитной индукцией). Магнит начинает вращаться благодаря специальному валу, связанному с валом автомобиля. Шкала такого прибора градуирована в единицах скорости.

Понятно, что таким способом определить скорость самолета в воздухе невозможно: нет тех колес и тех дорог в воздухе, позволяющих по принципу автомобильного спидометра определить скорость самолета. Поэтому применяют метод, связанный с определением так называемой «воздушной скорости», то есть скорости относительно воздуха, в котором перемещается самолет. Открытые физиками законы аэродинамики позволяют сопоставлять давление воздуха с его скоростью относительно определенного тела.

Идея этого метода заключается именно в применении связи между скоростью самолета и давлением со стороны встречного потока воздуха.

С помощью специального прибора для измерения давления – манометра – определяют давление воздуха, но шкала манометра проградуирована уже в единицах скорости.

Схема спидометра – прибора для измерения скорости автомобиля

Кроме прибора, находящегося непосредственно на самолете, применяют еще и другой метод определения скорости – радиолокацию.

С помощью специального мощного радиопередатчика излучают радиоволны, которые, достигнув самолета, отражаются от него. Теперь нужно «поймать» этот отраженный сигнал и, зная скорость его распространения в воздухе, рассчитать скорость самолета.

На метеорологических станциях скорость ветра определяют с помощью специального флюгера с ветромерной доской. Когда ветра нет, доска висит вертикально. Чем сильнее ветер, тем на больший угол отклоняется доска. По специальным указателям, расположенным у доски, определяют скорость ветра.

Анемометр

Понятно, что этот способ определения скорости не очень точный, поэтому лучшие результаты метеорологи получают с помощью другого устройства – анемометра. Этот прибор содержит легкую крыльчатку («крест Робинзона»), которая может вращаться под воздействием ветра. При вращении крыльчатка приводит в действие зубчатый механизм, который подсчитывает количество оборотов крыльчатки за определенное время.

К сожалению, если скорость ветра меньше 1 м/с, точность измерения резко снижается. Впрочем, существуют и более чувствительные анемометры, принципы действия которых отличаются от действия анемометра с «крестом Робинзона». В этих приборах используется измерение давления воздуха, охлаждение воздухом проволоки, которая нагревалась электрическим током, и другие.

В 1806 г. английский адмирал Ф. Бофорт разработал шкалу, с помощью которой можно оценивать скорость ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Эта балльная шкала принята Всемирной метеорологической организацией (см. таблицу на с. 45).

Надеемся, что штормы и ураганы мы с вами видим только в кино, а не наяву.

Для сравнения интересно посмотреть и на значение скорости падения парашютистов с соответствующей высоты. Здесь имеется в виду так называемая постоянная (максимальная) скорость падения до момента раскрытия парашюта.

Довольно часто скорость движения тел не остается неизменной – такое движение называют неравномерным. Для того чтобы охарактеризовать изменение скорости за определенное время, физики используют специальную физическую величину – ускорение. Можно записать:

Эта величина также является векторной; ее обозначают . Математически записать определение ускорения можно так:

Как физическая величина ускорение измеряется в определенных единицах. Если посмотреть, например, на словесное определение ускорения, можно увидеть, что при изменении скорости 1 м/с за время 1 с ускорение равно «1 м/с за 1 с», то есть 1 м/с².

Причины изменения скорости, или причины появления ускорения, волновали исследователей давно, но ответы на эти вопросы были найдены только Ньютоном.

Взаимодействие тел, или… «Сила есть!..»

Слово «сила» мы слышим и применяем довольно часто: и когда говорим о силе воли, и когда ссылаемся на силу привычки, и когда жалуемся на то, что потратили на какое-то дело много сил… А кто-то еще говорит, что у него «не хватает сил», а о ком-то скажут: «сила есть…», ну и так далее.

В таких случаях очень трудно определить и сравнить эти силы. Однако слово «сила» является еще и одним из важнейших понятий физики, поэтому именно как физическое понятие оно имеет достаточно четко определенный смысл, о чем мы сейчас и поговорим.

В свое время, когда Ньютон закладывал основы классической механики, важнейшим научным фактом стали представления о взаимодействии тел. Речь идет о том, что всегда причиной изменения состояния какого-то движущегося тела, является его взаимодействие с другим телом (телами). Для того чтобы количественно оценить степень такого взаимодействия, физики и применяют такую физическую величину, как сила (символ этой величины – В).

Эта физическая величина является векторной, т. е. такой, которая характеризуется и числом, и направлением. С этим легко согласиться, если подумать о результате действия сил, одинаковых по значению, но разных по направлению. Представьте себе, что было бы, если бы земля действовала на вас с силой, направленной не вниз, а вверх!..

А теперь оглядитесь вокруг. Возможно, вы сейчас видите яблоко, которое неподвижно лежит на тарелке, и вам кажется, что никакие тела на него не действуют? Но это не так! На него действуют тарелка и Земля, а само яблоко в свою очередь (в ответ!..) тоже действует на эти тела. То есть существует важная особенность, о которой физики так и говорят: действие одного тела на другое имеет характер взаимодействия – если одно тело действует на другое, то и другое тело обязательно действует на это первое.

Великий Ньютон открыл законы, с помощью которых можно объяснить много реальных механических явлений, происходящих в природе. Эти законы сформулированы именно для сил. Теперь в современных школьных учебниках знаменитые законы Ньютона формулируются несколько иначе, чем это делал сам ученый. А хотите ли вы узнать, как они были записаны в те давние времена?

Оказывается, они были записаны на латыни, которая в те времена была международным языком ученых и играла такую же роль, как сейчас, видимо, играет английский. (Кстати, в России в учебнике по физике 1915 г. формулировка великих законов Ньютона тоже приводилась на языке оригинала – латыни.)

Например, закон, который определял взаимодействие тел, – третий закон – в книге Ньютона выглядел так (возможно, кто-то из вас, изучая латынь, прочтет его в оригинале):

Lex III

Actioni contrariam semper et aequalem esse reactionem: sive corporum duorum actions in se mutuo semper esse aequales et in partes contraries dirigi.

В переводе:

Действие всегда равно и противоположно противодействию, иначе: взаимные действия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.

Физики часто не указывают на конкретное тело, которое действует на определенный объект: они говорят, например, что на мяч, который катится по наклонной плоскости, действуют силы тяжести и трения. За этими словами на самом деле стоят Земля и та самая плоскость, с которой скатывается мяч.

Таким образом, речь идет прежде всего о реальных телах, а то, что между ними происходит, физик опишет с помощью физических величин!

В честь Исаака Ньютона единица силы в Международной системе единиц была названа ньютоном (обозначается Н). Если вы захотите почувствовать, что это за сила в 1 Н, то насыпьте в легкий одноразовый стакан примерно 100 г сахара (вместе со стаканом будет чуть больше 100 г). Сила, с которой «сахарный» стакан будет действовать на вашу ладонь, равна примерно 1 Н.

Для измерения силы применяют специальные приборы, которые называют динамометрами. Это название происходит от греческого слова йупатЬ – сила. (Заметим, что существуют еще и специальные медицинские динамометры для измерения силы мышц; эти приборы называют просто силомеры.)

Самый простой пружинный динамометр устроен так же, как и пружинные бытовые весы, только у динамометра шкала проградуирована в единицах силы. Существуют и другие виды динамометров, которые широко применяют в технике, например, для измерения тяговой силы различных машин.

Однако можно найти и другие способы измерения силы. Согласно второму закону Ньютона известно, что сила, действующая на определенное тело, изменяет скорость его движения на определенное значение; при этом чем больше сила – тем больше меняется скорость. Мы знаем, что физическую величину, которая характеризует изменение скорости за единицу времени, называют ускорением (). Таким образом, закон Ньютона гласит, что сила , действующая на определенное тело массой m, придает этому телу ускорение :

Отсюда следует динамический метод измерения силы: нужно взять тело, например массой 1 кг, подействовать на него с такой силой, чтобы ускорение тела стало 1 м/с². Эта сила и будет равна 1 Н! В результате действия какой-либо другой силы то же тело будет приобретать другое ускорение, по которому можно будет оценить и силу.

При взаимодействии различных объектов возникают различные по происхождению и значению силы (1 кН = 1000 Н):

Добавим, что в технике силу тяги довольно часто выражают не в ньютонах, а в килограмм-силах (кгс) или в тонна-силах (тс). Связь между этими единицами такая: 1 кгс = 9,8 Н. Тогда, например, силу тяги трактора можно записать как 588 10³ кгс или 588 тс (1 тс = 1000 кгс = 10³ кгс).

А еще интересно сравнить средние значения силы мышц рук людей разного возраста (силу мышц определяли сдавливанием пружинного динамометра):

Когда в механике исследуют движение какого-либо объекта и причины его изменения, прежде всего определяют, действие каких сил привело к этим изменениям (мы помним, что за словами «действие сил» будто бы скрыты те тела, которые действительно действуют на исследуемый объект). И здесь можно говорить о силе трения, силе тяжести, выталкивающей силе, силе реакции опоры, силе тяги, силе давления и других. И хотя по своему происхождению эти силы разные, и нам, возможно, очень интересно узнать, каким именно образом они возникли, эти вопросы придется адресовать другим «царствам» физики, например, электромагнетизму. Ведь в механике объясняют, что произойдет и как изменится движение, если действуют те или иные силы, но сама природа сил не изучается.

Динамометр

В природе, согласно современным данным, существуют только четыре типа взаимодействий и соответственно четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, ядерные и слабое взаимодействие. С проявлениями всех четырех типов сил мы встречаемся при изучении того, что происходит в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом кусочке вещества и даже в атомах.

Одной из самых сложных и интересных проблем современной физики является попытка построить определенную Единую теорию, которая бы объединила все четыре взаимодействия. Эта проблема еще не решена, и, возможно, кто-то из вас в будущем решит эту великую загадку Природы!..

Всемирное тяготение

Еще в далекие времена люди задавались вопросом: на чем держится Земля? Сколько же ответов было на этот вопрос! Вы, наверное, слышали, что когда-то представляли себе Землю, которая стоит на трех китах или на трех черепахах (или на одной – какая разница?). Но на чем держатся эти киты?..

Грубая сила, не подкрепленная мудростью, погибает под собственной тяжестью.

Гораций

Конечно, подобные наивные представления сменились более похожими на научные, особенно тогда, когда стало известно о шарообразной форме планет и об их вращении вокруг определенного центра. Сторонники геоцентрического взгляда на Вселенную считали, что Солнце и все остальные планеты вращаются вокруг Земли, другие (сторонники гелиоцентрического подхода, основателем которого был Николай Коперник) были уверены, что именно Земля с другими планетами вращается вокруг Солнца. Однако в любом случае возникали вопросы: а что «держит» планеты, почему они не разлетаются от центра?

Представление древних о строении нашего мира

Интересно, что догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел, было высказано более двух тысяч лет назад греческим философом Анаксагором (ок. 500–428 гг. до н. э.). Он говорил, что Луна, если бы не двигалась, то упала бы на Землю, как падает камень!.. К сожалению, эта гениальная догадка практического влияния на развитие науки, очевидно, не имела. Ей было суждено быть непонятой и забытой потомками. Даже великий Иоганн Кеплер считал, что причиной такого движения планет является вращение Солнца. Кстати, этому выдающемуся астроному человечество обязано открытием первых законов движения планет.

Кеплер родился в 1571 г. в Германии в небольшом городке близ Вейля. Будучи еще студентом Тюбингенской семинарии, он познакомился с учением Коперника и стал его пылким сторонником. Заметьте, Кеплер жил в то же время, что и Галилей – он даже переписывался с великим итальянцем! А еще он очень ценил выдающегося датского астронома Тихо Браге (1546–1601). Так случилось, что из-за бедности и сложностей пребывания сначала в Германии, а затем в Венгрии, Кеплер откликнулся на приглашение Тихо Браге и переехал к нему в Прагу.

Тихо Браге был великим астрономом, посвятившим свою жизнь и все свои силы астрономии. В Дании у него был остров, на котором он создал целый астрономический город, названный им Ураниенбургом. Не придя к согласию с датским королевским двором, Тихо покинул Данию и переехал в Прагу, куда перебрался и Кеплер. Но, к сожалению, долго поработать с Браге Кеплеру не судилось, потому что вскоре Тихо умер.

Журналы тридцатипятилетних наблюдений Тихо Браге попали в руки Кеплера, и он начал обработку этого гигантского материала. В 1609 г. в результате титанической работы Кеплера вышла его книга «Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями относительно движения планеты Марс, по наблюдениям Тихо Браге».

Тихо Браге

В отличие от Галилея, который считал, что планеты вращаются вокруг Солнца по окружностям, Кеплер показал, что орбиты планет имеют форму овала, а затем математически доказал, что эта форма – эллипс. При этом планеты движутся по своим эллипсам неравномерно: быстрее, когда они ближе к Солнцу, и медленнее, когда удаляются от него.

Великие открытия Кеплера не принесли ему материального благополучия. Чтобы свести концы с концами, ему приходилось составлять гороскопы для богачей, хотя сам он в астрологию не верил. Ему пришлось еще раз переезжать, но, несмотря на все жизненные проблемы и неурядицы,

Кеплер продолжал заниматься астрономией и физикой, в частности оптикой. (В своей книге 1611 г. он описывает конструкцию телескопа, который так и называют: труба Кеплера.)

Возможно, так возникла идея о всемирном тяготении

Последние годы ученого были очень трудными – он жил на случайные заработки. Во время одной из поездок, связанной с хлопотами о получении жалованья, он простудился, заболел и 15 ноября 1630 г. умер.

Открыв законы движения планет вокруг Солнца, Кеплер не дошел до выявления причин связи нашего светила с планетами. К решению именно этой проблемы приблизился Роберт Гук. У него даже вышла книга под названием «Попытка изучения движения Земли». Вот что он писал о теории, которую планировал разработать: «Теория эта основывается на трех допущениях: во-первых, это то, что все без исключения небесные тела имеют направленное к их центру притяжение… Согласно второму предположению, все тела, которые движутся прямолинейно и равномерно, будут двигаться вдоль прямой до тех пор, пока они не будут отклонены какой-либо силой и не станут описывать траекторию в виде круга, эллипса или какой-либо менее простой кривой. Согласно третьему предположению, действующие силы притяжения тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют».

Сейчас мы можем только удивляться, почему сам Гук не занимался развитием этих идей, ссылаясь на загруженность другими работами. Он так близко подошел к такому важному в истории науки открытию!

Таким образом, ни Галилею, ни Кеплеру, ни Гуку не удалось четко и полно сформулировать то, что по праву считается триумфом науки. Это сделал Ньютон! И дело вовсе не в том, что ему на голову упало яблоко и поэтому он открыл закон тяготения, а в том, что у Ньютона уже были открытые им законы, которые можно было применить для описания любых движений.

Нужен был гений Ньютона, чтобы удивиться тому, что яблоко упало на землю…

К. Д. Ушинский

Именно Ньютон понял, что основой, определяющей особенности движения, являются силы. Он был первым, кто увидел, что́ именно нужно искать для объяснения движения планет, – искать нужно силы!

Кстати, а было ли то легендарное яблоко на самом деле? Многие историки науки пытались установить, соответствует ли эта история действительности или нет. В изданных лишь в 1936 г. воспоминаниях Уильяма Стекли, друга Ньютона, упоминается о его разговоре с ученым, происходящем в саду, в тени яблони 15 апреля 1725 г. В этом разговоре якобы и прозвучало из уст Ньютона, что мысль о тяготении пришла к нему именно при таких обстоятельствах, то есть была вызвана падением яблока. Об этом пишет и Вольтер, ссылаясь на свидетельства родственницы Ньютона и ее мужа, который в своих мемуарах снова вспоминает об упавшем яблоке и о том, что именно оно и повлияло на ход мыслей ученого.

Конечно, эта история довольно интересна, но мы понимаем, что никакие яблоки, груши или… кокосы, которые падают, не приведут к научному открытию, если человек не занимается научным исследованием окружающего мира и процессов, в нем происходящих!

Движение планеты вокруг Солнца

Вернемся к Ньютону. На самом деле он задавался вопросом, как Луна движется вокруг Земли. Ученый рассчитал ускорение, с которым это движение происходит, и сопоставил его с расстоянием, на котором находится Луна. Кроме того, Ньютон понял, что, если бы прекратилось движение Луны по инерции вокруг Земли, она упала бы на Землю. А если бы прекратилось притяжение Земли, то Луна полетела бы в космическое пространство. Таким образом, Ньютон пришел к выводу, что Луна удерживается на своей орбите силами притяжения. То же происходит и с Землей и другими планетами, которые вращаются вокруг Солнца.

Пусть никто не думает, что великое создание Ньютона может быть ниспровергнуто теорией относительности или какой-нибудь другой теорией. Ясные и широкие идеи Ньютона навечно сохранят свое значение фундамента, на котором построены наши современные физические представления.

Альберт Эйнштейн

Ньютон назвал открытые им силы всемирными – они являются универсальными, относящимися ко всему, что имеет массу. Ньютон записал, что «тяготение существует для всех тел и пропорционально массе каждого из них».

Для этих сил нет препятствий, от них невозможно отгородиться. При этом чем больше расстояние между взаимодействующими телами, тем меньше по значению становится эта сила. (Такую зависимость называют законом обратных квадратов: при увеличении расстояния, например, в два раза, сила уменьшается в четыре раза, а при увеличении в три раза – сила уменьшается в девять раз и т. д.).

В современной физике эти силы называются гравитационными. Действие их простирается, непрерывно уменьшаясь, практически на бесконечные расстояния.

Именно в результате действия гравитационных сил из гигантского газопылевого облака образовались планеты, в том числе и наша Земля. Благодаря гравитационным силам самые крупные и массивные небесные тела сжимались, потом разогревались и становились горящими звездами. А также, благодаря, прежде всего, гравитационным силам развитие и жизнь каждой звезды может закончиться по-разному: либо вспышкой сверхновой звезды, либо превращением в черную дыру…

Эти силы имеют огромное влияние на все, что происходит на Земле. Мы уже привыкли к тому, что выпущенное из рук тело падает вниз, как падает вниз и вода в водопаде, и те же спелые яблоки с дерева… Однако следует подчеркнуть, что с точки зрения физики можно с полным правом сказать, что именно Земля падает на яблоко, потому что гравитационными силами притяжения действуют друг на друга оба тела: яблоко на Землю, Земля – на яблоко.

Благодаря гравитационным силам удерживаются на поверхности Земли океаны воды и у ее поверхности – воздушный океан, атмосфера. Гравитация не только удерживает около Земли людей, животных, воду и воздух, она еще и сжимает их. Сам земной шар сжат гравитационными силами до колоссального давления: возможно, в центре Земли давление превышает три миллиона атмосфер.

Существующие на планете приливы и отливы связаны с гравитационными воздействиями Солнца и Луны, причем из-за того, что небольшая Луна находится существенно ближе к нам, чем Солнце, ее влияние наиболее заметное.

Все мы также притягиваемся ко всем объектам вокруг нас, но из-за зависимости сил притяжения от массы существенным становится наше притяжение именно к Земле, а не, например, к именинному пирогу, стоящему на столе (конечно же, если не говорить о «негравитационном» желании отведать кусочек…).

Сравните: сила притяжения между девочкой массой 45 кг и Землей составляет около 441 Н, а сила притяжения между этой же девочкой и пирогом массой 1 кг, который находится на расстоянии одного метра от нее, – всего 300 10^-11 Н!

Гравитационные силы, существующие между космическими объектами, являются огромными именно из-за того, что космические объекты – планеты, звезды, галактики – очень массивные. Например, сила притяжения между Землей и Луной составляет примерно 2 -10²⁰ Н, а сила притяжения между Землей и Солнцем – 3,5 -10²² Н, и это при том, что Солнце находится гораздо дальше от Земли, чем Луна (среднее расстояние Луны от Земли равно примерно 384 тысячам километров, а среднее расстояние от Земли до Солнца – около 150 миллионов километров!).

Самые крупные планеты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Нептун – имеют наибольшее количество спутников, да еще и кольца. Все это тоже является проявлением гравитационного притяжения: наиболее массивные объекты оказывают наибольшее гравитационное воздействие. Однако малые планеты – астероиды – не в состоянии своим гравитационным притяжением удержать даже газовую оболочку – атмосферу.

Именно из-за наличия гравитационного притяжения телу, чтобы оно могло покинуть определенный космический объект (планету, звезду), нужно приобрести достаточно большую скорость. Например, чтобы тело взлетело над Землей и стало ее искусственным спутником, ему нужно придать первую космическую скорость – примерно 7,9 км/с. А для того, чтобы тело (например, космический корабль) смогло улететь к другой планете, то есть выйти за пределы земного притяжения, ему нужно придать скорость уже 11,2 км/с (вторая космическая скорость). Наконец, чтобы выйти за пределы Солнечной системы, телу нужно придать скорость 16,6 км/с (третья космическая скорость).

Заметим, что приведенные выше значения космических скоростей справедливы именно для полета с поверхности Земли, масса которой 5,98 10²⁴ кг. Для других тел Солнечной системы эти значения будут иными из-за других значений их массы, а следовательно, и другого гравитационного притяжения.

В свое время известный английский писатель Герберт Уэллс в романе «Первые люди на Луне» предложил интересную фантастическую идею, которая якобы позволит путешествовать с планеты на планету. Герой его книги изобрел особое вещество, которое обладает замечательным свойством: непроницаемость для сил тяготения. Если такое фантастическое вещество (его назвали кеворит) разместить под каким-нибудь телом, то это тело освободится от притяжения Земли и будет находиться под действием притяжения только других тел.

В романе герои сооружают специальный небесный корабль, на котором осуществляют полет на Луну. Этот корабль не имеет ни двигателя, ни горючего. Во время полета путешественники открывают или закрывают специальные заслонки, покрытые слоем кеворита, и таким образом осуществляют маневры в пространстве.

К сожалению, такие путешествия не могут осуществиться, потому что отгородиться от гравитации невозможно!..

Как оказаться в невесомости

Слово «невесомость» у многих из вас, наверное, вызывает какие-то космические картины: полет на межпланетной станции, плавание по отсекам космического корабля и т. д. Мы вас немного разочаруем, ведь в невесомости можно оказаться и на Земле, даже не обязательно лететь куда-то к далеким звездам или находиться на околоземной орбите.

Но что же такое вес тела и его отсутствие? Попробуем немного в этом разобраться. Через силу гравитационного притяжения мы притягиваемся к Земле и обычно обнаруживаем, что между нами и землей что-то есть. Это может быть стул или пол, кресло или что-то другое. Притягиваясь к Земле, мы с определенной силой действуем на то, что находится под нами. Эту силу в физике и называют весом.

Любое тело, на которое действует земное притяжение, в свою очередь действует на другие тела, сжимая или растягивая их. Сила, с которой определенное тело действует на опору или подвес, называется весом.

Когда говорят, что вес стола 200 Н, имеют в виду то, что этот вес – сила, с которой стол действует на пол.

Заметьте, что здесь между языком физики и нашим обычным языком есть разница! В быту, когда мы говорим о весе тела (например, покупая что-то в магазине), то чаще всего имеем в виду массу тела; то есть в быту масса и вес – синонимы. А вот в физике вес – это сила, и эта сила, в отличие от массы, измеряется в ньютонах!

Теперь, когда мы уже это знаем, придумаем ситуацию с отсутствием веса.

Например, чтобы развлечь своего любимого котенка вы подвесили на нить конфету. Играя, котенок разорвал нитку, и конфета полетела вниз. Действует конфета на разорванную нить во время своего падения? Практически нет. Вот это отсутствие воздействия на нить и означает отсутствие у конфеты веса! При этом на космическую орбиту нашу конфету вместе с котенком мы не выводили!

Так же можно избавить тело от веса, если оно будет падать на землю вместе со своей опорой: при падении тело не давит на опору, и, следовательно, не имеет веса.

В наших примерах мы применили одно важное физическое положение, касающееся особенностей падения тел. Еще Галилей открыл, что притяжение одинаково действует на любые тела. Бросая со знаменитой наклонной Пизанской башни различные предметы, он пришел к выводу, что Земля одинаково изменяет скорости падающих тел. В физике говорят, что тела падают на землю с одинаковым ускорением (ускорение – это величина, показывающая, как со временем меняется скорость). Но когда это открытие произошло?

До сих пор точная дата этого открытия оставалась неизвестной. Считалось, что это произошло после того, как Галилей поселился в Пизе, после 1590 г., но до того, как еретиком-ученым заинтересовалась инквизиция (из-за его утверждения о том, что Земля вращается вокруг Солнца), то есть до 1632 г. Вот в этом почти полувековом интервале времени и было сделано открытие!

Сохранилось довольно много рукописей Галилея, в которых он «предусмотрительно» не указывал даты. Но не подумайте, что точную дату открытия определили, измерив каким-то современным методом (например, радиоуглеродным) точный возраст чернил или бумаги (к сожалению, точность имеющихся у нас методов для этого недостаточна). Выход нашелся, и он оказался более интересным и даже детективным.

Исследовав имеющиеся рукописи Галилея с помощью методов спектрального анализа, ученые установили, что он в течение 42 лет пользовался 20 видами различных чернил. Кроме научных записей, ученый вел и расходные книги, в которых, естественно, проставлял даты. Оказалось, что чернила, которыми записано описание экспериментов на Пизанской башне, те же, какими он делал записи о доходах и расходах в домовой книге в 1604 г. Отсюда и сделали вывод, что и открытие было сделано в том же году.

Вернемся к невесомости. Теперь нужно ради физической точности признаться в одном важном предположении, о котором мы еще не сказали.

Дело в том, что не всякое падение тел можно считать состоянием невесомости. Невесомость соответствует состоянию так называемого свободного падения, когда на тела ничего, кроме силы тяжести, не действует. В таком случае падение в воздухе, когда действуют силы сопротивления воздуха, не является, откровенно говоря, свободным падением. Однако наша конфета, которую оторвал от нити котенок, находилась почти в невесомости, потому что в тех условиях силы сопротивления воздуха очень малы. Вот если бы конфета была… на парашюте, тогда ни о какой невесомости и говорить нечего.

