Яков Перельман - Физика на каждом шагу

Если вспомним, что еловая древесина чуть не в тридцать раз легче ртути, то поймем, что кусок такого дерева, плавая в ртути, должен погружать под ее уровень всего лишь 30-ю долю своего объема. Примерно так же мелко плавало бы в ртутном озере и человеческое тело; восковая кукла, изображенная на рис. 38, наглядно показывает различие между плаванием человеческого тела в воде и в ртути. В воде, как мы знаем, кукла едва выступает над уровнем жидкости; в ртути та же кукла, напротив, почти целиком находится вне жидкости, погружаясь в нее чуть заметно для глаза.

Рис. 38. Выталкивающее действие жидкости: восковая кукла, плавающая в ртути

Вот простой вопрос, над которым однако полезно подумать.

В бутылку с водою попал кусочек пробки. Он свободно мог бы пройти через ее горлышко. Но при наклонении и опрокидывании бутылки выливающаяся вода почему-то не выносит этого кусочка пробки; он покидает бутылку только с последней порцией воды.

Почему?

Вода не выносит с собой пробки по очень простой причине: пробка легче воды и потому всегда держится на ее поверхности; очутиться внизу, у отверстия бутылки, пробка сможет только тогда, когда вся вода выльется. Оттого-то пробка и выскальзывает из бутылки лишь с последней порцией воды.

Рис. 39

Килограммовую гирю можно изготовить и из железа, и из алюминия. Но так как алюминий примерно втрое легче железа, то при одинаковом весе гиря алюминиевая будет по объему втрое больше железной. Поставим на одну чашку весов железный килограмм, на другую – алюминиевый; весы, конечно, будут в равновесии. Теперь вообразите, что наши весы с гирями очутились под водою. Сохранится ли равновесие? Если нет, то которая чашка перетянет?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что каждая вещь теряет в жидкости столько веса, сколько весит вытесняемая вещью жидкость.

В нашем случае чашки весов сами по себе теряют под водою одинаковый вес (они одной величины). Но гири теряют в весе не одинаково: крупная алюминиевая вытесняет больше воды, нежели мелкая железная; поэтому алюминиевая теряет в весе больше железной; останется же веса в алюминиевой гире меньше, чем в железной.

Рис. 40. Задача о весах под водою (ответ)

Значит, под водой весы никак не сохранят равновесия: чашка с железной гирей перетянет.

Люди, упавшие в воду, если не умеют плавать, часто делают роковую ошибку: они поднимают руки из воды – и тем губят себя. Всякое тело под водой легче, чем вне воды; следовательно, держа руки над водой, утопающий увеличивает вес своего тела, и тогда голова увлекается отяжелевшим туловищем под воду.

Вы можете устроить несложный прибор, чтобы наглядно показать, как должен и как не должен держаться утопающий. Насыпьте немного дроби на дно пробирки; кроме того вдвиньте в пробирку пробочку, как показано на рис. 41, и насыпьте немного дроби в верхнюю часть пробирки. Закрыв пробирку пробкой, приделайте к выступающей ее части две деревянные палочки, которые будут играть роль рук, между тем как вся пробирка представляет подобие тела утопающего.

Рис. 41. Утопающий не должен выставлять рук над водой

Добейтесь того, чтобы наружная пробка лишь немного поднималась над водою, когда «руки» погружены под воду; для этого придется, быть может, намотать на «руки» несколько витков медной проволоки. В таком положении наш приборчик изображает утопающего, держащего руки под водою; «голова» его возвышается над водою. Но вот утопающий поднимает «руки» из воды (палочки поворачиваются вверх), и «голова» погружается в воду – утопающий захлебывается.

Волны на море, бросающие корабль, то вздымающие его высоко на гребень, то погружающие в глубокую водяную долину, кажутся нам огромной высоты – выше многоэтажного дома. Однако это заблуждение: волны вовсе не так высоки, как кажется пассажиру корабля. Самые высокие волны, какие когда-либо наблюдались, не превышают 16 м. Это единичные исключения, которыми может похвастать только безбрежный океан Южного полушария. В океанах Северного полушария, стесненных материками, предельная высота волн – 13,5 м. Но это, повторяю, исключения, а не правило. В Бискайском заливе, который славится своими бурями, не бывает волн выше 8 м; в Средиземном море наибольшая высота волн – 4,5 м, а на Балтийском – всего лишь 2–3 м.

Почему же волны представляются пассажиру корабля гораздо более высокими? Причина станет вам ясна, если вы взглянете на рис. 42. Вы поймете, в чем ошибка пассажира: он принимает – невольно, конечно – наклоненную палубу корабля за горизонтальную и от этого будто бы горизонтального уровня считает высоту волны. Неудивительно, что результат такой оценки высоты получается преувеличенный.

Рис. 42. Почему морские волны с палубы кажутся большей высоты, чем на самом деле?

Какой корабль сильнее качает на волнах – малый или большой? Конечно, малый. Длина волн, т. е. расстояние между двумя соседними гребнями, достигает в Атлантическом океане нередко 100–140 м. Небольшое судно целиком помещается на гребне или на дне такой исполинской волны: его то возносит вверх, то бросает вниз на полную высоту волны. Иное дело корабль-гигант длиною в 200 и более метров. При быстром ходе он всегда занимает корпусом две волны, т. е. не бывает только на гребне или только в долине; оттого и качка (килевая, продольная) для него заметно ослабляется.

Рис. 43–44. Пароход на волнах. В обоих положениях судну угрожает поломка посередине. Почему?

Но ошибочно было бы думать, что большому кораблю качка менее вредна, чем малому. Как раз наоборот! Малое судно целиком подкидывается; ему не грозит опасность разломиться пополам; большой же пароход во время волнения подвержен такой угрозе.

Происходит это вот почему. Когда большой пароход скользит по волнующемуся морю, он то зарывает в воду нос и корму, то, напротив, освобождает их от воды, погружая в волну середину своего корпуса. Какие же силы действуют на судно в том и в другом случае? Когда концы корпуса в воде, а середина вне воды, то вес носа и кормы облегчается выталкивающим действием воды, середина же сохраняет свой вес почти полностью. Корпус корабля подвергается при этом таким же усилиям, как и мостовая ферма, подпертая на концах; вес стремится прогнуть середину сооружения вниз. В обратном случае, когда корма и нос почти вне воды, середина же корпуса в воде, перевешивают концы парохода, – их вес не уменьшается поддерживающим давлением воды. Это то же самое, что подпереть мостовую ферму в середине. Ясно, что концы сооружения, не подпертые снизу, будут стремиться изогнуть его середину вверх.