Физическая хрестоматия

PDF

      От составителя.
      Цель предлагаемой хрестоматии — пополнить и округлить элементарные сведения школьного учебника физики. Она представляет собою систематизованный подбор выдержек из сочинений большого числа специалистов — физиков, техников и натуралистов — современных и прежде живших. Подбирались отрывки, расширяющие, углубляющие или иллюстрирующие (примерами житейского или технического применения) схематический материал учебника. Хотя сборник не преследует целей исторической хрестоматии, в него, на ряду с другими, включены также некоторые из сочинений великих основателей современной физики — Галилея, Торричелли, Паскаля, Герике, Ньютона, Мариотта и др. Отрывки подобраны лишь такие, которые не устарели ни со стороны содержания, ни со стороны терминологии и, следовательно, не нуждаются в особых коментариях; их некоторая элементарность отвечает задачам хрестоматии и искупается ясностью мысли, яркостью изложения, выразительностью стиля, а также тем особым интересом, который представляет для каждого подлинная речь старинного классика науки.
      В первую часть вошел материал, относящийся к следующим отделам обычной программы физики: введение, начальные сведения из механики, свойства жидкостей и газов, теплота.
      Примечания и другие добавления составителя (упражнения, задачи) оговорены всюду, где это необходимо; пояснительные вставки в тексте отрывков — весьма немногочисленные — выделены квадратными скобками.
      Составитель с признательностью примет все указания относительно замеченных недочетов сборника и желательных изменений *).
      Я. П.
      Сентябрь, 1922.
      *) Адрес для корреспонденции: Петроград, Плуталова, 2, кв. 12. Якову Исидоровичу Перельману.
     
     
      I. ВВЕДЕНИЕ.
     
      Значение физики для человечества.
     
      В мирной тишине кабинетов и лабораторий работали и работают ученые, исследуют свойства различных веществ и изучают всевозможные явления, которые происходят в широком мире мертвой материи. Этими учеными было открыто огромное число электрических явлений, которые интересны сами по себе и которые нашли беспредельно разнообразные применения и в повседневной жизни и в заводской технике. Нужно ли их перечислять: громоотвод, электрическое освещение, телеграф, телефон, передача сил электрическими двигателями, трамваи, телеграф без проводов, Рентгеновы лучи, о которых наверное все слыхали, электрическая плавка, гальванопластика (изобретенная в Петрограде и достигшая столь высокой степени совершенства в Петроградской экспедиции заготовления государственных бумаг), лечение больных электричеством и еще многое другое.
      Физика изучала свойства горячего водяного пара и взрывчатых газовых смесей, и это дало человечеству паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, без которых ныне немыслимы работа заводов, железные дороги, пароходы и аэропланы. Физика всесторонне изучила свойства света, и в результате она подарила человечеству зрительные трубы и микроскопы, благодаря которым были, напр., открыты те болезнетворные, простым глазом невидимые существа, от которых происходят холера, чахотка и многие другие болезни. Исследования физиков дали нам фотографию, развитие которой привело к мгновенной фотографии и к устройству кинематографа, который не только служит как зрелище, но представляет и весьма ценный научный прибор, служащий для изучения разного рода быстро протекающих явлений.
      Практическая механика, изучающая строительные материалы и их упругие свойства, т.-е., так называемое, сопротивление материалов, тесно связанная с физикой, имеет огромное значение для техники и для архитектуры, и без нее были бы невозможны современные сооружения гигантских размеров, как, напр., некоторые мосты, куполы, американские небоскребы, туннели и другие чудеса железнодорожного строительства.
      Метеорология *), можно сказать, целиком основанная на физике, дала нам предсказания бурь и тем помогла избавить человека от одной из великих грозящих ему опасностей, особенно на море. Нет надобности останавливаться на значении метеорологии для сельского хозяйства.
      *) Наука, изучающая явления в атмосфере. — Сост.
      Я, конечно, далеко не исчерпал всего, что физика дала человечеству, приближая его к увеличению удобств окружающей нас повседневной жизни. Но вычеркните только то, что я бегло перечислил, из обихода окружающей нас действительности, все применения электричества, все паровые и газовые двигатели и т. д., — и вы очутитесь перед такою картиною жизни, от которой вы с ужасом отвернетесь. Из всех наук физика больше других одарила человечество теми удобствами, без» которых мы уже не в состоянии мыслить жизнь культурного народа.
      Но не менее велики заслуги физики по вопросу о разрешении загадок окружающего нас мира, о расширении наших познаний.
      Акад. О. Д. Хвольсон.
      «Значение науки для человечества», 1919.
     
      Законы природы.
     
      Положим в склянку лед, взвесим ее с этим содержимым, расплавим лед и снова взвесим: мы найдем, что жидкая вода весит в точности столько же, сколько весил твердый лед. Следовательно, при переходе льда в воду вес остался неизменным. Этот опыт был произведен на точнейших весах, какие только можно себе представить, и при этом не наблюдалось ни малейшего изменения веса. При превращении льда в воду и обратно образуется по весу столько же вещества во втором состоянии, сколько его исчезло в первом состоянии.
      Сказанное справедливо для всех подобных превращений. Справедливо оно также и для всех химических превращений. Хотя, в случае, напр. сжигания спирта или керосина на первый взгляд представляется, будто сожженная жидкость исчезает бесследно, а вместе с тем исчезает её вес, — но точное исследование показывает, что такое наблюдение только кажущееся. При сожжении образуются газы, которых нельзя на глаз отличить от воздуха; но если точно определить вес всех веществ до и после сожжения, то оказывается, что общий вес не изменился. Следовательно, существует общий закон сохранения веса. Если в закрытом сосуде находятся какие бы то ни было вещества и между- ними происходят какие-нибудь процессы, то общий вес всегда остается неизменным: вновь образовавшиеся вещества весят столько же, сколько весили вещества исчезнувшие.
      Закон сохранения веса постоянно находит себе подтверждение, в хотя, конечно, нельзя для каждого нового случая проверять его справедливость, тем не менее составилось твердое убеждение, что тот же закон природы остается в силе и во всех тех случаях, в которых он не был проверен непосредственно. Весь наш опыт говорит о том, что эти простые и общие соотношения наблюдаются всегда и с большой правильностью, так что достаточно было наблюдать справедливость закона природы при возможно разнообразных условиях на значительном числе примеров для того, чтобы высказать предположение, что этот закон будет справедлив и во всех других случаях.
      Таким образом, закон *) природы есть не что иное, как краткое обобщение наблюдавшихся в действительности соотношений, причем на основании опыта мы принимаем, что те же соотношения будут повторяться и в будущем в такой же связи, какую мы наблюдали до сих пор. Нельзя смотреть на законы природы, как на абсолютные предписания, к которым природа неизбежно должна применяться. Это скорее отчет о том, как природа поступала до сих пор в определенных условиях. И так как мы постоянно видим, что течение явлений природы повторяется с большой правильностью, то каждый раз, когда мы замечаем такую правильность, мы в праве заключить, что она будет повторяться и в будущем.
      *) Слово «за-кон». происходит от кон — начало (отсюда и славянское искони — сначала): непреложное начало, согласно которому происходят явления. — Сост.
      Из такого определения законов природы следует, что они могут быть исправляемы дальнейшим опытом, и(ю они представляют не что иное, как выводы из прежних наблюдений. Это исправление приводит обыкновенно к убеждению, что условия, при которых наступает выраженное в законе явление, не были схвачены и должны быть определены вновь. Известная часть старого закона таким образом все-таки остается в силе, когда на месте прежнего устанавливается новый закон.
      Впльг. Оствальд.
      «Введение в изучение химии», 1910.
     
      Явления физические и химические.
     
      Если растирать в порошок обыкновенный сахар, то как бы долго и тщательно ни производилось это растирание, существенные свойства сахара останутся неизмененными: он будет все тем же белым веществом, сладким на вкус, легко растворимым, распускающимся в воде; словом, сахар останется сахаром. Правда, наружность сахара при растирании несколько изменяется: из спекшейся массы блестящих крупинок он становится матово-белым порошком, но прежний вид может легко быть возвращен ему. Сахар, как всякому известно, удобно растворяется в воде, т.-е. переходит при посредстве воды в жидкое состояние. Если теперь из раствора сахара удалять воду выпариванием, т.-е., как говорится обыкновенно, уварить жидкость и оставить потом этот сгущенный раствор, сироп, охладиться и стоять в продолжение некоторого времени, то в нем начинают показываться блестящие крупинки сахара, и мало-помалу весь сироп, что называется, засахареет. Теперь стоит только высушить полученную массу, освободить ее от воды, чтобы опять иметь сахар в прежней форме блестящих крупинок, спекшихся в общий кусок. Здесь произошла, так наз., кристаллизация сахара: выделяясь из раствора, переходя из жидкого состояния в твердое, он принял кристаллическое состояние — образовал кристаллы.
      Не один сахар, но и множество других веществ способны кристаллизоваться, т.-е. принимать определенные геометрические формы, более или менее постоянные для каждого вещества. Кристаллизация вообще наступает, когда в момент принятия веществом твердого вида его частицам предоставлено было группироваться спокойно, следуя прирожденным им силам. Так кристаллизуется, например, обыкновенная наша соль в правильных кубических формах, образование которых легко наблюдать, если каплю рассола оставить высохнуть на поверхности чистого стекла. Раствор нашатыря в воде, при тех же условиях, образует массу мелких перистых иголочек. Благодаря также кристаллизации, мороз расписывает наши стекла прихотливыми узорами, а крупинки снега принимают красивые правильные шестиугольные формы разнообразных звездочек; в последнем случае кристаллизация происходит при переходе в твердое состояние из парообразного.
      Что касается сахара, то когда его кристаллизация происходит быстро, как бывает, например, при частом помешивании густого сиропа, кристаллы являются мелкими и сливаются в один общий кусок. Но можно произвести кристаллизацию значительно медленнее; для этого надо взять более жидкий раствор и предоставить кристаллам образоваться медленно и спокойно: сахар осядет тогда в виде красивых совершенно прозрачных призм довольно значительной величины. В этом виде крупных кристаллов сахар известен под именем леденца. Но и этот леденец — тот же сахар, со всеми его существенными признаками: порошок, полученный растиранием отдельного кристалла леденца, ничем не отличается от того, который происходит из массы кристаллов, находившихся в куске обыкновенного сахара. Понятно, что переход сахара из состояния более или менее крупных кристаллов в состояние порошка представляет изменение менее глубокое, чем растворение в воде, т.-е. превращение его в жидкое состояние; но ни то, ни другое из этих изменений не устранило существенных свойств сахара.
      Точно также главные существенные свойства сахара останутся неизмененными, если его подвергнуть нагреванию до плавления. Сахар плавится в бесцветную прозрачную жидкость, и жидкость эта при охлаждении застывает в стекловидную массу, известную у кондиторов под именем «карамели». Но если эта масса оставлена продолжительное время, особенно в сыром месте, то она мало-по-малу делается непрозрачною, как бы зернистою; это зависит от того, что в массе карамели опять образовались кристаллы и в сущности опять получился первоначальный белый сахар. Словом, во всех этих случаях — и при растворении, и при плавлении сахар остался сахаром.
      Не то будет, если подвергнуть его нагреванию более сильному. Расплавленный сахар, когда его нагревают дальше, начинает желтеть, потом буреет; из него выделяются пахучие пары, и, наконец, получится в остатке масса спекшегося черного вещества, которое есть не что иное, как уголь. Если собрать пары, получаемые при таком процессе изменения сахара действием жара, то можно убедиться, что тут образуются разнообразные вещества, уже ничем не похожие на сахар. В этом процессе изменения действием жара существенные свойства сахара утратились совершенно — сахар перестал быть сахаром: он был однородным веществом во всей своей массе, а теперь получился из него уголь и несколько других новых веществ; сахар, как сахар, перестал существовать, из него произошли новые вещества, он, как выражаются, разложился. Все те первые изменения сахара, о которых мы говорили сначала, не захватывают сущности вещества до такой глубины, как изменение нагреванием.
      Превращение сахара в порошок, размельчение, представляет случай изменения вещества механическим путем; превращение сахара в жидкое состояние растворением в воде или плавлением принадлежит к числу изменений физических, а то изменение нагреванием, которое уничтожило сахар, превратив его в новые вещества, представляет случай химического превращения. При подобном химическом разложении однородность нарушается, происходят новые вещества, совершенно не похожие на первоначальное; разложение это обнаруживает химическую сложность сахара.
      В огромном большинстве случаев разнообразные вещества оказываются химически-сложными и могут быть разложены тем или другим способом на два, три или более новые разнородные вещества, но такое разложение имеет свой предел: уголь, например, никакими известными до сих пор способами не мог быть разложен на разнородные составные части, и он причисляется поэтому к числу простых или элементарных веществ — химических элементов. Металлы, напр., все суть также элементы.
      А. М. Бутлеров *). «Основные понятия химии», 1886.
      *) А. М. Бутлеров — знаменитый русский химик (1828 — 1886).
     
      Твердые и жидкие тела.
     
      Чем что-нибудь проще на первый взгляд, тем оно обыкновенно оказывается сложнее, если вдуматься поглубже. Каждый отличит человека от обезьяны, а тем более, например, от кошки, — но определить, что такое человек, вряд ли многие сумеют. Точно также всякий знает, какое тело — твердое, какое — жидкое, какое — газообразное, как воздух, а определить, что такое твердое, жидкое и газообразное тело, дать отличительные признаки этих разрядов или классов тел далеко не легко.
      Чем твердые тела отличаются от жидких? Очевидно, не цветом, не запахом, не вкусом, не теплотой, потому что и твердые и жидкие тела бывают самого разнообразного цвета, запаха, вкуса, тепла. Если всмотреться в окружающие нас твердые и жидкие тела, то бросится в глаза, что каждое твердое тело имеет свою собственную форму, которую и сохраняет, если на него никакая сила не подействует, а каждое жидкое тело имеет не свою форму, а форму того сосуда, в котором оно находится.
      Но если не удовлетвориться тем, что бросилось в глаза, а вдуматься глубже, то увидим, что не в этом дело. Жидкость тоже ведь сохраняет свою форму, если на нее никакая сила не подействует: вода в графине сохраняет свою форму. А что касается до собственной или не собственной формы, то мыльный пузырь, дождевая капля, капля ртути — все тела жидкие — имеют собственную форму, которая не зависит ни от какого сосуда.
      Если же мы обратим внимание не на самую форму тел, а на то, как можем мы ее изменить, то тут сразу натолкнемся на резкое различие. Изменить форму мыльного пузыря, воды в графине, чая в стакане очень легко, а изменить форму стакана, графина, стола, карандаша очень трудно. Даже та сила, которая требуется, чтобы изменить форму таких не очень твердых тел, как пробка, бумага, соломинка, вата, все-таки куда больше, чем сила, потребная для изменения формы жидкости. Воткнуть палец в сено или вату все-таки куда труднее, чем воткнуть палец в воду или в керосин: в последних случаях сила так мала, что мы ее совсем не замечаем.
      Проф. Б. П. Вейнберг. «Твердые тела, жидкости и газы», 1908.
     
      Газы.
     
      Газы — вещества, наименее доступные непосредственному наблюдению. Поэтому потребовалось довольно много времени, пока не пришли к тому выводу, что газообразное? состояние вещества должно быть поставлено наряду с твердым и жидким.
      Кроме воздуха, который нас окружает и в котором мы живем, существуют другие газы с другими свойствами. Например, светильный газ, который применяется для освещения; водородный газ, которым наполняют воздушные шары; углекислый газ, который заключается в сельтерской или Шипучей воде и, пенясь, выделяется из них. Все эти газы бесцветны, но существуют некоторые газы, которые имеют заметную окраску (напр., хлор). Точно также и жидкости чаще бывают бесцветны, чем окрашены.
      Газы не имеют собственной формы и не занимают определенного объема, они целиком заполняют каждый сосуд, в котором их помещают. При этом они оказывает на стенки сосуда некоторое давление, которое может быть больше или меньше. Это давление зависит от того, сколько газа находится в данном объеме; оно повышается с увеличением присутствующего количества. Всем хорошо известно, что накачивание велосипедной шины требует тем большего усилия, чем больше уже накачено в нее воздуха.
      Мы живем в воздушном море, как рыбы в воде, и воздух заполняет не только наши легкие и другие полости нашего тела, но и вообще все открытые сосуды. Когда мы говорим о бутылке, что в ней «ничего» нет, то мы разумеем под этим, что в ней нет ничего, кроме воздуха. Что действительно нечто заключается в «пустой» бутылке, это видно из того, что при погружении ее под воду отверстием вниз вода входит в нее лишь в незначительном количестве. Если же теперь перевернуть бутылку, то можно видеть, как воздух пузырьками поднимается в воде, и вместе с тем вода входит в бутылку. Отсюда нетрудно заключить, что воздух менее плотен, чем вода. Разница плотностей действительно очень значительная, так как воздух при обыкновенных условиях нашей атмосферы приблизительно в 800 раз менее плотен, чем вода, т.-е. один грамм воздуха занимает объем 800 кубических сантиметров или 4/о литра. Но так как объем воздуха в очень сильной степени зависит от давления, то и плотность воздуха (и вообще всех газов) очень сильно меняется с давлением.
      Вильг, Оствальд.
      «Введение в изучение химии», 1910.
     
      Примечание. Давление газов часто называется их упругостью, но необходимо иметь в виду, что упругость газов в этом смысле существенно разнится от упругости твердых и жидких тел. «Для твердых тел упругость есть свойство, заключающееся в способности воспринимать прежнюю геометрическую форму (сюда относится и объем), когда причины, вызвавшие изменение формы, перестают действовать; так, например, стальная пружина упруга. Для твердых тел существует, так называемый, предел упругости. Жидкости такого предела не обнаруживают: они абсолютно упруги, но, конечно, только по отношению к изменению объема. Эта упругость для газов вовсе не существует, что и понятно, так как газы не обладают ни формой, ни определенным объемом, но просто занимают всякий предоставленный им объем. Газы производят давление, которое, к несчастью, также называется упругостью. Но эта упругость ничего общего не имеет с-упругостью твердых и жидких тел и с нею не может быть сравниваема». (О. Д. Хвольсон). — Сост.
     
      Зависимость состояния вещества от температуры.
     
      Рассмотрим, что случилось бы с различными веществами, составляющими земной шар, если бы его температура внезапно изменилась. Вообразим, например, что Земля вдруг перенесена в несравненно более горячие области нашей солнечной системы, — например, в область, где господствует температура, гораздо выше температуры кипящей воды. Тогда вся вода и все другие жидкости, способные кипеть при температурах, близких к температуре кипятка, и даже многие металлы быстро превратились бы в газообразные тела, которые сделались бы составною частью атмосферы. Можно предвидеть, что случилось бы при этом предположении с камнями и с большею частью плавящихся веществ, составляющих земной шар: они, конечно, размягчились бы, расплавились, превратились бы в жидкости.
      Наоборот, если бы Земля вдруг была перенесена в области очень холодные, — напр., на расстояние Юпитера или Сатурна, то вода наших рек и морей, а также, вероятно, большинство известных нам жидкостей превратились бы в твердые горы и крепкие скалы. Воздух при этом, — или, по крайней мере, часть составляющих его веществ, — без сомнения, перестали бы быть невидимыми газами, но за отсутствием достаточной степени тепла, перешли бы в жидкое состояние: образовались бы новые жидкости, о которых мы не имеем ни малейшего представления *).
      Таким образом ясно, что твердое тело, жидкость и газ суть три различные состояния одной и той же материи, три частные ее видоизменения, через которые, в зависимости от температуры, могут последовательно переходить все вещества.
      Лавуазье **). «Происхождение и состав атмосферы», 1790.
      *) Это было написано в 1790 г. В настоящее время посредством искусственного охлаждения и сильного сжатия все газы, из смеси которых состоит воздух, удалось перевести не только в жидкое состояние, но,-за исключением одного газа (гелия), — даже и заморозить.- Сост,
      **) Антуан Лавуазье — гениальный французский ученый (1743 — 1794), реформатор химии; его бессмертные труды составили эпоху в развитии этой науки.
     
      Можно ли считать жидкость чем-то бесформенным?
     
      Частички жидкости гораздо подвижнее частичек твердого тела: они легко скользят одна около другой. Поэтому уже от собственного веса (давление верхних слоев на нижние) жидкость растекается, если не встречает преграды, или принимает форму того сосуда, в который налита. Но кто же не знает, что малое количество жидкости часто принимает форму более или менее близкую к шарообразной? Таковы дождевые капли, мелкие капли росы на листьях или брызги воды на масляной бумаге, мелкие ртутные капли. Значит, и жидкость не совсем лишена способности сама собою принимать определенную ферму. Чем меньше жидкости и чем, следовательно, слабее давление ее верхних слоев на нижние, тем ее форма точнее приближается к шаровой. Нужно также, чтобы жидкость ни к чему постороннему не прилипала.
      Опыты. Брызнем водою на промасленную бумагу: вода разбежится по ней шариками; более крупные из них несколько сплющены от собственного веса. То же будет, если бумагу сперва посыпать плауновым семенем (мелкий порошок, в котором иногда сберегаются пилюли *).
      *) Споры мха, называемого в народе «кукушкин лен». — Сост.
      Если случится разбить ртутный термометр, то можно заметить, что содержавшаяся в нем ртуть также принимает форму шариков, разлившись по столу. Стоит обратить внимание на округлую форму капли росы на поверхности листа. Любопытно, что если потереть лист и потом капнуть на него воды, то она уже расплывается по поверхности и теряет своеобразный серебряный блеск росинки: пальцем мы стерли покрывавшее лист восковое вещество или примяли мелкие волоски, благодаря которым вода не прилипала к листу. Вода не прилипает к сухой запыленной поверхности, и вот часто можно видеть, как первые капли дождя или пролитой воды разбегаются шариками по пыльной дороге.
      Сделаем опыт с большим количеством жидкости. Наполним постным маслом самую маленькую баночку (какие употребляются для мазей и т. п.), ополоснув ее сперва водой, и поставим ее на дно столового стакана. В стакан нальем спирту несколько выше баночки и станем понемногу прибавлять (по краю) воды, стараясь не очень взбалтывать жидкость. От прибавления воды жидкость сделается, наконец, тяжелее масла и начнет вытеснять его из банки [масло тяжелее спирта, но легче воды]. Выходящее из нее масло принимает округлую форму, напоминающую не сполна раздутый воздушный шар (аэростат).
      Смешивая воду со спиртом, можно приготовить жидкость, в которой масло не будет ни тонуть ни всплывать: впущенное в нее масло остается под поверхностью, «висит» в жидкости, не касаясь стенок сосуда. Так удается получить почти правильный масляный шар диаметром в дюйм и даже больше.
      Каждый, конечно, замечал образование больших быстро лопающихся водяных пузырей на лужах вовремя дождя, и всем знакомы мыльные пузыри. Тонкая пленка из мыльной воды легко образуется при мытье рук между большим и указательным пальцами, если сложить их кольцом. Хотя в мыльной воде и содержится немного постороннего вещества, именно мыла, но мы все же имеем дело с настоящей жидкостью. Мы видим, что жидкость сама собою не только может принять шаровидную форму, но что частички жидкости могут образовать, взаимно удерживаясь, очень тонкий, гибкий, упругий слой.
      Итак, жидкость, освобожденная от давления (вследствие тяжести) выше лежащих слоев и от соприкосновения с предметами, к которым она могла бы прилипать, принимает форму шара.
      Вся разница между твердыми и жидкими телами сводится к тому, что первые представляют изменению формы более или менее значительное сопротивление, а последние — ничтожное. Но, с одной стороны, мы наблюдаем в твердых телах весьма различные степени «твердости с другой — жидкости в очень различной степени «текучи». Резкой границы между твердыми и жидкими телами не существует *).
      Казалось бы, что столь укоренившееся различие «твердого» и «жидкого» тогда совсем не нужно. Но это вопрос большого удобства. Надо лишь всегда помнить, что понятия о твердом и жидком теле условны **).
      Н. С. Дрентельн.
      «Физика в обиходной обстановке», 1915.
     
      *) «Нажмем ножом маленькую капельку ртути на стекле: она сплющится, а по отнятии ножа снова вернется к прежней форме; толкнем ртутную маленькую каплю по стеклу по направлению к стеклянной же пластинке, — капля, ударив о пластинку, отскочит, подобно биллиардному шару, и явление будет тем резче, чем менее капля. Таким образом, малая капля ртути — совсем твердое тело, большая — совсем жидкость. Различие здесь «Обусловлено неодинаковым отношением действия тяжести к силам сцепления... Поэтому, при прочих равных условиях, тело, твердое на Земле, стало бы жидким, если бы напряжение тяжести на Земле стало столь же велико, как на Солнце (в 26 раз сильнее), а наши вязкие жидкости, напр., деготь, глицерин и др., — представились бы нам настоящими твердыми телами, если бы мы их перенесли на одну из маленьких планет нашей сочнечной системы, вроде Паллады». (Проф. Д. А. Годьдгаммер. «Итоги Науки», 1915 г.).--Сост.
      **) «Деление тел на твердые, жидкие и газообразные очень важно с точки зрения практической, с точки зрения привычки употребления различных тел для наших нужд. Стены наших домов, части наших машин требуют применения твердых тел; нельзя заменить их жидкостями, лишенными твердости; пар, работающий в цилиндрах наших машин, не может быть заменен твердым телом, лишенным упругости. Но с точки зрения научной это деление имеет мало интереса и будет все более и более утрачивать его по мере развития знания... Существуют только два различных состояния вещества — кристаллическое и аморфное, и каждое из них имеет свои собственные законы». (Г. Ле-Шателье: «О растворах», 1897). — Сост.
     
      Текучесть твердых тел.
     
      В природе встречаются твердые тела, которые без нагревания, при очень низких температурах обнаруживают весьма ясно свойство текучести, т.-е. характерную особенность жидкости. К числу таких тел принадлежит лед. Мелко раздробленный лед, помещенный в какой-либо сосуд, даже на морозе сравнительно скоро сливается в сплошную массу. В горах ледники движутся, текут совершенно так, как течет вода в реке, только скорость движения льда при этом очень малая. Между ледником и рекою в отношении движения разница не качественная, а лишь количественная.
      Еще значительно более чем лед обнаруживает свойства текучести смола, известная под названием вар (сапожный вар). Вар представляет собою очень хрупкое тело, черное, блестящее в изломе, очень похожее на черное стекло. Если бросить кусок вара на пол, этот кусок разбивается на мелкие кусочки. Таким образом, вар обнаруживает отличительную особенность некоторых твердых тел. Если же положить куски вара в воронку и вставить эту воронку в склянку, то по прошествии сравнительно небольшого промежутка времени, нескольких дней, все отдельные куски сольются в одну сплошную массу, которая и заполнит воронку. Вар потечет затем воронки в виде струи, но скорость течения его очень малая. Требуется довольно много времени, чтобы в склянку натекло достаточное количество этого вещества. Поверхность вара в склянке принимает форму, совершенно такую же, какую имеет ртуть в стеклянном сосуде, т.-е. эта поверхность у стенок склянки получается выпуклая.
      Интересен следующий опыт с варом. Из вара приготовляется пластинка. Эта пластинка кладется на четыре невысокие пробочки, помещенные на стекле. На середину пластинки кладется свинцовая пулька. По прошествии, нескольких недель пулька почти совсем потонет в варе, сама пластинка выгнется, и вар подтечет под пробочки. По прошествии еще большего времени пулька опустится в варе вплоть до стекла, пробочки всплывут вверх, а сама пластинка совершенно потеряет первоначальную свою форму: вар расплывется по стеклу.
      Из вара можно устроить весьма хорошую модель ледника. Для этого надо приготовить из гипса форму какой-либо горы со склонами, похожими на русла ледников. Надо положить вару на вершину этой модели. По прошествии некоторого времени положенный вар сольется в одну сплошную массу и начнет сползать по склонам. Через несколько месяцев образуется полное подобие тому, что представляет собою настоящий ледник. По тем морщинам, какие получаются при этом на поверхности вара, весьма легко будет заметить, что скорость движения вара посередине русла искусственного ледника больше, чем около берегов. В настоящих ледниках действительно лед посередине ледника течет скорее, чем у краев его.
      В меньшей степени, чем у вара, текучесть обнаруживается у сургуча: палочка сургуча, поддерживаемая в горизонтальном положении двумя подпорками около концов, провисает и выгибается серединою вниз.
      В 60-х годах прошлого столетия французский ученый Треска обнаружил текучесть и в весьма твердых металлах. Наложив одну на другую несколько пластинок из испытуемого металла, он помещал эти пластинки на прочную стальную доску с сквозным отверстием посередине и при посредстве пресса производил сильное давление на пластинки. Под влиянием этого давления металл, из которого были приготовлены пластинки, протекал сквозь отверстие стальной доски и образовывал подобие капли жидкости. Треска распиливал такую каплю по ее длине на две и протравливал кислотою поверхности разреза. На этих поверхностях ясно выступали линии, разграничивавшие собою слои, соответствовавшие отдельным наложенным друг на друга пластинкам. Форма этих слоев была вполне подобна форме слоев вязких, густых жидкостей, налитых одна на другую и вытекающих сквозь отверстие на дне сосуда. Сравнительно недавно произвел весьма обширное исследование текучести различных металлов проф. Т а м м а н. Он нашел, что из обыкновенных металлов наиболее текуч, как это и следовало ожидать, свинец; затем следуют олово, висмут, кадмий, цинк и медь. Повышение температуры очень увеличивает текучесть.
      На свойстве текучести основана штамповка металлов, чеканка монет, вытягивание проволок, приготовление металлических трубочек, а также прессование порошков. Употребляемые нами карандаши приготовляются из прессованного порошка графита.
      И. И. Боргман.
      «Атомистическая теория строения тел», 1914».
     
      Происхождение единиц мер.
     
      I.
      Между предметами, постоянно попадающимися на глаза, человеческий рост или какая-либо часть человеческого тела должны были прежде всего представиться удобною единицею меры, — уже по той очевидной причине, что отношения размеров естественных предметов к размерам человеческого тела обусловливают удобство пользования ими для наших нужд и потребностей. Поэтому вышина взрослого человека, длина его руки, его предплечья, его ноги, его кисти, его обыкновенного шага должны были остановить на себе — и, как известно, останавливали — выбор почти всех человеческих обществ для этой цели. У всех народов меры которых дошли до нас, мы находим для обозначения единицы длины название какой-либо части человеческого тела *). Пост филистимлянина Голиафа был в шесть локтей и одну пядь. Лук ПанДара, описанный Гомером, был сделен из рогов ибекса длиною в, 16 пальм (или дланей). Римляне определяли расстояния тысячами шагов (millia passuum), — откуда наше слово миля, хотя самое расстояние совсем иное **).
      *) Русская маховая сажень (2,5 арш.) есть расстояние между концами распростертых рук; косая сажень (2,75 арш.) — расстояние от подошвы левой ноги до конца поднятой правой руки. — Сост.
      **) Современная географическая миля (7420 метр.) == длине Vis градуса экватора. Морская миля (1852 метра) = средней длине минуты дуги меридиана, ританская миля = 1609 метр., прусская = 7532,4 метр. — Сост.
      Однако, если судить по разнообразию действительных длин, принимаемых за единицы разными народами под общим названием «фута», можно предполагать, что избранная ступня принадлежала лицу — какому-либо военачальнику; царю или жрецу — которое могло считаться человеком по-преимуществу, и было выше среднего роста. Так, римский фут отвечает 11,6 нашим дюймам, английский — 12, греческий — 12,1, египетский — 13,1, французский — 18,8; все они превышают истинную длину ступни человека среднего роста (5 фут. 10 д.), которая достигает не более 10,75, много 11 дюймов.
      Другой разряд предметов, которые, благодаря повсеместному распространению в значительных количествах и общему однообразию своих размеров, могли естественно представиться как типичные и удобные единицы для измерения малых длин, — это зерна общеупотребительных хлебных растений, особенно ячменное и рисовое зерно. Английский дюйм, например, определяется в старинном уставе, как длина трех зерен ячменя, взятых из середины колоса и положенных концом к концу. На хлебных зернах основаны также мелкие подразделения у древних евреев и индусов, в то время как более крупные единицы у этих народов берут свое начало от частей человеческого тела.
      Джон Гершель *).
      «Ярд, маятник, метр» 1863.
      *) Джон Гершель, сын знаменитого английского астронома Вильяма Гершеля, — выдающийся астроном и физик XIX века (умер в 1871 г.).
     
      II.
      Все меры протяжения и силы произошли от длины и веса различных органических тел, а все меры времени — от периодических явлений, наблюдаемых в живой и мертвой природе.
      Так, линейная мера у древних евреев — локоть выражала длину руки от локтя до конца среднего пальца. Меньшие меры в библии обозначаются пядями (ладонями). Египетский локоть (одинакового происхождения с еврейским) подразделялся на пальцы, что означало ширину пальца. А каждый палец определялся еще точнее: он приравнивался четырем Ячменным зернам, расположенным рядом. Другие меры, употреблявшиеся древними, были: оргии (вытянутые руки), шаги и пальмы (четверти), т.-е. расстояние между концами большого и среднего пальцев при их наибольшем удалении. Эти заимствованные непосредственно у природы единицы длины держались так упорно на Востоке, что еще и теперь арабы меряют материю локтями руки.
      То же относится и к европейским мерам. Фут (ступня), как мера длины, господствует во всей Европе со времен римлян. Вышина лошади (в Англии) до сих пор определяется мерою руки (hand — ширина кистевой части). Дюйм — есть длина конечного сустава большого пальца; это ясно выражает французское слово «роuсе», означающее одновременно и большой палец и дюйм. В Англии дюйм подразделяется еще на три «ячменных зерна».
      Эти органические протяжения до такой степени служили основой измерений, что лишь благодаря им мы могли составить себе представление о некоторых расстояниях, упоминаемых в древних источниках. Например, длина градуса меридиана была определена арабскими астрономами вскоре после смерти Гарун-аль-Рашида в 56 арабских миль; о миле же того времени мы знаем лишь, что она равнялась 4000 локтям. Локоть, однако, был двоякий — священный и обыкновенный, так что мы оставались бы в недоумении, если бы не сохранилось указания, что в локте 27 дюймов и что каждый дюйм равен шестикратной толщине ячменного зерна *) Джон Гершель, сын знаменитого английского астронома Вильяма Гершеля, — выдающийся астроном и физик XIX века (умер в 1871 г.).). Таким образом, результат одного из самых ранних измерений земного градуса дошел до нас, выраженный в толщинах ячменного зерна. Длины, заимствованные из органического мира, не только удовлетворяли потребности приблизительного измерения для людей, живших в те отдаленные времена, но и гораздо позднее служили образцовыми мерами. Один подобный пример мы находим и в английской истории: чтобы положить конец разным неправильностям, король Генрих I [1068 — 1135] приказал, чтобы образцовая мера локтя, прежде называвшаяся «ЕП», а ныне соответствующая ярду, была сделана точнейшим образом по мерке его собственной руки **).
      Меры веса имеют подобное же происхождение. Основанием для единиц веса главным образом служили, невидимому, зерна. Карат, употребительный в Индии, первоначально представлял вес небольшого боба. Мельчайшая единица веса в Англии — гран (grain — по-англ. зерно) представляет вес пшеничного зерна. Это вовсе не предположение лишь, а исторический факт: существует изданный Генрихом Ш [1207 — 1272] закон, устанавливающий, что вес унца должен равняться весу 640 сухих пшеничных зерен из середины колоса ***). А так как все меры веса в Англии кратны этой, то зерно пшеницы является как бы основой всех английских мер веса.
      *) «Недавно на нильском острове Рода, под Каиром, на колонне из тесанного камня найдены чертр, означающие арабские локти, подразделенные на дюймы. Оказалось, что арабский локоть равен приблизительно 49,3 сайт., так что длина арабской мили выходит около 1973 метров или 925 саж. От умножения этого числа на 56,5 получается для длины градуса под широтою 35°, — 104,8 версты, что весьма близко к современным определениям (В. В. Виткове к и й — «Практическая геодезия», 1898). — Сост.
      **) «Пример системы мер, заимствованных от природы, можно найти в указе короля Оттокара II Богемского (1253 — 1278): «4 ржаных зерна, положенных рядом, дают один поперечник пальца; 10 поперечников пальца дают пядь; мера пшеницы составляет столько, сколько можно удержать обеими руками*4. Другой пример попытки создать правильную нормальную меру (фут) находим в одном сочинении, появившемся во Франкфурте в 1584 г.: «Нужно, чтобы 16 человек высоких и низких, как они выходят, например, из церкви, поставили каждый свои сапоги один перед другим; эта длина должна быть законной общей мерой, которою надлежит мерить поля» (Лакур и Аппель «Историческая физика»). - Сост.
      ***) Англ, унц (обозначается oz) составляет 1/12 «тройского фунта» и заключает 480 современных гранов. Тройский фунт = 0,91 русск. фунта, унц = 7,3 золотника. Так наз. «тройский» вес (в отличие от «торговых» мер) употребляется в Англии лишь для драгоценных металлов. — Сост.
     
      То же относится и к мерам времени. На первых ступенях развития люди для определения периодов времени пользовались периодичностью явлений, совершающихся как на небе, так и в жизни животных и растений. Сама природа дала нам простейшую единицу времени — день. Следующая простейшая единица — месяц — также естественно является к услугам человека, благодаря лунным фазам, периодичность которых невольно привлекает к себе внимание. Для более крупных делений первобытные народы руководились сезонными явлениями, сопровождающими смену времени года, и, кроме того, отдельными, особо выдающимися событиями. Египтяне принимали за исходную точку разлив Нила. Новозеландцы начинали год с момента появления над горизонтом моря созвездия Плеяд. Греки руководились при разделении года на периоды перелетом птиц.
      Из сказанного очевидно, что приблизительно равные промежутки времени, подмеченные в самой природе, доставили человеку первоначальные единицы для разделения времени, точно так же, как подмеченные в природе приблизительно одинаковые протяжения и вес дали первоначальные единицы для измерения протяжений и силы.
      Герберт Спенсер «Происхождение науки».
     
      Метрическая система мер.
     
      Автор предлагаемой статьи — Пьер Симон Лаплас гениальный французский математик, выдающийся астроном и физик, умерший в 1827 г. Ему, вместе с другими членами комиссии (Борда, Лагранж, Монж и Кондорсе), принадлежит почин в создании метрической системы мер.
     
      Видя чрезвычайное множество и разнообразие мер,, употребляемых не только различными, но часто одним и тем же народом, видя их странные и неудобные для вычислений подразделения, трудность выяснить их точную величину и сравнивать их между собой; наконец, видя затруднения и обманы, происходящие вследствие этого в торговле, — следует признать одним из величайших благодеяний, оказываемых правительством обществу, принятие такой системы мер, однообразные подразделения которых легчайшим образом прилагаются к вычислению и выводятся наименее произвольным образом из основной меры, указанной самой природой. Народ, принявший подобную систему, не только имел бы выгоду в пользовании первыми ее плодами, но и подал бы благодетельный пример другим народам: медленно постигаемая, но неодолимая истина со временем победит национальные самолюбия и преодолеет препятствия, мешающие всеми понятому благу. Соображения такого рода побудили французское Учредительное Собрание поручить этот важный вопрос парижской академии наук. Новая система мер и весов представляет результат изысканий членов комиссии академии.
      Тожество десятичного счисления дробей и счисления целых чисел не оставляет сомнения в выгодах подразделения всякого рода мер на десятичные части. Чтобы убедиться в этом, стоит только сравнить затруднительность сложных и дробных умножений и делений с легкостью подобных же действий над целыми числами. Правда, основание нашей системы счисления не делится на 3 и на 4, — на двух делителей, весьма употребительных по их простоте. Прибавление двух новых цифр доставило бы эту выгоду нашей системе; однако, столь значительное изменение было бы неизбежно отвергнуто вместе с системою мер, с ним связанною. Впрочем, 12-ричная система тем неудобна, что при ней необходимо запомнить попарные произведения первых одиннадцати чисел а это превосходит обычную силу памяти, которой так хорошо соответствует десятичная система. Наконец, мы утратили бы ту выгоду, которая и породила, вероятно, нашу арифметику, — именно, возможность считать по пальцам рук. При этих соображениях нельзя было колебаться в принятии десятичной системы: а чтобы ввести однообразие в целую систему мер, положили произвести ее от одной и той же линейной меры и ее десятичных подразделений. Вопрос, таким образом, свелся к выбору этой всеобщей меры, которой было дано название метра*).
      *) От греч. слова метр он, означающего мера. Метр должен был быть единственной мерою, «мерою из мер». — Сост.
      Решено было прибегнуть к способу, повидимому, бывшему в употреблении в самой глубокой древности: естественно человеку относить путевые меры к размерам обитаемой им планеты с целью, при странствованиях по ее поверхности, из одного названия пройденного пути узнавать отношения его к целой окружности Земли...
      За метр, единицу линейных мер, приняли десятимиллионную часть четверти меридина. Более крупная десятичная часть была чрезмерно велика, меньшая — слишком мала.
      Все меры производятся от метра самым простым образом. Линейные меры составляют его десятично-кратные части. Единица мер ёмкости есть куб десятой части метра: ее назвали литром. Единица мер площадей земли есть квадрат, бок которого имеет десять метров: она называется аром.
      Стером называется объем дров, равный кубическому метру.
      Единица веса, названная граммом, представляет вес миллионной части куб. метра перегнанной воды в пустоте, при ее наибольшей плотности. По замечательной особенности эта наибольшая плотность воды не соответствует точке ее замерзания, но температуре около 4° Цельсиева термометра. Охлаждаясь ниже этой температуры, вода начинает снова расширяться и приготовляется, таким образом, к увеличению объема, получаемого ею при затвердевании. Вода избрана преимущественно перед другими веществами, как одно из наиболее однородных веществ, легче других приводимое в состояние чистоты.
      Для сохранения мер длины и веса, образцы метра и килограмма, изготовленные под наблюдением членов комиссии, определивших эти меры, и выверенные ими, были положены в национальный архив и в парижскую обсерваторию. Образцы метра представляют его только при определенной температуре: для этого избрали температуру таяния льда, как наиболее постоянную и наиболее независимую от атмосферных перемен. Образчики килограмма представляют его вес только в пустоте или в весьма разреженном воздухе.
      Такова была новая система мер и весов, предложенная учеными Национальному Конвенту и получившая его утверждение. Можно надеяться, что со временем эта система, приводящая все меры и их вычисления к простейшим действиям десятичной арифметики, получит такое же всеобщее распространение, как и система счисления, дополнение которой она составляет.
      Лаплас.
      «Изложение системы мира». 1836, VI изд.
     
      Что такое метр?
     
      Можно дать — и фактически давали — два определения метра: в основе одного лежат размеры Земли, в основе другого — длина материального эталона (образца). По мысли основателей метрической системы, первое было действительным определением единицы длины, второе же — простым изображением ее. Но изображение это считали в высшей степени точным; полагали, что невозможно заметить разницу между ним и самой единицей и что практически оба определения тождественны. Творцы метрической системы были убеждены, что невозможно уже превзойти в смысле точности те измерения меридиана, которые были сделаны в их время. С другой стороны, заимствуя у природы определенную основу, они думали хотя бы отчасти устранить этим из определения единицы меры присущий ей произвольный характер и установить способ воспроизвести вновь эту единицу в тождественном виде, если бы эталон почему-либо оказался утраченным.
      В действительности теперь известно, что десятимиллионная часть четверти земного меридиана на 0,187 миллиметра длиннее метра *).
      *) По позднейшим измерениям (1907 г.) — на 0,207 миллиметра.Точные измерения обнаружили также, что в безвоздушном пространстве вес кубич. дециметра воды при 4° примерно на 27 миллиграммов менее той гири, которая утверждена, как образец килограмма. — Сост.
      Но современные физики не повторяют той ошибки, которую совершали их предшественники: они рассматривают и теперешний результат, как временный, предвидя, что новые усовершенствования будут достигнуты в искусстве измерения. Они знают, что геодезические приемы, несмотря на значительные усовершенствования, требуют еще многих улучшений, чтобы можно было достигнуть точности, господствующей уже теперь при изготовлении эталонов первого порядка. Поэтому они и не предлагают сохранить старое определение, при котором основной единицей оказывалась бы величина, постоянно изменяющаяся; с практической точки зрения это было бы крайне неудобно. Да и с теоретической точки зрения можно усомниться, обеспечено ли здесь постоянство: ведь ничто не доказывает, что величина дуги меридиана не претерпевает чувствительных изменений с течением времени.
      По всем этим соображениям пришлось в конце концов оставить мысль о поисках естественной единицы и примириться с тем, что приходится принимать за основную единицу произвольную и условную длину, имеющую, по общему соглашению, материальное изображение. Именно эта единица и была освящена французским законом 1903 г., гласящим: «Эталоном, или образцом, метрической системы служит международный метр, признанный Международной Комиссией Мер и Весов».
      Л. Пуанкаре.
      «Эволюция современной физики»
     
      УДЕЛЬНЫЙ ВЕС.
     
      Архимед и корона *).
     
      Когда Гиерон **), достигший царской власти, пожелал, в. благодарность за счастливые деяния, пожертвовать в какой-либо из храмов золотую корону, он повелел изготовить таковую и передал мастеру необходимый материал. В свое время тот принес изготовленную корону. Гиерон был доволен, и вес короны соответствовал, повидимому, количеству материала. Но позже стали доходить слухи, что мастер похитил некоторое количество золота, подменив его серебром. Гиерон, рассерженный обманом, которого притом не представлялось возможным обличить, просил Архимеда придумать способ обнаружить обман.
      *) Архимед — величайший математик древности; родился в греческой колонии Сиракузах около 287 г. до Р. X., погиб в 212 г. при взятии этого города римлянами.
      **) Сиракузский царь, по преданию, родственник Архимеда.
      Занятый этим вопросом, Архимед пришел случайно в баню и, войдя в ванну, заметил, что вода вылилась через край из ванны в том количестве, в каком тело в нее погружалось. Сообразив причину явления, он не остался в ванне, а радостно из нее выскочил и нагой побежал домой, громким голосом заявляя, что нашел то, чего искал. Ибо на бегу он кричал по-гречески: «эврика, эврика!” (нашел, нашел).
      Затем, исходя из своего открытия, он взял два куска того же веса, как корона, один из золота, другой из серебра. Наполнив глубокий сосуд водою доверху, он погрузил в него серебряный кусок. Вода вытекала по мере того, как кусок погружался. Вынув кусок, он дополнил сосуд тем количеством воды, какое из него вылилось, измеряя приливаемую воду, пока сосуд вновь наполнился до краев. Отсюда он нашел, какой вес серебра соответствовал определенному объему воды. После тою он опустил подобным же образом в наполненный сосуд кусок золота и когда пополнил вытекшую воду, нашел через измерение, что вытекло ее менее настолько, насколько кусок золота имеет меньший объем, чем кусок серебра того же веса. Когда затем он еще раз наполнил сосуд и погрузил в нее корону, он нашел, что вытекло воды более, чем при погружении куска золота, и помощью этого избытка вычислил примесь серебра к золоту, обнаружив таким образом обман мастера.
      Витрувий. *).
      «De Architetctura, LV.».
      *) Римский архитектор I века по Р.X.
     
      Применение удельного веса.
     
      I.
      Удельным весом часто приходится пользоваться при различных-вычислениях, например, при вычислении веса тела по его объему. Для точных вычислений нужно брать удельный вес из подробной таблицы или получить его путем опыта. Полезно запомнить приблизительные удельные веса некоторых веществ:…
      Безводный спирт имеет удельный вес 0,8. Масла вообще немного легче воды. Из вин одни легче воды, другие тяжелее. Водные растворы, вообще говоря, тяжелее воды, но даже самые крепкие растворы редко имеют удельный вес больше 1,5.
      Если помнить, что литр воды весит килограмм [а кубич. сантиметр воды — один грамм], то нередко можно определить приблизительный вес данного объема вещества [и объем — по весу].
      Примеры.
      Сколько весит кирпич длиною 25 см., шириною 12 см. и толщиною 6,5 см.?
      Какой объем занимают 50 кг. пробки?
      Крышу нужно покрыть свинцовыми листами в 2 мм. толщиной. Поверхность крыши 30 кв. м. Сколько килограммов свинца пойдет на это?
      Шпиц колокольни с поверхностью в 2 кв. м. позолочен 2 гр. золота. Какова толщина слоя золота?
      Лакур и Аппель. «Историческая физика».
     
      II.
      Помощью удельного веса можно при сооружении железного моста заранее рассчитать, сколько будет весить вся железная постройка, если только известен объем материала и удельный вес железа. Можно также вычислить, во сколько раз постройка из железа тяжелее или легче такой же постройки из камня, дерева или иного материала, удельный вес которого нам известен. Как важно знание удельного веса всех веществ, можно судить по тому, что в настоящее время не существует ни одного тела — газообразного, жидкого или твердого, удельный вес которого не был бы точно определен. Он служит первым и главным основанием при всех технических применениях и научных исследованиях этих тел. Современная техника и наука идут по путям, которые опираются, как на фундамент, на знание удельного веса. При открытии какого-нибудь нового тела или элемента первая задача, которую должен решить исследователь, заключается в определении его удельного веса.
      А. Нейбургер.
      «Вселенная и Человечество».
     
      Термометр.
      Чувство осязания есть наш первый термометр. Если я прикасаюсь к теплому предмету, то он производит некоторую перемену в моей руке; ощущение этой перемены проходит от руки к мозгу посредством чувствительных нервов, и испытываемое при этом чувство дает нам приблизительное понятие о температуре тела. Подобным же образом я ощущаю холод, если положу руку на кусок льда. Но эти ощущения тепла и холода не могут быть выражены числами, а нам необходимо численное выражение температуры. Ведь чувства наши могут быть обманчивы.
      Если, войдя в комнату, я буду последовательно прикасаться к металлу, к дереву и к платьям, находящимся в этой комнате, то буду испытывать три различных ощущения. Если воздух в комнате теплый, то платья покажутся теплыми, дерево — теплее их, а металл — еще теплее. В холодном же воздухе наблюдается обратное: металл кажется холоднее других вещей. Между тем все эти вещи, производящие столь различные ощущения, имеют на самом деле одинаковую температуру — именно ту, которую имеет воздух комнаты.
      Два путешественника встретились однажды на горе, когда один спускался с горы, а другой на нее поднимался; спускающийся путешественник сбрасывает с себя пальто и жалуется, что ему жарко, между тем как поднимающийся закутывается плотнее и жалуется, что ему холодно.
      Наше тело находится в различном состоянии зимою и летом; день, который зимою кажется нам теплым, казался бы страшно холодным в летнее время.
      Из этого следует, что на показаниях такого изменчивого инструмента, как наше чувство осязания, нельзя основать никаких научных сведений. Что же мы должны делать в виду этого? Мы не можем измерять температуру непосредственно, но мы весьма точно можем измерять действия, которые она производит.
      Обыкновенный термометр состоит из стеклянной трубки с тонким каналом, которая у одного конца расширяется в форме шарика (или цилиндра); шарик и часть трубки наполнены ртутью. Самое обычное действие теплоты состоит в том, что прибавление ее заставляет тела расширяться, а ее отнятие заставляет их сжиматься. Окружим наш стеклянный шарик с трубкой тающим льдом, поместив их где-нибудь на уровне моря, — скажем, у берегов Англии: ртуть по мере ее охлаждения будет сжиматься, столбик ее в трубке будет укорачиваться и, наконец, когда ртуть достигнет температуры тающего льда, положение вершины ртутного столбика сделается неизменным. Вы можете теперь отправиться из Англии к полюсу и там сделать тот же опыт, затем повторить его в жарком поясе — вы всегда найдете, что ртуть в вашей трубке, окруженная тающим льдом, останавливается у одной и той же точки во всех концах света. Это происходит вовсе не оттого, что ртуть больше не может сжаться и понизиться в трубке: если лед холоднее той температуры, при которой он тает, то ртутный столбик тотчас же понизится. Постоянство длины ртутного столба, окруженного тающим льдом, зависит просто от того, что лед тает (или вода начинает замерзать) при совершенно одинаковой температуре во всех странах мира.
      Отметьте тщательно ту точку, где останавливается вершина ртутного столбика в тающем льде: это, так наз., «точка замерзания«. Погрузите теперь тот же самый прибор в кипящую воду тоже на уровне моря на берегу Англии. Ртуть, расширяясь, будет подниматься в трубке до тех пор, пока температура ее не сравняется с температурой кипящей воды — тогда движение ртути в трубке остановится. Заметьте точку, у которой оно остановилось — эго «точка кипения». Вы можете, подобно предыдущему, повторять этот опыт где угодно на севере или на юге: если только вы будете оставаться при этом на уровне моря, высота поднятия ртутного столбика вашего термометра, погруженного в кипящую воду, будет всякий раз одна и та же.
      Расстояние между точкой кипения и точкой замерзания делят на определенное число равных частей, называемых «градусами», которые отмечаются либо на самой стеклянной трубке, либо па прикрепленной к ней шкале.
      Понятно, что величина, на которую расширяется ртутный столбик при нагревании между точкой замерзания и точкой кипения, зависит от размеров шарика термометра и толщины внутреннего канала его трубки. Если шарик велик, а трубочка тонка, то удлинение ртутного столбика при нагревании будет значительнее, нежели у термометра с маленьким шариком и толстой трубкой. Поэтому у различных термометров градусы имеют разную длину, — но значение их у всех термометров одно и то же: если только у обоих термометров расстояние между точками замерзания и кипения разделено на одно и то же число равных долей, то понятно, что тело, показывающее 50° температуры на одном термометре, покажет 50° и на другом.
      На термометре Цельсия точка замерзания воды обозначена О°, а расстояние между нею и точкой кипения разделено на 100 равных частей; поэтому, термометр этот обыкновенно называют стоградусным.
      На термометре Реомюра (очень употребительном в России и Германии) расстояние между точкой замерзания (0°) и точкой кипения разделено на 80 равных частей.
      На термометре Фаренгейта, который наиболее употребителен в Англии, расстояние между точкой кипения и замерзания разделено на 180 равных частей. Фаренгейт погружал свой термометр в смесь снега и соли и, найдя, что ртуть опускается при этом ниже точки замерзания воды, сделал отсюда неправильный вывод, что температура снега и соли — самая низкая, какую только можно достигнуть. Это и побудило его поместить здесь 0° своего термометра; идя от него, он нашел, что точка замерзания воды на 32 градуса (его шкалы) выше этой нулевой точки. Поэтому на термометре Фаренгейта точка замерзания обозначена 32°. Число это, прибавленное к 180°, дает для точки кипения воды 212°.
      Из сказанного мы видим, что 180° Фаренгейта равны 100° Цельсия и 80° Геомюра, — или что 9° Фаренгейта равны 5° Цельсия и 4° Реомюра. Это соотношение дает легкую возможность переводить показания одной шкалы в показания другой.
      Дж. Тиндаль*)
      «Физика е простых уроках».
      *) Джон Тиндаль — выдающийся английский физик и образцовый популяризатор (1820 — 1893).
      Примечание. Слово термометр введено в русскую речь М. В. Ломоносовым (1711 -1765) — гениальным мировым ученым и первым русским физиком. Оно происходит от греческих слов «терме» — теплота и «метреи» — мерить.
      Температура по-латыни означает: правильное соотношение, правильная мера.
      Градус по-латыни — шаг. Слово шкала (или скала) происходит от латинскою «скале» — лестница.
      Упражнения. Ломоносов при своих исследованиях пользовался термомотром, на шкале которого 0° находился при точке таяния льда, а 150° — при точке кипения воды. Выразите в градусах Цельсия следующие показания термомотра Ломоносова 100°,-27°. Скольким градусам шкалы Ломоносова равны 45° Реомюра?
     
      Тепловое расширение тел.
     
      Все тела расширяются при нагревании, но не в одинаковой степени *). Стальной прут, например, если его нагреть от 0° до 100 Цельсия, удлиняется на одну 927-ю долю своей длины, тогда как свинцовый прут удлиняется при этом на одну 350-ю своей длины; следовательно, расширение свинца от теплоты гораздо больше, чем расширение стали. Медь при нагревании от 0° до 100° расширяется на одну 535-ю своей длины, тогда как железо только на одну 317-ю. Если медный брусок плотно соединить по всей длине с железным, так чтобы они составляли как бы один сложный брусок, то при нагревании такого бруска произойдет следующее: медная сторона бруска расширится больше, чем железная, и чтобы дать место этому различному расширению двух сторон бруска, составной брусок должен согнуться в виде дуги, причем медный брусок составит выпуклую сторону дуги. А если вместо того, чтобы нагревать прямой составной брусок, будем его охлаждать, то медь сожмется больше, и брус изогнется по противоположному направлению **).
      *) Единственное исключение среди твердых тел составляет иодистое серебро (минерал иодирит), которое при нагревании, сжимается. Растянутая резиновая лента (но не свободно висящая) также укорачивается при нагревании, но это явление объясняется просто тем, что внутри ленты имеются наполненные воздухом пустоты, которые при растягивании приобретают удлиненную форму; от нагревания же эти пустоты, под действием расширяющегося воздуха, распирающего их равномерно во все стороны, получают более округлую форму, и от этого лента укорачивается. — Сост.
      **) На этом основано устройство чувствительного прибора для измерения температуры — так наз., термометра Бреге. Бреге сделал длинную двойную спираль из платины и золота и один конец ее закрепил неподвижно, а другой снабдил стрелкой, ходящей над разделенным кругом, При нагревании спираль свертывается, при охлаждении — развертывается, и стрелка указывает на разные деления круга. Сравнив такой инструмент со ртутным термометром, можем им пользоваться для измерения температуры. Подобные приборы и теперь в ходу на метеорологических станциях, где к двойной пластинке прикрепляется не стрелка, а перо, записывающее измерение температуры на вращающемся барабане. Подобным же способом стеклодувы определяют разницу в расширении двух разных сортов стекла. Для этого они вытягивают из обоих стекол по палочке, складывают их, сплавляют и вытягивают в нитку. Если оба сорта подходят один к другому, то нитка остается ио охлаждении прямой, если ест- — изгибается в сторону стекла с большим коэффициентом расширения». (К. А. Леонтьев. «Температура и ее измерение», 1920).- Сост.
     
      Для некоторых химических опытов необходимо иметь металлическую проволоку, вплавленную в стеклянную трубку; проволока и стекло должны быть сильно накалены, когда совершается это плавление; и если при охлаждении один из этих материалов будет более сжат, нежели другой, то неизбежно произойдет трещина. Стекло, употребляемое для таких трубок, расширяется при нагревании от 0° до 100° на одну 1175-ю долю. Если в это стекло вплавить золотую проволоку, то при охлаждении неизбежно получится трещина, потому что золото, когда его нагревают от 0° до 100°, расширяется всего на 695-ю долю. Однако, есть металл — платина, расширение которого при таком нагревании равно одной 1167-й доле, т.-е. почти равно расширению стекла. Этот металл и употребляется всегда при устройстве упомянутых приборов.
      При устройстве мостов и вообще сооружений, в которые входят металлические трубы или перекладины, а также при кладке рельс всегда следует иметь в виду расширение, происходящее при изменении температуры, потому что сила, с которой материал расширяется под влиянием теплоты, огромна и может произвести серьезные повреждения, если препятствовать ее свободному проявлению. На линии железной дороги между Лондоном и Манчестером общая длина железных рельс становится летом на 500 — 600 футов больше, чем зимою; и чтобы дать место для этого расширения, рельсы укладывают не вплотную конец с концом. Железные связи в каменных работах часто расшатываются вследствие неодинакового расширения камня и железа. Шины колес нагревают, прежде чем их надеть на колеса: при охлаждении они сжимаются*) и с большею силою стягивают деревянные части колеса вместе. Нагретые болты действуют подобным же образом. Силою сжатия пользовались также, чтобы выпрямить наклонившиеся стены здания.
      *) Отверстия при нагревами окружающего их вещества расширяются так же, как в случае их заполнения веществом. «Каждое тело при нагревании расширяется так, точно на него смотрят сквозь слабое увеличительное стекло. Пустоты не затягиваются вследствие расширения стенок, но расширяются так, как если бы они были заполнены веществом» О. Лодж. «Легкая математика». — Сост.
      В связи с этим был замечен однажды очень интересный факт. Свинцовый лист, покрывавший южную часть крыши Бристольского собора, сполз вниз по крыше на 18 дюймов в течение двух лет. Сползание листа началось с тех самых пор, как им была покрыта крыша. Попытка остановить его движение вколачиванием гвоздей в стропила не удалась, потому что сила, с которой сползал свинец, вырывала гвозди. Крыша была не крутая, и свинцовый лист мог бы остаться на ней, не скользя под действием тяжести вниз. Отчего же лист сполз? Вот почему. Представьте себе, что свинцовый лист, лежащий на покатой крыше, принимает температуру солнечного дня. Он расширяется. Если бы он лежал на горизонтальной поверхности, он расширился бы одинаково во все стороны; но так как он лежит на покатости, то ему легче расширяться вниз, нежели вверх: движению вверх противится тяжесть, тогда как движению вниз она способствует. Если до расширения обозначим мелом положение верхнего и нижнего краев листа на крыше, то нижний край по указанной причине расширится за меловую черту дальше, нежели верхний. Предположим теперь, что ночью свинец подвергается охлаждению — он сожмется. Но при этом ему легче спускать вниз верхний край листа, нежели поднимать вверх его нижний край. Если наметить мелом, как прежде, верхний и нижний края листа, то после сжимания верхний край уйдет далее от своей метки, нежели нижний. Итак, при расширении нижний край стремится вниз, при сжимании — туда же стремится верхний край. Таким образом, свинцовый лист ползет подобно червяку, и хотя расстояние, пройденное им за сутки, будет почти незаметно, тем не менее поступательное движение все же совершается — и оттого, как сказано, лист за два года продвинулся на 18 дюймов.
      Дж. Тиндаль.
      Теплота, как род движения, 1880.
     
      Делимость вещества.
     
      ... Не гибнет бесследно ничто из того, что мы видим, Но возрождает природа одно из другого. Не может Вещь народиться одна, пока не погибнет другая. Как я сказал уже, из ничего не рождаются вещи, Также не могут они, народившись, в ничто обратиться.
      Чтоб к положеньям моим ты не начал питать недоверья Лишь потому, что твой глаз этих телец первичных не видит, Я докажу, что бывают они несомненно в предметах Даже тогда, когда глаз никакой их не может заметить...
      Запахи мы ощущаем от разных предметов, Не замечая того, чтоб к ноздрям что-нибудь поступало.
      Платья, затем, на морском берегу, разбивающем волны, Влагу приемлют, на солнце же снова они высыхают.
      Но каким образом влага воды в них проникла, а также, Как испарила ту влагу жара, — невозможно увидеть. Так на мельчайшие части свои распадается влага, Их же никоим мы образом глазом не можем заметить.
      Также кольцо, что в течение долгих годов преходящих Носишь на пальце ты, мало-по-малу становится тоньше.
      Капель паденье дырявит скалу, а сошник искривленный Плуга железного тупится в пашне для глаз незаметно. Мы замечаем, что улицы, камнем мрщенные, часто Стерты ногами толпы; что стоят у ворот истуканы Медные, коих десницы с годами становятся тоньше От целования благочестивого мимо идущих.
      Что уменьшилось все это стираясь, — для нас очевидно.
      Но заградила природа от взоров, какие частицы, В пору какую от этих частей незаметно отходят... Видеть нельзя даже с помощью самого острого зренья То, наконец, что природа и время к вещам прибавляла Мало-по-малу в заботе об их постепенном развитьи, Так же, как то, что отъемлют болезнь и преклонные лета. Ты не увидишь того, что из камней, нависших над морем, Едкая соль похищает во всякое время, затем что
      Правит природа вещами посредством частиц тел незримых. Лукреций Кар *).
      «О природе вещей», I век до Р. X.
      *) Тит Лукреций Кар — гениальный римский поэт-философ (99 — 55). Перевод Ив. Рачинского.
     