«Ньютонова гора» – прогнозирование возможности создания искусственного спутника Земли

Из вышесказанного следует, что невесомость космического корабля, находящегося на орбите, связана с состоянием его падения на Землю или на другую планету, вокруг которой он движется. Когда-то еще Ньютон предложил способ, которым можно превратить тело в спутник Земли: нужно придать телу такую большую скорость, чтобы оно не упало на планету, а вышло на круговую орбиту вокруг нее.

Когда космический корабль (с выключенными двигателями!) находится на заданной орбите над Землей, то он и все тела внутри него находятся в состоянии падения, двигаясь с одинаковым ускорением. Таким образом, это и будет для всех этих объектов состоянием невесомости.

Чтобы будущих космонавтов подготовить к космическому полету, их тренируют на специальном самолете: «роняют» на несколько секунд вместе с самолетом с выключенными двигателями, чтобы люди ощутили то состояние, в котором им предстоит потом находиться достаточно долго.

Итак, невесомость действительно можно почувствовать на космической орбите. Однако приблизиться к такому состоянию можно и в земных условиях, если уменьшить воздействие на определенное тело всех других тел (в сравнении с действием Земли) и сделать так, чтобы тело и его опора (подвес) падали на Землю с одинаковым ускорением.

Как у физиков «появилось» атмосферное давление

Имя Эванджелисты Торричелли (1608–1647) навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и создавшего первый барометр.

До середины XVII в. считалось бесспорным утверждение древнегреческого ученого Аристотеля о том, что вода поднимается за поршнем насоса потому, что «природа не терпит пустоты». Однако при сооружении фонтанов во Флоренции обнаружилось, что всасываемая насосами вода не желает подниматься выше 34 футов. Удивленные строители обратились за помощью к Галилею, который пошутил, что, вероятно, природа перестает бояться пустоты на высоте более 34 футов, но все же предложил разобраться в этом своим ученикам.

Эванджелиста Торричелли

Трудно сказать, кто первым догадался, что высота поднятия жидкости за поршнем насоса должна быть тем меньше, чем больше ее плотность. Поскольку плотность ртути в 13 раз больше, чем у воды, высота ее поднятия за поршнем будет во столько же раз меньше.

Подобный опыт, проведенный Вивиани по инициативе Торричелли, предоставлял возможность «перейти» с уличной площадки в лабораторию, что и было сделано.

Осмысливая результаты эксперимента, Торричелли делает два вывода: пространство над ртутью в трубке является пустым (позже его назовут «торричеллиевой пустотой»), а ртуть не выливается из трубки обратно в сосуд потому, что атмосферный воздух давит на поверхность ртути в сосуде.

Из этого следовало, что воздух имеет вес! Это утверждение казалось настолько невероятным, что не сразу было принято учеными того времени.

Заметим, что о результатах своих опытов Торричелли сообщил своему другу М. Риччи, который жил в Риме. Хотя это письмо не было напечатано, оно разошлось в списках по всей Европе и вызвало появление работ других авторов (в том числе Б. Паскаля, О. Герике, Р. Бойля).

В своем письме Торричелли рассказывает: «…Я уже писал ранее, что занимаюсь разработкой определенного философского експеримента, имеющего отношение к пустоте, не для того, чтобы просто создать пустоту, а для того, чтобы сделать прибор, который показывал бы изменения в воздухе…»

Отсюда легко увидеть попытки создать то, что мы сейчас называем барометром – прибором для измерения атмосферного давления!

Дальше Торричелли пишет: «Мы живем, погруженные на дно океана воздушной стихии, о которой благодаря достоверным опытам известно, что воздух имеет вес, причем наибольшая его плотность – вблизи земной поверхности, где воздух имеет вес, составляющий примерно 1/400 веса воды». (Заметим, что значение, которое привел Торричелли, сейчас установлено с большей точностью.)

Таким образом, именно Торричелли дал нам понять, что воздух имеет определенную массу и действует с определенной силой – силой атмосферного давления, как говорят сейчас.

Открытие атмосферного давления и опыты с вакуумом способствовали разрушению одного из заблуждений – «страха пустоты». Устранение этой ошибки положительно сказалось на проведении дальнейших научных исследований.

В XVII–XVIII вв. опыты с пустотой вызывают большой интерес, наряду с учеными ими с увлечением занимаются и дилетанты. Появляются различные конструкции вакуумных поршневых насосов механического и ртутного типов.

Из опыта Торричелли позже родилась научная метеорология, однако окончательное признание его выводы получили лишь благодаря опытам замечательного французского математика и физика Блеза Паскаля.

Любознательный исследователь и по совместительству бургомистр Магдебурга Отто фон Герике тоже не остался в стороне от интересных свойств воздуха.

Он решил на опыте проверить возможность создания пустоты (вакуума), что привело его к изобретению воздушного насоса (1650 г.).

В 1654 г. Герике продемонстрировал с его помощью существование давления воздуха (знаменитый опыт с «магдебургскими полушариями»), определил его плотность, показал, что звук не распространяется в пустоте, что животные в безвоздушном пространстве гибнут и т. д.

Из-за занятости Герике часто не успевал собственноручно описать свои опыты, поэтому это делал с его разрешения профессор математики К. Шотт. Именно из книг Шотта другие ученые узнали об опытах Герике. Только в 1672 г. вышла в свет книга самого О. Герике «Новые, так называемые магдебургские, опыты о пустом пространстве». Этот труд стал одним из символов экспериментальной науки того времени.

Отто фон Герике

Книга знаменитого ученого содержала несколько разделов, представляющих интерес и сейчас. Один из них – «Первый опыт создания пустоты путем отбора воды». Герике описывал его так: пивная бочка сначала заполнялась водой и герметично закрывалась. К нижней части бочки была прикреплена металлическая трубка, с помощью которой можно было «отбирать» воду. Вода из-за своего веса должна опускаться и оставлять над собой в бочке пространство, свободное от воздуха.

Герике достаточно подробно рассказывает о первом неудачном опыте (лопнули железные болты и связи на бочке!) и о усовершенствованиях, которые пришлось сделать.

Опыт Герике

Далее Герике описывает устройство, предназначенное, по его словам, для создания пустоты. Исследователь объясняет, почему это сложно сделать:

«Поскольку воздух исключительно тонкое тело, он невероятно быстро проходит через все отверстия и заполняет промежутки, какими бы малыми они ни были, всегда определенное количество воздуха незаметно проходит мимо края поршней и через клапаны».

Подробно говорится в книге о воздушном подкачивающем насосе:

«Из описания этой машины четко следует, что с ее помощью создается пустота, и те трудности, которые обычно считались непреодолимыми, можно преодолеть».

Наиболее известными считаются опыты, которые Герике провел с «магдебургскими полушариями». Соответствующий раздел из его книги так и называется: «Опыт, показывающий, что из-за давления воздуха два полушария могут так крепко соединиться, что их не могут оторвать друг от друга шестнадцать лошадей».

Случайные открытия делают только подготовленные умы.

Блез Паскаль

Герике писал: «Я приказал изготовить два полушария (или чаши)… из меди. Они хорошо подогнаны друг к другу и имеют кран (скорее клапан), с помощью которого откачивается воздух, находящийся внутри, а доступ воздуха извне невозможен… Кроме того, чаши надо оснастить железными кольцами, чтобы цеплять к ним лошадей… Затем я приказал сшить кольцо из кожи и пропитать его воском и скипидаром, чтобы оно не пропускало воздуха.

После того как это кольцо было проложено между чашами, я прижал их друг к другу и быстро откачал воздух… Я убедился, с какой силой были соединены чаши, между которыми находилось такое кольцо. Прижатые окружающим воздухом, они соединились так крепко, что шестнадцать лошадей либо вовсе не в состоянии были их разорвать, либо могли это сделать с большим усилием. Когда, наконец, благодаря напряжению всех сил чаши удалось разъединить, то возник шум, похожий на звук ружейного выстрела».

Интересным и важным с точки зрения физики является то, что Герике на этом не остановился. Он показал, как можно измерить силы, прижавшие чаши (полушария) друг к другу! Вместо лошадей он использовал грузы, с их помощью можно разъединить чаши, между которыми нет воздуха. (При этом, конечно, вся эта система размещается вертикально.)

Измерение атмосферного давления

Одним из исторических опытов, доказавших существование атмосферного давления, был опыт Торричелли и Вивиани, о котором уже упоминалось. Этот опыт заключался в том, что заполненную ртутью и запаянную с одного конца трубку опускали в сосуд с ртутью. Часть ртути выливалась в сосуд, и так же, как в водяном насосе, над поверхностью ртути возникала пустота.

Опыт Торричелли

При этом заметили, что высота столбца ртути не зависит от формы трубки и объема пустоты над поверхностью ртути. Отношение высоты, на которую поднимается ртуть, к высоте, на которую в подобном опыте поднимается вода, равно отношению плотности воды к плотности ртути.

Результаты подобного эксперимента убедили не всех. Но постепенно, после многократного его воспроизведения, представление о возможности пустоты и существования атмосферного давления стали общепризнанными.

К делу подключился выдающийся философ, математик и физик Блез Паскаль (1623–1662).

Паскаль предположил, что высота подъема ртути в трубке Торричелли должна измениться на высокой горе, так как там давление атмосферы меньше.

Прибор для измерения атмосферного давления – барометр-анероид

По указаниям Паскаля его родственник Ф. Перье провел необходимый эксперимент 19 декабря 1648 г., поднявшись на гору Пюи-де-Дом. Он установил, что существует заметная разница между высотой столба ртути у подножия горы и на ее вершине – 84 мм.

Паскаль потом сам провел подобный эксперимент в Париже – в знаменитом соборе Нотр-Дам, а затем на башне Сен-Жак. Эти эксперименты подтвердили идеи Торричелли об атмосферном давлении и продемонстрировали возможность измерения этого давления.

Таким образом, можно утверждать, что из опытов Торричелли и Паскаля «вырос» прибор для измерения атмосферного давления – ртутный барометр. Появилась затем и единица измерения давления – миллиметр ртутного столба, которую применяют и сейчас. В Международной системе единиц именно в честь Паскаля единица давления носит его имя – Паскаль (Па).

Кроме жидкостных приборов (ртутного, водяного), для измерения атмосферного давления используют и другие – например, барометр-анероид.

Анероид, имеющий шкалу, по которой можно определить высоту поднятия над Землей, называют альтиметром (высотомером). Надо подчеркнуть, что принцип его действия тот же, что и у обычного барометра – с разницей только в шкале, которую предварительно градуируют в метрах (километрах) от поверхности земли. Альтиметр широко используют в авиации, парашютном спорте, альпинизме и т. д.

Перед тем как привести таблицу данных об атмосферном давлении на разных высотах, отметим, что эти данные соответствуют так называемой стандартной атмосфере. В тропосфере и стратосфере воздушной оболочки Земли плотность, давление и температура колеблются в достаточно широких пределах в зависимости от географической широты местности, времени года и времени суток, метеорологических условий. Для больших высот физические свойства воздуха очень зависят от солнечной активности. Поэтому для общего представления характеристик атмосферы и практических расчетов принята стандартная атмосфера – условное распределение плотности, давления и температуры в сухом чистом воздухе в зависимости от высоты над уровнем моря. Стандартная атмосфера основывается на многолетних статистических данных и содержит средние значения физических параметров воздуха.

Изобретения людей продвигаются вперед из века в век. Доброта же и злость людская в общем остаются теми же.

Блез Паскаль

Стандартная атмосфера устанавливает средние значения этих параметров для широты 45,4°, соответствующих среднему уровню солнечной активности. Начальные значения воздуха на уровне моря: температура 15 °C, давление 101 325 Па (760,0 мм рт. ст.), плотность 1,225 кг/м³.

Итак, давление атмосферы на разных высотах над поверхностью Земли:

Существует интересный исторический анекдот, определенным образом связанный с измерением давления на разных высотах. Кстати, эту историю рассказывал сам Эрнест Резерфорд – выдающийся физик, президент Лондонского Королевского общества, лауреат Нобелевской премии.

Как-то коллега обратился к Резерфорду за помощью. Он собирался поставить самую низкую оценку по физике одному из своих студентов, в то время как этот студент утверждал, что заслуживает высший балл. Оба, преподаватель и студент, согласились положиться на мнение третьего лица, незаинтересованного арбитра, выбор пал на Резерфорда.

Экзаменационный вопрос был таким: «Объяснить, каким образом можно измерить высоту здания с помощью барометра».

Студент ответил: «Нужно подняться с барометром на крышу здания, спустить барометр вниз на длинной веревке, а затем втянуть его обратно и измерить длину веревки, что и покажет точную высоту здания».

Случай был действительно сложный, поскольку ответ был полным и правильным! С другой стороны, экзамен был по физике, а в этом ответе было мало общего с применением знаний в этой области.

Студенту предложили попытаться ответить еще раз, при этом подчеркнули, что ответ должен демонстрировать знание физических законов.

Через пять минут он так и не написал ничего в экзаменационном листе, заявив, что у него есть несколько решений этой проблемы, и он просто выбирает лучшее.

Новый ответ на вопрос был таким. Надо подняться с барометром на крышу дома и… бросить его вниз, замеряя время падения. Затем, используя формулу h = (g · t²): 2, вычислить высоту здания. (В этой формуле g = 9,8 м/с² – ускорение свободного падения.)

Затем студент привел еще несколько способов определения высоты здания. Например, если день солнечный, то нужно сначала измерить высоту барометра, высоту его тени, а также измерить длину тени здания. Затем, составив достаточно простую пропорцию, определить высоту самого здания.

Еще один способ был таков. Нужно взять барометр в руки и начать подниматься по лестнице, прикладывая барометр к стене и делая на ней метки. Посчитав количество этих меток и умножив ее на размер барометра, можно получить высоту здания.

После описания еще нескольких способов студент предложил следующее: надо взять барометр, найти управляющего домом и сказать ему, что у вас есть замечательный барометр, и он перейдет в его собственность, если тот… назовет высоту этого здания.

Когда Резерфорд спросил студента – неужели он действительно не знает, как решить эту задачу, тот признался, что знает, но сказал при этом, что ему надоело, когда преподаватели навязывают ученикам свой способ мышления.

Студентом этим был Нильс Бор (1885–1962), будущий выдающийся датский физик, лауреат Нобелевской премии 1922 г.

Вот такая история. Видимо, она и в самом деле не только о барометре…

Исследования Паскаля

Значительный вклад в развитие гидростатики – раздела физики, в котором изучаются свойства неподвижной жидкости, – внес французский ученый Блез Паскаль, о котором мы уже упоминали.

Опыт Паскаля

По указанию Паскаля, прочную дубовую бочку доверху наполнили водой и наглухо закрыли крышкой. В небольшое отверстие в крышке вставили и закрепили конец вертикальной стеклянной трубки такой длины, чтобы ее верхний конец был на уровне второго этажа дома.

Выйдя на балкон, Паскаль начал наполнять трубку водой. Не успел он вылить и десятка стаканов, как вдруг бочка с треском лопнула. Ее разорвала довольно значительная сила. Паскаль уверен: сила, разорвавшая бочку, совсем не зависит от количества воды в трубке. Все зависит от высоты, с которой трубка была заполнена.

Далее раскрывается удивительное свойство воды – «передавать давление», создаваемое на поверхности воды, по всему объему внутри жидкости.

Так Паскаль приходит к открытию закона распределения давления в жидкости, который позже назвали его именем.

Кроме этого достаточно известного эксперимента, Паскаль проводил и другие. Он брал сосуд с отверстиями с одинаковым сечением в стенках и дне. В отверстия вставлялись трубки с поршнями. Когда сосуд наполнялся водой, то вода давила на поршни, которые удерживались прочными нитями.

Изучая истину, можно иметь троякую цель: открыть истину, когда ищем ее; доказать ее, когда нашли; наконец, отличить от лжи, когда ее рассматриваем.

Блез Паскаль

Чтобы измерить силу давления на каждый поршень, Паскаль прикреплял к ним нити, которые соединялись с помощью блоков с чашкой весов. Гири на другой чашке весов, удерживающие поршень в равновесии, показывали силу давления, действующую на поршень.

Эти опыты подтвердили, что давление на дно сосуда пропорционально плотности жидкости и высоте ее уровня от дна. Формула гидростатического давления, которую мы применяем для решения различных интересных задач, выведена именно из этих опытов: p = ρ · g · h.

Паскаль доказал также, что давление внутри жидкости передается во всех направлениях, не исключая и направления вертикально вверх. Для этого сосуд с водой плотно закрывали крышкой, имевшей два отверстия.

Каждую книгу нужно уметь читать.

Блез Паскаль

В отверстия вставляли одинаковые (по площади поперечного сечения) трубки, закрытые одинаковыми поршнями. Когда на один поршень клали гирю, то наблюдали, что поршень в другой трубке поднимался. Чтобы удержать поршень в другой трубке в равновесии, нужно было положить на него такую же гирю.

Если диаметр одного поршня по сравнению с диаметром другого поршня, был больше, например, в два раза, то для удерживания первого поршня в равновесии необходимо было положить гирю в четыре раза тяжелее, чем на поршень в узкой трубке.

Описывая эти опыты в своем «Трактате о равновесии жидкостей» (1654 г.), Паскаль писал:

«Сосуд, заполненный водой, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил по мере необходимости, поскольку таким образом человек может поднять любой предложенный ему вес».

Вы, наверное, уже догадались, что речь идет о гидравлической машине, которая широко применяется и в научных исследованиях, и в технике.

Кричал ли Архимед «Эврика!..»

О жизни знаменитого философа Архимеда из Сиракуз известно очень мало, а то, что известно, больше похоже на легенды. Однако, вероятно, эти многочисленные легенды дают соответствующие представления об этом выдающемся человеке.

Архимеда можно назвать инженером – ему приписывают около сорока изобретений, в том числе винт и полиспаст. Его можно назвать и математиком – им разработаны интересные геометрические методы, приемы вычисления поверхностей и объемов сложных фигур на основе простых. Подход Архимеда к физическим проблемам тоже часто базируется на геометрических доказательствах, в чем можно убедиться, например, ознакомившись с его трактатом «О равновесии плоских фигур, или О центре тяжести плоских фигур».

Сочинение «О плавающих телах» исследователи относят к наиболее поздним (некоторые даже считают его последним произведением Архимеда). Оно состоит из двух книг. В первой книге Архимед рассматривает вопросы, связанные с погружением твердых тел в жидкость, и формулирует закон, который сейчас есть в школьном учебнике по физике. (Интересно, что здесь Архимед рассматривает свободную поверхность жидкости как сферу.)

Во второй книге Архимед, считая поверхность жидкости плоской, рассматривает принцип действия ареометра[2] и условия равновесия в жидкости тел, имеющих особую форму – параболоида. Выводы Архимеда представляли интерес для судостроения.

А знаете ли вы, как в первоисточнике записаны формулировки этого положения, которое мы называем законом Архимеда? Прочитайте их:

«Тело более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела…

Тела более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильно, будут выталкиваться вверх силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный с телом объем, будет тяжелее этого тела…

Тела, более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут погружаться, пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела…»

Нам с вами, пожалуй, очень нелегко сейчас читать эти трудные фразы – стиль речи тех времен значительно отличался от современного. Согласитесь, что в вашем учебнике написано проще!.. Однако, все равно интересно заглянуть туда, в глубь веков, чтобы узнать, как шел путь познания, как рождалось новое знание…

В этом же произведении описана идея прибора для определения плотности жидкости (как сказали бы мы сейчас). Однако первый настоящий ареометр был изготовлен лишь в V в. н. э. Синезием.

Вернемся к закону плавания тел. Суть его в том, что на тело, погруженное в жидкость, в результате гидростатического давления действует сила, направленная вертикально вверх и численно равная весу воды, которую это тело вытеснило.

Одна из многочисленных легенд об Архимеде (кстати, ее рассказал Плутарх) связана с открытием этого закона. Сиракузский царь Гиерон поручил Архимеду выяснить, из чистого ли золота его царская корона. И вот якобы после долгих размышлений по этому поводу Архимед решил отдохнуть в ванной, где к нему и пришло решение проблемы: он собственным телом почувствовал действие выталкивающей силы. Воскликнув «Эврика!..» (что означает «нашел»), Архимед выскочил из ванны и побежал за короной, чтобы немедленно определить потерю ее веса в воде.

Потеря веса тела в воде равна весу воды, вытесненной телом. Тогда, зная этот вес воды, можно определить ее объем, равный объему короны. А зная вес короны, можно найти плотность вещества, из которого она сделана.

Никто точно не знает, было ли так на самом деле, однако научное содержание открытого Архимедом закона дошло до нас благодаря его книгам.

И сегодня методом Архимеда можно определять чистоту материалов, определять наличие примесей и их процентную долю.

На поверхности и в глубине: проявление и применение архимедовой силы

Закон Архимеда позднее стали применять для осознанного определения размеров и формы кораблей – раньше это делали, скорее полагаясь на интуицию и опыт, а не на расчеты. Известно, как в 1666 г. английский корабельный инженер Антони Дин спускал на воду построенный им корабль «Рупперт». На эту церемонию прибыл король Англии со всеми адмиралами своего флота. Всех их интересовало, насколько точными окажутся расчеты, которые сделал Дин, и сбудутся ли его предсказания относительно глубины, на которую погрузится корабль при спуске. Большинство присутствующих считали, что вода устремится через пушечные отверстия и корабль утонет. Однако расчеты инженера оказались точными, и корабль погрузился в воду именно на предусмотренную глубину.

Между прочим, не все даже через семнадцать веков были знакомы с законом Архимеда и его применением в кораблестроении. В частности, немецкий император Вильгельм II, считая себя знатоком и специалистом в кораблестроении, разработал проекты боевых кораблей. Когда эти проекты были переданы на рассмотрение итальянскому адмиралу Брину, он сказал, что эти корабли чрезвычайно красивые, но они имеют только один недостаток – как только их спустят на воду, они сразу же пойдут ко дну…

Знание действия силы Архимеда помогает сейчас подводникам. Задумывались ли вы над тем, как подводная лодка может плавать на разных глубинах? Ведь объем лодки не меняется, плотность воды практически не изменяется (в обычных морях и океанах), т. е. архимедова сила, действующая на лодку, является постоянной, однако лодка может всплывать на поверхность и погружаться в глубины.

Дело в том, что лодка обязательно должна иметь балласт (балластные цистерны с водой), благодаря которому лодка меняет свой вес.

Считают, что первая подводная лодка появилась в Англии в 1620 г. Эту лодку построил голландский врач Корнелиус ван Дреббель. Корпус лодки, изготовленный из дерева, сверху был покрыт промасленной кожей. Перед погружением водяной балласт принимали в специальные меха, роль силовой установки выполняла дюжина гребцов.

В 1776 г. были предприняты попытки применить подводную лодку в военном деле – одноместная подводная лодка «Черепаха» инженера Д. Бушнелла вмещала также и мину с 65 кг пороха.

Более оснащенной была известная подлодка американца Роберта Фултона, который в 1801 г. в Париже построил лодку «Наутилус». Интересно, что корпус этой лодки снаружи был похож на современные лодки (имел форму сигары), а кроме того эта лодка имела гребной винт и горизонтальные рули, с помощью которых регулировали глубину погружения. Бочонки с порохом, с помощью которых планировали взрывать вражеские корабли, Фултон назвал торпедами.

В 1834 г. подводную лодку сконструировал русский военный инженер Карл Андреевич Шилдер. Его лодку можно назвать первым в мире ракетоносцем, потому что на ней имелись пороховые ракеты.

Впрочем, оставим в стороне военные подводные лодки, хотя, безусловно, сейчас они очень большие, мощные и хорошо вооруженные. В морских и океанских глубинах плавают еще научно-исследовательские аппараты, которые называют батисферами и батискафами.

В 1934 г. Уильям Бииб опустился в батисфере на глубину 923 м. Его батисфера имела форму шара диаметром 1,5 м при толщине стенок 4 см.

Батисферы обычно связаны с надводным кораблем, а батискафы – это уже глубоководные аппараты для автономной работы.

Глубоководные обитаемые аппараты «Мир» – это настоящие научные лаборатории под водой. Они имеют телевизионные видеокамеры, фотооборудование, мощные осветители. С помощью манипуляторов можно отобрать пробы грунта, растений. Есть также специальные батометры для забора проб воды на разных глубинах. Аппарат имеет буровую установку для исследования скального грунта.

С помощью подводных аппаратов «Мир» был обследован легендарный корабль «Титаник», затонувший на глубине 4000 м. Видеокадры, сделанные этими аппаратами, вошли в знаменитый фильм Дж. Кемерона.

Отдых на Мертвом море

Вернемся из океанских глубин на поверхность. Знаете ли вы о существовании такого моря, в котором невозможно утонуть? Да, это Мертвое море, которое находится на границе между Иорданией и Израилем. Там очень интересно было бы на собственном опыте ощутить архимедову силу!

Дело в том, что Мертвое море очень и очень соленое, плотность воды в нем достигает 1160 кг/м³. Если человек купается в этом море, то он совсем ненамного погружается в воду. Это происходит именно благодаря огромной выталкивающей силе. Американский писатель Марк Твен, известный своим несравненным чувством юмора, так описывал купание в Мертвом море:

«Если поддерживать равновесие руками, можно преспокойно лежать на спине так, чтобы голова и ноги от колен до пят торчали над водой. Можно сесть, подтянув колени к самому подбородку и обхватив их руками, но быстро переворачиваешься, потому что здесь никак не удержать равновесия. Можно стать в воде и выше пояса остаться сухим, хотя глубина здесь больше человеческого роста. Но и так долго не простоишь – очень быстро вода вытолкнет на поверхность. Не пытайтесь плавать на спине, поскольку ступни вылезают на поверхность и отталкиваться можно разве что пятками. Пробуешь плавать на животе. Загребаешь воду, как колесный пароход, – и не двигаешься с места».

Следует отметить, что без всякого знания закона Архимеда спокойно плавают себе «несознательные» рыбы. Интересно, что средняя плотность их организмов очень мало отличается от плотности воды, поэтому сила тяжести, которая на них действует, уравновешена архимедовой силой. Вот потому водным животным не нужны такие массивные скелеты, как наземным.

