Физика в ванне

DjVu

      Физику можно изучать по книгам. Но можно знакомиться с этой наукой, проводя самостоятельные опыты и исследования. Какой же метод предпочтительнее? Лучше всего сочетать и тот, и другой.
      Систематические учебные курсы и монографии предназначены для создания определенного, полного представления о физике как о науке в целом или об отдельных ее разделах. Книга X. Рачлиса «Физика в ванне» служит совсем иным целям. Она дает некоторые начальные представления о методах физических исследований, о том, как изучаются физические явления и накапливаются новые знания.
      Физика — наука экспериментальная. Все теоретические построения в ней основываются на наблюдениях реальных явлений. Следовательно, нужно прежде всего научиться наблюдать и описывать наблюдаемые явления. При этом чрезвычайно важно найти такие характеристики явлений, которые можно было бы оценивать количественно и сравнивать друг с другом. Если удается обнаружить количественную зависимость между величинами, то эта зависимость может быть выражена очень экономно математической формулой.
      Однако физика занимается не только отыскиванием внешней закономерности явлений. Она стремится постичь причину этих закономерностей, проникнуть в механизм явлений. С этой целью физики выдвигают гипотезы, строят абстрактные модели, используют упрощенные мысленные построения. При этом очень часто предполагают, что механизм изучаемого явления аналогичен механизму другого, по тем или иным чертам сходного явления. Такая гипотетическая модель имеет эвристическое (познавательное) значение. Развивая логически это абстрактное построение, можно получить следствия — иными словами, новые знания о явлении. Однако для того чтобы быть уверенным в истинности .теоретической модели явления и справедливости вытекающих из нее следствий, необходимо проверить их на практике, то есть экспериментально. Это не всегда просто сделать. Нужно придумать опыты, которые можно было бы проделать и убедиться в том, что теоретические предсказания оправдываются. Иногда эксперимент дает неожиданные результаты, которые не согласуются с принятой моделью. В этом случае (если проверка показывает, что ошибки в эксперименте нет) приходится менять исходную модель, вносить поправки в теорию. В итоге процесс научного творчества развивается циклически: от наблюдений к гипотезе (построению модели); от модели к выводу теоретических следствий; от вывода следствий — к их экспериментальной проверке и оценке результатов.
      Книга X. Рачлиса ценна тем, что она подводит читателя к пониманию механизма научного исследования в физике и необходимости проведения его последовательных этапов. В отличие от множества других авторов, ставящих перед собой ту же задачу, Рачлис начинает повествование не с описания физической лаборатории или открытий, а с описания физических явлений, которые в состоянии наблюдать каждый. Лабораторией начинающего физика, который воспользуется его книгой, послужит ванна, имеющаяся в любой современной квартире.
      Эта книга ценна еще и тем, что читателю не требуется знать почти ничего для того, чтобы понять в ней почти все. Ее с увлечением прочтет и школьник, только что приступивший к изучению физики, и взрослый человек, который либо не изучал этого предмета прежде, либо забыл его.
      Начиная с рассказа о волнах, которые можно наблюдать на поверхности воды, автор по аналогии описывает и объясняет звуковые и световые явления, волновые процессы разной природы. Увлекательно пишет он об опытах, связанных с давлением внутри жидкости, с атмосферным давлением, с некоторыми тепловыми и механическими явлениями, которые можно наблюдать и самому исследовать в ванне.
      Проведению таких наблюдений, расчетов и исследований во многом помогут специальные задания, приводимые в конце каждой главы. Возможно, не все из них одинаково понравятся читателю — некоторые кое-кому могут показаться чересчур простыми и потому малоинтересными. Но такие задания легко опустить.
      Конечно, книга Рачлиса не дает представления о содержании современной физики. Автор рассматривает лишь физические явления, которые легко наблюдать и исследовать. Но рекомендуемые им самостоятельные эксперименты наверняка побудят многих к более серьезным занятиям увлекательнейшей наукой — физикой. В этом основной смысл и ценность книги.
      В. Г. Разумовский
     
      1. ВВЕДЕНИЕ
      Для чего нам нужны глаза? Чтобы видеть, конечно.
      А уши? — Чтобы слышать.
      А пальцы? — Трогать, осязать и держать в руке предметы.
      А еще мы обладаем органами обоняния и вкуса.
      Это наши главные органы чувств, они рассказывают нам, что происходит в мире.
      Но самое главное — мы обладаем мозгом, изучающим и запоминающим все, о чем рассказывают органы чувств. Мы способны понять, что означают наши ощущения, и решить, какому из них уделять внимание, а какое — не замечать.
      Давайте замрем на минуту и прислушаемся. Совершенно неожиданно вы услышите звуки, которых не замечали до сих пор. Щебечет за окном птица и шелестит под ветром листва, капает вода из крана, гудит мотор холодильника. Были ли эти звуки до того, как вы прислушались? Конечно. Только вы не обращали на них внимания.
      Есть особый способ смотреть, слушать, ощущать, называемый наблюдением. Когда мы наблюдаем, мозг указывает глазам, куда смотреть, а ушам — какие именно звуки слушать. Мы уже не просто смотрим, а всматриваемся, не просто слушаем, а прислушиваемся.
      Только благодаря умению наблюдать охотник в лесу находит добычу, а следователь — ключ к разгадке преступления. Чтобы совершить открытие, ученому надо уметь внимательно наблюдать природу. И если вы хотите быть похожими на ученых, вам — точно так же, как в детстве ходить и говорить, — надо учиться умению наблюдать.
      Для начала в качестве лаборатории нам подойдет обычная ванна. Никаких особых приборов и инструментов не потребуется. Сложных больших исследований и экспериментов проводить тоже не будем — только самые простые. По-настоящему новых открытий мы, пожалуй, не совершим, но они могут оказаться новыми для вас.
     