      Пористость тел.
      Всем, конечно, известно, что такое поры **); их легко видеть, например, в губке.
      **) Слово пора происходит от греческого слова «порос», означающего проход.
      Но и всякое иное тело имеет множество мельчайших пор. Так, мы знаем, что дерево пропускает через себя воду; гипсовая пластинка также впитывает в себя воду, налитую на ее поверхность, и т. п. Поры имеют и стекло и металлы. Флорентинские академики (в середине XVII века) интересовались вопросом о сжимаемости воды. Чтобы решить, сжимаема ли вода или нет, они остановились на очень остроумной идее. В металлический сосуд наливали воду и герметически его закупоривали. Далее полагали: если сосуд сжимать, то он или сожмется, или нет. В первом случае с ним, очевидно, сожмется и вода, во втором случае опыт покажет, что вода не сжимаема. Стали ударять молотком по сосуду. Последний сжался, но этим не была доказана сжимаемость воды, ибо вода выступила в виде капель наружу.
      Как бы ни был неудачен этот опыт, он оказал важную услугу: именно им было доказано присутствие пор в металлах. Зная существование пористых твердых тел, можно было догадываться, что поры есть и там, где их не видно в твердых телах. Но в жидкостях как будто нет признаков пор. Опыт, однако, показывает, что и в жидкостях есть поры. Так, мы берем стеклянную трубку, на половину наполненную подкрашенной водой, и доливаем сверху бесцветного спирта. Далее, опустив в трубку нитку, закупориваем пробкой (нитка нужна для того, чтобы по ней при закупоривании вытек лишний спирт) и выдергиваем нитку. Теперь перемешаем обе жидкости, перевертывая трубку несколько раз верхним концом вниз и обратно. Мы видим появление воздушного пузырька, который по мере перемешивания растет. Воздух мог проникнуть через пробку, мог быть и в жидкости в небольшом количестве [в растворенном виде]. Но дело не в этом, а в том, что для воздуха нашлось так много места после смешения жидкостей, что два объема после смешения дали объем значительно меньший, чем до смешения, отчего и оказалось место для воздуха. Стало быть, одна жидкость вошла в поры другой.
      Итак, есть поры и у жидкостей, есть и у так называемых газов, потому что мы знаем, что в воздух можно подмешать, напр, дым, не меняя объема, занимаемого воздухом, и т. п. Иными словами, строение всех тел — пористое. Каковы же эти поры в телах? Сходны ли они с теми, которые мы замечаем глазом в губке и т. п.? Мы знаем, что газы могут занимать как угодно большой объем. Тело, имеющее строение вроде губки, этого сделать не может. Это замечательное свойство газов легко видно на пахучих газах: крошечный кусочек мускуса, например, наполняет своим запахом целый дом.
      Все эти факты легко объясняются тем, что тела состоят из отдельных маленьких частиц, между которыми находятся свободные пространства, тогда ^ак поры губки представляют собою скорее сетку из материальной среды. Говоря о губке, мы имеем в виду поры в виде каналов, пересекающих вещество по разным направлениям; но вещество ее кажется нам одним целым. Частицы же, о которых идет речь, вполне изолированы [уединены] одна от другой. Эти частицы называются молекулами*).
      Проф. Д. А. Гольдгаммер.
      «Курс физики», 1917.
     
      Молекулярное строение тел.
     
      Вещество имеет не сплошное строение, а «зернистое®, т.-е. состоит из мельчайших частиц, которые носят название молекул. Иногда молекулу нельзя разделить — в таком случае она называется атомом **). В большинстве же случаев молекула состоит из многих атомов, образующих более или менее устойчивую группу.
      *) От латинского слова, означающего «маленькая масса». — Сост.
      **) От греческого слова, означающего неделимый: до недавнего времени полагали, что при всех изменениях, происходящих с телами, атомы вещества не претерпевают раздробления, не делятся на части, а переходят целиком из одного тела в другое. — Сост.
      Далее, когда молекулы правильно сгруппированы в большом числе и имеют возможность лишь незначительно перемещаться одна относительно другой, то они образуют кристаллические твердые тела. Форма кристаллов зависит от специального рода группировки молекул. Кристаллическое тело может быть сравнено с полком солдат, построенных, напр., в каррэ: люди остаются на своих местах и, хотя сохраняют до некоторой степени свободу индивидуального движения, не могут менять своих мест относительно соседей. В твердом теле каждая молекула сильно притягивает другую. Истинная природа этого притяжения, называемого сцеплением, до сих пор не открыта.
      Твердое состояние — лишь одно из состояний вещества. Другое состояние — жидкое — характеризуется тем признаком, что молекулы могут изменять свои места одна относительно другой, но, совершая это, они испытывают значительное трение, так как расположены близко друг к другу; поэтому подвижность отдельных молекул очень мала. Если сравнить жидкости между собою, то найдем, что одна течет легче и скорее другой — тогда мы говорим, что она обладает большей текучестью. Медленность истечения характеризует вязкость жидкости; так, напр., глицерин или мед называют вязкими. Движение молекулы среди соседних ей задерживается большим трением, зависящим, по всей вероятности, от молекулярного притяжения, обусловливающего также и сцепление в твердых телах. Лучшим подобием жидкости может служить толпа людей, стремящихся переменить свое место, но стесненных в своем движении, так как каждый должен растолкать своих соседей, чтобы пробить себе дорогу через толпу. В жидкости, вообще говоря, нет правильного размещения молекул, хотя иногда встречаются жидкости с определенным внутренним строением (так наз., жидкие кристаллы).
      При охлаждении жидкости ее вязкость увеличивается; не только скорость ее молекул уменьшается, но увеличивается также и трение. Некоторые жидкости, — именно, практически выражаясь, все чистые жидкости, — переходят при охлаждении в кристаллическое состояние: их молекулы собираются в симметрическую форму. Если жидкость представляет собою смесь двух или нескольких жидкостей, то кристаллизации при охлаждении может и не произойти: присутствие одного рода молекул мешает другим молекулам группироваться и образовывать кристаллы.
      Третье состояние вещества — газообразное — характеризуется тем, что в нем молекулы имеют большую скорость движения. Чем выше температура газа, тем быстрее их движение. Среднее расстояние между молекулами в газах очень значительно, — гораздо больше, чем в твердых телах и жидкостях. Кубический сантиметр воды при температуре кипения, превращаясь в пар той же температуры, расширяется до 1700 куб. сантиметров. Если мы сравним эти два объема, придав им формы кубов, то найдем, что сторона первого равняется одному сантиметру, тогда как сторона другого равна около 12 см. (12X12X12=1728). Следовательно, в состоянии пара молекулы в 12 раз дальше раздвинуты, нежели в жидкой воде. Если мы вернемся к ранее выбранному уподоблению, то получим для газа такую картину. Вообразим толпу людей в одном из углов большого поля. По какой-либо причине они разбегаются в разные стороны, и каждый устремляется с громадной быстротой по прямой линии, куда глаза глядят. Они продолжают свой бег до тех пор, пока не столкнутся с какими-нибудь предметами или друг с другом, — тогда они отскакивают, продолжая свой путь с новой силой в ином направлении; в конце концов, они наталкиваются на изгородь, окружающую поле, и отскакивают от нее под углом отражения, равным углу падения.
      Давление газов является следствием толчков молекул о стенки сосуда, содержащего газ.
      Скорости движения молекул неразрывно связаны с температурой: повышение температуры увеличивает скорость, понижение уменьшает ее.
      Вильям Рамзай *).
      «Элементы и электроны» 1912.
      *) Вильям Рамзай — знаменитый английский химик (1852 — 1916), работавший преимущественно по физической химии.
      Примечание. О внутреннем строении кристаллов. Новейшие исследования (главным образом английских физиков Брэггов, отца и сына, 1913 г.) обнаружили, что в кристаллах, в отличие от газов и жидкостей, молекулы не представляют собою каждая обособленного целого; в кристалле правильно расположены не молекулы, но самые атомы, из которых составлены молекулы. Напр., в кристалле каменной соли, представляющей собою химическое соединение хлора и натрия, атомы хлора не соединены с атомами натрия попарно (как предполагали ранее) в отдельные молекулы, обособленные от других пар, — а располагаются, чередуясь, на одинаковых расстояниях друг от друга в стройном геометрическом порядке. Картину этого расположения мы получим, если мысленно рассечем кристалл множеством равноотстоящих взаимно-перпендикулярных плоскостей на кубики и вообразим в вершине каждого кубика по одному атому хлора или натрия по-очереди. «Единицей строения кристаллов служит не химическая частица, а атом. Жидкости и газы состоят из частиц, а кристаллы — из атомов... Если в химических реакциях участвуют молекулы, то в кристалле таких химически действующих составных частей нет. Для того, чтобы участвовать в химической реакции, твердое тело должно быть превращено в жидкость или газ. Это обстоятельство давно было известно и выражалось по-латыни фразой corpora non agunt, nisi soluta — тела взаимодействуют (химически) лишь в растворе. Теперь мы понимаем настоящий смысл этой химической поговорки. Сама собой напрашивается мысль, что в кристаллах кончается химическая жизнь вещества». Проф. В. Г. Вульф. .Жизнь кристаллов», 1922 г.). — Сост.
     
      Молекулярные силы.
     
      Окружающие нас тела природы находятся в твердом, в жидком или газообразном состоянии, и уже поверхностное рассмотрение может показать, какими особенностями должны характеризоваться внутренние силы, связывающие частицы вещества тел в этих состояниях.
      В твердом теле силы сцепления должны быть очень велики, и выведение группы молекул тела из их положения равновесия, — напр., сгибание или растяжение тела, — вызывает возникновение противодействующих сил, стремящихся вернуть тело в его первоначальное состояние; молекулы твердого тела, таким образом, закреплены в определенном положении притяжением соседних молекул, и единственное возможное движение их есть движение колебательное около определенной точки.
      В жидкости силы, связывающие молекулы, значительно слабее, и в ней можно легко перемещать твердое тело; можно, следовательно, нарушать связь частиц жидкости между собой. Однако, притяжение между молекулами и в этом случае значительно, и оно обусловливает то обстоятельство, что жидкость сохраняет при различных условиях свой объем, переменяя лишь свою форму.
      Наконец, в газообразных телах связь между молекулами очень мала, и газ, находящийся в небольшом количестве в смятом каучуковом мешке и не имеющий из него выхода, при помещении мешка под колокол воздушного насоса стремится занять все больший и больший объем, раздувая мешок и стремясь расшириться. Можно доказать, что между молекулами газа не могут действовать силы отталкивания (это привело бы к противоречию с законом сохранения энергии), — а потому, если газ расширяется, то это может зависеть только от толчков о стенку оболочки молекул газа, которые должны находиться в движении. Наконец, газ может быть сильно сжат, и, следовательно, объем, занимаемый его молекулами, весьма мал по отношению к объему всего газа.
      *) «Проф. Б. П. Вейнберг поместил куб и трехгранную призму из сапожного вара в водный раствор селитры той же плотности, так что вар был почти освобожден от действия тяжести. По прошествии девяти лет все острые углы и края закруглились и, по всей вероятности, через некоторое число лет куски вара примут форму шара. Вероятно, и у других твердых тел можно наблюдать аналогичные явления, но там, может быть, понадобится для этого не 10, а 100 или более лет. — Если мы вообще пока мало знаем о свойствах твердого тела, то одна из причин этого в том, что многие процессы протекают в твердых телах столь медленно, что для их изучения нужны века. Такие наблюдения теперь начаты, но, конечно, их результаты выяснятся лишь для наших детей или внуков». (Проф. Д. А. Гольдгаммер: «Итоги Науки, 1915 г.). — Сост.
      При ближайшем рассмотрении, однако, оказывается, что строгое разделение состояний вещества не всегда возможно. Если мы возьмем смолы, — например, асфальт, вар, — то при беглом осмотре тело представляется твердым: удар молотком заставит тело распасться на ряд кусков; сделанный из смолы камертон может даже звучать. Однако, если на кусок подобной смолы положить дробинку, то постепенно дробинка поглотится смолой и пройдет насквозь, как она прошла бы сквозь жидкость. Спрингу удалось показать, что те силы, которые мы обычно приписываем жидкостям, можно наблюдать и в твердых телах. Так, мы знаем, что если переслоить раствор медного купороса водой, то, благодаря подвижности молекул раствора, соль (т.-е. купорос) постепенно перейдет в воду, находящуюся над нею. Можно думать, что в твердом теле, где молекулы должны быть закреплены на определенных местах, ничего подобного не может наблюдаться. Однако, если взять два куска металла, например, золота и свинца, и прижать их друг к другу, пришлифовав их поверхности, то по прошествии десятков лет можно обнаружить переход молекул золота в свинец и наоборот, — так что неподвижность, закрепленность молекул твердого тела является относительной. Следовательно, и в твердом теле возможны перемещения, характеризующие жидкое состояние вещества, но они совершаются гораздо труднее и медленнее, чем в жидкости, так что качественное различие двух состояний вещества может быть сведено на количественную разницу в величине молекулярных сил и времени их действия.
      Акад. П. П. Лазарев.
      «Газообразное, жидкое и твердое состояния вещества», 1917 г.
     
      Диффузия.
     
      Так как молекулы находятся в непрерывном движении, то при приведении в прикосновение двух различных тел, у которых молекулы относительно свободны, т.-е. в состоянии перемещаться сравнительно на большие расстояния, как это нужно допустить в газах и жидкостях на основании наблюдаемой большой текучести этих тел, молекулы одного тела могут проникать внутрь другого тела и, обратно, молекулы этого второго тела могут перейти в первое тело. Таким образом, может произойти диффузия *) двух этих тел друг в друга.
      *) От латинск. слова, означающего распространяться, разливаться, рассеиваться (diffundere; fundere — лить). — Сост.
      Диффузия газообразных тел давно известна. Благодаря диффузии, относительные количества двух главных составных частей атмосферного воздуха, кислорода и азота, повсюду одни и те же. Два различных газа диффундируют один в другой даже тогда, когда они отделены один от другого пористою перегородкою. Вследствие явления диффузии происходит то, что детский воздушный шар, поднимающийся в воздухе, по прошествии некоторого времени теряет это свойство и опускается вниз: через резиновую оболочку шара светильный газ (который обыкновенно и употребляется для приготовления этих шаров), выходит наружу в окружающий воздух, воздух же, обратно, входит внутрь оболочки. Так как скорость движения молекул светильного газа больше, чем скорость движения молекул воздуха, то светильный газ быстрее выходит наружу, чем входит внутрь воздух; от этого уменьшается и размер шара.
      Диффузия воздуха происходит даже через кирпичные стены зданий.
      Если на поверхности воды, находящейся в каком-нибудь сосуде, налить осторожно спирту, то тотчас же начнется диффузия спирта в воду и воды в спирт; по прошествии некоторого времени исчезнет раздел между* этими двумя жидкостями, и в сосуде получится совершенно однородный раствор спирта в воде. Как и газы, жидкости могут диффундировать друг в друга через пористые перегородки. Существуют некоторые перепонки, которые обладают тем свойством, что сквозь них хорошо проникают одни жидкости и совершенно не проникают другие; такие перепонки получили название «полупроницаемых перепонок». К числу таких перепонок принадлежит животная ткань свиного пузыря. Сквозь ткань свиного пузыря вода проходит хорошо, а спирт проходит гораздо слабее; раствор же сахара или раствор какой-нибудь соли совсем не проходит. Поэтому, если свиной пузырь наполнить спиртом или раствором сахара и, крепко завязав этот пузырь, опустить в воду, то пузырь начнет раздуваться и в конце концов может даже лопнуть. Оболочки растительных и животных клеток проницаемы для воды и непроницаемы для тех органических веществ, которые содержатся внутри этих клеток; поэтому и разбухают зерна и части растений, когда они попадают в воду.
      Твердые тела, растворяющиеся в жидкости, диффундируют в этой жидкости. Кусок сахара или щепотка соли, брошенные в стакан воды, растворяются в воде; по прошествии некоторого времени в стакане получается вполне однородный раствор этих веществ.
      Диффузия играет первенствующую роль в жизни природы; большинство физиологических процессов как в животных, так и в растениях обязаны исключительно явлению диффузии.
      Диффузия может происходить и в твердых телах. В конце прошлого столетия, в 1894 году, бельгийский ученый Спринг обнаружил явление диффузии при тесном соприкосновении двух различных металлов. Для своих опытов Спринг приготовил из нескольких металлов (медь, цинк, железо, свинец, олово и др.) небольшие цилиндрики, при чем очень тщательно отполировал основания этих цилиндриков. Два цилиндрика из различных металлов, поставленные один на другой, были слегка прижаты друг к другу при. посредстве особой рамки с винтом и помещены внутрь маленького металлического шкафика, температура в котором в течение нескольких часов поддерживалась постоянною. Эта температура, хотя и повышенная, была всегда ниже той температуры, при которой мог начать плавиться тот или другой цилиндрик. Нахождение в течение нескольких часов (от 5 до 8) этих цилиндриков в шкафике при повышенной температуре было вполне достаточно, чтобы эти цилиндрики вполне спаялись друг с другом! Но мало этого: оказалось, что в том месте, -где соприкасались друг с другом разнородные металлы, получился слой, представляющий собой по составу сплав обоих этих металлов. Итак, нагретые металлы, сохраняя твердое состояние, диффундируют друг в друга.
      Несколько позже английский ученый Робертс Аустен своими опытами показал, что золото диффундирует даже в твердом свинце, имеющем обыкновенную комнатную температуру. Он поставил на золотой листок цилиндрик, приготовленный из свинца, и оставил этот цилиндрик стоять на золотом листке в шкафу лаборатории в течение 4 лет. Температура помещения все это время была почти постоянная — около 18°. По прошествии четырех лет свинцовый цилиндрик был разрезан на поперечные слои, и эти слои подвергнуты анализу. Анализ показал присутствие золота во всех слоях. Итак, даже в свинце при комнатной температуре наблюдается диффузия золота.
      И. И. Боргман.
      «Атомистическая теория строения тел», 1914.
     
      Видимость мельчайших предметов.
     
      Весьма маленькие предметы, рассматриваемые в микроскоп обычным способом, дают неправильные и расплывчатые изображения; если два малых объекта слишком близки друг к другу, то их нельзя уже различить в отдельности; если объект слишком мал, то нельзя уже различить его формы; если же он чрезвычайно мал, то его и вовсе невозможно увидеть. С помощью самых сильных микроскопов нельзя увидеть раздельно («разрешить») два объекта, расстояние между которыми меньше 0,0002 или 0,0003 миллиметра (т.-е. 0,2 или 0,3 микрона; микрон = 0,001 миллиметра); предмета же, который имеет размеры того же порядка, нельзя вовсе видеть.
      Новые способы наблюдения дают возможность открыть предметы, размеры которых в 40 — 50 раз меньше, т.-е. тела, величина которых не превышает нескольких миллионных миллиметра (миллионная часть миллиметра, или тысячная часть микрона, наз. миллимикроном). С помощью таких видоизмененных микроскопов — так называемых ультрамикроскопов — можно «разрешить* твердые или жидкие вещества, содержащие чрезвычайно мелкие зерна, ускользающие от глаз при обычных способах наблюдения. Указанные выше размеры мелких частиц всего вдесятеро больше размеров, приписываемых молекулам!
      Ш. Морен.
      «Физические состояния вещества», 1912.
     
      Размеры и число молекул.
     
      Число молекул в одном кубическом сантиметре газа было впервые вычислено венским физиком Лошмидтом в 1865 г. (Поэтому число это называется «числом Лошмидта»). Впоследствии в него введен был ряд улучшений; настоящая величина его равняется приблизительно 28 триллионам, т.-е. 28 с 18 нулями! Это число одинаково для всех газов (закон Авогадро). Один кубический сантиметр, напр., углекислого газа содержит 28 триллионов тяжелых молекул, один кубич. сантиметр водорода — 28 триллионов более легких и маленьких молекул и т. д. Все эти числа относятся к газам, температура которых равна 0° Цельсия, а давление равно одной атмосфере.
      Вот сколько летающих молекул газа помещается в половине наперстка обыкновенного газа!
      Наша способность представления не сразу осваивается с такими числами. Что представляют собой по сравнению с этим числом все люди на земном шаре? Только 1.500 миллионов. Все человечество свободно поместилось бы на замерзшем Боденском озере; если бы все люди утонули в этом озере, уровень воды в нем поднялся бы едва на 1/5 метра *). Представим себе, что кажущиеся бесчисленными звезды, которыми мы любуемся в ясную ночь, все так же населены, как наша Земля, — и тогда мы еще далеко не достигнем одного триллиона. Насчитывается только 35 миллионов видимых [в телескопы] звезд. Если сосчитать всех людей, когда-либо живших на земле, и то не получится триллиона. Сложите все эти числа — вам будет еще много недоставать до числа молекул воздуха в половине наперстка. Столь большие числа мы легко получаем при геометрических прогрессиях. Изобретатель шахматной игры потребовал себе в виде награды одно пшеничное зерно на первом поле доски, два — на втором, четыре — на третьем, восемь — на четвертом, и т. д., все удваивая числа. Шахматная доска имеет 64 поля, и это составило бы приблизительно, 18 триллионов зерен; из такого числа получилась бы куча пшеницы в форме прямоугольной призмы, длина которой была бы равна приблизительно 200 километрам, ширина 1 километру и высота также 1 километру **). Цена, которую потребовал изобретатель шахмат, была невероятной!
      Число молекул в одном кубическом сантиметре газа, как видите, колоссально. Если бы можно было положить все эти молекулы одну возле другой, то они покрыли бы поверхность стола средних размеров; но если бы положить в ряд одну возле другой, то такое ожерелье из молекул можно было бы 200 раз обернуть вокруг экватора. Это кажется противоречием. Когда Дидона основывала Карфаген, она [по преданию] потребовала столько земли, сколько можно покрыть бычачьей кожей. И она нарезала из кожи такие узкие полоски, что могла ими огородить достаточно земли для постройки города. Если бы полоски были еще тоньше, были такими узкими, как наш диаметр молекулы, то их можно было бы обернуть несколько раз вокруг Земли.
      Диаметры молекул газов исчисляются миллионными частями миллиметра. Например, диаметр молекулы углекислого газа равен 0,6 миллионной части миллиметра, водорода — 0,4. Это — величины приблизительные, или, как говорят, «порядок величин» ***).
      *) Общая поверхность Боденского озера (располож. на границе Швейцарии, Германии и Австрии) — 540 квадр. километров. Проверьте указанные расчеты полагая, что на кв. метре помещается 3 человека, а объем человеческого тела — 50 куб. децим. — Сост.
      **) Проверьте этот расчет, принимая, что четверик пшеницы весит 50 фунтов, а на фунт идет около 10.000 пшеничных зерен (четверик — 26,25 литра). Вычислите, какой толщины слой образовали бы все эти зерна, если бы их рассыпать равномерно по всей поверхности земного шара (радиус Земли — 6.370 килом.). Сост.
      ***) Зная это, проверьте правильность расчетов, указанных в предыдущем абзаце. Сост.
     
      Столь крошечные размеры молекул, несмотря на большое их числом дают им возможность свободно летать в пространстве, занятом газом. Чтобы составить себе представление об этом, вообразим, что мы смотрим через очки, увеличивающие все расстояния в миллион раз. Тогда величина молекулы едва достигала бы величины крупной песчинки. В пространстве, которое при этом увеличении равнялось бы, например, размерам комнаты 5x5X4 метров, т.-е. имело бы объем в 100 миллионов кубических сантиметров, можно было бы увидеть 2.800 миллионов молекул, увеличенных до размеров песчинки. Следовательно, каждые 28 увеличенных до песчинки молекул имеют при этом увеличении в своем распоряжении больше 1 куб. сантиметра пространства для свободного в нем движения. Чгртеж изображает картину этого увеличения, — только одну часть ее, в весьма тонком разрезе, а именно: молекулы в плоском ящике, глубина которого [в натуре] равна приблизительно одной 10.000.000-й
      доле сантиметра. Стрелки обозначают пути молекул. Много соседних молекул пройдет друг мимо друга, прежде чем произойдет столкновение; на рисунке длина пути молекул увеличена, конечно, в миллион раз. Это увеличенное изображение относится к воздуху обыкновенной плотности.
      В нашем самом совершенном пустом пространстве давление в лучшем случае может быть понижено до одной миллионной части обыкновенного [т.-е. воздух разрежается в миллион раз]. Другими словами, каждый триллион молекул из находящихся в кубич. сантиметре обыкновенного воздуха, уменьшается до одного биллиона. Наши лучшие воздушные насосы оставляют, значит, в каждом кубическом сантиметре еще целые биллионы молекул газа*)!
      *) Современные воздушные насосы дают возможность разрежать газ до одной 10.000.000.000-ой доли атмосферы, т.-е. в 10.000 раз больше, чем указано в статье. Но и при таком разрежении в каждом куб. сайт, остаются еще миллиарды молекул, — больше, чем людей на земном шаре. — Сост.
      Следовательно, вполне пустого пространства в действительности не существует. И однако, многий физические явления — напр., электрические разряды — происходят совершенно иначе в таком «пустом» пространстве, нежели при обыкновенном воздушном давлении.
      Вероятно, многие, услыхав все эти числа, с недоверием примут их за фантазии, за сказку из 1001 ночи. Но самым удивительным является то, что при помощи выводов из совершенно других областей физики мы приходим приблизительно к одинаковой оценке размеров молекулы.
      Органические вещества содержат большею частью молекулы белков и им подобные, которые гораздо крупнее, чем молекулы более простых химических соединений. Самые крошечные бактерии, диаметр которых меньше 0,0005 миллиметра, содержат еще не менее миллиона этих больших молекул.
      Э. Лехер.
      «Физические картины мира», 1912.
     
      Примечание. О размере молекул. Наглядное представление о степени малости молекул дает следующее сопоставление. Вообразим, что все земные предметы увеличены в миллион раз (здесь имеется в виду линейное увеличение). Тогда Эйфелева башня своей вершиной достигала бы почти орбиты Луны; люди имели бы в вышину 1.700 километров; каждый из микроскопических красных шариков нашей крови имел бы 7 метров в поперечнике, а волосы были бы толщиной 100 метров. Мышь достигала бы 100 километров длины, муха — 8 километров... А молекула была бы величиной с типографскую точку шрифта этой книги! — Сост.
     
     
      II. Начальные сведения из механики.
     
      Движение относительное и абсолютное.
     
      Плавая на корабле в тумане, мы определяли бы скорость нашего движения посредством лага или по числу оборотов винта и, пожалуй, думали бы, что имеем совершенно точные сведения о своем местопребывании. Но если бы мы ехали с Антильских островов в Европу и вычислили бы путь, помножив нашу среднюю скорость на время, проведенное в пути, то были бы приятно удивлены, заметив берега Старого Света гораздо ранее, чем мы рассчитывали. Произошло это потому (и мы, конечно, не имели бы права не считаться с этим), что вдобавок к собственным средствам передвижения наше судно передвигалось еще Гольфстремом, этим могучим, течением, идущим от берегов Мексиканского залива и несущим к нашим берегам теплую воду и теплый воздух, смягчающие наш европейский климат.
      Возьмем другой пример. В ураган, опрокидывающий дымовые трубы и вырывающий с корнями деревья, можно испытывать ощущение полного покоя: для этого достаточно подняться на свободном воздушном шаре. Если земная поверхность не видна воздухоплавателям из-за туч или вследствие ночной темноты, они могут не иметь представления о своем передвижении и могут оказаться перенесенными из Парижа к границам России, не переставая утешать себя мыслью, что спокойно парят над пунктом их отправления.
      Что является скоростью для плывущего на судне? На реках, этих «движущихся дорогах», по известному образному выражению Паскаля, скорость будет совершенно различной, смотря по тому, вычисляют ли ее по отношению к поверхности воды, или по отношению к берегу; для воздухоплавателей понятие о неподвижности или движении может иметь противоположный смысл, в зависимости от того, подразумевают ли они под этим передвижение относительно поверхности земли или по отношению к уносящему их воздуху. Когда земля видна, они могут давать себе отчет в своей головокружительной поездке; если же земля скрывается из вида, они силятся определить скорость своего движения по звездам.
      Находясь на земле, воздухоплаватель будет принимать за неподвижную точку — землю; в воздухе же для него такой точкой будет — воздушный шар или окружающая его воздушная стихия.
      Мы могли бы условиться раз навсегда, что воздухоплаватель точно так же, как и мореплаватель, поддается игре ошибочных впечатлений, и что он пребывает на одном месте, если не меняет места по отношению к земной поверхности, и находится в движении, если видит, что земная поверхность, над которой он парит, перемещается.
      Такое определение бессознательно принималось во всем древнем мире. Для людей того времени было бесспорным, что Земля это — большая неподвижная равнина, собственно и составляющая мир, все остальные части вселенной считались лишь мелкими принадлежностями этого мира. До тех пор, пока не имели представления ни о величине звезд, ни о расстояниях до них, вполне естественно было думать, что звезды являются вращающимися вокруг Земли вечными ее спутниками.
      С тех пор как Коперник, Кеплер и Галилей начертали план мироустройства, приемлемый здравым рассудком, мы представляем себе Землю вращающейся; кроме того, она нам представляется совершающей в течение года свой путь, вокруг Солнца. Она, значит, не пребывает в покое, и мы не можем уже говорить, что какое-нибудь тело неподвижно, если оно не перемещается по отношению к земной поверхности.
      Но где нам тогда отыскать тот не меняющий своего места предмет, по которому мы могли бы определять неподвижность?
      Астрономы думали, что могут ответить на этот вопрос, разделив небесные светила на два разряда: на неподвижные звезды и странствующие светила — планеты с их спутниками и кометы.
      Но наука лишила нас и этого приятного заблуждения: точные наблюдения показали, что расположение звезд на небе изменяется. С Земли они представляются движущимися с различными скоростями и во всех направлениях; но достаточно заметное при этом общее их перемещение дает возможность знать, что наше Солнце со всеми его спутниками, т.-е., так называемая, солнечная система, несется с невообразимой быстротой в некотором направлении, проходящем через созвездие Геркулеса. Таким образом, покой покидает нас все больше и больше, и так как мы его нигде не находим, то освобождаем себя от тщетных за ним поисков. Освободив себя от бесплодных поисков, решим, что покой и движение — просто условности, и будем считать предметами, не меняющими своего места, ?се, что нам захочется: узенькую каюту увозящего нас судна, атмосферу с поддерживающим нас шаром, речную поверхность, по которой мы плывем на судне, не различая берегов, Землю, Солнце, созвездие, короче говоря, всё, что нам будет наиболее удобно, и что создает простоту понимания. Но не будем забывать, что неподвижность всех этих предметов — вполне условна.
      Впрочем, нет ничего легче, как впасть в обман при определений покоя или движения. Несколько лет тому назад один остроумный предприниматель предлагал на праздниках нечто названное им «чортовой качелью». Это был род лодочки, висевшей на железных прутьях внутри совершенно закрытого помещения и могущей вместить пять или шесть человек. После того, как в лодочку усаживались, помещение, в котором висела лодочка, начинали раскачивать, в то время как самая качель оставалась неподвижной. Интересно было тогда видеть людей, наклонявшихся направо и налево, как будто для того, чтобы сохранить вертикальное положение на качели, качание которой они, как им казалось, чувствовали. В конце концов, когда после нескольких все более и более сильных размахов вся комната быстро совершала полный оборот, ошибочное впечатление сразу пропадало, но не без того, чтобы сидевшие в лодке не испытывали ужаса, часто выражавшегося пронзительными криками.
      Ш. Гильом.
      «Начатки механики», 1909.
     
      Три закона движения.
     
      Законы движения, открытые Галилеем и доказанные Ньютоном:
      I. Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не подействует какая-либо сила и не заставит его изменить это состояние.
      II. Изменение движения пропорционально движущей силе и направлено по прямой, по которой действует сила.
      III. Действие всегда равно и прямо противоположно противодействию, т.-е. действия двух тел друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны.
      Эти законы доказаны Ньютоном с беспримерной ясностью и точностью, и поэтому известны под названием законов Ньютона, но основаны они на трудах Галилея.
      Первый закон — наиболее простой, хотя незнание его доставляло древним много затруднений. Это просто положение, что для изменения движения тела необходима сила, т.-е. если на тело не действует сила, оно будет продолжать двигаться равномерно, в смысле скорости, и прямолинейно. По старым воззрениям для поддержания движения необходима сила. Первый закон Ньютона, наоборот, утверждает, что сила нужна для прекращения движения. Предоставьте тело самому себе, устраните от него влияние трения и других задерживающих причин, — и оно будет двигаться вечно. Поэтому движение планет в пустом пространстве не требует никакой поддержки; здесь не движение нуждается в силе для своей поддержки, но кривизна пути предполагает силу, постоянно ее производящую: движение планет почти круговое; здесь нужна сила не толкающая, а отклоняющая.
      Второй закон гласит, что если на тело подействует сила, то движение изменяется в направлении или в скорости или в том и другом вместе, причем скорость изменяется пропорционально величине силы, а направление движения стремится стать таким же, как и направление действия силы. Так как движение планеты изменяется почти единственно в направлении, то нужна только отклоняющая сила, — сила, действующая под прямым углом к направлению движения, сила, перпендикулярная к пути планеты. Рассматривая движение, как круговое, мы приходим к заключению, что сила должна действовать непрерывно и центростремительно, т.-е. вдоль радиуса. Попробуйте вращать пулю на резинке — резинка натянется; вращайте быстрее — резинка еще больше натянется. Движущая масса тянет резину — это центробежная сила; рука тянет резину — это центростремительная сила.
      Третий закон гласит, что две эти силы равны и вместе обусловливают натяжение резины. Невозможно вообще обойтись одной только силой, их должно быть две. Вы не можете ударить тела, не представляющего никакого сопротивления. С какой бы силой вы ни подействовали на тело, с такой же точно силой это тело будет обратно действовать на вас. Действие и противодействие всегда равны и прямо противоположны.
      Некоторые находят в этом какое-то нелепое затруднение. Говорят: «если телега тянет лошадь точно с такою же силой, как лошадь тянет телегу, то почему же телега движется?» А почему бы нет? Телега движется потому, что лошадь ее тянет и потому еще, что ничто не тянет ее обратно. «Но — возражают — телега тянет назад». Да что же она тянет назад? Ведь не самое же себя! «Нет, она тянет лошадь». Ну, конечно, телега тянет лошадь; если бы телега не оказывала сопротивления, то на что нужна была бы лошадь? Она нужна для того, чтобы преодолеть сопротивление телеги; но ничто не тянет телегу назад (кроме, разумеется, небольшого трения), а лошадь тянет ее вперед; вот почему она и движется. Никакой тут нет загадки, если вы представите себе, что перед вами два тела и две силы, и на каждое тело действует лишь одна сила. Если бы две равные и противоположно направленные силы действовали на одно и то же тело, оно оставалось бы в покое, — но равные силы, рассматриваемые в третьем законе Ньютона, действуют на два различных тела, и потому ни одно из них не находится в равновесии.
      Мы видим, что этот третий закон чрезвычайно прост хотя из него вытекает весьма много следствий.
      Гораздо больше следовало бы сказать о втором законе, чтобы хотя отчасти правильно оценить его; для полного его освещения нужно было бы написать целое сочинение по механике. Но полезно познакомиться с другим его выражением, а именно, что изменение движения тела зависит единственно и просто от действующей силы, а совсем не от того, что происходит с телом во время действия этой силы; тело может находиться в покое или же двигаться в каком-либо направлении, — это совершенно безразлично [отсюда название этого закона: закон независимости действия сил].
      О. Лодж.
      «Пионеры науки», 1892.
     
      Закон независимости действия сил.
     
      Заключите себя с каким-нибудь приятелем в возможно просторном помещении под палубою большого корабля и пустите туда мух, бабочек и других подобных маленьких летающих животных. Пусть будет там также большой сосуд с водою, и в нем рыбки. Повесьте также на потолок ведро, из которого капля за каплей вытекала бы вода в другой сосуд с узким отверстием, находящийся внизу под ним. Пока не движется корабль, наблюдайте, как эти летающие животные с разной быстротой будут летать во все стороны комнаты. Увидите, что рыбы будут плавать безразлично во все стороны; падающие капли будут попадать все в подставленный сосуд. И вы, бросая приятелю какую-нибудь в ешь, не будете принуждены употреблять большую силу для того, чтобы бросить ее в одну сторону, чем в другую, если только расстояния одинаковы. Прыгая, вы будете проходить одинаковые пространства во все стороны, куда бы ни прыгали. Наблюдайте хорошенько за всем этим и заставьте привести в движение корабль, с какою угодно быстротою.
      Если движение будет равномерно, то вы не заметите ни малейшей перемены во всех указанных действиях и ни по одному из них не в состоянии будете судить, движется ли корабль, или стоит на месте. Вы, прыгая, будете проходить по полу те же самые пространства, как и прежде, т.-е. вы не сделаете, вследствие того, что корабль движется весьма быстро, больших прыжков к корме, чем к носу корабля, хотя в то время, когда вы находитесь в воздухе, пол, находящийся под вами, бежит к части, противоположной вашему прыжку. Бросая вещь товарищу, вам не нужно с большею силою бросать ее, если он будет у носа корабля; вы же около кормы, чем наоборот. Капли будут попадать, как прежде, в нижний сосуд, и ни одра не упадет по направлению к корме, несмотря на то, что, в то время как капля находится в воздухе, корабль уходит вперед на несколько локтей. Рыбы в своей воде не с большим трудом будут плавать к одной, чем к другой стороне сосуда, и будут подходить с одинаковой ловкостью к пище, положенной на какое угодно место края сосуда. Наконец, бабочки и мухи будут по-прежнему летать во все стороны и не будут держаться более около той стены, которая ближе к корме, как будто устали следовать за быстрым ходом корабля, от которого они, находившись долго в воздухе, как будто разъединены. И если зажжете несколько ладона, то дым пойдет вверх, будет держаться в виде облачка и безразлично двигаться в ту или другую сторону.
      Причина того, что все эти действия так соответствуют одно другому, заключается в том, что движение корабля обще всему находящемуся в нем, — и воздуху. Для этого и нужно, говорил я, чтобы мы находились под палубой. Если бы мы были над нею, на открытом воздухе, который не следует за движением корабля, то заметили бы разницу, более или менее ощутительную, в некоторых из описанных явлений. Дым, без сомнения, отставал бы, как и сам возду±. Мухи и бабочки, встречая сопротивление воздуха, не могли бы следовать за кораблем, если хоть немного от него отдалятся. Держась совсем вблизи, они . могли бы еще беспрепятственно и без напряжения следовать за кораблем: как постройка неправильной формы, корабль увлекает за собой прилежащие части воздуха.
      Галилей *).
      «Диалог о двух великих мировых системах», 1632.
      *) Галилео Галилей (1564 — 1642) гениальный итальянский физик и астроном, основатель современной физики. Он открыл законы падения тел и качания маятника, положи основание механики (науки о движении и силах), изобрел зрительную трубу и первый направил ее на небо, защищал учение Коперника о движении Земли вокруг оси и Солнца, опровергнув древнее учение (Птолемея) о неподвижности Земли в сочинении «Диалог о двух великих мировых системах, Птолемеевой и Коперниковой». За последнее сочинение был привлечен к суду инквизиции, как еретик, и лишен свободы.
     
      Закон действия и противодействия.
     
      Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.
      Если что-либо давит на что-нибудь другое или тянет его, то оно само этим последним давится или тянется. Если кто нажимает пальцем на камень, то и палец его так же нажимается камнем. Если лошадь тащит камень, привязанный к канату, то и обратно (если можно так выразиться) она с равным усилием оттягивается к камню, ибо натянутый канат своею упругостью производит одинаковое усилие на лошадь в сторону камня и на камень в сторону лошади, и насколько этот канат препятствует движению лошади вперед, настолько же он побуждает движение вперед камня. Если какое-нибудь тело, ударившись в другое тело, изменяет своею силою его количество движения на сколько-нибудь, то оно претерпит от силы второго тела в своем собственном количестве движения то же самое изменение, но обратно направленное, ибо давления этих тел друг на друга постоянно равны. От таких взаимодействий всегда происходят равные изменения не скоростей, а количеств движения, предполагая, конечно, что тела никаким другим усилиям не подвергаются. Изменения скоростей, происходящие также в противоположные стороны, будут обратно пропорциональны массам тел, ибо количества движения получают разные изменения. Этот закон имеет место и для притяжений.
      Относительно притяжений дело может быть изложено вкратце следующим образом: между двумя взаимно притягивающимися телами надо вообразить помещенным какое-либо препятствие, мешающее их сближению. Если бы одно из тел А притягивалось телом В сильнее, нежели тело В притягивается телом А, то препятствие испытывало бы со стороны тела А большее давление, нежели со стороны тела В, и, следовательно, не осталось бы в равновесии. Преобладающее давление вызвало бы движение системы, состоящей из этих двух тел и препятствия, в сторону тела В, и в свободном пространстве эта система, двигаясь ускоренно, ушла бы в бесконечность. Такое заключение нелепо и противоречит первому закону, по которому система должна бы оставаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Отсюда следует, что оба тела давят на препятствие с равными силами, а значит и притягиваются взаимно с таковыми же.
      Я производил подобный опыт с магнитом и железом: если их поместить каждый в отдельный сосуд и пустить плавать на спокойной воде так, чтобы сосуды взаимно касались, то ни тот ни другой не приходят в движение, но вследствие равенства взаимного притяжения сосуды испытывают равные давления и остаются в равновесии.
      Ньютон *).
      «Математические начала натуральной философии», 1686 г.
      *) Исаак Ньютон (1642 — 1727), — гениальный английский математик, физик и астроном, величайший естествоиспытатель всех времен и народов.
     
      Следствия равенства действия и противодействия.
     
      На первый взгляд кажется, что живые существа представляют исключение из того правила, что тело не может притти в движение без воздействия на него внешней силы; по-видимому, мы сами можем привести наше тело в поступательное движение или поднять его без воздействия со стороны. Однако, при ближайшем рассмотрении обнаруживается обратное этому. Спокойно стоя на ступеньке лестницы, мы давим на нее так, что ее противодействие находится в равновесии с нашим весом. Но чтобы подняться по лестнице, мы нажимаем сильнее на ступеньки вниз, а при быстром поднятии даже ударяем ногами о ступеньки; большее противодействие, являющееся следствием этого, сообщает нашему телу скорость вверх.
      При хождении по горизонтальному полу мы пользуемся его шероховатостью. Всякий сам может наблюдать, что при ходьбе он нажимает на пол по направлению назад; противодействие пола и способствует тому, что тело движется вперед. Если бы пол был совершенно гладок, то эти горизонтальные силы не могли бы возникать, и хождение было бы невозможно. Если пол достаточно шероховат и сам подвижен, то он движется назад. Этим воспользовались для различных применений; укажем только на то, что человек, передвигая шестом лодку, давит на нее своими ногами в обратную сторону. Палуба лодки давит на него в прямом направлении, но он остается на том же месте, так как шест, которым он упирается в твердое дно, действует на него с известной силой в противоположном направлении.
      Поступательное движение судна при помощи весел, колес или винта обусловливается тем, что на воду действует сила, направленная назад; благодаря этому, возникает противодействие, которое действует на судно.
      Плавание рыб и летание птиц имеют некоторое сходство с этими способами передвижения. Противодействие, нужное для поднятия, птица находит себе при движении своих крыльев вниз, однако скорость движения и положение крыльев таковы, что при опускании крыльев воздух представляет большее сопротивление, чем при их взмахе вверх.
      В виде последнего примера противодействия, сопровождающего всякое действие, мы упомянем еще случай тела, влекомого по какой-нибудь поверхности, — например, по доске стола, — при чем оно встречает сопротивление вследствие трения. В этом случае тело стремится увлечь за собою доску с силою, равною этому трению.
      Г. А. Лоренц *).
      «Курс физики», 1910.
      *) Г. А. Лоренц, профессор университета в Лейдене (Голландия), один из величайших физиков нашего времени.
     
      Падение тел.
     
      Предлагаемый отрывок заимствован из книги Галилея «Собеседования о двух новых науках», в которой изложены сделанные им открытия в механике, — между прочим, законы падения тел. Книга написана в форме разговора трех лиц: Симпличио, сторонника древнего учения Аристотеля, Сальвиати, высказывающего мысли Галилея, — и третьего собеседника, Сагредо.
     
      Симпличио. Аристотель утверждает, что различные тела в одной и; той же среде движутся с разною скоростью и непременно пропорционально их весу, так что груз больший в 10 раз и движется вдесятеро скорее. Дальше он принимает, что скорости одной и той же массы в разных средах обратно пропорциональны плотностям, так что, если, напр., плотность воды вдесятеро больше плотности воздуха, то скорость в воздухе вдесятеро больше, чем в воде.
      Сальвиати. Очень сомневаюсь в том, чтобы Аристотель когда-нибудь проверял на опыте, действительно ли два камня, из которых один вдесятеро тяжелее другого, если пустить их в одно и то же мгновение», напр., с высоты 100 локтей, что такие два камня получат настолько различное движение, что по прибытии большего на место, меньший пройдет лишь 10 локтей.
      Симпличио. По вашим словам можно думать, что вы производили подобные опыты, иначе вы не говорили бы таким образом.
      Сагредо. Но я, синьор Симпличио, не производил никаких опытов и все же утверждаю, что пушечное ядро в 100, 200 и более фунтов ни на пядь не обгонит полуфунтовую ружейную пулю, если оба упадут с высоты 200 локтей.
      Сальвиати. Не производя длинных опытов, мы можем путем одного лишь краткого рассуждения доказать невозможность того, чтобы больший груз двигался скорее, нежели меньший, если они состоят из одного и того же вещества. Если у нас имеются два тела, обладающие разными скоростями, и если мы их соединим, то ясно, что движущееся скорее получит замедление, а движущееся медленнее — ускорение. Согласны вы с этим?
      Симпличио. Этот вывод я нахожу совершенно правильным.
      Сальвиати. Но если это верно и если бы было справедливо, что больший камень движется, напр., со скоростью 8 локтей, а малый со скоростью 4 локтей, то оба вместе должны были бы, если их соединить, обладать скоростью меньше, чем 8 локтей. Но ведь оба камня вместе, конечно, весят больше, чем большой камень, обладавший скоростью в 8 локтей; и стало быть выходит, что более тяжелый камень (происшедший от соединения двух) будет двигаться медленнее, чем легкий, а это противоречит нашему предположению. Отсюда вы видите, что из допущения, будто более тяжелое тело обладает большею скоростью, чем легкое, я вас могу привести к выводу, что более тяжелое тело движется медленнее.
      Симпличио. Я совсем смущен, потому что мне все-таки представляется, что меньший камень, соединенный с большим, должен увеличивать его вес, а потому должен увеличить также и его скорость, или, по крайней мере, не уменьшать ее.
      Сальвиати. Вы впадаете в новую ошибку, синьор Симпличио; потому что неверно, будто меньший камень увеличивает вес большего.
      Симпличио. Вот как! Но это должно происходить, сколько я понимаю...
      Сальвиати. Ничуть! Вы все поймете, если я вас высвобожу из рамок того заблуждения, в котором вы находитесь. Заметьте хорошо, что в данном вопросе надо различать, движется ли уже тело или находится в покое. Если мы положим камень на одну чашку весов, то от прибавки еще одного камня вес увеличится; даже от прибавления куска пакли он возрастает. Но если вы возьмете камень, связанный с паклей, и дадите ему возможность свободно падать с большой высоты, то неужели вы думаете, что пакля во время движения будет давить на камень и ускорять его движение, или камень будет замедлен в своем движении, как бы поддерживаемый куском пакли? Мы ощущаем груз на наших плечах лишь в том случае, если стараемся помешать его движению. Но если мы станем двигаться вниз с такою же скоростью, как и груз, лежащий на нашей спине, то как может он давить и обременять нас? Не думаете ли вы, что это подобно тому, как если бы мы захотели поразить- копьем кого-либо, кто бежит впереди нас с такою же скоростью, с какою движемся и мы Итак, вы должны вывести заключение, что при свободном падении малый камень не давит на большой и не увеличивает его веса, как это бывает при покое.
      Симпличио. Ну, а если бы больший камень покоился на меньшем?
      Сальвиати. Тогда он должен был бы увеличить его вес лишь в том случае, если бы скорость его была больше. Но мы уже выяснили, что если бы меньший груз падал медленнее, то уменьшил бы скорость большего груза, следовательно, составная масса двигалась бы медленнее своей части, — что противоречит вашему допущению. Итак, разрешите принять, что большие и малые тела движутся с одинаковою скоростью.
      Симпличио. Все-таки мне не верится, чтобы капля свинца и пушечное ядро падали с одной и той же скоростью.
      Сальвиати. Скажите лучше: крошечная песчинка и мельничный жернов...
      Сагредо. Не думаю, чтобы вы старались нас убедить, что и пробка падает так же быстро, как свинец.
      Сальвиати. Если устранить сопротивление среды, все тела падали бы с равными скоростями.
      Симпличио. Подумайте, что вы сказали! Ну можно ли поверить, что в одном и том же пустом пространстве прядь льна будет падать так же скоро, как и свинцовая пластинка?
      Сальвиати. Для этого необходимо пространство, в котором совершенно не было бы воздуха и всякого другого тела, хотя бы тонкого и уступчивого. Но такого пространства нет, и потому нам остается наблюдать, что случается в средах тонких и мало сопротивляющихся сравнительно с тем, что бывает в средах менее тонких и более сопротивляющихся. Мы находим, что с уменьшением плотности среды уменьшается и разность в скоростях падающих тел... Из этого можно, мне кажется, с большой вероятностью заключить, что в пустоте тела падали бы со скоростью, вполне одинаковою.
      Галилей.
      «Собеседования о двух новых науках», 1638.
     
      Падение тел в воздухе.
     
      Тело, движущееся в воздухе, встречает сопротивление, которое тем больше, кем быстрее движение. Когда мы заставляем тело падать, то в течение первых мгновений его скорость еще так незначительна, что сопротивлением воздуха можно пренебречь; в силу этого вначале тело имеет приблизительно почти такое же равномерно-ускоренное движение, какое оно имело бы в безвоздушном пространстве. Но с увеличением скорости увеличивается и сопротивление; вся сила, действующая на тело, — равнодействующая его веса и этого сопротивления — убывает. Движение, правда, остается еще ускоренным, но увеличение скорости за последовательные равные элементы времени становится все меньше. Это продолжается до тех пор, пока не будет достигнута скорость, при которой сопротивление станет равным весу тела. Так как в этот момент эти две силы взаимно уничтожаются, то дальше скорость не изменяется, и тело сохраняет это равномерное движение именно потому, что сопротивление все время остается в равновесии с весом. Капли дождя вблизи поверхности земли имеют такое равномерное движение.
      Как велика окончательная скорость и сколько времени проходит до момента ее достижения, это зависит, с одной стороны, от веса, а с другой стороны, от величины сопротивления. Сила тяжести действует на все частицы тела, сопротивление — только на те, которые лежат на поверхности. Отсюда вытекает, что из двух тел, при одинаковом весе, имеющих различную поверхность, тело с большей поверхностью приобретает меньшую конечную скорость. Именно, если V есть значение скорости, при котором сопротивление воздуха уничтожает силу тяжести для этого тела, то для другого тела, когда оно достигает той же скорости, сопротивление остается меньше его веса. Поэтому ускорение последнего тела, когда оно приобретает скорость V, еще не уничтожается.
      Таким же образом можно доказать, что из двух тел, имеющих одинаковую величину и форму, но различный вес, более тяжелое приобретает большую окончательную скорость.
      Теперь ясно, почему тела в роде листка бумаги, пера, снежинки, парашюта падают так медленно, а тяжелый металлический шар движется в воздухе почти в соответствии с законами свободного падения.
      Для того, чтобы увеличить поверхность тела, его делят на части; благодаря этому, к первоначальной поверхности прибавляются еще новые. Поэтому, если мы разделим одно из двух равных тел на мелкие части и заставим оба эти тела падать на некотором расстоянии друг от друга одновременно, то движение первого будет происходить гораздо медленнее, чем падение тела, оставшегося целым. Поэтому маленькое тело приобретает меньшую окончательную скорость, чем большое тело из того же вещества. Вспомним, что при уменьшении всех размеров тела вдвое его вес уменьшается в 8 раз, а поверхность только в 4 раза.
      Очень маленькие тельца приобретают лишь незначительную окончательную скорость. Впрочем, в спокойном воздухе они все-таки постоянно падают. Однако, в воздухе всегда имеются течения, — например, вследствие неодинаковости температуры, — и если окончательная скорость, которую тельце приобрело бы в спокойном воздухе, станет меньше скорости воздушных течений, то тельце станет игрушкой последних: его будет уносить то туда, то сюда, и оно будет продолжать плавать в воздухе. Так это и бывает с бесчисленными частичками пыли, которые бывают видимы в воздухе на пути солнечного луча.
      Сказанное здесь о сопротивлении в воздухе относится также и к сопротивлению в жидкостях. При прочих равных условиях последнее больше, чем сопротивление воздуха; таким образом, маленькое тельце остается взвешенным в воде легче, чем в воздухе. Осадки, в виде очень мелких частиц, иногда вовсе не оседают.
      Г. А. Лоренц.
      «Курс физики», 1910.
     
      Из вычислений проф. Стокса оказывается, что капля воды, падающая в воздухе, в тысячу раз менее плотном, чем вода (это имеет место на обычной высоте облаков), — опускается каждую секунду почти на 0,8 дюйма, если диаметр ее равен 1000-й части дюйма. Если диаметр капли составляет только одну 10.000-ю дюйма, скорость падения капли в воздухе будет в 100 раз менее, т.-е. около 1/2 дюйма в минуту. Если облако составлено из малых капель воды такого размера, то их собственное движение в воздухе нельзя будет заметить, и наблюдателю будет казаться, что облако движется только вместе с воздухом. Действительно, движение вниз через воздух каких бы то ни было малых частиц — водяной пыли, всякого рода пыли и дыма, совершается очень медленно; время опускания вниз на данное расстояние обратно пропорционально квадрату размеров частиц, если их плотность и форма одинаковы.
      К. Максуэлл.
      «Теория теплоты», 1883.
     
      Упражнение. Во сколько, приблизительно, раз пылинка тяжелее воздуха? Сделать этот расчет для пыли металлической, песчаной, древесной, угольной, — принимая удельный вес металла от 7 до 11 (цинк, железо, медь, серебро, свинец), удельный вес песчинок (кварц) — 3, дерева — 1/2. каменного угля 2, древесного — 1/1. Воздух близ поверхности земЛи в 770 раз легче воды. — Сост.
     
      Вес.
     
      Притяжение земли есть сила. Сила, с которою земля притягивает все тела, называется тяжестью. Тяжесть, как и всякая сила, может произвести движение и давление. Давление, которое производит сила тяжести, называется весом. Дадим более точное определение веса. Весом называется давление тела, происходящее от силы тяжести, на твердое, горизонтальное, неподвижное препятствие в пустоте *).
      *) Вес тела можно определить еще как натяжение нити (пружины) при вертикальном ее положении, уравновешивающее своею упругостью действие (тягу) земного притяжения на тело. — В. Р.
      Это определение понятно не сразу. Рассмотрим его подробнее. Земля к себе тянет тело, и если оно не встретит препятствия, то двинется к земле; но, встречая препятствие движению, тело окажет давление на препятствие, которое предполагается твердым; поверхность жидкости не удержит притягиваемого землею тела, и оно погрузится на большую или меньшую глубину или дойдет до дна сосуда, в котором налита жидкость. Твердое препятствие (плоскость) должно быть горизонтальным; и действительно, приставим гирьку к вертикальной доске — она будет падать мимо доски, не производя на нее давления: вся сила тяжести пойдет на движение тела. Поставив доску наклонно, заметим, что гирька будет двигаться по доске, но медленнее, чем при вертикальном ее положении, и гирька в этом случае уже производит давление на доску, т.-е. сила тяжести производит два действия: движение и давление. С уменьшением наклона доски движение гирьки постепенно замедляется, а давление увеличивается, и когда доска придет в горизонтальное положение, то гирька не будет уже двигаться, и вся сила тяжести пойдет на давление. Это полное давление от силы, тяжести и есть вес тела.
      В определении сказано, что горизонтальное препятствие должно быть неподвижным. Действительно, допустим, что в тот момент, когда мы гирьку кладем на доску, последняя станет двигаться вниз так же скоро, как падает гирька; тогда очевидно, что гирька будет падать так же, как будто бы доски и не было; она будет касаться доски, но не будет производить на нее давления, ибо при малейшем уменьшении скорости доски гирька уже не будет ее касаться *).
      *) Укажите у Галилея, в отрывке «Падение тел» (стр. 48) место, где разъясняется та же мысль. — Сост.
      Если движение доски вниз постепенно замедлять, то гирька уже станет нажимать на доску (так как гирька имеет стремление двигаться быстрее доски, а доска этому препятствует), но давление ее будет меньше, чем вес, ибо часть силы тяжести идет на движение гирьки; с замедлением доски давление гирьки постепенно увеличивается, и когда доска остановится, давление станет равным весу. Это можно показать следующим простым опытом. К крючку пружинных весов прикрепляют чашку, на которую кладут камень или гирьку фунтов 5 — 6; стрелка укажет вес их. Непосредственно над стрелкою в прорезе, где двигается стрелка, поместим четырехугольный кусочек пробки. Держа весы за верхнее кольцо, станем их опускать: вес тела уменьшится, что обнаружится движением стрелки вверх; она нажмет на пробку и двинет ее также вверх. Когда весы остановим, тело снова получит полный вес, и потому стрелка снова опустится, а пробка, вследствие трения о края прореза, останется наверху. Число делений между пробкой и стрелкой укажет, на сколько уменьшился вес тела при движении чашки весов вниз. Чем быстрее движется чашка вниз, тем большее расстояние наблюдается между стрелкою и пробкою, т.-е. вес тела тем более уменьшается, чем скорее опускается чашка.
      Наконец, почему только в пустоте тело имеет полный вес? Во время купания мы чувствуем, что вода стремится вытеснить наше тело; это выталкивание происходит от того, что вода со всех сторон устремляется в место, занятое телом, чтобы его залить, но, встречая препятствие со стороны тела, производит на него давление. Тела, погруженные в воду, выжимаются из нее, если их вес меньше выталкивающей силы воды (дерево, пробка); если вес тела, больше выталкивающей силы воды, то часть его веса уравновешивается этою силою; поэтому всякое тело, погруженное в воду или другую жидкость, не имеет полного веса. Что мы сказали о воде, то же следует повторить и о воздухе: тело, находящееся в воздухе, не имеет полного веса, так как часть его поддерживается выталкивающею силою воздуха; вода выжимает пробку, и по той же причине воздушный шар выталкивается воздухом.
      Вопрос. Когда тело падает, имеет ли оно вес?
      Ответ. Нет, не имеет; вся сила тяжести, на него действующая, тратится на движение, но веса тела — давления на твердое препятствие — не будет.
      В. Л. Розенберг.
      «Первые уроки физики», 1914.
     
      Трение скольжения.
     
      Когда человек не может по недостатку силы поднять груз, он пытается волочить его по земле, и часто это удается, потому что для такого способа передвижения обыкновенно надо меньшую силу, чем вес предмета. Если дорога, по которой волокут груз, идет в гору, груз не только перемещается вдоль дороги, но и поднимается постепенно: работа двигающих этот груз идет и на преодоление силы тяжести. Но если дорога совершенно горизонтальна, груз не поднимается и не опускается, а между тем на его передвижение приходится затрачивать механическую работу; работа эта идет на преодоление трения и других сопротивлений движению, если они есть.
      Сила трения всегда направлена против движения вдоль пути, по которому происходит скольжение. Величина и законы трения найдены из опыта, только не очень точно, так как трение зависит от состояния трущихся поверхностей и поэтому бывает очень переменчиво. Такого рода опытами найдены следующие законы трения:
      1. Сила трения пропорциональна давлению на трущиеся поверхности, но зависит от их материала и степени гладкости.
      2. Для одной и той же пары поверхностей сила трения всегда составляет одну и ту же часть давления, называемую «коэффициентом трения».
      3. Сила трения не зависит от величины соприкасающихся поверхностей, пока они не настолько малы, что вдавливаются и начинают разрушать одна другую под существующим давлением.
      4. Сила трения не зависит от скорости скольжения, но во время покоя (вернее: вначале движения) оно заметно больше, чем при движении.
      5. Сила трения заметно уменьшается, если между трущимися поверхностями введен слой жидкости, масла, мыльной воды, сала, дегтя и т. п. В таком случае, при хорошей пригонке поверхностей, действительного соприкосновения твердых тел не происходит, а слой приставшей к ним жидкости скользит по другому такому слою.
      В книгах (справочниках) приводят следующие величины коэффициентов трения по старинным *) опытам французского инженера генерала Морена:
      Дуб по дубу — вдоль волокон, без смазки 0,48
      То же со смазкою сухим мылом 0,16
      Железо по дубу, вдоль волокон, без смазки 0,62
      При смазке, независимо от того, каков материал поверхности — от 0,15, когда смазано слегка,- до 0,05, когда смазка обильная и постоянно возобновляется.
      Нам, жителям северных стран, хорошо известно, что трение по снегу и льду очень мало; однако тщательных опытов над этим случаем никто не делал. В книгах приводят для деревянных полозьев коэффициент 0,035, а для железных только 0,02.
      На простых же дорогах, по земле, песку и камням коэффициент трения большой; поэтому по таким дорогам или совсем без дорог, прямо по полю возят на «волокушах» только народы самой низкой степени культуры. Волокуша — это две длинные жерди, скрепленные кое-как посредине, где подвешивают или кладут груз; задние концы жердей волокутся по земле, а передние привязывают к хомуту лошади, или человек держит за них руками и тащит.
      В. В. Лермонтов.
      «0 том, как машины работают», 1909.
     
      Колеса и телега.
     