Изменять свое положение и оказываться на другой глубине рыба может благодаря плавательному пузырю, который заметно сжимается грудными и брюшными мышцами. После этого у рыбы меняется объем тела (следовательно, и средняя плотность), из-за чего меняется архимедова сила. Это приводит к возможности регулирования в определенных пределах глубины погружения.

В природе нет ничего бесполезного.

М. Монтень

Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей. Этому способствуют воздушные пузырьки, которые находятся на концах разветвлений стеблей – они играют роль поплавков, стремящихся подняться вверх под действием силы Архимеда.

Интересно «применение» архимедовой силы морскими животными – сифонофорами. Они создают сложные колонии. На вершине колонии находится пузырь размером до 30 см, содержащий газ. С помощью этого пузыря вся колония держится в толще воды и движется. Газ вырабатывается особыми железами сифонофор.

Воздухоплавание

Полеты аэростатических аппаратов также основаны на законе Архимеда: если тело легче окружающей среды, оно движется вверх, а если тяжелее – вниз.

Начало воздухоплавания датируют 5 июня 1783 г. – в этот день братья Монгольфье – Жозеф Мишель и Жак Этьен – запустили в небо первый аэростат.

Наблюдая за облаками, изобретатели пытались разгадать природу их движения. Затем они пробовали создать «искусственное облако» – с помощью пара. Опыты с паром были неудачными, и тогда братья решили применить дым, образующийся при горении шерсти и сырой соломы.

Воздушный шар братьев Монгольфье (1782 г.)

Первый аэростат, запущенный в июне 1783 г., был сделан из холста, оклеенного бумагой и стянутого веревочной сеткой. Диаметр воздушного шара был примерно 11,5 м, а объем – 600 м³.

После этого полета аэростаты, наполненные горячим воздухом, в честь их изобретателей стали называть монгольфьерами.

В августе того же года французский физик Жак Шарль запустил аэростат собственной конструкции. Оболочка его шара была сделана из шелка, пропитанного каучуком и наполнена водородом. С тех пор аэростаты, которые работают на легком газе (водороде, гелии или светильном газе), иногда называют шарльерами.

Первый научный проект управляемого аэростата – дирижабля – создал в те же времена французский инженер Менье. Изобрететель предложил использовать воздушный винт, а оболочку сделать удлиненной, неизменной. Предполагалось, что управлять этим аэростатом можно будет с помощью руля. Внутри оболочки планировали поместить мягкие емкости с воздухом. Когда дирижабль поднимется вверх, атмосферное давление уменьшится, а водород расширится. Тогда воздух из мягких емкостей предстоит выпустить и таким образом уравнять давление. Во время спуска воздух нужно будет накачать снова. Так предполагалось обеспечить неизменность формы оболочки и постоянное давление в ней.

Реализовать свои идеи Менье так и не удалось, но через много лет его предположения были использованы другими конструкторами.

Только 23 августа 1852 г. французский механик Анри Жиффар поднялся в воздух на управляемом аэростате – дирижабле.

Значительный вклад в историю воздухоплавания внес немецкий генерал Фердинанд фон Цеппелин (1838–1917), который предложил дирижабль особой конструкции. Этот дирижабль имел жесткий алюминиевый каркас, бензиновые двигатели, вертикальные и горизонтальный рули.

Над Цеппелином смеялись, называя его воздушный корабль чудовищем из-за его больших размеров. Упорный труд Ф. Цеппелина все же привел его к успеху. Его воздушные корабли жесткой конструкции сыграли ведущую роль в дирижаблестроении, войдя в историю под названием «цеппелины».

Не следует считать, что время аэростатов уже отошло. В последние годы можно наблюдать их возвращение, но уже на основе современных технологий.

Современные воздушные шары

Дирижабль с паровым двигателем А. Жиффара (1852 г.)

Современные дирижабли используют для проведения геофизической разведки, наблюдения за состоянием окружающей среды, патрулирования крупных городов, картографирования, фото-, кино– и телесъемки.

Главным недостатком старых дирижаблей была повышенная пожароопасность из-за применения водорода. Сейчас эта опасность уменьшена благодаря использованию вместо водорода инертного газа гелия.

Некоторые специалисты считают, что в наше время полезно было бы применять дирижабли для доставки различных грузов, мачт, буровых вышек и т. п. Существуют проекты дирижаблей-санаториев. Пассажирские и туристические дирижабли тоже могли бы быть полезными.

Звук и его происхождение

Звуки окружали человека всегда. В далекие доисторические времена они помогали ему так же, как и живые существа. Благодаря им человек общался, ориентировался в пространстве, охотился и просто выражал свои эмоции. Шелест листьев в лесу, пение птиц, шум морского прибоя – эти естественные звуки человек сначала просто имитировал, а со временем появилась музыка.

Люди, пытаясь поставить звуки себе на службу, стали их изучать, создав науку о звуках – акустику.

Источники звука

Звук – это механические волны, которые воспринимаются ухом и распространяются в газах, жидкостях и твердых телах.

Человеческое ухо воспринимает как звук механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц (20 кГц). Продольные волны с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, а с частотой большей 20 кГц – ультразвуком.

Напомним, что когда частота колебания какого-то тела (например, подвешенного на нити шарика) составляет 1 Гц (герц), это означает, что за одну секунду тело осуществило одно полное колебание. Если частота колебаний равна 1000 Гц (или 1 кГц), то за одну секунду тело совершает 1000 колебаний.

Источниками звука являются разные колеблющиеся тела, например, натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Источником чистого музыкального звука является камертон.

Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающей среде (если это осуществляется в воздухе – то прежде всего – воздуху). Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа, при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разряжается.

Камертоны – устройства для создания музыкальных звуков

При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разряжает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны и т. д. Сжатие и разряжение слоев воздуха, прилегающих к пластине, передаются соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая до полного прекращения колебаний.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку и вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое человеком как звук.

Если сравнить частоты колебаний различных источников звука – от человеческих голосов до звуков музыкальных инструментов, то получим такую картину:

Распространение звуковых волн

Скорость распространения в пространстве звуковых колебаний (волн), зависит от плотности среды, в которой они распространяются, а также от температуры. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры.

Рассмотрите приведенную ниже таблицу, в которой представлена средняя скорость звука в воздухе при различных температурах:

Если посмотреть на значение скорости звука в воздухе на различных высотах от поверхности Земли, то можно заметить, что с высотой скорость звука уменьшается. Это связано не только с изменением температуры, но, прежде всего, с изменением атмосферного давления.

Для так называемой стандартной атмосферы температура на высоте 11–20 км постоянна и равна -56,5 °C, скорость звука на этих высотах составляет 295,07 м/с.

Скорость звука в жидкостях и твердых телах существенно больше, чем в воздухе, однако здесь тоже существует определенная зависимость от температуры:

Когда-то известный популяризатор науки Я. Перельман предложил поразмышлять над такой ситуацией: что произошло бы, если бы звук распространялся в воздухе не со скоростью 340 м/с, а гораздо медленнее – например, со скоростью 340 мм/с?

Он предлагает рассмотреть такую ситуацию. Сидя в кресле, вы слушаете рассказ вашего знакомого, который имеет привычку говорить, расхаживая туда-сюда по комнате. При обычных, существующих скоростях звука это нисколько не помешало бы вам слушать. Но при уменьшенной скорости звука вы ничего не поймете из речи вашего гостя: звуки, созданные ранее, будут догонять новые и «перемешиваться» с ними, – получится путаница звуков, лишенная всякого смысла!

Образование звуков

Голосовой аппарат человека и животных

Голосом называют совокупность различных по высоте, силе и тембру звуков, создаваемых человеком с помощью голосового аппарата. (Можно также говорить и о голосе животных, если они дышат легкими.)

Кто много говорит, тот говорит много глупостей.

П. Корнель

Голосом сопровождаются также рефлекторные движения мышц гортани (чихание, кашель и т. д.). Человек выражает голосом ощущения, чувства, мысли (крик, смех, плач, разговорная и вокальная речь). В создании звука участвуют дыхательные пути и полости (легкие, бронхи, трахея); система резонаторов усиливает звук.

Различная частота звуковых колебаний зависит от длины и напряжения голосовых связок, что, в свою очередь, обусловливается состоянием мышц гортани. Считают, что количество колебаний голосовых связок в секунду совпадает с количеством импульсов, поступающих от центральной нервной системы.

Высота голоса зависит от частоты колебаний голосовых связок, что, в свою очередь, обусловлено их длиной, толщиной и напряжением.

Сила голоса зависит от размаха колебаний голосовых связок, определяется силой напора выдыхаемого воздуха.

Голосовой аппарат человека

Механика создания звука у всех позвоночных, имеющих голос, практически одинакова. Во время дыхания воздух из дыхательных путей под действием выдыхательный мускулатуры, что создает в них повышенное давление, плавно и непрерывно проходит через широко открытую голосовую щель. При создании звука голосовая щель замкнута и голосовые связки напряжены. Щель открывается под давлением воздуха на короткое время. Через нее из дыхательных путей выходит лишь часть воздуха. После этого голосовые связки снова смыкаются и начинают колебаться. Ротовая и носовая полости играют роль резонаторов – они усиливают звук.

На рисунках показан общий вид голосового аппарата человека (1), общий вид связок (2), а также связки в спокойном (3) и напряженном (4) состояниях.

У бесхвостых земноводных, которые квакают, по внутренним краям черпаловидных хрящей расположены толстые складки, окружающие голосовую щель слизистой оболочки, в нижней половине которой расположены голосовые связки.

Среди пресмыкающихся, в основном неспособных издавать громкие звуки, настоящие голосовые связки имеют лишь гекконы и хамелеоны, у крокодилов они представлены мощными складками слизистой оболочки.

Чем отличается «ля» в исполнении Натальи Могилевской от «ля» в исполнении Русланы

Характерное свойство почти каждого источника звука – он не только создает простые периодические колебания (их называют чистый тон), но создает и сложные колебательные движения, дающие несколько тонов одновременно (их называют обертоны). Например, объект, который колеблется с основной частотой 500 Гц, может также образовывать обертоны с частотой 1000, 1500, 2000 Гц и т. д.

Когда такие сложные звуки воспринимает ухо, то возникает субъективное ощущение качества звука, которое называют тембром.

Тембр голоса обусловливается присоединением к основному тону добавочных тонов (обертонов), возникающих главным образом в резонаторной части голосового аппарата; индивидуальная тембровая окраска голоса позволяет нередко по голосу различать людей.

Запись колебаний фортепиано, соответствующих ноте «ля»

Одни звуки кажутся богатыми и полными, другие – таковыми не кажутся. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на аккордеоне или ином инструменте. Если, однако, суметь отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить!

Так же отличаются по тембру и голоса. Даже когда разные певцы будут петь одну ноту, наше ухо сможет различить их пение по тембру голоса и выяснить – это Наталья Могилевская или Руслана.

Вспомните, каким богатством тембров характеризуется звучание симфонического оркестра!

Большие художники прошлого – знаменитые скрипичные мастера Страдивари и Амати – тонко чувствовали голос и душу каждой созданной ими скрипки. Во многом это зависело именно от тембра звуков, рождаемых их превосходными инструментами.

Восприятие звука человеком

Приемник звука – ухо

Существует специальный раздел науки о звуке, посвященный закономерностям процесса восприятия звуков и строения языка, – физиологическая акустика. Основы физиологической акустики были заложены немецким физиком и врачом Г. Гельмгольцем.

Специалисты, работающие в этой области, изучают физику и биофизику восприятия человеком простых и сложных звуковых сигналов, исследуют формирование ощущений громкости и высоты звука, изучают причины проблем со слухом.

Слух зависит прежде всего от уха, воспринимающего звуковые колебания, от слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы, и от определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание выходных звуковых сигналов.

Рассмотрим подробно строение нашего уха. Ухо состоит из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего.

Наружное ухо представлено ушной раковиной и наружным слуховым проходом, на конце которого находится барабанная перепонка. Входное отверстие перепончато-хрящевого отдела наружного слухового прохода имеет индивидуальные особенности строения.

Строение уха

Среднее ухо состоит из барабанной пустоты, слуховой трубы, с помощью которой первая связана с носоглоткой; воздухонесущих клеток; барабанной перепонки и прикрепленнои к ней цепи слуховых косточек: молоточка, наковальни и стремени, связанных двумя мышцами. Соединенные все вместе, они с барабанной перепонкой образуют подвижную механическую систему восприятия звуковых колебаний.

В состав внутреннего уха (лабиринт) входят улитка и полукруговые каналы. К слуховому анализатору непосредственное отношение имеет улитка, а другие части внутреннего уха относятся к вестибулярному анализатору, который регулирует равновесие, перемещение тела в пространстве, координацию движений и т. д.

Большой вклад в акустические исследования внес талантливый венгерский физик и инженер Дьердь (Георг) Бекеши (1899–1972), который занимался в двадцатые годы прошлого века проблемой плохого качества связи по телефонным линиям.

С чересчур громким голосом в глотке почти невозможно иметь тонкие мысли.

Ф. Ницше

В результате, пройдя по всей цепочке передачи сигналов, ученый подошел к его концу, а именно к

приемнику – нашему уху. Выяснилось, что для того, чтобы наладить телефонные переговоры, необходимо прежде всего рассмотреть работу уха с технической точки зрения.

Ученый исследовал ухо, внимательно изучая работу каждой «детали». С этой целью он создал уникальные приборы и динамические модели внутреннего уха и, наконец, выстроил четкую систему того, как мы слышим звуки.

Это выглядит так. Звуки, которые улавливает, как рупор, наша ушная раковина, проникают по слуховому каналу к барабанной перепонке. Она посредством косточек среднего уха транслирует звуковые волны к мембране внутреннего уха. Там, в так называемой улитке, и передаются к нервным окончаниям уже разделенные на частоты внешние звуки. Причем нижняя ее часть улавливает звуки высоких частот, а верхняя – низких.

Длина улитки определяет диапазон частот, которые мы можем воспринимать, – как уже отмечалось, – от 16–20 до 20 000 Гц, а спиралевидная форма обеспечивает компактность в ее расположении.

Исследования, проведенные Бекеши и его преемниками, необходимы были еще и для того, чтобы помочь людям, лишенным слуха, и тем, кто имеет те или иные дефекты слуха.

За открытия, связанные с объяснением механизма слуха, Бекеши в 1961 г. был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине.

Границы звукового восприятия

Ранее уже неоднократно упоминалось, что существуют минимальная и максимальная частоты колебаний, которые может воспринять человеческое ухо как звук, – их называют пределами звукового восприятия.

Когда колебания происходят очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждую звуковую волну слышно отдельно и она не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук низкой басовой трубы органа.

От дальнейшего роста частоты воспринимаемый тон становится все выше. Когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает воспринимать звук.

Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). В этом диапазоне чувствительность так велика, что любое существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха.

По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям диапазона воспринимаемых частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается сначала физически, а потом уже становится слышным.

Есть люди, которые не слышат таких резких звуков, как пение сверчка или писк летучей мыши. Люди эти не глухи, – их органы слуха нормальные, и все же они не слышат очень высоких тонов. Джон Тиндаль (1820–1893) – знаменитый английский физик, который занимался акустикой, – утверждал, что некоторые люди не слышат даже чириканья воробья!

Многие насекомые (например, комар, сверчок) издают звуки, тон которых соответствует 20 тысячам колебаний в секунду, для одних людей эти тона существуют, для других – нет. Такие нечувствительные к высоким тонам люди наслаждаются полной тишиной там, где другие слышат целый хаос пронзительных звуков!

Высокие и громкие звуки

Звуки, имеющие большую частоту, воспринимаются человеком как высокие. Говорят, что высота звука – это его субъективная характеристика, поскольку она связана именно с восприятием каждым человеком.

Мы легко можем сказать, какое из насекомых чаще машет крыльями, если различить созданные этими колебаниями звуки: более писклявый, высокий звук соответствует большей частоте взмахов.

Также можно сказать, что громкость, которую мы воспринимаем, зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Существует определенная связь между громкостью и амплитудой колебаний источника звука: чем больше амплитуда, тем больше сила (интенсивность) звука, следовательно, и громкость.

Если вы, например, отведете гитарную струну на максимальное расстояние от положения равновесия, то вы заставите ее колебаться с большей амплитудой; звук, который при этом возникнет, будет наиболее громким. А когда вы отведете струну на маленькое расстояние, создаваемый ею звук будет восприниматься как тихий.

Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считают. На восприятие высоты звука в определенной мере влияет его сила, а на восприятие громкости – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения восприятия высоты, соответствующим образом варьируя его силу.

Особенности связи объективных характеристик звука (частоты и интенсивности) с субъективными (высотой и громкостью) очень важно знать всем тем, кто занимается звукозаписью, звукорежиссурой, разработкой оборудования и звукоусилительной аппаратуры для концертов и т. п.

А еще полезно будет узнать, что когда вы, например, увеличиваете громкость своего плейера в два, как вам кажется, раза, то реальная интенсивность звука увеличивается гораздо больше, и это может быть очень вредным для вашего здоровья!

Влияние шума на здоровье

Шум – это комплекс звуков, вызывающий неприятное ощущение или болезненные реакции. Степень воздействия шума на организм человека зависит от его возраста, слуховой чувствительности, а также от продолжительности действия и характера шума.

Шум мешает нормальному отдыху, вызывает заболевания органов слуха, способствует увеличению количеств других заболеваний, подавляет психику человека. Шум – такой же медленный убийца, как и химическое отравление.

Первые жалобы на шум, дошедшие до нас, можно найти у римского сатирика Ювенала (60—127). А в Англии еще в давние времена был издан королевский указ, запрещавший бить жен… в ночное время. В России во времена Екатерины II были отменены в столице сигналы – механические свистки, установленные на некоторых экипажах.

Современный шумовой дискомфорт во много раз больше, чем 100 лет назад, и он вызывает в живых организмах болезненные реакции. Например, шум от летящего реактивного самолета подавляет пчелу, и она теряет способность ориентироваться. Тот же шум убивает личинки пчел, разбивает яйца птиц, лежащие открыто в гнезде.

Транспортный или производственный шум действует и на человека – утомляет, раздражает, мешает сосредоточиться. Как только такой шум исчезает, человек чувствует облегчение и спокойствие.

Уровень шума характеризуют звуковым давлением, выражают в белах, а чаще в децибелах (обозначается дБ).

Шум в 20–30 дБ практически безвреден для человека. Это естественный шумовой фон, без которого невозможна человеческая жизнь. Для «громких звуков» допустимый предел примерно 80 дБ. Звук в 130 дБ уже вызывает у человека болевое ощущение, а в 150 дБ – становится для него невыносимым.

В Средневековье существовала казнь «под колоколом»: звук колоколов медленно убивал человека.

Посмотрите на таблицу, содержащую данные об уровне звукового давления в различных условиях, и сделайте выводы для себя!

Любой шум достаточно большой интенсивности и длительности может привести к различной степени снижения слуховой активности. Кроме частоты и уровня громкости шума, на развитие тугоухости влияют возраст, слуховая чувствительность, продолжительность и характер действия шума, целый ряд других причин. Болезнь развивается постепенно, поэтому особенно важно заранее принять соответствующие меры для защиты от шума.

Под влиянием сильного шума, особенно высокочастотного, в органе слуха происходят необратимые изменения. При высоких уровнях шума понижение слуховой чувствительности наступает уже через 1–2 года работы в таких условиях, при средних уровнях оно проявляется гораздо позже, через 5—10 лет.

Последовательность, с которой происходит потеря слуха, сейчас хорошо изучена. Сначала интенсивный шум вызывает временную потерю слуха. При нормальных условиях через день или два слух восстанавливается. Но если воздействие шума продолжается месяцами или, как это бывает в промышленности, годами, восстановление не происходит, и временное нарушение порога слышимости превращается в постоянное.

Сначала повреждение нервов сказывается на восприятии высокочастотного диапазона звуковых колебаний (4000 Гц или выше), постепенно распространяясь на более низкие частоты. Высокие звуки «ф» и «з» становятся неслышными. Нервные клетки внутреннего уха оказываются настолько поврежденными, что атрофируются, гибнут, не восстанавливаются.

Громкая музыка также притупляет слух. Группа специалистов обследовала молодежь, которая часто слушает громкую современную музыку. У двадцати процентов юношей и девушек слух оказался притупленным до такой степени, как и у восьмидесятипятилетних стариков!

Шум мешает нормальному отдыху и восстановлению сил, нарушает сон. Шум также влияет на зрительный и вестибулярный анализаторы, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторной деятельности.

«…Никакого шума я буквально переносить не могу; вчера во Флоренции и здесь сегодня каждый проезжающий экипаж, раздражает меня и доводит до бешенства. Каждый крик, каждый звук раздражает мои нервы…» – писал в ноябре 1877 г. П. И. Чайковский.

А сын Л. Н. Толстого писал в воспоминаниях об отце: «Когда он работал, к нему никто не смел входить, даже моя мать! Ему нужна была полная тишина и уверенность в том, что никто не прервет его занятий».

Для борьбы с шумом нужны, прежде всего, наличие соответствующих знаний и достаточный уровень культуры людей. Потому что именно это, а не только применение новых технологических материалов, может спонегативного влияния шума на здоровье! Надо понимать, что громкие звуки, которые вы лично считаете нормальными и приятными, для других людей являются чрезмерными раздражителями.

Впрочем, и о своем здоровье следует позаботиться: возможно, и для вас обычная громкость не является полезной!..

В настоящее время ведутся специальные исследования по изучению свойств веществ с точки зрения поглощения ими звука, разрабатываются и применяются специальные звукопоглощающие материалы.

Различные материалы можно характеризовать коэффициентом звукопоглощения, который показывает отношение поглощенной энергии звуковой волны к энергии падающей волны. Обнаружено, что этот коэффициент зависит от частоты звуковых колебаний. Например, ковер на стене характеризуется коэффициентом поглощения 0,08 для частоты 250 Гц и 0,21 для частоты 500 Гц.

Хорошими звукопоглощающими свойствами характеризуется вата: ее коэффициент поглощения от 0,35 (при частоте 125 Гц) до 0,55 (при частоте 1000 Гц).

Однако заметим, что сделать более тихой свою комнату или дом в целом можно достаточно простым способом: надо хорошо герметизировать щели в дверях и окнах, потому что именно через такие щели звуковые волны хорошо проходят извне внутрь.

Исследования показали, что и неслышимые звуки также опасны. Ультразвук, занимающий заметное место среди производственных шумов, неблагоприятно влияет на организм, хотя ухо его не воспринимает.

Пассажиры самолета часто испытывают состояние недомогания и беспокойства, одной из причин которого является инфразвук. Инфразвуки вызывают у некоторых людей приступы морской болезни. Даже слабые инфразвуки могут существенно влиять на человека, если их действие продолжительно. Некоторые нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызваны именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены.

Звук и слух в живой природе

Животные воспринимают звук не так, как человек. Каждый из видов имеет свой средний диапазон частот звуковых волн, на которые животное может реагировать.

Мы расскажем о тех животных, которых обычно выделяют из всего ряда тех, кто поет, и тех, кто слушает. Это, прежде всего, самые певучие создания – птицы; немые создания, по нашему восприятию, – рыбы. Невозможно не упомянуть и о домашней любимице – кошке.

Виртуозные музыканты

Птицы действительно самые виртуозные музыканты из всех животных. Дело в том, что они обладают достаточно оригинально устроенным «музыкальным инструментом». Как и у человека, голосовой аппарат птиц относится к духовому «музыкальному инструменту», потому что звук в нем создается благодаря движению воздуха, выдыхаемого из легких. При этом воздушная струя вызывает колебания упругих перепонок, что и порождает звуковые волны. (У человека такими перепонками являются голосовые связки, расположенные в гортани.)

Любой музыкальный инструмент, кроме источника звука, должен иметь один или несколько резонаторов для усиления этого звука. У человека такими резонаторами является глотка, ротовая и носовая полости, а также трахея.

Очень долго считали, что голосовой аппарат у птиц устроен таким же образом. Однако оказалось, что у пернатых певцов не одна гортань, а целых две: верхняя (как у млекопитающих) и нижняя, не характерная для других животных. Причем нижняя играет главную роль в создании звуков у птиц. Нижняя гортань устроена достаточно сложно и так заметно отличается у птиц разных видов, что ученые до сих пор бьются над выявлением механизма ее работы.

Птичья гортань имеет не один, как у млекопитающих, а два или даже четыре вибратора, работающих независимо друг от друга. Располагается эта система в нижней части трахеи, там, где трахея разветвляется на два бронха. Вот такой сложный голосовой аппарат у птиц, благодаря которому они исполняют свои виртуозные песни. Образование у птиц второй гортани в нижнем отделе трахеи дало возможность использовать трахею как мощный резонатор.

У многих птиц трахея сильно разрастается, увеличиваясь в длину и в диаметре. Увеличиваются в объеме и бронхи птиц. Движениями тела и натяжением специальных мышц птица может довольно сильно изменять форму всей этой сложной системы резонатора и таким образом управлять высотой звука и тембровыми свойствами своего голоса.

Ритмические характеристики звука зависят от работы верхней гортани, выполняющей роль своеобразного стоп-крана на пути звукового потока и работающей в рефлекторном содружестве с нижней гортанью.

Голосовой аппарат птиц (гортань вместе с резонаторами) по своим размерам занимает значительную часть тела, и особенно это характерно для небольших птиц. Поэтому до процесса пения вовлекается весь организм. Все тельце птички дрожит от напряжения, шейка вытянута, маленький клювик широко открыт, давая простор звукам, переполняющим птичью грудь. Пение целиком захватывает птицу!

В начале 1960-х годов в голосе птиц были обнаружены ультразвуковые обертоны, которые не воспринимает ухо человека. Они есть, например, в пении просянок, зеленушек и ряда других птиц.

Подобно истинным музыкантам, птицы для образования звуков не удовлетворяются только голосовым аппаратом, а используют и другие свои возможности: клюв, лапы, крылья и даже хвост. Всем известный дятел – отличный барабанщик. Для своих весенних зазывных концертов самец дятла использует как барабан всевозможные предметы: от сухого дерева до пустых консервных банок и кусочков железа.