      Наука «Физика»
      Эта книга называется «Физика в ванне». Вы, наверное, удивитесь выбранному нами странному сочетанию — физика и ванна. Ну, во-первых, ванна хорошо всем известна или, по крайней мере, должна быть известна. Во-вторых, там происходит множество интересных вещей. Вода наполняет ванну, человек садится, и уровень воды поднимается. Предметы в ней плавают или тонут, образуются мыльные пузыри, свет отражается от стенок ванны и поверхности воды, люди в ванной падают и ушибаются. Эти и многие другие события являются объектами изучения физики.
      Наука всегда стремится вскрыть причины тех или иных явлений. И в этой книге мы будем искать причины разнообразных явлений в ванной комнате. Многие из них вы, наверное, замечали и сами. Но очень может быть, что после чтения этой книги вы увидите то, чего не видели прежде, и удивитесь явлениям и событиям, на которые раньше внимания не обращали.
      Как начинаются исследования
      Вас окружает множество предметов, которые не привлекают внимания, пока с ними не случится чего-нибудь странного. Если пепельница, спокойно лежащая на столе, сама по себе вдруг поднимется в воздух, то это, конечно, серьезный повод для начала исследования. Как могло это случиться? Чем именно это вызвано? Можем ли мы поднимать и опускать таким способом предметы по своему желанию?
      Однако события вовсе не должны быть столь необычными для того, чтобы заставить нас задуматься. Например, однажды пепельница звякнет на столе. А на улице мы услышим шум грузовика. Здесь могут начаться интересные исследования, в которых колебания, вызываемые грузовиком, связываются с колебаниями пепельницы.
      То же самое может произойти и в ванне. Мы наполняем ее водой, ступаем в нее, садимся. Вода поднимается, плещется вокруг нас. По поверхности воды пробегают волны, вода становится грязной. Открываем слив, и вот ванна пуста. Вытекая, вода может образовать водоворот. Все эти очень легко наблюдаемые события вызывают вопросы, а каждый вопрос может стать началом целого исследования.
      Прочитать или сделать?
      А сейчас краткое отступление о том, как читать эту книгу. Один способ — расположиться в удобном кресле и читать, не прерываясь, проводя все исследования в своем воображении. Это тоже хороший способ, но, может быть, вам больше понравится другой. В книге будут описываться определенные явления, происходящие в ванне, и задаваться вопросы, которые должны заставить вас задуматься. И хорошо бы, дойдя до них, остановиться и попытаться поразмыслить. Будет интересно узнать, насколько ваши рассуждения совпадают с изложенными в книге или отличаются от них.
      Совсем не обязательно прерывать чтение, раздеваться и лезть в воду всякий раз, когда вы хотите проверить правильность описанных явлений в ванне. Но при очередном купании вы сможете убедиться в справедливости сказанного в книге на собственном опыте. Во многих же случаях вы также сможете с успехом использовать «маленькие ванночки» — кухонные раковины, котелки, миски, стаканы и блюдца.
      Увидеть самому явление очень важно по нескольким причинам. Во-первых, так поступают при научном подходе к работе. Когда один ученый сообщает о своих наблюдениях, другие пытаются повторить им проделанное и провести эти наблюдения самостоятельно. Если удача сопутствовала лишь одному автору, значит, что-то тут не так. Только тогда, когда явление наблюдалось несколькими учеными, оно может считаться достоверным фактом. Во-вторых, пытаясь самостоятельно проверить какую-либо идею, вы сможете увидеть и такие явления, о которых в книге не говорится. Такие неожиданные наблюдения приведут к новым знаниям и новым открытиям. Держите широко открытыми глаза и уши, повторяя «писанные в книге исследования, и вы, скорей всего, сделаете собственные открытия.
      Ванна сравнительно безопасное место, но только пока вы в ней осторожны. Множество людей, поскользнувшись, падают в ванне по причинам, о которых мы поговорим попозже. Поэтому, стоя в ванне или возле нее, не следует делать резких движений, особенно, если пол и дно ванны влажные и скользкие. Не используйте также для опытов стеклянные сосуды. Они падают и разбиваются, а острые осколки стекла трудно обнаружить в ванне.
      А теперь перейдем к делу.
     
      2. ВОЛНЫ
      Посмотрите на наполненную ванну, когда поверхность воды спокойна. Бросим в нее маленький тяжелый предмет, например, кусочек металла или камешек. Тотчас вокруг места, где камень ударился о воду, образуется волна и начнет кольцом расходиться по ванне. Если предмет не очень мал, можно наблюдать вторую и третью волны, следующие за первой, иногда целую цепочку волн. Для образования длинного ряда волн ванна мала, но такой ряд легко увидеть, бросив большой камень в пруд.
      Почему образуется волна? Ударяясь о поверхность, предмет вытесняет воду. В результате маленький водяной холм вырастает вокруг предмета (рис. 1). Иногда вода выталкивается так быстро, что часть ее отрывается от поверхности и разбрызгивается во все стороны.
      Водяной холм, конечно же, не стоит на месте — вода вокруг точки, где предмет ударился о поверхность, приходит в сложное колебательное движение. Каждый небольшой объем воды движется вверх и вниз и вызывает аналогичное движение соседних с ним объемов, происходящее, однако, с некоторой задержкой во времени. Вы сами можете наблюдать колебания воды с помощью пробки или другого небольшого легкого предмета, плавающего на поверхности воды.
      Создадим волну, бросив какой-нибудь предмет в воду. При прохождении волны пробка будет подниматься и опускаться. Требуется определенное время, чтобы колебания воды дошли до соседних участков. Какие-то участки воды уже поднимаются, в то время как соседние еще опускаются. Это легко видеть с помощью нескольких плавающих рядом пробок. Создав волну, вы обнаружите, что часть Пробок поднимается вверх, а часть в это же время опускается вниз.
      Но почему же волна продолжает распространяться даже после того, как вызвавший ее предмет уже лежит на дне? Камень нарушил равновесие воды и привел ее в колебательное движение. Это колебательное движение уже существует независимо от вызвавшей его причины — волна бежит во все стороны в то время, когда камень уже неподвижен. Колебания распространяются со скоростью, зависящей в основном от природы жидкости, в которой они образовались. В жидкостях типа меда или сиропа, очень вязких и тяжелых, по сравнению с водой, скорость волны очень мала, и волна затухает гораздо быстрее, чем в воде.
      Волны образуются не только при бросании в жидкость предметов, которые в ней тонут. Плавающие предметы при падении на поверхность тоже образуют волны, но их воздействие на жидкость не такое сильное. Волну можно вызвать, двигая вперед-назад в жидкости широкую пластинку. Почему бы не испытать все эти способы в ванне? Двигая ладонь вперед-назад, можно создать целую группу волн. Очень важно при этом найти правильный ритм, но после небольшой тренировки вы сумеете образовать прекрасную вереницу волн. Образуем ее в центре ванны. Посмотрим, что произойдет, когда первая волна достигнет стенки. Волна отразится от нее и пойдет в другом направлении.
      Заметьте удивительный факт: волны, отразившись от стенок ванны, двигаются сквозь новые волны, которые продолжают создаваться рукой. Каждая волна идет в своем направлении не изменяясь, как будто встречной волны и не существует. Это важное свойство волн. Они проходят друг сквозь друга, не разрушая одна другую.
      Теперь попытаемся создать волны, периодически двигая в воде пластмассовую чашку вверх-вниз в определенном ритме. Заметим расстояние между гребнями волн. Оно называется длиной волны. Затем сделаем движение чашки более частым, ускорим его ритм — волны идут теснее, длина волны стала короче. Замедлим ритм (уменьшим частоту движения) — гребни волн будут разделены большим расстоянием, длина волны станет больше. Предположим, что чашка поднимается и опускается один раз в секунду. Частота колебания будет равна одному колебанию в секунду, или 1 герцу (Гц). Если вы двигаете чашку вверх-вниз два раза в секунду, частота равна 2 Гц, а в случае, когда чашка поднимается и опускается пять раз в секунду, частота колебания равна 5 Гц. Увеличивая частоту, мы уменьшаем длину волны. Иными словами, волна большей частоты обладает более короткой длиной.
      Бывает, что землетрясение вызывает внезапный подъем или резкий провал земной коры под водой. Это приводит, как и при движении чашки в ванне, к образованию волны, но только имеющей огромные размеры. Длина такой волны может составлять много километров (а частота — всего несколько колебаний в час), такие волны могут пересечь океан и двинуться на берег. Они известны под названием цунами и могут причинить страшные разрушения городам и поселкам на берегу моря за тысячи километров от места землетрясения.
      Теперь вернемся в ванную комнату и оглянемся вокруг. Не рбнаружим ли мы еще каких-нибудь других волн, кроме образовавшихся на поверхности воды? Они есть, и самые разные.
      Днем Солнце посылает световые лучи через окно, ночью их испускает электрическая лампа. Световые волны для распространения не нуждаются в каком-либо веществе типа воздуха или воды. Они могут распространяться даже в пустом космическом пространстве между Солнцем и Землей.
      Ученые называют эти волны электромагнитными, так как они имеют непосредственное отношение к электричеству и магнетизму. Длины волн видимого света очень короткие — около 1 /200000 м, а частота огромная — около 1 квадрильона (1 000 000 000 000 000) Гц. Для световых волн различного цвета длина волны разная — от 1/1200000 м для красного до 1/2600000 м для синего цвета.
      Принесем в ванную комнату радиоприемник на батарейках и включим его. (Приемником, работающим от сети, пользоваться в ванной нельзя, так как во влажном помещении существует опасность поражения электрическим током.) Радиоволны позволят нам услышать передачу, которая ведется со станции, удаленной от нас на много километров. Попадая в радиоприемник, эти волны проходят сквозь стены комнаты. Радиоволны — это тоже электромагнитные волны, но с гораздо большей длиной и более низкой частотой, чем волны видимого света. Длина радиоволн, на которых ведется большинство передач.
      составляет десятки-сотни метров, а частота — около миллиона герц.
      Находясь в ванной комнате, вы можете услышать голос зовущей вас матери. Она довольно далеко от вас — в кухне. Как вы узнаете, о чем она говорит? Звуковые волны, возбуждаемые ее голосовыми связками, распространяются по воздуху и достигают ваших ушей. Звуковые волны, передающие человеческие голоса, имеют обычно длину в несколько метров и частоту в несколько сотен герц.
      Волны играют очень важную роль в нашей повседневной жизни. Световые волны жизненно необходимы не только потому, что они обеспечивают способность видеть, но и потому, что они — основной источник энергии для питания растений. С помощью радиоволн и связанного с ними телевидения осуществляется почти вся система связи на больших расстояниях. Звуковые волны позволяют людям общаться на коротких расстояниях. В двух следующих разделах мы подробнее остановимся на важнейших видах волн. Но исходным пунктом наших исследований по-прежнему будет служить ванна.
     