      Скользящее трение заменяют «трением катания» **), когда пользуются катками и колесами при передвижении грузов. Без прямого участия скользящего трения обходятся лишь тогда, когда пользуются катками, — напр., при передвижении больших камней на постройках, при вытаскивании судов и в велосипедных втулках.
      *) В середине XIX века.
      **) Трение катания исследовано было Куломбом и впоследствии Мореном. Куломб вывел следующие законы трения катания:
      1. Трение катания пропорционально нормальному давлению.
      2. Оно обратно пропорционально радиусу катящегося цилиндра.
      3. Оно зависит от свойств и материала трущихся поверхностей. (Проф Н. Б. Делоне).
     
      Катками для передвижения грузов служат обыкновенно куски цилиндрического бревна, которые подкладывают в положении, перпендикулярном к направлению передвижения, приподняв один конец придвигаемого предмета при помощи рычагов. Катки заставляют катиться по подложенным доскам, если грунт мягкий, иначе польза будет незначительна.
      Гораздо сложнее действие тележного колеса. Здесь два рода сопротивлений: трение скользящее втулки около оси и сопротивление, которое колесо встречает, катясь по дороге. Только на рельсах железной дороги оно близко подходит к трению катания, — пока колесо катится по сплошному рельсу; но в каждом стыке происходит толчок: нагруженный рельс непременно немного опустится, а так как соединения рельсов всегда допускают хотя ничтожное движение, то следующий рельс окажется немного выше, и колесу надо будет сразу подняться, чтобы перейти на него; от этого и происходит стук при переходе с рельса на рельс, столь заметный для сидящих в вагонах, и увеличение сопротивления движению.
      На мостовой то же самое обстоятельство влияет еще заметнее, особенно когда камни крупны, между ними глубокие выбоины, а диаметры колес не велики. На мягкой дороге — на сыпучем песке или глубокой грязи — колесо углубляется еще больше, толчки уменьшаются, но требуется еще большее усилие, чтобы постоянно вкатывать колеса на гору из выдавленных ими углублений. Когда грязь очень густая, а движение быстрое, присоединяется еще сила на приведение в движение не малого количества этой грязи и преодоление «внутреннего трения» этого полужидкого вещества.
      По каменистой или мощеной дороге толчки от неровностей больше затрудняют лошадь, чем возрастание усилия, необходимое чтобы вкатывать колесо на эти неровности. Живая сила движущейся повозки тратится вследствие толчка, скорость повозки от этого сразу уменьшается, и лошадь, продолжая свое движение по инерции, ощущает от этого быстрое возрастание сопротивления, болезненно отзывающееся на ее органах.
      Влияние толчков, передаваемых повозкой, стараются уменьшить упругою упряжью. В этом отношении русская дуга оказывается очень разумным приспособлением. Хомут опирается на плечи лошади, он привязан к оглоблям, распираемым упругою дугою, при посредстве крепкой ременной «супони», которая стягивает дугу, как тетива лук. Лошадь, делая шаг вперед, сперва натягивает супонь, сгибает несколько дугу, пока усилие, передаваемое оглоблями, не достигнет достаточной величины. Обратно, всякое быстро возрастающее сопротивление движению повозки не передается мгновенно плечам лошади, а смягчается упругостью дуги и упряжи.
      В. В. Лермонтов.
      «0 том, как машины работают», 1909.
     
      Железные дороги.
     
      При всяком катящемся движении колес происходит сопротивление двоякого рода: от трения осей в втулках колес и от трения колес о поверхность дороги. Чем дорога крепче и ровнее, тем трение меньше. В железных дорогах сопротивление об ось равно лишь 1/500 — 1/600 части груза, тогда как о поверхность рельсов вдвое более, т.-е. около 1/300 до 1/250, так что в сложности сопротивление бывает от 1/200 до 1/800 груза. В обыкновенных дорогах сопротивление в сложности равно для повозок 1/30 веса, так, что сопротивление на железных дорогах от 7 до 10 раз меньше, чем на обыкновенных. Это обстоятельство весьма важно с точки зрения полезной работы при передвижении тяжестей.
      Сопротивление плавающих на воде тел от трения о последнюю согласно опыта равно от 1/20 до 1/30 груза. Но для плавающих тел главное сопротивление является еще вследствие того, что приходится преодолевать сопротивление воды от углубления судна в воду. Это сопротивление для судов с плоскими передними концами доходит до 1,1 веса, а потому чрезвычайно важное условие для движения судов, чтобы передний конец был заострен. По наблюдениям из практики найдено, что в хорошо построенных судах вся сумма сопротивлений не может быть меньше 1/15; обыкновенно же это сопротивление бывает около 1/12.
      Хотя из этого сопоставления явствует вся полезность работы при посредстве железных дорог, но если принять во внимание стоимость эксплоатации, ремонта и т. д., то окажется, что самыми дешевыми путями сообщения являются водные пространства, не требующие ни ремонта, ни сторожевой службы, а открытые для всех и во всех направлениях.
      При движении по железным дорогам следует обратить еще внимание на сопротивление воздуха. До тех пор, пока скорость движения поездов не велика, это сопротивление незначительно; так, при движении со скоростью 35 верст в час, сопротивление на одну кв. сажень около 3,5 пуда, между тем при скорости в 60 верст в час сопротивление на 1 кв. сажень равно 10,5 пуда, а при скорости 70 верст сопротивление 15,5 пуда на 1 кв. сажень, т.-е. один и тот же двигатель может везти при скорости от 60 до 70 верст в час от 3 до 4 раз меньше груза, чем при скорости в 35 верст.
      Кроме указанных сопротивлений, существует еще сопротивление от стыков рельс. Хотя это сопротивление незначительно и мало влияет на полезность работы, но эти сопротивления имеют зато большое влияние на долговечность службы платформы и вагонов, так как от них происходят сотрясения, сильно уменьшающие продолжительность этой службы.
      Уменьшение сопротивления движению на железных дорогах имеет следствием то, что вагоны могут при самом незначительном уклоне притти сами собою в движение или могут начать двигаться от одного давления ветра вдоль дороги. В виду этого обстоятельства, у станций, где устраиваются остановки вагонов, необходимо принимать меры, чтобы указанные обстоятельства не имели места. Для этого путь делается безусловно горизонтальным или наклон делается в ту сторону, в которую есть затем препятствие, могущее остановить начавшееся движение.
      Вообще же уклоны на дорогах допускаются до 0,01 длины пути, у нас предел этот уменьшен до 0,008. Уклоны близ станций не более 0,003.
      Вес пассажирского вагона о трех осях — от 500 до 600 пудов, о четырех осях — 700 пудов. Товарный вагон весит около 320 пудов, а платформа — 290 пудов. Наибольший груз, поднимаемый платформой о двух осях, равен 750 пудам. Вес паровоза без тендера 1.800 пудов, если колес 6, и 2.400 пудов, если колес восемь.
      Груз, который в состоянии вести один паровоз о шести колесах при уклонах не более 0,01, доходит до 23.000 пудов, считая в том числе вес вагонов.
      Восьмиколесный паровоз может везти до 45.000 пудов, предполагая скорость в обоих случаях около 14 верст в час.
      Вес пустого вагона или ненагруженной платформы носит название тары.
      Проф. А. А. Полещук.
      «Курс строительного искусства», 1909.
     
      Движение поезда.
     
      Для движения поезда требуется перемещение его центра тяжести, которое может быть достигнуто только внешними силами. Спрашивается, откуда берется внешняя сила, двигающая систему, состоящую из паровоза и поезда? Противникам изобретателя паровоза, Стефенсона, казалось, что паровозу неоткуда взять столь большую внешнюю силу, чтобы преодолеть сопротивление поезда. Посмотрим, как этот вопрос выясняется.
      Действительно, давление пара на поршень [в цилиндре паровоза] есть сила, по отношению к поезду внутренняя, и, как таковая, не может двигать поезд. Но необходимою внешнею силою служит трение ведущих колес паровоза, связанных с поршневым штоком, мотылем и шатуном. Они вращаются силою пара; между их бандажами *) и рельсами возбуждается сила трения.
      *) Бандаж — стальное кольцо, плотно насаживаемое на колеса паровозов и вагонов (другое название — шина). — Сост.
      Колеса стремятся отодвинуть рельсы назад. Но это невозможно, и, напротив того, противодействием рельсов колеса движутся вперед (лев. рис.). Таким образом внешнею силою является трение; оно тем больше, чем тяжелее паровоз.
      Наоборот, трение колес вагонных является сопротивлением, то-есть внешнею силою, действующею в сторону, противоположную движению поезда, как это указано на правом рис. Но движущее трение ведущих колес есть трение скольжения, ббльшее чем сопротивляющееся трение катанья остальных колес поезда.
      Это обстоятельство, что внешнею силою, движущею поезд, является трение ведущих колес паровоза, представлялось вначале настолько несообразным, что когда Стефенсон изобрел паровоз, то многие техники отрицали возможность передвижения поезда *).
      *) Предшественники Стефенсона устраивали зубчатые рельсы и зубчатые же ведущие колеса паровоза. — Сост.
      А между тем и передвижение человека при ходьбе основано на трении.
      Если бы не существовало трения между подошвами ног и полом или землею, по которой человек хочет итти, то он не мог бы ходить. Действительно, ему неоткуда было бы получить внешней силы для передвижения центра тяжести по горизонтальному направлению, какие бы внутренние, мускульные силы он ни развивал. Но по счастью, существует трение. Когда человек выносит вперед правую ногу, то левая стремится подвинуться назад; но этому препятствует трение подошв. Это трение и есть та внешняя сила, которая дает возможность человеку продвигаться вперед.
      Торможение поезда состоит в том, что тормазные колодки сильно прижимаются к бандажам колес, вследствие чего колеса перестают вращаться, и, вместо слабого трения катания, появляется сильное трение скольжения, действующее тоже в сторону, противоположную движению поезда. Оно и останавливает поезд. В настоящее время колодки нажимаются на бандажи колес особыми пневматическими [воздушными] приспособлениями (тормаза Вестингауза и друг.).
      Проф. Н. Б. Делоне.
      «Курс технической механики», 1913.
     
      Значения трения.
     
      Всем нам случалось выходить из дому в гололедицу. И трудность с которой мы удерживались от падения, и уродливые движения, которые мы производили, чтобы удержаться на ногах, дали нам понять, что в обыкновенное время поверхность земли, по которой мы ходим, обладает драгоценным свойством, именно тем, благодаря которому наше передвижение может совершаться без подобных усилий. Та же мысль могла бы возникнуть у нас, если бы мы ехали на велосипеде по покрытой каким-нибудь жиром, скользкой мостовой. И как бы мало мы ни думали о других, но такая же мысль могла бы у нас возникнуть при виде упавшей на наших глазах на асфальтовой мостовой извозчичьей лошади. Мы видели, как при этом какой-то сострадательный дворник подбросил под копыта лошади полную лопатку песку, и, твердо ставя на землю копыта, лошадь поднималась тогда без большого труда.
      Задумываясь по поводу этих наблюдений, мы не преминули бы открыть все, чем мы обязаны такому благодетельному явлению, как трение. Инженеры стараются, насколько возможно, избегать его в машинах, и они, со своей стороны, правы. В прикладной механике трение описывается, как отчаянная мерзость, и тут авторы тоже правы, но только в очень узкой, специальной области. Во всех же прочих местах мы должны благословлять трение, позволяющее нам ходить и помещаться за своим столом, не боясь, что наши книги и письменный прибор упадут на паркет, стол полетит, скользя, в угол комнаты, и даже перо выпадет из наших пальцев.
      Трение настолько постоянное явление, что нам почти никогда не приходится его призывать на помощь: оно само собой является к нам и предлагает свои услуги.
      Трение является тем, что дает предметам устойчивость. Плотник без труда устраивает настолько ровный пол, что столы или стулья остаются там, куда их ставят. Блюда, тарелки и стаканы на столе не вызывают в нас никакого беспокойства во всех случаях, кроме поездок по бурному морю. Но если мы хотим, чтобы деревянный шар держался на выструганной доске, то уже приходится подкладывать под доску клинышки, а для того, чтобы держался на плоском зеркальном стекле стальной шар, приходится стеклу придавать горизонтальное положение при помощи особых винтов. Если шар не скатывается, то мы знаем, что поверхность зеркального стекла лежит почти горизонтально; однако же не совсем горизонтально, так как мы можем чуть-чуть изменить наклон зеркального стекла, и все же шар не покатится. Он остается на месте, если наклон стеклянной плоскости не выходит за пределы некоторого очень маленького угла наклонения, — гораздо меньшего, чем тот, на который можно наклонить стол, не вызывая при этом падения лежащих на нем предметов.
      Из ряда наблюдений, как всегда, мы постараемся вывести заключение. Будем рассуждать так: при опыте мы сделали величину трения чрезвычайно малой; вообразим, что трение может быть совершенно уничтожено; в этом случае два предмета, какой бы то ни было величины, каменная глыба или маленькая песчинка, никогда не удержатся один на другом. Все будет скользить или катиться до тех пор, пока все не установится на одном горизонтальном уровне. Без трения Земля была бы шаром без всяких неровностей и походила бы на шар из жидкости,
      Ш. Гальом.
      «Начатки механики», 1909.
     
      Внутреннее трение.
     
      Силы, очень похожие на силы внешнего трения, проявляются, когда одно тело движется не по другому, а внутри, другого. Если, например, мы тянем бревно, еле торчащее из-под воды, внутри пруда или озера, то нам приходится все время действовать некоторою силою; если же мы прекратим действие этой силы, то движение бревна довольно скоро прекратится. То же самое будет и с подводною лодкою, и с обыкновенною лодкою — с тем различием, что в случае обыкновенной лодки задерживающая сила будет действовать только на ту часть ее поверхности, которая находится в воде.
      Во всех таких случаях движущееся тело движется вместе с непосредственно прилегающими к нему слоями жидкости, увлекая их за собою. Эти слои тащат за собою соседние; эти, в свою очередь, тащат за собою следующие и т. д. Чем дальше отстоит слой от движущегося тела, тем более отстает он от этого тела, тем медленнее он движется, а самые далекие слои остаются почти неподвижными. Всякий же сдой, двигаясь медленнее слоев, более близких к телу, стремится их задержать, действует на них с некоторою задерживающею силою.
      Таким образом, здесь происходит трение, но только не самого движущегося тела о соприкасающееся с ним неподвижное, а трение слоев жидкости между собою. Каждый более быстро двигающийся слой тянет за собой соседний, более медленный, стремясь увеличить его скорость, а каждый более медленный слой действует задерживающе на соседние, более быстро движущиеся.
      Так как эти силы действуют не только на внешней поверхности движущегося тела, но внутри самой жидкости, в которой оно движется, то они называются силами внутреннего трения.
      Преодолевать такие силы приходится бурлакам, тащащим баржи по воде, кашеварам, перемешивающим кашу, рабочим, месящим глину, прачкам, полощущим белье, булочникам, месящим тесто, и вообще всем тем, кому нужно производить движение внутри жидких или полужидких тел.
      Задерживающее действие этих сил внутреннего трения могут постоянно наблюдать те, кому приходится иметь дело с движущимися жидкостями, например, разливающие по бутылкам вино, квас, масло и т. д., водопроводчики, рабочие на нефтяных промыслах. Если бы этих сил не было, то всякая жидкость, например, не вытекала бы более или менее медленно по воронке, задерживаясь в своем движении этими силами, а падала бы вниз по ней, как падает вниз, например, иголка, положенная в воронку.
      С этими же силами имеет дело каждый рабочий, пользующийся какою нибудь машиною, начиная от коловорота и кончая самыми сложными ткацкими и скоропечатными машинами. Если в какой-нибудь машине имеются соприкасающиеся друг с другом движущаяся и неподвижная части, то оказывается, что гораздо выгоднее силы внешнего трения между ними заменить силами внутреннего трения в слое смазочного материала, впущенного между ними. Выгоднее это по той причине, что силы внутреннего трения в таком слое оказываются гораздо меньше сил внешнего трения между сухими поверхностями, и двигать смазанные части гораздо легче, чем не смазанные. Поэтому каждый рабочий старательно смазывает трущиеся друг о друга части машин или следит, чтобы масленки, из которых непрерывно течет туда масло, были наполнены маслом и не засорены.
      Проф. Б. П. Вейнберг.
      «Твердые тела, жидкости и газы», 1908.
     
      Легенды о машинах Архимеда.
     
      Марцелл *) приближался и по суше и морем. На суше войско шло под командою Аппия, а сам Марцелл плыл во главе 60 галер о пяти рядах весел, со всякого рода метательными снарядами и оружием. Восемь судов, соединенных вместе, составляли род обширного помоста, на котором возвышалась стенобитная машина. Так плыл он к городу [Сиракузам], доверяясь громадности и могуществу орудий и своей репутации. Все это, однако, не смутило Архимеда. Что все это значило в сравнении с его машинами?
      *) Римский полководец, осаждавший Сиракузы во время второй Пунической войны (210 г. до Р. X.). Сост.
      Не должно, впрочем, думать, чтобы Архимед сам придавал им большую цену. Для него это были большею частью как бы игрушки геометрии. Он соорудил их, уступая почетным настояниям царя Гиерона. Гиерон убеждал Архимеда перенести на время духовную мощь свою от отвлеченных вещей к телесным и дать толпе возможность ощутить силу его соображений, соединив их с практическими, полезными применениями...
      И вот Архимед однажды пишет царю Гиерону, которого он был родственник и друг, что данною силою можно подвинуть сколь угодно большой груз. Увлеченный жаром и силою доказательств, он, как рассказывают, прибавил, что если бы была другая Земля, то он, перейдя на нее, сдвинул бы с места нашу *).
      *) Знаменитое изречение, обычно приписываемое Архимеду в связи с открытием им законов рычага; чаще оно передается в несколько иной форме: «дайте мне точку опоры, и я подниму землю. Сост.
      Удивленный Гиерон просил Архимеда осуществить задачу на практике и показать ему случай передвижения огромной массы малою силою. Архимед выбрал одну из царских галер; с великим трудом, работою многих рук перевел ее на землю, посадил на нее много народу и погрузил, как обычно. Сам же сел на некотором расстоянии; потом без усилия стал потихоньку двигать конец машины, состоявшей из блоков и веревок, и тянуть галеру, которая пошла не качаясь, как если бы плыла по ровной поверхности моря. Царь, пораженный виденным и оценив могущество науки, пригласил Архимеда построить машины, пригодные для осады, в случае ли нападения или в случае осады...
      В настоящих обстоятельствах приготовления эти пришлись как нельзя более кстати для сиракузян, которые вместе с изготовленными машинами имели и самого их изобретателя.
      При двойной атаке римлян сиракузяне онемели, пораженные ужасом. Что могли они противопоставить таким силам, такой могущественной рати? Архимед пустил в ход свои машины. Сухопутная армия была поражена градом метательных снарядов и громадных камней, бросаемых с великою стремительностью. Ничто не могло противостоять их удару; они все низвергали перед собой и вносили смятение в ряды. Что касается флота, то вдруг с высоты стен опускались бревна и, вследствие своего веса и приданной им скорости, топили суда. То железные когти и клювы захватывали суда, поднимали их в воздух носом вверх, кормою вниз и потом погружали их в воду. А то суда приводились во вращение и, кружась, попадали на подводные камни и утесы у подножия стен. Большая часть находившихся на судах погибали под ударом. Каждую минуту видели какое-нибудь судно поднятым в воздухе над морем. Страшное зрелище!..
      Достигнув стен, римляне воображали себя в безопасности; но они были под ударами. Камни падали на них сверху, стены отовсюду пускали в них копья. Они было удалились, но там летали новые метательные снаряды и поражали отступающих. Много погибло, судна сталкивались между собою, а осаждаемым причинить какой-либо вред нельзя было. Большая часть машин Архимеда была за стенами. Невидимая рука бросала тысячи зол в римлян; они боролись с богами...
      Видя все это, Марцелл отказался от всякого нападения и исход осады решил предоставить времени.
      Таковы были величие души Архимеда, глубина его гения, неисчерпаемость его знания.
      Плутарх *).
      *) Греческий философ и биограф (46—120).
     
      Ходьба человека.
     
      Когда человек идет по ровному месту, не спеша и не думая о своей походке, то ходьба его представляет замечательно правильное периодическое чередование движений обеих ног: все, что проделывает правая нога в течение первой половины периода, делает с теми же скоростями в последующую половину левая. Поэтому для описания ходьбы достаточно описать одновременную деятельность обеих ног в течение одного шага. Для того же, чтобы был понятен смысл каждого отдельного момента этой деятельности, необходимо выяснить себе с самого начала, как перемещается при ходьбе все тело в пространстве, разумея наипростейший случай передвижения по совершенно ровной местности (в горизонтальной плоскости). С этой целью, вместо всего тела, мы будем рассматривать перемещение в пространстве одной его точки, именно — его центра тяжести, который лежит несколько выше тазобедренных суставов в вертикальной плоскости, делящей тело на левую и правую половины (ее называют сагиттальною плоскостью тела).
      Ходьба имела бы наиболее совершенный характер, если бы центр тяжести тела передвигался с равномерной скоростью в прямой, параллельной горизонту. Но этого ни у кого не бывает: центр тяжести описывает при ходьбе зигзаги, уклоняясь то вправо, то влево. В случаях, когда эти передвижения выражены резко, походка получает развалистый характер. Происходят они оттого, что во время ходьбы бывает промежуток времени, когда тело опирается на землю одной только ногой, а другая в это самое время, отделившись от земли, перекачивается, не касаясь пола, сзади наперед. При этом центр тяжести должен, очевидно выходить из сагиттальной плоскости тела и перемещаться в сторону опоры, иначе тело могло бы упасть на сторону отделившейся от земли ноги. Одновременно с зигзагами вправо и влево центр тяжести то повышается, то понижается над горизонтом; и если эти колебания мало заметны, то походку называют плавной; а про людей с резкими колебаниями говорят, что они ходят вприпрыжку. Происходят эти колебания следующим образом (см. приложенную схему):…
      Соответственно описанному ряду явлений, деятельность ног сводится на следующее:
      1. Сообщение центру тяжести толчков вперед.
      2. Перенесение его справа налево и наоборот.
      3. Переведение ноги сзади наперед и
      4. Ставление ее на землю.
      При дальнейшем описании нужно постоянно держать в голове, что раз движение началось, оно продолжается, так сказать, само собою (по инерции) и поддерживается лишь временными слабыми толчками, подобно тому, как временные слабые толчки поддерживают, например, вращение тяжелого колеса, раз оно развертелось.
      Толчки телу сообщает задняя нога во время отслаивания ст земли ее подошвы. Так как при ходьбе (также и при стоянии) нога ставится на землю носком наружу, а отслаивание сопровождается выпрямлением конечности в колене и голенно-стопном суставе, то толчок сообщается центру тяжести по линии, перпендикулярной к продольной оси стопы, т.-е. снизу сзади и снаружи вверх, вперед и внутри. Ясно, что толчок этот не только двигает тело вперед, но и производит перемещение его центра тяжести то справа налево, то наоборот — в сторону ноги, ставшей на землю. Действие толчка вперед выражается незначительными ускорениями непрерывно двигающегося центра тяжести.
      Вслед за отслаиванием подошвы, задняя нога сгибается в колене, тазобедренном и голенно-стопном сочленении, отделяется от пола и перекачивается действием тяжести сзади наперед, как маятник, подвешенный в тазобедренном суставе. Стало быть, перенесение ноги сзади наперед созершается без всякого участия мышц. Но когда перекачнувшаяся нога залетела вперед за центр тяжести тела, она ставится на землю действием мышц; распрямляющих ногу во всех трех сочленениях. Выпрямление это продолжается и во время отслаивания от земли подошвы.
      Вместо того, чтобы описывать теперь, что проделывает в это самое время передняя нога, привожу графическую схему параллельного во времени действия обеих ног (см. нижние чертежи I и II на этой стран.).
      Прямые линии ab обозначают фазу стояния каждой ноги на земле Она слагается из момента ставления ноги на пол и времени отслаивания подошвы. Фазы маятникообразного перекачивания ноги сзади наперед короче фаз стояния и изображены кривыми линиями Ьс. Из схемы непосредственно видно, что при ходьбе в течение каждого шага существует маленький промежуток времени — он соответствует участкам mb и пр, — когда обе ноги стоят на земле. Для задней ноги этот промежуток соответствует концу отслаивания подошвы, а для передней — началу ставления ноги на землю. Чем походка быстрее, тем эти промежутки делаются все короче и, наконец, совсем уничтожаются, когда скорая ходьба переходит в бег — тогда, наоборот, существуют маленькие промежутки времени, в течение которых тело висит в воздухе, не касаясь земли. Происходит это оттого (см. схему), что тогда фазы стояния ноги на земле короче фаз перекачивания ног сзади наперед. Ясно, что при этом участки пр соответствуют времени, когда тело висит в воздухе.
      И. М. Сеченов*).
      *) Проф. И. М. Сеченов — выдающийся русский физиолог (скончался в 1905 г.).
      «Физиологические очерки», 1898.
     
      Давление.
     
      Когда горы покрывает глубокий снег, по ним становится трудно и нередко опасно ходить. На каждом шагу проваливаешься в снег, и, вместо того, чтобы двигать, как на твердой земле, ногою вперед, приходится поднимать ее до поверхности снега, чтобы видеть, как она тотчас же снова утонет в мягком, снежном ковре. Но горные жители прибегают к приспособлению, облегчающему им ходьбу; они привязывают к ногам лыжи, напоминающие по форме отбойник для тенниса, но с почти незаметной рукояткой, и благодаря такому приспособлению, они почти не увязают в снегу. Ходьба тогда перестает быть тяжелой и вызывает лишь обычную усталость.
      Может быть, горные жители изобрели лыжу во всех ее частях, но возможно также, что они додумались до ее устройства, наблюдая животное, особенно хорошо приспособленное к ходьбе по снегу — горную собаку, имеющую широкие лапы; верблюда тоже, как всем известно, природа наделила широкой ступней. В обоих случаях достигается распределение, так сказать, рассеивание силы, в результате доставляющее некоторые выгоды.
      Но можно устроить нечто совершенно обратное: собрать силу на небольшом пространстве и сосредоточить при этом ее действие. С этой только целью и делают в гвозде заостренный конец; и в то время, как на концы рапир надевают рассеивающие силу удара мушки, шпаги заостряют, а ножи оттачивают. Одни предметы лишают способности пронзать, распределяя на некоторую поверхность силу наносимого ими удара; в других же — увеличивают способность пронзать, сосредоточивая силу их действия на небольшом пространстве. Когда хотят скользить по снегу, то надевают лыжи; на льду же, наоборот, надевают коньки с узкими, режущими лезвиями.
      Для изучения постоянно производимого нами распределения сил, следует точно его определить. Мы будем считать величиной, точно определяющей распределение (или, говоря лучше, сосредоточение силы, являющееся ничем иным, как слабым ее распределением), частное от деления величины силы на величину поверхности, на которую распространено ее действие; мы назовем это частное давлением. Усилие, распределенное на малую поверхность, производит сильное давление и наоборот.
      Усилие вообще распределяется совершенно однообразно только в текучих телах — жидкостях или газах, которые, благодаря своей подвижности, могут расходиться из мест с большим давлением и перемещаться до тех пор, пока каждая частица не будет испытывать одинаковое давление со всех сторон. При соприкосновении же твердых тел давление, наоборот, различно в различных местах.
      Мы приобрели понятие о давлении, рассматривая распределение силы по поверхности. Но может быть дана прямо величина силы давления на точку поверхности; об общей его силе заключают тогда, соединяя в единую равнодействующую произведения давления на различные единицы поверхности. Ветер, надувающий парус, своим давлением доставляет силу, и, за исключением случаев, когда ветёр дует слишком сильно, стараются сделать доставляемую ветром силу возможно более значительной; с этой целью увеличивают, насколько позволяет устойчивость корабля, противопоставляемую давлению ветра поверхность парусов. Локомотивы имеют ветрорезы, а велосипедисты-гоночники наклоняются к рулю, чтобы уменьшить силу давления, производимого ла них воздухом.
      Итак, раз сила дана, можно увеличивать или уменьшать давление уменьшая или увеличивая поверхности, к которым приложена сила; если же дано давление, можно увеличить или уменьшить силу, увеличивая или уменьшая величину поверхностей, на которые производится давление.
      Ш. Гальом.
      «Начатки механики», 1908.
     
      Парусное судоходство.
     
      Действие ветра на паруса какого-нибудь судна представляет нам весьма поучительный и полезный пример разложения сил. С помощью параллелограмма сил мы можем объяснить себе, каким образом судно способно двигаться на парусах даже против ветра. Сила есть то, что стремится произвести движение, а движение обнаруживается обыкновенно по направлению силы. Но при действии, производимом ветром на судно через посредство его парусов, мы получаем движение, проявляющееся необходимым образом по направлению ветра и способное даже до известной степени быть противоположным направлению ветра. Такой кажущийся парадокс требует некоторого пояснения.
      Представим себе сначала, что ветер дует по направлению, указанному стрелками на левом чертеже, т.-е. перпендикулярно к направлению, по которому должно следовать судно. В каком направлении следует ставить парус? Ясно, что его нельзя поставить по линии АВ, потому что в таком случае ветер будет только гнать судно в сторону; точно также нельзя поставить парус ребром к ветру, т.-е. по линии OW, потому что тогда ветер будет только скользить по парусу, не производя никакого толкающего действия. Поставим поэтому парус в положение, среднее между двумя указанными выше, т.-е. по направлению PQ. Линия ОW изображает величину силы ветра, напирающего на парус.
      Для простоты представим себе, что дело идет об одном из тех парусов, которые прикрепляются к реям; он простирается, следовательно, по обеим сторонам О. Проведем через О линию OR перпендикулярно к PQ, а из IF опустим перпендикуляры WX к PQ, к WR и к OR. На основании параллелограмма сил, сила OW может быть разложена на две силы ОХ и OR, вследствие того, что они составляют стороны параллелограмма, диагональю которого служит OW, т.-е. сила ветра. Мы можем затем оставить OW без внимания и представлять себе силу ветра замененною двумя силами ОХ и OR; но сила ОХ не способна производить действия, потому что она только скользит по поверхности паруса, а никак не напирает на него: по отношению к этой слагаемой парус стоит ребром, и потому она не производит никакого действия. С другой стороны, парус стоит перпендикулярно к силе OR; следовательно, эта последняя сила оказывается активною составною частью общей силы.
      Сила ветра измеряется, таким образом, линиею OR как относительно величины, так и относительно направления: эта сила представляет собою действительный напор на мачту, производимый парусом, а от мачты сообщающийся и судну. Однако OR все еще не лежит в том направлении, по которому должно итти судно; мы опять должны разложить силу, чтобы найти ее полезное действие Мы достигнем этого, проведя через R линии RL и RM, параллельные ОА и ОIF, причем образуется параллелограмм OMRL. Отсюда, на основании параллелограмма сил, сила OR будет равнодействующею двух сил OL и ОМ.
      Действие силы OL состоит в толкании судна по направлению, перпендикулярному к тому, в котором лежит путь судна. Мы должны поэтому противодействовать по возможности этой силе. Для этой цели судно снабжается всегда килем и имеет вообще такую форму, которая представляет возможно большее сопротивление силе, стремящейся придать судну боковое движение. Чем глубже лежит киль в воде, тем полнее уничтожается действие OL. Тем не менее сила OL производила бы еще некоторое действие, если бы не уничтожалась окончательно с помощью руля, который, поворачивая слегка к ветру нос судна, заставляет это последнее итти в направлении достаточно наветренном для противодействия небольшому влиянию силы OL, напирающей сбоку.
      Таким образом, сила OL уничтожена, и остается одна только сила ОМ, которая толкает судно прямо в требуемом направлении. Мы понимаем теперь, каким образом ветер при содействии сопротивления воды может заставить судно итти в направлении, перпендикулярном тому, в котором он дует. Мы видели, что при этом парус должен ставиться как-нибудь между линией направления ветра и линией направления судна, и можно доказать, что в том случае, когда направление паруса делит угол WOB пополам, величина силы ОМ бывает значительнее, нежели при всяком другом положении паруса.
      На этом же основании можно показать, что судно может двигаться на парусах и против ветра. Конечно, оно не может итти совершенно прямо против ветра, не может двигаться под половиною прямого угла к нему или даже и того менее. Это видно из правого чертежа стр. 68-й.
      Маленькие стрелки указывают и здесь направление ветра. Пусть OW будет линиею, параллельною им и выражающею силу ветра, а парус будет поставлен по линии PQ; OW разлагается на ОХ и ОУ, но ОХ только скользит по парусу, и действительная сила проявляется лишь в ОУ. Эта последняя сила разлагается на OL и ОМ. Сила OL уничтожается, как было пояснено выше, и ОМ оказывается силою, двигающей судно вперед. Таким образом, является сила, двигающая судно вперед, хотя это движение и производится частью против ветра.
      В данном случае можно заметить, что сила OL, стремящаяся заставить дрейфовать судно, превосходит силу ОМ, двигающую судно вперед. Из этого следует, что суда с очень глубоким килем, — и, следовательно способные оказывать весьма большое сопротивление тому, чтобы их не относило в сторону, — могут итти ближе против ветра, нежели суда, построенные иначе. Вообще, судно должно быть построено так, чтобы оно могло двигаться возможно свободнее в направлении своей длины; с этою целью, нос его заостряется и весь корпус приспособляется к тому, чтобы судно могло легко рассекать воду. Все это необходимо для того, чтобы сила ОМ встречала по возможности наименьшее сопротивление. Парус PQ должен делить угол A0W пополам, чтобы действие ветра было наибольшее. Таким образом, имея возможность ходить против ветра, судно может, следуя зигзагами, переправляться из одного порта в другой, хотя бы ветер дул из такого места, куда оно идет, в то место, откуда оно выходит. Этот хорошо известный маневр называется лавированием. Вы можете догадываться, что руль играет более важную роль на парусных судах, нежели на пароходах. В этих последних он требуется лишь для перемены направления хода; между тем на парусном судне руль необходим не только для этого, но и для того, чтобы удерживать судно на принятой линии хода, противодействуя дрейфованию.
      Р. Болл. «Опытная механика»
     
      Аэроплан.
     
      1. Сопротивление воздуха.
      Все, кто ездил на автомобиле, испытывали при большой скорости неприятное давление воздуха на лицо. Для избежания этого ставят стекло, которое отражает этот удар и охраняет лицо пассажиров. Но шофферы хорошо знают, что присутствие стекла перед открытым экипажем заметно уменьшает скорость автомобиля. Факт этот объясняется сопротивлением воздуха. Когда стекла нет, воздух ударяет пассажиров, но легко проходит между ними. Когда помещено стекло, оно испытывает то же сопротивление со стороны воздуха, как и лист бумаги, брошенный плашмя. В результате — уменьшение скорости. Чтобы разобраться ближе в этом, предположим, что стекло держится на экипаже не прочно и мы желаем помешать ему упасть от напора воздуха: нам пришлось бы приложить к его середине по направлению движения, перпендикулярно к поверхности стекла, силу в несколько килограммов.
      Эта сила, уравновешивая сопротивление воздуха, будет равна ему по величине и противоположна по направлению. Мы заключаем, что сопротивление воздуха движению плоскости, расположенной перпендикулярно к направлению движения, выражается силой, перпендикулярной к этой поверхности, но направленной в сторону, противоположную движению; она приложена в середине этой плоскости, в точке, которая называется поэтому «центром давления».
      Наклоним теперь стекло автомобиля таким образом, чтобы верхний его край был направлен вперед. Скорость экипажа увеличивается; сопротивление воздуха уменьшится. Если мы, как раньше, определим точку приложения силы, уравновешивающей давление воздуха, то окажется, что она помещается между серединой стекла и его верхним краем. Чем Дольше мы будем наклонять стекло, приближая его к горизонтальному положению, тем меньше будет сопротивление воздуха, и тем ближе к переднему краю стекла будет точка приложения уравновешивающей его силы.
      Если мы в том же автомобиле увеличим размер стекла, мы заметим уменьшение скорости и увеличение сопротивления воздуха. Предположим» что поверхность стекла удвоена. Измеряя силу, уравновешивающую давление воздуха, найдем, что она удвоилась: И вообще, при увеличении поверхности, подверженной напору воздуха, в известное число раз, сопротивление воздуха увеличивается во столько же раз. Отсюда вывод: сопротивление воздуха пропорционально размеру поверхности (для плоскости, перпендикулярной к направлению движения).
      До сих пор мы предполагали, что все наши плоскости имеют одинаковую постоянную скорость. Теперь предположим, что мы берем автомобиль и, ничего, не изменяя в положении стекла, удваиваем его скорость. Измерив силу сопротивления воздуха, мы найдем в этом случае, что оно возросло в 4 раза.
      Утроим скорость — сопротивление воздуха увеличится в 3X3=9 раз.
      И вообще: сопротивление воздуха изменяется, как квадрат скорости.
      Итак:
      1. Передвижение плоской поверхности в воздухе порождает силу, называемую «сопротивлением воздуха». Эта сила приложена перпендикулярно в середине перемещающейся плоскости и направлена в сторону, противоположную движению (если перемещающаяся плоскость перпендикулярна к направлению движения). Когда плоскость наклонена, центр давления, т.-е. точка приложения силы сопротивления воздуха, находится между серединой и передним краем плоскости; она тем ближе к этому краю, чем острее угол наклона плоскости к направлению движения. Величина силы уменьшается с уменьшением этого угла.
      2. Сопротивление воздуха для двух подобных плоских поверхностей, движущихся в одинаковых условиях, пропорционально их размерам. Для поверхностей различной формы нужно принять во внимание их «размах», т.-е. размер, перпендикулярный к направлению движения; та, «размах* которой больше, испытывает и большее сопротивление.
      3. Сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости передвижения.
      Те же заключения относятся к движению поверхностей изогнутых, встречающих воздух вогнутой стороной.
      Нам остается узнать в килограммах величину силы сопротивления воздуха. По этому поводу было сделано бесчисленное множество изысканий (Ренара, Эйфеля и др.). Изыскания показали, что сила сопротивления воздуха на 1 кв. метр плоскости (наклоненной в 6°) при скорости 1 метра в секунду, выражаясь перпендикуляром к направлению движения, равна 70 граммам.
      Приложим эти данные к вычислению поверхности, нужной аэроплану для полета. Например, вычислим размер поддерживающей поверхности аэроплана, движущегося (под углом в 6») со скоростью 60 километров в час.
      Имеем:…
      Применяя закон квадрата скорости, найдем давление воздуха на 1 кв. метр поверхности:…
      Полагая, что полный вес аэроплана 500 килограммов, вычислим его поддерживающую поверхность:…
      Таким образом, аэроплану, весящему 500 килограммов, при скорости 60 килом, в час, необходимо иметь, в круглых числах., 26 квадр. метров поддерживающей поверхности.
     
      2. Равновесие воздушного змея…
      3. Условия полета аэроплана…
      Отсюда уже весьма просто перейти к аэроплану. Допустим, что ветра нет; тогда запускающий бежит со всею стремительностью, чтобы развить недостающий ветер. Сопротивление воздуха движению создает для змея силу R. Если раньше ветер дул со скоростью 20 километров в час и если теперь запускающий сообщит ту же скорость змею, то сила R будет та же, и аппарат, перемещаясь, будет на той же высоте, что и прежде, при ветре. Чем скорее бежит запускающий, тем значительнее возрастут R и V и тем большей высоты досэигнет змей.
      Аэроплан строится, как этот змей. А скорость, необходимая ему, чтобы держаться в воздухе, доставляется ему двигателем. Винт двигателя, заменяя запускающего, перемещает аэроплан с известной силой, силой «тяги». Следовательно, двигатель составляет необходимый орган аэроплана.
      Перейдем теперь к выяснению принципов аэроплана с большими подробностями. На левом черт, линия АВ изображает аппарат в разрезе. Предположим, что эта плоскость может свободно катиться по совершенно ровной земле, сохраняя свой наклон к горизонту. Обозначим через Т силу тяги винта. Сила сопротивления воздуха направлена, как мы знаем, перпендикулярно к плоскости АВ. Обозначив ее через OR, разложим ее на две другие: OV — вертикальную, и ОН — горизонтальную. В начале движения сила R слаба, как и ее составляющие; но если на, аэроплан е установлен соответственный двигатель, действующий на винт скорость быстро увеличивается, а с ней и вертикальная составляющая V. Наступает момент, когда составляющая V делается больше веса Р аэроплана, и он поднимается, летит (правый рис.). Аппарат, подчиненный усилиям движущего механизма, продолжает подниматься в воздух. Достигнув достаточной высоты, авиатор при помощи «руля глубины» уменьшает угол наклона аэроплана. От этого произойдет изменение силы R.
      Легко видеть, что, действуя рулем глубины, можно дать аппарату силу V, равную его весу Р. Таким образом, аэроплан, не подчиненный уже никакой вертикальной силе, которая влекла бы его вниз или вверх, перемещается горизонтально.
      Увеличение R позволило V уравновесите? вес аппарата. Но вместе с тем увеличилась и горизонтальная составляющая силы R, т.-е. сила Н. Эта сила противоположна силе тяги винта, и, следовательно, часть работы двигателя идет на ее преодоление. Эта сила Н и есть, сопротивление движению аэроплана вперед. Отсюда вывод — для полета в горизонтальном направлении с неизменной скоростью необходимы два условия:
      1. Чтобы вертикальная, составляющая сопротивление воздуха равнялась весу аэроплана.
      2. Чтобы сила тяги винта равнялась сопротивлению движения вперед.
      Сила тяги, необходимая, чтобы обеспечить аэроплану полет, достигается гребным винтом, приводимым в движение двигателем. Как в пароходах, этот винт превращает вращательное движение двигателя в поступательное движение по направлению своей оси.
      Винт работает в воздухе наподобие бесконечного винта или, вернее, пробочника. Когда пробочнику дают вращательное движение, его извивы опираются о пробку, проникая через нее. То же происходит и с двигательным винтом аэроплана: его лопасти при вращательном движении отстраняют воздух, и в то же время их поверхность, как наклонная плоскость, испытывает сопротивление воздуха. Совокупность давления воздуха на обе лопасти винта выражается силою, направленной по его оси вращения. Это и есть та сила, которая нужна, чтобы привести аэроплан в движение. При движении наклонных плоскостей давление воздуха на них зависит от угла наклона к направлению движения. То же и для лопастей гребного винта; их наклон имеет большое влияние на величину усилия, которое они могут дать. — Положение винта на аппарате должно быть выбрано таким образом, чтобы входящий и отбрасываемый им воздух своим трением о другие части аппарата не увеличивал сопротивления движению всей системы. Всего больше нужно избегать образования вихрей за кормой, в сфере действия винта; поэтому необходимо дать соседним частям подходящую форму. Это последнее условие не всегда совместимо с легкостью конструкции.
      Л. Леласе и Р. Марк.
      «Аэроплан для всех». 1909.
     
      Примечание. Современные аэропланы усовершенствованы настолько, что наиболее крупные из них могут поднимать сто и более человек. Мощность двигателей таких аэропланов достигает 12.000 лошадиных сил; они могут совершать перелет из Америки в Европу в течение всего 10 часов. Большие пассажирские аэропланы развивают скорость до 240 километров в час, а самые быстроходные — до 360 килом. Наибольшая высота полета, достигнутая до Настоящего времени аэропланом, — около 12.400 килом. Продолжительность полста без спуска доведена до целых суток. В настоящее время (1922 г.) уже существуют регулярные почтово-пассажирские рейсы между самыми отдаленными точками земного шара. — Сост.
     
     
      III. Свойства жидкостей.
     
      Давление жидкости.
     
      1. Жидкости оказывают давление соразмерно своему-уровню.
      Прикрепим к стене несколько сосудов (см. фиг.): один, имеющий цилиндрическую форму, другой — изогнутый, третий — расширяющийся кверху, четвертый — суживающийся кверху и, наконец, пятый сосуд, состоящий из тонкой трубки, которая заканчивается внизу расширением; основания всех сосудов представляют собою отверстия, имеющие равную площадь. Отверстия затыкаются пробками, и в сосуды наливают воду.
      Количество воды в каждом сосуде различное, но уровень ее во всех сосудах одинаков. Опыт показывает, что во всех сосудах к пробке надо приложить одинаковую силу, чтобы помешать напору воды вытолкнуть пробку; сила эта измеряется весом столба жидкости, заключенного в первом сосуде, — том именно, который на всем своем протяжении имеет одинаковую площадь сечения. Например, если водяной столб весит 100 фунтов *), то точно такую же силу нужно приложить ко всем пробкам, даже и в пятом сосуде, хотя бы вес воды, которую он вмещает, был не больше одной унции.
      *) Стариный французский фунт около 500 граммов.
      Чтобы оправдать это положение точным образом, закроем плотно отверстие пятого сосуда куском дерева в виде поршня насоса и сделаем так, чтобы этот кусок ровно приходился по отверстию, держась в нем, но в то жё время не позволяя воде выходить. Прикрепим к середине такого поршня нить, которую, проводя через узкий сосуд, привесим к плёчу весов, обременив другое плечо грузом в 100 фунтов. Увидим, что этот груз в 100 фунтов останется в равновесии с водою сосуда, весящею одну унцию. Если положим хоть немного менее 100 фунтов, вес воды тотчас опустит поршень и плечо весов, к которому он привязан, и приподнимет плечо, обремененное грузом.
      Если мы заморозим воду в этом сосуде, и лед не пристанет к стенкам сосуда (как это обыкновенно и бывает в действительности), то для уравновешивания льда на другую чашку весов придется положить одну лишь унцию; но приблизим к сосуду огонь и растопим лед, — тогда для равновесия понадобится уже 100 фунтов, хотя вес воды, как мы предположили, не превышает одной унции.
      То же самое происходит, если отверстия, затыкаемые пробкой, находятся не внизу сосуда, а сбоку, или даже в верхней его части, наверху; доказать это нетрудно следующим образом.
      Возьмем закрытый со всех сторон сосуд с двумя отверстиями наверху : одно весьма узкое, а другое — сравнительно широкое; к этим отверстиям надо припаять трубки соответственной ширины; вставим в широкую трубку поршень, а в узкую нальем воды: эта последняя будет выталкивать поршень из широкой трубки кверху, и чтобы помешать этому, на поршень надо положить большой груз. Подобно этому,, в первом примере, когда мы брали сосуды с отверстиями у оснований, нужно было приложить силу в 100 фунтов, чтобы уравновесить давление воды вниз; точно так же, если мы возьмем сосуд, имеющий отверстие с поршнем сбоку, то придется приложить такую же силу, чтобы воспрепятствовать воде выталкивать поршень сбоку. Если трубка, наполненная водой, будет в 100 раз шире или уже, то для равновесия придется положить такой же груз, как и раньше, если только уровень жидкости остается тот же; как бы мало мы ни изменяли величину нагрузки, вода опустится и поднимет вверх уменьшенный груз.
      Если же мы будем наливать в трубку воду до уровня вдвое большего или же если увеличим вдвое отверстие для поршня, то, чтобы уравновесить вдвое более широкий поршень, придется употребить вдвое большую силу. Отсюда видно, что сила, необходимая для того, чтобы помешать жидкости вылиться из отверстия, пропорциональна высоте уровня воды, а не количеству ее, и что во всех случаях сила эта измеряется весом столба воды, имеющего вышину, равную высоте уровня воды, и основание, равное площади отверстия.
     
      II. Почему давление, производимое жидкостью, пропорционально ее высоте?
      Мы видели во всех предыдущих примерах, что малым количеством воды можно уравновесить тяжелый груз; остается объяснить, отчего происходит это умножение силы. Для этого обратимся к следующему опыту.
      Возьмем закрытый со всех сторон сосуд с двумя отверстиями, одно в 100 раз шире другого. Наполним сосуд водой и вставим в отверстия соответственной величины поршни; тогда один человек, давя на малый поршень, может уравновесить силу 100 человек, которые давят на поршень, в 100 раз более широкий, и сила его превосходит, таким образом силу каждого из 100 человек на 99 человеческих сил.
      В каком бы отношении мы ни взяли площади отверстий, если только таково же отношение приложенных сил, то эти последние взаимно уравновешиваются. Таким образом мы видим, что сосуд, наполненный водой, вносит в механику новый принцип и представляет собою своеобразную машину для умножения силы до какой угодно степени: помощью этой машины человек может поднять сколь угодно большой груз.
      Достойно удивления, что и в этой новой машине соблюдается то общее правило, которому подчинены все прочие, уже известные нам машины, каковы рычаг, ворот, бесконечный винт и др.: во сколько раз увеличивается сила, во столько же раз удлиняется путь (ее точки приложения). Действительно, одно отверстие в 100 раз больше другого; очевидно поэтому, что, вдвинув малый поршень на один дюйм, мы подвинем больший лишь на сотую часть дюйма... Так что отношение путей равно отношению сил. Это обстоятельство можно принять за истинную причину рассматриваемого явления: ясно, что одно и то же — заставить 100 фунтов воды подняться на один дюйм, или фунт на 100 дюймов. Таким образом, в рассматриваемом случае один фунт и 100 фунтов воды так между собой связаны, что первый, подвигаясь на 100 дюймов, заставляет 100 фунтов переместиться на один дюйм; один фунт воды заключает в себе силу на то, чтобы подвинуть 100 фунтов воды на один дюйм, и такая же сила заключается в 100 фунтах воды, поднимающих один фунт на 100 дюймов.
      Для большей ясности можно еще прибавить, что вода одинаково сжата под обоими поршнями. Действительно, хотя первый несет на себе в 100 раз больший груз, чем второй, зато он соприкасается с числом частиц, во столько же раз большим, так что каждая частица сжата в одинаковой степени. Таким образом, все частицы находятся в одинаковых условиях, а потому и остаются в покое...
      Итак, мы будем считать истиной следующее положение: если сосуд, полный воды, имеет отверстия, и к этим последним приложены силы, пропорциональные площадям отверстий, то силы эти уравновешивают друг друга: предложение это выясняет основную причину равновесия жидкостей.
      Паскаль *).
      «О равновесии жидкостей», 1663.
      *) Блез Паскаль — гениальный французский математик и философ XVII века (1623—1662). В физике открыл закон передачи давления в жидкостях (закон Паскаля), изложенный им, вместе с учением о давлении жидкостей, в сочинении «Трактат о равновесии жидкостей» (издан после смерти Паскаля). — Сост.
     
      Применения гидравлического пресса.
     
      Устройство гидравлического пресса основано на свойстве жидкости передавать давление во все стороны с одинаковой силой. Изобретение это относится к концу 18-го века (1795 г.) и было сделано Джозефом Брама в Лондоне.
      Вследствие незначительной сжимаемости жидкости, достаточно ввести небольшое ее количество в наполненный уже сосуд, чтобы этим самым быстро произвести весьма высокое давление. Сжимая воду, можно без опасения доводить давление до весьма высокой степени, так как, если бы, не выдержав такого давления, цилиндр или трубка лопнули, то в тот же момент и давление прекратилось бы, — и потому вода взрыва произвести не может. Этим свойством весьма выгодно пользуются при испытании паровых котлов. Если при испытании подвергать котел действию пара, оказывая на него давление больше нормального, и, случись, котел лопнет, то могут произойти большие несчастия; между тем, если испытание ведется, помощью водяного насоса, то из образовавшейся трещины брызнет лишь струйка воды, но разрыва котла не последует.
      Изобретатель гидравлического пресса ввел его применение при прессовке сена, льна, шерсти и т. п., так что вообще им можно пользоваться для замены винтового пресса во всех тех случаях, когда требуется произвести большое давление. За сто лет, протекшие со времени его изобретения, область его применения все расширялась, особенно за последние пятьдесят, так что невозможно даже перечислить все случаи, когда им пользуются.
      Чтобы показать, насколько разнообразны и многочисленны применения гидравлического пресса, опишем еще несколько приборов, где вода является средством для передачи давления.
      Простейшими из таких приборов нужно считать те, где поршень, подверженный давлению воды, сам непосредственно совершает некоторую работу, — например, давит на колеса при торможении поезда или поднимает известный груз. Последний случай применения имеет место при пользовании «лифтами», на которых поднимаются в верхние этажи зданий. В цилиндре гидравлического пресса, настолько глубоко вделанном в землю, насколько следует поднять платформу, ходит длинный поршень, продеваемый через верхний сальник; поршень этот не должен пропускать воды. К верхнему концу поршня прикрепляется платформа, служащая основанием кабины (подъемной камеры), которая движется в деревянном срубе или каменном люке, останавливаясь у площадки каждого этажа. Когда клапан, впускающий воду из водопроводной трубы, открыт, вода подступает под поршень — последний не заполняет сплошь все пространство внутри цилиндра, а, как сказано, может двигаться в сальнике — и оказывает на него давление снизу вверх. В зависимости от производимого на воду давления и от площади поперечного сечения поршня, можно поднимать груз большего или меньшего веса. Пользование машиной до крайности просто: для поднятия груза требуется лишь открыть и своевременно закрыть клапан, впускающий воду; для опускания же груза следует открыть выводной клапан.
      Интересный случай применения гидравлических подъемных машин представляет поднятие памятника на Крейцберге в Берлине. Помощью 12 гидравлических прессов этот памятник был поднят на высоту 8 метров и повернут на четверть прямого угла около оси. Прессы состояли из трех отдельных самостоятельных групп; в каждую входило по четыре пресса, соединенных между собой; регулируя впуск воды в каждую из трех групп, можно было достигнуть того, что памятник во все время подъема сохранял горизонтальное положение.
      Один из мостов в Магдебурге поднимается для пропуска судов в гавань помощью гидравлических подъемных машин: с обоих концов мост опирается на платформы двух поршней гидравлического лифта; когда нужно пропустить суда, оба поршня давлением воды равномерно поднимаются вверх.
      Э. Розенбоом.
      «Силы природы и их применения», 1902.
     
      Закон Архимеда и плавание тел.
     
      Вода давит вверх на тела, к которым прикасается снизу, давит вниз на те, которых касается сверху, давит на бока на те, которых касается с боков. Отсюда легко заключить, что, когда те по погружено в воду, она, касаясь его и сверху, и снизу, и с боков, давит на него сверху, снизу и с боков. И так как высота воды есть мера силы ее давления, то легко видеть, какое из этих действий должно превозмочь. Ясно, во-первых, что вода, имея равную высоту над сторонами тела с его боков, давит на них одинаково, и тело не стремится двигаться ни в ту, ни в другую сторону, как флюгер между двумя одинаковыми ветрами. Но так как вода имеет больше высоты над нижнею стороною тела, чем над верхнею, то ясно, что она гонит тело снизу вверх. И так как разность высот воды есть высота самого тела, то легко понять, что вода гонит тело снизу вверх с силой, равной весу одинакового с телом объема воды.
      Погруженное в жидкость тело, вследствие давления, поддерживается так, как если бы оно было привешено к чашке весов, которых другая чашка нагружена объемом жидкости, равным объему тела. Отсюда следует, что если тело из меди или другого материала более тяжелого, чем вода в том же объеме, то оно падает в воде, ибо вес его превозмогает тот, который стремится его уравновесить. Если тело из дерева или другого тела более легкого, чем вода в том же объеме, то оно поднимается в воде с такою силою, на какую вес воды превышает его вес. Если оно весит столько же, сколько вода, то не опускается и не поднимается, как воск, который остается в воде приблизительно там, где его поместят.
      Отсюда же следует, что бадью колодца легко вытягивать, пока она в воде, но вес ее тотчас дает себя чувствовать, когда она начинает выходить из воды... Два тела, одно из меди, другое из свинца равного веса и, следовательно, не одинакового объема (надо больше меди, чтобы получить тот же вес), остаются в равновесии, будучи положены на чашки весов; но если погрузить весы в воду, то равновесие сейчас же нарушится, ибо каждое тело имеет противовес в равном себе объеме воды, а так как объем меди больше объема свинца, то и противовес ее больше, а потому свинец перетянет. Когда человек погружен в воду, вода давит на него и сверху и снизу, но он весит больше, чем вода, и потому опускается, хотя не так скоро, как падает в воздухе: в воде ему служит противовесом вес равного объема воды, почти одинаковый с весом его тела. Если бы вес этот был совсем одинаков, то человек плавал бы. Ударяя о дно или делая некоторые усилия против воды, он поднимается и плавает... По той же причине человек, погруженный в ванну, без труда поднимает руку, пока она в воде, но, выйдя из воды, чувствует, что она много весит, ибо нет более противовеса от равного ей объема воды, как было, пока она была погружена.
      Вогнутая свинцовая чашка плавает на воде потому, что занимает много места в воде вследствие своей формы; но если бы это был массивный кусок, то он занимал бы в воде только место, равное объему своего вещества, а вес такого объема воды не мог бы его уравновесить.
      Паскаль.
      «О равновесии жидкостей», 1663.
     
      Водоизмещение корабля.
     
      Водоизмещение корабля есть объем вытесненной им воды. Вес этого объема воды равен весу корабля, поэтому обыкновенно водоизмещение выражают в весовых единицах — тоннах (английская тонна 62,03 пуда) а не в объемных. Если водоизмещение корабля равно 10.000 тонн, то это значит, что вес этого корабля со всем на нем находящимся равен 620.300 пудов. Очевидно, что водоизмещение судна при расходе топлива и грузов постоянно изменяется; поэтому различают водоизмещение в полном грузе и водоизмещение при спуске, т.-е. обыкновенно без машины, котлов, брони и пр. Наибольшее водоизмещение из всех судов (построенных до 1914 г.) имел спущенный в 1912 г. германский пароход «Император» — 50.000 тонн В военном флоте наиболее сильные броненосцы («дредноуты») достигают водоизмещения 27.000 — 30.000 тонн. Водоизмещение вычисляется при составлении проекта корабля по его теоретическому чертежу, пользуясь приближенными способами расчета объема тел. Чтобы полученный объем подводной части, — если он вычислен в кубических футах, — перевести в тонны, стоит разделить его на 35, если корабль будет плавать в соленой океанской воде, и на 36 — для пресной воды.
      «Новый Энциклопедии. Словарь».
     
      Упражнения. На чем основан указанный здесь прием перевода объема в тонны? — Длина торгового судна обычно раз в 7 превышает его ширину, а глубина погружения составляет около 1/8 ши рины. Зная это, укажите приблизительно размеры подводной части судна, водоизмещение которого 5000 тонн. — Состав.
     
      Из техники судостроения.
     
      Большинству из нас приходилось, конечно, когда-нибудь видеть в спокойный летний вечер судно, становящееся на якорь в тихую погоду; оно кажется тогда полным воплощением мира и покоя. Но в действительности вне его есть много сил, стремящихся исковеркать и разломать его. И единственная причина, мешающая им сделать это — та, что корабль построен достаточно прочно для того, чтобы им сопротивляться: конструктор изучил и вычислил эти силы и принял против них меры.
     
      Судно в долине волны (верхний рисунок): концы его поднимаются волной, середина остается почти без поддержки — наподобие части моста, подпертого на концах (нижний рисунок).
      Судно на вершине волны (верхний рисунок): оно поддерживается водою посередине и остается почти без опоры на концах, — наподобие части моста, подпертой в середине (нижний рисунок).
     
      Предположим, что мы приготовили модель лодки из какого-нибудь мягкого вещества, — например, резины, и нагрузили ее вперемежку кусками свинца и пробки. Она плавала бы изогнутая и изуродованная, .благодаря различной плавучести разных частей ее, а следовательно, и различному давлению окружающей воды, и благодаря различному весу свинца и пробки; [участки модели, нагруженные свинцом, сидели бы в воде, глубже, выпячивая дно, нежели участки, нагруженные пробкой]. Но если бы наша модель была сделана из твердого материала, напр., из железа она сохранила бы неизменной свою форму. Подобным же образом одни части судна обладают большей плавучестью, чем другие, одни части больше нагружены, чем другие, и не всегда наибольший груз лежит именно там, где имеется наибольшая плавучесть, — так что если бы судно не было достаточно прочно, оно было бы исковеркано совершенно так же, как наша резиновая модель. При помощи очень сложных методов все эти напряжения могут быть вычислены, и судно должно быть построено настолько прочным, чтобы противостоять им. Кроме того, давление воды постоянно стремится приблизить боковые стенки судна друг к другу и вдавить концы его внутрь, по направлению к середине.
      Все эти силы действуют постоянно, даже в тихую погоду. Каково же должно быть состояние судна во время бури? В наихудшем положении судно оказывается в том случае, когда ему приходится выдерживать напряжение от идущих ему навстречу больших волн, отстоящих друг от друга на расстоянии, приблизительно равном длине самого судна. В таких случаях оно то поднимается водой на обоих своих концах, между тем как середина остается почти без поддержки, то, наоборот, поддерживается посередине и остается почти без опоры на концах. В обоих случаях его положение весьма сходно с положением частей моста [см. прилагаемые рисунки, заимствованные составителем из технического журнала].
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники», 1914.
     
      Водяные двигатели.
     
      Сила, с которой вода течет из обыкновенного водопроводного крана, зависит от разности между уровнем крана и уровнем водоема в водопроводной башне. По этой причине в нижнем этаже дома вода идет гораздо быстрее, чем во втором или третьем этаже; в этих верхних этажах разность уровня воды значительно меньше, а потому во столько же раз меньше и давление. Круглым счетом, разности уровня в 10 метров соответствует давление в 1 килограмм на 1 кв. сантиметр *).
      *) Задача: проверить, это указание вычислением веса соответствующего столба воды. — Сост.
      В реке, хотя бы и быстрой, падение воды [т.-е. понижение уровня] обыкновенно бывает постепенным, и потому, чтобы использовать силу течения, необходимо построить плотину: тогда у плотины со стороны] обращенной против течения, уровень воды повысится, и если эту воду провести по трубе или каналу от места с высоким уровнем к низкому, то она будет бежать с силою, зависящею от разности уровня. В этой трубе или канале можно поместить подходящие машины так, чтобы вода устремляющаяся через них, приводила их в движение.
      Пороги на реке представляют собою естественные плотины, и о силе, вызванной разностью уровня, можно судить по бурной стремительности, с какой вода несется сквозь щели шлюзных ворот (если река судоходная). Мельничные плотины встречаются на многих реках, где применяются водяные мельницы старого образца. Мельничный пруд — это расширенная часть реки, образовавшаяся вследствие вызванного плотиной повышения водяного уровня; водовод есть лишь канал, по которому вода от более высокого уровня идет к колесу и падает через него к месту с более низким уровнем по другую сторону плотины.
      В современных установках водяное колесо заменено «водяной турбиной». Вместо того, чтобы вести воду через водовод, который в старых мельницах иногда имеет значительную длину, турбины устраиваются вблизи плотину или в самой плотине, так что вода бежит с более высокой стороны к низкой через туннели или трубы, вращая в своем движении турбины.
      Что касается колес турбины, то они сделаны из чугуна, и в них расположено множество лопаток, которые под напором падающей воды вращаются по тому же принципу, как и крылья ветряной мельницы, толкаемые ветром. Однако, расположение лопаток в турбине сложнее, чем расположение крыльев ветряной мельницы, потому что вода не проходит через турбину прямо: вода сперва входит со всех сторон окружности, направляясь к центру, а затем течет по направлению вниз. Турбины, работающие исключительно движением по направлению внутрь называются радиальными турбинами, так как вода в них течет в направлении радиусов, другими словами, по направлению к центру. В других же турбинах применяется исключительно течение воды по направлению вниз; они называются осевыми турбинами, так как течение воды здесь параллельно оси.
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники», 1914.
     