Щелканьем клюва исполняют свою любовную серенаду аисты. Это же щелканье клювом на разный манер заменило у этих птиц и голосовое общение. Также общаются и различные хищные птицы (орлы, совы). Они издают этот звук как сигнал угрозы.

Достаточно интересен способ «пения хвостом», встречающийся у бекасов во время брачного полета. Звук образуется за счет вибрации рулевых перьев от встречного потока воздуха. Интересно, что звук, образуемый таким образом, удивительно напоминает блеяние барашка, из-за чего в народе эту птицу и назвали «лесным барашком». Многие птицы издают звуки с помощью крыльев, например, тетерева и глухари во время токования обязательно издают подобное хлопанье.

Однако основным источником звука у птиц все же является нижняя гортань. Возможности голосового аппарата птиц просто фантастические. Вспомним хотя бы прекрасных певцов – соловьев, канареек, жаворонков. В их пении заложена сигнализация для себе подобных. Но не только. В тонком рисунке песни, в ее силе закодирована информация, дающая самке представление о жизнеспособности возможного избранника, которого она ночью да еще и среди веток видеть не может.

Звуки птичьего пения нас очаровывают. Однако они предназначены вовсе не для человеческого уха. Их основная функция – помочь найти птице спутника жизни. Так почему же не подумать, что песня и у нее вызывает чувство, подобное человеческому, – чувство радости.

«Нем как рыба»

Рыбы издают множество звуков, так что вряд ли уместно называть подводное царство «миром безмолвия». Звуки возникают во время движения стай рыб; эти звуки обусловлены гидродинамическими шумами и трением движущихся сочленений скелета рыбы.

Звуки могут быть связаны с газовым обменом. Рыбы регулируют давление внутри плавательного пузыря и кишечника, проталкивая воздух и создавая процессы, подобные тем, что возникают в свистке. Возникают звуки и при захвате и перетирании пищи.

Ставрида, например, издает звуки, напоминающие собачий лай; морской налим урчит и хрюкает, рыба-барабанщик издает нечто напоминающее барабанный бой; звуки карпа похожи на треск, а речного окуня – на дробь.

Частотный диапазон звуков, создаваемых различными рыбами, лежит в пределах от 20–50 Гц до 10 000—12 000 кГц.

Звуки, которые издают колонии креветок, бывают такими сильными, что вызывают замешательство у экипажей подводных лодок, – на них даже объявляли боевую тревогу, решив, что наткнулись на противника. А косяки еще более мелких рачков – криля – благодаря обмену между ними звуковыми сигналами сохраняют удобный для плавания упорядоченный «шахматный» строй. Звуками различной частоты регулируется скорость движения и дистанция между соседями.

Почему мы не слышим голос рыб? Основная причина в том, что звуковые волны на границе вода – воздух почти полностью отражаются от нее и только один процент энергии звука пересекает границу. Но есть свидетельства, что голос рыб можно услышать. В частности, немало «поющих» рыб, а также «говорящих», в бассейне Амазонки. Среди них можно указать на крупного сома пирару – он издает звуки, напоминающие рев слона. Их можно услышать на расстоянии до 100 м!

Внешне мало примечательная рыба хараки во время нереста издает громкие звуки, похожие на звук мотоцикла. Пение китов-горбачей напоминает собой то кларнет, то волынку, то гобой. Причем киты поют не только в одиночку, но и «хором».

Рыбы, как и морские животные, способны, хотя и не в такой степени, к эхолокации, реагируют на инфраструктуры и ультразвуки. Для приема различных сигналов их организмы обладают тремя системами (гидрофонами), одна из которых – плавательный пузырь, используется как резонатор – усилитель звуков.

Интересен факт реакции, например, акул на звуки, которые создаются не рыбами. Подводный «грохот» или чириканье – это звуки достаточно высокой частоты. Когда под воду опустили излучатель, работающий на частоте 25 Гц, возле него неожиданно всего лишь за две минуты собралась целая стая акул. Что же их заинтересовало? С этой частотой, как оказалось, излучаются звуки, создаваемые при сокращении мышц, в том числе и рыбами.

Слух кошек

Наши домашние друзья кошки имеют много интересных особенностей. Поговорим только о тех из них, которые связаны со слухом.

Прямые ушные раковины, так же как и огромное количество нервных окончаний в слуховых нервах, наделили кошку превосходным слухом, необходимым ей для охоты. Уши кошек имеют 27 мышц и могут поворачиваться на 90°, что дает им возможность точно определить источник звука. Такие уши могут выполнять функции эхолокатора, что позволяет усиливать интенсивность звука.

Звуковой анализатор у человека может воспринимать звуки, частота которых лежит примерно в пределах от 20 до 20 000 Гц. У собаки он воспринимает звуки частотой до 40 000 Гц, а у кошки – до 55–65 000 Гц. Теоретически звуковой анализатор у кошки может воспринимать звуки частотой до 100 000 Гц. Среди всех наземных млекопитающих это доступно только летучим мышам.

Определенные звуки высокой частоты, то есть ультразвуки, прекрасно воспринимаются кошкой. Так, мыши «общаются» между собой с помощью ультразвуковых сигналов. Кошка способна расшифровывать «язык мышей», легко улавливать мышиные «переговоры», поэтому она всегда точно знает, когда мышь собирается покинуть свою норку.

Обладая таким диапазоном звуковой восприимчивости, кошки способны различать звук в 1/10 тона. Возможно, то, что кошки могут слышать более десяти музыкальных октав, и объясняет тот факт, что многие из них любят слушать музыку.

Кошки, даже когда спят, способны различать огромное количество посторонних шумов и выделять среди них определенный звук: их миски, стука или звонка в дверь. Благодаря тонкому слуху кошки могут отличить звук мотора одного автомобиля от другого. В большинстве случаев кошка способна различить два разных звука, источники которых расположены в метре от нее, на расстоянии 8 см друг от друга под углом 5°.

Для кошек очень характерны звуковые симпатии и антипатии. Каждый из нас может обнаружить, что кошка очень восприимчива к тону нашего голоса. Это может помочь нам контролировать поведение нашего питомца, хотя и не настолько, как скажем, собаки.

Кошка не любит крика, поэтому громко произнесенная команда может заставить ее прекратить свои занятия. Она мгновенно реагирует, когда ее зовут по имени, или на известный призыв «кис-кис», и, как правило, сразу появляется. Но если вознаграждения не будет, маловероятно, что она откликнется на ваш следующий призыв…

Ультразвук

Ультразвук – это продольные волны высокой частоты, начиная от 20 000 Гц. (Конечно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц.)

Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно.

Человеческое ухо не улавливает ультразвук, однако некоторые животные, например летучие мыши, могут воспринимать и излучать ультразвук. Частично воспринимают ультразвук грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Звуковые радары животных называют сонарами (от английского sound – звук). С их помощью животные могут ориентироваться в пространстве.

Природные сонары

То, что у дельфина очень развит слух, известно уже десятки лет. Объемы тех отделов мозга, которые «заведуют» слуховыми функциями, у него в десятки (!) раз больше, чем у человека (при том, что общий объем мозга примерно одинаков).

Дельфин способен воспринимать частоты звуковых колебаний в 10 раз выше (до 150 кГц), чем человек (до 15–18 кГц), и слышит звуки, мощность которых в 10–30 раз ниже, чем у звуков, доступных слуху человека.

Каким бы хорошим ни было зрение дельфина, его возможности ограничены из-за невысокой прозрачности воды. Поэтому основные сведения об окружающей обстановке дельфин получает с помощью слуха. При этом он использует активную эхолокацию: слушает эхо, которое создается при отражении звуков, издающихся им, от окружающих предметов. Эхо дает ему точную информацию не только о том, где находятся предметы, но и об их размерах, форме, материале. Другими словами, с помощью слуха дельфин воспринимает окружающий мир не хуже, или даже лучше, чем с помощью зрения.

Слух человека позволяет различать интервалы времени примерно от одной сотой секунды (10 мс). Дельфины же различают интервалы в десятитысячные доли секунды (0,1–0,3 мс).

Два коротких звуковых импульса отличаются друг от друга, если интервал между ними составляет лишь 0,2–0,3 мс (у человека – около 1 мс). Пульсации громкости звука вызывают ответы, когда их частота приближается к 2 кГц (у человека – 50–70 Гц).

Существуют и другие мощные природные сонары – это летучие мыши. Природа наградила их способностью издавать звуки с частотой колебаний выше 20 000 Гц, то есть ультразвуки, недоступные слуху человека. Локатор летучих мышей высокоточный, надежный и ультраминиатюрний. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз более эффективен, чем локационные системы, созданные человеком. С помощью такого ультразвукового «видения» летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволоку диаметром 0,12—0,50 мм, улавливают эхо в 2000 раз слабее посылаемого сигнала. На фоне множества звуковых помех они могут выделять звук в необходимом им диапазоне.

Летучие мыши издают и воспринимают звуки с частотой 50 000—60 000 Гц. Этим и объясняется их способность избегать столкновения с предметами даже при отсутствии зрения.

У летучих мышей ультразвуки обычно возникают в гортани, по строению напоминающей обычный свисток. Выдыхаемый из легких воздух вихрем проносится через нее и с такой силой вырывается наружу, словно он выброшен взрывом.

Давление воздуха, проносящегося через гортань, вдвое больше, чем в паровом котле! Более того, образуемые звуки очень громкие: если бы мы их улавливали, то воспринимали бы, как рев двигателя реактивного истребителя на близком расстоянии!

Не глохнут летучие мыши потому, что у них есть мышцы, которые закрывают уши в момент посылания разведывательных ультразвуков. Безопасность ушей гарантируется совершенством их конструкции: при максимальной частоте следования зондирующих импульсов – 250 в секунду – заслонка в ухе летучей мыши успевает открываться и закрываться 500 раз в секунду.

Поскольку скорость звука значительно превышает скорость движения даже быстрокрылых птиц, эхолокацией можно пользоваться и во время полета. Самым совершенным локатором обладают летучие мыши, развивающие во время охоты большую скорость, постоянно выполняя в воздухе фигуры высшего пилотажа. О качестве «локаторного» слуха свидетельствуют результаты охоты: эти маленькие хищники уже за 15 минут охоты на комаров, мошек и москитов увеличивают свой вес на 10 процентов. «Навигационный прибор» настолько точен, что в состоянии запеленговать микроскопически маленький предмет диаметром всего 0,1 миллиметра.

Дональд Гриффин, исследователь эхолокаторов летучих мышей (кстати, именно он дал это название), считает, что если бы не эхолот, летучая мышь, даже всю ночь летая с открытым ртом, поймала бы по закону вероятности одного-единственного комара…

Сонары есть и у других видов животных. Например, кашалоты, используют ультразвук для поиска скоплений глубоководных кальмаров. Сонар кашалота – это своеобразная «дальнобойная пушка», имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного.

Эхолокация обнаружена у птиц гуахаро, живущих в Америке. Их сонары менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц. Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. В пещерах, где живут гуахаро, очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные крики, напоминающие плач и стоны, которые почти невыносимы для непривычного уха.

Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы, живущие в Индонезии и на островах Тихого океана. У разных видов саланганов сонары работают на разных частотах: от 2000 до 7000 Гц. Интересно, что, когда птица сидит, ее эхолокационный аппарат не работает; локационные импульсы посылаются только в полете (при взмахивании крыльями). Не работает сонар саланганов и при свете.

Применение ультразвука в технике и медицине

Впервые идея практического использования ультразвука возникла в первой половине ХХ в. в связи с разработкой методов и приборов для обнаружения в глубине моря различных объектов: подводных лодок, рифов, подводных частей айсбергов и т. д. Это было вызвано прежде всего гибелью в 1912 г. суперлайнера «Титаник» и участием подводных лодок в военных операциях во время Первой мировой войны.

На практике для получения ультразвука применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на свойстве некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного или электрического поля, создавая при этом звуки высокой частоты.

Благодаря большой частоте ультразвук обладает особыми свойствами. Он сильно поглощается газами и слабо – жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мелких пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют ход процессов диффузии (взаимопроникновения двух сред друг в друга), существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций.

Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское применение. Сфера использования ультразвука очень обширна.

Так, широко известен метод гидролокации с помощью ультразвука. Без этого невозможно даже представить себе современное мореплавание. Пучок ультразвукового излучения можно сделать точнонаправленным и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. Подобной эхолокацией пользуются не только для измерения глубины океана и исследования рельефа морского дна, но и для поиска там посторонних предметов.

Современные эхолоты устроены так, что на специальной шкале загорается неоновая лампочка в соответствующей глубине моря под кораблем точке. Эхолот не только предупреждает о наличии скал и мелей, но и позволяет определить местонахождение корабля.

Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную структуру из мелких кристаллов. Это способствует также удалению из них газов, что повышает качество материалов. Ультразвук используют при закаливании сплавов, пайке и сверлении.

С помощью ультразвука можно дробить примеси и неоднородности в веществах. Он помогает также изготовить однородные жидкости в тех случаях, когда простым смешиванием это сделать невозможно (изготовление эмульсий и суспензий).

Важной областью применения ультразвука является так называемый неразрушающий контроль или ультразвуковая дефектоскопия. С помощью ультразвука определяют дефекты (трещины, пустоты, шлаковые примеси и т. д.) в глубине деталей и установок. Дефектоскопы обнаруживают внутренние расслоения и полости размерами в доли миллиметра.

С помощью ультразвука врачи и диагностики проводят обследование больных органов человека. Ультразвуковое излучение (в небольших дозах!) применяется в акушерской практике, когда обследуют женщину – будущую мать и ее еще не родившегося ребенка.

Обнаружено, что ультразвук оказывает разрушающее действие на определенные виды бактерий, что тоже нашло свое применение в медицине и бактериологии.

Инфразвуковые волны

Особенности инфразвука

Инфразвуком (от латинского infra – ниже, под) называют продольные волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже воспринимающих человеком частот.

За верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают частоты 16–25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона является неопределенной. Практический интерес могут иметь колебания от десятых и даже сотых долей герц.

Инфразвук присутствует в шуме воздуха, леса и моря. Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и пушечные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разных источников: взрывов, обвалов и транспортных средств.

Медуза – приемник инфразвуков

Для инфразвука характерно небольшое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или расположения стреляющего устройства.

Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность прогнозирования стихийных бедствий – цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, используют для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды.

Инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате образования вихрей за гребнями волн, называют «голосом моря». Вследствие того, что для инфразвука характерно небольшое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения зоны шторма, то «голос моря» может служить для того, чтобы заранее предупредить о приближении шторма.

Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. Оказывается, что медуза задолго до приближения шторма пытается укрыться на большей глубине. Причиной этого является то, что медуза способна уловить инфразвуковые волны частотой 8—13 Гц, которые появляются в воде за 10–15 часов до шторма.

У медузы есть специальные органы равновесия – статоцисты. Статоцист представляет собой пузырек, в котором находятся сферические известковые камешки (статолиты). Изменение положения тела медузы в воде сопровождается перемещением этих камешков, ощущаемых чувствительными клетками, которые размещены на стенке пузырька.

Основные источники инфразвуковых волн

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и росту интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека

Достаточно сильно влияют на человека продольные колебания с частотами ниже 16 Гц – т. е. инфразвук. Опасным считается промежуток от 6 до 9 Гц.

Действие инфразвука может вызвать у человека головную боль, снижение внимания и работоспособности и даже иногда нарушение функции вестибулярного аппарата, а также чувство тревоги и беспокойства. Инфразвук с частотой 7 Гц является смертельным для человека.

Значительные психотронные эффекты сильнее проявляются именно при частоте 7 Гц, которая соответствует так называемому «альфа-ритму» природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае становится невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот разорвется на мелкие кусочки.

Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, вызывая паралич, общую слабость, а иногда слепоту. Продольный мощный инфразвук способен повредить и даже полностью остановить сердце.

Инфрачастоты около 12 Гц при силе звука в 85—110 дБ вызывают приступы морской болезни и головокружение, а колебания частотой 15–18 Гц той же интенсивности вызывают чувство беспокойства, неуверенности и, наконец, панического страха.

Существуют описания исследований, которые в свое время проводил известный физик Р. Вуд. Он включал в театре во время представления инфразвуковой генератор, а затем наблюдал за реакцией людей. (По другой версии генератор «Неслышимая нота» включали на репетиции в театре с целью усиления сценического эффекта. Но этот эффект оказался настолько значительным, что режиссер не согласился на продолжение эксперимента!)

Физическое открытие ботаника Броуна

…Началась эта история в 1827 г. Почтенный хранитель ботанического отделения Британского музея мистер Роберт Броун поднял глаза от окуляра микроскопа и то ли с досадой, то ли с удовлетворением констатировал: «Опять те же самые!» В ярко освещенном поле зрения прибора взад и вперед сновали темные точки. Те, что были больше, двигались медленнее, не спеша меняли направление. Более мелкие – скакали хаотично, беспорядочно, бросаясь из стороны в сторону.

Ученый ботаник задумался: «Почему?» Только час назад он собрал в последний раз пыльцу со своих цветов, размешал ее в воде и капнул капельку на предметное стекло микроскопа. Час – это вполне достаточное время, чтобы частицы успокоились. А они продолжали быстро двигаться.

Обычно невозмутимый шотландец в волнении вышел из-за стола и принялся ходить по просторному кабинету. Куда подевалась неподвижность?.. И тут у него возникла идея – простая, как все гениальное. Почтенный ученый выскочил из кабинета…

Зажав в руке комочек глины, Броун заторопился обратно. Всю дорогу повторял он про себя условия эксперимента: «Глина – мертвая. Мертвая! В этом не усомнится никто! Значит, ее частицы, размешанные в воде, тоже будут мертвыми частичками. И если они останутся неподвижными под микроскопом…»

…В ярко освещенном поле зрения прибора хаотично сновали темные точки! Те, что были больше, двигались медленнее, мелкие – скакали беспорядочно, бросаясь из стороны в сторону. Неживые, – они хаотично двигались будто бы под влиянием чего-то невидимого.

Броун был настоящим ученым и, столкнувшись с непонятным явлением, добросовестно начал исследовать его. Он обнаружил, что в горячей воде частицы движутся быстрее, чем в холодной. Убедился в том, что их путь совсем случайный… Он сделал все, что мог, и вскоре с чистой совестью снова принялся за исследования растительных клеток. Ботаника – это было для него гораздо интереснее.

Кто же он, ботаник Броун, который своим открытием изменил представление о строении вещества?

Роберт Броун

Роберт Броун родился в 1773 г. в семье священника. Он изучал медицину в университетах Абердина и Эдинбурга, пять лет прослужил в английской армии офицером медицинской службы.

В 1798 г. президент Лондонского Королевского научного общества сэр Джозеф Бэнкс рекомендовал его на должность натуралиста на борту корабля «Investigator», отправлявшегося с исследовательскими целями к берегам Австралии. Во время этой экспедиции Броун собрал огромную коллекцию растений.

Ученый – это не тот, кто дает необходимые ответы, а тот, кто задает необходимые вопросы.

К. Леви-Стросс

По возвращении в 1805 г. в Англию Броун несколько лет посвятил классификации собранных в экспедиции растений, большинство из которых ранее не были известны науке.

В 1810 г. Дж. Бэнкс взял ботаника к себе библиотекарем. В 1820 г. Броун получил от него в наследство библиотеку и коллекции, которые в 1827 г. передал в Британский музей, где стал хранителем вновь созданного ботанического отделения.

В 1828 г. Броун опубликовал «Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп…», в котором описал открытое им движение частиц. Именно он описал ядро растительной клетки.

В 1827 г. Броун был избран почетным членом Петербургской академии наук. Умер Броун в 1858 г.

Роберт Броун был уверен, что он оставит след в истории ботаники, а получилось так, что его имя вошло в историю физики. Поэтому в физических справочниках можно прочитать:

«Роберт Броун (1773–1858), шотландский ботаник, открывший беспорядочное движение мельчайших частиц в жидкости или газе под влиянием ударов молекул окружающей среды, получившее название ”броуновское движение”».

Интересно, что на протяжении почти сорока лет не было правильного объяснения причин броуновского движения. Теория этого явления была создана благодаря работам А. Эйнштейна и М. Смолуховского только в 1905–1906 годах.

Вещество в различных состояниях

Мы знаем, что практически все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. (Четвертым состоянием вещества считают плазму.)

Все в природе является причиной, что вызывает определенный результат.

Спиноза

Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование вещества в нескольких агрегатных состояниях обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

Газ – это такое агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения частиц (молекул, атомов) газа значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.

Жидкость – это такое агрегатное состояние вещества, которое является промежуточным между твердым и газообразным. Для жидкости характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и приобретают форму сосуда. В то же время жидкость имеет только ей присущие особенности, одна из которых – текучесть.

Молекулы жидкости размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости намного больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости во всех направлениях одинаковы (говорят, что жидкость является изотропной), за исключением жидких кристаллов.

Тепловое движение молекул жидкости «состоит» из коллективных колебательных движений и скачков молекул из одних положений равновесия в другие. При наличии внешней силы, сохраняющей свое направление более длительное время, чем интервалы между скачками, молекулы перемещаются в направлении этой силы, что и приводит к текучести жидкости.

Твердые тела – это тела, находящиеся в таком агрегатном состоянии, которое характеризуется стабильностью формы и определенным характером теплового движения атомов. Это движение вызывает малые колебания атомов (или ионов)[3], из которых состоит твердое тело.

Структура твердых тел многообразна, но их можно разделять на кристаллы и аморфные тела.

В кристаллах атомы (или ионы) расположены в узлах так называемых кристаллических решеток и колеблются около них. Периодичность в расположении атомов приводит к сохранению такого порядка на больших расстояниях.

В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Аморфные тела изотропные, не имеют постоянной температуры плавления, текут.

Кристаллическая структура твердых тел зависит от сил, действующих между атомами и частицами. Одни и те же атомы могут образовывать различные структуры – например, серое и белое олово, графит и алмаз.

Известно, что некоторые вещества существуют в состояниях с разной атомной кристаллической структурой. Такая особенность называется полиморфизмом («поли» – много, «морф» – форма).

Одиночные кристаллы называют монокристаллами. У монокристаллов некоторые свойства являются анизотропными, то есть они зависят от направления в веществе. Естественная анизотропия – характерная черта кристаллов. Например, пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки вдоль определенной плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие).

Кристаллы горного хрусталя

Твердое тело, состоящее из большого количества маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Поликристаллические материалы являются изотропными.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором количество отрицательных и положительных зарядов практически одинаковы.

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и дальше, молекулы газа начнут распадаться на атомы, которые затем превращаются в ионы.

Еще недавно считали, что в состоянии плазмы находится основная масса вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Но сейчас в астрономии происходит настоящая научная революция: обнаружено, что большая часть вещества Вселенной – это так называемая темная материя, физические свойства которой еще предстоит исследовать.

У Земли плазма существует в виде солнечного ветра (потока заряженных частиц) и ионосферы. На поверхности Земли в природных условиях плазма появляется при вспышках молний. В лабораторных условиях плазма впервые появилась в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д.

Переходы вещества из одного состояния в другое сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств – механических, электрических, оптических, тепловых (плотности, теплопроводности и др.).

Так, вода, превращаясь из жидкости в лед, снижает плотность примерно с 1 до 0,9 г/см³ и удельную теплоемкость с 4200 Дж до 2100 Дж / (кг °С). (Удельная теплоемкость – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать телу массой 1 кг, чтобы изменить его температуру на один градус.)

Опыт показывает, что изменение агрегатных состояний вещества происходит при определенных температурах, причем с поглощением или выделением тепловой энергии. Например, чтобы расплавить кусок свинца при атмосферном давлении, нужно нагреть его до температуры плавления 327 °C

Человек познает сам себя только в той мере, в какой он познает мир.

И. Гете

и продолжать нагревание, пока свинец не расплавится. Только когда весь свинец перейдет в жидкое состояние, дальнейшее нагревание приведет к повышению его температуры.

Другой пример. Эфир интенсивно превращается из жидкости в пар (кипит) при температуре кипения 35 °C (атмосферное давление 760 мм рт. ст.). В процессе кипения его температура остается неизменной. Потребляемая веществом при плавлении или парообразовании тепловая энергия в основном расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами или атомами вещества. В случае обратных переходов из пара в жидкость или из жидкости в твердое состояние тепловая энергия выделяется.

Эти замечательные кристаллы

Мы встречаемся с кристаллическими телами повсюду. Кроме природных кристаллов, человек научился выращивать кристаллы с заданными свойствами, без чего невозможно представить себе современные технологии. Что же представляют собой кристаллы, каковы их особые свойства и чем они различаются между собой?

Иногда считают, что характерным свойством кристаллов является их внешняя правильная форма – естественная огранка. Но это не так, потому что формы различных кристаллов могут быть похожими между собой. Кроме того, большие кристаллические тела часто состоят из очень маленьких кристалликов, и о внешней форме всего тела (его называют поликристаллическим) говорить не приходится. Оказывается, что характерной особенностью кристалла является его атомная структура, правильное, симметричное, закономерное размещение атомов.

Довольно долго представления о внутренней структуре кристаллов были научной гипотезой. Теория строения кристаллов до конца XIX в. была уже разработана, но существование кристаллической решетки – правильного размещения атомов – еще предстояло доказать.

Айсберг

И когда в физике появились новые методы исследования строения вещества, связанные с открытием рентгеновского излучения, наконец-то стало возможным заглянуть внутрь кристалла. Немецкий физик МаксЛауэ (1879–1960) в 1912 г. предложил пропускать рентгеновские волны через кристаллы. Полученные картины (так называемые дифракционные спектры) предоставили возможность выявить закономерную, периодическую структуру кристаллов.

Кристаллы в природе

Кристаллы замерзшей воды – лед и снег – известны всем. Эти кристаллы почти полгода (а в полярных областях и на высоких вершинах гор – круглый год) покрывают необозримый простор, сползают ледниками, плавают айсбергами в океанах.

