Физика на каждом шагу
Шрифт:
Для того же опыта можно воспользоваться и картофелиной; она тоже тонет в пресной воде и всплывает в густосоленой; легко поэтому приготовить рассол, в котором картошка не будет ни тонуть, ни всплывать.
Рис. 36. Подводная лодка держится под водой по той же причине, по какой не тонет и не всплывает яйцо в густом рассоле
В подобном состоянии находятся подводные лодки – длинные сигарообразные суда, могущие двигаться и маневрировать, находясь ниже уровня воды. Сейчас такие суда строятся исключительно для военных целей [8]
8
В настоящее время создаются и подводные аппараты научного назначения.
Подводная лодка не всегда плавает под водой: во время переходов и стоянки суда эти находятся в непогруженном состоянии, как корабли обычного типа, они даже снабжены мачтами, мостиком и прочими частями надводного судна. И только находясь вблизи неприятельского корабля, подводная лодка погружается ниже уровня воды, выставляя над нею конец своего «перископа» (наблюдательной трубы).
Опускаются подводные лодки на глубину и в тех случаях, когда спасаются от артиллерийского обстрела, когда ищут спокойной ночевки и т. п.
Погружают подводную лодку тем, что из-за борта впускают воду в особые «балластные цистерны», т. е. в запасные баки, установленные внутри лодки и остающиеся порожними, когда лодка плывет в надводном положении. При заполнении цистерн вес лодки, бывший до погружения меньше веса равного объема воды, становится одинаковым с весом равного объема воды; по закону Архимеда, такое тело не должно под водой ни всплывать, ни тонуть.
Ниже 70 м под уровнем воды современные подводные лодки не погружаются, чтобы не пострадать от давления воды: на 70-метровой глубине каждый квадратный метр поверхности судна испытывает со стороны воды давление в 70 т. Впрочем, в Америке недавно сооружены подводные лодки, способные погружаться глубже указанной границы. Это настолько крупные суда, что для них название подводной лодки уже никак не подходит; лучше называть их подводными крейсерами. Такое судно может по три месяца плавать в открытом море, не возобновляя в гаванях своих запасов и покрывая расстояние в 25 тыс. морских миль (45 тыс. км). Имея все преимущества крейсера, новое подводное судно может погружаться на невероятную глубину – 112 м! Без добавочных приспособлений новый подводный корабль способен оставаться под водой трое суток, а при наличии особых аппаратов – даже целый месяц.
Рис. 37
Возвращаясь к нашим опытам, расскажем, как можно изготовить модель подводной лодки. Надо вырезать из дерева веретенообразное подобие подводной лодки и обмотать его нетолстой медной проволокой. Постепенно сматывая проволоку и отрезая ее по кусочку, можно добиться наконец того, что модель лодки не будет в соленой воде ни тонуть, ни всплывать.
Подобно подводной лодке в воде, держится в воздухе дирижабль: он вытесняет ровно столько тонн воздуха, сколько весит его оболочка с наполняющим его легким газом, гондолой и прочим снаряжением.
Плавание в тяжелой жидкости
Кто знает закон плавания и помнит удельные веса разных материалов, тот может предвидеть, какие материалы будут в воде плавать и какие тонуть. Если удельный вес материала больше удельного веса воды, материал тонет; если меньше – плавает. Не думайте, что материал, тонущий в воде, потонет и во всякой другой жидкости; в более тяжелой жидкости он может и не тонуть. Возьмем, например, ртуть – металлическую жидкость, которая тяжелее воды почти в 14 раз. Бросьте в нее кусок железа – он не потонет, а будет плавать. Это и понятно: железо имеет удельный вес 8, ртуть – 14. Медь, цинк, олово, даже серебро и свинец в ртути плавают; только золото, платина и некоторые другие металлы из числа самых тяжелых в ртути не плавают. Кусок дерева в ртути конечно тоже
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
Задача о пробке
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
Весы под водой
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.
Чтобы не утонуть
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.