      Давление на больших глубинах.
     
      Сжимаемость воды.
      В 1661 г. флорентийские академики *), желая испытать, обладает ли вода способностью сжиматься, наполнили водой тонкостенный золотой шар и, запаяв отверстие, подвергли сильному давлению с целью изменить его форму, — зная, что всякое изменение формы шара уменьшает его объем **).
      *) Члены ученой академии во Флоренции — Сост.
      **) Из всех тел с равными поверхностями шар обладает наибольшим объемом. — Сост.
      Они заметили, что вода, стремясь выйти, проникала сквозь поры золотой оболочки, покрыв шар снаружи как бы росой. Подобные же опыты впоследствии были повторены с шарами из других металлов и дали тот же результат. На этом основании жидкости долгое время считались абсолютно несжимаемыми; но более тщательные исследования показали, что в действительности жидкости немного сжимаемы. Некоторые ученые утверждали, что сжимаемость жидкости пропорциональна давлению (до давления в 65 атмосфер), но Тэт и Бюкенен показали, что сжимаемость несколько ослабевает с возрастанием давления. Вода сжимается приблизительно на одну 20.000-ю часть своего объема под давлением в 1 атмосферу. На глубине 4.000 сажен давленисуменьшает объем воды в 10.500 куб. футов на поверхности водоема до 10.000 куб. футов, и Тэт вычислил, что если бы земное притяжение внезапно прекратилось, то поверхность воды в океане поднялась бы на 200 футов*).
     
      Давление на разных глубинах.
      Давление атмосферы на уровне моря можно принять равным 15 фунтам на каждый кв. дюйм. **), что соответствует весу 30-дюймового столба ртути. 34 фута пресной воды или 33 фута соленой равнозначущи 30 дюймам ртутного столба, так что на глубине 33 футов в море давление равно двум атмосферам (включая и действительное «давление атмосферы), на глубине 66 футов — трем атмосферам, 99 футов — 4 атм. и т. д. как показывает прилагаемая таблица ***):…
      *) «Целый ряд континентов вынырнул из воды только благодаря этому сжатию воды вследствие собственного веса, и что континенты эти были бы поглощены вновь Океаном если бы морская вода, потеряв свойство сжиматься, вернулась бы к прежнему объему. И пусть не думают, что этими континентами можно пренебречь: если бы сжатие морской воды внезапно исчезло, океанский уровень поднялся бы на тридцать пять метров, и Океан затопил бы пять миллионов квадратных километров суши, обязанной своим надводным существованием лишь сжимаемости окружающего ее Океана». (А, Берже). — Сост.
      **) Легко рассчитать, что давление 15 английских фунтов (англ. фунт=1,1 русск. ф.) на кв. дюйм соответствует в метрических мерах приблизительно 1 килогр. на 1 кв. сайт. — Сост.
      ***) Задача: составить такую же таблицу в метрических мерах. — Сост.
     
      Действие давления.
      В публике весьма распространено мнение, что вода под сильным давлением приобретает большую плотность, становится густой, как сироп, и что поэтому корабли и люди, тонущие в море, «достигают своего уровня», но не достигают до дна. В свое время меня беспрестанно запрашивали, действительно ли «Титаник» *) достиг дна океана, на глубине трех миль. Во время экспедиции «Челленджера» **), после морских похорон матросы направили депутацию осведомиться, упал ли на дно океана труп, брошенный с тяжелым грузом на ногах, или же он «достиг своего уровня» и будет парить там вечно. Другой вопрос состоял в том, на что похож будет труп, если он действительно достиг дна океана на глубине 4 — 5 миль.
      *) Большой океанский пароход, затонувший в 1912 г. в Атлантическом океане с большим числом пассажиров, — Сост.
      **) Судно, совершившее в 1872 — 76 г.г. кругосветное плавание с научною целью всестороннего изучения океанов. Автор статьи был деятельным участником этой экспедиции. — Сост.
      Однажды живой кролик был спущен на привязи на глубину 500 футов. Вытащенное на поверхность, тело его оказалось мало измененным, кости целы, и только легкие были повреждены давлением. Точно также и человеческое тело на глубине 3.000 сажен мало изменяется в своем наружном виде.
      «Титаник», находясь в настоящее время на дне моря, вероятно также мало изменился в наружном виде: вдавились внутрь только те части его корпуса, куда вода не успела проникнуть достаточно быстро чтобы уравнять давление снаружи и внутри. По мере погружения судна в воду, пробки всех винных и пивных бутылок втискивались внутрь горлышек (однако, не вполне), а все герметически закрытые помещения раздавливались.
      Нет сомнения, что все, тонущее в стакане воды, должно пойти на дно и в самом глубоком океане. Это справедливо также и для всех веществ, сжимаемость которых больше, чем сжимаемость воды. Это доказывается, между прочим, тем, что все дно океана покрыто нежными известковыми и кремневыми остатками организмов, живших прежде близ поверхности воды.
      В марте 1873 г., во время экспедиции «Челленджера», было опущено на глубину 3.875 сажен два термометра: поднятые затем наверх, они оказались раздробленными сильным давлением. Тогда Бюкенен [ученый, участник экспедиции) взял три стеклянные трубки различных размеров, запаял их с обоих концов, завернул в холст и поместил в медный цилиндр, снабженный на обоих концах отверстиями для свободного пропуска воды. Цилиндр был спущен на глубину 2.800 сажен; когда же его вновь извлекли оттуда, то оказалось, что холст наполнен снегообразной массой: это было раздробленное стекло. Две широких стеклянных трубки были раздавлены; третья же, узкая, уцелела.
      Опыт этот был повторен затем с одной запаянной стеклянной трубкой, опущенной в медном цилиндре на глубину 3.000 сажень. Цилиндр, оказался сплющенным, а трубка — превращенной в порошок. Повидимому, стеклянная трубка до известной глубины противостояла оказываемому на нее давлению, но затем, когда давление возросло достаточно, внезапно поддалась; разрушение произошло так быстро, что вода не успела проникнуть в освободившееся пространство и вдавила стенки медного футляра.
      Куски дерева, спускавшиеся с «Челленджера* на большую глубину, после извлечения тонули в сосуде с водой, как кирпичи; все их мельчайшие клеточки оказались раздавленными *).
     
      Явления при ослаблении давления.
      Когда вода подвергается сильному давлению, ее объем несколько уменьшается; при этом возникает теплота, поднимающая температуру жидкости. Наоборот, увеличение объема жидкости при ослаблений давления сопровождается понижением ее температуры. Поэтому если извлечь воду в бутылке с глубины 1000 сажен, то температура ее [вследствие ослабления давления на поверхности воды] понизится.
      Интересные явления, обусловливаемые сильным давлением в глубинах океана, наблюдаются на глубоководных рыбах. Если по какой-либо причине они поднимаются выше того уровня, на котором приспособились жить, то уменьшенное давление вызывает увеличение их плавательного пузыря, и их средний удельный вес уменьшается. До известного предела их мускульные усилия могут бороться с стремлением тела всплыть, но за этой границей они становятся беспомощными и быстро выносятся на поверхность, убитые растяжением своих органов вследствие уменьшения наружного давления.
      Джон Меррей.
      «Океан», 1913 **).
      *) Вещество клеточных стенок дерева плотнее воды, и древесина плавает на воде лишь потому, что клеточные полости заполнены воздухом. — Сост.
      **) Джон Меррей — выдающийся английский ученый, океанограф.
     
      Поверхностное натяжение и капиллярность.
     
      Силы притяжения, существующие между частицами жидкостей, кроме испарения, обнаруживают себя еще в одном явлении, называемом поверхностным натяжением.
      В самом деле, рассмотрим частицы, лежащие на поверхности жидкости. Эти частицы (см. рисунок на след, стр.) испытывают притяжение как со стороны друг друга, так и со стороны непосредственно лежащих под ними частиц. Совершенно очевидно, что общим результатом этих взаимодействий будет стремление поверхностных частиц стянуться и даже втянуться внутрь, вообще стремление к возможному сокращению величины свободной поверхности жидкости.
      Последнее, действительно, и наблюдается: поверхностный слой жидкости является во многом отличным от других слоев ее, он как бы натянут, всегда стремится сократиться до минимума.
      Это приводит к образованию, так называемых, капель, т.-е. принятию небольшими количествами жидкости округлой и даже шарообразной формы. Прследняя выступает особенно резко тогда, когда уничтожается действие на жидкость тяжести, как это бывает, например, в каплях масла, плавающих внутри смеси спирта с водою.
      Образование капель можно также наблюдать при стекании жидкостей с заостренных палочек и при помещении
      Почему поверхностный слой жидкости небольших количеств воды на жирную стремится стянуться. поверхность. В последнем случае капли являются сплюснутыми под действием тяжести (см. рис.).
      Если поместить на жирную поверхность сравнительно большое количество воды, то она расположится в виде довольно толстой лепешки с закругленными краями. Если теперь попытаться разрезать такую каплю жирным ножом, или продавить ее в середине жирной палочкой, то легко заметить, что поверхность жидкости на месте разреза или вдавливания прогнется внутрь, соединится с нижней поверхностью, и наша капля распадается на две меньшие.
      То же явление искривления внутрь поверхности наблюдается и тогда, когда в сравнительно большую массу воды опускать жирную пластинку, например, кусок парафина, также при погружении в ртуть стеклянных и других предметов (рис. на сл. стр.). При этом необходимо, чтобы предметы не смачивались жидкостью, в которую погружаются, играли бы роль только стороннего тела, разрезающего поверхность жидкости.
      Обратное явление наблюдается, когда в жидкость погружаются тела, смачиваемые ею.
      Сложный сам по себе процесс смачивания, представляющий некоторый переход от физических сил к химическим, не играет в данном случае особой роли. Здесь важно лишь то, что жидкость может покрывать смачиваемое тело довольно тонким слоем. Если на смачиваемую поверхность поместить небольшое количество данной жидкости, то последняя не образует капли с закругленными краями, а растекается тонким слоем. Если в жидкость погрузить смачиваемую пластинку, то поверхность последней покроется также тонкой пленкой данной жидкости. Благодаря последней, «свободная» поверхность жидкости образует теперь некоторый угол, который она и будет стремиться округлить своим стягиванием. Это стремление к округлению выразится, очевидно, тем, что жидкость приподымается около погруженной в нее смачиваемой плоскости (см. рис.). Так как стремление жидкости распространиться по смачиваемой поверхности неограниченно, то и поднятие должно было бы быть неограниченно; последнее, однако, должно преодолевать тяжесть подымаемой жидкости и остановится, очевидно, тогда, когда вес приподнятой жидкости уравновесит стремление искривленной поверхности к сокращению. Так как эти две величины не зависят совершенно от природы взятой пластинки, то и высота этого поднятия не зависит от природы взятой пластинки, а только от природы взятой жидкости.
      Совершенно так же объясняется и поднятие жидкостей внутри смачиваемых трубок. В самом деле, смачиваемую трубку можно рассматривать как ряд параллельных пластинок, поставленных близко друг к другу Из последних каждая должна вызывать небольшое поднятие жидкости около своих сторон, причем поверхности жидкостей, образованные этими поднятиями внутри между пластинками, должны пересечься тем более острым углом, чем ближе друг к другу поставлены пластинки. Конечно это острое пересечение не удержится, поверхность, им образованная будет стремиться стянуться, и жидкость между пластинками будет приподниматься, пока своим весом не уравновесит этого стремления к стягиванию.
      Поднятие будет, очевидно, тем выше, чем уже просвет между обеими пластинками. Трубки и вообще пространства с очень узкими просветами называются капиллярными, и поднятие в них жидкостей называется капиллярным поднятием или вообще капиллярностью.
      А. Шукарев.
      «Курс молекулярной физики», 1910.
     
      Капиллярность почвы.
     
      Вода просачивается в почву отчасти вследствие своей тяжести, почему она всегда стекает вниз, а отчасти вследствие, так называемого, «капиллярного притяжения», т.-е. засасывания в узкие канальцы между частичками почвы. Капиллярное притяжение — сила, проявляющаяся только в узких канальцах и трубочках и заставляющая воду входить в эти трубочки и наполнять их даже и в том случае, если воде приходится подниматься, хотя вследствие своего веса вода, конечно, всегда стремится стечь книзу. Чем уже эти канальцы или трубочки, тем на большую высоту вода поднимается в них. В почве узкие промежутки между частичками образуют целую связную сеть тонких канальцев, пересекающихся и переплетающихся между собою; они почти всегда наполнены почвенною водою, просочившеюся после дождя сверху или поднявшеюся снизу.
      Если этих узких канальцев в почве мало, — как это бывает, например, в почвах крупнозернистых, песчаных, — то такая почва мало задерживает в себе или мало «поглощает» дождевой воды, и эта вода почти не наполняется притоком снизу. Напротив того, почвы мелкозернистые, плотные, задерживают в своих канальцах или скважинах, т.-е. «поглощают» много воды, и эта вода, по мере расходования ее растениями, пополняется снизу. Глинистые и черноземные почвы поэтому всегда с поверхности влажнее песчаных. Если верхний слой почвы плотен, т.-е. содержит в себе узкие канальцы, а нижние слои рыхлы, т.-е. содержат много широких канальцев, то верхний слой легко пополняется водою из нижнего слоя; если же, наоборот, нижний слой плотен, а верхний рыхл, то верхний рыхлый слой, высохнув, не принимает влагу из нижнего слоя (так как вода не переходит из узких канальцев в широкие, но лишь из широких — в узкие) и остается поэтому сухим.
      Как известно увлажненные дождем почвы мало-помалу высыхают. Высыхание почв идет двумя путями: во-первых, с поверхности ее сушат солнце и ветры; во-вторых, на больших или меньших глубинах ее сушат корни растений, высасывая из нее влагу; эта влага также испаряемся в воздух.
      Разные почвы различно сохнут с поверхности, — одни быстрее, другие медленнее. Если эта поверхность состоит из крупных комьев, которые обвеваются ветрами и нагреваются солнцем сверху и с боков, то она сохнет быстро. Мелко комковатая поверхность сохнет всего, медленнее и даже медленнее совершенно ровной порошкообразной. Исследуя не одну поверхность почвы, а целый пахотный слой, найдем, что рыхлая почва испаряет влаги вдвое и втрое меньше, чем плотная. Это потому, что в плотной почве, как сказано выше, имеется множество мелких канальцев, по которым вода непрерывно поднимается к поверхности, где непрерывно испаряется; рыхлая же почва содержит больше крупных канальцев, по которым вода не поднимается. Но рыхлая почва довольно быстро «слеживается», т.-е. в ней восстановляются узкие канальцы, и тогда она получает характер плотной почвы. Это уплотнение происходит как под действием просачивающейся сквозь почву воды, которая увлекает с собой мелкие частички и отлагает их в более крупных канальцах, суживая последние, так и вследствие сотрясений всякого рода и, наконец, сжатия почвы развивающимися в ней корнями.
      Поэтому для сохранения в почве влаги разрыхляют по возможности чаще самый верхний слой ее, на глубину 1/2 вершка или даже менее; при этом узкие канальцы, образовавшиеся в этом слое, разрушаются и заменяются более широкими, но могущими всасывать воду снизу. Этот верхний рыхлый слой высыхает, но не может принять воду из более узких канальцев ниже лежащего слоя почвы; поэтому он не проводит ее к поверхности, но предохраняет собою всю остальную толщу почвы от иссушающего действия ветров и солнечных лучей — совершенно подобно тому, как если бы мы покрыли почву рыхлым слоем какого-нибудь порозного материала, напр., песку, древесных опилок, опавшей листвы, соломы и проч., т.-е., так называемым, «мертвым покровом» (в отличие от «живого покрова», т.-е. растущих на почве растений). Если же на рыхлой почве уплотнить верхний слой, напр., прокатав его катком, то действие будет обратное: этот плотный поверхностный слой будет принимать и проводить влагу от нижних, более рыхлых слоев к поверхности, где она испаряется в атмосферу.
      А. Н. Дудинский.
      «Мир земледельца», 1913.
     
      Формы жидкости.
     
      Большинство из вас полагает, вероятно, что они прекрасно знают, что такое жидкость и что — твердое тело. И именно тот, кого никогда не занимали вопросы физики, скажет, что ничего нет легче, как ответить на этот вопрос. Другое дело — физик: он знает, что это один из самых трудных вопросов физики и что провести границу между твердым и жидким вряд ли возможно. Напомню здесь только опыты Треска. Они показали, что твердые тела, подверженные высокому давлению, обнаруживают те же свойства, что и жидкости: они вытекают, напр., в форме струи из отверстия в дне сосуда, в котором находятся. Мнимое различие состояния, различие между «жидким» и «твердым» здесь сводится к простому различию в степени.
      Исходя из сплющенной формы Земли, принято обыкновенно делать тот вывод, что Земля некогда была в жидком состоянии. Но если принять в соображение факты, подобные только что приведенным, то этот вывод нельзя не признать слишком поспешным. Шар в несколько дюймов диаметром, вращаясь, будет сплющиваться, конечно, только тогда, когда он будет очень мягким, например, из свеже приготовленной глины, или даже жидким. Земля же должна быть раздавлена собственной своей огромной тяжестью, если бы она даже состояла из самых твердых камней, и потому не может не обнаруживать некоторых свойств жидкости. Да и горы наши не могут быть выше определенной границы, за пределами которой они не могут не осесть. Возможно, что Земля некогда была жидкой, но из того факта, что она теперь имеет сплющенную форму, это никоим образом не следует.
      Частицы жидкости чрезвычайно подвижны. Как нас учили в школе, она не имеет собственной формы, а принимает форму того сосуда, в котором она находится, приспособляясь до мельчайших деталей к форме сосуда, не обнаруживая даже на свободной поверхности своей ничего, кроме зеркально-гладкого лица своего.
      Жидкость не имеет своей собственной формы? Да, для того, кто бегло ее наблюдает. Но кому случилось заметить, что дождевая капля кругла и никогда не бывает с острыми краями, тот не станет уже столь безусловно верить в этот догмат.
      О всяком человеке, даже наиболее бесхарактерном, мы можем сказать, что он обладал бы характером, если бы в нашем мире все не было бы так трудно. Так и жидкость имела бы собственную свою форму, если бы этому не мешал гнет обстоятельств, если бы она не раздавливалась своей собственной тяжестью.
      Один досужий астроном рассчитал однажды, что на Солнце люди не могли бы жить, даже если бы этому не мешала невыносимая жара: они там были бы раздавлены под тяжестью собственного своего тела, ибо большая масса мирового тела обусловливает и больший вес человеческого тела на нем. На Луне же, где мы были бы гораздо более легкими, мы могли бы одной силой наших мышц делать без труда огромные прыжки, чуть не с башню вышиною. Художественные изваяния из сиропа принадлежат и на Луне к области фантазии; но там сироп так медленно разливается, что можно было бы, если не в серьез, то в шутку устроить сиропную бабу, как мы у нас делаем снежную бабу.
      Но если жидкости у нас на Земле собственной своей формы не имеют, то, может быть, они имеют таковую на Луне или на каком-либо другом мировом теле, еще меньшем и более легком? Чтобы познакомиться с собственной формой жидкости, нам остается только одно: устранить действие тяжести.
      Эта мысль была вполне осуществлена в Генте ученым Плато. Он погружает одну жидкость (масло) в другую равного (удельного) веса, именно в смесь воды с винным спиртом. Согласно закону Архимеда, масло теряет в этой смеси весь свой вес, оно не падает уже вниз под собственной своей тяжестью, — и силы, придающие маслу определенную форму, как бы слабы они ни были, имеют возможность действовать свободно.
      И, действительно, к нашему удивлению, мы замечаем, что масло не разливается по смеси отдельным слоем и не образует бесформенной массы, а принимает форму прекрасного, вполне совершенного шара, свободно парящего в смеси, подобно Луне в мировом пространстве. Так можно получить из масла шар в несколько дюймов диаметром.
      Если в этот маленький шарик внести на проволоке небольшой диск и вращать проволоку между пальцами, то можно привести в движение весь шарик. При этом он немного сплющивается, и можно даже добиться того, чтоб от него отделилось кольцо, подобное кольцу Сатурна. Кольцо это в конце концов разрывается и распадается на несколько небольших шариков, давая приблизительное представление о возникновении нашей планетной системы согласно теории Канта и Лапласа...
      Есть еще и другой простой способ наблюдать фигуры из жидкости. Капелька воды, помещенная на покрытой жиром стеклянной пластинке, если эта капелька достаточно мала, не расплывается, а только несколько сплющивается под действием своего веса, которым она придавливается к пластинке. Сплющивание это тем меньше, чем меньше капля. Далее, чем меньше капля, тем более она приближается к форме шарика. Наоборот, капля, висящая на палочке, под действием своего веса удлиняется. Нижние части капли, прилегающие к пластинке, придавливаются к ней, верхние части придавливаются к нижним, потому что последние не могут переместиться и уступить им место. Если же капля падает свободно, то все части ее движутся с равной скоростью, ни одна не мешает другой, а потому и ни одна не давит на другую. Свободно падающая капля не испытывает, следовательно, действия собственной своей тяжести, она как бы не имеет тяжести — и принимает форму шара.
      Эрнст Мах.
      «Популярно-научные очерки», 1909.
     
      Выведение жирных пятен.
     
      Жирные масла имеют большее поверхностное натяжение, чем терпентин, эфир и бензин. Поэтому если на куске полотна имеется жирное пятно и один из краев пятна смочен одною из этих жидкостей, то со стороны жира будет наибольшее натяжение, и части, состоящие из смеси жира и бензина, будут двигаться от бензина к жиру.
      Если мы хотим вывести жирное пятно и смочим бензином середину пятна, то жир распространится на чистые части полотна. Поэтому жирное пятно следует окружать бензином и затем постепенно гнать бензин к середине пятна; в то же время к полотну нужно приложить какое-либо волокнистое вещество, например, хлопчатую бумагу, так чтобы жир, собравшись в середине пятна, впитался в хлопчатую бумагу, а не оставался в виде шарика на поверхности; иначе, как только бензин испарится, жир опять расплывется по полотну.
      Другой весьма действительный способ вывода жирных пятен основан на том факте, что поверхностное натяжение вещества всегда уменьшается с повышением температуры. Поэтому, если температура в различных частях жирного пятна различна, то жир стремится, двигаться от нагретых мест к холодным. Приложим к одной стороне полотна нагретое железо, а к другой — хлопчатую бумагу; тогда жир перейдет в хлопчатую бумагу. Если на обеих сторонах полотна положить хлопчатую бумагу, то мы найдем, что жир по-преимуществу перейдет на сторону, противоположную нагретому железу *).
      *) «Между горячим и холодным жиром есть разница, которую легко подметить, рассматривая горящую свечу. У самого пламени жир горячее, чем у наружного края свечи. Сила натяжения его поверхностной оболочки меньше, а потому здесь замечается непрерывное движение: горячий жир передвигается пo поверхности от светильни к краям свечи, там он опускается и под поверхностью движется обратно, — что можно видеть по маленьким пылинкам, плавающим в растопленном стеарине. Благодаря этому, свеча сгорает равномерно». (Бойз). — Сост.
      К. Максуэлл. «Теория теплоты, 1883.
     
      Вода в решете.
     
      Весьма убедительным способом я могу показать вам, что на поверхности чистой прозрачной воды имеется особый эластичный слой, подобный упругой перепонке. Вот у меня маленькое ситечко, сделанное из проволочной сетки, достаточно крупной, чтобы через ее отверстие могла проходить обыкновенная булавка. Между прочим, заметим, что в дне ситечка имеется около одиннадцати тысяч таких отверстий. Далее, как вам известно, чистая проволока, смачивается водою, т.-е. вынутая из воды, она оказывается мокрой; но бывают вещества, которые, как например, парафин, не смачиваются водою, вода не прилипает к парафину, в чем вы можете убедиться сами, погрузив парафиновую свечу в воду. В расплавленный на сковородке парафин я опустил эту сетку, чтобы вся она покрылась тонким слоем парафина; но чтобы парафин не залепил отверстий, я хорошенько встряхнул ее, пока парафин еще не застыл. Все отверстия; за исключением одного-двух, остались открытыми, и обыкновенная булавка свободно проходит через них. Наш прибор готов. Так вот, если поверхность воды обладает подобием эластичной перепонки, для разрыва которой необходима сила, ей будет не легко вытечь через эти отверстия; она вообще не будет протекать через них, пока ее не заставят, потому что для перехода на другую сторону воде нужно разорвать свою упругую оболочку в каждом отверстии. Вы понимаете, что это рассуждение правильно только в том случае, если вода не может притти в тесное соприкосновение с проволокой, т.-е. не смачивает ее. Я стану наливать теперь в решето воду, и дабы помешать ей ударяться о дно с большой силой (что заставило бы ее пройти насквозь), я кладу на дно маленький кусочек бумаги и лью воду на бумагу, которая и разбивает струю. Я налил в решето около полустакана воды и мог бы налить еще больше. Я вынимаю бумажку — и ни одна капля не проходит насквозь! Но стоит дать толчок решету, вода пробьется сквозь дно и быстро выльется вся. Может быть, вам вспомнится при этом грустная история о том сказочном герое,
      Который за водой пошел с решетом, Но не долго вода держалась в нем.
      Теперь вы видите, что стоит лишь обработать решето надлежащим образом, то даже и плавание на нем станет уж не таким бессмысленным предприятием, как обыкновенно думают.
      Если теперь вытряхнуть воду из решета, можно будет пустить его плавать по воде, потому что его вес недостаточен для того, чтобы разорвать перепонку, затягивающую все отверстия. Вода не проходит на-скьозь, и решето плавает на воде, хотя, как я уже говорил, в его дне имеется одиннацать тысяч отверстий, каждое такой величины, что через него может пройти обыкновенная булавка. Этот опыт показывает нам, что не так-то просто, даже при желании, сказать настоящую и полную бессмыслицу.
      Ч. Бойз.
      «Мыльные пузыри», 1912.
     
      Отчего утихают волны под влиянием масла.
     
      Помимо своего свойства распространяться по поверхности воды, масло *) производит еще одно удивительное действие: оно препятствует образованию зыби под влиянием ветра.
      *) «Крошечная капелька масла распространяется почти моментально по поверхности воды в большом сосуде. Сила натяжения поверхностной оболочки чистой воды больше, чем вместе взятые силы поверхностного натяжения масла в соприкосновении с воздухом и воды в соприкосновении с маслом. Поэтому-то масло распространяется сразу по поверхности воды, принимая те же цвета, как и мыльные пузыри; затем слой масла делается таким тонким, что и цвета пропадают. — Может быть, и всем знакомый в высшей степени неприятный вкус касторого масла обусловливается его свойством обволакивать все стенки полости рта; вероятно и свойство имбирного вина ослаблять этот неприятный вкус зависит от того что алкоголь вина уменьшает силу поверхностного натяжения слюны во рту, отчего масло уже не проникает во все уголки и складки, а проскальзывает в желательном направлении Разумеется, и пряный вкус вина играет при этом большую роль, но его одного едва ли было бы достаточно, чтобы заглушить неприятный вкус касторового масла» (Бойз). — Сост.
      Когда волна, каких бы она ни была размеров, движется, ее крутая поверхность, находящаяся впереди гребня, сокращается, в то время как задняя поверхность растягивается. На этой увеличивающейся поверхности слой масла оказывается более тонким, и сила поверхностного натяжения воды здесь больше. Напротив, когда поверхность сокращается, слои масла утолщается, и сила натяжения водной оболочки ослабевает. Таким образом, на каждой стороне волны возникают силы, направленные на уничтожение волны. Правда,, они мало ощутительны для больших волн, но влияют тем заметнее, чем меньше волны. Вот почему волнение воды и влияние ветра на водную поверхность так сильно изменяются в присутствии слоя масла. Если кому-либо из вас приходилось жить на яхте, тот мог наблюдать, как удивительно долго сохраняется гладкое пятно в том месте воды, куда вы вылили масло из коробки сардинок.
      Однажды я проделал такой опыт в очень ветреный день в Гайд-Парке. На поверхность воды была вылита ложка оливкового масла. Сейчас же образовалась большая пленка масла в 20 — 30 метров поперечником, причем ясно можно было видеть, что слой масла препятствовал образованию зыби. Так как гладкая пленка была в тысячу раз больше в ширину и в тысячу раз больше в длину, чем ложка, то толщина слоя масла на поверхности воды должна была приблизительно составлять 1/1.000.000 часть толщины слоя масла в ложке, или около двух миллионных миллиметра. Таким образом, действие масла на взволнованную поверхность пруда вполне очевидно.
      Я не сомневаюсь, что стоит лишь купающимся по утрам посмотреть в ветреный день по направлению ветра на воду, и они увидят, что их тело производит такое же действие, как и масло. По той же самой причине и след от парохода так долго виден на воде в форме гладкой ленты.
      Ч. Бойз.
      «Мыльные пузыри». 1912.
     
     
      IV. Свойства газов.
     
      Давление атмосферы.
     
      Прежде чем физика стала наукой опытной, т.-е. до эпохи Галилея,, думали, что никакая часть пространства не может быть свободна от материи и выражали эту невозможность, говоря, что «природа боится пустоты». Так, видя, как вода поднимается в насосе при подъеме поршня, говорили, что поршень, поднимаясь, стремится образовать в трубе под собою пустоту, но природа, испытывающая страх перед пустотой, побуждает воду подниматься, чтобы заполнить ее. Никто не задавался вопросом, как может природа, т.-е. совокупность явлений, олицетворяться до степени живого существа, подверженного чувствам. В ту эпоху сомнение еще не было изобретено.
      Однажды флорентийские колодезники, построив очень длинный насос с намерением поднять воду на более значительную высоту, чем делалось обычно, заметили, что вода поднялась в насосе на высоту 32 футов (старинных), но решительно не хотела подняться выше, сколько ни продолжали качать. Удивленные этим обстоятельством, они пошли посоветоваться к Галилею, который сказал, подсмеиваясь над ними, что повидимому природа боится пустоты только до высоты 32 футов. Философ уже усматривал, что это явление, как и подобные ему, было простым механическим следствием весомости воздуха. Но, вероятно, он не установил еще своих идей о столь новом тогда предмете и предпочел спасовать перед колодезниками, чем рискнуть сообщить свой секрет. Он и умер, не сделав его известным *).
      *) Это не вполне точно: объяснение Галилея изложено в его сочинении «Собеседование о двух новых науках», но оно не связано с весомостью воздуха. — Сост.
      Вполне выяснил это лишь его ученик Торричелли посредством удивительного и остроумного опыта. Он наполнил ртутью стеклянную трубку, длиною в 3 фута, закрытую с одного конца; затем, заткнув другой конец пальцем, он перевернул трубку и погрузил ее этим концом в открытый сосуд с ртутью; тогда, удалив палец, он перестал поддерживать ртутный столб, заключенный в трубке. Тотчас же можно было видеть, как ртуть в трубке падает, оставляя в верхней ее части пустоту, — но опускание скоро прекращается, и после нескольких колебаний ртутный столбик останавливается в равновесии, имея в длину в метрических мерах 0,76 метра.
      После этого стало очевидно, что если в насосах природа боится пустоты только до высоты 32 футов, ее страх перед пустотой в трубках с ртутью не превосходит высоты 0,76 метра. Подобное заключение настолько смехотворно, что заставляет усомниться в великой аксиоме: «поп datur vacuum in rerum natura» (в природе нет пустоты).
     
      * * *
     
      Давление воздуха, как и давление в жидкости, направлено не только сверху вниз: оно распространяется по всем направлениям, давя на поверхность тел, с которыми воздух приходит в соприкосновение. Так, плавающий корабль поддерживается давлением окружающей воды снизу вверх и с боков. Следовательно, каждое находящееся в воздухе тело испытывает с его стороны давление в каждой точке своей поверхности, давление, равное весу водяного столба в 32 фута или ртутного высотою 0,76 метра. Вычислено, что тело человека среднего роста испытывает давление около 16 тысяч килограммов (1000 пудов).
      Этот подсчет может показаться невероятным: казалось бы, столь значительное давление должно заметно стеснять наши движения, даже совершенно их не допускать; но научные выводы нельзя отбрасывать лишь потому, что они поражают нас своей неожиданностью; их необходимо обсудить, не спеша, вникнув в них поглубже.
      Рассмотрим другое, сходное явление, еще более удивительное: в морях водятся рыбы, которых вылавливают из глубины двух-трех тысяч футов. Эти рыбы выносят, следовательно, давление столба воды высотой в 2—3 тысячи футов, т.-е. вес в 80 раз больший, чем вес атмосферного столба, — однако, они не раздавливаются этим тяжелым грузом. Они живы, и движутся с большой легкостью. Все это перестанет казаться чудом, если вспомним, что внутренние полости рыб, о которых мы говорим, наполнены и ткани их пропитаны жидкостями, которые в силу своей непроницаемости противостоят давлению внешней воды. Ткани животных под действием этого громадного давления страдают поэтому не больше, чем тонкая скорлупа, опущенная на ту же глубину. Легкость же движения объясняется тем, что тело рыбы испытывает одинаковое давление со всех сторон, — сверху вниз и снизу вверх, слева направо и справа налево; будучи равными, эти давления уравновешивают, уничтожают друг друга, — рыба движется, как и близ поверхности воды.
      Точно так же и полости нашего тела, даже кости наполнены либо жидкостями, которые, благодаря своей несжимаемости, способны выдержать любое давление, либо же воздухом, давление которого уравновешивает наружное, — и вы не ощущаете гнета атмосферного давления. Наши движения ничем не стеснены, так как каждая точка нашего тела испытывает равные давления со всех сторон. Мы были бы раздавлены, если бы внезапно исчез внутренний воздух; мы погибли бы и в том случае, если бы внезапно были перенесены в пустоту, освободившись таким образом от наружного давления. В последнем случае воздух, находящийся внутри нас, расширяясь, раздул бы наше тело. Такая участь постигает рыб, внезапно извлеченных из большой глубины (впрочем, иногда даже из глубины в 20 — 30 метров) на поверхность воды. У большинства рыб имеется пузырь, наполненный не атмосферным воздухом, а газами, вырабатываемыми особыми процессами в их организме. Пока рыба остается на своей обычной глубине, газы эти имеют упругость, равную давлению воды на данной глубине. Если же рыбу внезапно извлечь на поверхность воды, газы эти, избыток которых не может быть столь же быстро удален (вследствие узости выводного канала или полного его отсутствия), раздувают плавательный пузырь, разрывают его и, продолжая расширяться, заполняют все части тела, выворачивают желудок, выбрасывают его иногда через рот, обусловливая мгновенную смерть. Убитую таким образом рыбу можно оставить на поверхности воды, и она не погрузится вновь в воду, так как ее будут поддерживать раздутые внутренности.
      Био *).
      *) Био — знаменитый французский физик и астроном (1774 — 1862).
      «Опытная и математическая физика», 1816.
      _________
     
      Окружающая нашу планету атмосфера производит известное давление, которое обнаруживается как на поверхности земли, так и повсюду в самом воздушном океане, и сила которого, в каждом данном месте, зависит от высоты его положения над морем. Сильнее всего воздушное давление сказывается там, где атмосфера достигает наибольшей толщины, т.-е. на уровне моря; затем, по мере поднятия над уровнем моря, давление довольно быстро уменьшается, сводясь в конце-концов на нет — там, где атмосфера прекращается. Абсолютная величина давления, производимого воздухом на уровне моря, равняется давлению столба воды в 10 метров или столба ртути в 760 миллиметров высоты. Уже на высоте 1000 метров давление атмосферы равняется лишь 670 миллиметрам ртути, на высоте 3.000 метров — 522 миллиметрам, на высоте 5.400 метров оно не превышает 1/2, а на высоте 11.000 метров — 1/4 так называемого «нормального» давления, т.-е. того, которое существует на уровне моря.
      Воздух давит и на тело человека, и простой расчет показывает, как велико это давление на уровне моря или на любой высоте над морем: если нормальное атмосферное давление на уровне моря, выраженное в миллиметрах ртутного столба, т.-е. 760 миллиметров умножить на удельный вес ртути (13,50), то мы узнаем, что на уровне моря давление атмосферы на 1 квадр. метр поверхности равняется 10.328 килограммам (626 пуд.); если затем поверхность тела взрослого человека принять равной 1,63 кв. метр., то окажется, что, при атмосферном давлении в 760 миллиметров ртути, воздух давит на среднего человека силой 16.835 килограммов (1.020 пуд.). На первый взгляд кажется странным, что мы, несмотря на огромную величину этого давления, нисколько не чувствуем тяжести лежащего над нами воздушного столба, и что тела наше под этим страшным прессом не сдавливается. Но дело в том, что все полости нашего тела (например, грудная, брюшная), стенки которых, казалось бы, должны поддаваться давлению воздуха, находятся в непосредственном или косвенном сообщении с ним (легкие, кишечник), вследствие чего внутри этих полостей существует то же самое давление, которое действует на них снаружи; что же касается крови и других жидкостей, наполняющих сосуды и пропитывающих ткани нашего организма, то они, как известно, не уступают давлению — по крайней мере в тех пределах, в которых способна его оказывать атмосфера.
      При этих условиях могло бы казаться, что давление воздуха и его колебания должны быть безразличны для человека. И действительно, мы видим, что человек может жить, и притом быть совершенно здоровым, при весьма различном давлении атмосферы, т.-е. как на берегу моря, при давлении в 760 миллиметров, так и на высоких горах и плоскогориях, где давление атмосферы не превышает 470 — 450 миллиметр, ртути: население г. Мексико, лежащего на высоте 2.300 метров над уровнем моря, живет при атмосферном давлении в 570 миллиметр, ртути; для г. Квито, на высоте 2.900 метр., давление определяется в 522 , миллиметр., для г. Потози, на высоте 4.160 метров — лишь в 451 миллиметр; в Перу и Боливии большинство населенных мест находится выше 3.000 метр., над океаном; в Кордильерах пролегает железная дорога, высшая точка которой лежит на высоте 4.760 метр., равняющейся приблизительно высоте Монблана; на таких же высотах встречается человеческое жилье и в Центральной Азии, в Гималайских горах; в Тибете есть населенные места на высоте 5.000 метров, при атмосферном давлении, не превышающем 407 миллиметров. По словам Гумбольдта и других путешественников, обитатели высоких плоскогорий в Андах и на Гималае пользуются отличным здоровьем; но есть указание и на то, что жизнь на высотах в 4.000 — 5.000 метров делает человека слабым и мало пригодным к физическому или умственному труду. Во всяком случае надо предполагать, что человек может привыкнуть к жизни на таких высотах лишь путем продолжительного приспособления, и что ее переносит без дурных последствий лишь тот, кто с малолетства живет при этих условиях, или же тот, кто, постепенно переводя из менее высоких мест в более возвышенные, приноравливается к тем изменениям в отправлениях организма,, которые по необходимости вызываются непривычными качествами воздуха на подобных местах.
      Что касается тех колебаний атмосферного давления, которые в одном и том же месте происходят в течение года, или же тех изменений барометрического стояния, которые иногда совершаются в пределах одних и тех же суток, то они вообще весьма незначительны: первые редко превышают 40 миллиметров ртути, вторые не достигают более 10 — 15 миллиметров. Весьма вероятно, что непосредственного влияния на человеческий организм эти небольшие колебания атмосферного давления не обнаруживают; но косвенным путем они могут иметь значение для общественного здоровья уже на том основании, что климат и погода в значительной степени зависят от распределения атмосферного давления на земной поверхности, обусловливающего направление и силу преобладающих на том или другом месте или случайно дующих ветров.
      Ф. Ф. Эрисман.
      «Гигиенические беседы», 1896.
     
      Опыт Торричелли.
      Из письма Торричелли к своему другу. 1Ь44 г. *).
     
      ... Многие утверждают, что пустоты вообще не существует; другие же говорят, что получение ее достижимо лишь преодолением сопротивления природы и при том с большим трудом. Я полагаю, что во всех случаях, когда при получении пустоты явно обнаруживается противодействие, нет надобности приписывать пустоте то, это, очевидно, обусловлено совсем иной причиной. Говорю так потому, что некоторые ученые, видя невозможность отрицать факт противодействия, проявляющегося, вследствие тяжести воздуха, при образовании пустоты, не приписывают этого сопротивления давлению воздуха, а упорно утверждают, что сама природа препятствует образованию пустоты. Мы живем на дне воздушного океана, и опыты с несомненностью доказывают, что воздух имеет вес.
      ... Нами было изготовлено **) много стеклянных пузырьков с трубкой длиною в 2 локтя; мы наполняли их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем трубки опрокидывали в чашку с ртутью, они опоражнивались, но лишь отчасти: каждая трубка оставалась наполненной ртутью до высоты локтя и одного пальца.
      *) Эванджелиста Торричелли (1608 — 1648), ученик Галилея, гениальный итальянский физик и астроном.
      **) Опыты производились Торричелли совместно с другим физиком, также учеником Галилея — Вивиани.
      Желая доказать, что пузырек [в верхней части трубки] совершенно пуст, подставленную чашку доливали водой, и тогда, при постепенном поднимании трубки, можно было видеть, что как только ее отверстие оказывалось в воде, из трубки выливалась ртуть, и весь пузырек, до самого верху, стремительно наполнялся водой. Итак, пузырек пуст, ртуть же держится в трубке. До сих пор принимали, что сила, удерживающая ртуть от естественного стремления опускаться, находится внутри верхней части трубки — в виде пустоты или весьма разреженной материи. Я же утверждаю, что причина лежит вне сосуда: на поверхность жидкости в чашке давит воздушный столб высотою 50X3.000 шагов *) — неудивительно, что жидкость входит внутрь стеклянной трубки (к которой она не имеет ни влечения, ни отталкивания) и поднимается до тех пор, пока не уравновесится внешним воздухом. Вода же поднимается в подобной, но гораздо более длинной трубке во столько раз выше, во сколько раз ртуть тяжелее воды...
      Торричелли.
      Примечание. Трубка Торричелли является первым барометром, — хотя название это (означающее буквально: измеритель тяжести) им еще не употреблялось, а придумано позднее английским физиком Бойлем. В русский язык слово барометр введено Ломоносовым, — как и целый ряд других общеупотребительных физических терминов: термометр, манометр, атмосфера, воздушный насос, материя, кристаллизация, оптика, — Сост.
     
      Опыты Паскаля с барометром.
      Паскаль окончательно опроверг древнее учение о том, что природа боится пустоты, доказав на опыте, в дополнение к опыту Торричелли, что высота подъема жидкости изменяется в зависимости от изменения атмосферного давления. Опыты, предложенные Паскалем, были по его просьбе выполнены (в 1648 г.) его родственником Перье и описаны в письмах, которыми они обменялись.
      Письмо Паскаля к Перье {1647 г.).
     
      Как вам известно, все философы признавали несомненным, что природа боится пустого пространства. В статье о пустоте я старался опровергнуть это мнение и надеюсь, что те данные опыта, которые я приводил для этого, достаточно ясно показывают, что природа допускает сколько угодно большие пустые пространства, что и наблюдается в действительности. Теперь я занят подысканием фактов, которыми можно было бы доказать, что те явления, которые объясняются теперь боязнью пустоты, могут быть согласованы с моим взглядом, т.-е. объясняются тяжестью и давлением воздуха. Я придумал опыт, который, если его точно выполнить, один может дать решение этого вопроса. Опыт состоит в том, чтобы получить пустое пространство известным уже образом **) и затем исследовать, изменяется ли оно по величине, если несколько раз в сутки в одной и той же трубке и с тою же ртутью производить наблюдения на вершине горы, высота которой не меньше 500—600 туазов ***), и у ее подошвы.
      *) Торричелли считал высоту атмосферы равной 50 старинным милям. — Сост.
      **) Т.-е. помощью изобретенного Торричелли прибора, — Сост.
      ***) Туаз, или старинная французская сажень = 6 франц, футам или 1,95 метра.
      Вы, конечно, поймете, что приведение в исполнение этого опыта решает вопрос. Если у подошвы горы ртуть в трубке будет стоять выше, чем на вершине, то из этого неизбежно следует вывод, что на высоту ртутного столбика исключительно и всецело влияет только давление воздуха, а никак не боязнь пустоты. Очевидно, что у подножия горы давление воздуха должно быть больше, чем на вершине, так как нет никакого основания предполагать, что в ниже лежащих местах природа испытывает больший страх пустоты, чем в более высоких.
      Производство этого опыта сопряжено в настоящее время с некоторыми затруднениями. Для этой цели надо выбрать достаточно высокую гору, находящуюся недалеко от какого-нибудь города. Кроме того, там должно находиться лицо, могущее с достаточной точностью произвести наблюдение. Так как очень трудно подыскать вне Парижа подобное лицо, с другой же стороны, не легче найти и подходящее для опыта место, то я считаю особенным счастьем, что в вас нашел это соединение благоприятных условий, так как наш город Клермон лежит у подножия горы Пюи-де-Дом, высота которой равна 974 м. Я надеюсь, что вы будете так любезны и не откажетесь лично произвести этот опыт.
     
      Ответ Перье Паскалю (1648 г.).
      Наконец, я произвел опыт, которым вы так давно интересуетесь. Сообщаю вам полный и подробный отчет о его результатах.
      В последнюю субботу, 19-го сентября, погода была очень переменчива. Так как в пять часов утра можно было ожидать, что день будет ясный, — были видны вершины горы Пюи-де-Дом, — то я решил подняться на гору, чтобы там произвести опыт. Я сообщил об этом некоторым уважаемым жителям Клермона, которые просили меня, чтобы я уведомил их, когда именно я приведу в исполнение свое намерение.
      Прежде всего я налил в сосуд 16 фунтов ртути; затем я взял две стеклянные трубки одинакового диаметра, четырех футов длины, открытые с одного конца и герметически закрытые с другого. Опустив их в один и тот же сосуд, я приготовил в них по известному способу пустое пространство. Затем я поставил обе трубки рядом, не вынимая их из ртути, причем оказалось, что ртуть, оставшаяся в трубках, была на одном уровне, и высота столбов ее, считая от уровня ртути в сосуде, равнялась 26 дюймам 3,5 линиям *).
      *) Старинный французский дюйм = 27 миллиметрам.
      Я повторил этот опыт еще два раза в том же месте, с теми же трубками, ртутью и сосудом. Каждый раз оказывалось, что высота ртути одинакова в обеих трубках и равна высоте, полученной при первом опыте.
      Затем я оставил одну из трубок в сосуде в том же положении, в каком она была во время опыта; я отметил на стекле высоту ртутного столбика и попросил его преподобие отца Шастена тщательно и непрерывно следить за высотой ртути в продолжение всего дня и отмечать каждое ее изменение. С другой трубкой и частью той же самой ртути я отправился в сопровождении многих лиц на вершину Пюи-де-Дом и произвел там тот же опыт на высоте 500 туазов. Оказалось, что здесь ртуть в трубке поднимается только до 23 дюймов 2 линий, в то время как в Клермоне она в той же трубке стояла на высоте 26 дюймов 3,5 линий; так что разница высоты подъема ртути в обоих случаях измеряется 3 дюймами и 1,5 линиями. Это изумило и поразило нас до такой степени, что мы еще пять раз, — чтобы убедиться в верности наблюдения. — очень тщательно повторяли опыт в различных местах вершины: и под крышей выстроенной здесь маленькой капеллы и под открытым небом, на ветру и в закрытом месте, в ясную погоду и во время дождя. Каждый раз получался тот же результат: ртуть оставалась на высоте 28 дюймов 2 линий.
      Возвратившись в Клермон, я нашел прибор в том же виде, в каком он был оставлен: ртуть, как и при моем отправлении, стояла на высоте 26 дюймов 3,5 линий.
      Я повторил опыт с трубкой, которую я употреблял на Пюи-де-Дом, и в том сосуде, в котором еще находилась первая трубка. В результате оказалось, что высота ртути в обеих трубках одинакова, именно равняется 26 дюймам 3,5 линиям, как это наблюдалось утром в одной из трубок и в продолжение всего дня в той, которая оставалась на месте.
      На другой день мне предложили повторить тот же опыт внизу и на вершине самой высокой клермонской колокольни, чтобы отметить различие при таких условиях опыта. Чтобы удовлетворить любознательности лиц, предлагавших повторение опыта, я в тот же день произвел его в доме, находящемся около башни, и нашел, что здесь высота ртути равна почти 26 дюймам 3 линиям; затем я повторил его на вершине башни, на 20 туазов выше уровня земли; там высота ртути достигала 26 дюймов 1 линии, т.-е. была на 2 линии меньше.
     
      Общий вес атмосферы.
     
      Из опытов мы знаем, что воздух, находящийся на уровне моря, весит столько же, сколько весит слой воды толщиною в 31 фут 2 дюйма [33,22 русских фута]. Так как в высоких местах воздух весит меньше и при том неодинаково в разных точках Земли, то невозможно определить в точности, какой именно груз висит над всяким местом на свете. Мы можем, однако, взять груз предполагаемый, но весьма близкий к истине. Можно представить себе, что все места на Земле равномерно обременены тяжестью воздуха; так слабое давление в одном месте восполняется более Сильным в другом. Тогда все места окажутся под таким давлением, как будто над ними находится слой воды толщиной в 31 фут [33 русских фута]; при таком допущении ошибка в толщине водяного слоя, без сомнения, не превысит полуфута.
      Мы видим, следовательно, что если бы вся атсмофера была сжата я придавлена к земле какою-нибудь силою, действующей сверху, так чтобы воздух занимал возможно меньше места, уплотнившись до степени воды, то слой его был бы толщиной в 31 фут. Мы можем также смотреть на всю массу воздуха, как на произошедшую из такого плотного слоя путем крайнего разрежения и расширения без изменения его веса. А так как нет ничего легче, как вычислить, сколько фунтов весила бы вода, облегающая Землю слоем толщиною в 31 фут, — что может сделать всякий ребенок, — то этим путем можно определить, сколько весит весь воздух на свете, ибо это одно и то же. Если же сделать это, то всякий» найдет, что воздух весит около восьми миллионов миллионов миллионов фунтов [старинных французских].
      Мне захотелось доставить себе это удовольствие, и я произвел такой расчет следующим образом. Умножая диаметр Земли на окружность ее большого круга, мы находим, что ее поверхность равна 16.495.200 квадратных лье, т. е. 3.711.420.000.000.000 квадр. франц, футов. А так как кубический фут воды весит 72 фунта *), то водяная призма с основанием в 1 кв. фут и высотою 31 фут весит 2.232 фунта. Следовательно, если бы Земля была покрыта водою до высоты 31 фута, то в этом слое оказалось бы столько таких 31-футовых призм, сколько на всей поверхности Земли насчитывается квадратных футов. Поэтому масса всей такой воды весила бы
      8.283.889.440.000.000.000 [т. е. около 8 1/8 триллионов франц, фунтов].
      Паскаль.
      «Сколько весит вся масса воздуха, существующая на свете».
      Упражнения. Выполните подобное же вычисление, принимая радиус Земли 6.400 километр., а давление воздуха — 1,03 килогр. на кв. сантиметр. (Отв. Около 5 триллионов килограммов). — Принимая среднюю плотность земного шара 5,56, вычислите, какую долю массы нашей планеты составляет атмосфера. (Отв. Около одной миллионной). — Весу какого объема железа равен вес земной атмосферы? (Отв. Около 600.000 куб. килом.).
     
      Высота атмосферы.
     
      Земля окружена воздушной оболочкой, состав которой, по отношению к главным частям (кислороду, азоту и аргону) остается замечательно постоянным, вне зависимости, конечно, от случайных местных влияний *).
      *) Старинный французский фунт = 1,08 русск. фунта.
      **) Это относится только к нижнему слою воздуха, толщиною в 10 — 15 килом., в котором воздух перемешивается благодаря течениям. Выше состав воздуха иной; так, на высоте 100 килом, атмосфера состоит на 2/3 из водорода. — Сост.
      По всей вероятности, эта воздушная оболочка, в которой давление и температура с высотой убывают, мало-по-малу переходит в разреженную междупланетную среду. Мы можем говорить лишь о высоте тех слоев, которые играют еще некоторую роль в физической жизни нашей планеты. В этой воздушной оболочке на высоте 2 — 3 километров находится нижний ярус облаков, а на высоте 4 — 7 килом. — средний; на высоте 9 и более километров несутся верхние перистые облака; на высоте 50 километров плавала пыль, изверженная в 1883 г. вулканом Кракатау и произведшая памятное многим явление красной зари; на высоте 66 — 70 км. находятся настолько еще плотные слои воздуха, что они в состоянии рассеивать лучи и производить явление сумерек; на высоте 80 — 85 км. парят таинственные серебристые облака, обратившие на себя в последние годы внимание ученого мира; на высоте 200 — 250 и даже 300 км. может происходить еще загорание метеоритов; кольцо полярных сияний наблюдается на высоте 400 км. *) — До высоты 5,5 км. находится уже половина всей массы атмосферы; выше 10 км. остается только менее одной трети массы, а на высоте 100 км. упругость воздуха может уравновесить столб ртути высотою в 0,001 мм.
      А. В. Клоссовский.
      «Физическая жизнь нашей планеты» 1908.
      *) Наблюдения над полярными сияниями заставляют предполагать, что еще на высоте 500 килом, имеется крайне разреженная атмосфера. — Сост.
     
      Первые опыты с воздушным насосом.
     
      Воздушный насос был изобретен в середине XVII века бургомистром города Магдебурга Отто фон-Герике (1602 — 1686) и позднее усовершенствован английским физиком Робертом Бойлем (1627 — 1691), придавшим насосу современный вид. Мы приводим здесь описание первых опытов Герике с воздушным насосом из его обширного сочинения «Магдебургские опыты над безвоздушным пространством».
     
      1. Первый опыт, образования пустоты: выкачиванием воды.
      В то время, когда я размышлял над вопросом неизмеримости пространства, мне пришел на мысль следующий опыт.
      Если мы наполним водою винную или пивную бочку, все щели которой заделаны настолько тщательно, чтобы в нее не мог проникать внешний воздух, затем вставим в дно металлическую трубку, через которую можно выпускать воду, то эта последняя в силу своей тяжести будет вытекать и оставит в бочке пустое пространство, в котором не может быть и никакого другого вещества.
      Для того, чтобы проверить на опыте свои соображения, я заказал себе медный насос, какой употребляется при пожарах, т.-е. с поршнем и цилиндром, очень тщательно пригнанными (так, чтобы воздух не мог проникать внутрь насоса и выходить из него мимо поршня). Далее насос был снабжен двумя кожаными клапанами, из которых внутренний должен был впускать воду, а наружный — содействовать ее. выливанию.
      Укрепив в дне бочки посредством четырех железных обручей свой насос, я попытался выкачать воду из бочки. Однако при этом обручи и железные винты, которыми насос прикреплялся к бочке, отрывались прежде, чем поршень успевал втянуть воду.
      Впрочем, труд мой не оказался бесполезным. После того, как насос прикрепили большими винтами, было, наконец, достигнуто то, что трое сильных работников, качавших насосом, могли добыть воду через отверстие, прикрытое клапаном. Тогда внутри бочки послышался шум, какой бывает при кипении воды, и он продолжался до тех пор, пока пространство, оставшееся после удаления воды, не было заполнено воздухом.
      Этот недостаток надо» было устранить каким-нибудь способом; ч достиг этого, взяв бочку меньших размеров и поместив ее внутри первой. После того, пропустив трубу более длинного насоса через дно обеих бочек, я велел наполнить водой меньшую бочку, законопатить ее
      Первый опыт Отто фон-Герике над образованием пустоты: выкачивание воды, плотно закупоренной в бочке. (Рисунок из его книги «Магдебургские опыты над безвоздушным пространством).
      отверстие и затем, наполнив водой и большую бочку, вновь начал работу. Теперь вода выкачивалась из маленькой бочки и несомненно оставляла в ней после себя пустое пространство.
      Но при наступлении ночи, когда дневной шум прекратился, можно было слышать внутри бочки прерывающийся время от времени звук, имевший сходство с птичьим щебетаньем. Это продолжалось почти трое суток.
      Когда же затем отверстие маленькой бочки было открыто, то большая часть ее оказалась наполненной воздухом и водой; однако, несомненно, что известная часть ее была совершенно пуста, так как в то время, как ее открывали, туда ворвалось некоторое количество воздуха.
      Все были изумлены тем, что вода могла снаружи попасть в столь прочно законопаченную бочку. Повторив несколько раз этот опыт, я пришел к убеждению, что, вследствие сильного давления, вода проникает в меньшую бочку через дерево; туда проникает постоянно и некоторое количество воздуха.
     
      2. Второй опыт образования пустоты: выкачиванием воздуха.
      Когда как самый опыт, так и простое рассматривание дерева убедили меня в его скважности, я счел более целесообразным употребить для своей цели шаровидный медный сосуд, вместимостью от 60 до 70 магдебургских мер *), снабженный сверху латунным краном. Приспособив к нижней части этого шара насос, я приступил к выкачиванию воздуха, как прежде выкачивал воду.
      *) Магдебургская мера — около 0,9 литра.
      Сначала поршень двигался свободно, но вскоре работать им становилось все труднее и труднее, так что двое сильных работников едва были в состоянии выдвигать его. В то время, как они еще продолжали
      Второй опыт Отто фон-Герике над образованием пустоты: выкачивание воздуха из медного шара.
      работать и полагали, что весь воздух выкачан, металлический сосуд внезапно и к общему испугу, был с сильным треском так сплющен, как платок, смятый в руке, или как если бы сосуд этот был с размаху брошен с самой высокой башни. Этот случай я объяснил тем, что, может быть, по небрежности мастера, приготовлявшего сосуд, ему не была придана достаточно шаровидная форма. Поэтому оказалась необходимость приготовить сосуд совершенно правильной шаровидной формы-; из него воздух в начале выкачивался легко, а под конец с большим усилием.
      Таким образом, при повторении опыта было получено пустое пространство.
      После того, как кран сосуда был открыт, воздух стал наполнять медный шар с такою силою, что, казалось, мог увлечь за собой стоявших тут людей. Если в это время приближали лицо к шару, то захватывало дыхание. Мало того: даже руку нельзя было держать близко от крана, иначе ее могло с силою втянуть.
     
      3. Опыт, доказывающий, что давление воздуха соединяет два полушария так прочно, что их нельзя разнять усилиями 16 лошадей.
      Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургских локтя *). Но в действительности диаметр их заключал всего 67/100, так как мастера по обыкновению не могли изготовить в точности то, что требовалось. Оба полушария вполне отвечали одно другому. К одному полушарию был приделан кран; помощью его можно удалить воздух изнутри и препятствовать проникновению воздуха снаружи. Кроме того, к полушариям прикреплены были 4 кольца, через которые продевались канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел также сшить кожаное кольцо и напитать его смесью воска в скипидаре; зажатое между полушариями, оно не пропускало в них воздух. В кран вставлена была трубка воздушного насоса и был удален воздух внутри шара. Тогда обнаружилось, с какою силою оба полушария придавливались друг к другу через кожаное кольцо. Давление наружного воздуха сдавливало их так крепко, что 16 лошадей совсем не могли их разнять или достигали этого лишь с трудом. Когда же полушария, уступая напряжению всей силы лошадей, разъединялись, то раздавался грохот, как от ружейного выстрела.
      Но стоило поворотом крана открыть свободный доступ воздуху, и оба полушария не трудно было разнять руками.
      Сила, с которой полушария прижимались друг к другу, выражается весом воздушного цилиндра, поперечник которого 67/100 локтя, и равна 2.686 фунтам; это значит, что тяжесть воздуха давит на каждое полушарие с тою. же силою, с какой давит 2.686 фунтов **).
      *) Магдебургский локоть — 55 сантиметров.
      **) Упражнение. Сделайте подобное вычисление в килограммах, принимая диаметр полушарий (поперечник цилиндрического столба) равным O7/100 магдеб. локтя (локоть 55 сайт.) а давление атмосферы на кв. сайт. — 1,03 килогр.; внутреннее давление примите равным одной десятой атмосферы (насосы Герике были весьма несовершенны). — Сост.
      Каждое полушарие прижимается к другому с этою силою. Таким образом, 8 лошадей с каждой стороны должны были уравновесить своей тягой такую силу, т.-е. тянуть груз в 2.686 фунтов. Восемь лошадей, правда, могли бы без особого труда сдвинуть телегу, нагруженную 2.686 фунтами, но здесь работа тяги труднее, так как она направлена непосредственно против веса воздушного столба *).
      *) Когда лошади тянут повозку, они преодолевают только силу трения колес о дорогу и об оси, - силу, составляющую лишь небольшую долю веса груза. В данном же случае работа лошадей равносильна работе поднятия полного груза.
      Из этого опыта следует, далее, что если оба приложенных полушария подвесить и к нижнему подвязать груз в 2.686 фунтов, то оно будет этим весом оторвано от верхнего полушария. Вес этот несколько зависит, однако, и от состояния воздуха, так как давление воздуха бывает порою сильнее, порою слабее. В этом грузе, для данного основания цилиндра как бы воплощен весь вес неба [т.-е. воздушного столба до границ атмосферы]. Кто желает узнать вес всего воздуха на Земле, тот должен сначала определить поверхность Земли в квадратных милях. Затем, переведя в квадратные локти, можно уже найти искомый вес.
     
      4. Сходный опыт, при котором полушария, неразделимые силами 24 лошадей, разъединены были дуновением воздуха.
      Упомянутые выше полушария, вследствие неоднократных ударов о землю при их разъединении, когда лошади выпрягались, повредились и утратили свою шарообразную форму. Я заказал поэтому мастеру два больших размеров полушария, диаметром в целый локоть. Но и в этом случае размер не был соблюден: диаметр оказался равным лишь 95 сотым локтя. Величина их была выбрана такой, чтобы -в пустом состоянии их не могли разъединить 24 лошади. Воздушный цилиндр с таким основанием должен весить 5.399 фунтов **).
      **) Задача: сделать этот расчет в килограммах. — Сост.
      В опыте предыдущей главы разъединение грузов в 2.686 фунтов потребовало силы 16 лошадей. Спрашивается, какая сила нужна, чтобы преодолеть груз в 5.400 фунтов. Расчет по правилу пропорций дает ответ, что нужны 34 лошади. А так как впрягалось только 24 лошади, то можно было с уверенностью предвидеть, что полушария не будут разняты. Они и остались соединенными, и воздух внутрь не проник. Но открыв кран, можно было впустить воздух, и тогда полушария сами распались.
      Мы можем, следовательно, действительно сказать, что разъединение полушарий, недостижимое силою 24 лошадей (а при еще больших полушариях — даже силою 100 лошадей), может выполнить всего лишь один человек простым «дуновением воздуха».
     