Ледяной покров реки, айсберг – это, конечно, не один большой кристалл, а поликристаллическая масса. Иногда отдельные кристаллики, из которых состоит довольно большая льдина, можно хорошо рассмотреть, потому что они имеют большие «иглы». Эти «иглы» могут достигать в длину 1–2 см.

А если всмотреться в утренний иней, также можно увидеть шестигранные иголочки – кристаллики льда. Есть исследователи, посвятившие жизнь изучению снежинок! Например, американец Бентлей более пятидесяти лет занимался фотографированием снежинок под микроскопом. Он составил атлас нескольких тысяч фотографий снежинок! Все они разные, но общим является наличие именно шести «лучей» в каждой из них, что связано с внутренним строением этих кристаллов.

К кристаллам относят и драгоценные камни: алмаз, рубин, сапфир, изумруд, горный хрусталь, гранат и другие. Наиболее ценными считают камни, найденные в природе. Крупнейшие алмазы имеют собственные имена: «Орлов», «Шах», «Африканская звезда», «Регент». Каждый из них имеет свою особую историю.

Огромный алмаз «Регент» был найден невольником, работающим на алмазных рудниках Южной Африки. Невольник захотел скрыть свою находку от надзирателей и, разрезав свою ногу, спрятал алмаз в ране. Матрос, который помогал невольнику сбежать, забрал у него алмаз и столкнул беглеца в море. Затем матрос продал камень за бесценок и вскоре умер. Алмаз переходил из рук в руки, пока не попал в казну королей Франции. Позже Наполеон носил его на рукоятке своей шпаги, как талисман.

Известный алмаз «Шах» содержит на поверхности имена своих владельцев с 1591 г. Этот алмаз был направлен персидским шахом русскому царю Николаю I как выкуп за убийство российского посла Александра Грибоедова – автора гениальной комедии «Горе от ума».

Алмаз «Шах»

Все окружающие нас кристаллы, не возникли мгновенно – они вырастали постепенно: будь то в природе или в лаборатории.

Твердая земная кора охватывает зону магмы – расплавленной каменной массы, насыщенной различными газами и перегретым водяным паром. Температура и давление в магме очень высоки. Во время ее охлаждения зарождаются все минералы и горные породы. В процессе такого охлаждения магмы – природного расплава – происходит процесс кристаллизации.

Естественную историю невозможно изучить в кабинете… – нужно самому в разных рудниках побывать.

М. В. Ломоносов

Внутри расплава начавшей охлаждаться магмы образуется много кристаллических зародышей, которые одновременно вырастают в маленькие кристаллики. Пока эти кристаллики совсем маленькие, они растут свободно, каждый вырастает в правильный многогранник. Увеличиваясь, они начинают мешать друг другу. Поэтому в процессе «борьбы» иногда «выживают» отдельные кристаллики или кристалл растет в одну сторону больше, чем в другую.

Растут кристаллы не только из расплавов, но и из растворов. Еще более пятисот лет назад древнерусские солевары научились добывать соль из солевых источников.

Вода в солевых озерах горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под воздействием солнца вода начинает интенсивно испаряться, из нее выпадают кристаллы солей. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро.

Грунтовые воды, насыщенные солями, испаряются под палящими лучами солнца, и поверхность земли покрывается соляной коркой. Бывает так, что солевые пласты, расширяясь, выдавливаются из земли и становятся на ребро.

Интересной природной лабораторией является Кара-Богаз-Гол – залив Каспийского моря, в котором концентрация солей в 15–20 раз больше, чем в самом море. В каждом литре воды залива растворено около 200 г солей, содержащих бром, калий, натрий и магний. Главной среди этих солей является мирабилит или глауберова соль, – ценнейшее сырье для стекольного производства и получения многих веществ, необходимых различным видам промышленности.

Находят залежи соли и под землей, поскольку в свое время они оказались под другими породами. Крупным центром залежей каменной соли является Артемовск на Донбассе – уже более ста лет там добывают соль.

Сталактиты и сталагмиты

Результатом кристаллизации подземных вод являются замечательные творения природы – сталактиты и сталагмиты.

Природная вода – это раствор многих солей, она растворяет породы, встречающиеся на ее пути. Когда капли воды просачиваются через породы и падают с потолка пещеры вниз, вода частично испаряется, оставляя на потолке вещество, которое было растворено в ней. Так постепенно образуется на потолке «сосулька» – сталактит. Эта сосулька состоит из кристалликов.

Так же образуется и встречная сосулька – сталагмит. В пещерах возникают замечательные колонны, витые гирлянды, арки, не оставляющие равнодушным никого из тех, кто их увидел.

Некоторые кристаллы могут создавать и живые организмы. Это, прежде всего, жемчужины, возникающие благодаря «работе» особых моллюсков. Когда в раковину такого моллюска попадает песчинка или другое инородное тело, моллюск начинает откладывать вокруг «пришельца» перламутр. Сейчас в Китае и Японии есть даже плантации, где специально разводят таких моллюсков, закладывая в их раковины зародыши будущих жемчужин. Это долгий труд – жемчужина необходимого размера создается в течение 7—10 лет!

К сожалению, кристаллы могут расти и в человеческом организме. Вы, наверное, слышали о камнях в почках и печени? Да, это тоже результат процесса кристаллизации!

Обнаружено, что кристаллы есть не только на нашей планете, но и на других небесных телах. Метеориты, которые упали на Землю и были исследованы учеными, тоже состоят из кристаллов.

Космические аппараты доставили на Землю образцы лунного грунта – в них тоже найдены кристаллические минералы и породы, похожие на земные.

Производство кристаллов

Современная наука и технология невозможны без исследования и создания материалов с заданными свойствами. Это прежде всего касается кристаллов. Дело в том, что природные кристаллы не могут в полной мере удовлетворить современное производство: они не всегда имеют необходимые размеры, содержат нежелательные примеси, часто неоднородны.

Фианиты – синтетические монокристаллы, известные как имитация бриллиантов

Есть кристаллы, которые в природе достаточно редки, а в технике пользуются большим спросом. Поэтому разработаны специальные лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда, рубина и др. Эти кристаллы применяются в точных приборах, в лазерах и многих других научных и технических устройствах. Много заказов на выращивание кристаллов дает и производство, связанное с компьютерной техникой.

Гигантскими фабриками искусственных кристаллов можно считать химические заводы, где производят различные соли, соду, химические удобрения и др.; на фармацевтических заводах синтезируют кристаллические лекарственные вещества; металлургические заводы выплавляют металлы.

Существуют и научно-технические комплексы, где выращивают и исследуют крупные кристаллы, каждый из которых стоит и ценится очень дорого. Одним из признанных лидеров этого направления является, например, научно-производственное объединение «Монокристалл» (Харьков), известное не только в Украине, но и далеко за ее пределами.

Эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся сейчас не только в земных условиях, но и на космических орбитах. Невесомость сделала возможным получение таких чистых веществ, которые до сих пор не удалось создать в земных лабораториях. Например, выращенные в космосе нитевидные кристаллы сапфира характеризуются высокой прочностью: они выдерживают давление, в десятки раз превышающее прочность таких же «земных кристаллов».

Биография термометра

Что такое термометр, мы знаем с детства. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерениях температуры – составляет целый раздел физики и уходит своими корнями в глубину веков?

Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал снижение или повышение температуры. Первые термоскопы (греч. «терме» – тепло, жар и «скопео» – смотрю) были построены еще до нашей эры в Древней Греции и в Древнем Египте. Работали они просто: при потеплении воздух внутри некоего шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры.

Чаще открытием называют ознакомление с новым фактом. Но я считаю, что в открытии главную роль играет идея, связанная с этим фактом. Любое экспериментальное начинание заключается в идее.

К. Бернар

Прибор Филона из Византии (примерно II в. до н. э.) представлял собой пустотелый шар со свинцовой трубкой, доходящей до его дна. Второй конец трубки был опущен в открытую емкость. В свинцовый шар наливали воду (до половины) и выставляли на солнце. Воздух расширялся, вытеснял воду из шара, и эта вода через трубку перетекала в открытую емкость. Когда прибор переносили в тень, воздух сжимался, и вода из сосуда снова переходила в шар.

Понятно, что физическое объяснение процессов, происходящих в этом приборе, не соответствовало нашим современным представлениям.

Термоскоп Галилея

Особого внимания заслуживает опыт Галилея с термоскопом, который он провел примерно в 1597 г. (некоторые историки считают, что это произошло раньше, примерно в 1592 г.).

Термоскоп Галилея был значительно проще по конструкции: это стеклянный шарик с припаянной узкой стеклянной трубочкой.

Термоскоп Галилея

Опыт был таков. Руками согревали колбу и опускали конец трубки в воду, налитую в открытую емкость. Затем, когда убирали руки с колбы, вода из чаши по мере остывания сосуда начинала подниматься в трубочку. К трубочке прикрепляли шкалу из бусинок, которые размещали произвольно.

Этот термоскоп позволял отслеживать повышение или понижение температуры на качественном уровне. Но так мы говорим сейчас.

Бенедетто Кастелли, который был учеником Галилея, писал в 1638 г.: «Этот эффект вышеупомянутый сеньор Галилей использовал при изготовлении инструмента для определения степени жары и холода».

Ранее никому и в голову не приходила мысль о возможности измерения степени тепла и холода, потому что считали: холод и тепло – это различные свойства, перемешанные в материи.

Кстати, не знакомый с работой Галилея врач Санкториус из Падуанского университета, который в то же время начал измерять температуру человеческого тела, создал термоскоп, очень похожий на термоскоп Галилея.

Флорентийские термометры

Для того чтобы превратить термоскоп в термометр, необходимо было продвинуться дальше в изучении тепловых явлений. Выдающийся ученый Р. Бойль (1627–1691) писал о термоскопах: «Эти термоскопы, подверженные влиянию атмосферы, а также тепла и холода, легко могут сбить нас с толку, если мы не будем определять другим прибором вес атмосферы».

Флорентийские термометры

Под весом атмосферы здесь подразумевалось атмосферное давление, а «другой прибор» – это барометр, который в 1644 г. изобрел Э. Торричелли (1608–1647). А сам Бойль открыл в 1661 г. зависимость между объемом газа и давлением при постоянной температуре. Таким образом, барометр и закон Бойля позволяли учитывать, как именно изменения давления воздуха влияют на показания термоскопа. (Кстати, во времена Галилея сама идея о том, что воздух может давить на землю, казалась просто дикой!)

Надо было создать термоскоп, которому не нужны поправки, связанные с атмосферным давлением. И он был создан!

Примитивный воздушный термоскоп Галилея ученик Галилея Э. Торричелли преобразовал в жидкостный (спиртовой) термометр. Его конструкция была существенно улучшена Торричелли и членами Флорентийской академии исследований (ее еще называют «Академия экспериментальных исследований») и оказалась настолько удобной для различных применений, что в XVII в. «флорентийские термометры» приобрели известность.

Они представляли собой герметично запаянную трубку, заполненную ртутью или спиртом. Об изменениях температуры свидетельствовало изменение в их уровне.

Эти термометры ввел в практику в Англии Р. Бойль, во Франции они распространились благодаря астроному Бульо (1605–1694), получившему в подарок такой термометр от польского дипломата.

С этих пор показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали общим увлечением; ими даже украшали комнаты, потому что они были очень красивыми. Но после флорентийских академиков так искусно изготавливать термометры уже никто не умел.

От термоскопа до термометра

Чтобы термоскоп стал термометром, следовало научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу.

Исследователь Отто фон Герике – магдебургский бургомистр, известный своим интересом к научным исследованиям, – создал собственный термоскоп, который можно считать предшественником термометра.

Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта в открытом колене плавал поплавок, а от него шла нить, перекинутая через блок. На конце нити была подвешена фигурка ангела, держащего в руке палочку, которой он показывал на деления шкалы, нарисованной на стене дома. Шар был окрашен в голубой цвет, на нем были нарисованы звезды и выведена гордая надпись «Perpetuum mobile» («вечный двигатель»).

За ноль Герике выбрал температуру… того осеннего дня 1660 г., когда были первые заморозки в городе Магдебурге!

Термометр Герике имел тот же недостаток, что и термометр Галилея, и назовем его термоскопом, потому что показания на нем зависели от атмосферного давления. Но попытка создать шкалу достойна внимания потомков!

Известно, что в 1701 г. И. Ньютон опубликовал работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой была описана двенадцатиградусная шкала. Ноль он поместил там, где находится точка замерзания воды, а 12 градусов соответствовали температуре здорового человека. Важно, что Ньютон достаточно четко говорил о температурной шкале.

Усовершенствовал конструкцию термометра немец Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686–1736), использовавший идею Олафа Ремера. Фаренгейт изготовлял ртутные и спиртовые термометры такой формы, какие применяются и сейчас. Успех его термометров объясняется тем, что он ввел новый метод очистки ртути, кроме того, перед запайкой он кипятил жидкость в трубке.

Современники Фаренгейта всегда удивлялись тому, что различные его термометры давали одинаковые показания. «Секрет» Фаренгейта заключался в том, что он очень аккуратно наносил деления шкалы, используя для этого всегда одни и те же «опорные» точки.

Его термометрическая шкала (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имела три фиксированные точки: нулевая точка соответствовала температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Точка кипения воды приходилась на 212 °Б (именно так обозначают температуру по шкале Фаренгейта).

Во Франции популярной стала другая термометрическая шкала, которую в 1740 г. предложил Рене Реомюр (1683–1757). Реомюр обнаружил, что применяемый в термометре спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды. На этом основывается предложенная им шкала – от 0 до 80 °Л..

Современная шкала Цельсия была создана в 1742 г. шведским астрономом и физиком Андрисом Цельсием (1701–1744).

Цельсий предложил стоградусную шкалу термометра, в которой за ноль градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы.

Когда начали использовать термометры, оказалось удобнее поменять на шкале местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал ботаник Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий преподавал астрономию), предложивший еще в 1738 г. за ноль температуры принять температуру плавления льда, но похоже, что он не додумался до второй реперной («опорной») точки.

Вообще существовало более десятка различных термометрических шкал. В России XVIII в. была распространена шкала Делиля, которую затем заменили шкалой Реомюра. Только в тридцатые годы ХХ в. в СССР шкала Цельсия вытеснила другие термометрические шкалы.

Приведем формулу, с помощью которой вы сможете переводить значение температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия:

где t – значение температуры по шкале Цельсия, а F – значение температуры по шкале Фаренгейта.

Позже, когда физики поняли, что температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул, стало очевидным, что температуру можно измерить даже в джоулях! Кроме того, пришли к выводу, что существует состояние, при котором температура вещества является самой низкой и уже ниже быть не может. Если выразить эту наиболее низкую температуру по шкале Цельсия, то ее значение будет -273,16 °C.

Из этого следует, что можно создать такую температурную шкалу, в которой это значение принимается за ноль, а все остальные находятся выше. Такая шкала называется абсолютной шкалой температур, или шкалой Кельвина (она названа так в честь выдающегося английского ученого Уильяма Томсона – лорда Кельвина).

Один градус по этой шкале равен одному градусу по шкале Цельсия. Таким образом, связь между значением температуры по шкале Цельсия и температуры по шкале Кельвина имеет следующий вид:

T = t + 273,

где Т – значение температуры по шкале Кельвина, а t – значение температуры по шкале Цельсия.

В заключение этого краткого обзора сделаем важное замечание. Температура – это такая физическая величина, которую невозможно измерять так же, как, например, длину, объем, массу. Поясним это следующим образом.

Длина ряда из нескольких палок равна сумме длин каждой из них. Измерение длины – это сравнение ее с определенным эталоном.

К температуре это применить невозможно. Например, если мысленно разделить нагретый стержень на несколько частей, то это не означает, что его температура равна сумме температур каждого куска! Недаром задача измерения температуры как физической величины решалась несколько веков!

Сейчас существуют десятки новых методов измерения температуры и в обычных, и в экстремальных условиях. Все они основываются на современных научных идеях и технологических достижениях.

Холодно и жарко

Температурные условия в разных уголках Земли, в околоземном пространстве, на звездах существенно различаются.

Взгляните на средние значения температуры земной атмосферы на разных высотах от поверхности Земли:

Температура вещества внутри Земли определена недостаточно точно, поэтому приведенные ниже данные являются ориентировочными (для того чтобы вы привыкли к шкале Кельвина, которой пользуются в Международной системе единиц, эта температура приведена именно в кельвинах):

А теперь сравните между собой некоторые значения температуры, которые встречаются в природе и технике:

температура горения соломы – 800 °C, дров – 1000 °C, антрацита – 1300 °C;

температура пламени газовой горелки 1600–1850 °C;

температура вольфрамовой нити лампочки накаливания – 2530 °C и выше;

температура газов в камере сгорания ракетного двигателя – 2200–3700 °C;

наиболее высокая температура, зарегистрированная на Земле в 1922 г. в Северной Африке – 58 °C; самая низкая температура, зарегистрированная на Земле (Антарктида, научная станция «Восток», 1960 г.), – 88,3 °C.

Жаркая пустыня

Холодная Антарктида

Тепловые машины

Прообраз двигателя

Как известно, тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Первым устройством для преобразования тепла в механическую работу могла быть паровая пушка «Архитронито» (в переводе – сильный гром). Описание этого прибора найдено в записях Леонардо да Винчи, который приписывает это изобретение Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не об известном всем Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду. Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем.

Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил. Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар имел две выступающие, расположенные диаметрально противоположно друг к другу, изогнутые трубки. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала. Выделявшийся пар, поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее посредством изогнутых трубок, вызывая вращение шара. Отметим, что это устройство было сделано только для развлечения: его назначение – быть просто интересной игрушкой.

Первая паровая машина – эолипил

Промежуток времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, был огромен.

Первые тепловые двигатели

Потребность в создании механизмов для откачки воды из шахт возникла в связи с интенсификацией добычи угля и минералов, вызванной резким ростом производства в ходе первой промышленной революции. На некоторых шахтах Великобритании количество лошадей, используемых для привода водоотливных колес, достигало 500 голов, а расходы на их содержание были огромными. Поэтому и появились первые двигатели.

Прототип паровой турбины (1629 г.)

Двигатель Христиана Гюйгенса (1629–1695) представлял собой цилиндр с поршнем, соединенным с механической тягой. На нижнюю полость цилиндра насыпали порох, сжигание которого приводило к падению давления воздуха и обеспечивало разность давлений на поверхности движущегося поршня.

Эта модель не нашла практического применения, хотя изобретение было действующим и имело признаки, присущие всем газовым двигателям. Именно начиная с двигателя Гюйгенса в энергетике появляются понятия цилиндр и поршень.

Первый двигатель Дени (Дениса) Папена (1647–1714) создавали как замену двигателю Гюйгенса, ассистентом которого Папен был в период с 1671 по 1674 год.

Дени (Денис) Папен

Папен установил, что после взрыва пороха в цилиндре остается до двадцати процентов исходного объема воздуха, и предложил заменить порох на воду, которая, испаряясь при нагревании, приобретает «эластичность (давление), подобную воздушной», а после охлаждения цилиндров создает «более совершенный вакуум», чем при применении пороха.

Паровой двигатель Папена

В двигателе Папена пар служит для получения разряжения под поршнем, а полезная работа осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Чтобы заставить поршень поднять груз, необходимо манипулировать стержнем, клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Однако сложность управления механизмом Папена привела к тому, что первым большое распространение получил паровой насос английского инженера Томаса Севери (1650–1715), предложившего использовать насос для откачки воды из шахт.

Принцип работы насоса был разработан с учетом опыта работы паровых устройств английского маркиза Эдварда Сомерсета.

Эдвард Сомерсет II, маркиз Уорчестерский, первым в Европе спроектировал и установил в своем имении «промышленную» водонапорную систему для фонтана (1664) и систему подачи воды в башни замка (1665).

Томас Севери

Насос Севери

Технологическую основу системы составляли два сообщающихся сосуда, в одном из которых образовывался нагретый пар, вытесняющий воду из второго сосуда до заданного уровня. Подпитывание водой парового и водяного сосудов осуществлялось вручную.

Насос Томаса Севери работал следующим образом.

На первом этапе рабочая емкость целиком заполняется паром. После отсоединения емкости от источника пара последний конденсируется, создавая разрежение, обеспечивающее всасывание воды в рабочую емкость после открытия приемного клапана. Затем приемный клапан закрывается и открывается напорный клапан, соединяющий емкость с источником пара. Давление пара котла вытесняет воду из емкости через отливной клапан вверх. В последних версиях насоса использовались две емкости, что обеспечивало непрерывность процесса откачки воды.

Английский механик Томас Ньюкомен (1663–1729), применив идеи Папена и Севери, создал в 1705 г. паровую машину для откачивания воды. Его устройство стало очень популярным на производствах, связанных с откачиванием воды из шахт.

Паровая машина конструкции Томаса Ньюкомена (1817 г.)

Принцип действия машины Ньюкомена был таков. Пар из котла поступал в цилиндр с поршнем и поднимал этот поршень. (Поршень через коромысло был связан с грузом, который уравновешивал его.) После впрыскивания в цилиндр холодной воды из специального резервуара пар конденсировался и поршень опускался. При этом с помощью коромысла груз поднимался, что давало возможность воде из шахты подниматься по трубе.

Универсальный двигатель Джеймса Уатта

В 1765 г. англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) создает первую действующую модель двигателя, рабочий ход которого обеспечивался не созданием вакуума, а избыточным давлением.

В период с 1765 по 1769 год Уатт создает последовательный ряд все более и более мощных моделей и в 1769 г. получает патент на свое изобретение. Несмотря на то, что первые двигатели Уатта были одностороннего действия (для шахтных подъемников не было необходимости обеспечивать полезную нагрузку обратного хода), преимущество перед двигателем Ньюкомена было очевидным – мощность двигателя определялась уже не только габаритами цилиндра, но и давлением пара.

С 1774 г. на заводе М. Болтона близ Бирмингема начинается выпуск насосов Дж. Уатта, представляющих модернизированный вариант насоса Ньюкомена.

Начало эпохи транспортного машиностроения относят к 1781 г., когда Уатт создает двигатель с вращающим моментом на валу, на котором впервые применяются механизм преобразования поступательного движения, регулятор частоты вращения и водомерное стекло на котле.

В 1784 г. Уатт создает первый двигатель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом, который на долгие годы стал основной энергетической установкой морских паровых судов. Таким образом машины Уатта могли не только откачивать воду, но и приводить в движение станки и корабли!

Кто же он такой – создатель двигателя Джеймс Уатт?

Джеймс Уатт

Детство и отрочество Джеймса проходили в тихом патриархальном шотландском городке Гринвок, находящемся в тридцати километрах от Глазго. Любовь к ремеслу ребенок унаследовал от отца, который работал на строительстве кораблей, а тягу к знаниям – от деда, преподавателя математики. В восемнадцать лет юноша отправился приобрести специальность в Глазго. Став учеником в мастерских, Уатт за первые два года получил квалификации чеканщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди – профессора Мюирхеда, молодой изобретатель поступает в университет Глазго, где он получает должность механика. Именно здесь он начал изучать, улучшать модели паровых машин. С тех пор тепловой двигатель стал главным содержанием его исследований.

Схема паровой машины Уатта (1775 г.)

О точной дате появления универсального двигателя историки спорят до сих пор. Однако на этот вопрос, наверное, и нельзя дать однозначного ответа, поскольку сам процесс создания изобретателем своего детища имеет большую продолжительность. Формальными ориентирами могут быть 1769 г., когда Уатт запатентовал первый вариант двигателя, и 1782 г., когда был внедрен в практику усовершенствованный образец.

Уатт легко сходился с людьми и как никто другой умел располагать их к себе. За короткий срок он приобрел в университете немало друзей и знакомых.

Но жизнь диктовала свои условия. Приходилось поддерживать отношения не только с учеными, но и с промышленниками, банкирами, членами парламента. Реальные владельцы капитала были необходимы Уатту. Безмерно устав от материальной нужды, уже широко известный изобретатель однажды с горечью признался: «Я предпочел бы стоять перед заряженной пушкой, чем иметь дело со счетами и сделками».

Финансовые трудности заставили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические исследования, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически невыгодный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, которого вскоре постиг полный финансовый крах.

Материальное положение Уатта улучшилось после того, как он вступил в деловые отношения с уже упомянутым бирмингемским промышленником Метью Болтоном. Но этому предшествовал один весьма интересный эпизод.

Российский царский двор и Академия наук знали, во что вкладывать деньги, и не жалели их, чтобы привлечь к себе талантливых европейских ученых. В золотой для науки век ученые ехали в Россию, а не из нее. И вполне естественно, что одним из тех, кто попал в поле зрения радетелей о благе российской науки и техники, был Джеймс Уатт. Предложенная ему оплата была и большой, и крайне ему необходимой.

Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет.

Б. Паскаль

Намерение Уатта уехать в Россию вызвало неслыханный переполох у него на родине. «Боже, – писал поэт Дарвин, дед известного натуралиста, – как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

Не высокие патриотические чувства, а экономический интерес и четкий расчет заставили англичанина Болтона сделать все возможное, чтобы Уатт подписал договор, подготовленный моторным заводчиком. Еще бы! Ведь согласно документу, две трети доходов от использования уаттовских машин на предприятиях промышленника шли последнему.

Существует мнение, что Уатт – инженер, изобретатель, конструктор, но не более того. Это совсем не так. Он был талантливым и эрудированным ученым, внесшим большой вклад в теоретические основы теплотехники. Он следил за тем, что уже сделано и что происходит в исследуемой им области. Уатт специально овладел немецким и французским языками – для чтения необходимых научных трудов. Из большого теоретического наследия Уатта можно выделить три главных направления его поисков: исследование свойств воды и водяного пара, изучение теплоты парообразования, определение взаимосвязи между давлением и температурой водяного пара.

В личности Уатта впервые гармонично проявился симбиоз ученого-исследователя и инженера-конструктора, что позже переросло в норму для представителей прикладной науки.

Научно-исследовательская и конструкторская активность Уатта в преклонные годы заметно снизилась. Силы таяли, возраст брал свое. «Будем в дальнейшем изготовлять те вещи, – писал в 1785 г. ученый Болтону, – которые мы уже умеем делать, а все остальное предоставим молодым людям, которым не грозит потеря денег или имени». А чтобы обеспечить стабильные и гарантированные доходы от паровой машины, Уатт по подсказке Болтона получил патент, который юридически обезопасил вплоть до 1800 г. ее создателя и его компаньона-промышленника от энергичных и ловких конкурентов, дышащих в затылок.