      ЗАДАЧИ
      1. Перед вами небольшая лодка, стоящая в воде залива на якоре. Ветер дует от берега и вызывает небольшое волнение на поверхности воды. Вы заметили, что лодка покачивается с периодом 4 секунды, когда под ней проходят волны. Расстояние между гребнями соседних волн примерно такое же, как и длина расположенной рядом 10-метровой лодки. Какова скорость распространения волны? За сколько времени волна достигнет выхода из залива, находящегося в 0,4 км от лодки.
      2. Какова скорость распространения радиоволн, если станция, работающая на частоте 1 000 000 Гц, создает волны длиной около 300 м?
     
      САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
      1. Найдите в вашей местности возвышение с видом на озеро или другой большой водоем. С этой точки понаблюдайте за волнами, которые образуются лодками. Возьмите фотоаппарат, снимите картину через некоторые интервалы времени, а потом изучите ее.
      2. Бросьте два камня в спокойный пруд или озеро. Понаблюдайте за процессом прохождения волн друг сквозь друга.
      3. Покройте, стенку ванны полотенцем. Отражаются ли волны от полотенца так же, как они отражались от стенки? Как повлияет на отражение волн прикладывание к стенке других материалов, например дерева, металла и т. д.
     
      3. ЗВУКИ
      Давайте закроем слив и прикроем кран так, чтобы вода текла в ванну не очень быстро. Станем на колени (подложив коврик, конечно) и приложим ухо к стенке ванны против того места, куда попадает струя. Что мы слышим? Теперь поднимем голову — звук изменился? Повторим опыт несколько раз, чтобы убедиться в этом.
      Выключим воду и откроем слив ванны. Вслушайтесь, приложив ухо к ванне. Поднимите голову. Слышите шум воды, вытекающей из ванны? Как он лучше слышен, через стенки или по воздуху? Звук, проходящий через твердый материал, слышен гораздо отчетливее, чем достигающий нас по воздуху. Почему это так?
      Задумаемся о происхождении звуков — вот стукнула дверь, ударили молотком по гвоздю, проехала машина, вы прошли по твердому полу. Звук всегда вызывается каким-либо механическим движением. Столы, стены, пол, большинство других предметов от толчка не приходят в видимое движение, если только он не очень силен. Но они способны несколько прогибаться, и в результате возникает их легкое движение вперед-назад, вибрация.
      Туго натянутая струна или резиновый шнур — ABC хорошо иллюстрируют природу колебаний. Предположим, что мы оттянули середину струны из нормального положения В в положение Е (рис. 5). Струна натягивается, и, когда мы ее отпустим, она вернется назад в точку В. Но в момент возвращения в свое нормальное положение В она будет двигаться. Продолжая движение, но постепенно замедляясь, она остановится в точке D, уже по другую сторону от своего первоначального положения. Теперь струна снова натянута и должна двигаться назад к точке В. Она пройдет эту точку и отклонится почти до точки Е, после чего опять повернет назад. Со временем, после многих таких колебаний струна вернется в состояние покоя.
      Подобным способом происходят колебания твердых упругих предметов, если какой-то участок тела толкнуть и вывести из нормального состояния. Колебания одной части предмета оказывают влияние на остальные части. Колеблющиеся участки тянут и толкают соседние, и те тоже начинают колебаться. В свою очередь, они приводят в движение окружающие их участки и т. д. Таким образом, колебания, созданные в одной точке тела, передаются другим его точкам по всем направлениям, так что через какое-то время колеблются все точки внутри сферы с центром в источнике колебаний. Так распространяется звуковая волна в твердом материале.
      Теперь понятно, почему мы слышим звук падающей на дно ванны воды, приложив ухо к стенке ванны. Колебания дна, вызванные падением воды, передаются стенкам и по твердому веществу, из которого сделана ванна, доходят до наших ушей.
      Но почему же, подняв голову, мы все равно продолжаем слышать звук? Между стенками ванны и ухом находится вещество — воздух. Как и все вещества, он состоит из крошечных частиц, называемых молекулами, но отстоят они друг от друга на гораздо большие расстояния, чем в жидкостях или твердых телах. Поэтому воздух прозрачнее и легче воды или стали. Но он все-таки может передавать звуковые волны. Воздух — тоже упругое вещество, его даже накачивают в шины автомашин для уменьшения тряски. Эта упругость делает воздух и другие газы достаточно хорошими проводниками звуковых волн. В результате мы можем слышать звуки, распространяющиеся по воздуху почти так же, как и по твердому материалу.
      Вернемся к нашим опытам со звуками в ванне. Падающая вода вызывает колебания твердого материала, из которого она сделана. Вода и стенки ванны заставляют колебаться прилегающие слои воздуха, и звуковая волна по воздуху достигает наших ушей. Она прогибает барабанную перепонку, специальные нервы внутреннего уха посылают сигналы об этих колебаниях в мозг, который расшифровывает полученные сигналы, и в итоге мы воспринимаем звук.
      Но раз звуковые колебания распространяются через твердое вещество и газы, не могут ли они распространяться и через жидкость? Находясь в очень большой ванне, например бассейне, и погрузив голову целиком в воду, вы легко можете услышать всплески, исходящие от другого пловца. В озере или в море вы услышите шум моторов отдаленных катеров.
      Звук проходит через любое вещество — твердое, жидкое и газообразное. Но он не может пройти через вакуум — пространство, где нет частиц какого-либо вещества.
      Можно ли на Земле услышать гул двигателя космического корабля, пролетающего где-то в открытом космосе? Нет, потому что там нет воздуха или иного материала, способного передать звуковые колебания на Землю. Конечно, на борту корабля мы можем превратить звуки в радиоволны, послать радиоволны на Землю и тут превратить их снова в звуковые с помощью радиоприемника. Но в этом случае безвоздушное пространство пересекает не звук, а радиоволны, имеющие совсем другую природу.
     