      5. Другой опыт, показывающий, что полушария могут быть разняты также и грузом.
      Чтобы упомянутые ранее меньшие полушария не оставались без употребления (я не всегда располагал для моих опытов нужным числом лошадей), я приказал на дворе моего дома, у угла садовой ограды врыть прочный отвесный столб, вверху устроить поперечную балку, к которой прикрепить крепкий железный крюк. На этот крюк я помощью железного кольца повесил оба полушария. К нижнему полушарию на четырех цепях, продетых через кольца, подвешена была квадратная доска, похожая на чашку весов городской важни. На нее накладывалось столько гирь, сколько требовалось для разъединения полушарий.
      Опыты Отто фон-Герике над образованием пустоты: развитие пустых полушарий действием тяжелого груза. (Рисунок из сочинения Герике).
      Выше было определено, что воздух давит на каждое полушарие с силою 2.686 фунтов. Следовательно, оба полушария должны быть разъединены, если на чашку будет положен груз в 2.686 фунтов. Это разъединение и последовало с глухим звуком.
      Отто фон-Герике.
      «Магдебургскне опыты над безвоздушным пространством», 1672.
     
      Законы газов.
     
      Характеристическое свойство газов состоит в их способности к безграничному расширению. Когда давление уменьшается, то объем газа увеличивается; но это увеличение происходит так, что прежде, чем давление уменьшится до нуля, объем газа будет больше объема всякого сосуда, в котором мы могли бы его поместить. Без этого свойства вещество не может называться газом. Настоящие газы следуют с большею или меньшею точностью некоторым законам, которые обыкновенно называются «законами газов».
      Первый из этих законов выражает зависимость между давлением и плотностью газа при постоянной температуре; выражается он обыкновенно следующим образом: объем всякой части газа обратно пропорционален давлению.
      Этот закон был открыт Робертом Бойлем и опубликован им в 1662 году в прибавлении к сочинению «Новые опыты физико-механические и др., относящиеся к упругости воздуха».
      Мариотт в 1676 году изложил и доказал этот закон в своем сочинении «О природе воздуха». Поэтому на материке *) закон этот известен, как закон Мариотта.
      Закон этот можно изложить еще следующим образом:
      Давление газа пропорционально его плотности.
      Профессор Ранкин предложил еще иное изложение того же закона, которое, по моему мнению, очень хорошо выясняет его.
      Если мы введем один гран воздуха в закрытый пустой сосуд, то воздух, как мы знаем, произведет некоторое давление на каждый квадратный дюйм поверхности сосуда. Если ввести теперь в сосуд второй гран воздуха, то этот второй гран произведет на стенки такое давление, как если бы он находился в сосуде один: таким образом давление удвоится. Поэтому мы можем утверждать, что: каждая часть совершенного **) газа производит на стенки сосуда такое же давление, как и в том случае, если бы других частей газа не было.
      *) На материке Европы, в отличие от островов Великобритании, где жил автор этого отрывка. — Сост.
      **) Совершенным (или идеальным) наз. газ, строго подчиняющийся закону Бойля-Мариотта. — Сост.
      Дальтон распространил этот закон на смеси газов различного рода.
      Мы уже видели, что несколько отдельных частей одного и того же газа, введенных вместе в сосуд, производят на каждую часть стенок сосуда давление, равное сумме давлений, производимых отдельными частями газа, если бы они вводились в сосуд порознь.
      Закон Дальтона утверждает, что то же самое справедливо и для частей различных газов, введенных в один и тот же сосуд, т.-е. давление смеси газов равно сумме давлений, производимых отдельными газами, если бы они вводились в тот же сосуд порознь при той же самой температуре.
      Тот же закон Дальтона иногда выражают так, как будто бы части различных газов относятся друг к другу иначе, чем части одного и того же газа, а именно: различные газы, помещенные в один и тот же сосуд, действуют так, как действовал бы каждый из них, находясь в пустоте.
      Это выражение, надлежащим образом понятое, правильно; но при таком способе выражаться можно подумать, что в случае одного газа получился бы другой результат, хотя между обоими случаями в действительности нет разницы.
      Ни один из существующих газов не подчиняется строго закону Бойля-Мариотта. Ему следуют довольно близко те газы, которые трудно сгущаются в жидкость; другие газы тем ближе следуют закону Бойля-Мариотта, чем выше их температуры над точкой сгущения.
      Второй закон был открыт Шарлем; он называется обыкновенно законом Гей-Люсака и выражается следующим образом:
      При постоянном давлении и при изменении температуры газа от точки замерзания (воды) до точки кипения объем всякого газа увеличивается всегда на одну и ту же часть.
      Тщательными опытами Реньо и др. было найдено, что при одном и том же давлении и при нагревании от 0°Ц. до 100°Ц. объем воздуха расширяется от 1 до 1,3665. Поэтому 30 куб. сантиметров воздуха при 0°Ц. при нагревании до 100°Ц. расширяются приблизительно до 41 кубич. сантиметра.
      Закон равенства расширения газов, который первоначально был установлен для расширения от 0°Ц. до 100°Ц., оказался справедливым для всех температур, при которых он был до сих пор исследован.
      Отсюда видно, что газы отличаются от других состояний вещества, во-первых, своею безграничною способностью к расширению, вследствие чего они наполняют всякий сосуд, как бы он ни был велик; во-вторых, большим влиянием теплоты на их расширение, и в-третьих, однообразием и простотой законов, которым подчинены эти изменения. В твердом или жидком состоянии данное изменение давления или температуры производит различные изменения объема в различных телах. Но если мы возьмем равные объемы каких-нибудь двух газов, измеренных при одной и той же температуре и том же давлении, то оба объема будут оставаться равными один другому, если мы приведем газы к другой температуре и другому давлению; и это справедливо даже тогда, когда оба газа различаются между собой по своей химической природе и плотности, лишь бы, оба они находились в совершенно газообразном состоянии.
      Это только одно из многих замечательных свойств, указывающих, что газообразное состояние обладает наименее сложными физическими свойствами.
      К. Максуэлл *).
      «Теория теплоты», 1883.
      *) Джемс Клерк Максуэлл — знаменитый английский ученый, один из величайших физиков XIX века (1831 — 1879).
     
      Закон Мариотта.
     
      Дети и мало образованные люди лишь с трудом убеждаются в факте существования воздуха. Так как его прозрачность обусловливает его невидимость, то невежественные люди легко приходят к заключению, что тот сосуд, в котором не налита вода или не находится какое-либо другое видимое тело, не содержит вообще ничего.
      Еще больше затруднений вызывает утверждение, что воздух обладает весом, и требуется много размышлений и опытов, чтобы убедиться в этом.
      Самым убедительным доказательством весомости воздуха служит тот факт, который приходится наблюдать на поразительном явлении, происходящем в запаянной с одного конца трубке, длиною в 3 — 4 фута, наполненной ртутью. Этот опыт [Торричелли] достаточно известен. Такую трубку с ртутью затыкают у открытого конца пальцем и затем, опрокинув ее, погружают этим концом в чашку с ртутью же. При отнятии пальца ртуть не вполне выходит из трубки, а останавливается на высоте около 271/2 дюймов [старинных французских]. Такую трубку, наполненную ртутью, называют барометром, потому что ею пользуются для измерения давления воздуха.
      Если желают доказать, что самый этот столб, а также и изменения, наблюдаемые в его высоте, зависят от величины давления, производимого воздухом на поверхность ртути в открытом сосуде, то стоит только погрузить барометр [вместе с чашкой] на достаточную глубину в чистую воду. Тогда можно будет заметить, что при погружении прибора на глубину в ЗЪз фута, ртуть в трубке поднимается на 3 дюйма выше, нежели она стояла до погружения барометра в воду, а водяной столб в 14 дюймов высотой вызовет поднятие ртути только на 1 дюйм. Очевидно, это зависит от того, что удельный вес ртути в 14 раз больше удельного веса воды, как нетрудно доказать посредством весов. Давление водяного столба вышиною в Зх/а фута уравновешивается давлением ртутного столба вышиною в 3 дюйма: вот почему ртуть и поднимается на такую высоту. Так как, кроме того, дальнейшие опыты показывают, что ртутный столб барометра повышается в тех местах, которые лежат ниже, на местах же возвышенных понижается сравнительно со своею среднею высотою, то из этого нетрудно вывести следствие, совершенно подобное тому, которое только что сделано относительно воды. А именно: когда ртутный столб имеет высоту 28 дюймов, то можно заключить, что он весит столько же, сколько весит воздушный столб, Имеющий основание, равное основанию ртутного столба, а высоту — от поверхности ртути в чашечке до границы атмосферы.
      Второе свойство воздуха состоит в том, что он может быть чрезвычайно сжат и расширен и, кроме того, всегда производит давление, благодаря которому отталкивает или стремится оттолкнуть тела, которые его замыкают. Большая часть других упругих сил с течением времени ослабевает, но никогда не удается заметить чего-либо подобного относительно воздуха. Мне сообщали с разных сторон, что воздушные ружья, остававшиеся заряженными в продолжение более целого года, производили то же действие, как если бы были только что заряжены.
      Так как нижние слои воздуха сдавлены тяжестью всей атмосферы, то они должны быть гораздо плотнее, нежели верхние. Это различие в плотности воздуха можно себе легко представить, вообразив целую кучу губок, лежащих одна на другой. Ясно, что те из них, которые лежат на самом верху, обладают расширенностью, свойственной им от природы; лежащие непосредственно под ними уже менее расширены; наконец, самые нижние будут очень сжаты и уплотнены.
      Первый возникающий при этом вопрос состоит в том, уплотняется ли воздух вполне соответственно давлению, под которым он находится, или же это увеличение плотности подчиняется каким-нибудь другим законам. Чтобы определить, имеет ли тут место первый случай, я рассуждал следующим образом. Принимая, что воздух, как показывает опыт, тем плотнее, чем больше груз, на него нажимающий, необходимо заключить, что если бы вся масса воздуха была легче, то нижний слой его занимал бы бдльший объем; если бы, наоборот, атмосфера обладала бдльшим весом, то воздух вблизи земной поверхности был бы еще плотнее, чем в настоящую минуту. Следовательно, плотность, которую имеет воздух вблизи земной поверхности, находится в определенном отношении к весу высших слоев воздуха, производящих на нижние слои свое давление, и эти нижние слои, благодаря своему стремлению расшириться, точно уравновешивают общее давление, производимое лежащими над ними слоями.
      Если поэтому заключить в барометр ртуть и воздух и произвести опыт Торричелли, то ртуть в трубке не сохранит своей высоты. Ибо воздух, заключенный в трубку до начала опыта, уравновешивает, благодаря своей упругости, давление всей атмосферы, т.-е. давление воздушного столба, диаметром равного диаметру трубки, а высотою — высоте от поверхности ртути в чашке и до границ атмосферы. Так как при этом ртуть не встречает уже противодействия, которое бы уравновешивало ее, то она начнет опускаться. Однако, это опускание не пойдет до конца. В самом деле, по мере того, как ртуть падает, воздух, находящийся внутри трубки, расширяется. Вследствие этого его упругость уже не может уравновешивать давления внешней атмосферы; поэтому часть ртути останется в трубке, и при том высота ртутного столба будет зависеть от плотности заключенного в трубке воздуха. Этой плотности соответствует упругость, равная «только части атмосферного давления. Ртуть, остающаяся в трубке, уничтожает остальную часть воздушного давления, так что восстанавливается равновесие между давлением всего воздушного столба с одной стороны и давлением ртутного столба плюс упругость заключенного в трубке воздуха — с другой. Если, стало быть, воздух сгущается соответственно тому давлению, под которым он находится, то в опыте, где ртуть заняла бы высоту 14 дюймов, воздух, заключенный в трубке, должен занять объем вдвое больший, нежели до опыта, — предполагая, конечно, что в это время барометр, лишенный воздуха (т.-е. с Торричеллиевой пустотой), показывает высоту ртутного столба 27,5 дюймов.
      Чтобы решить, действительно ли такое рассуждение правильно, я произвел опыт. Я пользовался трубкою, имевшею длину 40 дюймов; в нее я налил 27,5 дюймов ртути, так что остальные 12,5. дюймов были заняты воздухом. Когда я затем догрузил эту трубку (опрокинув ее) в чашку с ртутью так, чтобы конец трубки был погружен в сосуд на глубину одного дюйма, то оказалось, что ртутный столб занял 14 дюймов, а остальные 25 дюймов были наполнены воздухом, занявшим двойной против прежнего объем. Я, следовательно, не обманулся в своих ожиданиях: когда трубка была опрокинута и погружена в сосуд со ртутью, то ртуть в ней начала опускаться и после нескольких колебаний установилась на высоте 14 дюймов. Заключенный в трубке воздух, занимавший теперь 25 дюймов, увеличился, стало быть, в своем объеме в два раза, так как перед опытом он простирался лишь на 12,5 дюймов.
      Я произвел еще и второй опыт, в котором я поместил в трубке над ртутью 24 дюйма воздуха. При этом ртуть опустилась и заняла лишь 7 дюймов совершенно соответственно ожиданию. В самом деле, так как 7 дюймов уравновешивают 1/4 атмосферного давления, то остальные 3/4 приходятся на долю упругости заключенного в трубке воздуха. Поэтому воздух должен занять 32 дюйма, ибо это число относится к первоначальной длине в 24 дюйма так же, как давление атмосферного воздуха относится к 3/4 этого давления [32:24=; 1:3/4].
      Кроме того, я произвел еще несколько подобных же опытов, при чем я впускал в трубку большее или меньшее количество воздуха или же брал различные трубки. И я каждый раз находил, что объем воздуха после опыта относится к объему, занятому им первоначально, точно так же, как атмосферное давление относилось к разности между этим давлением (выраженным в дюймах ртутного столба) и высотою ртутного столба, остававшегося в трубке. Из этого с полной удовлетворительностью выходит, что можно считать неизменным правилом или законом природы: воздух сгущается сообразно с давлением, под которым он находится *)
      Э. Мариотт. **).
      «О природе воздуха», 1679.
      *) «Если этот вывод желательно проверить дальнейшими опытами, — продолжает Мариотт, — то нужно взять изогнутую трубку, колена которой, друг другу параллельные, имеют высоту: одно — футов 8, другое дюймов 12»... Далее следует описание опыта с этим прибором, имеющееся и в современных школьных учебниках. — Сост.
      **) Эдм. Мариотт — знаменитый французский физик (1620 — 1684), открывший газовый закон, который носит его имя.
     
      Водолазное дело.
     
      В настоящее время работа водолаза приобретает с каждым днем все большее и большее значение. Так, на всяком военном судне теперь имеются водолазы, которые могут, например, спуститься вниз, чтобы освободить винт, запутавшийся в канате, или очистить корпус судна, покрывшийся снаружи наростом во время долгого плавания. Без водолазов остатки затонувших судов, которые представляют иногда значительную ценность, погибали бы безвозвратно; с их же помощью они могут, быть извлечены наверх.
      Обычный костюм водолаза [«скафандр»] состоит прежде всего из прочного металлического шлема. Он окружает голову со всех сторон, но в нем есть три стеклянных окошечка, через которые можно смотреть. Шлем прикрепляется к металлическому нагруднику, покрывающему плечи и грудь. Нагрудник, в свою очередь, прикрепляется к непромокаемому костюму, покрывающему все тело, кроме рук, которые выходят наружу через эластические обшлага, плотно охватывающие запястья.
      Воздух накачивается внутрь насосом по гибкой трубе, входит через заднюю стенку шлема и выходит [использованный] через небольшой клапан, устроенный так, что он выпускает воздух, но не позволяет воде войти внутрь. Таким образом водолаз все время получает запас свежего воздуха; мало того, этот же воздух помогает ему выдерживать давление воды. Давление, действующее в любом месте под водой, производится весом вышележащей воды и, следовательно, возрастает с глубиной. Приблизительно можно считать, что каждые 2 фута глубины производят давление в 1 фунт на квадр. дюйм *), так что на глубине, напр:, 70 футов вода давит на водолаза с силою около 35 фунтов на каждый квадратный дюйм поверхности тела.
      *) В. этой статье под фунтом разумеется английский фунт (=1,1 русского). — Сост.
      Такое давление на его грудную клетку — ибо костюм его вполне гибок — не дало бы ему возможности дышать: оно было бы равносильно грузу в 35 фунтов на каждый кв. дюйм грудной клетки, обременяющему тело водолаза.
      С другой стороны, пока давление воздуха внутри костюма не будет равно давлению воды снаружи, вода давит на упомянутый выше клапан и не позволяет ему открыться, чтобы выпустить часть воздуха; воздух поэтому растягивает костюм изнутри и не дает воде раздавить человека.
      На первый взгляд может показаться, что здесь одно зло заменяется другим и что давление воздуха причинит то же действие, что и давление воды. Но это не так, и именно потому, что давление воды действует на человеческое тело только извне, давление же воздуха распространяется и внутрь в легкие.
      Направленное наружу давление воздуха в легких уравновешивает направленное внутрь давление окружающего воздуха, так что оба давления взаимно уничтожаются, и человек может дышать вполне свободно.
      Воздух, находящийся внутри костюма, удерживает водолаза на поверхности воды. Поэтому он должен быть нагружен для того, чтобы иметь возможность спуститься и твердо стоять на дне. У него подвешено на груди 40 фунтов свинца, столько же на спине и, кроме того, к сапогам приделаны свинцовые подошвы, весом по 16 фунтов каждая. Но даже и с этой тяжестью, если водолаз недостаточно осмотрителен и дает своему костюму слишком раздуться от воздуха, он, как пузырь, всплывает на поверхность.
      Кроме воздушной трубы, водолаз соединен обыкновенно с поверхностью еще при помощи каната, так наз., спасательной веревки; в нее часто вплетаются еще телеграфные проволоки, соединенные с аппаратом внутри шлема, так что водолаз может свободно разговаривать со своими товарищами наверху.
      Посмотрим теперь, как водолаз снаряжается для спуска в воду. Прежде всего он надевает полный костюм из толстой прорезиненной ткани. Затем, с чужой помощью, он надевает водолазный костюм, просовывая руки в эластичные обшлага, плотно охватывающие его запястья. Затем ему надевают сапоги и нагрудник. По всему краю нагрудника проходит свободное кольцо, прикрепленное винтами. Свободный край костюма подсовывается под это кольцо, и если теперь завинтить винты, то образуется плотное водонепроницаемое соединение. Наконец, к нагруднику привинчивается шлем, и водолаз готов к спуску.
      Наибольшая глубина, на которой когда-либо работал водолаз, — 210 футов *). В этих пределах спуск удобен и безопасен, раз приняты все необходимые предосторожности. Наибольшую опасность представляет слишком быстрый спуск или подъем.
      Дело в том, что воздух очень упруг и легко сжимается. При [доба-вочнбм] давлении, например, в 15 фунтов на 1 кв. дюйм **) он занимает вдвое меньший объем, чем при обычных условиях в атмосфере, так что когда водолаз спустится на 30 футов, то для достаточного раздувания его костюма нужно уже вдвое больше воздуха, чем на поверхности ***).
      *) Это исключительно большая глубина для водолаза. «Предел глубины, на которой может работать водолаз, считается около 60 метр. Но уже для ныряния в глубину 30 м. требуются весьма опытные и сильные водолазы, и продолжительность работ на такой глубине ограничивается двумя часами. Водолазные же работы на глубинах до 15 м. не затруднительны и могут продолжаться довольно долго*». («Новый Энциклопедический Словарь**). — Сост.
      **) Скольким килограммам на кв. сантиметр это соответствует? — Сост.
      ***) Почему? — Сост.
      Необходимо, конечно, известное время для того, чтобы насос успел накачать этот лишний воздух, и поэтому если водолаз спускается слишком быстро, то давление воды его просто «прихлопнет». Если он спускается вниз и чувствует, что давление возрастает, то ему нужно только остановиться и немного обождать, пока насос накачает достаточно воздуха; но если он почему-либо сорвется и упадет, то ему уже не избежать тисков воды, которые могут причинить ему серьезный вред.
      Быстрый подъем — как ни странно это на первый взгляд — сопряжен еще с большей опасностью, чем быстрый спуск. Человеческая кровь способна поглощать газы, как и всякая другая жидкость, и когда водолаз находится под водой, то избыток давления в воздухе,, которым он дышит, заставит кровь растворить лишнее количество воздуха; если же давление быстро уменьшается, то этот воздух выделится в виде пузырьков, как выделяется углекислота из содовой воды [в. раскупоренной бутылке]. В результате в кровеносных сосудах тела, а то и в самом сердце, образуются пузырьки воздуха, могущие причинить серьезное заболевание и даже смерть. Водолаз, следовательно, должен подниматься медленно, чтобы уменьшать свое внутреннее давление лишь постепенно и дать растворенному воздуху возможность постепенно выходить из крови. Как это ни странно, но человека, который слишком быстро поднялся с большой глубины (например, если он всплыл вверх благодаря слишком большому количеству воздуха в его костюме), необходимо — хотя бы он находился даже в обмороке — сейчас же спустить обратно на дно и затем только медленно и постепенно вытаскивать наверх.
      Существуют однако работы, при которых присутствие трубы для накачивания воздуха делает совершенно неприменимым водолазный костюм в том виде, как мы его только что описали. В затопленном руднике, например, где водолазу приходится карабкаться через препятствия и подвигаться вперед по извилистым проходам, для него было бы совершенно невозможно тащить за собою длинную воздушную трубку. В таких случаях употребляется самостоятельный аппарат, в котором человек носит свою атмосферу с собою. Он дает возможность человеку существовать без свежего воздуха около двух часов. Для этой цели на спине укрепляется небольшой стальной цилиндр, в котором находится в сжатом виде около 100 куб. футов воздуха *) с прибавкой еще некоторого количества кислорода. В нем также находится металлическая камера с едким натром, который поглощает- углекислоту, образующуюся при дыхании. Таким образом, может быть использован несколько раз воздух, заключающийся в шлеме, и кроме того, этот воздух постепенно заменяется свежим из цилиндра.
      *) Задача: вычислить, сколько это составляет литров, принимая 1 линейный фут равным 30 сайт. — Сост.
      Есть и другой способ работы под водой — при помощи водолазного колокола. Это большой стальной ящик, открытый снизу, подобно колоколу, в остальных же частях совершенно непроницаемый для воздуха. Люди помещаются внутри, и затем весь аппарат опускают на дно моря или реки. Воздух внутри колокола не дает воде войти туда, и люди могут, следовательно, работать на дне совершенно так же, как в кессоне — [см. след, статью].
      В колокол через особую трубку непрерывно накачивают воздух, который затем выходит из открытого конца колокола [через воду] и пузырьками поднимается на поверхность. Следовательно, эти пузыри, поднимающиеся снизу во время водолазных работ и принимаемые непосвященным зрителем за признак несчастья, именно и указывают, что все обстоит благополучно и что люди под колпаком получают полный приток свежего воздуха.
      Водолазные колокола часто употребляются для постройки волнорезов из бетонных массивов. Колокол опускается при помощи подъемного крана на дно моря в том месте, где должен быть положен массив; рабочие внутри могут легко выровнять грунт и подготовить его к укладке массива. Затем колокол поднимают и на его место опускают массив, который уже устанавливается обыкновенными водолазами.
      Иногда к водолазному колоколу приделывается еще спускная труба с воздушным шлюзом, как в кессоне, и тогда он называется «кессонным колоколом». В таком случае люди и материалы спускаются и поднимаются без того, чтобы нужно было каждый раз поднимать самый колокол. Каким именно колоколом удобнее пользоваться в каждом отдельном случае — это зависит от особенностей самой работы и от тех условий, в которых ее приходится выполнять.
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники», 1914.
     
      Примечание. Ныне употребляемый колокол для больших глубин (60 — 70 фут.) представляет собою стальную камеру длиною 17 фут., шириною 10х/2 фут. и высотою 7 фут. (вес 35 тонн). К стенам подвешиваются чугунные брусья в качестве балласта. Колокол снабжен телефоном для сношения с берегом, электрическими лампами, скамьями и подставками для ног. В нем могут поместиться одновременно 6 человек с инструментами. Воздух нагнетается при помощи компрессора.
      Водолазные колокола имеют следующие недостатки: 1) воздух в них довольно скоро портится дыханием людей и горением ламп; 2) они очень тяжелы, трудно передвигаемы, и потому подводная работа ограничена весьма малым пространством; 3) на смену рабочих теряется много времени. Поэтому для подводных работ теперь предпочитают употребление кессонов, в которые рабочие впускаются через особые камеры или шлюзы. Цель последних — не разрежая воздуха в самом кессоне, служить для рабочих переходом от обыкновенного атмосферного давления к сжатому воздуху кессона, или наоборот.
      (Новый Энцикл. Словарь).
     
      Кессоны и кессонные работы.
     
      В прежнее время для закладки фундамента мостовых устоев («быков») вода устранялась от места работы искусственными ограждениями. Современная же техника для этой цели пользуется следующим способом: сначала приготовляется из склепанных между собою листов кованного железа огромный колокол, — так называемый, «кессон», высота которого зависит от глубины реки на том месте, на котором сооружается бык; здесь кессон опускается в воду и, при посредстве каменной кладки, возводимой на крыше его, погружается на дно реки. Затем вода из-под кессона удаляется накачиванием под крышу его сгущенного воздуха под давлением 2-х, 3-х и более атмосфер, смотря по глубине реки, а сверху продолжается возведение каменной кладки, тяжесть которой должна быть приблизительно уравновешиваема давлением сжатого воздуха в кессоне. По мере того, как кессон погружается в мягкий грунт речного дна, земля из-под него должна быть удаляема и в конце-концов, когда кессон достигнет уже неуступающей давлению почвы (материка), заменяема прочной каменной кладкой. И эта именно работа производится в сжатом воздухе, препятствующем проникновению воды в кессон и в то же время мешающем последнему погружаться в грунт быстрее, чем нужно для пользы дела. Следовательно, вся огромная тяжесть сооружаемого на крыше кессона каменного быка выдерживается сжатым воздухом внутри кессона *), где кипит неустанная работа. Удаление земли из-под кессона производится через особую шахту, поднимающуюся из кессона через всю каменную кладку до того места, где происходит работа каменщиков. По удалении всего мягкого грунта, внутренность кессона также выкладывается камнем на цементе и, таким образом, получается прочный фундамент для быка.
      Работа в кессонах очень тяжелая, и она становится, конечно, тем труднее, чем сильнее давление воздуха, при котором приходится работать. Сжатый воздух оказывает всякому движению более значительное сопротивление, нежели воздух при обыкновенном давлении атмосферы; вследствие этого механического препятствия всякие движения, сопряженные с сильным напряжением мышц, становятся не только затруднительными, но нередко весьма болезненными, так что рабочие, кроме сильного и быстро наступающего утомления, жалуются еще и на сильные боли во всех членах. К этому присоединяется еще высокая температура и значительная порча воздуха в кессонах: несмотря на то, что вводимый в кессон сгущенный воздух предварительно охлаждается, температура внутри кессона нередко достигает 30 — 40°Ц. Но самые неблагоприятные для здоровья рабочих условия сопряжены с переходом из обыкновенного атмосферного давления в сгущенный воздух и наоборот, и чем скорее и непосредственнее совершается этот переход, тем больше можно опасаться дурных последствий для тех, которые подвергаются влиянию этих условий в течение продолжительного времени... Опасным последствием резкого перехода от высокого к обыкновенному атмосферному давлению является выделение из крови газовых пузырьков, которые, прерывая кровообращение в сердце, в легких или в сосудах головного или спинного мозга, могут вести к параличным явлениям или даже к мгновенной смерти.
      Проф. Ф. Эрисман *).
      «Гигиенические беседы, 1896.
      Упражнения. Как велико давление воздуха в кессоне, погруженном на глубину 15 метров? — На какую глубину погружен кессон, давление воздуха в котором равно З1 а атмосферам? — Сост.
      *) Принимаются меры, чтобы давление воздуха внутри кессона не могло опуститься ниже известного предела, — в противном случае внутренность кессона стремительно затопляется водой, что влечет за собою гибель рабочих. — Сост.
      **) Ф. Ф. Эрисман — знаменитый русский ученый-гигиенист.
     
      Неуправляемые аэростаты.
     
      Неуправляемым аэростатом называется такой летательный прибор легче воздуха, который, находясь в воздухе, держится на месте, благодаря связи с землей, или же плавает в атмосфере, перемещаясь вместе с частицами окружающей его среды. Привязными аэростатами называются те, которые на канате поднимаются на определенную высоту для производства на месте каких-либо наблюдений; эти аэростаты бывают и круглые, и удлиненной формы — «змейковые». Для свободных полетов в воздухе из неуправляемых аэростатов употребляются исключительно круглые — «сферические»;
      Современные аэростаты наполняются таким газом, который при нормальной температуре значительно легче воздуха. Ясно, что чем легче будет газ, тем меньше его понадобится для подъема одного и того же груза. Водород, который применял для этой цели и Шарль *), весьма выгоден, так как, будучи в 14 раз легче воздуха,, он способен поднимать нагрузку, вес которой не превосходит 13/14 веса того объема воздуха, который занимает весь прибор. Другими словами, 1 куб. метр водорода может поднять нагрузку, равную 13/14 веса 1 куб. метра воздуха — т.-е. всего около 1,2 килограмма, или около 3 фунтов. Это и есть подъемная сила газа, равная, следовательно, разности между весом единицы объема воздушной сферы и весом единицы объема данного газа. Другой газ, который вследствие дешевизны применяется чаще водорода, есть светильный газ. Он в три раза легче воздуха; его подъемная сила определится, значит, 2/3 веса 1m3 воздуха, т.-е. примерно 0,85 килограмма, или 2 фунта.
      *) В конце XVIII века; такие наполненные водородом шары назывались тогда «шарльерами», в отличие от «монгольфьеров», наполнявшихся нагретым воздухом. — Сот.
      Зная подъемную силу газа, легко определить и те наименьшие размеры, которые надо дать шару для возможности полета на нем, напр., одному человеку. Человек весит в среднем 5 пудов; все части шара при наименьших возможных размерах, — пудов 7 — 8; если прибавить еще сюда пудов 5 — 6 для балласта, то общий вес будет не более 19 пудов, т.-е. 760 фунтов. Следовательно, для полетов одному человеку емкость (объем) шара может быть примерно 760/3 = ок. 250m3, если «лететь на водороде», а если лететь на светильном газе, то 760/2 = около 400m3. Но обыкновенно летают вдвоем, втроем, вчетвером, берут больше балласта, а потому и размеры шарам дают большие. Вот размеры, принятые в обращении в России и за границей (по емкости): 600m3, 900m3, 1200m3, 1500m3, 2000m3.
      Современные аэростаты состоят из трех главных частей: 1) оболочки с газом; 2) подвески — сеть с обручем; 3) корзины.
      Оболочка делается из шелковой ткани, лакируемой сверху с целью непроницаемости для газа, или из особого полотна — перкали, которая для той же цели прорезинивается. Выкраивается оболочка полотнищами, по меридианам. На верхнем полюсе баллона устраивается клапан, т.-е. деревянное кольцо со створками, могущими открываться для выпуска газа при простом дергании снизу клапанной веревки. В верхнем полушарии делается клинообразная вырезка, шириной в одно полотнище и длиной почти в четверть круга — от клапана до экватора; эта вырезка заполняется изнутри клином из той же материи, который основанием своим пришивается к оболочке и боковыми сторонами только приклеивается так, чтобы края его заходили за края обреза вершка на 1,5. К острию же клина с помощью особого приспособления прикрепляется другая веревка — разрывная вожжа, которая, проходя тоже через внутренности шара, спускается к корзине. Все это приспособление называется «разрывным». У нижнего полюса баллона имеется еще одно круглое отверстие, диаметром вершка в 4, к которому пришита из той же самой материи кишка (шланга), открытая в нижнем конце. Это отверстие называется «аппендиксом»; через него оболочка наполняется газом и через него же выходит лишний газ при расширении во время полета.
      Для подвески к оболочке корзины служит — сеть и обруч. Сеть, — тонкая, но прочная, — изготовляется из лучшего льна. Облегая строго рассчитанными клетками верхнее полушарие и часть нижнего, она постепенно суживается и рядом больших и малых «гусиных лапок* заканчивается толстыми веревками — стропами, которые с помощью костыльков прикрепляются к обручу — прочному деревянному кольцу аршина 1,5 в диаметре. К этому обручу прочно привязывается аппендиксовая уздечка, не позволяющая нижнему полушарию подворачиваться вверх, и на него же — обруч — наматываются разрывная вожжа и клапанная веревка, проходящие сверху через шлангу аппендикса.
      Корзина — плетеная, ивовая, достаточно прочная — подвешивается толстыми стропами (в количестве обыкновенно восьми) непосредственно к обручу. Размеры корзины зависят от числа пассажиров; по дну от 1,5х1,5 арш. до 2,25х2,25 арш., высота до 2 арш. Длина стропов — 1 — 2 аршина.
      Для каждого воздушного путешествия корзина оснащивается вполне определенным образом, т.-е. снабжается следующими предметами, прикрепленными в известных местах.
      1) Гайдроп — длинный 50-саженный канат, весом около двух пудов. Вывешенный из корзины, распущенный, он обеспечивает шару лучшую устойчивость в воздухе, как хвост у запущенного воздушного змея. Другое его назначение — облегчать спуск аэростата: ложась постепенно на землю и постепенно уменьшая нагрузку, гайдроп играет роль буфера, уменьшая скорость опускания корзины и делая прикосновение более мягким и спокойным. Прикрепляется гайдроп непосредственно к обручу, чтобы напрасно не отягчать корзину.
      2) Многочисленные метеорологические приборы, служащие для определения высоты нахождения шара и различных свойств воздуха. Высота просто узнается по барометрическому давлению; на земле, где давление атмосферы равняется 760 мм., высота=0; чем выше над землей, тем давление меньше. Приборы, которые сообразно с давлением показывают высоту нахождения аэростата, называются анероидами. Другой прибор, барограф, автоматически записывает давление атмосферы в виде кривой линии, по которой и после полета можно судить, на какой высоте в какое время был шар; кривая эта называется барограммой. Таким же образом термограф записывает все время температуру воздуха. Психрометр показывает степень влажности воздуха, Компас и точная карта местности дают возможность судить о направлении полета. Есть еще приборы для определения силы ветра, скорости самого полета, скорости поднимания или опускания и т. п.
      3) Различные принадлежности: фотографический аппарат, бинокли, точные часы, красный флаг как сигнал бедствия, сигнальные рожки, пробковые жилеты — на случай спуска в воду, — для каждого аэронавта и т. п. Берется еще часто якорь, с четырьмя-пятью лапами, на канате длиной сажень 20 — 30: это для спуска в ветреную погоду, когда очень трудно удерживать шар на месте.
      Кроме всего этого, в каждое путешествие по воздуху нужно брать с собой балласт, т.-е. мелко просеянный песок, рассыпанный в мешки по пуду весом каждый. Ясно, что аэростат, уравновесившийся в воздухе в какой-нибудь точке, для поднятия своего вверх требует облегчения нагрузки. Для этого и служит балласт, который выбрасывается понемногу в тех случаях, когда желательно подняться выше.
      Но, кроме того, необходимость балласта обусловливается следующими двумя физическими явлениями: диффузией и сильным изменением объема газа с изменением температуры. Вследствие диффузии легкий газ постоянно вытекает из оболочки через поры ее, а вместо него входит тяжелый воздух; значит, подъемная сила шара все время уменьшается, отчего аэростат идет к земле. Вследствие второго явления аэростат неизбежно опускается при попадании в среду более холодную (потому что при том же весе объем, им занимаемый, уменьшается), и повышается при переходе в более высокую температуру (потому что объем шара немного увеличивается); в первом случае нужно восстановить равновесие облегчением нагрузки, т.-е. отдачей балласта; во втором случае, если подъем нежелателен, надо уменьшить подъемную силу выпуском части газа через клапан. Следовательно, балласт во все время путешествия уменьшает нагрузку за счет той утечки газа, устранить которую невозможно.
      К совершению полета на воздушном шаре приступают так. На. ровном месте раскладывается оболочка клапаном вверх, а аппендиксом вниз. Поверх нея аккуратно раскидывается сеть. К аппендиксу подводят шлангу от газопровода и таким образом начинают наполнение газом. Длится это час-два-три, в зависимости от размеров шара и той быстроты, с которой нагнетается газ через шлангу. Команда людей, стоящих кругом, удерживает постепенно надувающуюся оболочку при помощи мешков с балластом, которые подвешиваются по мере надобности своими крючьями с верхних клеток сетки на нижние. По наполнении газом, аппендикс зажимается резиновым кольцом, а баллон поднимается вверх, удерживаемый поясными веревками (идущими от экватора шара). Тогда подносится и прикрепляется к обручу корзина, заполненная балластными мешками. В обруч продевается прочный канат, поясные веревки выхлестываются из петель, и аэронавты занимают свои места в корзине. Остается еще уравновесить в воздухе аэростат, что делается путем вынимания балластных мешков и последовательного отпускания каната до тех пор, пока не получится легкая спокойная тяга вверх. Затем срывается резиновое кольцо у аппендикса, — чтобы для газа всегда был свободный выход в случае расширения его, — и при подходящем порыве ветра шар разом пускается в воздух.
      Французы замечательно верно характеризуют путешествие на воздушных шарах следующими шестью словами: «подъем легок, полет приятен, спуск опасен». Подъем, .действительно, никаких затруднений не представляет и при умелом «стартовании» (выпускании) шара никаких несчастий быть не может. Одинаково безопасен и самый полет, раз аэростат находится в исправном виде, и его «пилот» (управляющий) знает свое дело. Все это управление шаром во время полета сводится к целесообразному расходованию балласта, который представляет собой единственное средство для изменения хоть некоторых условий полета.
      Полет на свободном аэростате есть простое плавание по воздушным течениям, на той или другой высоте от земли без всяких проявлений аэронавтами активных средств для передвижения. Ясно, что поэтому и все элементы такого путешествия — направление пути, скорость движения, продолжительность и дальность полета — имеют случайный характер, в зависимости от атмосферных условий. Направление пути обусловливается направлением ветра, и изменить его можно иногда только переходом вверх или вниз в другое воздушное течение. Скорость полета равняется скорости ветра, т.-е. бывает от 10 — 15 до 100 верст в час; при ветре (бывающем примерно из 365 дней в году 180 раз), средняя скорость полета будет 30 — 40 верст в час.
      Что касается высоты полета, то таковая в среднем бывает 1000 — 2000 — 3000 метров над землей (т.-е. 1 — 2 — 3 версты). Можно подниматься и выше — до 8000 метров. Еще выше уже опасно, так как сильно разреженный воздух представляет затруднение для дыхания. Самой большей высоты удалось достигнуть летом 1909 года итальянскому лейтенанту Мину на шаре «Альбатрос» — около 13 верст над землей.
      К. Вейгелин.
      «Азбука воздухоплавания», 1910.
     
      Некоторые применения сжатого воздуха.
     
      Давление, производимое на воздух, передается во все стороны; поэтому сжатый воздух можно посредством труб отводить на любое расстояние и воспользоваться его энергией.
      Для сжатий воздуха служат воздухосгустительные машины или компрессоры, которые бывают разных устройств. Маленький компрессор ручного действия известен каждому велосипедисту — прибор, называемый воздушным насосом.
      Когда двигатель производит работу, сжимая воздух в» компрессоре, то работа двигателя, видоизменяясь, сообщает воздуху некоторый запас энергии. Этой энергией пользуются и, пуская сжатый воздух в воздушный двигатель, заставляют его производить некоторую работу.
      Передача энергии сжатого воздуха на расстояние отличается удобством, легкостью и простотой ухода. Система центрального устройства по распределению воздуха устроена в Париже. На центральной станции установлены паровые котлы, пар которых приводит в движение паровые машины, связанные с компрессорами, которые ими приводятся в действие. В них воздух сжимается до 7 атмосфер и поступает в воздушные резервуары, отсюда — в напорный трубопровод. От этого провода ответвляются провода в разных местах города.
      Воздух из центральной станции по сети труб проводится на место назначения, где установлены воздушные двигатели. Эти двигатели по своей конструкции сходны с обыкновенными паровыми машинами; во многих местах были установлены старые паровые машины, в которых, вместо пара, поршень толкает сжатый воздух.
      Сжатый воздух применяется для различных целей: им приводятся в действие швейные, вязальные, ткацкие машины; токарные, сверлильные и другие станки; динамомашины для освещения театров, кафе; он обслуживает небольшие шоколадные фабрики, служит для передачи корреспонденции по воздушной почте, для подъема лифтов в домах.
      При расширении сжатый воздух охлаждается, — чем пользуются для искусственного охлаждения в различных случаях, например, для сохранения провизии, продуктов в подвалах, кладовых.
      В городах Берне и Нанте сжатый воздух служит для передвижения трамваев. Воздух сжимается на центральных станциях и собирается в воздушных котлах, из которых напускается в воздушные резервуары установленные или в самых вагонах, или под ними. Таким образом, вагон запасается сжатым воздухом, как двигательной силой. Воздух переходит в двигатель, производит давление на поршень в его цилиндре, вследствие чего поршень приходит в движение. Так как распределительный механизм, находящийся сбоку цилиндра, пропускает сжатый воздух поочередно то по одну, то по другую сторону поршня, то последний двигается вперед и назад и приводит, посредством рычагов и шатуна, во вращение ось колес. В Берне сеть трамваев устроена в 1890 году, и воздух сжимается до 32 атмосфер посредством водяной силы. Трамваи при движении не производят шума. Главный недостаток их — большой вес вагонов вследствие установленных на них воздушных резервуаров и двигателей.
      Весьма крупное применение нашел сжатый воздух для приведения в действие различных инструментов, служащих для сверления, пробивания дыр. Сжатый воздух доставляется компрессором, приводимым в движение от какого-нибудь двигателя; воздух из компрессора поступает в воздушный резервуар, откуда по трубам и резиновым рукавам проводится в воздушные инструменты, легко и удобно управляемые рабочим. Особенно удобным является применение воздушных приборов для производства какой-нибудь подводной работы.. К прибору рабочего-водолаза подводится по рукаву сжатый воздух. Рабочий сам не тратит никакого физического усилия, он направляет лишь прибор по месту, подлежащему обработке. А внутри прибора за него работает поршень, быстро ударяя по поставленному инструменту.
      О. А. Ривош.
      «Сжатый и жидкий воздух», 1907.
     
     
      V. Теплота.
     
      Обманчивость тепловых ощущений.
     
      Мы должны быть чрезвычайно осторожны в истолковании наших непосредственных ощущений в отношении теплоты. В самом деле: первый опыт убеждает нас в этом. Прикоснемся последовательно к разным вещам на столе пресс-папье, особенно если оно металлическое, будет обыкновенно холодно на ощупь; книги, бумага и в особенности шерстяная скатерть стола — сравнительно теплы. Но испытайте их не на ощупь, а термометром — и, по всей вероятности, вы Найдете лишь ничтожную разницу или вовсе никакой в том, что мы называем их температурой. Мы убедимся, что сколько бы различных предметов ни было в комнате (в которой нет ни огня, ни другого источника теплоты), — все они стремятся принять одну и ту же окончательную температуру. Почему же одни на ощупь кажутся холодными, другие — теплыми?
      Дело просто в том, что осязание не указывает нам прямо температуру, а лишь быстроту, с какой наши пальцы приобретают или теряют теплоту. Предметы в комнате бывают обычно холоднее руки; теплота же всегда переходит с более теплого на более холодное. Из нескольких предметов, одинаково холодных по отношению к руке, наиболее холодным на ощупь покажется тот, который способен быстрее всего отводить теплоту руки. Следовательно, все дело сводится к теплопроводности. Чтобы удостовериться в этом, сделаем следующий весьма простой опыт: поместим пресс-папье, книги и шерстяную скатерть в теплую печь и согреем их до одной и той же температуры, значительно превышающей температуру руки. Шерстяная скатерть покажется еще сравнительно холодной на ощупь, когда металлическое пресс-папье уже едва можно будет держать в руке. Порядок теплого и холодного, в обыденном смысле, стал как раз обратным: это потому, что теперь рука получает теплоту от всех предметов, взятых для нашего опыта; она получает ее быстрее от тех предметов, которые в предыдущем случае быстрее ее отнимали.
      Тилле (во Франции) и Благден и Чэнтри (в Англии) оставались около часу, чувствуя себя довольно сносно, в хлебопекарной печи *), температура которой была значительно выше точки кипения воды — в одном случае даже 160°Ц.; при этой температуре бифштекс изжарился бы в четверть часа **). И между тем как одежда не причиняла им ощутительного неудобства, они не могли взять в руки металлического пенала без того, чтобы не получить серьезного ожога.
      С другой стороны, все металлические предметы, которые приходится брать в руки в сильные холода полярных экспедиций, должны быть тщательно покрыты пенькой, шерстью или другим плохим проводником тепла, так как прикосновение к очень холодному металлу производит почти неотличимое от обжога повреждение, хотя причина здесь прямо противоположна. Оба явления зависят единственно от сравнительной легкости, с какой теплота проводится металлами.
      П. Дж. Тэт.
      «Теплота», 1883.
      *) «Сравним состояние двух живых человеческих существ,» — говорит по этому поводу Тиндаль — с состоянием двух мраморных статуй, помещенных в ту же печь. Статуи постепенно нагреваются до тех пор, nofca не примут температуры печи; температура же тела у этих людей, находящихся в таких же условиях, не поднимается подобным образом -иначе ткани тела непременно разрушились бы, так как выдерживаемой ими температуры более чем достаточно на то, чтобы сварить мускулы в тех жидкостях, которыми они пров питаны. Но дело в том, что теплота крови едва подвергается влиянию сильной внешней теплоты. Эга теплота, вместо того, чтобы повышать температуру тела, производит работу, изменяя физическое состояние тела: теплота вызывает испарину, т.-е. протесняет жидкость через поры, и частью испаряет ее. Теплота расходуется на работу. В этом состоит, если можно так выразиться, отводный канал, через который тело избавляется от избытка теплоты. Здесь, как и при таянии льда или испарении воды, теплота идет не на повышение температуры, а на производство работы». (Тиндаль. «Теплота, как род движения»).
      **) «Можно сварить яйца и приготовить бифштекс посредством теплоты комнаты, в которой люди могут оставаться без вреда для себя говорит Тиндаль.
     
     
      Теплопроводность.
      Теплота одежды. — Теплопроводность порошков. — Накипь. — Опыты.
     
      1. Дурная теплопроводность шерстяных тканей делает их чрезвычайно удобными для одежды; они предохраняют тело и от внезапного согревания и от внезапной потери теплоты. Та же дурная теплопроводность обнаруживается и тогда, когда мы заворачиваем во фланель кусок льда: защищенный таким образом, он медленнее тает. Шерстяное платье, покрывая тело человека в холодный день, мешает передаче теплоты изнутри наружу; такая же ткань, обвертывающая лед в теплый день, препятствует распространению наружного тепла внутрь. Природа снабдила животных, населяющих холодные страны, необходимою для них одеждою. Птицы . особенно нуждаются в такой защите, потому что кровь их еще теплее, чем у млекопитающих; они снабжены перьями, а промежутки между ними наполнены пухом, строение которого делает его едва ли не худшим из всех проводников. Здесь перед нами один из примеров приспособления жизни к ее условиям, с которыми так часто приходится встречаться естествоиспытателю.
      Неутомимый Румфорд *) произвел (в 1792 г.) целый ряд опытов над теплопроводностью веществ, употребляемых для одежды.
      *) Знаменитый английский физик (1753—1814).
      Способ, принятый им, был следующий: он помещал ртутный термометр в стеклянную трубку, оканчивающуюся шаром, так, чтобы центр термометрического шарика находился в центре шара стеклянной трубки. Пространство между, внутренней поверхностью этого последнего и шариком термометра наполнялось веществом, теплопроводность которого нужно было определить. Он согревал прибор горячей водой и, опустив его потом в охлаждающую смесь, состоящую из толченого льда и соли, замечал время охлаждения на 75°Ц. Результаты измерения приведены в следующей таблице:…
      Мы видим, что из всех исследованных Румфордом веществ заячий мех представляет распространению теплоты наибольшее сопротивление.
      2. На распространение теплоты имеет громадное значение механическое строение тела, через которое она проходит. Шелк-сырец и крученый шелк в приведенной таблице Румфорда показывают это. Чистый кремнезем в виде твердого кристалла горного хрусталя лучше проводит теплоту, чем висмут или свинец; но если этот кристалл превратить в порошок, то теплота будет распространяться в нем чрезвычайно медленно. Через прозрачный кусок (кристалл) каменной соли теплота проходит свободно, а через обыкновенную поваренную соль — очень слабо. Положив на руку азбест, состоящий из кремнистых волокон, можно поместить на него раскаленный докрасна железный шар, и рука не будет обожжена; азбест задерживает теплоту, и, конечно, распространению теплоты мешает именно его волокнистое строение. Эго и понятно: теплота есть движение, и все, что разрушает непрерывность молекулярной цепи, вдоль которой распространяется это движение, препятствует его распространению.
      В азбесте кремнистые волокна отделяются друг от друга воздухом, вследствие чего движение, распространяясь, должно переходить от кремнезема к воздуху, телу очень легкому, и опять от воздуха к кремнезему, — телу сравнительно тяжелому. Легко понять, что движение должно итти с большим затруднением через тело, имеющее такое сложное строение. Это особенно заметно в мехах животных: здесь, кроме воздуха, находящегося между волосами, сами волоса — очень дурные проводники. Наблюдались случаи, когда лава протекала по слою золы, под которым находился лед: дурная теплопроводность золы предохраняла лед от таяния докрасна раскаленные ядра можно подвозить к пушке на деревянных тачках с песком. Для предохранения льда от таяния его окружают мыльной пеной. Порошок древесного угля также чрезвычайно дурной проводник. Но иногда употребление опилок, рубленой соломы, древесного угля не вполне безопасно вследствие их горючести; в таких случаях они с выгодой могут быть заменены порошком гипса. Кристалд гипса несравненно хуже проводит теплоту, чем кремнезем, и можно безошибочно предсказать, что в порошке своею дурною проводимостью теплоты он значительно превосходит песок, каждая отдельная крупинка которого — хороший проводник.
      3. Вода, просачиваясь сквозь землю, более или менее растворяет вещества, к которым прикасается; так, в меловых пластах вода всегда содержит некоторое количество углекислой извести; такая вода называется «жесткой». Другую обычную примесь воды составляет сернокислая известь. При парообразовании вода улетучивается, а минеральные примеси остаются на месте, нередко в значительном количестве. Многие источники так напитаны углекислой известью, что когда воды их достигают земной поверхности и выступают на воздух, где они могут частью испаряться, то минеральная примесь осаждается и образует слой извести на поверхности тех растений и камней, по которым вода течет. То же самое происходит и при кипении воды: минеральные частицы осаждаются, и едва ли найдется во всем Лондоне хоть один котел который не был бы изнутри покрыт минеральной накипью. Это представляет большие неудобства для паровых котлов; накипь — дурной проводник, и она бывает иногда так толста, что действительно может задерживать доступ теплоты к воде. Передо мною лежит обломок котла с парохода, который погиб вследствие истощения топлива: чтобы доплыть до берега, сожгли все находившееся на нем дерево. Впоследствии при исследовании обнаружили внутри него этот толстый слой накипи; она состоит преимущественно из углекислой извести, вследствие дурной теплопроводности которой требуется слишком много топлива для образования необходимого количества пара. Медленность, с которой закипает вода во многих паровых котлах, зависит без сомнения от подобной же причины.
      4. Здесь будет небесполезно привести пример действия хороших проводников, — действия, состоящего в том, что они предупреждают местное накопление теплоты. Берем два шара одинаковых размеров, покрытых сплошь белой бумагой; один из них медный, другой — деревянный. Держим каждый из них над пламенем спиртовой лампы, и вскоре замечаем действие теплоты. Тепловое движение сообщается, конечно, обоим шарам, — но в медном оно быстро распространяется по всей массе от места непосредственного действия пламени; в деревянном же такого быстрого распространения нет — здесь теплота сосредоточивается в той части шара, на которую действует пламя. И действительно: на деревянном шаре бумага в месте действия пламени совершенно обуглена; на медном же бумага не только не обуглена, но даже увлажнена на своей обратной стороне водяными парами, выделяемыми пламенем.
      Джон Тиндаль.
      «Теплота как род движения» 1880.
     
      Температура подземелий.
     
      Погреба Парижской Обсерватории, вырытые под ее зданием, имеют глубину 28 метров; до этой же глубины опущен фундамент Обсерватории И уже более двух столетий здесь ведутся наблюдения над состоянием термометра. Последний показывает постоянно 11°,7 по Цельсию.
      В 1671 году 24 сентября установлен был в первый раз в подземелья Обсерватории термометр и оставлен там на известное время. На следую щий день, 25 сентября, произвели тщательное наблюдение над высотою ртути в нем. В течение следующих месяцев октября и ноября наблюдатели многократно спускались в подземелье и всякий раз находили, что термометр показывал ту же самую температуру. Этот термометр был устроен аббатом Мариоттом. Таковы самые старые наблюдения над температурою погребов Обсерватории. Постоянство этой температуры тотчас же было принято, как проверенный опытом факт. Лагир, в конце семнадцатого века, взял эту температуру за одну из постоянных точек своего термометра и отметил ее цифрой 48 на своей тепловой скале Реомюре, в мемуаре, напечатанном в 1730 году, дал в первый раз определение этой температуры в градусах термометров, допускающих сравнение с другими.
      В 1783 г. Лавуазье лично устроил новый термометр, которы был установлен в Обсерватории. Этот термометр Лавуазье, служащий образцовым инструментом погребов Обсерватории, был помещен на отдельном столбе перед прежним столом для термометров.
      С 1783 года по 1817-й этот термометр повысился до 12°,806 сотен, ной шкалы. По этому поводу Араго задался вопросом — не произошло ли это незначительное повышение от свойств самого прибора? Чтобы проверить эту догадку, он попросил Гей-Люссака устроить собственноручно новый термометр. Этот ученый физик согласился на просьбу Араго и с величайшею точностью произвел деление на градусы новаго прибора, который затем и был установлен рядом с термометром Лавуазье, причем соблюдены были все прежние предосторожности. Путем сравнения была обнаружена погрешность в 0,380 в прежней градуации термометра, вследствие перемещения нулевой точки его скалы. (Следует заметить, что с течением времени почти все термометры начинают давать неверные показания, так как их нуль или точка таяния льда поднимается вдоль скалы, как будто шарик, заключающий ртуть, постепенно сжимается, уменьшается в объеме). Итак, температура подвала в 1817 году, вместо 12°,086, приводилась к 11°,706.
      Сам я спустился в это прославленное подземелье 24-го сентября 1871 года, ровно, день в день, через два столетия после первого термометрического наблюдения, сделанного здесь. Ходы, ведущие из подземелья в Парижские катакомбы, были закрыты; но могильная тишина, царящая на этой глубине, располагает к размышлению и самоуглублению в такой же степени, а может быть даже и более, чем груды костей и скелетов, находящихся рядом с вами. Это колоссальное здание, воздвигнутое Людовиком XIV, возносящее свою верхнюю террасу на 13-саженную высоту, спускается и под почву также на 13 сажен. В его подземелья, в галлерее термометров как бы носятся еще безмолвные воспоминания о тех знаменитых ученых, которые некогда ходили по ней; пред вами витают тени Кассини, Реомюра, Лавуазье, Лапласа, Гумбольдта, Араго... Ни атмосферные, ни политические бури и грозы не доходят до этого святилища и не нарушают его безмолвия... В этот день термометр Гей-Люссака показывал 11°,7 по Цельсию.
      После того я вновь спускался в то же подземелье и опять нашел там ту же самую атмосферу. Это было 18 марта 1887 г. Температура внешнего воздуха была 3 градуса ниже нуля, и снег белым слоем покрывал почву. Но температура погреба в Обсерватории осталась тою же как и всегда: 11°,7.
      А. Фламмарион.
      «Атмосфера».
     
      Потеря теплоты лучеиспусканием.
     
      Предположим, что мы, путешествуя в суровое зимнее время, останавливаемся в гостинице и немедленно требуем отопления взятой нами комнаты. Чрез некоторое время печь достаточно горяча, комнатный термометр показывает довольно высокую температуру воздуха, — однако, нам что-то не удается достаточно согреться; мы продолжаем чувствовать некоторую неприятную свежесть, несмотря на то, что термометр показывает 16°Р. Как только печь вытопилась, мы тотчас замечаем быстрое падение температуры комнаты; теплота в ней, невидимому, плохо держится, так что комната тотчас охлаждается. Но если мы станем жить в той же комнате в продолжение нескольких дней и правильно отапливать ее, то непременно почувствуем нечто совершенно иное. Мы заметим, что в комнате достаточно тепло даже при 14°Р.; между тем как прежде замечалась в ней свежесть при 16°Р. Вы немедленно объясните себе, почему сначала в комнате было прохладно при 16°Р., а потом установилась приятная теплота при 14°Р., сказав просто, что комнату, стоявшую долгое время холодною, следует первоначально .протапливать», чего невозможно достигнуть в один прием. Но что же отличает протопленную комнату от комнаты, недостаточно протопленной? Конечно, только количество теряемой, путем усиленного лучеиспускания, теплоты, достигаем мой в непротопленной комнате. Лучеиспускание увеличивается и возрастает с увеличением разности температуры двух тел, неодинаково нагретых. Так как в комнате находится не только воздух, нагретый до 16°Р., но в ней есть еще и стены и мебель и т. д., которые нагреты, быть может, только до 2° или 3°, между тем как температура воздуха успела достичь до 16°, то мое тело, значительно более теплое, испускает по направлению окружающих предметов значительно более тепла, чем если бы эти предметы были нагреты до 12 и более градусов.
      Каждому из нас удавалось путем опыта познакомиться с этим явлением и в обратном смысле, в тех случаях, когда крайне ограничивается потеря тепла путем лучеиспускания. Я укажу только на грустное положение людей в тесно наполненном зале, при теплом влажном воздухе. Сначала начинает гореть голова, вслед за тем чувствуется невыносимый жар по всему телу; но если случайно взглянуть на термометр, висящий в зале, то подумаешь, что показания его не верны, потому что большею частью найдешь на нем 16 или 17°Р., т.-е. указание на такую температуру, при которой чувствуешь себя, сидя в своей комнате, совершенно довольным и здоровым. Это явление вы также объясните безусловно верно, сказав, что все это происходит от тесноты. Выбравшись из тесноты и вступив в боковую комнату, чтобы подышать, как гововорится, свежим воздухом, мы почувствуем себя заметно облегченными; но взглянув на термометр, мы нередко найдем, что температура комнатного воздуха не ниже температуры зала. В чем же, однако, заключается различие между залом, переполненным народом, и залом пустым, допустив в двух этих помещениях совершенно одинаковую температуру воздуха? В тесноте каждое тело окружено одинаково теплыми другими телами. Приход и расход путем лучеиспускания взаимно покрываются, и трата теплоты телом производится почти исключительно проводимостью воздуха, проникающего в промежутки, и испарением воды с поверхности тела.
      М. Петтенкофер *).
      «Общедоступные чтения». 1873.
      *) Макс Петтенкофер (1818 — 1901) — знаменитый германский гигиенист.
     
      Выпрямление наклонных стен.
      (Историческая заметка).
     
      Фундамент здания Музея Искусств и Ремесел в Париже был испорчен до такой степени, что стены главного зала постоянно оседали, выдавались наружу и даже угрожали падением. Наполеон 1-й приказал произвести по этому предмету исследование и представить смету издержек на поправку здания. Комиссия, назначенная для этой цели, после тщательных изысканий решила, что необходимо сломать стены, заложить новый фундамент на 10 футов глубже настоящего и вывести на нем новые стены; расходы на все это должны были простираться на сумму около 10 миллионов франков. Наполеон 1-й нашел, что такая сумма слишком велика, и дело так остановилось. Но когда по прошествии года опять заговорили о том же предмете и представили Наполеону всю опасность, какой могли подвергнуться и жители и посетители здания, если оставить его без исправлений, то Наполеон приказал собрать новую комиссию. Подобно первой, новая комиссия произвела обширные работы, исследовала грунт земли и пришла к заключению, что вовсе не было надобности ломать стен, а достаточно вырыть под каждой стеной 10 колодцев около 40 футов глубиною и, достигнув скалистого грунта, подвести под стены толстые гранитные столбы, на этих столбах утвердить винты, помощью их поднять стены я таким образом сохранить все здание от разрушения. Что же касается до- издержек, то, по мнению второй комиссии, поправка обойдется в 9,850,000 франков. Наполеон не удостоил внимания предложение второй комиссии: дело осталось по-прежнему нерешенным. Тогда приходит к Наполеону инженер Молар, способный и изобретательный молодой человек, и говорит, что он осматривал повреждения здания и полагает возможным произвести все поправки на десятую часть тех сумм, которые требовали две назначенные комиссии. Подобное предложение поразило всех. Назначенная Моларом сумма была выдана ему, и он немедленно приступил к работе.
      Работу свою он начал с того, что в стенах строения, на довольно значительной высоте, приказал просверлить одно над другим два ряда отверстий, величиною в руку. Все с любопытством ожидали, что из этого будет; но когда, спустя несколько недель, из отверстий показались концы толстых железных болтов с весьма крупною винтовою нарезкою, то все, кто ждал от работы Молара хотя какого-нибудь успеха, потеряли всякую надежду; а члены комиссий, которые начинали было сомневаться в правильности своих решений, ободрились. Стянуть дом винтами казалось слишком безрассудно. Откуда взять такую силу, чтобы навинтить гайки, когда этому будет противодействовать тяжесть -всего здания? Члены комиссии подсмеивались над Моларом; но он не обращал на это внимания и спокойно продолжал свою работу. К каждому болту был прикреплен якорь о четырех лапах; средина якоря была очень толста, к концам же он становился тоньше; эти якоря были в состоянии выдержать значительное давление. Под нижним рядом болтов, проходивших через все здание, были устроены большие четырехугольные очаги из листового железа, которые привешивались к болтам на крючках. Назначение очагов было непонятно для всех; между тем на правильную их установку Молар обращал большое внимание.
      Однажды утром толпа любопытных заметила рабочих, которые, стоя на легких подмостках, привешенных к выдающимся концам болтов были заняты завинчиванием гаек. Через несколько времени работа прекратилась; рабочие увидели, что невозможно более завинтить гаек, а зрители разошлись с убеждением, что все предприятие имело еще менее прочное основание, нежели исправляемый дом. На следующее утро с удивлением заметили, что гайки всего нижнего ряда болтов ослабели и отстали от стен на целый дюйм; рабочие опять занимались завинчиванием гаек. Это обстоятельство возбудило всеобщее любопытство. На третье утро ослабели все гайки верхнего ряда болтов, и во время их завинчивания можно было видеть, как ослабевали гайки нижнего ряда, Подобная работа продолжалась около 14-ти дней; по истечении их, стены исправляемого здания сравнялись со стенами других строений, и все убедились, что они уже не косы. В самое короткое время стены приняли совершенно вертикальное направление, и улыбавшиеся физиономии членов комиссий сделались очень серьезны, когда они узнали что посредством неизвестного, но повидимому чрезвычайно простого средства достигнуто было то, что они считали почти совершенно невозможным.
      Молар пропустил через стены два ряда болтов, а снаружи прижал к стенам якоря, посредством весьма прочных плоских винтов. Когда это было исполнено, то на очагах, под нижним рядом болтов, был разведен огонь, вследствие чего болты нагрелись и сделались длиннее. В этом положении болты выдались из стен наружу более, чем прежде, а следовательно гайки могли быть снова навинчены. Это довинчивание гаек и составило работу первого утра. Когда затушили огонь, болты охладились и укоротились именно на столько, на сколько они расширились при нагревании; а так как это движение преодолевает большие препятствия, то стены строения сблизились на столько же, на сколько сжались болты. Если бы подобное действие было невозможно, то болты должны бы были разорваться, потому что при охлаждении они не могут оставаться в расширенном состоянии, в которое приведены были нагреванием. Обратно, если защемить железный болт между двумя стенами или скалами и в этом положении нагреть его, то он или двинет скалы и опрокинет стены, или же согнется сам.
      Железные болты, употребленные Моларом, были достаточно прочны: они не разорвались, но подняли стены. По этой-то причине верхний ряд болтов выдался из стен; гайки уже неплотно прилегали к ним, и работа второго утра состояла в том, чтобы снова довинтить их. После этого нижний ряд болтов был нагрет вторично. Во время его расширения верхний ряд удерживал стены (иначе они пришли бы в свое первоначальное положение), нижние же болты, сделавшись через нагревание длиннее, дали возможность навинтить гайки еще более. При остывании они постепенно сблизили стены еще на один дюйм, и через это опять ослабили верхний ряд болтов.
      Такого рода работа продолжалась часа два каждое утро до тех пор, пока цель была достигнута — стены здания подняты, а потом исправлен и самый фундамент. На всю работу употреблено было менее половины выданной Молару суммы. Остальные 1/2 миллиона Наполеон подарил этому искусному инженеру и, кроме того, наградил орденом Почетного Легиона.
      Один ряд болтов был оставлен в стенах, — может быть, вследствие ненадежности фундамента, или же для воспоминания о способе поправки здания. Этот ряд существует и теперь и служит доказательством того, каких счастливых результатов можно ожидать от разумного применения законов природы.
     