Уатт прожил удивительную и долгую жизнь. Умер он в возрасте восьмидесяти трех лет и был похоронен в приходской церкви в Хэндс-Уорти рядом с прахом его многолетнего сподвижника Болтона. Вскоре в Вестминстерском аббатстве в благодарность соотечественники возвели славному сыну Англии замечательный памятник, где есть надпись:

Не для того, чтобы увековечить имя, которое будет жить, пока процветают мирные искусства, но чтобы показать, что человечество отдает почести тем, кому оно обязано, с благодарностью король, его слуги, а также многочисленные дворяне и граждане королевства возвели этот памятник Джеймсу Уатту.

Его гений путем опыта усовершенствовал паровую машину. Благодаря этому он приумножил богатства своей родины, мощь людей и поднялся до высоких ступеней среди великих деятелей науки, этих истинных благодетелей человечества.

От универсального двигателя к железной дороге

Роберт Фултон

Со временем тепловые двигатели «научили двигаться» и тележки, и корабли. Американец Роберт Фултон (1765–1815) применил такой двигатель в построенном им пароходе.

Этот пароход «Клермонт» в 1807 г. совершил свое первое плавание по реке Гудзон.

А 25 июля 1814 г. локомотив Джорджа Стефенсона (1781–1848) совершил первую поездку по узкоколейке со скоростью 6,4 км/ч. Затем в 1823 г.

Схема паровой тележки Мердока (1786 г.)

Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. Так началась эра железных дорог в Европе и во всем мире. В сентябре 1825 г. лучший из паровозов, сконструированных Стефенсоном, совершил поездку по линии длиной 21 км Стоктон – Дарлингтон со скоростью уже 12 км/ч.

Первый паровоз Р.Тревитика (1803 г.)

В России первую железную дорогу с паровой тягой построили отец и сын Черепановы (Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович). Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на заводе семьи Демидовых. Там по железной дороге длиной около 1 км перевозили грузы массой до 3,5 т со скоростью 13–16 км/ч.

Джордж Стефенсон

В 1836–1838 гг. была построена Царскосельская железная дорога (27 км) общего пользования.

Сейчас общая протяженность железных дорог во всем мире достигает уже 1,3 млн км; они есть почти в каждой стране.

Можно ли построить вечный двигатель?.

Проблема Perpetuum mobile

Человеку всегда хотелось построить машину, работа которой превышала бы ту энергию, которая к ней подводится. Если бы это было сделано, проблема вечного движения была бы решена. Машина, которая осуществляла бы такое движение – Perpetuum mobile («перпетуум-мобиле»), – была несбыточной мечтой многих изобретателей. Даже сейчас находятся люди, которые вопреки законам природы пытаются создать такое устройство.

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен производить достаточное ее количество, не имея никакого внешнего источника поступления энергии.

Представьте, что нужно рассчитать количество энергии, необходимое для осуществления того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае без учета потерь количество затраченной энергии всегда должно равняться количеству выработанной энергии или той, что выделилась в результате совершения работы.

Энергия, которую не совсем точно называют потерянной, на самом деле не исчезает. Просто она переходит в другую форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так происходит потому, что в результате вызванного трением нагрева часть энергии выделяется в виде тепла. И это справедливо для потерь любого вида энергии, потому что она почти всегда превращается именно в тепло.

Эту же мысль можно выразить и другими словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную.

Например, тепло, которое выделяется в двигателе внутреннего сгорания, – является ненужным, но неизбежным продуктом превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но воспользуемся мы этим теплом или нет – все равно часть работы, осуществленной двигателем, тратиться на тепловые потери.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Сенека

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой суть важнейшего закона природы – закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.

Вечного ничего нет, и долговечного тоже немного.

Если повториться, то вечный двигатель должен выполнять полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии. Проще говоря, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не нужно прилагать механических усилий. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой нереализованной машины заложили фундамент механики как науки.

Бесполезность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных «машин вечного движения». Тщательный анализ очередного проекта всегда выявлял какие-либо ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались бессильны.

Хитрости «изобретателей» вечного двигателя

В прошлом людям казалось, что наиболее доступным источником энергии для работы вечных двигателей является вода. Наверное, такая мысль возникла из-за того, что вода, окружающая людей, казалась им бесплатной. Это обстоятельство и вводило в заблуждение, например, мельника. Однако владельцы мельниц, на которых в период засух уменьшался напор воды, не рассматривали воду как бесплатный источник энергии. Они постоянно пытались заставить воду подниматься вверх и снова совершать работу.

Позже умудренные опытом инженеры стали накапливать энергию, сооружая плотины со шлюзовыми воротами и создавая в них запасы воды для того, чтобы работа мельниц не прерывалась в засушливые периоды, когда естественный поток воды прекращался.

Инженерам Позднего средневековья и Возрождения был известен по крайней мере один достаточно надежный способ подъема воды на определенную высоту: если конец трубки, скрученный наподобие резьбы винта, опустить в воду, то она начнет подниматься вверх по трубке до тех пор, пока последняя будет вращаться. Это странное, однако идеально работающее изобретение вошло в историю техники под названием архимедового винта. Теперь мы понимаем, что трубка архимедового винта должна была вращаться с помощью какой-то внешней силы.

Этого, однако, не знали люди Средневековья, с удивлением задававшие вопрос: «Что может быть проще, чем соединить такой винт с водяным колесом мельницы? Ведь тогда мельница будет вращать винт, а винт приводить в движение мельницу!»

Мельница замкнутого цикла была предложена Робертом Флуддом в 1618 г. Для ее работы не нужен непрерывный поток воды. Только через два столетия после смерти Роберта Флудда стало понятно, что закон сохранения энергии исключает возможность существования такого устройства!

Вера в винт Архимеда как в средство для решения проблемы вечного движения была разрушена Уилкинсом, епископом Честерским. Решив заняться разработкой и описанием машины вечного движения, он выполнил свое намерение очень тщательно. В разделе его книги, посвященной «водяным вечным двигателям», Уилкинс подробно говорит о преимуществах архимедового винта перед водяным насосом, а затем продолжает:

«Если рассматривать эти механизмы совместно, то может показаться, что построить вечный двигатель не так уж и сложно. Для этого достаточно иметь водяное колесо, по которому бы опускался, приводя его в действие, ранее поднятый вверх поток воды. Это колесо вращало бы винт, поднимавший такое количество воды, которое было необходимо для движения всей машины в целом. Движение это было бы непрерывным, поскольку количество воды, выносимое вверх вращающимся винтом, равняется количеству воды, падающему по колесу вниз. Если же окажется, что действия воды на колесо недостаточно для приведения в движение архимедового винта, то почему бы не использовать несколько колес: два, три – словом, столько, сколько позволяет размер всей машины…»

Уилкинс дает описание действия такого устройства и результаты собственных размышлений:

«Однако после целого ряда попыток я пришел к выводу о полной невозможности своего замысла. Устройство не будет работать по двум причинам. Во-первых, вода, которая поднимается наверх, не образует сколько-нибудь значительного потока, устремляющегося затем вниз. Во-вторых, этот поток, даже в виде каскада, не способен вращать винт…»

Таким образом, епископ Уилкинс не только задумал весьма оригинальный «вечный механизм», но и взял на себя обязанность построить модель устройства и испытать ее. В результате этого исследования Уилкинс убедился в полной непригодности механизма и четко уяснил для себя причины несостоятельности проекта.

История, как известно, повторяется, и то же самое происходит, вероятно, и с изобретениями. В 1648 г. епископ Уилкинс отверг идею «колесно-насосного» вечного двигателя, а более чем через двести лет модифицированный проект того же устройства с искренним энтузиазмом первооткрывателя был вновь предложен, на этот раз каким-то читателем журнала «English mechanics».

Тем же, кто убежден, что нет вещей более неосуществимых, чем просто неосуществимых, Артур Орд-Хьюм напоминает поговорку времен Второй мировой войны: «Невозможное мы делаем мгновенно, а на чудо нужно больше времени…»

«Вечный двигатель» времен Петра I

Сохранилась переписка, которую вел в 1715–1722 гг. русский царь Петр I по поводу приобретения в Германии вечного двигателя, изобретенного неким доктором Орфиреусом. Изобретатель, прославившийся на всю Германию своим «самодвижущимся колесом», соглашался продать царю эту машину лишь за огромную сумму.

В январе 1725 г. Петр I собирался в Германию, чтобы лично осмотреть «вечный двигатель», о котором так много говорили, но смерть помешала царю осуществить его намерение.

Кто же был этот таинственный доктор Орфиреус и что представляла собой его машина?

Настоящая фамилия Орфиреуса была Беслер. Он родился в Германии в 1680 г., изучал богословие, медицину, живопись и, в конце концов, занялся изобретением «вечного» двигателя. Из многих тысяч таких изобретателей Орфиреус – самый знаменитый и, наверное, самый счастливый. До конца своих дней (умер в 1745 г.) он жил в достатке на доходы, которые получал, демонстрируя свою машину.

Изначально наблюдения были достаточно убедительными только для тех, кто умеет думать и хочет знать истину.

Г. Галилей

Слава о чудесном изобретении, которое «ученый доктор» показывал поначалу на ярмарках, быстро покатилась по всей Германии, и Орфиреус вскоре приобрел могущественных покровителей. Им заинтересовался польский король, потом ландграф Гессен-Кассельский. Ландграф предоставил изобретателю свой замок и всячески испытывал машину.

Так, 12 ноября 1717 г., двигатель, находившийся в отдельной комнате, был приведен в действие, затем комната была заперта на замок, опечатана и оставлена под надежной охраной двух гренадеров. Четырнадцать дней никто не смел даже приближаться к комнате, где вращалось таинственное колесо. Только 26 ноября печати были сняты; ландграф вошел в помещение. Колесо все еще вращалось «с неослабевающей скоростью»!.. Машину остановили, тщательно осмотрели, затем опять запустили. В течение сорока дней помещение снова оставалось опечатанным; сорок суток караулили у дверей гренадеры. И когда 4 января 1718 г. печати были сняты, экспертная комиссия нашла колесо в движении!

Ландграф и на этом не успокоился: провели третий опыт – двигатель запечатали на целых два месяца. И все же по истечении этого срока обнаружили, что он работает!

Изобретатель получил от восхищенного ландграфа официальное удостоверение в том, что его «вечный двигатель» делает 50 оборотов в минуту, способен поднять 16 кг на высоту 1,5 м, а также может приводить в действие кузнечный и точильный станки. С этим удостоверением Орфиреус и путешествовал по Европе. Наверное, он получал большой доход, если соглашался отдать свою машину Петру I не менее чем за 100 000 рублей.

Слух о таком чрезвычайно удивительном изобретении доктора Орфиреуса быстро разнесся по Европе, выйдя далеко за границы Германии. Дошел он и до Петра I, чрезвычайно заинтересовав царя.

Иллюзия – первая из всех утех…

Вольтер

Петр I обратил внимание на колесо Орфиреуса еще в 1715 г., во время своего пребывания за границей, и тогда же поручил А. И. Остерману, известному дипломату, познакомиться с этим изобретением поближе. Остерман не замедлил прислать подробный доклад о двигателе, хотя самой машины не видел. Петр I намеревался даже пригласить Орфиреуса как выдающегося изобретателя к себе на службу и уже поручил узнать у Христиана Вольфа, известного философа того времени (учителя Ломоносова), какого он о нем мнения.

Знаменитый изобретатель отовсюду получал выгодные предложения. Великие мира сего осыпали его высокими милостями; поэты слагали оды и гимны в честь его чудесного колеса. Но были и недоброжелатели, подозревавшие обман. Находились смельчаки, открыто обвиняющие Орфиреуса в мошенничестве; предлагалась премия в 1000 марок тому, кто разоблачит этот обман.

Тонкое плутовство было раскрыто случайно только потому, что ученый доктор… поссорился со своей женой и служанкой, которые знали его тайну. Выяснилось, что «вечный двигатель» действительно приводили в движение люди из тайника, незаметно дергая за тонкий шнурок. Этими людьми были брат изобретателя и его служанка!..

Разоблаченный изобретатель не хотел признаваться в своем поражении. Он упорно утверждал до самой смерти, что жена и прислуга донесли на него по злобе. Но доверие к нему было подорвано. Недаром он много раз говорил посланцу Петр I, Шумахеру, о людском злонравии и о том, что «весь мир наполнен злыми людьми, которым верить нельзя».

В те времена в Германии ходила слава об еще одном «вечном двигателе» некоего Гертнера. Шумахер писал Петру I об этой машине следующее: «Господина Гертнера Perpetuum mobile, которую я в Дрездене видел, состоит из холста, песком засыпанного, и в образе точильного камня сделанной машины, которая назад и вперед сама от себя движется, но, по словам господина инвертора (изобретателя), не может весьма большой сделаться».

Без сомнения, и этот двигатель не достигал своей цели и в лучшем случае представлял собой замысловатый механизм с искусно спрятанным, отнюдь не «вечным», живым двигателем.

Прав был Шумахер, когда писал Петру I, что французские и английские ученые «ни во что ставят все оные перпетуум мобилес и сказывают, что оное против принципов математических».

Трагедия открывателя великого закона

Как отмечалось ранее, научное объяснение невозможности создания вечного двигателя появилось после открытия закона сохранения и превращения энергии – первого закона термодинамики. Это открытие связывают с именем отнюдь не физика, а врача, проводившего физические исследования ради собственного интереса. Это Юлиус Роберт Майер (1814–1878) – немецкий врач и естествоиспытатель.

Родился Майер в 1814 г. в Хейльбронне, в Баварии. Рано проявив интерес к научным исследованиям, он решил посвятить себя медицине. В 1832 г. Майер поступил в Тюбингенский университет, где только один семестр изучал физику. На протяжении всей жизни Майер путал массу и вес, не понимал, что такое вектор, и испытывал ужас от любого математического вычисления. И тем не менее, именно ему мы обязаны первой формулировкой закона сохранения энергии.

Юлиус Роберт Майер

В 1838 г. Майер получил степень доктора медицины. В этом же году он отплыл в качестве корабельного врача на торговом судне, направлявшемся на Яву. Во время путешествия Майер сделал открытие, перевернувшее всю его жизнь.

Работая судовым врачом, Майер многократно делал матросам кровопускание (один из распространенных тогда способов лечения).

Все люди имеют глаза, но лишь немногие имеют проницательность.

М. Макиавелли

Он заметил, что венозная кровь матросов была намного ярче, чем кровь тех пациентов, которых он лечил в Германии. Майер предположил, что такой цвет крови связан с меньшим окислением поглощенной пищи, в результате чего вырабатывается меньше теплоты, ибо в тропиках потребность в ней меньше, чем в северных странах.

Это заставило его задуматься над тем, как человеческое тело получает тепло от пищи и как в этом процессе происходит трансформация энергии.

С 1841 г. и до самой смерти Майер практиковал в Хейльбронне, став главным хирургом города. В свободное время он занимался экспериментами и «боролся» с трудными теоретическими понятиями, чтобы сформулировать замеченные закономерности. Он так плохо знал физику, что его статьи были отвергнуты научными журналами как некомпетентные, и ему пришлось публиковать их за собственные деньги.

В 1841 г. Майер послал издателю журнала «Annalen der Physik» И. К. Поггендорфу свою первую статью «О количественном и качественном определение сил», содержавшую положение, близкое по смыслу к закону сохранения энергии (эта статья не была напечатана).

В статье, опубликованной в 1842 г. («Замечания о силах неживой природы»), Майер утверждает, что существует определеная количественная связь между высотой, с которой падает тело массой m, и количеством теплоты, выделившейся при ударе о землю. В современной терминологии это звучит так: потенциальная энергия mgh превращается в кинетическую энергию удара, а так как энергия сохраняется, эта кинетическая энергия переходит в теплоту. Майер также попытался вычислить механический эквивалент теплоты и получил значение 3,59 Дж/кал.

Конечно, это очень отличается от принятого сейчас значения 4,19 Дж/кал, но ошибка Майера была связана с неточностью данных, которые он использовал.

По представлениям Майера, движение, теплота, электричество и т. д. – качественно различные формы «сил» (так Майер называл энергию), которые превращаются друг в друга в одинаковых количественных соотношениях. Он рассмотрел также применение этого закона к процессам, происходящим в живых организмах, утверждая, что аккумулятором солнечной энергии на Земле являются растения; в других же организмах происходят лишь превращения веществ и «сил», но не их создание.

Годы с 1846 по 1850-й были очень трудными для Майера. В течение двух лет скончались двое из его троих детей. Местные ученые обвинили его в том, что он скорее сумасшедший философ, чем компетентный специалист. Наконец, его втянули в спор с выдающимся английским физиком Джеймсом Джоулем относительно приоритета на открытие в области взаимопревращений энергии. Кончилось все тем, что в 1850 г. он тяжело психически заболел.

Герман Гельмгольц

После выхода из больницы Майер уже прославился. Физики всего мира постоянно ссылались на его научные открытия, однако даже не были уверены, жив этот ученый или умер.

В последние годы жизни Майер все же приобрел какую-то славу. В 1871 г. он получил медаль Лондонского Королевского научного общества, позже его наградила Французская академия наук.

Он стал и почетным доктором своего родного университета в Тюбингене.

Юлиус Роберт Майер умер в 1878 г. от воспаления легких.

Открытие закона сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах (первый закон термодинамики) связывают с именами Ю. Г. Майера, Дж. Пр. Джоуля и Г. Гельмгольца. Сам Гельмгольц дал высокую оценку деятельности Майера: «Хотя никто не будет отрицать, что Джоуль сделал гораздо больше, чем Майер, и что в первых работах Майера много непонятного, я все-таки считаю, что на Майера следует смотреть как на человека, независимо и самостоятельно пришедшего к мысли, которая обусловила наибольший современный прогресс естественных наук. Заслуга его не становится меньше от того, что одновременно с ним другой ученый, в другой стране и на другом поприще сделал то же открытие и впоследствии развил его даже лучше».

Вечное движение и вечный двигатель с точки зрения термодинамики

С самого начала становления физики как науки ученые пытались описать все явления с механической точки зрения. Но впоследствии выяснилось, что такой подход ко многим явлениям просто невозможен.

Еще издавна было замечено, что нагреть тело можно путем осуществления механической работы или придания телу некоего количества теплоты, например при сгорании определенного топлива. Взаимосвязями этих процессов, выяснением общих особенностей поведения макроскопических (т. е. больших по сравнению с молекулами) тел занимается термодинамика.

Когда Дж. Джоуль исследовал изменения температуры воды, он пропускал ее через узкие трубки, помещал в сосуд с водой вращающиеся лопасти, нагревал ее с помощью электрического тока и др. Во всех экспериментах он получил примерно одно и то же значение механического эквивалента теплоты.

Умение задавать разумные вопросы есть важным и необходимым признаком ума и проницательности.

И. Кант

По Джоулю, все это является следствием принципа эквивалентности теплоты и механической работы, который он сформулировал в 1843 г. в книге «О тепловом эффекте магнитоэлектрики и механическом эффекте теплоты».

Позже стараниями немецких ученых Г. Гельмгольца и Г. Клаузиуса была получена та форма закона сохранения энергии, которая включала и механическую работу, и внутреннюю энергию. Именно на этот закон нужно опираться, рассматривая тот или иной «проект» очередного вечного двигателя.

Из этого закона следует, что работа, которую может осуществить тело, производится за счет внутренней энергии и подведенного к нему определенного количества теплоты. Если считать, что «вечный двигатель» извне никакого количества теплоты не получает, то работать он должен только за счет внутренней энергии. А это продолжаться вечно не может, потому что эта энергия все-таки когда-то иссякнет!..

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер начал с медицинских наблюдений и перешел к рассмотрению цепи энергетических преобразований – от космоса до живого организма. Джоуль экспериментально определял количественные соотношения теплоты и механической работы. Гельмгольц связал этот закон с исследованиями крупных механиков прошлого.

Борьба за признание этого закона была нелегкой, но она закончилась победой.

История развития представлений об электромагнитных явлениях

Когда-то известный изобретатель и электротехник Н. Тесла написал:

«Кто действительно хочет понять все величие нашего времени, тот должен ознакомиться с историей науки об электричестве. И тогда он узнает сказку, какой нет и среди сказок ”Тысячи и одной ночи”».

Первые исследования: от Гилберта и Мушенбрука до Франклина и Кулона

Впервые явления, которые сейчас называют электрическими, были замечены в Древнем Китае, Индии, а позже и в Древней Греции. Сохранившиеся предания говорят о том, что древнегреческому философу Фалесу Милетскому было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря – «электрон» – это явление позже получило название электризации.

О янтаре в «Сказке об электричестве» Теслы можно найти такие поэтические строки: «Рассказ начинается задолго до начала нашей эры, в те времена, когда Фалес, Теофраст и Плиний говорили о чудесных свойствах «электрона» (янтаря), – этого удивительного вещества, возникшего из слез Гелиад, сестер несчастного юноши Фаэтона, который пытался овладеть колесницей Феба и едва не сжег всю Землю».

Фалес Милетский

Однако, создав поэтические легенды о янтаре, греки не продолжили изучение его свойств. Пушинки ничего не добавили к знаниям древних греков, а в средние века было забыто и то, что знали о янтаре в древности.

Только в конце XVI в. придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гилберт (1544–1603) изучил все, что было известно о свойствах янтаря древним народам, и сам провел немало опытов с янтарем и магнитами. В 1600 г. он издал большой труд «О магните, магнитных телах и о самом большом магните – Земле» – настоящий свод знаний того времени об электричестве и магнетизме.

Гилберт первым обнаружил, что электризация присуща не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кости, не электризуются. Гилберт распределил все тела, встречающиеся в природе, на те, что электризуются, и те, которые не электризуются. Обратив особое внимание на первые, он проводил много опытов по изучению их свойств.

В середине XVII в. известный немецкий ученый, о котором мы уже упоминали, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса и других приборов Отто фон Герике (1602–1686) построил специальную «электрическую машину», представлявшую собой шар из серы, насаженный на ось. Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал способность притягивать и отталкивать легкие тела.

Машину Герике впоследствии значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к важным открытиям: в 1707 г. французский физик Шарль Дюфе (1698–1739) нашел разницу между электричеством, полученном от трения стеклянного шара, и электричеством, получаемым от трения диска из древесной смолы. Он даже название дал им «смоляное электричество» и «стеклянное электричество». Дюфе установил два вида электрического взаимодействия: притяжение и отталкивание.

В 1729 г. англичанин Стефан Грей (1670–1736) заметил способность некоторых тел проводить электричество и впервые указал на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.

В опытах Грей брал стеклянную трубку и закрывал ее пробкой, в которую втыкал металлический стержень с шариком из слоновой кости. Затем, когда трубку натирали сукном (сейчас мы называем это электризацией), оказывалось, что шарик становился заряженным.

При испытании различных веществ Грей открыл существование электропроводности, которая была присуща металлическим проводам, угольным стержням, веревке из пеньки. Хорошими проводниками являются ткани тела человека и животных. В то же время электричество не передавалось через каучук, шелк, фарфор.

В своих опытах Грей, чтобы обеспечить изоляцию от земли, электризовал тела, сидя на качелях, подвешенных на волосяных веревках.

Опыт Герике с электрической машиной

Но гораздо более важное открытие было описано в 1745 г. Питером ван Мушенбруком (1692–1761) – голландским профессором математики и философии в городе Лейдене. Он определил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электрический заряд. Хорошо заряженное, это устройство могло быть затем разряженным со значительным эффектом – большой искрой, сопровождающейся сильным треском, подобным разряду молнии.

Питер ван Мушенбрук

Кстати, поговаривают, что это изобретение было сделано ученым в какой-то степени случайно. Мушенбрук проводил опыты, в которых пытался «задержать» полученное им электричество, заряженные им тела другими – которые состоят из веществ, не проводящих электричество. Однажды он опустил провод от электрической машины в графин с водой. Держа графин в руках, он прикоснулся к проводу и получил сильный электрический удар – электрический разряд, как мы говорим сейчас.

От названия города, где проводились эти опыты, прибор, созданный Мушенбруком, был назван лейденской банкой. Это был первый конденсатор – устройство, без которого сегодня трудно представить современную технику!

Лейденская банка

Исследования свойств лейденской банки проводились в разных странах и вызвали появление большого количества гипотез, пытавшихся объяснить обнаруженное явление накопления заряда банкой. Одна из теорий этого явления была предложена выдающимся американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Франклином (1706–1790), который указал на существование положительного и отрицательного электричества. Исходя из своей теории, Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки.

Б. Франклин был не только выдающимся ученым-исследователем, но и общественным деятелем, много сделавшим для развития просвещения в США: организовал Филадельфийскую библиотеку, основал Пенсильванский университет, Филадельфийское философское общество.

Бенджамин Франклин

Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний в 1775–1783 гг. Он участвовал в работе континентального конгресса и созданного им комитета по подготовке Декларации независимости, а также в подготовке Конституции Соединенных Штатов; боролся за демократические принципы управления государством. Таким образом,

Франклин был одним из основателей США, основателем науки этого государства и его первого научного общества. Он внес большой вклад в американскую и мировую науку.

Среди его научных трудов ведущее место занимают исследования именно по электричеству. Эти исследования составляют содержание знаменитых «Опытов и наблюдений за электричеством», составленных из писем члену Лондонского Королевского общества П. Коллинсону. Именно там Франклин ввел понятие о положительном и отрицательном электричестве (то, что мы сейчас называем двумя видами электрических зарядов). Предвестниками современного закона сохранения электрического заряда были идеи, которые также сформулировал Франклин.