      Пение в ванной комнате
      Любите ли вы петь в ванне? Даже если нет, то очень многим людям это нравится, и по весьма интересной причине. Дело тут не столько в ванне, сколько в ванной комнате. Поэтому для данных исследований не обязательно лезть в ванну.
      Попробуйте спеть в ванной комнате, закрыв дверь, затем повторите это в большей комнате. А лучше споем песню — другую на улице, когда поблизости никого не будет (если вы стесняетесь слушателей). В ванной комнате звук вашего голоса сильнее, а некоторые тона звучат особенно громко и полно.
      Почему же в ванной комнате поется гораздо легче, чем на улице или даже в зале? Одна из причин этого кроется в том, что звуковые волны отражаются от твердых тел — стен, потолка и пола ванной комнаты. Другая связана с существенным различием между шумом и музыкальными звуками.
      Давайте подробнее рассмотрим распространение звуковых колебаний. Пусть звуковая волна движется от нас к стене, как показано на рис. 6 штриховой линией А. Когда волна достигает стены, она отражается и начинает двигаться уже в противоположном направлении (штриховая линия ВС). Достигнув другой стены, она опять отражается, как показано на рисунке (линия D) Тем временем другие волны выходят из нашего рта и складываются с общим звучанием. В результате создается более громкий звук, чем в обычных условиях. На открытом же пространстве звук просто разойдется во всех направлениях, не отражаясь и не возвращаясь к нам. В ванной комнате стены создают хорошую отражающую поверхность. При каждом отражении, конечно, какая-то часть энергии колебаний теряется, но большая ее часть все же отражается. В то же время, мягкий ковер или шторы на окнах практически не отражают звук, а поглощают его. Поэтому в комнате с ковром, мебелью с мягкой обивкой и шторами труднее создать звук такой же силы, как в ванной. Чтобы убедиться в этом, попробуйте спеть в такой комнате.
      А теперь опять споем в ванной. Но только один, очень низкий звук. Так низко, как только можете. Потом возьмем другой тон — повыше, потом еще выше, еще, и наконец, самый высокий, который вы способны произвести. Вы обязательно заметите, что существуют несколько музыкальных тонов, звучащих громче остальных. Их называют резонирующими. В чем причина такого эффекта? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить различие между простым шумом и музыкальными звуками.
      В предыдущем разделе мы обнаружили, что, когда волны создаются периодическим движением, скажем, колебаниями ладони вперед-назад, то волна имеет определенную частоту, задаваемую ритмом движения ладони. При таких правильных колебаниях существует определенное расстояние между гребнями волн — иначе говоря, определенная длина волны. Кроме того, Изучая волны на воде, мы заметили, что высокая частота соответствует короткой длине волны.
      Но представим себе, что движение ладони неритмич но, она просто беспорядочно взбалтывает воду. В этом случае волны не имеют определенной частоты и длины волны. Ситуация с звуковыми волнами аналогична. Музыкальный звук представляет собой волны того же типа, что и образованные периодическим движением ладони в воде, в то время, как шум — это неправильные волны, похожие на вызванные взбалтыванием воды.
      Дерните струну гитары, и вы, наблюдая за ее контуром, заметите, что она колеблется с очень большой частотой. Эти колебания имеют строгую периодичность. Одна струна может колебаться с частотой 200 раз в секунду, другая — 232 раза, а третья — 1050 раз. Каждая частота соответствует определенному музыкальному тону. Частота 200 раз в секунду означает, что каждое колебание следует за предыдущим ровно через 1/200 секунды. Колебания струны настолько регулярны, что на их основе можно сконструировать очень точные часы. И, действительно, в одной из моделей часов время отмеряли не колебания пружины или маятника, а маленького камертона, издающего слабый музыкальный звук.
      Большинство людей начинают различать звук с очень низкого тона частотой около 20 колебаний в секунду (20 Гц). Самый низкий тон на фортепиано (последняя клавиша слева) соответствует частоте 27 Гц. Клавиши в середине клавиатуры дают тона с частотой несколько сотен колебаний в секунду, клавиши в правом конце дают очень высокие звуки с частотой колебаний несколько тысяч герц. Некоторые пожилые люди перестают слышать звуки начиная с 10 000 Гц. А при частоте выше 20 000 колебаний в секунду звуки становятся неразличимыми для всех людей, хотя животные — собаки, летучие мыши, дельфины и другие — могут услышать и эти тона. Этим как раз и пользуются дрессировщики в цирке. Они проделывают самые удивительные трюки, например, с собаками с помощью маленьких свистков, издающих звуки с частотой более 20 000 Гц. Так собаку можно «научить считать» Это не значит, что она может производить вычисления Просто она научена лаять всякий раз, как услышит свист, неразличимый для зрителей. Спрятанный помощник свистит столько раз, сколько надо пролаять «ученому» псу, публика же при этом находится в полной уверенности, что он умеет считать.
      Таким образом, звук является музыкальным и имеет определенную высоту тона только тогда, когда колебания являются периодическими, как показано на рис. 7, а, б Шум же (рис. 7, в) — просто набор хаотических колебаний. Поэтому у шума нет определенной частоты. Вот вы хлопнули ладонью по стене. Раздавшийся при этом звук представляет собой смесь колебаний, создаваемых многими источниками. Воздух вытесняется из пространства между ладонью и стеной — это создает одни колебания. Колеблется сама ладонь, порождая другой тип колебаний. Стена сделана из различных материалов — штукатурки, дерева или металла, и у этой сложной конструкции — свои собственные колебания. Все вместе такие вибрации, наложенные друг на друга, воспринимаются нами как шум. Когда же мы поем музыкальную ноту определенной частоты, голосовые связки колеблются строго регулярно, подобно скрипичной струне, образуя периодические звуковые волны. Такая же регулярность присуща всем музыкальным инструментам, независимо от того, чем вызваны колебания — струнами, как в скрипке, или воздухом, как в флейте.
      Представим себе, что мы поем так, что наши голосовые связки, а следовательно, и воздух колеблются 200 раз в секунду. В каждом веществе звуковые волны распространяются со строго определенной скоростью. В воздухе скорость звука составляет 330 м/с. Что происходит, когда мы издаем звук с частотой 200 Гц? Ко времени, когда последующее колебание только зарождается, начало предыдущего отошло уже на 1 /200 от 330 м, т. е. на 1,65 м. Третье колебание будет отставать от второго тоже на 1,65 м. Таким образом, колебания следуют друг за другом с интервалом 1,65 м, т! е. длина волны составляет 1,65 м, как показано на рис. 8, а.
      Далее предположим, что мы берем более высокий тон — 550 колебаний в секунду. Длина волны теперь будет ЗЗОХ 1 /550 = 0,6 м. Это расстояние намного меньше, чем в предыдущем случае. Длина волны для звука с более высокой частотой, следовательно, короче (см. рис. 8,6).
      Теперь представим себе, что звук с частотой 200 Гц и длиной волны 1,65 м создается внутри помещения длиной 1,65 м, в точности совпадающей с длиной волны этого звука.
      Тогда отраженные стенками волны могут при сложении усиливать друг друга. Колебания в этом случае происходят согласованно, в такт, и в результате создаются громкие, резонирующие, звуки.
      Если же размеры помещения несколько больше или меньше 1,65 м, такого согласования колебаний уже не будет, что отразится на общей интенсивности звука. Поэтому, например, для звука с длиной волны 0,6 м и высотой 550 Гц такое помещение не подошло бы для приведения в такт колебаний в отраженных волнах. Нужна была бы комната или ящик длиной 0,6 м. Таким образом, каждое помещение лучше всего резонирует со звуками, длина волны которых соответствует размерам помещения.
      Определенные размеры ящиков или комнат, названные выше, не являются единственными, необходимыми для резонанса со звуками высотой 200 и 550 Гц. На самом деле ящик, длина которого, например, в два раза меньше (или больше) этой длины, тоже будет резонирующим. Кроме того, надо помнить, что у ящика или ванной комнаты кроме длины есть ширина и высота, не совпадающие с длиной. Волны могут отражаться также от кривых поверхностей, например, самой ванны. В вашей ванной комнате могут оказаться резонансные условия для целого ряда тонов.
      Когда вы поете в большой комнате, звукам требуется больше времени, чтобы дойти до стен и отразиться, а расходясь на большие расстояния, они теряют свою силу. Кроме того, обычно размеры комнаты не являются резонирующими с тонами, на которых мы поем. Так, большая жилая комната прекрасно резонирует с самым низким тоном, который способен издать орган, потому что длина волны этого тона 6 — 9 м. Но она слишком велика, чтобы резонировать со звуками, производимыми нашими голосовыми связками, когда колебания имеют длину волны 0,3 — 0,9 м.
      В таком случае, не будет ли маленький ящик лучшим резонатором для человеческого голоса, чем ванная комната? Почему бы не попробовать? Возьмите картонную коробку, закрытую со всех сторон. Прорежьте на одной из ее широких сторон круглую дыру диаметром 5 — 7 см. Попытайтесь спеть перед этим отверстием, начав с самых низких тонов и, постепенно набирая высоту, добраться до самых высоких. Резонировала ли коробка с каким-нибудь из этих тонов? Проведите тот же опыт с молочной бутылкой, бутылкой из-под лимонада или кувшином. В результате вы можете удивиться, узнав, что нечто такое маленькое, как молочная бутылка, способно резонировать с музыкальным тоном.
      Вы, наверняка, когда-нибудь задумывались, почему скрипка или виолончель имеет такую странную форму. Эта форма подобрана так, чтобы различные музыкальные тона могли найти свою собственную резонансную длину в одном из направлений внутри корпуса. Например, очень высокие тона с короткой длиной волны находят необходимое им расстояние между деками корпуса скрипки. Средние тона находят свою резонансную длину поперек корпуса, а низкие, с большой длиной волны, — вдоль корпуса. S-образные вырезы на верхней деке скрипки под струнами — это места, откуда резонансные звуки начинают распространяться во все стороны и достигают слушателей. Почему корпус виолончели намного больше, чем у скрипки? Струны виолончели длиннее, массивней и не так туго натянуты, как у скрипки, и поэтому колеблются они медленней, чем скрипичные. Виолончель издает невысокие музыкальные тона — с низкой частотой и большой длиной волны. Эти длинноволновые звуки требуют большего резонирующего объема, соответственно корпус виолончели должен быть больше, чем корпус скрипки. В инструментах типа ксилофона звуки создаются ударом молоточка по вибрирующим пластинкам разного размера. Под каждой такой пластинкой расположена полая резонирующая камера, которая делает звук, издаваемый пластинкой, намного громче.
      Как же мы это так — начали с ванной комнаты, а кончили скрипкой? Это и есть одно из волшебств науки. Законы физики обладают удивительным свойством: они применимы ко всему, что нас окружает, включая ванные комнаты, молочные бутылки н скрипки.
     