      Задача. Предположим, что болты инженера Молара имели в поперечном сечении 10 кв. сайт, и нагревались на 200° выше первоначальной температуры. Вычислите при этом допущении величину той силы, с какою каждый болт при остывании увлекал стену. (См. примеч. 1-е на етр. 139). Отв. Около 40 тонн; или 2400 пуд. — Сост.
     
      Тепловое расширение тел.
     
      Тепловое расширение большинства тел весьма значительно. Например, для железа коэффициент линейного расширения приблизительно равен 1,1.10-5. Если сравнить это значение с величиною модуля растяжения (см. примеч. 1) — 20.000 килогр. на кв. мм., то окажется, что для того, чтобы растянуть тело настолько, насколько оно удлиняется при нагревании на Г Ц., необходимо приложить к концам его силу в 0,2 кгр. на кв. мм. = 20 кгр. на кв. см. Если тело, подверженное обычный температурным изменениям внешнего воздуха (от — 20°Ц. до + 20°Ц.), прочно закреплено концами и не может расширяться, то в нем возникают напряжения до 300 кгр. на кв. см., которые, если и не разрушат его, то могут вызвать нежелательные деформации (выпучивание и т. п. *). Поэтому, например, железнодорожные мосты прочно закрепляются только на одном устое, другой же конец свободно катится по каткам, укрепленным на другом устое. Между железнодорожными рельсами оставляются промежутки, расчитанные на расширение их в жаркое время года **).
      *) Деформацией наз. изменение формы или объема тела. — Сост.
      **) Упражнения. Для рельсов длиною 28 футов оставляют между стыками промежуток, который при 0° равен Д дюйма. Принимая коэффициент расширения рельсовой стали равным 10 5 (т.-е. 0,00001), вычислите, насколько должны нагреться рельсы, чтобы свободный промежуток между ними совершенно закрылся? Отв.-, около 71°. Какой ширины будет этот промежуток при морозе в 25 Ц.? Отв.: около 1/3 дюйма.(А. В. Цингер). — Сост..
     
      Если трамвайные рельсы и спаяют часто вплотную, то эту операцию производят при средней температуре и, кроме того, закладывая их в грунт, предохраняют от бокового выпучивания.
      Большое значение имеет тепловое расширение при точных измерениях и в точных приборах. Здесь пользуются часто телами с исключительно малым коэффициентом расширения: кварцевым стеклом, коэффиц. расширения которого всего 3.107, иособой никкелевой сталью — инваром*), с коэффиц. расш. 9.10-7 и до 1,5.10-7.
      *) Содержит около 36% никкеля; слово «инвар» означает «неизменный*4. Весьма малым коэф, расширения обладает также дерево, — но только по направлению волокон: поперек волокон дерево расширяется гораздо значительнее: так, коэф. расш. дубовой древесины поперек волокон 54 миллионных, а вдоль волокон — только 5 миллионных. Поэтому дерева часто применяется при изготовлении маятников к стенным часам. — Сост.
      Вследствие малости коэффициента расширения кварцевое стекло оказывается чрезвычайно устойчивым против температурных изменений: его можно опустить в воду в раскаленном состоянии, не вызвав таких натяжений, которые произвели бы растрескивание его, что, наоборот, совершенно неизбежно при обыкновенном стекле с коэффициентом 9.10-6.
      Акад. А. Ф. Иоффе.
      «Курс молекулярной физики», 1919.
     
      История термометра.
     
      Изобретение первого термометра, как мы сейчас увидим, не заслуживающего этого названия, — приписывается великому итальянскому ученому Галилею, который в 1597 г. построил прибор, состоящий из шарика с трубкой, содержавших воздух, отделенный от наружного воздуха каплей воды. При изменении температуры эта капля перемещалась в ту или другую сторону. По двум причинам такой прибор не может быть назван термометром. Заметим, прежде всего, что между физическими приборами существует большое число таких, названия которых оканчиваются слогом «метр», — напр., термометр, барометр, гигрометр (измеряет влажность воздуха), гальванометр и т. д. Существуют другие приборы, название которых имеют на конце слог «скоп», — напр., термоскоп, бароскоп, гигроскоп, гальваноскоп и т. д. Из них первые дают возможность более или менее точно измерить соответствующую физическую величину, между тем как вторые только указывают, что физическая величина изменилась в ту или другую сторону; они, пожалуй, еще дают возможность сказать, которое из двух изменений больше, но ни о каком точном сравнении, ни о каком измерении речи не может быть. Ясно, что прибор Галилея в крайнем случае мог бы быть назван термоскопом. Необходимо, однако, прибавить, что и при неизменной температуре капля воды в трубке должна была смещаться в ту или другую сторону в зависимости от изменения атмосферного давления (открытого только в 1643 г.), так что прибор мог служить и бароскопом. Ясно, что его показания, зависящие от двух причин, от температуры и от барометрического давления, даже не могли всегда правильно указывать на направление, в котором меняется температура. Удивительно, что Герике, изобретатель воздушного насоса, построил около 1660 года совершенно такой же прибор с воздухом, хотя он знал об изменениях атмосферного давления и не мог не понимать их влияния на показания его прибора.
      Кто первый устроил термометр с жидкостью — определить трудно. Бельгиец Гельмонт (1577 — 1644) пользовался водяным термометром, но без шкалы. В 1641 году вода впервые была заменена спиртом, как утверждают, по предложению герцога Фердинанда II (1621 — 1670) во Флоренции. Таким термометром пользовались члены знаменитой Флорентийской академии, существовавшей всего только десять лет (1657 — 1667). Конец трубки был закрыт, а из трубки воздух был выгнан; на трубке находилась настоящая шкала, но градусы отмечались не черточками, как это делается ныне, а маленькими стеклянными пуговками, весьма искусно припаянными к трубке. Число градусов колебалось от 50-ти до 400; различные шкалы почти не могли быть сравниваемы между собою. Постоянными точками служили: наибольший зимний холод и наибольшая летняя жара во Флоренции.
      Еще в 1701 г. Ньютон пользовался термометром, наполненным, льняным маслом.
      Французский ученый Амонтон построил (1703) воздушный термометр, в котором, однако, температура измерялась не объемом, но давлением воздуха и в котором одной из постоянных точек служила темпера тура кипения воды.
      Правильная термометрия была основана трудами французского ученого Реомюра (1683 — 1757), немецкого Фаренгейта (1686 — 1737) и шведского Цельсия (1701 — 1744).
      Из них, Фаренгейт первый стал приготовлять спиртовые термометры, показания которых были одинаковы, что представляло огромный шаг вперед и вызвало величайшее удивление его современников. Около 1715 г. он заменил спирт ртутью и принял за постоянные точки температуру тающего льда (32° Ф.) и температуру тела здорового человека (96° Ф.). Перые его термометры не доходят до температуры кипения воды, о которой он, однако, в 1724 г. говорит, что она находится у 212° Ф. Неизвестно, пользовался ли он этой температурой для определения постоянной точки на самих термометрах.
      Реомюр описал в 1730 г. свой термометр, который был наполнен спиртом и в котором впервые шкала была построена на температурах таяния льда и кипения воды, как на двух постоянных точках, расстояние между которыми он разделил на 80 градусов. Делюк заменил спирт в этих термометрах ртутью. Цельсий построил свой ртутный термометр около 1742 года; он разделил промежуток между теми же двумя постоянными точками на 100 градусов, причем он температуру кипения воды принял за 0°, а температуру таяния льда за 100°. По предложению Штремера (1707 — 1770), эти числа были переставлены.
      Акад. О. Д. Хвольсон.
      «Физика и ее значение для человечества», 1921.
     
      Термометр.
     
      I.
      Термометр, без сомнения, есть одно из чудесных изобретений современной *) физики, которое в свою очередь много содействовало ее успехам.
      *) Писано в 1730 г.
      Он нам доставил большое число интересных знаний, которые были бы недостижимы без его помощи. Как мы во многих случаях могли бы без термометра узнать, что жидкости [некоторые], смешанные между собою, нагреваются? Без термометра мы никогда не открыли бы, что при растворении известных солей происходит охлаждение, а также при каких солях это охлаждение обнаруживается наиболее сильно. Мы не могли бы также узнать, что один кусок льда может быть холоднее другого. Мы также не могли бы открыть, что кипящая вода имеет температуру, выше которой вода вообще не может быть нагрета [при нормальном давлении].
      Все физики знают, что с термометром в руках можно произвести бесчисленные опыты. Но в этом приборе нуждаются не одни физики: применение его не ограничивается лабораториями — мы обычно узнаем по термометру, какова температура воздуха...
      До сих пор [т.-е. до 1730 г.] термометры почти совсем не употреблялись для определения наибольшего холода или жара в различных климатах — вопросов большой пользы и интереса. А между тем таким образом легко узнать, сколько градусов тепла или холода может выдержать человек. Столь же важно было бы знать, в каких температурах нуждаются для произрастания те растения и деревья, которые могли бы у нас акклиматизироваться.
      Реомюр.
      «Об устройстве термометров», 1730.
     
      II.
      Самый удобный способ для нанесения градусов на термометре есть, по моему мнению, тот, при котором отмечаются две точки, а именно: одна, при которой вода кипит, другая, при которой начинает замерзать. По этим точкам и следует отмечать градусы.
      Что касается точки замерзания, то Реомюр находил ее даже в теплую погоду при помощи искусственно вызванного холода [охлаждающей смеси]. Другие брали теплую воду и зимой выставляли ее на холод, оставляя в ней термометр до тех пор, пока она не начинала замерзать и покрываться с поверхности ледяною коркою. Этот способ может считаться, при осторожном пользовании, удовлетворительным. Но я убедился, что всего удобнее пользоваться тающим снегом и вставлять в него термометр, по крайней мере, на полчаса; ибо неоспоримо, что вода имеет одну и ту же степень холода, начинает ли она замерзать или начинает лед таять.
      Свои опыты я производил в течение двух лет во все зимние месяцы при всякой погоде, при переменах барометрического давления и всегда находил одну и ту же точку таяния льда на термометре. И я не только поступал так, как Ньютон, вставлявший термометр в тающий снег, — я брал во время сильного мороза холодный снег, приносил его в свою комнату и оставлял на огне до тех пор, пока он не начинал таять. Я брал также котел с тающим снегом и помещал его со вставленным в этот снег термометром в натопленную печь; при этом я всегда находил, что термометр все время, пока был плотно окружен снегом, указывал одну и ту же точку.
      Что касается другой постоянной точки, то достаточно хорошо известно, что вода не может нагреться выше известной степени. Раз она начала кипеть, то в продолжение всего времени ее кипения ртуть в термометре остается у одной и той же точки.
      Однако, Фаренгейт заметил, что точка, около которой останавливается ртуть термометра, когда вода кипит, находится в некоторой зависимости от высоты ртути в барометре. Я также заметил это удивительное явление; наблюдая положение этой точки при различных стояниях барометра, я нашел, что указания Фаренгейта были совершенно справедливы.
      Если, следовательно, желательно, чтобы точка кипения воды оставалась постоянною, то для этого необходимо определять то известное стояние барометра, с которым эта точка связана. Так как, согласно наблюдениям в Швеции и других странах Европы, средняя высота барометра равна 25 дюймам [старинным] и 3 линиям, то всего лучше считать точкой кипения воды ту точку, которую указывает термометр, когда вода кипит при только что приведенной высоте барометра.
      Когда найдены обе названные точки (таяния льда и кипения воды), лежащие в чувствительном термометре на довольно значительном друг от друга отдалении, то всего лучше обозначить градусы так, как это будет приведено дальше; при этом можно будет иметь уверенность в том, что различные термометры в одной и той же среде будут показывать одно и то же число градусов и что термометр, приготовленный, например, в Париже, будет показывать то же число градусов, как и термометр, изготовленный в Упсале.
      1. Шарик термометра вставляют в тающий снег и точно отмечают точку замерзания воды.
      2. Затем отмечается точка кипения воды при высоте барометра в 25 дюймов и 3 линии.
      3. Пространство между этими двумя точками делится на 100 равных частей, или градусов. Если эти деления продолжать еще ниже точки замерзания воды, то термометр готов.
      Цельсий.
      «Наблюдения над двумя постоянными точками
      Термометра», 1742.
     
      Примечание. Положение нулевой и сотой точки в термометре Цельсия было первоначально обратно современному (см. статью «История термометра): точка замерзания обозначалась 100°, а точка кипения 0°; таким расположением Цельсий желал избежать отрицательных чисел для обозначения низких температур. Но уже спустя восемь лет шведская Академия придала шкале тот вид, какой она имеет теперь.
      Вопросы. Как выражалась на первоначальной шкале Цельсия температура, обозначаемая нами теперь 37°Ц.? Температура замерзания ртути? Какому современному обозначению соответствует 37° первоначальной шкалы Цельсия? 130°? 1/2°? — Сост.
     
      Устройство термометра.
     
      Термометры имеют очень различное устройство. Их общая сущность состоит в том, что некоторое свойство какого-либо тела изменяется с температурой, и величина этого изменения служит для измерения последней. Таких свойств, которые изменяются со степенью нагретости тел, очень много, — можно даже сказать, что сюда относятся все свойства вещества; однако, для устройства термометра не все из них одинаково удобны.
      До сих пор наиболее удобными для измерения температуры оказались изменения:
      1) объема жидких тел,
      2) длины твердых тел,
      3) так наз., упругости или давления газообразных тел,
      4) изменение способности пропускать электрический ток (так называемой, электрической проводимости) у некоторых металлов и
      5) наконец, возникновение электрического тока при подогревании места спая двух металлов.
      Старейший и наиболее употребительный род термометров — это термометры, основанные на изменении объема жидких тел от температуры. Большинство жидкостей с увеличением температуры увеличиваются в своем объеме, т.-е. расширяются, а при уменьшении температуры сжимаются. Для того, чтобы заметить это расширение и сжатие, жидкость должна быть помещена в сосуд, снабженный по возможности узким горлом, даже лучше тонкой трубочкой. Трубочка может быть оставлена открытой или сверху запаяна — это безразлично, лишь бы было достаточно места для расширения жидкости. Такого рода приборчик представляет собою уже некоторый грубый термометр. Дальнейшее будет лишь усовершенствованием его. Во-первых, очевидно, чем больше резервуар и чем тоньше трубка, тем заметнее будет изменение объема с температурой, т.-е. тем чувствительнее будет наш термометр. Затем ясно, что точность, с которой мы можем отметить положение конца столбика жидкости, будет только в том случае полной, когда жидкость, налитая в сосуд, не смачивает стенок трубки. В самом деле, пусть жидкость смачивает трубку (пристает к ее стенкам, как, напр., вода, керосин) и пусть ее конец находится при известной температуре в точке а. При нагревании жидкость расширится, и ее конец дойдет, положим, до b; пусть теперь жидкость опять охладится; тогда конец ее опять опустится, но уже очутится ниже а, так как часть жидкости останется прилипшей к стенкам в промежутке между а и Ь. Ничего этого не будет, и при охлаждении до прежней температуры конец столбика жидкости будет всегда возвращаться на прежнее место, если жидкость не прилипает к стенкам трубки.
      Так как трубка, очевидно, должна быть прозрачной для того, чтобы можно было видеть положение конца колонки жидкости, и так как таким прозрачным веществом является почти исключительно стекло, то по необходимости в качестве жидкости, не пристающей к стеклу, приходится брать ртуть, хотя она во многих отношениях и менее удобна, чем другие жидкости. В самом деле: 1) ее расширяемость сравнительно не велика *); 2) ее вес очень большой, благодаря чему является неудобным изготовление термометров с очень большим резервуаром, ибо они становятся в этом случае очень ломкими; 3) ртуть замерзает при — 32° R., почему ртутными термометрами нельзя пользоваться для измерения очень низких температур **).
      *) Ртуть расширяется от теплоты в 6 раз меньше, нежели спирт, и в 10 раз меньше, чем эфир (при температуре 20°Ц.). — Сост,
      **) С другой стороны, ртуть имеет то преимущество над всеми прочими жидкостями, что коэффициент ее расширения почти не изменяется с температурой; кроме того, благодаря высокой теплопроводности и незначительной удельной теплоте (1/30), ртуть быстро принимает температуру измеряемого тела. — Сост.
      В окончательном виде термометр представляет собой небольшой стеклянный резервуар от 1/4 до 3 куб. сантиметров вместимости (только в редких случаях объем резервуара доводят до 7 куб. сайт.), к которому припаяна очень тонкая (капиллярная) трубка. Эта трубка бывает двух родов: или с очень толстыми стенками, так что она имеет вид скорее стеклянной палочки с очень тонким каналом посередине, или со стенками не такими толстыми: в этом случае вся трубочка является довольно тоненькой.
      В первом случае сама трубка образует собою «корпус» термометра, служит поддержкой резервуара и имеет по своей длине выгравированные деления на градусы и их части. Это первый тип термометров (так наз., штаб-термометры)?
      Во втором случае трубочка сама тонка, и «корпус* термометра образует другая более прочная и широкая трубка, служащая наружной муфтой (или гильзой). Деления в этом типе термометров наносятся на особой стеклянной или бумажной полоске, расположенной позади капиллярной трубочки внутри наружной стеклянной муфты. Сверху эта муфта запаивается или, как, напр., в очень употребительных медицинских термометрах, закрывается особой металлической крышечкой, прикрепленной к ней сургучом. Скала укрепляется внутри муфты также с помощью сургуча.
      Третьим типом термометров (впрочем, не претендующих на точные измерения) являются обыкновенные комнатные термометры, у которых деревянная скала прикреплена снаружи к довольно толстостенной капиллярной трубке термометра.
      В термометрах обоих первых типов полезно (чего иногда не делают) устраивать наверху трубки маленькое раздутие, так наз., запасную камеру, в которой могло бы поместиться значительное количество ртути, на случай неумышленного очень сильного нагревания термометра. Обыкновенно при изготовлении термометра воздух из этой камеры, как и из свободной части капиллярной трубки выкачивают. Это делается не потому, чтобы этот воздух мешал расширению ртути, а потому, что ртуть, особенно при высоких температурах, окисляется кислородом воздуха.
      Для весьма многих целей вполне достаточно термометра, деленного на градусы (длиною в 1/2 мм. каждый). Для более точных измерений пользуются часто термометрами, деленными на 1/10 долю градуса. Наконец, для еще более точных работ, особенно для измерений количества тепла, пользуются термометрами, деленными на 1/50 долю градуса, при расстоянии между делениями до 8/4 мм.; эти последние расстояния легко на глаз разделить еще на десятые доли, так что с помощью такого термометра можно измерять температуру с точностью до 1/500 или 0,002 долей градуса *). Это почти предел, которого можно достигнуть с ртутными термометрами.
      А. Щукарев.
      «Курс молекулярной Физики», 1910.
     
      Обычный ртутный термометр не пригоден для измерения очень высоких и Очень низких температур, так как ртуть в пустоте кипит около 250° и замерзает при — 40° **).
      *) Термометры, показывающие десятые и более мелкие доли градуса, устраивают не с полной скалой, а лишь с определенной частью ее (иначе термометр был бы непомерно длинен), так что для всевозможных измерений необходимо располагать набором из многих термометров с различными частями полной скалы.
      **) Точнее при — 39°Ц. Это открытие сделано было русским академиком Врауном в сильные холода зимы 1759 г. — Сост.
      Поэтому для очень низких температур употребляют термометры с толуолом или пентаном — жидкостями, трудно замерзающими [пентан замерзает при — 200°]. В термометрах для высоких температур пространство над ртутью заполняют азотом. При повышении температуры столбик ртути сам сжимает газ и вследствие созданного этим давления кипение ртути задерживается. Такие термометры нельзя, однако, употреблять выше 550°, так как тогда стекло начинает размягчаться, и термометр гибнет. Заменяя стекло плавленным кварцем, удалось приготовить ртутные термометры, годные до 750°. В них давление доходит до 50 атмосфер, и повышать его еще дале былое бы небезопасно для прибора. Однако, необычайная тугоплавкость кварца весьма затрудняет и удорожает производство таких термометров.
      К. Леонтьев.
      «Температура и ее измерение», 1918.
     
      Тепловое расширение воды.
     
      В XVIII столетии был найден поразительный факт, что вода при температуре около 4°Ц. представляет наибольшую плотность, т.-е. данная масса ее при 4° занимает наименьший объем; или, иными словами: жидкая вода от 0° при нагревании до 4°Ц. не расширяется, а сжимается, и только после этой температуры с нагреванием увеличивает свой объем, в отличие от всех почти других жидкостей, постоянно расширяющихся при нагревании.
      Всякая вода, содержащая что-либо в растворе, сильнее расширяется, чем чистая, и чем более веществ растворено в воде, тем ее расширение значительнее, — как видно из имеющихся данных для разных сортов морской воды.
      В природе изменения плотности и объема воды имеют весьма большое значение. Вода водоемов охлаждается с поверхности от лучеиспускания, нагревается также с поверхности — от солнечной теплоты, слои же воды располагаются по относительной своей плотности. Пока вода нагрета до температур высших, чем 4°Ц., верхние слои будут теплейшими, как это и видим в нормальных условиях; но если охлаждение достигает 4°Ц., то нижние слои будут теплее верхних, потому что при охлаждении плотность уменьшается. Следовательно, на поверхности воды достигается 0° или температура замерзания ранее, чем на дне водоема. Поэтому лед образуется в водоемах с поверхности, а не со дна или не с середины воды, как и видим в природе. Плавает лед по поверхности воды по той причине, что ан еще легче, чем вода при 0°.
      Воды соленые, напр., морская вода, имеют также свою температуру наибольшей плотности; она, как и температура образования льда у такой воды, лежит немного ниже, чем у чистой воды. На дне океанов всюду, даже под экватором, хотя на различных глубинах, лежит слой такой тяжелейшей воды, притекающей от полюсов по дну, — чем определяется уменьшение температуры воды в океанах по мере углубления.
      Так как вес кубической меры или удельный вес воды изменяется с температурой и с соленостью и так как соседние воды разной плотности (т.-е. разной температуры и солености) смешиваются лишь медленно, то от этого зависит распределение воды разной плотности — внизу более холодной или более соленой, а сверху более теплой или менее соленой — на разных глубинах морей и океанов и те течения в океанах и морях, которые Мори *) живо описал, как реки среди океанов (напр., Гольфстрем, несущий из тропиков теплую воду к западным берегам Европы). Этими течениями, — идущими как по поверхности, так и по дну, а иногда и в средней толще воды, — воды разных плотностей стремятся достичь устойчивого равновесия; а потому, например, от полюсов по дну океана текут потоки холодной и тяжелой воды, а по поверхности океанов — морские течения теплой воды от тропиков в средине широты. Прилив пресной воды, неравномерность глубины, ветры, очертания берегов и другие обстоятельства сильно влияют на направление этих путей. Адмирал Макаров **), исследовав многие подобные течения, установил и ту разность высот различных морей, которая происходит от этой разности плотностей воды различных морей, хотя бы и сообщающихся друг с другом. Так, напр., уровни Черного, Балтийского и Бискайского моря не вполне одинаковы. Отсюда уже видно, что данные для плотности воды играют важную роль в учениях, касающихся равновесий и движений воды на Земле.
      Д. И. Менделеев ***)
      «Новый Энциклопедический словарь».
      *) Выдающийся американский ученый (1807 — 1873). — Сост.
      **) С. О. Макаров — известный русский исследователь морей и флотоводец (1848 — 1904).
      ***) Дм. Ив. Менделеев — знаменитый русский ученый, химик и физик (1834 — 1907).
      ****) Вода продолжает расширяться при понижении температуры ниже нуля, если только остается .жидкой, — как показали опыты Депре, при которых прокипяченная вода была заключена в термометрический сосуд и могла быть охлаждена, не замерзая, до — 20°Ц. Лед при охлаждении ниже нуля сжимается.— Д. Л.
     
     
      Водяной термометр.
      Термометр, наполненный водой, вместо ртути, представляет интересные особенности. Погрузим его в тающий лед и отметим уровень воды чертою 0°, тогда при охлаждении — вода расширяется ****), а резервуар сжимается, вследствие чего уровень все более и более поднимается. Если же мы будем нагревать аппарат от 0°, то стекло будет расширяться, а вода сжиматься; следовательно, уровень будет понижаться. При +40 вода займет наименьший объем, а истинный коэффициент ее расширения станет равным почти нулю; но так как коэффициент расширения стекла почти постоянен, то его влияние окажется преобладающим и при дальнейшем повышении температуры уровень будет продолжать опускаться до тех пор, пока коэффициент расширения воды не сравняется с коэффициентом расширения стекла, — что в действительности имеет место около 6°. При этой температуре уровень достигает наинисшего положения, т.-е. вода займет наименьший видимый объем.
      При дальнейшем нагревании расширение воды берет перевес, и при +8° уровень становится на том же месте, где он был при 4-3°; при он становится на том же месте, где был при 0°; при +15° — на том же, как при —3° и т. д. Следовательно, одно и то же показание водяного термометра будет соответствовать двум различным температурам.
      Температура наибольшей плотности свойственна, кроме воды, также водяным растворам и некоторым другим телам, например, висмуту, чугуну и т. п. Наибольшая температура водных растворов не всегда может быть наблюдаема непосредственно, потому что для них температура плотности часто лежит ниже температуры замерзания; следовательно, при обыкновенных условиях они замерзают раньше, чем достигнут наибольшей плотности. Так, например, морская вода замерзает приблизительно при —1,8°, а наибольшая плотность ее наступает при 3,6°.
      Д. А. Лочинов.
      «Лекции физики, 1901.
     
      Теплоемкость воды.
     
      У разных веществ существует совершенно различное взаимоотношение между повышением температуры и количеством израсходованного на это тепла, т.-е. между теми разнородными величинами, из которых первая измеряется термометром, вторая — калориметром. Одни тела требуют для повышения температуры на 1° большого притока тепла, другие довольствуются малым количеством. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела на Г, называется теплоемкостью этого тела, а если речь идет об одном грамме вещества, то — у дельною теплоемкостью данного тела (на практике, вместо грамма, берут килограмм). Эта удельная теплоемкость у одних тел велика, у других мала и, разумеется, должна быть выражаема в каких-нибудь единицах; теплоемкость какого-нибудь тела должна быть принята за единицу, и выбор пал на воду, как и при определении единицы удельного веса.
      Итак, удельная теплоемкость воды принята равной единице, а теплоемкость остальных тел выражается в долях этой единицы. Тут обнаружилось нечто удивительное. Среди большинства тел (теплоемкость которых варьирует незначительно) вода обладает наибольшею теплоемкостью; лишь немногие приближаются к ней, да и из них ближайшие обладают теплоемкостью в 5, в 10, в 20 и 30 раз меньшею, чем вода. С этой особенностью воды приходится часто сталкиваться в технике и в домашнем обиходе — иной раз к выгоде для нас, иной раз — к ущербу, чаще же одновременно и к выгоде и к ущербу. Для примера упомянем лишь о водяном отоплении, где весьма медленное нагревание и столь же медленное остывание (т.-е. долгое сохранение тепла) обусловлено большой теплоемкостью воды. Что же касается варки пищи, то будь у нас выбор между несколькими жидкостями, мы без сомнения избрали бы не воду, которая требует для своего нагревания всего больше времени, всего больше энергии и, следовательно, обходится всего дороже. Почему вода обладает наибольшею теплоемкостью, мы не можем составить себе сколько-нибудь удовлетворительного представления *).
      *) Большею, чем вода, теплоемкостью отличаются только гелий (1,45) и особенно водород — 3,4 в газообразном состоянии и 6,4 в жидком. — Сост.
      Раньше мы привели такое определение: удельная теплоемкость есть количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма вещества на Г. При этом молчаливо предполагалось, что совершенно безразлично, происходит ли повышение температуры от 0° до 1°, или от 15° до 16° (комнатная температура) или в каком-нибудь другом температурном промежутке. Однако, это вовсе не так: теплоемкость у всех тел не остается неизменной при всякой температуре, а часто значительно меняется, при том так, что — за двумя исключениями — с повышением температуры возрастает и теплоемкость. Эти два исключения составляют ртуть и вода. У ртути это явление весьма просто: с возрастанием температуры теплоемкость падает. У воды же оно много сложнее: ее удельная теплоемкость от 0° и приблизительно до 27° постепенно падает, достигает здесь своего минимума и затем начинает возрастать. Правда, изменение теплоемкости воды не так уж значительно, но все же оно ясно выступает и поддается точному учету.
      Это обстоятельство значительно усложнило весьма важную в практическом отношении задачу установления истинной единицы удельной теплоемкости, т.-е. калории. Для этого можно было бы взять количество теплоты, потребное для нагревания 1 грамма воды от 0° до 1° или от 15° до 16°, — но эти количества можно определить только косвенным «путем, потому что в таком маленьком температурном промежутке невозможно сделать непосредственные точные измерения. Всего лучше взять весь промежуток от 0° до 100°, в котором вода при нормальных условиях остается жидкой, и полученное измерением количество теплоты, деленное на 100, даст среднюю теплоемкость в этом промежутке. Впрочем, недавно выяснилось, что полученная таким путем удельная теплоемкость весьма мало отличается от теплоемкости при комнатной температуре, и потому, по международному соглашению, она принята за единицу количества теплоты — Калорию.
      Как сказано было выше, удельная теплоемкость воды необычайно велика по сравнению с другими телами. Но имеется вещество, к которому на первый взгляд, это не относится, так как оно родственно воде, вернее, так как оно есть та же вода, только в другом состоянии, а именно — лед. Однако, вопреки ожиданиям, лед имеет значительно меньшую теплоемкость, нежели вода, — почти вдвое. То количество теплоты, которое нагревает на 1° один грамм воды, нагревает два грамма льда. Это наблюдается даже в том случае, когда оба тела — и грамм воды и грамм льда — имеют одну и ту же начальную температуру, напр., 0°, и одну конечную, напр., 1°. Так велико различие в явлениях при столь близком родстве вещества!
      Ф. Ауэрбах.
      «Семь аномалий воды», 1912.
     
      Медный и фарфоровый чайник.
     
      У нас имеются два чайника, вмещающие по 500 граммов воды. Один сделан из тонкой меди и весит только 150 граммов, другой — тяжелый фарфоровый и весит 300 граммов. Чай, как известно, хорошо заваривается только в кипящей воде. Но когда мы наливаем в чайник воду, нагретую до 100°, то часть теплоты воды поглощается стенками чайника. На сколько же понизится вследствие этого температура воды в наших чайниках? (...)
      Отсюда ясно, что в нашем медном чайнике чай должен лучше завариваться, нежели в фарфоровом. Однако, этот недостаток фарфорового чайника легко устранить; для этого достаточно чайник предварительно нагреть — и тогда фарфоровый чайник будет иметь даже преимущество перед медным: так как фарфор хуже проводит тепло, чем медь, то в фарфоровом настой дольше останется горячим.
      Л. Пфаундлер.
      «Физика обыденной жизни».
     
      Упражнения. Вполне ли точен приведенный здесь расчет? Какое обстоятельство здесь не было принято во внимание? Проделайте вычисление более точно (правильный ответ: 97,7° и 90,9°). — Почему советуют, прежде чем заварить чай, сполоснуть чайник горячей водой? — Почему второй стакан чаю нередко бывает более горяч, чем первый? Сост.
     
      Вода — регулятор климата.
     
      Удельная теплота атмосферного воздуха =0,25, т.-е. составляет четвертую долю удельной теплоты воды. Следовательно, один фунт воды, теряя 1°, согревает фунт воздуха на 4°, или 4 фунта воздуха на 1°. Но один фунт воздуха наполняет около 770 раз большее пространство, чем один фунт воды; и, следовательно, 4 фунта воздуха наполняют 3080 раз большее пространство, чем фунт воды. Поэтому один фунт воды, остывая в воздухе на 1°, в состоянии повысить на 1° температуру объема воздуха в 3080 раз большего, чем его собственный.
      Отсюда ясно огромное значение этого свойства воды, как регулятора климата. Становится понятным, почему климат островов гораздо умереннее и ровнее, нежели климат материков: окружающее море жадно поглощает солнечные лучи, но остается при этом сравнительно прохладным, умеряя таким образом температуру воздуха на островах. Зимою же накопленная за лето теплота выделяется водою весьма медленно. Каждый литр воды, отдавая воздуху свою теплоту, согревает 3080 литров воздуха на столько же градусов и, благодаря этому, предохраняет острова от зимнего холода. Это объясняет нам тот факт, что в Исландии зима менее сурова, чем в Милане. Мы можем этим объяснить также, почему в Англии лавры и другие нежные растения растут на открытом воздухе, тогда как в более южных странах они погибают от морозов, и почему лето Англии не позволяет созревать винограду, между тем как в упомянутых южных странах он растет в изобилии.
      Итак, самые простые факты, которые мы изучаем в лабораториях, составляют ступени, по которым человек восходит до точного понимания величайших явлений природы.
      Тиндаль.
      «Физика в простых уроках».
     
      Точка плавления и точка затвердевания.
     
      Температура, при которой плавится лед, — строго определенная, и потому точка плавления льда есть такое же определенное свойство воды в твердом состоянии, как плотность, окраска и т. п. Каждое вещество характеризуется определенной точкой плавления, и так как даже на самых маленьких крупинках вещества можно легко заметить, как при нагревании оно начинает плавиться, то температура плавления часто применяется на практике, как средство характеристики и распознания веществ.
      Но как же обстоит дело с обратным процессом затвердевания жидких веществ? Опыт отвечает на этот вопрос: так же, как и при плавлении твердых веществ. Если поместить смесь воды и льда не в теплой комнате, а на морозном зимнем воздухе, чтобы постепенно наступило замерзание воды, то мы найдем, что ртуть термометра займет опять совершенно то же положение, как и при плавлении, а следовательно, смесь имеет ту же самую температуру. Итак, в каком бы направлении ни совершалось превращение — от льда к воде, или от воды ко льду, — до тех пор, пока лед и вода находятся рядом друг с другом, температура остается постоянной.
      Назвав температуру, при которой жидкость затвердевает, точкой затвердевания (замерзания), мы должны отметить, следовательно, что точки плавления и замерзания совпадают; в сущности, это даже не две различные точки, но обе обозначают ту температуру, при которой твердое и жидкое состояние вещества могут существовать одновременно, находясь рядом друг с другом. При этом безразлично, увеличивается ли количество одной или другой формы вещества, — это не имеет никакого влияния на температуру смеси.
      Что же произойдет, однако, когда в конце концов весь лед растает? После того, как весь лед растаял, образовавшаяся вода может, конечно, нагреваться дальше, если сосуд стоит в теплом помещении. Если же, напротив, он помещается в холодной среде, то вся жидкая вода постепенно превращается в лед, который в свою очередь может быть охлажден до любой низкой температуры. Однородные вещества, воду или лед, можно довести до различных температур: лед насколько угодно градусов ниже 0°, воду выше 0°. Следовательно, нуль градусов есть та граница, на которой соприкасаются температурные области льда и воды.
      То, что наблюдается для льда и воды, наблюдается также и для других веществ — с той только разницей, что их точка плавления, или температурные границы между твердым и жидким состояниями лежат при других степенях тепла.
      Вильг. Оствальд.
      «Введение в изучение химии».
     
      Опыты Блэка*) над таянием льда.
      *) Джозеф Влэк — выдающийся шотландский ученый XVIII века, профессор химии, основатель учения об удельной теплбте и о скрытой теплоте плавления и парообразования. Умер в 1799 г. — Сост.
     
      В 1757 году Блэк заметил, что когда лед или какое-нибудь другое тело переходят в жидкое состояние, то поглощается гораздо больше теплоты, чем обнаруживается помощью термометра. При этом тающие тела, поглощая значительное количество теплоты, не становятся, однако, заметно теплее. И обратно: когда жидкость отвердевает, из нее выделяется значительное количество теплоты, которая, однако, не могла быть обнаружена раньше помощью термометра.
      Тогда Блэк приступил к определению того количества теплоты, которое поглощается при плавлении определенным количеством льда. В большом пустом пространстве, где температура оставалась достаточно постоянной, он повесил в некотором расстоянии одна от другой две колбы; в одной он поместил пять унций льда при 0°Ц., а в другой — воду при 0°Ц.; в воде помещен был точный термометр. Температура помещения была 8°Ц. Через полчаса температура воды поднялась до 4°; лед же весь растаял только спустя 10,5 часов. Итак, для того чтобы растопить лед, потребовалось в 21 раз больше времени, чем для того, чтобы вода нагрелась на 4е, т.-е. 4X21=84 единицы. Пять унций воды тем же количеством теплоты нагрелись бы на 84°. Но по истечении 10,5 часов температура ледяной воды была только на 4° выше точки таяния, так что 80 градусов «были поглощены тающим льдом и скрыты в воде, в которую этот лед превратился».
      Затем форма опыта была изменена, Блэк взвесил кусок льда и опустил его в воду определенного веса и известной температуры. Теплая вода стала гораздо более холодной, чем в том случае, когда к ней прибавили равное количество воды при 0°. В этом опыте количество теплоты, необходимое для растопления льда, оказалось равным количеству, которое необходимо для нагревания такого же веса воды на 81°.
      Потом был произведен третий опыт, из которого явствовало, что если поместить кусок льда в воду равного веса и температуры 81°, то он тает целиком, и вся смесь принимает температуру 0°. Ясно, следовательно, что для растопления льда потребовалось 81 единица — результат, совпадающий с предыдущим. Таким образом, скрытая теплота воды оказывалась равной 80. Точные современные измерения дают 79,5. Определение Блэка удивительно хорошо, если принять в расчет грубость измерительных средств, которыми он должен был тогда пользоваться.
      Вильям Рамсей.
      «Биографические и химические очерки» 1909.
     
      Таяние льда.
     
      Если обратим внимание на то, как лед и снег тают, когда они подвергаются действию теплого воздуха или когда после мороза наступает оттепель, то мы можем легко заметить, что как бы холодны они сначала ни были, они скоро доходят до их точки плавления, скоро начинают превращаться на поверхности своей в воду. Если бы было справедливо обычное мнение, что для полного их превращения в воду требуется лишь дальнейшее сообщение очень небольшого количества тепла, то через несколько минут или секунд вся масса, будь она даже значительных размеров, вполне расплавилась бы, потому что теплота непрерывно сообщается ей окружающим воздухом. Будь действительно так, последствия от этого во многих отношениях были бы ужасны: ибо если и при том, как обстоит дело в действительности, таяние больших масс снега и льда вызывает бурные потоки и большие наводнения в холодных странах, — то что было бы, если бы снег и лед таяли так быстро» как необходимо следует из упомянутого мнения? [Медленность же таяния объясняется, согласно Блэку, тем, что на плавление расходуется теплота].
      ...Указанная теплота [т.-е. теплота плавления] идет исключительно на то, чтобы превратить лед в воду, при чем получившаяся вода не будет теплее, чем раньше был лед. Другими словами, тающему льду сообщается известное количество тепла, которое уходит на то, чтобы превратить его в жидкое состояние, не повышая его температуры. Теплота, таким образом, как бы поглощается водою или скрывается в ней, так что не оказывает на термометр никакого действия.
      Джозеф Блэк (1757).
     
      Теплота плавления воды.
     
      Вода обладает необыкновенно большой теплотой плавления; не менее 80 калорий необходимо затратить, чтобы растопить лед: 80 грамм-калорий на 1 грамм льда. Иначе говоря: чтобы растопить 1 грамм льда, необходимо затратить столько же энергии, сколько ее нужно было бы для нагревания 80 гр. воды на 1°, или 1 гр. воды на 80°. В данном случае процесс плавления равноценен нагреванию на 80°. Выражаясь еще иначе: лед при 0° и вода при 0° по содержанию скрытой энергии столь же сильно отличны друг Ьт друга, как вода при 0° и вода при 80°. Для сравнения укажем, что теплота плавления бензола *) — 30, свинца — 5,5 серы — 9,5, чистого железа — 6 калорий. Из металлов только один обладает весьма большой теплотой плавления — алюминий [102 калории], — свойство, получившее огромное техническое применение.
      *) Бензол при обыкновенной температуре — -летучая жидкость. — Сост.
      За следствиями, которые вытекают из большой теплоты плавления воды, недалеко ходить. Если уже при существующих условиях мы жалуемся, что употребляемый в хозяйстве лед слишком быстро тает, то насколько было бы неудобнее, если бы вода имела менее значительную теплоту плавления? В природе же тепловая инерция воды (так можно назвать рассматриваемое здесь свойство воды в связи с необыкновенно большой ее удельной теплоемкостью) кладет свой отпечаток на все явления, наблюдаемые в морях, реках, глетчерах и снежных полях.
      Теплота плавления не есть величина, которая при всяких обстоятельствах характеризуется одними и теми же числами. Она принимает различные значения в зависимости от того, происходит ли плавление при 0° или при другой температуре (что возможно при изменении давления или при иных обстоятельствах). Например, при 7° ниже нуля теплота плавления достигает только 76 калорий, и вообще с каждым градусом понижения она уменьшается почти на полкалории. Этот факт, рассматриваемый вне связи с другими, может показаться неожиданным: чем лед холоднее, тем сильнее, казалось бы, должен он противиться таянию; в действительности же наблюдается обратное. Эта странная особенность находится в связи с тем, что удельная теплоемкость льда меньше, чем воды; дальнейшее развитие этой связи завело бы нас слишком далеко. Упомянем лишь, что такою же особенностью обладают еще два-три тела (многие тела еще не исследованы с этой стороны) — и в числе их, например, фосфор.
      Ф. Ауэрбах.
      «Семь аномалий воды», 1912.
     
      Равенство теплоты плавления и теплоты затвердевания.
     
      Можно доказать непосредственным измерением, что при замерзании воды выделяется то же количество тепла, какое затрачивается при плавлении соответствующего количества льда. Далее, можно доказать справедливость того же закон» для всех других веществ, известных в твердом и жидком состоянии, пользуясь для этого общим опытным законом, что тепло не может ни образоваться, ни исчезнуть, если одновременно не происходит никаких изменений в окружающей среде. Этот последний закон представляет частный случай общего закона о невозможности perpetuum mobile (перпетуум мобиле — вечное движение), или закона сохранения энергии, который является самым общим законом современного естествознания и будет нам встречаться в самых разнообразных формах.
      Действительно: если бы теплота плавления данного количества воды была меньше, чем теплота затвердевания, то при плавлении мы затрачивали бы меньше тепла, чем получали бы при замерзании, и благодаря этому получали бы некоторый избыток тепла. Если бы мы заставляли плавиться определенное количество льда и затем снова превращали бы полученную воду в лед, то, повторяя эти оба процесса любое число раз, мы могли бы накопить и произвольно увеличить этот избыток тепла без каких-либо изменений во внешней среде, т.-е. могли бы создать любое количество тепла из ничего. Согласно опыту, это невозможно.
      Если бы, напротив, теплота плавления была больше, чем теплота замерзания, то, подобно предыдущему, произвольное количество тепла исчезало бы без каких бы то ни было изменений во внешнем мире, опять-таки — явление, которое противоречит опыту. Итак, не остается ничего другого, как принять, что оба количества тепла равны между собой.
      Вильг. Оствальд.
      «Введение в изучение химии».
     
      Существует только один вид теплоты.
     
      Откуда бы теплота не исходила — от руки, от нагретой воды, пара, до-красна нагретого железа, пламени, солнца или иного источника теплоты — всегда ее можно измерить одинаковым путем, и количество теплоты, требуемое для произведения данного изменения — таяния фунта льда, обращения в пар фунта воды или же для нагревания воды от одной температуры до другой, — всегда одно и то же, из какого бы источника теплота ни выделялась.
      Чтобы выяснить, не зависит ли действие теплоты от чего-либо, кроме количества получаемой теплоты, например, от температуры источника, мы произведем два опыта. Сначала употребим некоторое количество теплоты (например, теплоту, получающуюся при сгорании одного дюйма свечки) непосредственно на расплавление льда. Затем такое же количество теплоты сообщим куску железа, находящемуся при температуре замерзания воды; железо нагреется, и тогда мы поместим его в лед, так что некоторое количество льда растает, в то время как железо охладится до своей первоначальной температуры. Если бы количество растаявшего льда зависело от температуры источника теплоты, то в обоих случаях количества растаявшего льда должны были бы различаться, так как в первом случае теплота исходит непосредственно от сильно нагретого пламени, а во втором — то же самое количество теплоты исходит от сравнительно холодного железа.
      Опыты показали, что никакой разницы в обоих случаях не существует, а потому теплота, рассматриваемая по отношению к ее способности нагревать тела и изменять их состояние, есть количество, подлежащее точному измерению, и не может представлять качественных отличий.
      К. Максуэлл.
      «Теория теплоты», 1883.
     
      Расширение воды при замерзании.
     
      Начиная с 4°Ц. до самой точки замерзания, вода при охлаждении расширяется, а когда она превращается в лед, расширение ее совершается быстро и внезапно. Лед, как известно, плавает на воде, потому что, вследствие расширения, он становится легче ее.
      Сила, с которою происходит это расширение воды при замерзании, огромна. Чтобы составить себе понятие об этой напряженности, сделаем опыт: вода наливается в железный сосуд, стенки которого имеют полдюйма толщины. Количество воды не велико, но она наполняет сосуд; после этого он плотно закрывается крышкой, навинчиваемой на его шейку. Берем и другой такой же сосуд. Погрузим оба сосуда, в охлаждающую смесь. Они постепенно охладевают, вода внутри них доходит до своей точки наибольшей плотности, и без сомнения в этот момент не совершенно наполняет бутылки, а оставляет внутри небольшую пустоту. Но скоро сжатие воды прекращается, наступает расширение; пустота медленно заполняется; вода постепенно переходит из жидкого состояния в твердое, причем объем ее увеличивается, и этому увеличению объема сопротивляются стенки железного сосуда. Но их сопротивление бессильно перед молекулярными силами: молекулы — это замаскированные гиганты. Раздается треск: бутылка разрывается кристаллизующимися частицами; то же происходит и с другою бутылкой.
      В другом опыте с громким взрывом лопались толстые стенки артиллерийской бомбы: бомба была наполнена водою, туго завинчена и поставлена в кадку с охлаждающей смесью. При выполнении этого опыта надо покрывать кадку толстым холстом: когда я не делал этого, обломки бомбы подбрасывало под потолок.
      Теперь вам понятно действие мороза на водопроводные трубы в домах. Обычно думают, что разрыв труб происходит во время таяния льда в трубах *), но на самом деле это происходит во время замерзания: трубы разрываются, и через их щели просачивается вода, образующаяся при таянии льда.
      *) Вследствие дурной теплопроводности стен и почвы, холод весьма медленно проникает через них и достигает водопроводных труб в домах (особенно в подвалах) с значительным опозданием — нередко лишь тогда, когда вне здания успела уже после морозов наступить оттепель; в этом, по всей вероятности, и следует видеть причину распространенного заблуждения, будто водопроводные трубы лопаются не в мороз, а в оттепель, т.-е. не от замерзания воды, а от таяния льда. — Сост.
      Остановимся немного на значении этого свойства воды в экономии природы. Румфорд, посвятивший этому предмету целую главу, между прочим, писал: «Мне кажется, что во всем видимом мире, подлежащем изучению человеческого разума, нет явления, которое могло бы поразительнее и осязательнее свидетельствовать о премудрости Творца и той заботливости, с какой Он устроил мир для сохранения животной жизни». Это воодушевление Румфорда вызвано соображением следующего рода. Представим себе озеро в холодный зимний день; верхний слой воды охлаждается, сжимается, становится плотнее и опускается, а место его занимает нижний слой, более теплый и более легкий, который потом охлаждается в свою очередь и спускается. Таким образом устанавливается круговорот: плотная, холодная вода идет ко дну, а более легкая, теплая поднимается наверх. Предположим теперь, что это продолжается и после того, как на поверхности воды образовалась тонкая ледяная кора, другими словами, предположим, что плотность воды с охлаждением ее неизменно возростает. Тогда образовавшийся лед тотчас опускался бы на дно, и это продолжалось бы до тех пор, пока вся вода не замерзла бы. Все живые существа, обитающие в воде, при этом погибли бы. И вот, как бы во избежание этой опасности, природа уклоняется от обычного пути: она заставляет воду расширяться от холода, и холодная вода, подобно пене, плавает над более теплой водой. При дальнейшем охлаждении вода отвердевает, но это твердое тело опять-таки легче лежащей под ним жидкости, — и лед является защитительной кровлей для живущих под ним существ.
      Очевидно Румфорд усматривал в этом свойстве воды единственное исключение из общего закона природы. «Не видим ли мы здесь чудесного вмешательства Провидения с целью препятствовать распространению царства вечного льда на всей земле? В тех широтах, где теперь возвращение весны приветствуется криками восторга, где земля сама покрывается веселою одеждой и миллионы живых существ оглашают воздух песнями радости и ликования, — там раздавался бы только вой сурового ветра и видны были бы лишь снега, льды да облака, приносящие снежные бури».
      Такие явления естественно поражают тех, которые знакомятся с ними. Но Румфорд заблуждался, предполагая, что это свойство воды доказывает чудесное посредничество Провидения. Предо мною железный сосуд, расколотый сверху до низу, — в нем заключается металл висмут. Я налил висмут в сосуд, когда этот металл был в расплавленном состоянии, и после того завинтил крышку сосуда. Металл охладился, затвердел и расширился с такою силою, что сосуд разорвался. Это свойство висмута не спасает от гибели ни одного живого существа, — а между тем оно вполне тождественно с тем свойством воды, о котором у нас шла речь. Скажу раз навсегда, что естествоиспытателю нет дела до каких бы то ни было намерений и целей природы. Исследуя природу, он должен доискиваться лишь почему, а не для чего происходит то или иное явление,
      Дж. Тиндаль.
      «Теплота, как род движения», 1880.
     
      Образование льда.
     
      Если температура -остается некоторое время постоянно ниже нуля, неподвижные, т.-е. не имеющие течения, воды начинают замерзать на своей поверхности. На последней появляется легкая рябь, делающая ее матовой, и мало-по-малу образуется тонкая корочка, которая быстро начинает утолщаться и белеть, если продолжают стоять холода. Явление это объясняется условиями равновесия слоев воды, различных между собою по температуре и плотности.
      Положим, что в ту минуту, как северный ветер принес с собою мороз, наша вода во всей ее массе имела температуру 10 градусов. Охлаждение жидкости от соприкосновения с холодным воздухом происходит по направлению снаружи внутрь. Поверхность, имевшая 10 градусов, скоро примет температуру только 9 градусов; но при 9° вода бывает плотнее, тяжелее, чем при 10; поэтому она упадет на самое дно и заменится не охладившимся еще слоем, температура которого равняется 10 градусам. Этот последний, в свою очередь, подвергнется участи первого слоя, и так далее. Словом, в больший или меньший промежуток времени вся вода нашего пруда, на всей ее глубине, примет температуру 9 градусов. Но вода при температуре 9 градусов будет охлаждаться совершенно таким же образом, как охлаждалась она при 10 градусах, то-есть опять последовательными слоями. То же явление будет повторяться в таких же условиях при температуре воды в 8, 7, 6 и 5 градусов; но когда дело дойдет до 4 градусов, то все изменится.
      В самом деле, при температуре 4 градусов вода достигнет своей наибольшей плотности. Когда охлаждающее действие воздуха отнимает 1 градус тепла от верхнего слоя воды, когда этот последний будет иметь температуру только 3 градуса, то такой слой окажется менее плотным, чем вся та масса воды, которую он покрывает собою: вследствие этого, он уже не погрузится более вниз. Новое уменьшение теплоты и подавно не заставит его погружаться, потому что при 2 градусах вода еще легче, чем при 3 градусах. Итак, оставаясь постоянно на наружной поверхности, непрестанно подвергающейся охлаждающему действию воздуха, упомянутый слой воды очень скоро потеряет все 4 градуса тепла, которыми он еще обладал, и кончит тем, что достигнет нуля и, наконец, замерзнет. Отсюда следует, что под этой наружной ледяной пластинкой, как под крышкой, вся остальная вода останется в жидком состоянии, при чем температура ее, по крайней мере, на дне, будет на четыре градуса выше точки замерзания. И очевидно, что замерзание спокойно стоящей воды не могло бы происходить никаким другим способом.
      Реки и вообще текучие воды замерзают не с поверхности, как стоячие воды, но образуют над собою ледяную кору путем соединения и спайки пловучих льдин, все более и более накопляющихся на реке во время больших холодов.
      В небольших потоках воды, каковы ручьи и речки в несколько аршин шириною, лед начинает образовываться у каждого берега по всей его длине, и выступая вперед все более и более, доходит, наконец, до средины потока. В больших и сильных потоках, лед, образовавшийся вдоль берегов, не может столь же легко наростать, вследствие движения мимо него большой массы воды, и никогда не мог бы побороть это течение, дорости до средины и покрыть собою реку во всю ее ширину Но в то же время большие пластины льда образуются на дне реки; эти льдины, в виде отдельных кусков разнообразной и неправильной формы, тотчас же отделяются от дна и всплывают на поверхность, благодаря своей меньшей плотности сравнительно с водою.
      В речках, где вследствие течения постоянно возникают водовороты или водопады, вода не располагается последовательными слоями неодинаковой плотности. Здесь самая легкая вода не находится постоянно на поверхности: течения постоянно вгоняют ее в общую массу и смешивают с ней, постепенно ее охлаждая; таким образом, очень скоро оказывается, что вся вода в реке принимает одну и ту же температуру. В стоячей воде, как мы видели, охлаждение у дна не может быть ниже 4 градусов; но если эту воду постоянно взбалтывать, то она и на поверхности, и в средине, и на самом дне может одновременно иметь одинаковую температуру, например, нулевую. По достижении такой одинаковости температуры, вода начинает замерзать со дна. Вот как объясняет это Араго:
      Чтобы ускорить образование кристаллов в соляном растворе, достаточно ввести в него какой-нибудь остроконечный или угловатый, шероховатый предмет; около неровностей этого тела и начнут, главным образом, возникать кристаллы и быстро разростаться. Всякий легко -может убедиться, что то же самое справедливо и относительно образования кристаллов льда; если в сосуде, где происходит на ваших глазах замерзание воды, есть щель, бороздка или какое бы то ни было нарушение непрерывности поверхности, то эти именно неправильности и становятся центрами, около которых по преимуществу отлагаются иголочки отвердевшей воды. Все, что мы сейчас сказали, в точности происходит и при замерзании рек: образование льда происходит на самом их ложе, где имеются скалы, камни, древесные пни, трава и пр. Чем дольше стоят морозы, тем более увеличивается толщина образовавшегося льда и, наконец, становится столь толстой и прочной, что люди и тяжелые возы могут безопасно двигаться по нем; такая способность льда выдерживать большее или меньшее давление служит даже указателем и до некоторой степени мерою суровости зимы. Поэтому любопытно знать, какова должна быть толщина льда, чтобы он мог выдержать известные тяжести. Из опытов было найдено, что нужна толщина 5 сантиметров (2 дюйма), чтобы лед мог держать одного человека, и 9 сантиметр (2 вершка), чтобы по нем безопасно мог проехать всадник. Когда лед достигает 3 вершк. (13 сайт.), по нем уже можно перевозить пушки на санях; при толщине 20 сантим. (4,5 вершка), по нем можно везти полевые артиллерийские орудия в обыкновенной запряжке. Наконец, самые тяжелые из военных повозок, целая армия или многочисленная толпа людей может считать себя в полной безопасности на льду, если толщина его достигает 6 вершков (27 сантиметров).
      В очень суровые зимы лед на реках России может достигать толщины около 1,5 аршина, но во Франции он никогда не бывает толще 14 или 15 вершков. Сопротивление льда таково, что в 1740 году в Петербурге оказалось возможным построить из него красивый дворец длиною в 9 сажен, шириною 3 сажени и вышиною 3 сажени. Основание этого ледяного дома превосходно выдерживало тяжесть стен и кровли. Перед ним стояло шесть ледяных пушек на лафетах из того же материала. Из них произвели по выстрелу ядрами; каждое из них пробило на расстоянии 60 шагов доску толщиною в 2 слишком дюйма. Стенки пушек были толщиною всего лишь 4,25 дюйма; для заряда брали по четверти фунта пороха, и ни одна из пушек не треснула. Весь материал для постройки этого своеобразного здания был доставлен Невою.
      В Монреале, в Канаде, часто строили, напр., в 1885, 1887 годах во время карнавалов подобные же парадные замки из ледяных глыб.
      К. Фламмарион.
      «Атмосфера».
     
      Примечание. Сооруженный в Петербурге в 1740 г. ледяной дом (описанный в романе Лажечникова «Ледяной дом») стоял с января до исхода марта. Он имел 9 сажен в длину и 3 саж. ширины. Русский академик Крафт по этому поводу писал: «Ежели бы в солнечном теле жители обретались, то бы они текущим железом мыться и оное пить могли: жители, которых в планетах Венере и Меркурии в уме себе представить можем, могли бы равным образом свинец и олово употреблять. Вода наша, которую мы по большею частью видим как жидкое тело, в планете Сатурне всегда бы была камень, подобный твердостию мрамору, который бы однако ж сие свойство имел, чтобы от великого огня растаять мог. Ежели обретаются в оной планете жители, которым бы нужда велела домы себе строить, то бы они, конечно, сей водяной камень на то употребляли... Но и здесь, в Санкт-петербурге мы видели из чистого льда построенный дом, который по правилам новейшей архитектуры расположен и для изрядного своего вида и редкости достоин был, чтобы по крайней мере таково же долго стоять, как и наши обыкновенные домы. («Описание ледяного дома», 1741 г.). — Сост.
     
      Влияние давления на ход плавления.
     
      Точка плавления тех тел, которые при плавлении сжимаются, действием давления понижается, и наоборот.
      Это действие давления на точку плавления было сперва выведено теоретически и затем подтверждено опытом *). -Причина, почему оно ранее ускользало от внимания наблюдателей, заключается, вероятно, в чрезвычайно малой величине его даже при больших давлениях.
      Для льда теоретически выведено и в точности подтверждено опытом понижение точки плавления в 0,0075 градуса Цельсия на каждую прибавленную атмосферу давления. Можно выразить это в грубой форме, сказав, что под давлением одной тонны на квадратный дюйм лед плавится на один градус Цельсия ниже своей обыкновенной точки плавления **).
      *) Открытие этого влияния сделано Джемсом Томсоном в 1849 г., и вычисленное им понижение точки плавления льда действием давления было в точности подтверждено в том же году опытами (его брата) Вильяма Томсона (он же — лорд Кельвин). Гопкинс, Бун-зен и др. определили опытным путем повышение точки плавления, производимое давлением в веществах, которые при переходе в жидкое состояние расширяются. Тэт.
      **) Упражнение. Проверьте правильность этого расчета, принимая за «атмосферу давление 1 килограмма на кв. сантиметр. — Сост.
      Многие последствия этого важного факта были общеизвестны прежде, чем указан был самый факт. В одной форме он, конечно, был хорошо известен сотни лет тому назад — именно в форме опыта, который мы производим, скатывая снежный шар. Школьники хорошо знают, что после очень морозной ночи снег не «катается”: производимое их руками давление недостаточно сильно для этого. Но если некоторое время подержать снег в руках, чтобы он согрелся приблизительно до точки плавления, то он опять получает способность «кататься» или, лучше, «быть скатываемым». Замечая колею, оставленную в снегу колесом, мы видим, что снег в ней раздавлен; обычно вслед за проездом нагруженной телеги, — а после проезда двух или трех даже наверное — снег оказывается сплоченным в чистый прозрачный лед. То же самое происходит постепенно, когда достаточно народа проходит по мостовой, покрытой снегом; и во всех этих случаях наблюдаемый результат обусловливается незначительным понижением точки замерзания.
      Теперь мы можем понять, каким образом огромные ледниковые массы (глетчеры) медленно, подобно вязкому телу, подвигаются вперед в силу того своеобразного свойства льда, о котором идет речь: эти массы под большим давлением становятся как бы вязким телом. Давление внизу, в массе ледника, конечно, должно быть очень велико, и так как вся масса, — особенно летом — пропитана водой, то температура льда никогда не может упасть значительно ниже точки замерзания (кроме некоторых исключительных случаев, и то близ свободной поверхности). При поступательном движении массы, каждое мгновение в ней будут места, где давление окажется наибольшим — где именно вязкое тело в таких же условиях уступило бы. Лед не обладает такою способностью уступать давлению, — но в нем есть нечто, обусловливающее совершенно сходный результат: там, где давление сосредоточивается, лед плавится, и так как вода занимает меньший объем, чем породивший ее лед, то мгновенно освобождается место, и давление переносится в другую часть массы. Вода таким образом освобождается от давления, уступая вследствие своего собственного сокращения при плавлении. Но по прекращении давления вода еще остается при температуре, которая ниже точки замерзания, и потому тотчас же снова превращается в лед. Все действие состоит а том, что лед на мгновение плавится в месте наибольшего давления и поддается совершенно подобно вязкому телу. Но как только он уступит и освободится сам собою от давления, так сейчас же образуется снова, и этот процесс совершается непрерывно по всей массе; таким образом лед, — хотя и вследствие исключительной свойственной ему особенности, — является как бы вязкою жидкостью, если он поставлен в такие внешние условия.
      Первый, кто воспроизвел то же явление на опыте в малом виде, был, кажется, Долфус-Аусет, показавший, что, сжимая помощью гидравлического пресса несколько кусков льда, можно было их растопить, а прекращая давление, заставить отвердеть в сплошной кусок. Но с очень холодным льдом опыт ему не удавался: это значит, что даже помощью гидравлического пресса он не мог произвести достаточно сильного давления.
      Если в конце цилиндра, в котором помощью гидравлического пресса сжат снег, открыть отверстие, то выдавливается постепенно наружу цилиндр или проволока плотного льду, — как это бывает и при выделке проволоки из мягкого металла. Механизм явления различен, но результат один и тот же.
      Другой, простой, но поучительный опыт состоит в том, что вокруг поддерживаемого горизонтально ледяного бруска перебрасывают проволочную петлю и подвешивают к проволоке груз. Груз постепенно продавливает проволоку через лед, который тает под проволокой и тотчас же образуется вновь позади нее: проволока пройдет насквозь — словно сквозь сыр или мыло, оставив, однако, брусок таким же крепким, как прежде.
      П. Дж. Тэт. «Теплота». 1883.
     