Б. Франклин, так же как и русские ученые М. В. Ломоносов и Г. Рихман, большое внимание уделил и изучению атмосферного электричества, грозового разряда (молнии). Он провел знаменитые опыты с воздушным змеем, запуская его при приближении грозы. К верхнему концу крестовины змея он прикреплял заостренный провод, а к веревке, на которую привязывали змея – ключ и шелковую ленту. В письме Коллинсону в октябре 1752 г. Франклин писал: «Когда грозовая туча окажется над змеем, заостренная проволока будет добывать из нее электрический огонь, и змей наэлектризуется… А когда дождь смочит змея вместе с веревкой, предоставив им возможности свободно проводить электрический огонь, Вы увидите, как он обильно стекает с ключа при приближении Вашего пальца».

Легко заметить, что здесь действительно была предложена идея первого «громоотвода» (сейчас мы знаем, что точнее его следует называть молниеотводом, потому что грома не следует бояться).

Опыты Франклина и его громоотвод вызвали большой интерес, многие ученые стали проводить аналогичные исследования. К сожалению, не все эти эксперименты закончились счастливо: как известно, коллега М. В. Ломоносова Г. Рихман погиб, ставя во время грозы 26 июля 1753 г. опыт по изучению молнии.

Кстати, «электрические воздушные наблюдения» проводил и сам Михаил Ломоносов. Он смог с помощью электрического указателя определить электрическое состояние атмосферы в отсутствие грома и молнии. Ломоносов разрабатывал собственную теорию электрических явлений, которые он объяснял движением эфира.

Работы русских академиков Ф. Эпинуса, Г. Крафта и других выявили целый ряд весьма важных свойств электрического заряда, но все они изучали электричество «неподвижных зарядов». Об электрическом токе им ничего не было известно.

Электрическая машина

Существенным шагом вперед оказались опыты, проведенные англичанином Генри Кавендишем (1731–1810), результаты которых всем известны как закон… Кулона! Дело в том, что Кавендиш был богатым английским лордом, который физику и химию считал своим хобби, как сказали бы мы сейчас. С помощью специального прибора – крутильных весов – он определил, что сила взаимодействия между электрически заряженными шариками уменьшается при увеличении расстояния между ними в определенной математической зависимости. Кавендиш неохотно публиковал свои работы, и в частности свои исследования по электричеству. Поэтому они оставались неизвестными почти до 1879 г., когда их – через 100 лет! – опубликовал другой выдающийся английский ученый Максвелл.

«Громовая машина». Рисунок М. В. Ломоносова (1753 г.)

Шарль Кулон

В 1777 г. открытие Кавендиша «переоткрыл» французский военный инженер и исследователь Шарль Кулон (1736–1806).

Практическое значение накопленных за два столетия знаний об электричестве было сравнительно невелико. Это объясняется тем, что запросы практики, промышленности пока не выдвигали перед наукой требований познания электричества и изучения возможности его исполь

Открытие Луиджи Гальвани

Большим открытием XVIII в. было обнаружение итальянским физиком и анатомом Луиджи Гальвани (1737–1798) появления элекричества при столкновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушки.

Во второй половине XVIII в. была открыта возможность создания электрического тока. Это явление интересовало не только физиков, но и физиологов и врачей. Обнаружение электрических свойств ската заставляло их искать пути применения электричества и магнетизма во врачебной практике. Тот факт, что у врача Л. Гальвани была электрическая машина, вполне соответствовал духу времени.

Как преподаватель медицины, Гальвани проводил исследования препарированной лягушки. Он (а точнее сначала его помощники и жена!) заметил, что мышцы лягушки сокращаются, то есть начинают дергаться, когда к ним прикасаются скальпелем вблизи электрической машины. После этого он провел много серий опытов и наблюдений.

В 1791 г. вышла книга, которую Гальвани назвал «Трактат о силе электричества при мышечном движении». В ней он описал сделанное открытие. Гальвани ошибочно считал, что это явление вызвано наличием особого «животного электричества». Хотя позже это было объяснено иначе, опыты Гальвани вошли в сокровищницу очень важных физических экспериментов, давших толчок дальнейшему развитию науки.

Родился Гальвани в Болонье в сентябре 1737 г. Изучал богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

Когда войска Бонапарта захватили Италию, в частности Болонью, была создана Цизальпинская республика. Все служащие должны были принести присягу на верность республике. Гальвани отказался это делать, из-за чего в 1797 г. его отправили в отставку. Хотя впоследствии правительство республики за заслуги восстановило его в должности, да было уже поздно: Гальвани, тяжело переживая потерю жены и брата, 4 декабря 1798 г. ушел из жизни.

Проведенные Гальвани исследования сохранили его имя в памяти людей. Термин «гальванический» до сих пор используют в названиях некоторых процессов и приборов.

Отец батарейки

Еще один итальянский ученый, Алессандро Вольта (1745–1827), дал научно обоснованоое объяснение опытам Гальвани. Он экспериментально доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, следует объяснять тем, что два разнородных металла, разделенные слоем специальной жидкости, являются источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи.

Между Гальвани и Вольта развернулась острая полемика относительно того, что же наблюдалось в опытах с лягушкой. Гальвани пытался полностью исключить физические причины явления, а Вольта, наоборот, исключал физиологические объекты: он даже заменил в своих опытах лапку лягушки физическим прибором – электрометром.

Вольта объяснил происходящее так: есть замкнутая электрическая цепь, через которую течет ток. Лапка лягушки – просто соединительное звено такой цепи.

Кроме того, Вольта заметил, что наличие электрического тока можно просто почувствовать… на вкус, если языком коснуться контактов.

Элемент Вольта – «вольтов столб»

Разработанная Вольта теория позволила ему создать в 1794 г. первый в мире источник электрического тока в виде так называемого вольтового столба. Этот столб представлял собой набор дисков из двух металлов (меди и цинка), разделенных прокладками из войлока, смоченного в солевом растворе или щелочи.

Демонстрация опытов А. Вольты

Описание этого прибора, изготовленного в конце 1799 г., находим в письме А. Вольта президенту Лондонского Королевского общества Банксу от 20 марта 1800 г. Благодаря этому он обрел всемирную славу! Вольта был избран членом Парижской и других академий мира, а Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. (Но заметим, что после этого открытия он уже ничего выдающегося в науке не сделал…)

Отметим также, что и Гальвани был в известной степени недалек от истины: как это доказали позже, в любом организме жизненные процессы сопровождаются возникновением электричества (что не имеет, однако, ничего общего с электричеством, открытым самим Гальвани, и его пояснениями!..)

Электрический ток: начало

После открытия вольтового столба многие ученые пытались создать более мощные источники тока. Английские химики Никольсон и Карлейль построили вольтов столб из 17 элементов и осуществили электролиз воды. Так было открыто химическое действие электрического тока.

Одним из первых свойства электрического тока вплотную изучил в 1801–1802 гг. петербургский академик В. В. Петров (1761–1834). Работы этого выдающегося ученого, построившего крупнейшую по тем временам в мире батарею из 4200 медных и цинковых кружков, сделали возможным практическое использование электрического тока для нагрева проводников. Свою батарею Петров в честь Гальвани и Вольта назвал гальванивольтовым столбом. Это была самая мощная батарея того времени.

В отличие от вертикальных столбов предшественников, В. Петров предлагал размещать элементы батареи горизонтально, чтобы кружки стояли ребрами вертикально в деревянных ящиках. Когда все эти ящики выстроили в один ряд, его длина превысила 12 м!

Он также нашел способы изоляции элементов батареи от дерева, предложив делать это с помощью сургуча, а тела, с которыми проводят опыты, помещать на подставку на стеклянных ножках.

Кроме того, в 1802 г., на восемь лет раньше англичанина Г. Дэви, Петров наблюдал явление электрического разряда между концами слегка разведенных угольных стержней как в воздухе, так и в газах и вакууме, получившее название электрической дуги.

В. Петров не только описал открытое им явление, но и указал на возможность его использования для освещения или плавки металлов, и таким образом впервые высказал мысль о практическом применении электрического тока. С того времени следует вести отсчет истории электротехники как самостоятельной отрасли техники.

Электричество + магнетизм =…

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 г. итальянский ученый Романьози заметил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, который протекал по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 г. это явление было вновь замечено датским физиком Г. К. Эрстедом (1777–1851), который в марте 1820 г. опубликовал на латыни брошюру под названием «Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку». В этом сочинении «электрическим конфликтом» был назван электрический ток.

Ганс Кристиан Эрстед родился 14 августа 1777 г. в г. Рудкебинг на острове Лангеланн в семье аптекаря. Учился он в Копенгагенском университете, где в 1797 г. получил диплом фармацевта, позже – степень доктора философии и в двадцать девять лет стал профессором университета.

Научные интересы Эрстеда были разнообразны: он увлекался физикой, химией, философией. Идеи о единстве сил природы и возможной связи между электричеством и магнетизмом он высказывал еще в 1812–1813 гг. Однако экспериментально он обнаружил это именно в 1820 г.

Ганс Кристиан Эрстед

Суть сделанного Эрстедом открытия заключается в том, что проводник, по которому проходит электрический ток, действует на магнитную стрелку, находящуюся рядом. Ток заставляет стрелку вращаться и определенным образом ориентироваться у проводника. Хотя объяснения самого Эрстеда относительно открытого им явления были не совсем правильными, это открытие увековечило его имя.

Небольшая, всего на пять страниц, книга Эрстеда в том же году была издана в Копенгагене на шести языках. Его опыты повторил осенью 1820 г. швейцарский натуралист де ля Рив на съезде естествоиспытателей в Женеве. На этом съезде присутствовал член Парижской Академии наук Доминик Франсуа Араго (1786–1853), который после возвращения продемонстрировал на заседании Академии опыт Эрстеда. Араго провел ряд исследований, из которых самым важным было открытое им в 1824 г. явление вовлечения медного диска во вращение магнитом, вращающимся рядом с ним.

Амперметр – устройство для измерения силы тока

Это явление, названное «магнетизмом вращения» в течение длительного времени так и оставалось разве что эффектным физическим опытом.

Но впоследствии именно оно стало основой многих практических изобретений, и в частности элекродвигателя переменного тока.

Большое значение имело также открытие в 1820 г. французами Био и Савара законов действия тока на магнитную стрелку.

Нельзя не сказать о деятельности выдающегося ученого Андре Мари Ампера (1775–1836), который положил

начало изучению действий электрического тока и установлению целого ряда законов электродинамики. Как только Араго продемонстрировал на заседании Парижской академии наук опыт Эрстеда, Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 г., ровно через неделю сообщил о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер закончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих в параллельно расположенных проводниках.

С тех пор Академия еженедельно заслушивала новые сообщения Ампера о его опытах, приведших к открытию и формулированию основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления – электричество и магнетизм – одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория была встречена современниками Ампера с большим недоверием.

Через пять лет после проведенных Ампером работ был построен первый электромагнит и началось глубокое изучение законов электромагнетизма.

В 1827 г. немецкий ученый Георг Ом (1789–1854) открыл один из важнейших законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой течет электрический ток. Да, это тот самый закон, о котором школьники говорят: «Не знаешь закон Ома – посиди дома!»

Георг Ом

Открытие Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея (1791–1867) и побудили его к изучению всего круга вопросов о преобразовании электрической и магнитной энергии в механическую.

В 1821 г. он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором наблюдал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 г. Фарадей сообщил об открытом им явлении, которое он впоследствии назвал электромагнитной индукцией. Это явление стало основой всей современной электроэнергетики!

Личность и жизненный путь Фарадея настолько интересны, что требуют отдельного разговора (мы к нему вернемся в последнем разделе книги).

Исследования Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца (1804–1865), связанные с этой же проблемой, позволили создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

Эмиль Христианович Ленц родился в феврале 1804 г. в семье чиновника в г. Дерпт (ныне – Тарту, в Эстонии). Он рано остался без отца, однако благодаря стараниям матери с успехом окончил гимназию и поступил в 1820 г. в Дерптский университет.

Его научная деятельность началась рано: после второго курса университета он по рекомендации ректора в качестве физика отправился с научной экспедицией в кругосветное путешествие, продолжавшееся три года. Во время экспедиции Ленц сконструировал глубиномер и прибор для изучения воды на разных глубинах – батомер.

Эмиль Христианович Ленц

С 1838 г. Ленц работает в Петербургском университете, а со временем становится его ректором.

Свои исследования по электромагнетизму Ленц начал в 1831 г. в лаборатории, которая перешла к нему от В. Петрова. После открытия Фарадеем электромагнитной индукции Ленц начал искать общие правила определения направления индукционного тока. 29 ноября 1833 г. он сделал доклад об обнаруженном им правиле (его мы и сейчас знаем как «правило Ленца»), которое стало общепризнанным после публикации во многих европейских журналах.

Неразгаданная тайна

Большой шаг, который сделали Ампер, Фарадей, Ленц и другие физики того времени, все, кто изучал проблемы электричества и магнетизма, – стал толчком к внедрению сделанных открытий в производство. Это касается прежде всего электрических генераторов.

Сначала электрогенератор и электродвигатель развивались независимо друг от друга, как две совершенно разные машины. Первый изобретатель электрического генератора, основанного на принципе электромагнитной индукции, пожелал остаться неизвестным. Произошло это так. Вскоре после опубликования доклада Фарадея в Королевском обществе, в котором было изложено открытие электромагнитной индукции, ученый нашел в своем почтовом ящике письмо, подписанное инициалами Р. М., содержавшее описание первого в мире синхронного генератора и чертежи, приложенные к письму. Фарадей, внимательно разобравшись в этом проекте, направил письмо Р. М. и чертеж в тот же журнал, в котором был в свое время помещен его доклад, в надежде, что неизвестный изобретатель, следя за журналом, увидит опубликованным не только свой проект, но и письмо Фарадея, сопровождавшее его, где он дает очень высокую оценку изобретению Р. М.

И действительно, спустя полгода Р. М. прислал в редакцию дополнительные разъяснения и описание предложенной им концепции электрогенератора, но и на этот раз захотел остаться неизвестным. Имя истинного создателя первого электромагнитного генератора так и осталось скрытым за инициалами, и человечество до сих пор, несмотря на тщательные поиски историков электротехники, не знает, кому оно обязано одним из важнейших изобретений.

Свеча Яблочкова

Началось стремительное развитие в применении электродвигателей и потреблении электроэнергии. Этому немало способствовало изобретение П. Н. Яблочкова: способ освещения с помощью так называемой «свечи Яблочкова» – дуговой электролампы с параллельным размещением углей. Простота и удобство «свечи Яблочкова», заменившей дорогие, сложные и громоздкие дуговые фонари с регуляторами для непрерывного сближения сгорающих углей, способствовали ее широкому распространению, и вскоре «свет Яблочкова», «русский», или «северный» свет, освещал бульвары Парижа, набережные Темзы, проспекты столицы России и даже древние города Камбоджи. Это было настоящим триумфом изобретателя-россиянина.

Статическое электричество вокруг нас

О теле, которое после натирания притягивает к себе другие тела, говорят, что оно наэлектризовано и ему придали электрический заряд. Как известно, трут тела друг о друга только для того, чтобы увеличить площадь их соприкосновения.

Электризация посредством трения до конца еще не изучена, но мы сейчас подчеркнем то, что при электризации происходит перераспределение заряженных частиц между телами, которые принимают участие в этом процессе. В отличие от процессов, связанных с электрическим током, эти явления называют электростатическими (от греческого слова statos – неподвижный).

Статическое электричество на производстве, как известно, иногда приводило к негативным последствиям. Но в некоторых случаях электростатические эффекты вызывали намеренно и использовали их.

Так, например, при производстве абразивной (наждачной) бумаги электростатические эффекты играют положительную роль. Вместо того чтобы посыпать намазанную клеем бумагу абразивным зерном, это зерно помещают под бумагой. Зерна притягиваются к липкой стороне бумаги благодаря электростатическому притяжению. В этом процессе абразивные зерна ориентируются в необходимом направлении, образуя абразивную бумагу.

Все науки порождены здравым смыслом, любознательностью, наблюдательностью, размышлениями.

Р. Оппенгеймер

С другой стороны, на мукомольных мельницах кожаные ремни электризовались о вращающийся шкив. Возникающий при

этом искровой разряд мог вызвать пожар и взрыв. Работу на ткацком станке может усложнить взаимодействие наэлектризованных тел, поскольку электризация волокон вызывает их взаимное отталкивание, а произведенная ткань сильно загрязняется частицами пыли, которые она притягивает к себе.

В строительстве сейчас широко используют синтетические материалы для покрытия полов и стен, тепло– и звукоизоляции, применяют их и в производстве мебели, обуви, одежды. Такие полимерные материалы прочны, имеют прекрасный внешний вид. Однако они легко «насыщаются» зарядами статического электричества. От этого и возникают такие явления, например, как прилипание одежды к телу, треск, искры, покалывание, когда одежду снимают.

Даже самолет электризуется при трении о воздух. Поэтому сразу после его посадки нельзя приставлять к нему металлический трап, потому что может возникнуть электрический разряд и, как следствие, пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с корпусом самолета, и по металлическому тросу электрические заряды уходят в землю. Этот процесс называют заземлением.

Когда хотят снять электростатический заряд с тех частей станка которые могут электризоваться при работе, их тоже заземляют.

При достаточной влажности воздуха электростатические заряды быстро стекают, не накапливаются. Зимой же или в сухую погоду, когда относительная влажность воздуха небольшая, их накапливается гораздо больше.

Следует сказать, что чувствительность людей к действию статического электричества различна. Специалисты считают, что это связано с состоянием кожи. Чем суше кожа, тем больше зарядов в ней сохраняется. С возрастом кожа становится более сухой. Не случайно пожилые люди чаще жалуются на то, что в тот момент, когда они прикасаются, скажем, к металлическому предмету, возникает потрескивание, искры. Снизить наэлектризованность помещения в определенной степени помогают увлажнители воздуха. В комнате такими увлажнителями могут быть аквариум или обычная посуда с водой.

Статическое электричество может стать и помощником человека. Если корпус автомобиля зарядить, например, положительно, а частичкам краски придать отрицательный заряд, то они тонким и равномерным слоем покроют корпус автомобиля. Одноименно заряженные частицы краски будут отталкиваться друг от друга и притягиваться к корпусу автомобиля. Поэтому слой краски будет одинаковой толщины и расход краски будет меньше. Такой метод окраски металлических изделий широко применяется у нас в стране и за рубежом.

Статическое электричество используется также и в медицине, например при создании так называемых электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные вещества в виде очень маленьких заряженных капелек, которые не слипаются в крупные капли и при вдыхании глубоко проникают в легкие человека, вплоть до мелких легочных ячеек – альвеол.

Влияние статического электричества на организм человека и животных еще до конца не изучено. Но уже известно, что электрические разряды, возникающие вследствие электризации одежды, для большинства людей безвредны, а в некоторых случаях, например при заболеваниях суставов, даже полезны.

И еще один пример из живой природы. Когда комар садится нам на руку, он начинает энергично тереть лапками крылышки и брюшко. Для чего? Оказывается, при энергичном трении хитинового покрова образуется статическое электричество между кожей руки и насекомым. Благодаря этому происходит слабый разряд, возникает искра. Разряд и помогает комару пробить твердую кожу хоботком! Как вы думаете, кому на пользу эта электризация – комару или человеку?..

А еще с помощью статического электричества производят очень хорошие ворсистые ткани наподобие бархата. Для этого материал покрывают клеем и подвергают действию электрического заряда. Ворсинки притягиваются к ткани и приклеиваются к ней. Причем удлиненные ворсинки будут располагаться перпендикулярно поверхности ткани.

Познакомиться с явлениями электростатики несложно и дома, особенно в сухую погоду. Если вы снимаете свитер, стаскиваете с постели одеяло или идете по ковру, вы превращаетесь в слабое подобие «Зевса-громовержца», который вызывает молнии. Возникают мельчайшие искорки, слышно потрескивание.

Вот несколько упражнений для наблюдения электростатического эффекта:

1. Отрежем от листа бумаги полоску шириной в 1 см. Положив полоску на тетрадь, проведем по ней несколько раз пластмассовой ручкой с легким нажимом. Затем возьмем в одну руку полоску, а во вторую ручку и начнем их сближать. Бумажная полоска выгнется в сторону ручки – между этими телами возникнет сила электрического притяжения.

2. Положим две бумажные полоски рядом на тетрадь, проведем по ним ручкой несколько раз с легким нажимом. Возьмем полоски в руки и начнем их сближать. Опыт показывает, что при сближении полоски выгибаются в противоположные стороны, обнаруживая присутствие сил отталкивания.

3. Надуем воздушный шарик. Затем потрем шарик шерстью или мехом или, лучше, о свои волосы, и увидим, что шарик начнет прилипать к телу, о которое мы его потерли, и ко всему прочему, даже к стене.

4. Возьмем два воздушных шарика и подвесим их с помощью нитей к одной и той же точке – гвоздю на потолке. Если каждый из них натереть шерстью или своими волосами, то можно увидеть, что шарики отклонились в разные стороны друг от друга.

5. Возьмем кусочек рыхлой гигроскопической ваты. Хорошо наэлектризуем пластмассовую расческу о чистые волосы и опустим на нее кусочек ваты – он притягивается.

Дома можно провести еще много других наблюдений и опытов по электростатике.

Первая лампочка

Задайте своим знакомым простой вопрос: кто изобрел электрическую лампочку? Ответы мы можем получить самые разнообразные. Кто-то назовет американца Эдисона, кто-то – россиянина Александра Лодыгина, а кому-то придет на ум имя другого русского изобретателя – Павла Яблочкова.

Так кто же будет прав?

История лампочки представляет собой целую цепь открытий, сделанных разными людьми в разное время. И Эдисон, и Лодыгин, и Яблочков – все они внесли свой вклад в ее открытие. К тому же следует упомянуть и выдающегося русского физика Василия Петрова, который еще в 1802 г. наблюдал явление электрической дуги – яркого разряда, возникающего между сведенными на определенное расстояние угольными стержнями-электродами. Следовало бы вспомнить и имена В. Чиколева и А. Шпаковского, также внесших свой вклад в это выдающееся изобретение.

Однако поговорим подробнее о Павле Николаевиче Яблочкове (1847–1894), ведь именно с ним связана одна из самых интересных и поучительных «изобретательских» историй….

…Было это в Париже. Официант подошел к столику в маленьком кафе, взял нехитрый заказ и исчез на кухне. Посетитель, ожидая заказанное блюдо, рассеянно достал из кармана блокнот, положил его на стол, взялся за карандаш. Одна из страниц была испещрена палочками, которые попарно соединялись тонкими дугами; чертежами каких-то механизмов с маленькими, как у часов, шестернями.

Посетитель кафе склонился над записями, забыв, где он, и глубоко задумался.

Павел Николаевич Яблочков

Происходило это в 1876 г., когда Павлу Яблочкову едва минуло двадцать девять лет. Позади осталось обучение в Петербургском военном училище, где он увлекся физикой, и особенно – мало еще изученной ее областью – электричеством. Он успел уже послужить в должности начальника телеграфа на только что построенной Московско-Курской железной дороге. Но это занятие отнимало много времени, поэтому Яблочков его оставил, чтобы посвятить себя тому, что считал главным в жизни, – разработке надежной конструкции электрической дуговой лампы для освещения.

В 1873 г. П. Яблочков познакомился с еще одним энтузиастом электрического освещения – В. Чиколевим, для которого он сделал один экземпляр регулятора электрической дуги.

В 1874 г. он открыл в Москве мастерскую физических приборов. Но надежды на то, что на них будет большой спрос, не оправдались, и Яблочков решает отправиться в Америку.

Позже судьба привела его в Париж. Здесь изобретатель пытался реализовать некоторые из своих приборов. Он разыскал всемирно известную мастерскую точных часов и приборов под руководством Луи Франсуа Бреге, и Бреге предложил Яблочкову работу в мастерской (сейчас мы эту «мастерскую» назвали бы научно-производственной фирмой), чтобы он продолжил свои поиски устройства для освещения. И вот уже на протяжении нескольких месяцев Яблочков пытается найти решение, как следует расположить угольные электроды в лампе.

Опыты В. Петрова показывали: электрическая дуга, дающая яркий свет, возникает лишь тогда, когда концы горизонтально расположенных угольных электродов находятся друг от друга на четко определенном расстоянии. Если оно уменьшается или увеличивается, разряд исчезает. Между тем во время разряда угольные электроды выгорают, и расстояние между ними возрастает. Чтобы примененять их в электрической дуговой лампе, следовало придумать специальный механизм-регулятор, который бы постоянно, с определенной скоростью подвигал выгорающие стержни навстречу друг другу. Тогда дуга не погаснет.

Попытки осуществить это имели место и до Яблочкова. Свои дуговые лампы с регуляторами разработали русские изобретатели Шпаковский и Чиколев. Электрические лампы Шпаковского в 1856 г. уже горели в Москве во время коронации Александра II. Чиколев использовал мощный свет электрической дуги для работы морских прожекторов. Созданные этими изобретателями автоматические регуляторы имели определенные различия, но и тот и другой были ненадежными. Лампы горели совсем недолго, а стоили дорого. Было ясно, что нужен другой механизм – простой и безотказный. Над этим и бился который месяц Павел Яблочков, только об этом и думал – и у себя в мастерской, и блуждая по парижским улочкам, и даже здесь, в кафе.

Часовой механизм, который использовался в лампочке Шпаковского, не мог предвидеть всех «капризов» угольных электродов, которые так неравномерно выгорали. Нужно было что-то другое. Но что?

…Пришел официант с заказом, Яблочков взял со стола блокнот. И, продолжая думать о своем, машинально наблюдал, как официант ставит блюдо, как кладет ложку, вилку, нож… И вдруг…

Яблочков резко встал и пошел к выходу, не слыша окликов официанта. Он побежал к себе в мастерскую. Вот оно, решение! Наконец! Простейшее и абсолютно надежное! Нашел! Оно пришло к нему, едва он взглянул на столовый набор, на ложку, вилку, лежавшие рядом, параллельно друг другу. Именно так следует расположить в лампе угольные электроды – не горизонтально, как было в предыдущих конструкциях, а вертикально параллельно! Тогда оба электрода будут выгорать одинаково, и расстояние между ними всегда будет постоянным. И никакие мудреные регуляторы будут не нужны!..