      ЗАДАЧИ
      1. Почему при выступлении оркестра в большом зале музыка звучит по-разному в зависимости от того, заполнен зал людьми или пуст?
      2. Удар грома вы услышали через 25 с после того, как увидели вспышку молнии. На каком расстоянии сверкнула молния?
      3. На каком расстоянии находится утес, от которого эхо вернулось через 1,3 с после вашего крика?
     
      САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
      1. На с. 24 было сказано, что скорость звука в воздухе составляет 330 м/с. Как можно убедиться в этом на конкретном опыте? Давайте попробуем сами измерить скорость звука в воздухе.
      2. Большое здание, стоящее возле открытого, не очень крутого склона, — прекрасное место для получения эха. Встаньте, например, в 6 метрах от здания и крикните что-нибудь. Слышите эхо? Повторите опыт, отойдя на 13, 20, 25, 35 м (расстояние можно измерять складным метром). На каком расстоянии вы перестали слышать эхо? Как можно объяснить, что существует максимальное расстояние, с которого оно слышно?
      3. Можем ли мы ожидать, что скорость звука в воздухе на большой высоте такая же, как и на уровне моря? Будет ли она в стальном рельсе такой же, как в воде или воздухе? Больше она в воздухе или меньше? Возможно, вам захочется найти в книгах более точные сведения о скорости распространения звука в различных веществах.
      Подумайте, как работает ультразвуковой локатор для подводных исследований. (Аналогичные системы используются дельфинами и летучими мышами для ориентации в темноте.)
     