      Смерзание льда.
     
      Как известно, одна из двух постоянных точек термометра — точка замерзания — определяется погружением термометра в смесь чистой воды и льда. Вода, — по крайней мере в соприкосновении со льдом, — не может охлаждаться ниже точки замерзания, не превращаясь при этом в лед; а лед не может нагреваться выше точки замерзания, не превращаясь в воду. Таким образом, лед и вода могут сосуществовать друг возле друга лишь при одной постоянной температуре 0°. При нагревании на очаге смеси льда и воды лед тает, — но температура смеси не поднимается от теплоты очага выше 0°, пока остается хоть немного нерастаявшего льда. Теплота очага превращает лед при 0° в воду при 0°, и термометр не показывает при этом повышения температуры. Поэтому физики говорят, что теплота, сообщаемая такой смеси, становится скрытой. С другой стороны, если охлаждать смесь воды и льда, т.-е. отнимать от нее теплоту, то вода мало-по-малу замерзает — но пока остается еще немного незамерзшей воды, температура смеси остается при 0°. Вода в 0° отдает при этом свою скрытую теплоту и превращается в лед при 0°.
      Но температура замерзания воды изменяется под действием сильного давления. Это выведено было почти одновременно Джемсом Томсоном (в Бельфасте) и Клаузиусом (в Цюрихе) из механической теории теплоты, которая дала возможность правильно предуказать и величину этого изменения. Точка замерзания, с возрастанием давления на каждую атмосферу, понижается на 1/180 градуса Цельсия. Знаменитый физик Вильям Томсон, брат упомянутого *), подтвердил этот теоретический вывод опытным путем, подвергая смесь льда и воды давлению в прочном сосуде: температура смеси действительно понижалась по мере возрастания давления, и именно настолько, насколько требовалось согласно теории.
      *) Впоследствии ему было присвоено наименование лорда Кельвина, под каким именем он и известен в истории науки. — Сост.
      Понижение температуры смеси льда и воды от одного лишь давления, без непосредственного отнятия теплоты, может происходить только оттого, что часть ее явной теплоты становится скрытой, т.-е. от таяния некоторого количества льда. В этом и заключается причина влияния механического давления на температуру замерзания. Вы знаете, что вода, превращаясь в лед, занимает больший объем: при замерзании вода разрывает не только закупоренные стеклянные сосуды, но и железные бомбы.
      В упомянутом опыте Вильяма Томсона смесь воды и льда находилась в прочном, герметически закрытом сосуде; однако, явление протекает несколько иначе, когда вода между сдавленным льдом может уходить сквозь щели — как это бывает в глетчерах. В этом случае вода не претерпевает давления — она удаляется, и сдавленный лед становится холоднее, соответственно понижению его точки замерзания от давления, между тем как точка замерзания воды, не подвергающейся давлению, не понижается. При таких условиях мы имеем тут лед температуры ниже 0° в прикосновении с водою в 0°. Вследствие этого вода должна постоянно замерзать кругом сдавленного льда, между тем как часть сдавленного льда в свою очередь растаивает.
      То же самое происходит и при сдавливании двух кусков льда: благодаря воде, замерзающей в плоскости их прикосновения, они при этом плотно соединяются и образуют цельный кусок льда. При сильном давлении, от которого лед более охлаждается, это явление совершается быстро; но оно происходит, хотя и медленнее, также при слабом давлении. Фарадей, открывший это явление, назвал его смерзанием льда.
      Это смерзание двух кусков льда очень легко производить с двумя кусками какой угодно формы, если только они не холоднее 0°, — лучше всего, когда они уже начинают таять. Стоит только сильно сдавить их на короткое время, и они уже не отстают друг от друга. Достаточно и незначительного давления, если очень долго оставлять оба куска льда в соприкосновении. Указанным свойством тающего льда пользуются и дети, когда они делают снежные комы и бабы. Известно, что это удается лишь тогда, когда снег начинает уже таять, или, по крайней мере, когда он лишь настолько холоднее 0°, что от теплоты руки может нагреться до этой температуры. Очень холодный снег представляет сухой, не слипающийся порошок.
      Г. Гельмгольц *).
      «Лед и ледники», 1865.
      *) Герман Гельмгольц — один из знаменитейших ученых XIX века, германский физик, математик и философ (1821 — 1894).
     
      Скользкость льда.
     
      Один английский физик печатно сознался, что мы до того привыкли к этому свойству льда, что если бы его — до того как он сам задумался над этим вопросом — спросили невзначай, отчего лед скользкий, он ответил бы: «оттого что он скользкий», и только подумавши, пришел бы к правильному объяснению.
      В местах, в которых нога нажимает на лед или снег, они под влиянием давления, вызываемого весом тела, плавятся, — и между ногой и почвой получается слой жидкой смазки, которая значительно уменьшает силу трения и делает снег и лед скользкими, как скользка панель, покрытая слоем жидкой грязи. Когда нога сходит с места, смазка эта снова замерзает, образуя на снегу ледяной след.
      Что тут не в степени гладкости дело, видно из того, что самый шероховатый и бугристый лед является едва ли не более скользким, чем зеркально гладкий, — потому что у последнего площадь соприкосновения с ногою больше, а следовательно, давление ноги на лед меньше.
      Вообще, чем на меньшей поверхности сосредоточено давление тела на лед и чем менее низка температура льда, тем более скользким должен он быть. Поэтому на коньках можно скатиться дальше с горы, чем без коньков, и кататься на коньках тем легче, чем температура ближе к 0°. Когда температура воздуха выше 0°, лед становится рыхлым, по крайней мере в верхних слоях, и коньки слишком врезаются в лед. В большие же морозы коньки как-то прилипают ко льду: жидкой смазки образуется очень мало, и она замерзает раньше, чем нога успеет сойти с места.
      Так как из материалов, встречающихся в природе, лед является единственным, у которого температура плавления лежит в пределах температуры воздуха и понижается при повышении давления, то лед — единственное скользкое тело в природе.
      Проф. Б. П. Вейнберг.
      «Снег, иней, град, лед и ледники», 1919.
     
      Кипение воды.
     
      При нагревании воды из нее прежде всего уходит заключающийся в ней воздух. Он поднимается в виде маленьких воздушных пузырьков сквозь воду вверх. Спустя некоторое время на дне сосуда образуется пар. Но первые пузырьки пара не достигают поверхности воды, а сжижаются по пути, так как вся масса воды еще недостаточно нагрета. Вследствие этого вода и сосуд начинают дрожать, что воспринимается нами, как звучащий тон: вода «поет». Это происходит непосредственно перед кипением (ср. «пение» самовара незадолго до закипания, а также в начале остывания). Когда «пение» прекращается, то вода настолько горяча, что пар в пузырьках уже не конденсируется по пути, а поднимается на поверхность воды *).
      *) «Поднятие пузырьков лучше перемешивает воду, чем одно расширение; поэтому вся вода скоро нагревается повсюду и начинает кипеть. Тогда пузыри быстро увеличиваются во время своего полного восхождения, лопаются в воздухе, разбрасывают воду и производят хорошо известное клокотание. Пар, при выходе из пузырей, есть невидимый газ. Но входя в более холодный воздух, он охлаждается ниже своей точки сгущения, и часть его образует облако, состоящее из маленьких капель воды, плавающих в воздухе. В то время как это облако рассеивается и смешивается с сухим воздухом, количество воды в каждом кубическом футе объема уменьшается, а объем каждой части облака возрастает. Маленькие капли воды начинают испаряться, как только окажется достаточно пространства для их пара, образующегося при существующей температуре атмосферы; таким образом облако переходит снова в невидимый газ». (Максуэлл «Теория теплоты»).
     
      Во все время кипения температура воды не поднимается, хотя огонь отдает воде тепло непрерывно. Это пытались объяснить тем, что пар образуется только на дне сосуда, а остальная вода достигает температуры, необходимой для парообразования, лишь приходя в соприкосновение с дном; думали, что если бы вся масса воды была нагрета до точки кипения одновременно, то малейшего притока теплоты было бы достаточно, чтобы мгновенно превратить всю массу воды в пар.
      Блэк первый указал на неправильность этого объяснения. «Легко показать — писал он — что парообразование требует большого количества тепла даже в том случае, когда вода уже доведена до температуры, малейшее повышение которой превращает воду в пар. Если бы это было не так, вся масса воды взорвалась бы, т.-е. мгновенно превратилась бы в пар и при том с силою, напоминающей взрыв пороха. Этого. не происходит лишь потому, что пар при своем образовании поглощает большое количество теплоты, при чем он не нагревается настолько, чтобы это могло быть замечено по показанию термометра.
      «Когда котел с водою ставят на огонь, то с первого момента и до начала кипения теплота быстро переходит через котел в воду. Допустим, что вода нагревается в течение каждых пяти минут на 20°. Но было замечено, что переход теплоты от одного тела к другому, при прочих равных условиях, протекает соответственно разности их температур [т.-е. при одинаковой разности температур переходит одинаковое количество теплоты, а при неодинаковой разности — количество, пропорционально большее или меньшее]. Так как во время кипения температура воды не повышается заметным образом по сравнению с температурой пламени, то теплота и во время кипения должна переходить в воду приблизительно в таком же количестве, как до наступления кипения. И если бы обычный взгляд на кипение был правилен, то вся масса воды должна была бы превращаться в пар в течение нескольких минут: получилось бы огромное расширение, достаточно сильное для того, чтобы взорвать на воздух дом».
      Опыты показали Блэку, что требуется приблизительно вшестеро более времени, чтобы данное количество кипящей воды превратить в пар, чем сколько нужно, чтобы это количество нагреть от 10° до температуры кипения. Поэтому, если допустить, что в продолжение выкипания сосуд получал от пламени столько же теплоты, сколько входило в него, когда он нагревался от 10° до 100°, — то окажется, что для превращения в пар путем кипения единицы веса воды, требуется вшестеро более единиц теплоты, чем сколько затрачивается на нагревание ее на 90°, т.-е. 90 >< 60 = 540 единиц (число, близкое к найденному позднее более точными исследованиями).
      Из этих опытов Блэк, руководясь аналогией с процессом таяния льда, заключил, что жидкость, превращаясь в пар, поглощает значительное количество тепла, которое он назвал скрытой теплотой пара, желая выразить, что теплота эта скрыто присутствует в паре; вследствие этого пар, охлаждаясь и сгущаясь в жидкость, доставляет теплоты в несколько раз более, чем сколько доставляет такое же по весу количество жидкости при одинаковой температуре. Он писал:
      «Когда я вдумывался в эту мысль (о скрытой теплоте пара), со всех сторон приходило ко мне убеждение, что количество тепла, заключающееся в паре, должно быть гораздо больше того, какое обнаруживается через его явную теплоту или температуру. Каждый знает обжигающую силу пара. Мгновенная струя его из носика чайного котелка, едва увлажняющая руку и содержащая воды не больше четверти капли, тотчас всю руку покрывает пузырями обжога, — чего не могли бы произвести тысячи капель кипящей воды. Кого не удивляло огромное количество тепла, замечаемого в холодильнике при обыкновенной перегонке? При перегонке спирта снабжение холодильника постоянным притоком холодной воды часто стоит винокурам не меньше труда и издержек, чем снабжение их печей топливом. Устройство таких заводов в больших городах, где в других отношениях было бы наиболее удобства, встречает препятствие именно в затруднении иметь достаточное количество холодной воды. Чем более я думал об этих предметах, тем удивительнее мне казалось, как такая общеизвестная вещь не привлекала на себя внимания и осталась не замеченною».
     
      Теплота парообразования воды.
     
      Если теплота плавления воды необычайно велика, то в еще большей степени обращает на себя внимание родственная ей величина, относящаяся уже к другому роду явлений, — именно, к переходу тел из жидкого состояния в газообразное. Как для превращения льда в воду, так и для превращения воды в пар необходимо затратить некоторое количество энергии, которую измеряют калориями и называют теплотой парообразования (или скрытой теплотой парообразования).
      Эта величина у воды еще значительнее теплоты плавления. Не меньше 536 калорий необходимо сообщить единице массы воды, чтобы превратить ее в пар! Мы не вполне можем понять причину этого явления *).
      *) Менделеев говорит по этому поводу следующее: «Это находит объяснение в том, что вода из всех жидкостей представляет наименьший химический частичный вес, а тепло, испаряющее количества, пропорциональные частичным весам, для всех веществ хотя не одинаково в точности, но близко, так как произведение из скрытой теплоты испарения на частичный вес есть величина, мало изменяющаяся для хорошо изученных веществ». («Вода», Энц. Словарь). — Сост.
      Практическим последствием этого является чрезвычайная неэкономичность получения высоких температур при помощи воды, которую — будь на то возможность — следовало бы заменить другой жидкостью. Итак, к большой теплоте плавления и большой удельной теплоемкости надо присоединить еще огромную теплоту парообразования. Необходима гигантская затрата тепла, чтобы превратить 100-градусную воду в 100-градусный пар. Припомним для сравнения, что равное количество спирта превращается в пар одною третью, а ртути — 1/8 той энергии, которая нужна для воды. Сопоставляя три упомянутые особенности воды, мы получаем представление о той огромной внутренней энергии, которая скрыта в водяном паре.
      Ф. Ауэрбах.
      «Семь аномалий воды», 1912.
     
      Нагревание водяным паром.
     
      Если требуется нагреть значительную массу жидкости в различных сосудах, то было бы весьма дорого устраивать все сосуды металлические и под всяким топку для нагревания. А такой случай на заводах встречается на каждом шагу. В этих случаях употребляют один паровик, и из него проводят водяной пар в жидкость или вообще в сосуд, который требуется нагреть. Водяной пар, охлаждаясь и превращаясь в жидкость, выделяет скрытую в нем теплоту, и так как она велика, то малым количеством пара можно произвести значительное нагревание. Требуется, например, нагреть 1000 килограммов воды от 20° до 50й, на что необходимо приблизительно израсходовать 30.000 единиц тепла. Из паровика станем выпускать пар, нагретый, например, до 100°, в воду. В каждом килограмме воды при 50° заключается около 50 единиц тепла, а в каждом килограмме водяного пара при 100° заключается 640 единиц тепла: следовательно, каждый килограмм водяного пара, охладившись до 50°, передает 590 единиц тепла; следовательно, 51 килограмм водяного пара в состоянии будет произвести требуемое нагревание 1.000 килограммов воды от 20° до 50°.
      В химической практике весьма часто применяют воду для нагревания. Для этого обыкновенно употребляют металлические сосуды, чашки или котелки (с водою), закрывающиеся кольцами, концентрически вкладывающимися друг в друга, и называемые водяными ваннами. На эти кольца ставятся нагреваемые предметы, напр., стаканы и чашки с жидкостями, колбы, реторты и т. д., а ванна с водою нагревается. Выделяющийся пар нагревает дно сосуда и тем производит желаемое повышение температуры.
      Д. И. Менделеев.
      «Основы химии».
      Упражнение. Проверить приведенный здесь расчет количества пара необходимого ди нагревания воды, составив и решив соответствующее уравнение. — Сост.
     
      Тушение пожаров.
     
      Что нужно делать при тушении пожара? Мы должны тогда поставить себе две цели: удаление кислорода (воздуха) и охлаждение. Средство, к которому всего чаще прибегают в таких случаях, — вода, служит обыкновенно обеим целям. Покрыв горящее вещество слоем воды, его отделяют от кислорода воздуха и одновременно понижают его температуру*) ниже температуры горения.
      *) Укажите причину понижения температуры. — Сост.
      Когда приходится тушить горящую жидкость, более легкую, нежели вода (масло, керосин, жир, эфир и т. д.), вода часто не помогает и даже может оказаться вредной. Если масло, растопленный жир или см£ла нагреваются выше температуры кипячения воды, то прилитая вода нагревается в этой массе, превращается в пары, разносящие горящую жидкость все дальше и дальше, так что пожар разрастается. В таких случаях приходится прекращать доступ воздуха другими средствами: песком, землей и т. д. Если пожар начинается в каком-нибудь закрытом помещении (погребе, складе), то вернейшее средство потушить его — плотно закрыть помещение и таким образом прекратить доступ воздуха. Целесообразно также в таком случае образование газов, не поддерживающих горения, как, например, углекислоты (обливанием содовой водой) или сернистой кислоты (зажиганием серы).
      Рассмотрим еще вопрос, что нужно делать людям, на которых загорелось платье. Придя в полное замешательство, они, к сожалению, теряют способность размышлять и, чтобы спастись, бросаются бежать к воде, которая часто находится на довольно далеком от них расстоянии. Этим они образуют сильный ток воздуха и только усиливают пожар, так что помощь приходит в большинстве случаев слишком поздно. Конечно, если спасительная вода находится поблизости, то стоит к ней побежать, ко если этого нет, то гораздо лучше броситься тотчас на землю, кататься по ней или же потушить огонь, покрывшись чем-нибудь. Когда человек бросается на землю, пламя тотчас же потухает на частях тела, обращенных к земле; на противоположной стороне тела пламя имеет направление от тела, между тем как на человеке, когда он стоит, пламя распространяется вдоль тела. Если даже не удается тотчас же потушить на себе пламя, то, по крайней мере, замедляется губительное действие его, и помощь может поспеть еще во-время. Часто несчастье происходит от того, что человек нечаянно обливает себя жидкостью, которая тотчас же загорается (керосином, бензином, спиртом). В таком случае необходимо прежде всего сбросить с себя или сорвать горящее платье, затем обернуть себя какими-нибудь тканями, платьем и броситься в них на землю. Шелк, шерсть, перины загораются не легко, а когда загораются, то пламя не распространяется в них быстро, так что с их помощью может удаться потушить пожар. Все эти соображения небесполезно запомнить, чтобы в случае нужды возможно скорее и увереннее принять наиболее целесообразные меры для спасения себя или другого.
      Проф. Л. Пфаундлер.
      «Физика обыденной жизни».
     
      Водяной пар в воздухе.
     
      Так как окружающий нас воздух везде приходит в соприкосновение с поверхностью воды, именно с реками, озерами и, наконец, с океанами, которые занимают б/т всей поверхности земли, то нужно было бы думать, что водяной пар присутствует в воздухе в таком количестве, которое отвечает давлению водяного пара, согласно господствующей температуре. Если это действительно имеет место, то говорят, что воздух насыщен водяным паром; это выражение означает, что при данных условиях вода не может более переходить в воздух. Если бы, благодаря тем или иным условиям, в воздухе было больше водяного пара, то избыток тотчас же должен был бы выделиться в форме жидкой воды.
      В действительности воздух только очень редко (напр., при сильном дожде) бывает насыщен водяным паром, но обыкновенно в воздухе находится только около 2/3 той воды, которая могла бы содержаться при его насыщении. Это зависит от того, что при обыкновенных условиях действует много причин, уменьшающих количество воды в воздухе и отсутствуют причины, могущие вызвать пересыщение воздуха водяным паром. Главную роль играют здесь изменения температуры воздуха.
      Мы знаем, что давление пара воды, как и всякой другой жидкости, увеличивается с повышением температуры. Поэтому и количество воды, которое может содержаться в определенном объеме воздуха при его на-ыщении, также возрастает с температурой. В кубическом метре воздуха при различных температурах и при условиях насыщения содержатся следующие количества воды:…
      Как видно из таблицы, количество насыщающей воды приблизительно удваивается, когда температура возрастает на 10°; поэтому, если некоторое количество воздуха, насыщенное при 5°, будет нагрето до 15°, то оно может воспринять еще такое же количество воды, какое оно заключало до нагревания. Иными словами, при этой температуре оно насыщено не вполне, но только наполовину.
      Таким образом, если воздух, насыщенный водяным паром над поверхностью моря, двигается над сушей и нагревается, то благодаря этому он становится уже ненасыщенным. Если же он охлаждается, то избыток воды выделяется в виде дождя или росы, и если после этого он нагреется снова, то он опять таки становится ненасыщенным. Это и является причиной того, что воздух как в открытом пространстве, так и в комнате почти никогда не бывает насыщен, — особенно зимою, когда холодный наружный воздух даже и в состоянии насыщения содержит очень мало водяного пара. Нагреваясь в комнате, он становится в сильной степени ненасыщенным или сухим; поэтому комнатный воздух зимою бывает обыкновенно очень сух.
      Неполное насыщение воздуха водяным паром служит причиной того, что мокрые или влажные предметы высыхают на воздухе. В насыщенном влагой воздухе этого не происходит.
      Легко убедиться, что обыкновенный сухой комнатный воздух содержит водяной пар — для этого достаточно его охладить. Если бросить в стакан с водой кусок льда и перемешать, то вода вместе со стенками стакана охладится, и когда температура достаточно понизится, то влага из воздуха оседает на стенках стакана, что легко заметить по его матовому виду; тогда говорят, что стакан запотел. Это происходит тем скорее, чем ближе окружающий воздух к степени насыщения паром. Так как люди постоянно выдыхают водяной пар, то воздух в помещении, где собрано много людей, содержит обыкновенно много пара и потому он ближе к насыщению. Поэтому в большом обществе, особенно под конец собрания, стаканы обыкновенно запотевают при вливании в них холодного напитка. По той же причине отпотевают и окна, т.-е. покрываются капельками жидкой воды, когда на дворе стоит холодная погода; это происходит тем легче, чем влажнее и теплее воздух в комнате.
      Наблюдая температуру, при которой наступает выделение жидкой воды, можно определить степень насыщения влажного воздуха. Замечание, сделанное выше о том, чго количество воды, заключающееся в насыщенном воздухе, удваивается при повышении температуры на 10°, позволяет сделать заключение, что если необходимо понижение температуры на 10°, чтобы в описываемом опыте образовалась роса на стакане, то, следовательно, окружающий воздух был насыщен водяным паром только наполовину. Если t — температура данной среды, t1 — температура, при которой стакан покрывается росой, далее, если d и d1 обозначают количества воды, насыщающие воздух при температурах t и t1 (величины d и d1 находят в особой таблице), то d:d1 показывает степень насыщения данного воздуха водяным паром, или, короче, — влажность воздуха. Таким образом по «точке росы» можно определить влажность.
      Вильг. Оствальд.
      «Введение в изучение химии, 1910.
     
      Роса.
     
      Если воздух подвергается охлаждению, он становится непрозрачным, вследствие перехода ларов в жидкое состояние, и тогда получается то, что мы называем туманом. Если эту степень холода имеет твердое тело, пар сгущается на его поверхности, и является роса. Роса не спускается с неба, как говорится еще до сих пор в некоторых книгах. Происхождение ее не имеет ничего общего с происхождением дождя. Она образуется в том самом месте, где ее наблюдают. Если поместить на открытом воздухе в тихую ясную ночь маленькие количества травы, ваты, пуха или другого волокнистого вещества, мы найдем через некоторое время, что температура их может понижаться на 6, па 7 и даже на 8 гр. ниже температуры окружающего воздуха. В тех местах, куда не проникает солнечный свет и откуда открывается большое пространство неба, это различие между температурой предметов и температурой атмосферы становится ощутительным уже около 4 часов пополудни; утром оно продолжается несколько часов после восхода солнца. Наблюдения физика Уэльса, продолженные Араго, показали, что в тихую ночь трава луга может быть от 6 до 7 гр. холоднее воздуха. Термометр, приведенный в соприкосновение с клочком шерсти, положенным на доску, поднимающуюся на 1 метр над почвой, показывал в тихую ясную погоду на 5 гр. менее другого термометра, шарик которого соприкасался с подобным же клочком шерсти, но находившимся на нижней. стороне той же доски. Термометр, помещенный прямо на столе, под открытым небом в ночное время, не показывает температуры воздуха: он всегда стоит ниже, когда небо чисто и когда нет ветра.
      Это охлаждение происходит от ночного лучеиспускания, когда никакое препятствие не мешает рассеянию теплоты тела излучением. Прозрачный воздух не может служить препятствием для этой потери теплоты, но таким препятствием может служить облако, деревянный, холстинный или бумажный экран или просто дым. Без препятствий тело охлаждается сообразно своей способности к лучеиспусканию, которая различается, впрочем, сообразно телам (так, напр., она весьма сильна для стекла и весьма слаба для металлов). Когда температура тела, выставленного таким образом на воздухе, опускается до градуса насыщения, атмосферная влага отлагается на нем, принимая сперва форму сферических капелек, потому что такова форма, какую принимает всякая совокупность частиц, предоставленная внутренним силам сцепления. Затем, когда эти капли становятся достаточно тяжелыми и достаточно близкими друг к другу, они расстилаются, как тонкий слой воды, на поверхности тела.
      Роса бывает обильной только в тихие и ясные ночи. Некоторые следы ее можно видеть и в облачные ночи, если не было ветра или если, несмотря на ветер, погода оставалась ясной; но роса никогда не образуется при соединенном действии ветра и покрытого неба. Обстоятельства, благоприятные для обильного осаждения росы, соединяются скорее весною и осенью, чем летом. Различия между температурами дня и температурами ночи никогда не бывают так велики, как весною и осенью.
      Эти явления осаждения росы на плотном и гладком предмете, как, например, на стеклянной пластинке, вполне походят на те явления, какие замечаются, когда оконное стекло подвергается действию струи водяного пара, более нагретой, чем оно само. Легкий и однообразный слой влаги сперва заставляет тускнеть поверхность; затем образуются неправильные и сплюснутые капельки, которые соединяются друг с другом, приобретя известный объем, и которые стекают затем ручейками по всем направлениям. Часто при внесении в театральную залу стёкла бинокля, охладившиеся от температуры наружного воздуха, тускнеют от такого же отложения влаги, которое представляет собою настоящую росу. В зимние холода, если открыть окно в столовой, где только что окончили продолжительный обед, образуется облако при вхождении холодного воздуха, и потолок смачивается длинным пятном сгущенного пара. В России иногда образуется морозное облако, как только откроют окно.
      Роса в тропических странах оказывает заметные и благоприятные для растительности действия. Когда воздух, насыщенный парами при температуре теплого солнечного дня, охлаждается при заходе солнца, роса отлагается обильно в течение ночи; она струится с листьев, и утром можно видеть иногда траву, столь же мокрую от росы, какою она могла бы быть от дождя. Она часто заменяет дождь для орошения растений, которые без нее погибли бы от сухости.
      Мы в большей или меньшей мере можем отметить обилие росы, но количество ее трудно измерить, так как она не падает сверху, подобно дождю. Ее появление зависит от лучеиспускательной способности тела, которое она смачивает: она отлагается лишь на веществах более холодных, чем окружающий воздух, и в количествах тем больших, чем резче эта разница температур. Пахотная земля, леса, утесы, песок обнаруживают весьма изменчивые количества росы.
      К. Фламмарион.
      «Атмосфера».
     
      Краткая история паровой машины.
     
      В течение многих истекших уже веков человек пользовался только теми силами, которые природа предоставляла ему совершенно открыто) например, силой текущей воды и силой ветра — для движения мельниц и для путешествий на кораблях, силой упругости — для развития большей скорости [метательных снарядов] и т. д.
      Только в новейшее время люди стали производить такие силы и искусственно. Между этими силами первое место, конечно, принадлежит силе пара, развиваемой при помощи тепла и преобразуемой далее г любую механическую работу.
      Стоит обратить внимание на то обстоятельство, как много требовалось времени и труда, чтобы какую-нибудь идею, совершенно верную в теории, воплотить в соответственную машину, а последнюю различными усовершенствованиями довести до той степени практичности, при которой она давала бы действительно полезные результаты.
      Первое стремление в этом отношении, за небольшими разве исключениями, было направлено на постройку таких машин, помощью которых можно было бы выкачивать воду из глубины рудников.
      Уже в начале семнадцатого столетия зародилась мысль о том, нельзя ли с этой целью применить пар, образующийся при нагревании воды, и им поднимать из рудников воду до поверхности земли. Вопрос этот в течение всего семнадцатого столетия горячо обсуждался, и в результате действительно явились некоторые механические приспособления для отлива воды; но все они были настолько непрактичны, что не могли дать никаких положительных результатов. Наконец, в исходе семнадцатого столетия ландграф Гессенский Карл поручил французу Папину заняться снова разработкой того же самого вопроса, т.-е. попытаться построить более целесообразную машину.
      Папин был в то время профессором в Марбурге, куда бежал из Франции после отмены Нантского эдикта. Своим опытам он дал совершенно новое направление, и, наконец, после долгих усилий ему удалось построить модель новой паровой цилиндрической машины. Модель состояла из цилиндрического сосуда, в нижнюю часть которого наливалось немного воды, а на воду помещали поршень. При нагревании воды образовывался пар, который давил на поршень и заставлял его подыматься; при охлаждении же цилиндра наружный воздух в свою очередь давил на поршень сверху вниз, заставляя его опускаться. Для каждого поднятия и опускания поршня требовалось, однако, около одной минуты; время это было бы гораздо значительнее для настоящей машины, поставленной в руднике. В последнем обстоятельстве и состояла практическая неприменимость Папиновой машины.
      Десять лет позже два англичанина, Ньюкомен и Каули, снова принялись за то же дело, и им удалось усовершенствовать машину Папина тем, что пар, поднимающий поршень, развивался не в самом цилиндре, через нагревание последнего, а проводился сюда по трубе из отдельно стоящего парового котла. Этим устройством устранялась трата времени на нагревание цилиндра, а следовательно, и движение поршня могло происходить гораздо быстрее.
      Таким образом, только в 1712 году явились первые машины для приведения в действие водоотливных насосов, и машины эти стали употребляться почти на всех тогдашних рудниках. Можно было ожидать, что после подобной удачи явятся в самом непродолжительном времени и дальнейшие усовершенствования машин. Но вышло иначе: в течение почти целых пятидесяти лет машины остались без всякого изменения и все строились по раз заведенному образцу, с маленьким разве только изменением. относительно управления хода поршня. Следует еще прибавить, что подобные машины могли с выгодою работать лишь в каменноугольных копях, где топливо было даровое; при других же условиях они не могли работать, так как расходывали слишком много горючего материала.
      Только в 1764 году в этом отношении сделан был громадный шаг вперед. Молодому и неизвестному тогда еще механику Джемсу Уатту, работавшему для физического кабинета при Глазговском университете, дана была для починки модель Ньюкоменовской паровой машины. Рассмотрев машину, Уатт придумал такое важное и в то же время столь простое усовершенствование, что совершенно непонятно, как в течение полустолетия идея эта не могла притти в голову строителям упомянутых паровых машин. Как я уже сказал, парообразование при Ньюкоменовской машине происходило не в самом цилиндре, а в отдельном паровом котле, откуда пар по особой трубе проводился уже в цилиндр; охлаждение же пара в цилиндре происходило через впрыскивание холодной воды. Уатт нашел, что и охлаждение пара можно производить вне цилиндра, для чего стоит только последний привести на короткое время в сообщение при помощи трубки с холодным и безвоздушным пространством. Таким образом Уатт явился изобретателем холодильника. Итак, в машине, построенной Уаттом, не нужно было каждый раз охлаждать цилиндр для опускания поршня, а следовательно, и снова нагревать его, а это, понятно, влекло за собой громадную экономию в топливе. Как велико было подобное сбережение угля, видно из следующего. Уатт вместе со своим компаньоном Болтоном взял патент на свое усовершенствование, выговорив от владельцев, которые ставили у себя в рудниках машины, чтобы они платили ему только третью часть суммы, получаемой от сбережения расходов на топливо. При этом с одного только рудника, где были поставлены три насоса, он получил в год 48,000 марок. Кроме этого главного изменения, Уатт ввел в машину еще другие усовершенствования, вследствие чего паровые машины стали употребляться не только в рудниках, но и при других работах. В течение следующих тридцати лет вновь изобретенные машины подвергались дальнейшему усовершенствованию, а в начале XIX столетия их применили и для пароходов. Спустя еще двадцать лет и после устройства машин высокого давления, явился, наконец, и первый локомотив. О том перевороте, который произошел вследствие этого в сношениях людей и во всем строе нашей жизни, вряд ли следует распространяться. По тому значению, которое пар приобретал хотя и медленно, но тем надежнее для промышленной, а, следовательно, и общественной жизни человечества, столетие со времен открытия Уатта может по справедливости назваться «столетием пара».
      Р. Клаузиус *).
      «О запасах энергии в природ», 1885.
      *) Клаузиус — знаменитый германский физик (1822 — 1888).
     
      Изобретение паровой машины.
     
      Появление машин и фабричного способа производства во второй половине XVIII века объясняется не одной потребностью в усовершенствованной технике, но и тем уровнем, которого достигли естественные науки и техника в это время.
      До половины XVIII века эти изобретения были немыслимы по той простой причине, что наука и техника стояли на слишком низкой ступени развития. Так, изобретение паровой машины было результатом приобретенных к этому времени научных сведений, и постепенное развитие ее происходило одновременно с развитием естественных наук. Сэвери и Ньюкомен при устройстве ими паровой машины основывались на великом открытии давления воздуха *), сделанном Торричелли в 1643 г., тогда как до него думали, что природа не терпит пустого пространства.
      *) Поршень в цилиндре этих машин двигался под давлением пара только вверх, опускался же он давлением атмосферы (отсюда и название машины Ньюкомена — атмосферная машина). — Сост.
      Причина несовершенства изобретенной ими паровой машины коренилась в отсутствии научных сведений о теплоте и ее свойствах. Точный прибор для измерения теплоты был впервые изобретен в 1650 г. голландцем Дреббелем в виде термометра с раствором медного купороса; лишь в 1714 г. Фаренгейт воспользовался ртутью для измерения температуры; за ним уже последовали термометры Реомюра в 1730 г. и Цельсия в 1741 г. Далее, в 1760 г. профессором университета £в Глазго Блэком были сделаны важные открытия в области теории теплоты: он выяснил понятие скрытой теплоты и удельной теплоты. Одним из наиболее прилежных учеников Блэка был механик Уатт. Приобрев новые, сведения из теории теплоты, Уатт приступил к усовершенствованию паровой машины и сделал свое великое изобретение.
      Таким образом, на изобретение паровой машины наука имела огромное влияние, и без открытий, сделанных в области физики, это изобретение было бы немыслимо... Ясно, что изобретение машин обусловливалось не только нуждой в них, но и успехами в области естественных наук и техники, и при отсутствии последних появление машин во второй половине XVIII столетия было бы немыслимо даже при существовании самой сильной потребности в них: машины появились именно во второй половине XVIII века по той причине, что лишь к этому времени термофизика и механика достигли необходимого для сложных технических изобретений уровня развития.
      И. Кулишер.
      «Лекции по истории экономического быта», 1916.
     
      Паровые машины.
     
      I.
      Когда мы станем нагревать какой-либо закрытый котел с водой, то вода превращается в пар, и этот пар требует для себя гораздо больше пространства, чем вода, из которой он получился. Поэтому он давит на стенки котла, и если эти стенки недостаточно толсты, то котел может разорваться. Очевидно, пар можно доводить в котле до разной степени упругости, и тогда в зависимости от Этого говорят, что машина низкого или высокого давления. Обыкновенно машины низкого давления бывают при упругости пара в 1,25 или 1,5 атмосферы и температура пара от 106° до 112°Ц. Машина среднего давления имеет упругость пара от 3 до 4 атмосфер, при температуре от 135° до 145°Ц.; и, наконец, машина высокого давления имеет упругость пара выше 4 атмосфер (от 4 до 10), причем температура может быть от 150° до 160°Ц. (и выше).
      Чтобы пар мог производить движение, необходимо, чтобы он имел возможность давить на какую-нибудь подвижную поверхность, но вместе с тем, чтобы эта подвижная поверхность находилась в закрытом сосуде. Такую подвижную поверхность представляет (см. рис.) поршень Р, а сосуд, в котором он двигается, носит название цилиндра (С).
      На рисунке представлен разрез цилиндра с поршнем, причем видна трубка В, проводящая пар из котла в цилиндр. Очевидно, если мы пустим пар по одну сторону поршня, то последний подвинется в противоположную. Если затем пустим пар с другой стороны, то поршень возвратится на свое прежнее место. Повторяя таким образом впуск то из одного отверстия, то из другого, мы заставим поршень двигаться взад и вперед и можем это движение передать особыми механизмами любым частям машин. Особый прибор t, служащий для попеременного впуска пара, носит название золотника.
      Из сказанного видно, что во всяком паровом двигателе должен быть котел, цилиндр с поршнем и золотником и разные передаточные механизмы.
      Хотя число разных механизмов при паровых двигателях не велико, тем не менее эти двигатели при всех своих достоинствах имеют свои недостатки. К последним надо отнести большой размер паровых котлов, требующих для себя значительного пространства и, кроме того, имеющих весьма большой вес, так что для легких повозок не могут быть применены. Только на железных дорогах мы имеем паровые двигатели, перемещающиеся с места на место одновременно с котлом и образующие, так наз., локомотив.
      Другой вид перемещаемого двигателя носит название локомобиля. Локомобиль сам себя двигать не может, но за то служит двигателем для разных машин. Он представляет из себя лишь котел, цилиндр с золотником и горизонтальную ось, приводимую во вращение стержнем от поршня. Посредством ли зубчатых колес, посредством ли ремня вращение может быть передано какой угодно оси работающего механизма. Локомобиль может быт перевозим лошадьми с одного места на другое и в этом отношении оказывает громадную услугу при сельскохозяйственных работах.
      Рассмотрим теперь самое действие пара на поршень или принцип самой конструкции машины.
      Пар из парового котла проводится по трубке В в цилиндрическое помещение А; это помещение носит название паровой или распределительной коробки. В паровой коробке скользит на стержне k другое, прямоугольное вместилище, называемое золотником t. Этот золотник приводится в движение самой машиной. В толщине стенки цилиндра имеется два канала у и у, ведущие пар — один в верхнюю (переднюю) часть цилиндра, а другой — к нижней (задней). Один из них находится постоянно закрытым посредством подвижной коробки золотника. На рисунке левый канал закрыт, и пар входит в цилиндр справа, сообщая таким образом поршню движение, влево; золотник прикрепляется к стержню k, получающему свои переменные движения вправо и влево от эксцентрика.
      При движении поршня влево левая часть цилиндра сообщается через канал с углублением z, откуда идет труба, через которую выгоняется отработавший или, как его называют, мятый пар. Затем, когда пар начнет давить слева поршня, то с углублением z и трубой будет уже сообщаться правая часть цилиндра посредством канала y.
      В машинах высокого давления отработанный пар прямо выходит в атмосферу; в машинах же низкого и среднего давления он поступает в закрытый, сосуд, называемый холодильником и наполняемый холодной водой, в прикосновении с которой пар превращается в капельное состояние.
      Заметим, что все передаточные механизмы от вала двигателя до различных машин носят общее название трансмиссии *).
      *) О трансмиссии — см. примечание в конце статьи. — Сост.
      А. А. Полещук.
      «Курс строительного искусства», 1904.
     
      II.
      Если доступ пара в цилиндр паровой машины прекращается после того, как поршень сделает, скажем, лишь половину хода (т.-е если пар «отсекается»), то пар, вошедший в цилиндр, будет расширяться и толкать поршень в остальную часть хода. По мере своего расширения пар теряет свою упругость, и когда поршень достигнет конца цилиндра, пар будет иметь только половину своего начального давления, так как объем его увеличится вдвое. Благодаря этому, мы, правда, не получаем от машины всей той работы, которую она дала бы, если бы пар имел полное давление на всем протяжении хода, — но потеря работы составляет меньше одной четверти, тогда как пар сберегается на половину. Кому приходится платить за уголь, тот поймет насколько важна такая экономия.
      Но если даже пар отсекается на половине хода или еще раньше, то и тогда в паре все-таки остается еще часть энергии, не идущей в дело. По причинам, о которых здесь не место распространяться, невозможно в одном цилиндре использовать всю энергию расширения пара. В значительной мере делу можно помочь, впуская пар последовательно через 2, 3 и даже через 4 цилиндра. Каждый цилиндр должен иметь больший диаметр, чем предыдущий, так что пар при каждом переходе может еще расширяться. Конечно, он при этом теряет в своей упругости; но так как пар в каждом последующем цилиндре толкает больший поршень, то он может совершать полезную работу. Дело в том, что при переходе в следующий больший цилиндр уменьшается упругость пара, т.-е. давление на единицу поверхности, но так как поверхность поршня увеличивается, то от этого давление пара на всю поверхность его тоже увеличивается и, при соответствующей величине поршня, может оказаться достаточно большим для того, чтобы произвести еще полезную работу.
      Такие машины называются «компаунд», «тройного расширения» или «четверного расширения», смотря по тому, проходит ли пар через два, три или четыре цилиндра.
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники», 1914 г.
     
      III.
      Паровые машины могут быть одноцилиндровые, сдвоенные, тандем и компаунд.
      Сдвоенные имеют два цилиндра, работающих паром, вводимым из котла в каждый из них; ходы поршней различаются таким образом, что когда один поршень стоит по середине цилиндра, то другой находится вверху или внизу своего цилиндра. Благодаря такому приспособлению, уничтожается, так наз., мертвая точка хода, когда кривошип и шатун располагаются на одной прямой.
      К сдвоенным же машинам относится машина Вульфа, в которой пар из котла поступает в один только цилиндр, а уже из него направляется во вспомогательный, меньший цилиндр. Сдвоенные машины имеют более равномерный ход, чем одноцилиндровые, и если устроены по принципу Вульфа, но так, что цилиндры расположены один под другим, то носят название тандем.
      Машины компаунд работают многократным расширением пара; их отличие от простых машин состоит в том, что отработавший в одном цилиндре пар не гонится в атмосферу, а через особое вместилище, — ре-си в е р, — поступает во второй цилиндр, где утилизируется остающаяся еще в нем упругость.
      Кроме того, во многих случаях применяются машины, которые работают перегретым паром, т.-е. таким, температура которого выше температуры пара, насыщающего пространство при равной упругости.
      В. В. Рюмин.
      «Чудеса техники», 1911.
     
      Примечание. Трансмиссия. Средством для передачи работы здесь являются ремни (или канаты) и шкивы, насаженные на валы; передача работы происходит силою на-тяженйя ремней или канатов. На стене или у потолка фабричного помещения устанавливается на нескольких стенных или подвесных кронштейнах с подшипниками вал трансмиссии. На валу помещается главный приводный шкив — прямо напротив приводного шкива двигателя, расположенного на полу. Оба шкива охватывает бесконечный ремень, насаженный с некоторым натяжением (не очень большим). При ходе машины этот ремень увлекается трением о шкив машины и увлекает в свою очередь шкив вала трансмиссии, приводя последний во вращение. От различных других приводных шкивов вала трансмиссии (или при посредстве еще другой, промежуточной трансмиссии) приводятся в движение отдельные станки. Промежуточные передачи применяются при необходимости увеличить или уменьшить скорость вращения. Если главная трансмиссия делает, напр., 80 оборотов в минуту, тогда как некоторые станки должны совершать 400 оборотов, то устраивают промежуточную передачу, напр., на 160 оборотов; при этом шкив на последней ставится диаметром, равным половине диаметра приводного шкива на главном валу. Так как приводной ремень, захватывающий приводный шкив, движется со скоростью, равной окружной скорости шкива главной трансмиссии, диаметр же и окружность шкива на промежуточной передаче вдвое менее, то число оборотов передаточного вдвое больше числа оборотов главного вала. Далее, приводным шкивам передаточного вала к отдельным станкам придается диаметр в 2,5 раза больший, чем шкивы этих станков; благодаря этому, скорость вращения последних увеличивается в 21/з раза, так что станки идут со скоростью 400 оборотов в минуту. Обратным путем, конечно, можно уменьшить скорость вращения». (Проф. Л. Грунмах. «Силы природы и их применения»).
     
      Паровой котел и холодильник.
     
      В первое время после изобретения паровой машины для получения пара служил обыкновенный большой, железный котел. Пару давали уходить, когда давление достигало 1 фунта на 1 квадр. дюйм *).
      *) Упражнение. Выразить величину этого давления в атмосферах, принимая 1 килогр.=2,2 англ, фунта, а линейный дюйм=2,5 сайт. — Сост.
      В действительности старые паровые машины приводились в движение вовсе не непосредственно силою пара, но давлением атмосферы. Назначение же пара состояло в том, чтобы выгонять воздух из цилиндра и затем, сгустившись, оставить пустое пространство. Однако, с течением времени опыт показал, что можно получить еще большую силу, если взять крепкий котел, развить в нем пары высокого давления и пользоваться непосредственно силою пара.
      По мере совершенствования техники листовой стали и железа все более возрастает прочность котлов, и давления, которыми пользуются, становятся все выше и выше; в настоящее время нередко изготовляются котлы, рассчитанные на регулярное рабочее давление в 200 фунтов на 1 кв. дюйм *) и испытанные в полтора раза большим гидравлическим давлением.
      *) Выразить в атмосферах. — Сост.
      Наиболее обычный тип котла — так называемый, ланкаширский. Он состоит из большого цилиндра или корпуса, имеющего иногда до 9 футов и 6 дюймов в диаметре и 30 футов в длину, и делается из склепанных вместе стальных листов; через цилиндр от одного конца до другого проходят две «жаровые» трубы также из стальных листов.
      Котел устанавливается внутри кирпичной кладки, в которой проделаны другие ходы, один под котлом и по одному с каждой стороны. .Топка устраивается у передних концов двух жаровых цилиндрических труб; жар проходит через них к задней стороне, затем проникает вниз . и через нижний ход возвращается к передней стороне. Достигнув передней стороны котла, жар разделяется и возвращается в заднюю часть по двум боковым ходам. Таким образом жар топки действует на большую поверхность и через нее может проникнуть в воду. У задней стороны котла дым через дымовую трубу уходит в атмосферу.
      Часто думают, что высокая фабричная труба служит для того только, чтобы выбрасывать дым в области, где он менее вреден; но это не так. Главная цель трубы — создавать сильную тягу. Поэтому в некоторых случаях можно обойтись без высокой дымовой трубы, и воздух продувается через печь с помощью вентилятора или струи пара. Нередко можно из имеющейся машины и котла получить значительно больше энергии, если присоединить вентилятор или паровую струю для увеличения тяги.
      Как мы видим, горячие дымовые газы из топки должны проходить длинный путь по различным трубам, соприкасаясь с поверхностью котла и таким образом отдавая ему большую часть своей теплоты. Тем не менее, достигая дымовой трубы, эти газы имеют еще очень высокую температуру, так что много теплоты пропадает даром. Чтобы сохранить часть этой теплоты, часто пользуются особым аппаратом, так называемым, «экономейзером», или «подогревателем».
      В этом последнем имеется большое число чугунных труб, вокруг которых и проходят дымовые газы перед тем, как они входят в дымовую трубу; через эти трубки пропускают воду, питающую котел. Таким образом удается захватить часть уходящей теплоты и перенести ее обратно в котел.
      Есть еще и другое приспособление, так наз., «перегреватель», который находится сзади котла. Он состоит из большого числа трубок, через которые проходит пар на своем пути от котла в машину. Эти трубки, подобно подогревателю, нагреваются горячими газами, идущими в дымовую трубу, и таким образом пар получает значительное добавочное количество тепла.
      Однако, при всем том, в самых усовершенствованных котлах, снабженных подогревателями и перегревателями, количество теплоты, расходуемое с пользой, составляет лишь около 25 процентов того количества, которое получается из угля, а остальные 75 процентов уходят в трубу.
      Есть другой тип котла — так наз., корнваллийский. Он отличается от ланкаширского тем, что имеет не две жаровых трубы, а только одну, и имеет меньшие размеры.
      На пароходах котлы представляют некоторые отличия. Корпус гораздо короче, и кирпичной кладки здесь, конечно, нет. Вместо этого, жаровые трубы входят сзади в стальной ящик, который называется огневой коробкой, и отсюда горячие газы возвращаются через множество небольших «дымогарных» трубок, которые проходят через котел над жаровой трубой от задней стороны его к передней. Дым уходит в стальную, дымовую трубу, прикрепленную с передней стороны котла над дверцами печи.
      В паровозах котел бывает вполне трубчатым, т.-е. в нем нет вовсе жаровых труб. Топка производится в задней камере, которая называется огневой или топочной коробкой. Из нее выходят несколько сот стальных трубок, имеющих около 3 дюймов в диаметре; они идут прямо через котел в другую камеру, так наз., дымовую коробку, находящуюся впереди котла. Таким образом жар из топки проходит через эти трубки, которые целиком окружены водою.
      Котел новейшего типа — так наз., «водотрубный» котел. В нем вода заключена в трубках, и вокруг них проходит жар из топки. Это выгодно в нескольких отношениях. Во-первых, так как трубки малы, то они могут быть очень тонкостенными в сравнении со стенками цилиндрического котла, так что теплота легче может проникать через них в воду. Далее, если какая-нибудь часть должна лопнуть, то это скорее всего случится лишь с малой трубкой, а не со стенкой самого котла, и благодаря этому значительно уменьшается опасность. Сказанное не следует понимать в том смысле, будто цилиндрические котлы часто подвержены взрывам. Взрывы не так часты, — но где приходится иметь дело с такими огромными силами, там необходимо считаться с возможностью взрыва, и в этом отношении водотрубный котел представляет меньшую опасность.
      Водотрубные котлы очень часто употребляются на военных судах, а также в электрических генераторных станциях, так как они могут развить пары очень быстро, — что в критическую минуту весьма важно.
      Главные опасности, которым подвержены паровые котлы, это возможность взрыва вследствие чрезмерного давления или вследствие слишком большого понижения уровня воды.
      От первой опасности котел защищен предохранительным клапаном. Этот клапан представляет собою пробку в крышке котла и нагружается тяжелой гирей или же более легким грузом на конце рычага; когда пар достигнет известного давления, он приподнимает пробку, и часть его выходит наружу. Таким образом, давление не может превысить определенной границы.
      Против второй опасности служит клапан, который приводится в действие поплавком внутри котла. Когда поплавок опускается ниже определенного уровня, он открывает клапан, и пар издает пронзительный свист. Та же опасность предупреждается еще посредством другого приспособления — при помощи втулки из легкоплавкого металла вверху жаровой трубы. Пока пробка соприкасается с водой, она не плавится [почему?], но как только вода опустится ниже втулки, так что пробка становится сухой, она плавится и впускает пар в трубу, вследствие чего гасится огонь.
      Если пар из машины выпускать не в воздух, но в разреженное пространство, то сила пара значительно увеличится, так как к действию пара, толкающего поршень с одной стороны, присоединяется тяга безвоздушного пространства, которое как бы тянет его с другой стороны-(точнее: увеличивается разность давлений на обе стороны поршня, каковая разность и является в данном случае движущей силой). Аппарат, при помощи которого получается разреженное пространство, или «вакуум», называется холодильником, или конденсатором.
      В своей наиболее распространенной форме холодильник сходен с небольшим трубчатым котлом. Войдя в цилиндр, пар вступает в соприкосновение с трубками, в которых циркулирующая холодная вода поддерживает низкую температуру. Сгустившийся пар (т.-е. вода) и воздух, который мог войти с паром, удаляются при помощи воздушного насоса. Таким образом, вода получается вновь, и ее можно накачать обратно в котел и снова использовать. Благодаря этому обстоятельству, такие «поверхностные холодильники» (в которых пар сгущается от соприкосновения с холодной поверхностью) употребляются на всех пароходах. Охлаждающая вода накачивается через трубки другим насосом, который называется циркуляционным насосом.
      Есть еще холодильники другого вида — так наз., «оросительный поверхностный холодильник». В нем пар проводится через трубки, находящиеся на крыше машинного здания или в каком-нибудь другом открытом месте. Воде дают капать вдоль наружной поверхности этих трубок, а теплота пара, находящегося внутри трубок, вызывает быстрое испарение воды. Так как испарение всегда сопровождается понижением температуры, то вследствие испарения воды трубки сильно охлаждаются, и пар внутри их сгущается. Получается странное, парадоксальное явление: пар при помощи своей собственной теплоты порождает холод, от которого он сам же сгущается! *).
      *) Парадокс разрешается тем, что теплота пара затрачивается здесь на работу испарения воды и при этом исчезает, как таковая («скрытая» теплота): отсюда и охлаждение.
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники». 1914.
     
      Паровоз.
     
      Механическая сила была применена для движения вагонов по дороге, образованной рельсами, впервые в форме паровой машины, и вплоть до сегодняшнего дня паровой локомотив является главным средством для этой цели. Правда, на некоторых линиях вошла в употребление электрическая тяга и даже с большим успехом; но ошибочно было бы думать, Что паровоз доживает свои последние дни. Для коротких, оживленных линий лучше всего электрическая тяга, для больших линий — паровая.
      Механизм, посредством которого пар вращает колеса паровоза, в принципе тот же, что и в стационарной [установленной на неподвижном основании] паровой машине. Обыкновенно имеются два цилиндра, каждый со своим поршнем и поршневым штоком, крейцкопфом, шатуном и кривошипом; оба кривошипа устанавливаются под прямым углом друг к другу, так что когда один поршень находится в конце своего хода, как раз изменяя свое направление и не выполняя поэтому никакой работы, другой поршень находится посредине хода и поэтому толкает сильнее всего. Золотник, который регулирует движение пара в цилиндры и из цилиндров, во многих случаях приводится в действие эксцентриком; но часто употребляются особые «парораспределители», в которых помощью системы рычагов движение самих кривошипов передается золотникам и приводит их в действие.
      Паровой котел принадлежит к типу, так наз., «трубчатых» котлов, с «дымогарными трубами». В нем различают, во-первых, цилиндрическую часть из стальных листов, содержащую в себе воду, и во-вторых, до 200 или даже больше железных, медных или латунных труб, имеющих около 2 дюймов в диаметре и идущих от одного конца до другого **).
      **) Не мешает добавить, что оба конца труб покрыты и наглухо вделываются в переднюю и заднюю стенки котла, так что полость труб нигде не сообщается с полостью котла, но с обоих концов открывается наружу.
      Позади котла находится большая камера, так наз., «топочная коробка» или просто «топка», с дном, состоящим из ряда железных стержней — «колосников», образующих «колосниковую решетку», на которой разводится огонь. Жар от огня проходит через трубы в другую камеру на переднем конце, так наз., «дымовую коробку», на верхушке которой находится дымовая труба.
      В дымовой коробке находится чрезвычайно важное приспособление, так наз., «конус»; изобретен он Джорджем Стефенсоном, и лишь благодаря ему удается получать в сравнительно небольшом котле достаточное количество пара. Нужно помнить, что котел паровоза гораздо меньше — по отношению к количеству пара, которое он должен развить, — чем стационарный котел. Именно поэтому, вместо одной или двух жаровых труб, в нем устраивается большое число узких труб, чтобы теплота могла переходить в воду через возможно»,большую поверхность. Но это влечет за собой то неудобство, что нагретые газы не могут проходить достаточно быстро через узкие трубы; кроме того, паровозный котел лишен того преимущества, которое есть у стационарного котла, а именно высокой дымовой трубы, создающей сильную тягу. Поэтому если не устроить какой-нибудь искусственной тяги, горение не будет происходить достаточно быстро.
      В первое время это обстоятельство и составляло одно из главных затруднений для Стефенсона [изобретателя паровоза], пока он не напал на счастливую идею устроить упомянутый «конус». Это — труба, помещенная на дне дымовой коробки, с отверстием, направленным вверх к дымовой трубе; по ней пар проходит из цилиндров, вырывается мощной струей вверх в дымовую трубу и этим создает сильную тягу в дымогарных трубах котла. Такое продувание возможно, конечно, лишь во время движения паровоза; для того же, чтобы произвести тягу во время разводки паров или во время остановки на станции, имеется приспособлений, благодаря которому можно направить струю пара в трубу прямо из котла, — что произведет, конечно, тот же эффект. Машинист может по произволу выпускать и останавливать эту струю пара.
      «Паровой колпак», или просто «колпак» *), который так бросается в глаза в большинстве паровозов, служит для высушивания пара. Когда пар поднимается с поверхности воды, он уносит с собою значительное количество жидкой воды в виде капелек, образующих туман, — сам по себе пар прозрачен, — и если бы он проходил из котла прямо в цилиндры, вода тоже прошла бы туда и отчасти заполнила бы цилиндры. Пар поэтому пропускают из котла через особую трубу, открытый конец которой находится под верхней крышкой колпака, и пока пар пройдет от поверхности трубы до устья этой трубы, большая часть содержащейся в нем воды осядет **), и таким образом в цилиндры он проходит сухим. В некоторых паровозах, не имеющих колпака, та же цель достигается посредством длинной горизонтальной трубы внутри котла, под его верхней стенкой. Пар входит в трубу через отверстия на ее верхушке, благодаря чему достигается тот же результат, что и в колпаке.
      *) Большею частью — цилиндрическое возвышение на корпусе паровоза позади дымовой трубы.
      **) Сгустившаяся вода при помощи особого приспособления отводится обратно в котел.
     
      Труба с паром проводится затем к цилиндрам через дымовую коробку, где температура очень высока, благодаря чему он еще больше высушивается.
      Если значительное количество воды попадает в цилиндр паровой машины, то последствия могут быть очень серьезные. Вода [почти] столь же мало сжимаема, как кусок железа, и если бы ее оказалось больше, чем нужно для заполнения пространства, которое нормально остается между крайним положением поршня и крышкой на конце цилиндра, то поршень был бы задержан в своем движении совершенно так же, как если бы цилиндр был слишком короток. Весь механизм паровоза был бы внезапно остановлен, даже если бы ничего не сломалось. По всей вероятности, крышка цилиндра была бы выбита, как при взрыве. Когда паровоз начинает движение, его цилиндры холодны, и пар сгущается в них в большом количестве; для выпуска получившейся воды у обоих концов цилиндра приделано по небольшому крану. Эти «спускные краны» открываются и закрываются при помощи системы рычагов, которой управляет машинист. Он всегда открывает их вначале движения, выпуская таким образом воду, а вместе с нею и пар, который вырываясь производит знакомый всем громкий свистящий звук. Затем, когда цилиндры нагрелись и пар перестает сгущаться, он закрывает краны.
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники», 1914.
     
      Паровая турбина.
     
      Существенной новой формой паровой машины является паровая турбина. Всего лишь в 1884 году Парсонс построил первую турбину, и только с 1891 г. турбина стала серьезным соперником поршневой паровой машины.
      Правда, еще с 1629 г. итальянец Бранка изобрел маленькое колесо, приводившееся во вращательное движение паром, выходившим из трубки; но это была лишь игрушка, не имевшая тех свойств, которые доставили успех современной турбине, так что мы смело можем считать К. А. Парсонса изобретателем паровой турбины.
      Турбина Парсонса состоит из стального барабана, так называемого, ротора, вращающегося внутри цилиндрического чугунного кожуха. Кругом на роторе насажены ряды маленьких лопаток, по виду весьма похожих на ту часть стального пера, которая вставляется в ручку. К внутренней стенке кожуха тоже прикреплены ряды лопаток, сходных с лопатками ротора, но изогнутых в противоположную сторону; когда ротор лежит в ящике, и этот последний закрыт, то ряды лопаток расположены поочередно: сперва идет ряд лопаток, прикрепленных к кожуху, затем ряд лопаток, прикрепленных к ротору, затем другой ряд, прикрепленный к кожуху, и так далее.
      Пар входит у одного конца кожуха, и, ища выхода, направляется к другому концу. Сперва пар встречает ряд лопаток кожуха, которые разбивают его на струи и направляют эти струи к первому ряду лопаток ротора. От этих последних пар отражается ко второму ряду лопаток кожуха, от них — ко второму ряду лопаток ротора и т. д. Таким образом, когда пар проходит через всю длину турбины, он все время направляется к лопаткам ротора, и, благодаря соединенному действию толчков пара о большое число этих малых лопаток (большая турбина снабжена тысячами таких лопаток), ротор начинает вращаться с большой силой.
      Ротор и кожух постепенно расширяются по направлению к тому концу, у которого выходит пар, так что пару есть, где расшириться, и потому упругая сила его утилизируется здесь таким же образом, как в машине компаунд или тройного расширения. Одно из важнейших свойств турбины в том именно и заключается, что она может извлечь и использовать всю силу расширения пара: в паре, выходящем из турбины, силы остается не больше, чем в паре, поднимающемся из открытого котла. Вследствие этого турбину можно заставить производительно работать паром, уже использованным в поршневой машине. Это, так называемые, «турбины для мятого пара»; ими часто пользуются на больших заводах для получения электричества, при помощи отработавшего пара из других машин.
      На первый взгляд кажется странным, чтобы такая машина, как турбина, в которой пар лишь как бы дует на что-то, могла быть столь производительной. Хотя лопатки и насажены близко одна к другой, может казаться, что часть пара проходит мимо них без пользы, и что обыкновенная паровая машина с непроницаемым для пара поршнем должна быть лучше. На самом же деле бывает не так, потому что турбина извлекает из пара больше работы, чем поршневая паровая машина.
      Однако, турбина имеет один крупный недостаток. Дело в том, что по своей природе она может работать лишь с большой скоростью; обыкновенно число оборотов в минуту значительно превышает тысячу. Можно заставить турбину работать и медленнее, но тогда она теряет в производительности.
      Большая скорость не мешает, если турбина служит для того, чтобы приводить в действие электрическую машину, так как динамо работает хорошо именно при большой скорости. Но эта большая скорость составляет серьезный недостаток, если турбиной пользуются для того, чтобы приводить в движение пароходы. Если пароходный винт вращается слишком быстро, то он лишь взбивает воду и таким образом теряет свое толкающее действие. Наивыгоднейшая скорость в большинстве пароходов ниже 100 оборотов в минуту, — что значительно меньше наиболее выгодной скорости турбины. Чтобы помочь этому горю, предложено пользоваться турбиной для приведения в действие динамомашины, а током от этой динамо питать электрический мотор, который может быть предназначен для любой скорости. Тем самым устраняется также и другое затруднение, обусловленное необратимостью турбины (электрический мотор легко может быть обращен).
      Это замечание способно вызвать такой вопрос: как может турбинный пароход итти задним ходом, если турбина не может иметь обратного хода? На это отвечу, что такой пароход имеет для заднего хода специальные турбины.
      Для движения судов почти всегда употребляется турбина Парсонса, но для приведения в действие электрических и других машин служит ряд других турбин. Наиболее известны турбины Куртиса, Вестингауза, Де-Лаваля и Рато. По своей основной идее они сходны с турбиной Парсонса, от которой отличаются лишь в деталях.
      Т. Корбин.
      «Успехи современной техники», 1914.
     