Уже в следующем году электрическая свеча Яблочкова ярко осветила парижский универсальный магазин «Лувр». Конструкция ее была совсем не похожа на все предыдущие: два угольных стержня были разделены изолирующим слоем каолина. Укреплены они были на простой подставке, напоминающей подсвечник. Сгорали электроды равномерно, и лампа давала яркий свет, причем на протяжении достаточно длительного времени. Такую «электрическую свечу» и изготовить было просто, и стоила она дешево.

В марте 1875 г. Яблочков запатентовал свое изобретение. Неудивительно, что «электрическая свеча» Яблочкова начала свой победный ход по всему миру. Уже через год лампочки русского изобретателя засияли по набережным Темзы в Лондоне, затем – в Берлине. Вскоре Яблочков вернулся в Россию, и его «свеча» озарила Петербург…

Конечно, тот официант, которого однажды удивил странный посетитель, и не подозревал, что стал как бы соавтором изобретения. Но кто его знает: не положи он тогда перед Яблочковым так аккуратно нож и вилку, – может, и не осенила бы изобретателя молниеносная догадка.

Наука должна быть самым возвышенным воплощением отечества, ибо из всех народов первым будет всегда тот, который опередит другие в области мысли и умственной деятельности.

Л. Пастер

Правда, «подсказка» официанта упала, как говорится, на благодатную почву. Ведь Яблочков искал свое решение даже здесь, за столиком в кафе, ожидая заказ.

Впоследствии «свечу Яблочкова» вытеснили более экономичные и удобные лампы накаливания. Это нововведение связано с именами Томаса Алви Эдисона (1847–1931) и Александра Лодыгина (1847–1923).

Томас Алва Эдисон

Лодыгин поместил элемент накаливания в стеклянную колбу, но главным является то, что в его лампе свет излучает раскаленный электричеством тонкий угольный цилиндр, а не электрическая дуга. Ему также принадлежит идея заменить тонкую нить из угля на металлическую – из молибдена или вольфрама. Уже потом стали выкачивать воздух из стеклянной колбочки лампы, что увеличило срок ее службы. (К сожалению, лампы Лодыгина были запатентованы как «лампы Кона» – по имени человека, который продвигал изобретение на рынок.)

Лампа Эдисона

Выдающийся американский изобретатель Томас Эдисон изобрел патрон для лампочки и насос, позволяющий откачивать воздух из колбы.

А «свеча Яблочкова» стала теперь музейным экспонатом с интересной историей ее создания. Она будто напоминает нам, что великие открытия приходят только в умные головы! (Кстати, существует и другое предание, связанное не со столовыми приборами, а с увиденными Яблочковым карандашами, которые параллельно лежали на столе…)

Физика и изобретение радио

Предсказание и экспериментальное обнаружение электромагнитных волн

Революционные открытия, сделанные М. Фарадеем в области электромагнетизма, находили все большее применение. Однако многие из физических вопросов открытых явлений оставались еще нерешенными. Вот почему молодой английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) начал новую «атаку на электричество». Кстати, заметьте такую интересную случайность: Максвелл родился в тот год, когда Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Если мы хотим открывать законы природы, то достичь этого можем лишь путем точного ознакомления с явлениями природы…

Дж. К. Максвелл

Это был гениальный ученый, человек большой души и стойкости. То, что он сделал для развития физической науки, ставит его на один уровень с Ньютоном и Галилеем. О его жизненной и творческой биографии речь пойдет дальше, а сейчас подчеркнем то, что Максвелл, усвоив научные труды Фарадея, создал теорию электромагнитного поля.

Сам ученый объяснял: «Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела». Суть теории заключается в том, что переменное магнитное поле создает электрическое поле, которое, в свою очередь, создает поле магнитное и т. д.

Максвелл также пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, и свет – это тоже разновидность электромагнитних волн.

Работа Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме», которая была напечатана в 1871 г., стала вершиной его научного творчества.

Схема опыта Г. Герца

Но любая теория переживает настоящий триумф, когда она получает подтверждение на практике, в экспериментах. Этот триумф состоялся благодаря экспериментальным исследованиям немецкого физика Генриха Герца (1857–1894). Это он в 1888 г. открыл электромагнитные волны, предвестником их существования являлся Максвелл.

Источником, который в опытах Герца излучал электромагнитные волны, был проводник, подключенный к высоковольтной катушке (вибратор). Проводник был разрезан пополам; при электрических колебаниях в этом месте проходил электрический разряд (искра). Приёмником колебаний (резонатором), которые при этом возникали и распространялись вокруг, был такой же провод.

В своих экспериментах Герц не только открыл электромагнитные волны, но и исследовал их важнейшие свойства. К сожалению, выдающийся ученый рано умер: ему исполнилось лишь 37 лет…

От физики к радиотехнике

Опыты Герца привлекли внимание ученых всего мира. В физических кабинетах многих стран начали проводить различные эксперименты по воспроизведению этих опытов. Поскольку приёмник Герца был недостаточно чувствительным, ученые пытались создать более совершенный приемник электромагнитных волн. Среди первых ученых, которые начали изучать опыты Герца, были англичанин Оливер Лодж и россиянин Александр Степанович Попов.

Лодж при воспроизведении опытов Герца предложил в качестве индикатора (приемника) использовать прибор, описанный в 1891 г. французским физиком Бранли. Этот прибор представлял собой стеклянную трубку с металлическими опилками, которые под действием электромагнитных волн резко уменьшали свое электрическое сопротивление. Эту трубку Лодж назвал «когерером» (от латинского слова cohere – сцеплять, связывать).

Введя когерер в схему своей установки (1894), Лодж немного увеличил дальность приема электромагнитных волн, но не выходил за пределы лаборатории. Еще одной проблемой установки было то, что для восстановления чувствительности когерера (опилки под действием электромагнитных волн будто бы слипались и уже не могли служить индикатором) его необходимо было встряхивать, это было осуществлено Лоджем с помощью часового механизма.

А. С. Попов, воспроизводя опыты Герца, на одной из публичных лекций в 1889 г., отметил возможность применения электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние. Он понимал, что решение этой задачи невозможно без существенного усовершенствования принимающей схемы. Изучив работы Бранли и Лоджа, Попов взялся за разработку еще более чувствительного когерера.

Когерер

Попов искал автоматический метод, позволяющий восстанавливать чувствительность когерера после каждого принятого сигнала. Вследствие многочисленных экспериментов он разработал метод периодического встряхивания когерера с помощью молоточка звонка и применил электромагнитное реле для включения цепи этого звонка.

Схема, разработанная А. С. Поповым, имела большую чувствительность, и уже в 1804 г. он смог с ее помощью принимать сигналы на расстоянии нескольких метров. Во время этих опытов А. С. Попов обратил внимание на то, что дальность действия приемника заметно увеличивается при присоединении к когереру вертикального провода. Это была приемная антенна, благодаря использованию которой А. С. Попов внес существенные улучшения в условия работы приемника.

Работы А. С. Попова в этом направлении привели его к созданию прибора для обнаружения электромагнитных волн, по сути это был первый радиоприемник.

Этот прибор был устроен следующим образом: чувствительная трубка с металлическими опилками (когерер) размещалась в горизонтальном положении на часовой пружине между зажимами, к выводу трубки присоединялся кусок проволоки, представляющий собой приемную антенну. Электрический ток от батареи замыкался через чувствительную трубку и электромагнитное реле; вследствие большого сопротивления опилок трубки (до 100 000 Ом) ток в цепи батареи был недостаточен для притяжения якоря электромагнитного реле.

Как только на трубку действовала электромагнитная волна, опилки слипались, сопротивление трубки значительно уменьшалось, ток в цепи возрастал, и якорь реле притягивался. При этом начинал звонить звонок. Молоточек звонка при возвращении в исходное положение ударял по трубке, и она снова становилась чувствительной к электромагнитным волнам.

Седьмого мая 1895 г. А. С. Попов демонстрировал работу радиоприемника во время своего доклада на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества.

Статья А. С. Попова с описанием конструкции приемника была опубликована в журнале Русского физико-химического общества в январе 1896 г.

Заметьте, что первая радиограмма, которую передал и принял Попов, состояла из двух слов: «Генрих Герц». Этим А. С. Попов продемонстрировал значимость трудов этого ученого для разработки нового направления науки.

Убедившись, что приемник реагирует на грозовые разряды, Попов создал второй прибор – «грозоотметчик», оборудованный специальным пишущим аппаратом, который регистрировал сигналы на ленте. В 1895–1896 гг. «грозоотметчики» Попова уже получили практическое применение. Один «грозоотметчик» был установлен Поповым в Нижнем Новгороде на электростанции для предупреждения о приближении грозы, второй, наряду с другими метеорологическими приборами, – в Петербургском лесном институте.

Непрерывно работая над совершенствованием своего прибора, Попов в сентябре 1895 г. присоединил к схеме аппарат Морзе и ввел запись на ленту. Так был создан приемник с записью сигналов азбукой Морзе.

Схема приемника А. Попова

В марте 1896 г. на заседании Русского физико-химического общества в Физическом кабинете Петербургского университета А. С. Попов демонстрировал первую в мире радиотелеграфную передачу на расстояние 250 м, а в 1897 г. им была осуществлена радиосвязь между несколькими кораблями Балтийского флота на расстоянии до пяти километров.

А. С. Попов и его сотрудники продолжали работать над совершенствованием радиоприемника, и в 1899 г. они установили возможность приема радиосигналов на слух с помощью телефона, включенного последовательно с когерером, – это сразу увеличило дальность радиосвязи.

В 1897 г. А. С. Попов обнаружил, что на радиосвязь между двумя кораблями влияет третье судно, проходя между этими кораблями и пересекая направление связи, и это натолкнуло ученого на мысль о том, что явление отражения радиоволн может быть использовано для обнаружения морских судов. Именно оно и лежит в основе современной радиолокации.

Преимущества беспроводной радиосвязи были наглядно продемонстрированы в конце 1899 г. в связи с аварией броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на камни у острова Гогланд. Необходимо было в короткие сроки наладить связь с кораблем, удаленным на 43 км от ближайшего прибрежного пункта Котка, где была телеграфная станция. Несмотря на большие трудности, А. С. Попов вместе со своим помощником П. Н. Рыбкиным установил станции на Гогланде и Котке и обеспечил между ними надежную радиосвязь. Таким образом, А. С. Попов осуществил радиосвязь на относительно большом расстоянии и при этом не только в целях эксперимента, но и для практических потребностей.

Следует остановиться и на роли, которую сыграл в изобретении радио итальянский изобретатель и предприниматель Гульельмо Маркони (1874–1937). В июне 1897 г. он получил в Англии патент на способ передачи электрических импульсов и сигналов и аппарат для этого. Однако в течение длительного времени в прессе не появлялось описания этого устройства. А когда была опубликована схема устройства Маркони, предназначенная для приема, стало совершенно очевидным, что она идентична схеме приемника Попова.

Принятые сигналы можно было также записывать на ленту с помощью аппарата Морзе, присоединенного к схеме. В качестве передатчика Маркони использовал вибратор Герца, усовершенствованный итальянским профессором Риги. Этот вибратор позволял получать волны сравнительно малой длины (около 1,2 м). К передатчику и приемнику присоединялись антенны и заземление, что способствовало радиосвязи на значительных расстояниях. С помощью описанной схемы летом 1897 г. Маркони осуществил радиосвязь на расстоянии девяти миль.

Попов или Маркони?..

Патент был выдан Г. Маркони согласно английскому законодательству, которое не требовало установления научного новшества. В других странах – Франции, Германии, США, России – Г. Маркони было отказано в патентовании со ссылкой на приоритет (первенство) А. С. Попова. Первое публичное сообщение о приборах Г. Маркони было сделано главным инженером службы английских правительственных телеграфов В. Г. Присом 4 июня 1897 г. О более ранних опытах у Г. Маркони нет ни документов, ни публикаций, раскрывающих конструкцию приборов. Однако следует отметить, что, хотя, скорее всего, Маркони нельзя считать изобретателем радио, его заслуги в увеличении дальности передачи сигналов, освоении промышленного производства радиоаппаратуры, а также последующем ее совершенствовании бесспорны.

А. С. Попов, оценивая приёмник Маркони, писал в петербургской газете «Новое время»: «В июне 1897 г. Прис опубликовал новые результаты опытов Маркони и подробности приборов. При этом оказалось, что приёмник Маркони по своим составляющим частям одинаков с моим прибором, построенным в 1895 г.». Вместе с тем в ряде своих выступлений Попов отмечал, что чувствительность прибора Маркони немного больше и что есть отличие в опытах Маркони и его исследованиях, которое заключается в том, что Маркони использовал явление резонанса.

Приемник Г. Маркони

По словам известного физика и историка физики Л. И. Мандельштама, «…настоящим изобретателем можно считать того, кто дал идее конкретное осуществление….после чьих работ не остается сомнения в том, что поставленная практическая цель достигнута…». Это в полной мере относится к работе А. С. Попова, потому что именно он впервые дал техническое решение, вполне пригодное для радиосвязи. С появлением прибора А. С. Попова заканчивается период научного и технического поиска и начинается процесс совершенствования первого действующего беспроводного устройства связи, а также разработка принципиально новых устройств, то есть процесс развития радиотехники.

А. С. Попов не получил патента, но по российскому законодательству он может считаться изобретателем, поскольку раскрыл сущность своего устройства для широкого круга лиц с достаточными для воспроизведения подробностями. Согласно положениям изобретательского права, известные ранее элементы, входящие в устройство Попова, нельзя трактовать как прототипы (предшественники), поскольку новый эффект в его изобретении создается совокупным применением этих элементов. Именно совокупность элементов позволила создать первое действующее радиоустройство.

Всякая наука, которая последовательно развивается, только потому и растет, что она нужна человеческому обществу.

С. И. Вавилов

Как видно из ряда материалов о деятельности Г. Маркони, он настойчиво стремился добиться, прежде всего, увеличения дальности связи. В 1899 г. он совершил радиосвязь между Англией и Францией (на расстоянии более 30 миль). В январе 1901 г. он установил беспроводной контакт между некоторыми пунктами на побережье Англии, находящимися друг от друга на расстоянии 186 миль. В конце того же года, находясь в Сент-Джоне на острове Ньюфаундленд, Маркони принял сигнал, переданный через Атлантический океан из Корнуолла (Великобритания). Сигнал преодолел расстояние в 2100 миль!

В 1902 г. Маркони передал первый беспроводной сигнал через Атлантику с запада на восток. Позже, в 1905 г., он получил патент на направленную передачу сигналов.

Конечно, условия работы Маркони и Попова были совершенно разными. Маркони поддерживали крупные английские промышленники, он имел в своем распоряжении огромный капитал, большое количество сотрудников и все условия для работы, тогда как А. С. Попов был ограничен в средствах для проведения экспериментов и только в 1902 г. организовал в Кронштадте небольшую мастерскую с очень незначительным по масштабам производством радиостанций. Отсталая промышленность дореволюционной России не могла развернуть большое производство радиоаппаратуры, поэтому и находилась изначально в большой зависимости от иностранного капитала.

Многие исследователи жизни и научной деятельности А. С. Попова считают, что если бы ученый не умер (а это произошло в 1906 г.), он получил бы Нобелевскую премию 1909 г. вместе с Г. Маркони и Ф. Брауном.

Отдавая должное теоретическим исследованиям Майкла Фарадея, Генриха Герца и других предшественников Маркони, Ганс Хильдебрандт из Шведской Королевской академии во время награждения Нобелевской премией отметил, что «главное (кроме необузданной энергии, с которой Маркони шел к им самим поставленной цели) было достигнуто, когда Маркони благодаря природным способностям смог воплотить всю систему в виде компактной, пригодной для практического использования конструкции».

Во время Первой мировой войны Маркони выполнял ряд военных миссий и в итоге стал командующим итальянского военно-морского флота. Руководил он и программой по телеграфии для обеспечения итальянских вооруженных сил. В 1919 г. его назначили полномочным представителем Италии на Парижской мирной конференции. От имени Италии Маркони подписал договоры с Австрией и Болгарией.

Превратив свою паровую яхту «Элеттру» в домашнюю лабораторию и рабочий кабинет, Маркони в 1921 г. принялся интенсивно исследовать коротковолновую телеграфию. К 1927 г. компания Маркони развернула международную сеть коммерческой коротковолновой телеграфной связи. В 1931 г. Маркони исследовал передачу микроволн и в следующем году установил первую радиотелефонную микроволновую связь. В 1934 г. он продемонстрировал возможность применения микроволновой телеграфии для нужд навигации в открытом море.

Первое десятилетие после изобретения радио характеризуется интенсивными исследованиями, направленными на совершенствование генераторов и приемников электромагнитных волн. Без этих усовершенствований развитие беспроводной телеграфии было невозможным. Искровые передатчики страдали существенными недостатками, которые усугублялись отсутствием устройств для настройки приборов. Что касается приемников, то когерер не мог обеспечить устойчивость и надежность приема.

Вследствие многочисленных исследований, проведенных в конце XIX – начале XX в. учеными и изобретателями разных стран, были созданы более совершенные конструкции радиопередающих и радиоприемных устройств.

…Истинной темой исследования для человечества является человек.

Дж. К. Максвелл

После открытия возможности приема радиосигналов на слух, по телефону, начинают разрабатываться приборы для выделения звуковых колебаний из высокочастотных. Такими приборами были детекторы – устройства, пропускающие ток в одном направлении. Уже в начале XX в. применяют кристаллические детекторы. Между прочим, Попов в 1900 г. заменил когерер детектором, состоящим из пары «уголь – сталь». Но кристаллический детектор – прибор малочувствительный, он может применяться только при передаче мощных сигналов на небольшое расстояние.

Дальнейшие успехи в области радиотехники были неразрывно связаны с развитием электроники и электровакуумных приборов. Полный переворот в развитии радиотехники состоялся в связи с изобретением электронной лампы, получившей широкое распространение в радиопередающих и радиоприемных устройствах.

Согласитесь, что нашу современную жизнь сейчас невозможно даже представить без радио, телевидения, спутниковой связи, мобильных телефонов!.. Все это возникло благодаря физическим исследованиям выдающихся ученых и техническим разработкам, основанным на результатах этих исследований.

И в конце – исторический анекдот из жизни физиков.

Вспоминает академик В. И. Векслер:

«Во время Первой мировой войны Сергей Иванович Вавилов был в армии, и по долгу службы ему пришлось принимать имущество полевой радиостанции тогдашнего примитивного типа. В описи, выполненной очень аккуратно каким-то писарем и содержавшей перечень оборудования, за номером таким-то каллиграфическим почерком значилась следующая формулировка: «непонятное в баночке». Естественно, что это возбудило у Сергея Ивановича любопытство, и он установил, что такое «оригинальное определение» писарь дал когереру, хорошо известному всем физикам.

Это определение – «непонятное в баночке» – стало очень популярным среди физиков и, по существу, превратилось в имя нарицательное».

«Люблю грозу в начале мая…»

Линейная молния

В природе электричество наиболее ярко проявляется в электрических разрядах, которые называют молниями. Существуют различные виды таких разрядов. Молнию относят к искровому разряду.

Люди издавна наблюдали молнии и наделяли их особыми свойствами. Главного бога древних греков Зевса называли еще богом молнии и грома («громовержец»). У римлян богом-громовержцем был Юпитер. Главную роль отводили своим богам-громовержцам и древние индусы (бог Индра), скандинавы (бог Тор), славяне (бог Перун).

Электрический разряд в атмосфере – молния

Молния и гром сначала воспринимались людьми как выражение воли богов, причем как проявление божьего гнева. Но те люди, которые стремились познать мир, пытались постичь и природу молнии, понять ее естественные причины. В древности над этим размышлял Аристотель. Писал о молнии и Лукреций. Пусть его представления были наивными и не вполне физическими (он, например, считал, что гром возникает там, где «облака сбиваются под напором ветров»), однако это были первые шаги в осмыслении причин этого явления.

Большой интерес к изучению молнии проявлял американский исследователь Бенджамин Франклин. Именно он в 1752 г. показал, что молния – это сильный электрический разряд. Франклин выполнил знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его во время грозы и исследуя эффекты, возникающие при этом.

Теория сама по себе ничего не стоит, она нужна, поскольку заставляет нас верить в связь явлений.

И. Гете

Одновременно с Франклином молнии исследовали в России М. Ломоносов и Г. Рихман (для Рихмана, как мы уже говорили, к сожалению, это закончилось трагически). Благодаря исследованиям именно этих трех ученых в середине ХVШ в. была доказана электрическая природа молнии.

Что мы сейчас можем сказать о молнии?

Существуют два основных вида молнии: линейные и шаровые. Рассмотрим кратко, каким образом происходит образование обычной линейной молнии и какие процессы сопровождают это явление.

Как известно, молния возникает тогда, когда образовались грозовые облака. Чаще всего говорят о четырех этапах образования такого облака: зарождение облака, начальное развитие, этап зрелого облака и этап его разрушения.

Основными физическими причинами зарождения и развития облака является конвекция (движение теплого воздуха вверх, а холодного – вниз) и конденсация (образование капелек воды из влажного воздуха при его охлаждении на большой высоте от поверхности земли).

Капли воды, образовавшиеся при конденсации, начинают падать вниз. Вследствие трения воды, падающих капель о воздух, происходит их электризация.

Чаще всего распределение электрических зарядов внутри грозового облака таково: верхняя часть облака (на высоте примерно 7—10 км) заряжена положительно, а нижняя (на высоте 3–4 км) – отрицательно. Важно также и то, что поверхность земли и прилегающий к ней слой воздуха под облаком тоже оказываются заряженными – этот заряд положительный. Именно благодаря наличию этих зарядов и возникает молния – электрический разряд в атмосфере.

Линейная молния представляет собой последовательность нескольких импульсов – пробоин в воздушном промежутке между облаком и землей. Происходит это чаще всего так: сначала образуется канал разряда между облаком и землей, а потом по этому каналу быстро проходит кратковременный ток (говорят – импульс тока).

Ленточная молния

Импульс тока длится примерно 0,1 миллисекунды, а сила этого тока достигает 100 000 А! Температура газа в канале молнии может достигать 10 000 К. В это время и рождается чрезвычайно яркий свет, который мы наблюдаем во время разряда молнии. Тогда же возникает гром, вызванный резким расширением внезапно нагретого газа.

Если рассматривать не отдельный импульс тока, а средние значения для всей молнии, то можно сказать, что один разряд длится примерно 0,1 с, а средняя сила тока равна 1000 А. Видимый канал молнии имеет диаметр около 1 м, при этом основной ток протекает по еще более узкому каналу диаметром всего лишь 1 см.

Продолжительность каждого из последовательных импульсов одной молнии составляет 10^-3 с, промежутки времени между импульсами – приблизительно 10^-2 с.

Иногда возникает не одиночная молния, а так называемая ленточная. При этом наблюдается такая картина, будто возникло несколько практически одинаковых молний, смещенных одна относительно другой.

Шаровая молния

Шаровая молния была известна еще в далеком прошлом, однако ученые до сих пор не могут объяснить это природное явление. В конце своей жизни академик Петр Леонидович Капица сетовал: «Плазмовый орешек оказался мне не по зубам».

Георг Рихман

В свое время Г. Рихман погиб именно от шаровой молнии. Это произошло 26 июля 1752 г., когда ученый во время грозы проводил запланированные исследования. Свидетели видели, что из стержня, который был соединен с молниеотводом, вдруг будто вылетел голубой шар размером с кулак. Шар ударил Рихмана прямо в лоб, он упал и мгновенно умер.

Сохранилось описание этого события, составленное другом Г. Рихмана М. В. Ломоносовым, который сразу посетил лабораторию и исследовал последствия этого трагического случая.

Загадочность этого явления, связанного с неожиданным появлением шаровой молнии, приводит к самым неожиданным выводам. Некоторые люди заявляют, что шаровая молния руководствуется высшим разумом, является живым существом или связана с пришельцами из космоса. Другие объясняют природу шаровой молнии на основе космического излучения, антивещества и других экзотических элементов.

В свое время популярный журнал «Наука и жизнь» обратился к своим читателям с просьбой описать собственные наблюдения шаровой молнии. Сбор наблюдений – важный элемент в изучении этого загадочного явления. Далее переходят к систематизации и анализу собранного материала, а затем – к обобщениям и выводам.

Что же можно сказать (конечно, кратко и без использования сложных физических законов и математических записей) об этой молнии?

Шаровая молния представляет собой светящийся сфероид (шар) диаметром 10–30 см и более, массой примерно 5–7 г. Чаще всего шаровые молнии действительно имеют форму шара. В такой форме им, как говорят физики, энергетически выгоднее существовать. Но встречаются шаровые молнии грушевидной и каплевидной формы, а также очень редко и другой необычной формы, так что некоторые из них легко принять за НЛО. Цвет молнии чаще белый, желтый, красный или оранжевый. Световое излучение такое же, как от лампочки 100 Вт. Существует такая молния от одной секунды до нескольких минут. Движется она со скоростью не более 10 м/с, иногда при этом вращаясь. Обычно шаровая молния движется бесшумно, но может и шипеть или жужжать, особенно когда она искрит.

Шаровая молния может также двигаться вдоль электрических проводов. Это получило название «гидирования».

Сейчас существует несколько научных гипотез относительно природы шаровой молнии. Согласно гипотезе Б. Смирнова, шаровая молния имеет химическую природу и ее свечение связано с определенными химическими реакциями.

Согласно другой гипотезе, шаровая молния состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц – ионов. Однако подробные расчеты, проведенные для этих моделей молнии, не дают ответов на многие вопросы, поэтому эта проблема до сих пор остается не решенной.

Закончим рассказ о шаровой молнии несколькими правилами поведения при встрече с ней. Говорят, что следует среагировать на нее, как… на незнакомую собаку – стоять или сидеть неподвижно, наблюдая за ее поведением. Если дверь рядом, лучше медленно покинуть помещение самому, а не ждать, когда она вылетит, и тем более не выгонять ее веником, метлой или другими предметами, потому что поведение шаровой молнии в этом случае будет непредсказуемым, а энергию она несет достаточную, чтобы быть опасной для вашего здоровья!..

«Огни святого Эльма»

Среди электрических разрядов, которые можно увидеть в природе, есть и так называемый коронный разряд.

При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущих большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Этот разряд, который называют