      4. СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ
      В двух предыдущих разделах мы исследовали волны, которые образуются на поверхности воды, и звуковые волны. Теперь рассмотрим другой вид волн — световые.
      Нальем в ванну воду так, чтобы ее глубина составляла около 10 см. Закроем кран и подождем несколько минут, пока вода успокоится. Посмотрев вниз, мы увидим свое зеркальное изображение, довольно ясное. Сделаем его ярче, поднеся к лицу карманный фонарик. Пошевелим в воде пальцами — изображение исказится, заколышется, а через некоторое время опять вернется к первоначальному виду. Взболтаем воду сильнее. На этот раз изображение может и вовсе исчезнуть.
      Почему поверхность воды создает зеркальное изображение? Почему оно не такое четкое, как в обычном зеркале? Почему карманный фонарик у лица делает его ярче? Почему изображение исчезает, когда поверхность воды становится неровной?
      Лучше всего, прежде чем отвечать на эти вопросы, погасить свет в ванной комнате и направить карманный фонарик на поверхность воды. Желательно, чтобы пучок света был бы как можно более узким, поэтому наденьте на фонарик картонную трубку или трубку из скатанных и склеенных листов бумаги. Тогда пучок света почти не будет расходиться (будет параллельным), как показано на рис. 9. Направим его на поверхность воды и посмотрим, что из этого получится. Сначала держите фонарик наклонно. Отражается ли хотя бы часть света от поверхности воды? Существует несколько способов проверить это. Один из них — увидеть пятно света на стене возле ванны. Если в воздухе есть пылинки, то иногда можно даже увидеть отраженный пучок света. Вы можете создать искусственную запыленность воздуха — например, рассыпать немного порошка талька над пучком. Можно сжечь кусок бумаги, создав немного дыма на пути отраженного пучка. Частички, взвешенные в воздухе, рассеивают свет и делают пучок видимым.
      Попробуйте также поднести руку к световому пятну, туда, где пучок от фонарика падает на поверхность воды. Можно «поймать» яркое пятно, которое укажет, в каком направлении отражается свет. Медленно поднимайте руку и следите за пучком вплоть до пятна на стене.
      Посмотрим, под каким углом свет падает на поверхность воды и под каким отражается от нее. Для этой цели больше всего подходит способ наблюдения с помощью порошка талька или дыма. Что вы можете сказать относительно углов, под которыми луч падает на воду и отражается от ее поверхности? Вы должны согласиться, что они равны. Попробуйте изменить наклон Луча. Посмотрим, изменился ли угол отражения. На рис. 10 показаны некоторые типичные случаи отражения. Если световой луч входит в воду под небольшим углом (а), как бы скользит по воде, отражение происходит под тем же небольшим углом. Когда угол между лучом и поверхностью воды больше (б), то и отражается луч под большим углом. Если же пучок падает вниз почти вертикально (в), отражение происходит тоже почти вертикально.
      Теперь посветим карманным фонариком вниз на воду под таким углом, чтобы на стене образовалось световое пятно, и при этом сделаем поверхность воды неровной, например, поболтаем в ней пальцем. Что пооизойдет с четким, ярким пятном на стене? Оно расширяется, становится размытым и искаженным, колышется.
      Множество лучей (узких пучков света) от фонарика падают на поверхность воды под почти одинаковыми углами. Если вода спокойна и ее поверхность ровная, она отразит эти пучки под одинаковыми углами, и пучок отраженного света будет, как и падающий, почти параллельным. Поэтому на стене образуется четкое яркое пятно. Когда мы потревожили воду, ее поверхность начинает колебаться. По-прежнему каждый узкий луч в пучке света будет отражаться под тем же углом, под которым он упал на поверхность воды, но теперь каждый участок поверхности, колеблясь, меняет свою ориентацию. Из-за этого делается переменным угол падения каждого луча в пучке, меняется и угол его отражения. Пятно на стене становится размытым, поскольку у каждого луча свое, отличное от других, место на стене, куда он попадает отражаясь. Пучок света пляшет и расширяется в зависимости от того, насколько взволнована поверхность воды. Таким образом, вы видите, что только гладкая отражающая поверхность может дать четкое изображение. Неровная поверхность размывает изображение.
      По какой же причине поверхность воды создает зеркальное изображение? Предположим, человек смотрит в воду, пытаясь увидеть отражение небольшого предмета А (рис. 12). Его глаз В для наглядности сильно увеличен на рисунке. Допустим, что лучи света от Солнца падают на объект и отражаются от него.
      Большинство предметов не бывают такими гладкими, как поверхность спокойной воды или зеркала. Оказывается, что если на поверхности предмета имеются неровности размером всего 1/10000 см, то этого уже достаточно, чтобы рассеивать свет во всех направлениях. Предположим, что поверхность предмета А имеет такие неровности. В результате какие-то лучи С и D, исходящие от Солнца и отражающиеся от предмета, падают на поверхность воды, а затем попадают в глаз наблюдателя (Е, F), как это показано на рисунке. Обратите внимание, что лучи С, D расходятся, двигаясь по направлению к воде. Упав на воду и отразившись от ее поверхности, каждый под своим собственным углом, они продолжают расходиться на пути к глазу. Глаз не может определить, откуда к нему пришли лучи на самом деле. Ему кажется, что они пришли из точки С, лежащей под водой. Другими словами, он видит изображение предмета под поверхностью воды. Чаще всего предметы не такие маленькие, как показанный на рисунке (Л). Однако на ход рассуждений это не влияет. Каждый участок большого предмета создает свое собственное изображение. Изображения всех участков складываются в изображение, которое выглядит так же, как и сам предмет. Конечно, чтобы создать такое изображение, нужна очень гладкая поверхность. Лучи должны отражаться от нее так, чтобы у изображения создавалось правильное расположение частей предмета, т. е. чтобы они располагались по отношению друг к другу после отражения так же, как и до него. Это условие прекрасно выполняется на плоской гладкой поверхности. Неровная поверхность разрушает зеркальное изображение, отражая лучи в произвольных направлениях.
      Любая гладкая поверхность отражает свет, как н спокойная поверхность воды. Большинство зеркал изготовляются из очень гладкого стекла, покрытого тонким слоем хорошо отражающего металла (часто серебра). Хорошо отполированный стол илн натертый пол, оконное стекло тоже дают зеркальное изображение. Блестящий корпус автомобиля тоже даст такое яркое изображение, но поскольку его поверхность изогнута, то изображение будет искаженным.
      Почему отражение в воде не такое яркое, как в зеркале? На это есть несколько причин. Осветим карманным фонариком доверху наполненную водой ванну. Весь ли свет отражается? Нет, большая часть светового потока проходит через воду и освещает дно ванны. А доля отраженной световой энергии очень невелика — только около 10 %. В зеркале имеет место обратное соотношение: металл, покрывающий обратную сторону стекла, отражает почти весь свет, попадающий на него, — 95%. Поэтому изображение в хорошем зеркале гораздо ярче изображения, создаваемого поверхностью воды.
      Вторая причина ослабления яркости изображения заключается в том, что, когда вы смотрите в воду, свет висящей под потолком лампы или солнечный свет из окна падает не прямо в лицо, а освещает его, отражаясь от стен, пола, ванны. При этом лицо плохо освещено, и изображение получается сумрачным. Подсвечивая лицо фонариком, мы получим более яркое изображение, так как часть света фонарика, отразившись от лица, попадет на поверхность воды, а от нее — в наши глаза.
     
      «Изгиб» прямой палки
      Что происходит со светом, который не отразился от поверхности воды в ванне, а прошел в воду? Давайте проделаем следующее: заполним ванну до обычного уровня и опустим в воду немного наклонно прямую палку. Посмотрев на палку, вы убедитесь, что она больше не кажется прямой. Та часть, которая находится под водой, как бы загнута кверху. Чуть-чуть вытянем палку из воды. По-прежнему наружная ее часть совершение прямая, а часть, оставшаяся под водой, загнута кверху Вытащим совсем палку из воды. Она опять окажется прямой. Изогнутость полностью исчезла.
      Конечно, ясно, что на самом деле палка не изгибалась и не разгибалась в зависимости от ее положения в воде. Можно попытаться потрогать место «изгиба» под водой — вы убедитесь, что его попросту не существует. Здесь явно имеет место оптический обман, при котором мы видим то, чего нет на самом деле. Зеркальное изображение тоже ведь по сути обман такого рода. Предметы, которые мы видим за зеркалом, находятся на самом деле не там, а совсем в другом месте.
      Исследуем это явление подробней. Возьмем фонарик с надетой на него трубкой. Затемним ванную комнату так, как только это возможно. Включим фонарик и направим луч света в воду. Будем теперь наклонять фонарик так, чтобы он светил то вертикально вниз, то почти вдоль поверхности воды. Вы заметите, что пучок света резко изламывается в том месте, в котором он входит в воду. В воздухе он идет совершенно прямо и совершенно прямо идет в толще воды, но на границе воздуха и воды луч изменяет направление, загибаясь вниз.
      Вы, должно быть, найдете противоречие в том, что палка в воде казалась изогнутой кверху, а световой пучок — изогнутым книзу. Это различие хорошо видно на -рис. 13 и 14. Такое кажущееся противоречие легко объяснить, если подробно разобраться в ходе световых лучей.
      На рис. 15 показана прямая палка АВ, какой она является на самом деле. Глаз наблюдателя, расположенный над поверхностью воды, улавливает свет, отраженный
      Рис. 15. Вот почему кажется, что предметы в воде находятся на меньшей глубине от конца палки В. Но этот луч света не идет прямо, он преломляется в точке D и следует по пути BDC, попадая в наш глаз.
      Наблюдатель не знает истинного пути светового луча, попавшего в его глаз. Луч входит в глаз по направлению DC, поэтому наблюдателю кажется, что он и до точки D шел по продолжению прямой DC, т. е. что конец палки расположен где-то возле точки Е. Заметим, что точка Е расположена выше, чем точка В, и палка представляется нам изогнутой кверху. Кроме того, палка кажется короче, чем она есть на самом деле. Эти две особенности характерны для любых предметов, погруженных в воду. Подводная часть предмета, не полностью находящегося в воде, кажется более короткой, и все предметы под водой кажутся ближе к поверхности, чем в действительности.
      Занимались ли вы когда-нибудь ловлей рыбы острогой. Если да, то вам, конечно, известно, как трудно поймать рыбу. Причина заключается в том, что рыба находится совсем не там, где нам кажется. Если целиться непосредственно в рыбу, острога пройдет слишком высоко. Таким образом, целиться нужно ниже, учитывая искривление световых лучей, создающих изображение рыбы в нашем глазу.
      Только в одном случае параллельный пучок лучей не будет изгибаться: когда он направлен вертикально, т. е. прямо вниз. Свет входит в воду в этом случае под прямым углом и движется вниз без излома.
      Изменение направления светового луча при переходе из одного прозрачного вещества (например, воды или стекла) в другое прозрачное вещество (например, воздух) называется преломлением. Это очень важное свойство световых лучей. На преломлении основано действие всех оптических приборов, в состав которых входят линзы. В основе зрения людей и животных тоже лежит преломление света линзами глаз.
      Много интересного можно еще обнаружить, изучай световые лучи в ванной комнате, но пусть это станет целью ваших самостоятельных исследований. Начать вам помогут наши вопросы и задания.
      Пряной угол
     
      ЗАДАЧИ
      I. Посмотрите в окно в солнечный день. Оконное стекло кажется совсем прозрачным, невидимым. Ночью же в стекле отчетливо видны зеркальные изображения находящихся в комнате предметов.
      Наоборот, если вы стоите снаружи и смотрите в комнату через окно, то отражения видны днем, а ночью их не будет. Как вы могли бы это объяснить?
      2. Благодаря большим зеркалам на стенах комната кажется намного просторнее, чем она есть на самом деле. Почему это происходит?
      3. Когда вы открываете глаза под водой в чистом озере или бассейне, очертания предметов на дне кажутся вам размытыми. Но если вы воспользуетесь подводной маской с прозрачными стеклами так, чтобы между глазами и стеклами маски был воздух, то все станет видно очень четко. Как это объяснить?
     
      САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
      1. Скрепите два тонких зеркала, совместив их края, и поставьте зеркала на цветную картинку. Вы сможете увидеть в зеркалах яркие калейдоскопические узоры.
      Раздвигая зеркала, наблюдайте за изменениями, происходящими с изображениями. Как они образуются?
      2. Зеркальное изображение обращено по отношению к реальному предмету. Например, если вы, глядя в зеркало, закрываете левый глаз, ваше изображение закрывает правый. Но если вы используете систему двух зеркал, поставленных под прямым углом друг к другу, то обращенное изображение обратится еще раз, и предметы в зеркальной системе будут выглядеть такими, какими они являются на самом деле. Расположите зеркала под прямым углом и изучите свое изображение. Правда, странно? Сумеете ли вы причесаться, глядя на это «исправленное» изображение?
      3. Попытайтесь написать на листке бумаги свое имя, наблюдая за рукой в зеркало. Чтобы исключить прямое наблюдение, поставьте между глазами и рукой книгу. Вы обнаружите, что не в состоянии выполнить задуманное. Как это можно объяснить?
      4. Сквозь наполненный водой стакан посмотрите на вертикально расположенный за ним карандаш. Подвиньте карандаш влево, затем вправо. По какому пути, как вы видите, двигается карандаш? Проделайте это с карандашом, расположенным возле стакана, затем отодвиньте его на расстояние вытянутой руки. Объясните ваши наблюдения.
      5. Прочитайте об отражении света в выпуклых и вогнутых линзах и о том, как они образуют изображение. Вы можете исследовать действие таких линз с помощью ненужных очков. В очках для пожилых людей, склонных к дальнозоркости, используются, как правило, выпуклые линзы, в очках для близоруких — вогнутые.
     
      5. МАГНЕТИЗМ
      Из чего сделана ванна? Задумывались ли вы когда-нибудь над этим? А ведь это очень простой, естественный вопрос. И очень просто найти ответ на него. Любой магнит поможет вам в этом.
      Вы, конечно, знаете, что предметы, притягивающиеся к магниту, сделаны, в основном, из железа. Среди обычных железных предметов, которые «прилипают» к магниту, скрепки для бумаг, кнопки, гвозди, болты, гайки, металлические части таких инструментов, как молоток, клещи, отвертка. Если какой-либо из этих предметов не притягивается к магниту, это значит почти наверняка, что он сделан не из железа, а из другого материала.
      Есть еще только один распространенный чистый металл, который притягивается к магниту — никель. Он входит в состав некоторых монет. Но в монетах большинства стран никель смешан с другими металлами, и образующиеся сплавы магнитом не притягиваются.
      Металлические изделия из алюминия, меди, бронзы, свинца не способны притягиваться к магниту. Не способны к этому и предметы из пластмассы, бумаги, дерева, ткани, резины, стекла и большинства других материалов. Железные предметы, покрытые краской, эмалью или подобными веществами, все равно притягиваются к магниту — такие покрытия не влияют на магнитные свойства железа. Следовательно, даже если предмет совершенно не похож на железный, железо может быть обнаружено под внешним покрытием с помощью магнита.
      Когда вы подносите магнит к стенке ванны, то сразу чувствуете, что ванна его притягивает. Это говорит о том, что она сделана, в основном, из железа или из чистого никеля. Так как чистый никель намного дороже железа, то трудно предположить, что этот материал используется для изготовления ванн. А значит, можно смело утверждать, что ванна сделана в основном из железа.
      А из чего сделана раковина в ванной комнате? Почему бы не узнать и это самим?
      Зачем ванну покрывают эмалью? Так как непосредственно исследовать металл в ванне не очень просто, используем в наших опытах обычную иглу. Давайте нальем воду в пластмассовый пузырек или блюдце, бросим туда иголку и отставим в сторону. Через день или чуть позже обнаружится, что игла заржавела. При встряхивании пузырька маленькие коричневые хлопья ржавчины появятся в воде, и вода может стать коричневой. Если вы сомневаетесь в достоверности наших слов, проделайте опыт сами. Будем каждый день заменять ржавую воду чистой. Продолжает ли игла покрываться ржавчиной? Что станет с ней через неделю? через месяц? через год?
      Когда игла ржавеет, железо соединяется с газом (кислородом), который попадает в воду из воздуха, и превращается в другое вещество, называемое окисью железа. Оказывается, вода в значительной степени ускоряет этот процесс, и, если железо даже немного увлажнить, оно начинает быстро ржаветь.
      Все ли металлы ржавеют? Попробуйте ответить на этот вопрос самостоятельно. Используйте медную монетку, серебряную ложку, алюминиевую фольгу, какой-нибудь латунный (т. е. сделанный из сплава меди с цинком) предмет, свинцовое грузило.
      Что произошло бы с ванной, будь она сделана только из железа? Вы можете себе представить, как быстро бы она проржавела.
      Как предотвратить этот процесс? Любое покрытие, не дающее воде и кислороду прямо контактировать с железом, мешает появлению ржавчины. Для этого подошла бы краска, но она легко скалывается с поверхности, а, кроме того, при длительном воздействии вода может ее испортить. Можно покрыть железо нержавеющим металлом. Например, анодированное железо — это железо, покрытое тонким слоем нержавеющего цинка. Такой материал подошел бы для ванны, но стоит на ее поверхности появиться достаточно глубокой царапине, как это место начнет быстро ржаветь. Конечно, можно сделать ванну целиком из нержавеющего металла — латуни или меди. Но она будет слишком дорогой, намного дороже железной. Обычно ванны, которыми мы пользуемся, защищены эмалевыми покрытиями. На заводе ванна покрывается специальной пастой. Затем ее прогревают до белого каления, пока паста не превратится в твердый фаянс. Такое покрытие будет гладким, долговечным и стойким к царапинам и другим повреждениям-. Оно не даст железу ржаветь.
     
      Северный полюс и наша ванна
      Какое же отношение имеет Северный полюс к нашей ванне? Посмотрите на свой компас и вы увидите, что концы его стрелки окрашены в разные цвета. Обычно направленный на север конец стрелки выкрашен в голубой цвет, а направленный на юг — в белый. Теперь, ровно держа компас, поднесите его к верхнему краю ванны. Можно увидеть, как голубой конец стрелки развернется и укажет на ванну. Затем положите компас на пол возле ванны. В этом случае можно наблюдать, как стрелка будет указывать на ванну белым концом. Повторим опыт для разных участков вверху и внизу ванны. Все время вы будете наблюдать одно и то же: все участки в верхней части ванны притягивают к себе голубой конец стрелки компаса, а все участки ее нижней части — белый.
      Чтобы разобраться в таком странном поведении компаса, необходимы некоторые сведения, которые можно получить, исследуя магнитный брусок.
      Предположим, что такой магнит закреплен на дне маленького плоского пластмассового блюдца. Блюдце же опустим плавать в середину ванны, наполненной водой.
      Как вы думаете, что произойдет? Блюдце с магнитом начнет поворачиваться и, совершая небольшие колебания, наконец, установится так, что магнит будет расположен в определенном направлении. Если мы повернем блюдце, а потом отпустим, то оно снова развернется так, что определенный конец магнитного бруска укажет то же направление, что и раньше. Убедитесь в этом на собственном опыте.
      Показывает ли магнит на север? Возьмем обычный компас, но отнесем его подальше от ванны или раковины, потому что, как мы уже видели, железо ванны влияет на способность компаса ориентироваться. Положим компас ровно на ладонь и понаблюдаем за стрелкой. Она повернется так, что ее голубой конец укажет определенное направление. Это направление близко к северному (но не точно на север). Это же направление указывает магнит в блюдце.
      Часто, сокращая слова «направленный на север» и «направленный на юг» конец (полюс) стрелки, мы говорим просто северный или южный полюс. Это удобно в повседневном обращении, но может приводить к ужасной путанице. Северный полюс магнита — это, конечно, не то же самое, что Северный полюс Земли. Северный полюс стрелки — это конец магнитной стрелки, который, если ему ничего не мешает, поворачивается так, чтобы указывать направление приблизительно на север. Северный полюс Земли — это географическое понятие, та точка на Земле, где проходит ось, вокруг которой Земля совершает вращение. Перепутать северный полюс магнита с Северным полюсом Земли — это все равно, что назвать птицей охотничью собаку только потому, что собака показывает, где находится птица.
      Стрелка компаса — это магнит, который может свободно вращаться, так как закреплен на очень остром шпеньке. Магнит в блюдце тоже может легко вращаться, так как плавает в воде. В обоих случаях мы имеем магниты, которые могут свободно поворачиваться. И оба они поворачивались в определенном направлении так, чтобы указывать почти на север. Мы говорим «почти», потому что северный конец магнитной стрелки компаса показывает не на географический Северный полюс, расположенный в центре Арктики. На самом деле он указывает на определенное место в Северной Канаде, один из двух магнитных полюсов Земли. Другой магнитный полюс, находящийся в Антарктике, притягивает к себе южный конец магнитной стрелки компаса.
      Возникает вопрос, почему стрелка компаса всегда выбирает именно эту точку в Северной Канаде и поворачивается к ней? Почему бы ей не указать на восток или на запад, на Северный полюс, на Чикаго или Буэнос-Айрес? Какая сила разворачивает ее в сторону Северной Канады?
      Вы, наверное, знаете, что каждый магнит обладает двумя полюсами, в которых магнитные силы особенно велики. У большинства магнитов, выполненных в форме бруска или полоски, полюса расположены на концах, хотя можно изготовить магниты с полюсами и в других частях бруска.
      Если мы поднесем два магнита близко друг к другу северными концами, то почувствуем силу, которая будет отталкивать их. То же самое наблюдается и в случае сближения южных концов. Таким образом, одноименные полюса магнита отталкиваются. С другой стороны, если приблизить северный конец одного магнита к южному концу другого, то явственно ощутится их притяжение друг к другу. Северный конец одного магнита всегда притягивает южный конец другого. Итак, разноименные полюса притягиваются.
      Земля — это тоже гигантский магнит. И у нее тоже есть свои собственные магнитные полюса — один в Северной Канаде, другой в Антарктике. Магнитные полюса Земли обладают огромной силой, действие которой ощущается в любой точке планеты.
      Если магниту дать возможность свободно вращаться, например, поместив в плавающее блюдце или закрепив на острие, один из его полюсов повернется в определенном направлении — на Северную Канаду, а другой его полюс будет показывать в сторону Антарктики.
      Тут вы, наверное, почувствовали, что с названиями у нас не все ладно. Разве направленный на север полюс магнита не является по существу его южным полюсом? И не является ли направленный на юг полюс магнита по сути его северным полюсом, раз он притягивается Южным полюсом Земли? Ужасная путаница, не правда ли? Как же она образовалась?
      Пять или шесть веков назад, когда люди впервые начали пользоваться компасом, они дали названия концам его стрелки. Названия эти казались им вполне естественными: конец, который показывал туда, где, по их мнению, был Северный (географический) полюс и назвали северным, другой конец — южным. Но, как мы увидели, это оказался крайне неудачный выбор обозначений.
      Однако наша первоначальная загадка так и не разгадана. Почему северный конец стрелки компаса (голубой) поворачивается к ванне, когда компас поднесен к ее верхнему краю? А когда он лежит на полу, к ванне обращен южный конец стрелки (белый)?
      О чем говорит нам тот факт, что северный конец стрелки обращен к верхней части ванны? Верхняя часть ванны представляет собой южный ее полюс, притягивающий к себе противоположный — северный полюс стрелки. Дно ванны притягивает к себе южный полюс магнитной стрелки, а, значит, само является северным полюсом. Магнит в плавающем блюдце и магнит, установленный на остром шпеньке, не совсем свободны. Они могут лишь поворачиваться в определенной плоскости. Если расположить стрелку в направлении север — юг и дать ей возможность вращаться в вертикальной плоскости, как показано на рис. 20, то обнаружатся интересные вещи. Если опыт проводится в умеренных широтах Северного полушария, стрелка повернется примерно на 60 — 70°. Она ведет себя, как будто ее притягивает магнитный полюс, расположенный не на поверхности, а глубоко под поверхностью Канады.
      Железо, из которого в основном сделана ванна — магнитное вещество. Такое вещество разделено на крошечные области, которые представляют собой маленькие магнитики со своими северными и южными полюсами. И эти магнитные области могут поворачиваться. Поэтому магнитные силы Земли разворачивают их так, что их северные концы устанавливаются под углом 60 — 70° к поверхности Земли. Северные концы множества магнитиков создают эффект большого северного полюса на дне. В то же время их южные концы выстраиваются наискось кверху, создавая южный полюс в верхней части ванны. Таким образом, загадка ванны-магнита разъясняется.
      А железная батарея отопления тоже имеет в нижней части северный полюс, а в верхней — южный? Конечно! Каждый неподвижный железный предмет очень быстро намагничивается Землей таким образом, что дно его (в нашей местности) становится северным полюсом, а верхушка — южным. Даже у зонтика с железной ручкой, если оставить его на время в неизменном положении, появятся магнитные полюса. Легко убедиться в этом самим. Проверьте холодильник, стиральную машину, кухонную плиту, стальную дверцу. Что у вас получится?
      Не так давно было сделано интересное открытие в геологии, имеющее отношение к нашему рассказу. Оказывается, у некоторых скал обнаружено слабое магнитное поле, которое образовалось миллионы лет назад, когда скалы были извергнуты из земли в виде раскаленной лавы, остывшей и затвердевшей впоследствии. Но среди этих скал есть такие, которые показывают своими северными полюсами на юг.
      Исходя из наших сегодняшних наблюдений, этого не следовало бы ожидать. Какой же вывод можно сделать? Одно объяснение заключается в том, что магнитные полюса Земли менялись местами в далеком прошлом, быть может, даже не раз. Несомненно, тут появляются интересные вопросы о структуре Земли, на которые ученые до сих пор не могут ответить.