      Мощность и лошадиная сила.
     
      I.
      Для оценки работы машины нужно обращать внимание на время, в течение которого машина совершила ту или иную работу. Так, машину, которая совершила работу в 500 килограммометров в продолжение 10 сек., мы предпочтем машине, совершившей работу в 750 км.-м., но в 30 сек., потому что первая машина в 1 секунду совершила 50 км.-м., а вторая 25 км.-м.; мы, очевидно, можем сказать, что первая машина вдвое полезнее для нас, в смысле работы, чем вторая. Для оценки машин, нужно, следовательно, обращать внимание на быстроту совершения ими работы.
      Этой быстроте и придают название мощности. *) Мощность данной машины естественно принять прямо пропорциональною работе, совершенной машиною, и обратно пропорциональною времени, в течение которого эта работа совершена. За меру мощности машины принимается поэтому величина работы, совершаемой ею в единицу времени, а за единицу мощности — мощность такой машины, которая может производить единицу работы (напр., 1 кил.-м.) в единицу времени (например, в 1 сек.).
      В технике принята, однако, другая единица мощности, а именно, так наз., «лошадиная сила*: способность производить 75 килограммометров работы в секунду.
      *) Человека, который может проявить большую силу, хотя бы и на короткое время, мы называем сильным», человека, который с уверенностью берется за большую работу и может действительно ее совершить, назовем энергичным. Название же мощного более подходит к человеку, который может в течение продолжительного времени совершать постоянно большую работу, — так что научные термины «энергия» и «мощность» в известной мере соответствуют житейскому их смыслу.
     
      По названию можно было бы предположить, что такова действительно мощность лошади, — но оказывается, что средняя мощность лошади раза в два меньше этого. Интересно происхождение такой повышенной оценки мощности лошади. Англичанин Уатт, который настолько усовершенствовал паровую машину, что его можно считать ее изобретателем, одну из первых своих машин построил для одного завода в Англии; при этом было предварительно условлено, что эта машина должна будет совершать в день такую же работу, какую в состоянии сделать сильная лошадь, — ибо раньше тот насос, для приведения которого в движение предназначалась паровая машина, работал с приводом в одну лошадь. Чтобы убедиться, удовлетворяет ли машина поставленным условиям, нужно было определить, какую работу может совершить лошадь в день. И вот, чтобы заполучить машину посильнее, заводчик заставил самую сильную свою лошадь, — а Англия славится своими рабочими лошадьми, — работать под ударами плетей без остановки в течение нескольких часов до полного изнеможения. При таких ненормальных условиях и получилась такая повышенная оценка мощности лошади. В виду этого происхождения «лошадиную силу” иногда называют «паровою лошадью”.
      Проф. Б. П. Вейнберг.
      «Общий курс физики», 1908.
      (...)
     
      Теплота и работа.
      1.
      Окончательным результатом производимой работы является во многих случаях теплота. Спрашивается: какая должна быть произведена работа, чтобы результатом ее явилось определенное количество теплоты? Всем известно, конечно, что всякого рода величины могут быть измерены и что для всякого измерения необходимо иметь определенную единицу. За единицу количества теплоты берется то количество ее, которое способно нагреть один килограмм воды на 1°Ц. Эта единица количества теплоты называется калорией. За единицу работы мы принимаем ту работу, которая производится, когда тело, вес которого один килограмм, поднимается на высоту одного метра. Эта единица работы называется килограммо-метром. Вопрос является, следовательно, в такой форме: одна калория теплоты, превращаясь в работу, сколько может произвести работы? Или, формулируя точнее: сколько одна калория даст килограммометров работы? Или — наоборот: сколько нужно затратить килограммометров работы, чтобы в результате получилась одна калория теплоты?
      *) Это число находят в таблице давления насыщенного водяного пара при различных температурах. — Сост.
      Вопрос этот можно формулировать еще несколько иначе. Представим себе, что некоторое тело падает с высоты на землю, напр., один килограмм воды падает с высоты 200 метров. Чтобы поднять это количество воды на ту же высоту, надо произвести работу в 200 килограммометров. Когда вода упадет вниз, эта работа превратится в теплоту; спрашивается; с какой высоты должен падать один килограмм воды для того, чтобы в момент удара о землю он нагрелся как раз на 1°Ц.? Число килограммо-метров работы, которая в результате может дать одну калорию, называется механическим эквивалентом теплоты. Весьма точные измерения показали, что это число равно 426, т.-е., что если вода .упадет на землю с высоты 426 метров, то в момент удара она нагреется на 1°Ц.
      Каким образом могло быть найдено это число? Для того, чтобы определить его, необходимо было рассмотреть разные случаи превращения работы в теплоту, измерить количество произведенной работы и количество теплоты, которая при этом получалась. Так как существуют весьма различные случаи перехода работы в теплоту (удар, трение, сжатие и т. д.), то и в весьма значительном числе различных случаев могли быть произведены таковые измерения. Во всех этих разнообразных случаях всегда оказывалось, что в результате определенной произведенной работы получается одно и то же определенное количество теплоты, а именно, одна калория теплоты на 426 килограммо-метров затраченной работы.
      Акад. О. Д. Хвольсон.
      «Популярные лекции об основных гипотезах физики», 1887.
     
      II.
      Общий принцип, по которому двигаются все наши тепловые двигатели, очень ясен и очень прост. Какое бы то ни было тело, — водяной пар, эфир, хлороформ, вообще газы — подвергаются в них попеременно то расширению, то сжатию в своем объеме. В период расширения тело производит усилие и толкает вперед поршень, двигающийся внутри насоса и передающий наружу, с помощью соответственных механических приспособлений, сумму усилий, работу, которую он получает. В период сжатия поршень, сделавшийся вновь свободным, возвращается в свое перво- начальное положение.
      В наших паровых машинах, например, вода, подвергнутая действию теплоты в котле, превращается в пар, то-есть в такой степени расширяется там, что принимает объем в несколько сот раз больший; по мере того, как образуется этот пар, он толкает вперед или назад поршень, служащий двигателем Каждый раз, как поршень приходит к концу своего пути, толкавший его пар приводится в сообщение с пустым и холодным пространством, где осаждается и сгущается; поршень, сделавшийся таким образом свободным, может идти назад под действием нового пара, толкающего его с противоположной стороны.
      Попеременное расширение и сжатие тела, — такова причина, некоторым образом осязаемая, движения какого бы то ни было теплового двигателя. Попеременные прирост и убыль теплоты, — такова действительная, но никак не осязаемая причина этих изменений объема и этих движений. Такой двигатель предполагает, следовательно, существование не только источника теплоты, нужного для расширения тела, но и источника холода, чтобы отнять от тела, подвергшегося расширению, то, что его расширило, и чтобы привести его в первоначальное состояние.
      Один из важнейших вопросов естественно представляется здесь уму. Отдает ли тело, подвергаемое действию теплоты, источнику холода всю ту теплоту, которую оно получило от источника теплоты? Чтобы выразиться точнее, предположим, что мы измерили все количество теплоты, доставляемое воде, кипящей в паровом котле, а также всю теплоту, которая приходит в холодильник машины, принимая, впрочем, в расчет пассивные потери: будет ли существовать равенство между количеством сперва данным, потом опять найденным?
      До 1842 года все физики без исключения ответили бы утвердительно; все сказали бы, ни минуты не колеблясь: да, есть равенство между количеством теплоты, израсходованной и опять найденной; теплота может только рассеяться в разных телах, сообщив им более или менее высокую температуру, но невозможно, чтобы она перестала быть теплотою.
      Теперь, напротив, нет ни одного физика, который бы еще мог так отвечать.
      Каждый раз, когда действие теплоты на тело производит механическую работу, исчезает количество теплоты, строго пропорциональное произведенной работе. Обратно, каждый раз, когда механическая работа затрачена на изменение внутреннего равновесия тела, развивается количество теплоты, строго пропорциональное затраченной работе. Между работою, таким образом произведенною или затраченною, и теплотою, таким образом затраченною или произведенною, существует неизменное отношение, которое и составляет то, что называют механическим эквивалентом теплоты.
      Таков великий закон, установленный в первый раз доктором Майером; таково основное положение, на котором покоится все здание механической теории теплоты.
      Во всяком тепловом двигателе/ источник теплоты сообщает телу, на которое действует, количество теплоты, большее того, которое получает от этого тела источник холода, чтобы возвратить ему первоначальный объем; и разность этих двух количеств теплоты составляет то именно ее количество, которое доставляет нам работу машины. Каждая единица теплоты, таким образом израсходованная, переводится в четыреста двадцать пять *) единиц произведенной работы, или килограмметров. Таково числовое выражение механического эквивалента.
      *) По новейшим данным -426 кг.-м. — Сост.
      Каждый знает, что трение, удар, сжатие тел развивает теплоту: и вот количество теплоты, таким образом освобожденной, нисколько не зависит от самой природы тел, но исключительно от исполненной работы. Каждый раз, как совершается израсходование 425 килограмметров, развивается одна единица теплоты, одна калория.
      А. Гирн *). «Анализ вселенной* 1886.
     
      Типы двигателей, потребляющих топливо, и их отдача.
     
      Главными типами двигателей с потреблением топлива являются: паровая машина, паровая турбина и тепловые двигатели [или двигатели внутреннего сгорания].
      В паровой машине характерной частью является цилиндр, где расширяющийся пар совершает работу. Паровые турбины пользуются силою струи пара, ударяющей по лопаткам колеса, напоминающего водяное. Наконец, в тепловых двигателях [или двигателях внутреннего сгорания] газы, получающиеся от сгорания топлива в цилиндре, двигают поршень в этом цилиндре.
      Отдача [или «коэффициент полезного действия»] паровых машин весьма невелика: 10—18% **); значит, из каждой калории, полученной от топлива, только 1/10 и никак не более 1/5 превращаются в полезную механическую работу, остальное тепло уходит в окружающее машину пространство без пользы для нас.
      Причин такой низкой отдачи несколько. Во-первых, вода в котле должна быть сперва нагрета до 100°Ц., а потом превращена в пар, на что уходит значительное количество тепла; затем котел, в котором образуется пар, и вообще вся машина теряет тепло в окружающее пространство; наконец, уже полученная из тепла пара работа частью внсвь превращается в тепло от трения. Из всех этих причин третья наименее влияет на отдачу; зато первые две понижают коэффициент полезного действия приблизительно на 6О%.
      Немногим лучше с точки зрения отдачи и паровые турбины; только очень мощные турбины экономичнее паровых машин ***), слабые же даже менее экономичны.
      Конечно, техника употребляет все усилия, чтобы повысить отдачу паровых машин; но чем больше совершенствуются машины, тем труднее становится их дальнейшее усовершенствование; и, как показывает теория, есть предел такому усовершенствованию.
      *) Густав Адольф Гирн (1815-1890)- знаменитый эльзасский физик и инженер (а также философ), один из основателей механической теории теплоты.
      **) у паровозов даже всего 6 — 8%; У малых машин — всего 2%. — Сост.
      ***) Их коэффиц. полезного действия достигает 23%. — Сост.
      Значительно экономичнее тепловые двигатели [двигатели внутреннего сгорания], коэфф, полезного действия которых доходит до 35% и выше; они получйли поэтому за последнее время громадное распространение и не только успешно борются, но даже и побеждают паровые машины.
      Вплоть до самого последнего времени тепловые двигатели, несмотря на сравнительно высокую их отдачу, не применялись для движения больших судов, потому что не умели строить эти двигатели большой мощности; [теперь же такие суда строятся и носят название «теплоходов»]. Иногда же применению теплового двигателя мешает отсутствие возможности найти на месте его установки или легко и дешево получать жидкое топливо, нефть или керосин. Напр., локомобили, употребляющиеся для сельскохозяйственных работ, все паровые, потому что их можно топить соломой, настолько более дешевой, чем нефть, что это оказывается выгоднее, несмотря на меньшую экономичность таких машин. С другой стороны, где требуются машины малой мощности и есть не особенно дорогое жидкое топливо, и в особенности где имеет главное значение вес и компактность машины и необходимого для нее запаса топлива, — там паровые машины с их тяжелыми и громоздкими паровыми котлами непригодны и уступают место тепловым двигателям, [т. е. двигателям внутреннего сгорания]. В особенности это замечание касается автомобильных и аэропланных двигателей.
      Н. Н. Андреев.
      «Закон, сохранения энергии», 1922.
     
      Кинетическая теория газов.
     
      Современный взгляд на внутреннее устройство газообразных тел заключается в следующем:
      Мы допускаем, что в газообразных телах все частицы находятся в движении, но в движении не колебательном, а прямолинейном, поступательном. Всякая частица движется по прямой линии все дальше и дальше. В данном объеме газа различные частицы имеют всевозможные направления движения, так что газ должен представить нам картину какого-то весьма хаотического движения, которое для всякой частицы происходит и продолжается прямолинейно до тех пор, пока она не ударится о какую-нибудь преграду, напр., о стенку сосуда, в котором заключается газ, или же одругую частицу, движущуюся по другому направлению. Вследствие такого столкновения, обе частицы меняют первоначальное направление движения. Такого рода столкновения, как показало дальнейшее развитие учения, должны происходить весьма и весьма часто, так что мы должны представить себе газообразное тело в виде хаоса, в котором частицы движутся прямолинейно, непрерывно, однако, сталкиваясь между собой и меняя, вследствие этого, направление движения. В таком представлении заключается основание, так называемой, «кинетической теории газов», замечательно хорошо объясняющей те явления, которые мы наблюдаем над газообразными телами. Она была основана, главным образом, Клаузиусом в пятидесятых годах XIX века.
      Покажем, как эта теория объясняет главнейшие свойства газов. Всем известно, что основное свойство газа заключается в его стремлении расширяться. Если рядом с газообразным телом имеется пустота, то часть газообразного тела немедленно устремляется в это пустое пространство; если газ находится в какой-либо оболочке, то результатом его стремления расшириться будет давление на все стенки облегающего и сдерживающего его тела, и если это тело — сосуд С отверстием, в котором помещен подвижной поршень, то газ произведет давление на этот поршень, и этот последний должен иметь известный вес, должен произвести соответственное давление на газ для того, чтобы последний его не поднял.
      Прежде давление газа на стенки сосуда или на поршень, т.-е. стремление его расшириться, приписывали тому, что частицы газа взаимно отталкиваются. Теперь явление это объясняется гораздо проще.
      В том хаосе, о котором было сказано ранее, частицы летят по всем направлениям и, ударяясь о поршень, отскакивают от него. Если допустить, что число частиц, ударяющихся таким образом о поршень, определяется биллионами и что скорость движения частиц весьма велика, то ясно, что хотя действие одного удара одной частицы ничтожно, однако совокупность всех ударов о поршень, чибло которых, напр., в одну секунду, громадно, может произвести весьма значительное давление на него. Итак, давление газа есть результат совокупности ударов летящих по прямой линии частиц. Что касается до стремления газа перейти немедленно в пустоту, то это явление не требует уже никакого объяснения: если сосуд с газом соединить с другим сосудом, пустым, то очевидно, что все частицы газа, которые в данный момент движутся по направлению к месту соединения двух сосудов, не встречая здесь препятствия,, немедленно перелетят в пустое пространство другого сосуда, который таким образом наполнится весьма быстро.
      Укажем еще на некоторые из всем известных свойств газообразных тел и покажем, как они объясняются на основании теории.
      Когда газ, расширяясь, производит некоторую работу, он в то же время охлаждается. Это явление объясняется следующим образом: при высшей температуре газа, частицы его движутся с большею скоростью; следовательно, уменьшение скорости движения частиц соответствует уменьшению температуры газа. Допустим, что газ, расширяясь, толкает поршень; в таком случае каждая частица газа, ударив о поршень, передает часть своего движения поршню и поэтому отскакивает обратно уже с меньшею скоростью, чем та, которую она имела первоначально; следовательно, и температура газа должна понизиться. Если, наоборот, насильно, посредством поршня будем сжимать газ, то он будет нагреваться. Это объясняется очень просто: если движущиеся частицы газа будут встречать поршень, идущий им навстречу, то в момент удара о поршень они получат толчок и отскочат от поршня, находящегося в состоянии покоя; с увеличением скорости частиц должна увеличиться и температура газа.
      Клаузиус вычислил скорость движения частиц газа; оказывается, что частицы кислорода движутся со скоростью приблизительно 1/2 версты в секунду, частицы водорода — почти 2-х верст в секунду. Скорость частиц газа, следовательно, весьма велика, и внутри сосуда они в течение одной секунды перескакивают от одной стенки сосуда до другой огромное число раз, если на этом пути не столкнутся с другими частицами.
      Рассмотрим еще явление испарения жидкостей. Вообразим открытый сосуд, наполненный жидкостью, и положим, что над жидкостью находится воздух, который давит на ее поверхность сверху вниз. В таком случае происходит непрерывная бомбардировка поверхности жидкости частицами газообразного тела — воздуха. Частицы жидкости также находятся в движении; те частицы, которые находятся глубоко внутри самой жидкости, далеко отойти от своего первоначального места не могут. Легко, однако, понять, что если частицы жидкости, которые находятся у самой ее поверхности, в некоторый момент имеют большую скорость, двигаясь по направлению от жидкости прочь, то они могут отлететь, вырваться от остальной массы, так как они не с очень большою силою притягиваются назад. Но большинство этих частиц жидкости, стремящихся ускользнуть, весьма скоро встретят идущие им навстречу частицы газа, которые их оттолкнут обратно, так что в действительности лишь весьма немногим из частиц жидкости удастся проскользнуть между частицами газа. Но все-таки некоторым из частиц жидкости удастся отделиться от поверхности жидкости, и этим объясняется ее испарение. Чем выше будет температура жидкости, тем энергичнее будет движение ее частиц, тем с большею скоростью будут вылетать эти частицы, тем большие шансы будут они иметь не быть оттолкнутыми частицами воздуха. Поэтому испарение жидкости тем сильнее, чем выше ее температура. Наконец, когда число ударов частиц жидкости снизу вверх, т.-е. с поверхности жидкости, будет равняться числу ударов сверху вниз, тогда огромное число частиц жидкости будет испаряться. Еще некоторое повышение температуры жидкости — и давление снизу вверх будет больше давления сверху вниз; тогда последует обильное выделение частиц жидкости — она закипает.
      Против этой теории было сделано не мало возражений. Между прочим, указывали на то, что если частицы газообразных тел движутся со скоростью полуверсты, целой версты и даже .двух верст в секунду, то газы должны были бы распространяться чрезвычайно быстро; между тем мы замечаем, что распространение газа происходит крайне медленно. Вообразим, что в одном углу большого помещения был открыт сосуд с каким-нибудь пахучим газом напр., с сероводородом или аммиаком; мы знаем, что пока запах газа распространится по всему помещению, пройдет довольно много времени, а между тем, если частицы газа движутся со скоростью, напр., версты в секунду, то они должны были бы распространиться по всей комнате в весьма малую дробную долю секунды.
      Чтобы выяснить это кажущееся противоречие, Клаузиус определил вычислением, как часто частицы газа должны между собою сталкиваться. Он нашел среднюю длину пути частиц, т.-е. средний отрезок пути, который, по всей вероятности, частица имеет наибольший шанс пройти от одного столкновения до другого. Для воздуха длина среднего пути частиц составляет 1/10000 долю миллиметра. Между тем скорость частицы воздуха равняется 1/2 версты в секунду. Отсюда ясно, что частицы газообразных тел хотя и летят прямолинейно с громадною скоростью, но, непрерывно сталкиваясь между собою, непрерывно меняют и направление движения. Частица воздуха в одну секунду претерпевает 4000 миллионов столкновений с другими частицами; следовательно, в одну секунду столько же раз меняется и направление ее движения, которое, хотя и прямолинейное в данный момент, будет происходить по ломаной линии, имеющей бесчисленное множество перегибов. Этим и объясняется медленность распространения одного газа в другом.
      В настоящее время учение о газах составляет стройное здание; множество явлений, напр., теплопроводность, внутреннее трение, и проч., исследованы путем математическим, и наука дошла до того, что в состоянии определить величину частиц газа и число их в данном объеме.
      Акад. О. Д. Хволъсон.
      «Популярные лекции об основных гипотезах физики», 1887.
     
      Скорости частиц газов больше скоростей сильнейшего урагана. Порывы урагана, влекущие за собою ужасающие последствия, соответствуют скорости 150 метров, т.-е. в три раза меньшей, чем скорость молекулы воздуха в наших легких. Эти скорости перевышают скорость звука и могут быть сравнены только с космическими скоростями. Скорость частицы водорода почти вчетверо больше скорости точки земного экватора в суточном движении (около 1/2 километра в секунду). Вокруг нас бушует непрерывная буря: частицы газов бомбардируют нас со всех сторон, и если мы не страдаем, то только потому, что буря хаотична, что частицы не летят по одному направлению в пространстве. Эта буря, свирепствующая и у стенок сосудов, содержащих газ, ударами своих частичек производит то давление, которым мы измеряем упругость газа.
      Проф. Н. А. Умов.
      «Памяти Клерка Максуэла», 1888.
     
      Абсолютный нуль температуры.
     
      Если теплота есть кинетическая энергия молекул, то очевидно, что должен существовать некоторый предел, — температура, ниже которой нельзя охладить тело, хотя существование верхнего предела температуры, выше которой нельзя нагреть тела, не представляется необходимым. Вещество, которое состоит из совершенно неподвижных молекул, является абсолютно холодным; ничего более холодного мы не можем себе представить. Истинным нулем всякой термометрической шкалы является этот абсолютный нуль, а не точка замерзания воды или какого-либо другого вещества.
      Два тела имеют температуры, равные температуре какого-нибудь газа, следовательно, одинаковую температуру, тогда, когда тепловой обмен между каждым из них и этим газом не вызывает изменения кинетической энергии молекул газа, т.-е. изменения давления, если газ имеет постоянный объем, и изменения объема — при постоянном давлении... Из двух температур вдвое больше та, при которой кинетическая энергия молекул газа, или его давление при постоянном объеме, тоже вдвое больше. Если мы примем шкалу Цельсия, то оказывается, что давление в газовом термометре с постоянным объемом возрастает при повышении температуры на 1° на давления газа при 0° и уменьшается на ту же величину на каждый 1° ниже нуля.
      Отсюда следует, что при температуре 273° давление газа удваивается, при 546° утраивается, при 819° учетверяется и т. д.
      Наоборот, давление уменьшится вдвое при — 136,5°; при — 273° давление и кинетическая энергия молекул газа совершенно уничтожаются, если только он не перейдет в жидкость, как это случается со всеми известными газами еще прежде, чем они достигнут этой температуры. Молекулы делаются абсолютно неподвижными и, следовательно, абсолютно холодными. Иными словами, абсолютный нуль — 273° ниже нуля Цельсие-вой шкалы. «Абсолютная температура», как ее называют, получается прибавлением 273° к температуре, выраженной в градусах Цельсия.
      Фр. Содди.
      «Материя и энергия», 1911.
     
      Закон Бойля-Мариотта и отступления от него.
     
      Представим себе, что мы уменьшили объем, занимаемый газом, — сжали газ. Мы можем вообразить себе, что стенки кубического ящика (содержащего газ) могут сдвигаться и раздвигаться на любое расстояние; пусть мы медленно *) сдвинули их так, что каждый из трех размеров
      *) При быстром сжатии температура газа поднялась бы; мы же желаем изменить объем газа при неизменной температуре, — Сост.
      — 202 —
      ящика (длина, ширина, вышина) стал вдвое меньше, чем прежде. Объем ящика уменьшится от этого в восемь раз. Посмотрим, что станется с давлением газа на 1 кв. сайт, какой-нибудь стенки.
      Ясно, что частицы сблизились между собою вдвое, т.-е. средняя величина расстояния между двумя ближайшими частицами уменьшилась наполовину. Расстояние крайних частиц от [противоположных] стенок средним числом стало также вдвое меньше. Отсюда два следствия.
      Во-первых, число частиц, ударяющихся в каждый кв. сантиметр стенки сделалось вчетверо больше прежнего (то же число ударяющихся частиц сосредоточено теперь на площади вчетверо меньшей).
      При уменьшении линейных размеров куба вдвое его поверхность уменьшилась вчетверо. — Сост.
      Далее, столкновения частиц между собою и со стенками ящика будут случаться вдвое чаще-, каждая частица в данное время (напр., в 1 секунду) будет претерпевать двойное против прежнего число толчков и двойное число ударов о стенку.
      Отсюда не трудно понять, что произойдет с давлением газа при новых условиях. С одной стороны, число частиц, ударяющихся в одну секунду в данную площадь, сделалось вчетверо больше; с другой стороны, удары каждой отдельной частицы повторяются вдвое чаще. Давление, т.-е. сумма толчков на данную площадь в 1 секунду, увеличится в восемь раз. Оно возросло в таком же отношении, в каком уменьшился объем газа. Мы произвольно взяли число 8; при всяком ином сжатии вывод остался бы верен.
      Но это — знакомый нам закон Бойля; мы видим, что он весьма просто вытекает из нашей гипотезы [кинетической теории газов].
      Рассуждая о том, как должно измениться давление, когда изменим объем газа, мы делали два допущения, которые не могут быть вполне справедливы. Мы, во-первых, считали частицы газа как бы точками, вовсе не имеющими размеров. На самом деле это — тела, хотя и малые. Только считая их за точки, мы были вправе сказать, что при восьмикратном уменьшении объема расстояние двух частиц уменьшилось вдвое, при lQOO-кратном — вдесятеро. Если бы это было вполне верно, мы могли сжимать газ сколько угодно. все-таки среднее расстояние между двумя ближайшими частицами не дошло бы до нуля. Hо как скоро частицы газа суть тела, мы можем представить их себе сдвинутыми до того, что они касаются друг, друга и далее сдвигаться не могут, по непроницаемости.
      Итак, на самом деле расстояние двух частиц обращается в нуль не при бесконечно - большом сжатии газа, а рацее. Отсюда ясно, что это расстояние уменьшается быстрее, чем мы предполагали: при восьмикратном сжатии оно будет меньше, чем половина прежнего, при 1000-кратном меньше, чем 1/10.
      Но от расстояния двух частиц зависит, как мы видели, число ударов о стенку, т.-е. давление. Если расстояние частиц убывает быстрее, чем мы думали, то быстрее же будет рости давление при сжатии. Т.-е. газ при сжатии должен обнаруживать давления более тех, какие бы следовали по закону Бойля. Это подтверждается опытом для водорода при умеренных давлениях (1 — 30 атмосфер) и для всех газов при давлениях весьма больших.
      Но есть и другая причина уклонения, которой мы еще не принимали в расчет; она должна вести к противоположным следствиям.
      Мы допускали, что между частицами газа нет ни притяжений, ни отталкиваний, что они действуют друг на друга только в момент столкновения, но не действуют издали. Но весьма естественно, что то притяжение, какое оказывается между частицами в жидком или твердом теле, действует и в газе, хотя сильно ослабленное дальностью частиц. Этого мы не имели в виду. Ясно, что такое притяжение будет увеличивать плотность газа. Не будь этого притяжения, плотность возростала бы пропорционально давлению; теперь она будет возростать быстрее. Это значит, наш газ будет обнаруживать такое отступление от Бойлева закона, какое мы находим для воздуха и большинства газов при умеренных давлениях *).
      *) Возьмем, например, атмосферный воздух. Если бы он точно подчинялся закону Бойля-Мариотта, то для того, чтобы уменьшить его объем в 100 раз, нужно было бы увеличить давление в 100 раз, т.-е. сделать его равным 100 атмосферам; а чтобы уменьшить его объем в 300 раз, надо было бы приложить давление в 300 атмосфер. Опыт показывает, однако, что для уменьшения объема в 100 раз достаточно 97 атмосфер вместо 100, но что для уменьшения объема В 300 раз мало 300 атмосфер, а нужно 330 атмосфер. А чтобы уменьшить объем воздуха в 700 раз (т.-е. довести почти до плотности воды) — нужно не 700 атмосфер» а 3.000
      То, что атмосферным воздух оказывается при объеме в 100 раз меньшем, лучше сжимаемым, чем следовало бы по закону Бойля-Мариотта, показывает, что между частицами действуют хоть слабые, но притягательные силы. А то обстоятельство, что при еще меньших объемах сжимаемость воздуха хуже, чем следовало бы по закону Бойля-Мариотта, указывает, что размеры частиц не очень уж малы сравнительно с их взаимными расстояниями. (Проф. Б. П. Вейнберг). — Сост.
     
      Итак, наша гипотеза [кинетическая теория газов] прямо указывает на те отступления от газовых законов, какие мы видим на опыте. «Идеальным газом» мог бы быть только такой, частицы которого суть точки и не оказывают никаких взаимодействий на расстоянии. Несоблюдение этих двух условий ведет к уклонениям то в ту, то в другую сторону от закона Бойля, смотря по тому, какая из двух причин преобладает. Для водорода, например, мы имеем право предположить, что влияние размера частиц сильнее, чем влияние частичного притяжения.
      Руководясь этими соображениями, голландский физик фан-дер-Ваальс предложил для газов новый закон зависимости между давлением, объемом и температурой. Это — закон Бойля и Шарля [Мариотта — Гей-Люсака], усложненный двумя поправками: одна зависит от размера частиц, другая — от силы их притяжения.
      Оказалось, что этот новый закон объясняет весьма точно всю сложность явлений, если только припишем частицам газа известный объем и известную силу сцепления. Наоборот, опытные данные относительно того или другого газа, при попытке подвести их под закон фан-дер-Ваальса, дают нам возможность узнать, какова величина частиц газа и каково их взаимное притяжение.
      Таким образом, эти неправильности газов, эти уклонения от «идеала» приобретают особенную цену: они дают нам средство решить самые недоступные, повидимому, вопросы из мира атомов.
      А. Г. Столетов.
      «Очерк развития наших сведений о газах», 1879.
     
      Критическая температура.
     
      I.
      Из атомической теории логически вытекает заключение, что различные физические состояния какого-либо тела, т.-е. состояние твердое, жидкое или газообразное, обусловливаются исключительно характером движения молекул этого тела, и что то, что в состоянии ослабить интенсивность этого движения, может вызвать переход тела из газообразного состояния в жидкое, из жидкого состояния в твердое. Нам хорошо известно, что понижение температуры, сопровождающееся уменьшением скорости движения молекул и вместе с тем сближением этих молекул и увеличением притяжения между ними, вызывает ожижение паров и газов, а затем и отвердевание жидкостей. Но является возможность сделать заключение, что без охлаждения одно простое сжатие газа, т.-е. сближение его молекул, а следовательно увеличение взаимного притяжения этих молекул, может вызвать относительное закрепление этих молекул в определенные группы, может вызвать ожижение этого газа. Такое заключение, однако, может оказаться не всегда верным. В самом деле: молекулы газа при той температуре, которую имеет этот газ, могут обладать такою скоростью, что как бы ни было велико сближение этих молекул друг к другу? они, несмотря на увеличившееся взаимное притяжение, останутся сравнительно свободными и не будут закреплены в группы, как нужно это допустить в жидкости, которая может сохраняться в открытом сосуде.
      И действительно, опыты показали, что всякому газу соответствует температура, при которой, а тем более выше которой этот газ никаким давлением, ни при каком сжатии не может быть обращен в жидкость.
      Такая температура названа «критическою температурою». Отличительная особенность такой температуры в теле была впервые указана Д. И. Менделеевым в 1860 г., а затем еще более обстоятельно вопрос о критическом состоянии вещества, т.-е. о состоянии, при котором вещество, несмотря на какое бы то ни было давление на него, может быть только газообразным, был обследован английским ученым Эндрюсом.
      Критические температуры различных веществ Чрезвычайно различны. У воды критическая температура 364°, у чистого алкоголя 242°, у угольной кислоты З1°, у кислорода она= — 118°, у азота — 146°, у водорода — 234°, у гелия — 268 *).
      Мы видим, как низки критические температуры у кислорода, водорода и гелия. Поэтому-то многочисленные попытки обратить в жидкость воздух и его составные части, кислород и азот, делавшиеся в прошлом столетии вплоть до работ Кальете и Пикте (1877 г.), не увенчивались успехом. Во всех этих прежних опытах сжимавшиеся газы не были достаточно охлаждены. Только Кальете и — независимо от него — Пикте удалось охладить сжатый кислород до температуры меньшей, чем — 118°, и только тогда кислород получился ожиженным. Жидкий водород впервые был получен в 1898 г. Дьюаром, а жидкий гелий — в 1908 г. Каммерлинг-Оннесом **). Температура, жидкого воздуха в открытом сосуде около- — 190°Ц.
      И. И. Боргман.
      «Атомическая теория строения тел», 1914.
      *) Температуры исправлены согласно позднейшим данным. — Сост.
      **) В городе Лейдене, в Голландии. Заставляя жидкий гелий кипетьпод весьма пониженным давлением, Каммерлинг-Оннес достиг температуры в — 271,9; это самая низкая из достигнутых пока низких температур. — Сост.
     
      II.
      Что же, в сущности, это за состояние, которое мы называем критическим, чем оно вызывается и обусловлено? Ответ на этот вопрос получится, если мы примем во внимание влияние температуры на физические свойства жидких тел. Именно, это влияние таково, что при критической температуре поверхностное натяжение обращается в нуль, скрытая теплота парообразования тоже становится нулем, а два объема, которые может иметь вещество при всякой данной температуре и данном давлении (объем вещества в жидком состоянии и объем его в состоянии газа), становятся одинаковыми. Отсюда заключаем, что при критической температуре молекулярные скорости настолько велики, что молекулярные силы не в состоянии удержать молекулы в таком их расположении, какое соответствует жидкому состоянию, в этом и лежит значение критической температуры. И как бы мы ни увеличивали давление, иными, словами, как бы мы ни сближали молекулы между собой, раз температура выше критической, движение молекул всегда оказывается столь быстрым (ведь скорость молекул обусловлена только температурой и от давления не зависит), что молекулярные силы остаются до известной степени как бы не существующими. Мы говорим до известной степени, это потому, что совсем они не исчезают: ведь и в газах они есть. Но эти молекулярные силы изменяются так, что нет поверхностного натяжения. Раз же на поверхности тела нет натяжения, не нужно и работы на преодоление этого натяжения, а эта работа как раз и проявляется в, так называемой, скрытой теплоте испарения.
      Проф. К. А. Гольдгаммер.
      «Курс Физики», 1917.
     
      Сжижение газов.
     
      Если бы мы стали понижать температуру нашего помещения *), то мы заставили бы все газы, входящие в состав этого воздуха, превратиться в жидкости. Первые признаки сжижения обнаружил бы водяной пар, вероятно около КГЦ. (это зависит от степени его близости к состоянию насыщения), сначала в виде росы на более хододных предметах, а затем при равномерном охлаждении всего воздуха в виде тумана, который стал бы затем при быстром понижении температуры падать в виде дождя. Воды набралось бы из этого помещения до 10 ведер, которая и замерзла бы при 0°; при дальнейшем и быстром опускании температуры ниже 0°, мы увидели бы появление снега; при — 50° почти весь водяной газ выпал бы из воздуха; его осталось бы только 1/300 часть первоначального количества. При — 150°Ц., ввиду очень малого количества углекислоты в воздухе, она появилась бы прямо в твердом виде, в виде такого же снега, как и водяной пар. При — 190°Ц. почти одновременно начали бы превращаться в жидкость две главные составные части воздуха: кислород и азот. При — 200°Ц. их набралось бы уже» около 900 ведер, причем воздуха осталось бы всего 1/з часть. Наконец, при — 265°Ц., самой низкой достигнутой в настоящее время температуре**), оба газа лежали бы здесь на полу в виде снега; в самом же помещении остались бы едва уловимые следы водяного газа и углекислоты, очень мало кислорода и азота.
      *) Т.-е. большой классной комнаты. — Сост.
      **) Писано в 1907 г.; теперь достигнута температура около — 272°Ц. — Сост.
      Однако, как же мы стали бы поступать, если бы захотели охладить это помещение и получить всю эту картину сжижения газов? .Ведь у нас нет таких холодных тел, которые могли бы дать понижение температуры, не говоря уже о — 265°Ц., но даже и — 30°Ц. Как же производится в действительности сжижение газов?
      Оказывается, что для этого есть единственный очень простой способ. Вспомним, что температура кипения жидкостей, а следовательно, и температура обратного превращения газов в жидкости (они совпадают между собою) увеличивается с давлением. Это явление, неудобное для превращения жидкостей в газы, так как оно требует более сильного нагревания, а потому задерживает это превращение, чрезвычайно удобно для обратного перехода, если этот переход происходит при температуре ниже обыкновенной. Ведь в этом последнем случае повышение температуры сжижения с давлением приближает эту температуру к нашей обыкновенной температуре, т.-е. требует менее сильного охлаждения. Например, под давлением в 4 атмосферы углекислый газ превращается в жидкость при температуре в — 60°Ц.; под давлением в 20 атмосфер он превращается уже при — 20Ц., а под давлением в 34 атмосферы для этой же цели требуется понизить температуру его всего только до 0°. Значит довести давление в углекислом газе, имеющем температуру О, до 34 атм.. или, попросту говоря, сжать этот газ, собранный в каком-либо крепком сосуде под обыкновенным давлением, так, чтобы объем его уменьшился в 34 раза, и мы увидим, как он при дальнейшем уменьшении объема начнет переходить в жидкость.
      Нужно заметить, однако, что во все время этого перехода потребуется отнимать от него теплоту подобно тому, как при обращении жидкостей в газ требуется сообщать им теплоту. Напр., при обращении глекислоты в жидкость при 0° на каждый грамм полученной жидкости приходится отнимать по 65 калорий. Это есть теплота парообразования при 0°. С другой стороны, такое отнятие теплоты для нас и выгодно, потому что мы таким образом, отнимая от нее теплоту, как бы закрепляем ее в форме жидкости. В самом деле, для того, чтобы она могла снова перейти в газообразное состояние, мы должны были бы ей снова сообщить то же количество теплоты, которое от нее отняли; но если мы этого не сделаем, то откуда она его возьмет?
      Освободим теперь жидкую углекислоту от давления, открывши сосуд, в котором она находится: тогда, оказавшись под давлением воздуха, она закипит и начнет переходить в газообразное состояние, но, не получая ниоткуда необходимой теплоты, она станет расходовать свою собственную и будет охлаждаться, пока, наконец, оставшаяся часть ее не превратится в твердое состояние, имеющее вид снега и температуру — 80°Ц. Вот это последнее явление и есть самый естественный путь для получения низких температур. Ниже температуры — 80°Ц. углекислота не станет охлаждаться, так как при этой температуре наибольшее давление ее газа равняется атмосферному давлению; при более же низкой температуре оно становится ниже, вследствие чего кипение является невозможным.
      Под большим давлением можно получить жидкую углекислоту при температуре выше 0°. Так под давлением в 52 атмосферы она сжижается при 15°Ц.
      Нельзя ли попробовать то же и с воздухом? К сожалению, нет. Такие попытки делались в течение долгих лет, применялись давления, доходившие до 800 атм., но все труды пропали даром. Горький опыт показал, что сжижение газа при помощи давления может быть успешно произведено только тогда, если температура его имеет величину ниже некоторого предела, определяемого его природой. Таким образом, та же самая углекислота не дает никаких признаков сжижения, если она нагрета выше ЗГ Ц. Для воздуха эта предельная температура равна — 140°Ц.
      Вот таблица этих предельных,или критических температур для наиболее известных тел:…
      Как видно из этой таблицы, и вода не представляет исключения и общего закона: выше 365° водяной газ никакими средствами нельзя превратить в жидкость; или, наоборот, нагревши воду до 365°Ц., нельзя никакими средствами удержать ее в жидком виде.
      Для того, чтобы получить воздух в жидком виде, нужно было бы охладить его ниже — 140°Ц. Это можно было бы сделать при помощи жидкой углекислоты, заставляя ее кипеть в очень разреженном пространстве. Но в настоящее время открыт более прямой способ, позволяющий обходиться для получения жидкого воздуха без помощи каких-либо других газов. Его можно назвать способом последовательного самоохлаждения. Он заключается в следующем. Воздух, сжимаемый при помощи нососа до 200 атмосфер, заставляют переходить через очень длинный змеевик, представляющий собою трубку, свернутую в виде большого числа витков, внизу которой находится тонкое отверстие, закрываемое более или менее при помощи стержня с винтовой нарезкой. Змеевик окружен длинным стеклянным стаканом, с двойными стенками, из промежутка между которыми выкачен воздух, чтобы остановить проникновение тепла из окружающего пространства внутрь прибора чрез теплопроводность воздуха. Кроме того, чтобы устранить нагревание прибора лучами, исходящими от окружающих тел, стеклянный сосуд покрывают внутри блестящим слоем ртути, который отражает эти лучи.
      Действие прибора таково. В воздухе, как и во всех других газах, наблюдаются, хотя и очень слабые, следы притяжения между частицами. Поэтому, когда он, выходя из змеевика, где он сжат в 200 раз существующим там давлением, рассеивается в наружном пространстве, частицам его приходится производить некоторую работу на преодолевание существующего между ними притяжения, подобно тому, как и при превращении жидкости в газ. Вследствие этого ему приходится затрачивать часть своей теплоты на эту работу, и он охлаждается приблизительно на 45° при выходе из отверстия змеевика. Этот охлажденный воздух вследствие того, что змеевик окружен стаканом, направляется кверху и, проходя между витками змеевика, в свою очередь, охлаждает его. Таким образом следующие части воздуха, проходящие внутри змеевика, охлаждаются уже от соприкосновения с его стенками. Вырываясь же из отверстия, они охлаждаются еще более и, возвращаясь между витками змеевика, они, в свою очередь, еще более понижают его температуру. Итак, змеевик, а вместе с ним и проходящий чрез него воздух охлаждаются все более и более, пока, наконец, не достигнут температуры — 190°Ц., когда выходящий из отверстия воздух превращается уже частью в жидкость и падает на дно стакана в виде капель. (Устроенная на этом принципе машина для сжижения газов носит, по имени изобретателя, название «машины Линде»).
      Водород, газ, еще труднее сжижаемый, можно получить в жидком виде с помощью того же прибора, в котором получается и жидкий воздух. Но здесь, в виду особых условий, представляемых водородом, нельзя обойтись без постороннего охлаждения. Для этой цели средняя часть змеевика окружается коробкой, в которую наливается предварительно полученный жидкий воздух. Жидкий водород, получаемый из прибора, имеет температуру — 253°Ц. Он в 14 раз менее плотен, чем вода*). Заставляя его кипеть при малом давлении, можно понизить температуру до — 265°Ц. [Кипением сжиженного гелия под ослабленным давлением достигнута температура — 271,9°].
      *) Это, следовательно, самая легкая из всех известных нам жидкостей; она легче воды во столько же раз, во сколько раз вода легче ртути. Сост.
      В заключение остается ответить на последний вопрос: можно ли дальше производить охлаждение?
      Можно, но все с большим трудом. Дело заключается в том, что единственный возможный для нас путь получения низких температур заключается, подобно вышеописанному, в том, что мы отнимаем теплоту и переносим ее от охлаждаемого тела к окружающим телам при помощи механической работы. Например, в машине жидкого воздуха эта работа тратится на приведение в действие насоса, который сжимает воздух до 200 атмосфер и прогоняет его чрез змеевик. Другого пути у нас нет. Но наука, изучающая явления теплоты с механической точки зрения, т.-е. термодинамика, доказывает, что производительность такого способа уменьшается по мере понижения температуры охлаждаемого тела, при чем это уменьшение идет быстрыми шагами по мере приближения к температуре — 273°Ц. и достигает при этой температуре нуля, т.-е. при температуре — 273°Ц.; какие бы работы мы ни прилагали и какие бы машины дл» охлаждения ни строили, мы не были бы в состоянии перенести ни малейшей доли теплоты от охлаждаемого тела в окружающее пространство. Приближаясь же к этой температуре, мы увидели бы, что на отнятие от тела ничтожных количеств теплоты нам приходилось бы затрачивать громадные количества работы.
      Температура — 273°Ц., ниже которой мы не имеем возможности охлаждать тела, называется абсолютным нулем. Как вы видите, эта температура лежит очень недалеко от достигнутых уже температур, но этот промежуток кажется так мал только потому, что мы применяем к нему нашу искусственную мерку в виде градусов ртутного термометра. Если же пройденные промежутки температуры мы будем измерять той работой, которую нужно затратить для их прохождения, то вам станет ясно, что абсолютный нуль лежит от нас еще бесконечно далеко. Иными словами, мы его никогда не достигнем!
      Проф. Б. Розинг.
      «Теплота», 1907.
      Примечание. В настоящее время все газы могут быть сжижаемы; последним был сжижен газ гелий (в 1908 г.); его критическая температура равна — 268°. Сост.
     
      Дюаров сосуд.
     
      Сжижение воздуха в атмосфере обыкновенной лаборатории есть такой же подвиг, как получение жидкой воды из пара, нагретого до температуры белого каления, при условии, что служащие для того приборы и все окружающие предметы нагреты до той же высокой температуры. Главная трудность — не столько в том, чтобы произвести сильный холод, сколько в том, чтобы раз полученный холод сохранить в перегретой среде. Обыкновенные непроводники неприменимы вследствие их громоздкости и непрозрачности, а при опытах с жидким воздухом существенно важно, чтобы продукты сжижения были видимы и чтобы с ними легко было обращаться.
      Размышляя над этими затруднениями в 1892 году, я вспомнил один принцип, применявшийся лет 20 тому назад в некоторых калориметрических опытах для предохранения нагретых тел от охлаждения, и мне показалось, что он применим также и к предохранению холодных тел от нагревания. Таким образом я попробовал сохранять сжиженный газ в сосудах с двойными стенками, воздух между которыми был сильно разрежен; опыт показал, что в таком «пустом сосуде* жидкий воздух испаряется в пять раз медленнее, чем в том же сосуде с воздухом между стенками — настолько конвекция тепла частицами газа уменьшается сильным разрежением. Вскоре оказалось возможным устроить эти сосуды так, чтобы их лучеиспускание было тоже почти устранено; было именно найдено, что если внутренние стенки сосуда покрыть блестящим слоем серебра, то излучение тепла уменьшается в 6 раз сравнительно с излучением такого же сосуда без металлического покрова. Совместное действие сильного разрежения и посеребрения выражается уменьшением потери тепла до 3%.
      Пригодность таких сосудов зависит от степени разрежения между стенками, а холод является лучшим средством для его достижения: стоит только все пространство, которое мы желаем разредить, наполнить легким оседающим паром и затем заморозить этот пар в сосуде, соединенном с главным, от которого потом он отпаивается. Преимущества этого способа заключаются в том, что он не требует разрежающего насоса и что разрежение, которое может быть им достигнуто, теоретически говоря, не имеет предела. Дело идет быстро, если охладителем является жидкий воздух и если употреблять пары ртути или бензола. А при употреблении жидкого водорода пространство между стенками можно и не наполнять парами, ибо тогда сам воздух легко оседает; иными словами, если жидкий водород налить в сосуд с двойными стенками, пространство между которыми наполнено воздухом, то последний немедленно замерзает, и таким образом водород сам себя окружает сильной пустотой.
      Дж. Дюар. «О холоде», 1902.
     
      Опыты с жидким воздухом.
     
      Молочная жидкость, получаемая из машины Линде [для добывания жидкого воздуха], пропускается через обыкновенный бумажный фильтр, вставленный в стеклянную воронку. Из фильтра течет в сосуд жидкий воздух, прозрачный, с голубоватым оттенком. Температура его около 190° мороза. На фильтре же остаются снегоподобные комочки твердой угольной кислоты. Во время фильтрования жидкий воздух кипит, и воронка окружается облаками, состоящими из водяного пара комнаты, превращаемого испарившимся холодным воздухом в туман, а также из выпадающих кристалликов угольной кислоты.
      Жидкий воздух, получаемый машиной Линде, имеет состав, отличный от атмосферного воздуха: вследствие более быстрого испарения азота, он богаче кислородом и содержит его от 37% до 40%. По мере испарения воздуха и уменьшения его объема он становится все богаче кислородом.
      Описываем опыты.
      Задувши пламя горящей лучины, так чтобы на конце ее образовался раскаленный уголек, погружаем лучину в сосуд с жидким воздухом: лучина воспламеняется вследствие избытка кислорода в сосуде.
      Конец каучуковой трубки погружается в жидкий воздух: он затвердевает. Вынутый и положенный на твердую подставку, он раскалывается ударом молотка.
      Цинковая пластинка, погруженная в жидкий воздух, становится хрупкой, как закаленная сталь: она разбивается от удара.
      Каучуковая трубка сгибается петлей, которая погружается в жидкий воздух. После затвердевания она вынимается. Получаем упругую каучуковую трубку с твердым загибом. Один конец трубки закрепляется, а на другой вешается гиря в 5 фунтов. Трубка вытягивается, — но загиб остается, покрытый снегом, образующимся насчет водяных паров комнаты, и по мере нагревания постепенно выпрямляется.
      Ртуть, коньяк, спирт, налитые в пробирки, погружаемые в жидкий воздух, замерзают.
      Интересное явление представляет большая капля жидкого воздуха, брошенная на воду, налитую в глубокую тарелку или блюдечко. Эта капля принимает вид сфероида, плавающего по поверхности воды и испаряющегося постепенно. Жидкий воздух приходит в, так называемое, сфероидальное состояние, принимаемое жидкостями, брошенными на раскаленную поверхность. Поверхность воды, имеющей температуру комнаты, представляется раскаленною по отношению к жидкому воздуху, имеющему температуру 190° мороза.
      В такое же сфероидальное состояние приходит жидкий воздух, когда при переливании он течет по стенке сосуда или прикасается к теплой пробирке, в него погруженной. Слой воздушных паров отделяет жидкий воздух от погруженных в него тел, пока эти тела, охладившись, не станут смачиваться жидкостью.
      В сфероидальное же состояние приходит капля жидкого воздуха, попавшего на руку: опасность «ожога» не наступает мгновенно, а только по истечении некоторого времени от момента соприкосновения руки или пальца с жидким воздухом.
      Жидкий сфероид воздуха, плавающий на воде, постепенно испаряется и оставляет после себя след в виде круглой ледяной лодочки или корки, которая под ним образовалась.
      Погружаем конец стеариновой свечи в жидкий воздух до полного ее охлаждения; вынимаем и подвергаем ее действию света вольтовой дуги. Внося затем в темноту, мы видим голубой свет, истекающий из стеарина. Берем куриное яйцо, выпускаем из него все содержимое, укрепляем в отверстии бокала и наливаем в него жидкого воздуха. После действия света вольтовой дуги и внесения в темноту скорлупа изливает синий свет.
      Лаборатория низких температур, в которой тела, подвергаемые крайнему холоду, приобретают необычные свойства, показывает нам в. перспективе будущее, которое наступит для нашей планеты *), если ра-
      *) При постепенном угасании солнца. — Сост.
      — 213 —
      зум человека не овладеет тайнами природы. В этой лаборатории воздух представляется жидкостью, имеющей около 190 градусов мороза; резина и кожа становятся хрупкими, как мрамор; кислота и металл, столь враждебные друг другу при обычных условиях, существуют рядом, без разрушающего взаимодействия *); кусок сукна, охлажденный жидким воздухом, в лучах электрической лампы сам испускает свет.
      Низкая температура вообще является могучим средством научного исследования.
      Н. А. Умов **).
      «Криогенная лаборатория», 1899 г.
      *) Химические явления замедляются до крайности при весьма низких температурах. Сост.
      **) Проф. Московского Университета Н. А. Умов — выдающийся физик-философ (скончался в 1915 г.).
     
      Тепловое движение в жидких и твердых телах.
     
      Распространение кинетической теории на жидкости является одним из самых крупных успехов науки конца XIX столетия. Жидкости получаются при сгущении газов, когда при понижении температуры взаимное стремление молекул делается настолько сильным, что может управлять их движением и не позволяет молекулам свободно бродить в пространстве. Существенная разница между жидкостью и газом заключается только в крайне тонкой пленке, существующей на границе или поверхности жидкости. Внутри жидкости мы имеем свободное и независимое движение молекул, которым они обладают в силу имеющегося запаса кинетической энергии, и не стесняемое ничем, кроме взаимных столкновений, т.-е. то же, что и в газе. Правда, молекулы жидкости расположены вообще гораздо теснее, чем молекулы газа, и число их столкновений гораздо больше. «Свободный путь» молекулы, или то среднее расстояние, которое они проходят в промежутке между двумя столкновениями, у жидкостей крайне мал. Даже у газов, при нормальных условиях, этот свободный путь, вообще говоря, лежит за пределами микроскопического видения. Понятно, что в жидкостях молекулы движутся по крайне запутанным зигзагам, постоянно изменяя направление движения, и проходят большие пути, не удаляясь значительно от исходной точки, так что, несмотря на большую скорость движения, они не могут быстро диффундировать. Можно было бы предположить, что, вследствие естественного стремления молекул сблизиться, характер движения молекул жидкости будет иной, чем молекул газа. Это не имеет места внутри жидкости. Внутри все притяжения распределены равномерно по всем направлениям и взаимно уничтожаются. Молекула притягивается со всех сторон одинаково, и поэтому характер ее движения не зависит от того, существуют ли эти притяжения на самом деле или нет. Существенные отличия между жидким и газообразным состояниями заметны только на поверхности жидкости. Стремление молекулы, лежащей на поверхности, сблизиться с другими молекулами, т.-е. двигаться внутрь жидкости, не уравновешивается никакими причинами, которые, заставляли бы ее двигаться наружу. Это вызывает стремление молекул поверхности войти внутрь, стремление, которое мы называем поверхностным натяжением и которым практически обусловлены все различия между жидкостью и газом. Внутри — полная свобода движения, беспорядочное метанье из стороны в сторону взбудораженного роя молекул, движущихся сразу по всем направлениям, сталкиваясь и отскакивая, но никогда не останавливаясь. В жидкости этот рой гораздо гуще, движения его гораздо более беспорядочны, чем в газе; но это различие несущественно...
      Какой коренной переворот в идеях произошел за последние десять лет XIX столетия! Вода, в глазах поэта — символ мира и покоя, течение которой представляется спокойным, непрерывным, скользящим движением, при рассмотрении в «молекулярные очки» науки представляет картину, сравнительно с которой самая бешеная борьба в дерущейся толпе представляется абсолютной тишиной...
      Вечное движение, скорость которого пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры, является общим свойством жидкого и газообразного состояний. Относительно твердых тел мы знаем гораздо меньше. Понятно, что в кристаллическом твердом теле не может быть поступательных движений молекул, так как кристалл состоит из молекул, расположенных в пространстве совершенно определенным геометрически образом друг относительно друга. В твердом теле должны происходить колебания молекул около их положений; с повышением температуры эти колебания усиливаются, пока молекулы не начнут, наконец, так сказать, сниматься с якоря, и тело не начнет плавиться.
      Фр. Содди.
      «Материя и энергия». 1911.
     
      Броуновское движение.
     
      Если смотреть в хороший микроскоп на какую-нибудь жидкость, в которой взвешены мелкораздробленные твердые частицы, видимые только при сильном увеличении, то окажется, что ни одна частица не остается в покое. Все они охвачены оживленным движением, бегают взад и вперед, постоянно поворачиваясь и возвращаясь, совершенно независимо друг от друга, так что вся сцена представляет настоящий танец частиц в поле зрения микроскопа. Час за часом, год за годом продолжается этот танец, независимо от места и времени, независимо от природы частиц, за исключением того, что более мелкие частицы движутся гораздо быстрее крупных *).
      *) «Это движение не происходит ни от сотрясений, ни от разницы в температуре различных частей жидкости, ни от действия света, — так как устранение или ослабление этих возмущающих причин не изменяют движения. Оно сохраняет свой характер, продолжаясь дни, месяцы, тысячи веков (жидкие включения в граните); оно, следовательно, вечно и самопроизвольно. Наконец, оно усиливается с повышением температуры и ослабляется с ее понижением» (Перрен) — Сост.
      Это — броуновское движение, открытое в 1827 году знаменитым ботаником Робертом Броуном. И это состояние общего движения, которое является нормальным даже для таких сравнительно крупных предметов, дает прямое указание на те условия, которые господствуют в мире невообразимо малых молекул.
      Броуновское движение является несомненным следствием беспорядочного движения молекул. Наиболее мелкие, видимые в микроскоп частицы содержат еще миллионы отдельных молекул. Если мы имеем дело с взвешенной в жидкости частицей, видимой простым глазом, то, вследствие ее относительно больших размеров, удары молекул сыплются на нее со всех сторон равномерно, и их действие взаимно уничтожается частица остается в покое. Но если мы будем постепенно уменьшать размеры частицы, делая ее легче и чувствительнее к ударам молекул, то мы дойдем до того, что действия этих ударов уже не будут взаимно уничтожаться. В какой-нибудь момент частица может получить больше ударов с какой-нибудь стороны, чем с противоположной, и начать двигаться в соответствующем направлении. Прежде чем она пройдет определенное расстояние, могут получиться какие-нибудь другие комбинации единовременных толчков, и направление движения изменяется; частица ни на один момент не останется в покое и будет постоянно двигаться вследствие беспрестанной бомбардировки, которая со всех сторон производится невидимым роем молекул.
      Фр. Содди.
      «Материя и энергия», 1911.
      Примечание. Подобное же явление наблюдается при соответствующих условиях также в газах. — Сост.
     
      Чем мы греемся зимой?
     
      Отвечать на это можно, конечно, очень просто: когда солнце не довольно греет, мы согреваемся дровами или углем. Это, однако, ничего не объясняет: тут только указание на материал, из которого отделяется тепло, а причина и происхождение этой теплоты не объяснены.
      Мы все знаем, что единственным источником нашей искусственной теплоты служит горение дерева или угля при притоке воздуха, без которого не может быть горения; из этого уже ясно, что материал для теплоты — не одни дрова и уголь, но в равной степени (если еще не в большей) и воздух. Мы только не обращаем на него внимания, потому что ничего за него не платим; а между тем, на один пуд дров идет при горении шесть пудов воздуха, или по объему, 10 кубич. саженей. Правда, что только пятая часть, именно две кубич. сажени кислорода, заключающиеся в 10-ти кубич. саженях воздуха, идут собственно на горение.
      Потребление воздуха необходимо потому, что только при действии его кислорода на вещество дерева отделяется теплота, вследствие общего закона природы, что когда два вещества соединяются между собою химически, чтобы образовать новое сложное вещество, то отделяется теплота. В нашем случае соединение кислорода с углем по-преимуществу и образование известного всем газа — угольной кислоты и есть причина горения и тепла. Один пуд дерева, сгорая, может нагреть от 0° до кипения 30 пудов воды, а один пуд угля нагревает 80 пудов воды до той же температуры *).
      *) Упражнение. Проверьте эти числа, исходя из того, что теплотворная способность сухого дерева (т.-е. число б. калорий, выделяемых 1 кг. дерева при полном сгорании) равна около 3000, а угля среднего качества — около 8000. — Сост.
      Вступая в другие соединения, например, входя в состав дерева, уголь почти не отделяет тепла, но с кислородом он отдает наибольшее количество, к которому он способен; зато продукт этого горения, угольная кислота, уже никуда не годится в этом отношении. Этот газ представляет материал уже совершенно выгоревший, неспособный более отделять тепло; уголь и кислород в нем потеряли всякую нагревательную силу. Напротив, в дереве уголь сохранил почти всю свою силу, весь свой запас, который и выделяется при горении дерева.
      Химические исследования показали, что дерево состоит как бы из угля и воды (т. е. из углерода, водорода и кислорода, последние два в пропорции для образования воды); поэтому в пуде дерева до 18 фунтов угля. При горении дерево превращается за счет кислорода воздуха в воду и углекислоту; но так как водород находит кислород в самом дереве, то теплота происходит исключительно от сгорания 18 фунтов угля.
      Итак, мы видим, что прямая причина отделения тепла при горении есть химическое соединение углерода дерева с кислородом воздуха.
      Перехожу теперь к главному предмету статьи: к происхождению этой теплоты, которая как бы собрана и запасена деревом.
      Очевидно, что эта теплота находится в дереве не в обыкновенном своем виде, не в таком, напр., как в горячей воде. Дерево и воздух, два материала горения, могут быть совершенно холодными, но стоит только нагреть их в одном месте, и от одной искры химическое действие горения распространится во всей массе. Количество отделяющейся теплоты не имеет никакого отношения к тому ничтожному количеству теплоты, которое нужно для начала горения.
      Откуда же является эта теплота?
      Нетрудно доказать, что теплота, которая отделяется при горении дерева и угля, есть не что иное, как солнечная теплота, собранная деревом во время его роста и отделяющаяся потом во время его разрушения.
      Простое рассуждение естественно наводит нас на эту мысль. В самом деле, без солнечной теплоты дерево не может рости; его рост даже пропорционален количеству этой теплоты. От теплоты солнца образуется вещество дерева, которое потом отдает нам эту теплоту. Но такое рассуждение основано только на предположении и не убеждает нас. Обратив внимание на то, откуда и каким образом берется в дереве уголь, главный источник теплоты, и сравнив с тем, что образуется при горении дерева, мы нападаем на след самой теплоты.
      Исследования показали, что уголь отлагается в дерево из угольной кислоты, т.-е. из материала, совершенно негодного для нагревания, в котором уголь уже раз сгорел. Процесс, посредством которого дерево присоединило к себе уголь, противоположен тому, который происходит при горении дерева. В случае горения уголь соединяется с кислородом, сгорает, превращаясь в углекислоту; напротив, при развитии дерева, как показал опыт, кислород отделяется: угольная кислота разлагается, уголь ее остается в дереве, а кислород выделяется. Там кислород поглощается, здесь он выделяется. Этот процесс выделения кислорода, или, как говорят, восстановления элементов (углерода и водорода) происходит от действия солнечных лучей. Таким образом солнце возвращает углю его первоначальную способность нагревать.
      С другой стороны, из многих опытов выведен общий химический закон, что при химических соединениях двух тел отделяется ровно столько теплоты, сколько поглощается при разложении сложного тела, из них получаемого. Не такое ли отношение видим мы здесь между явлениями горения дерева и его развития: соединение угля с кислородом и разложение углекислоты на уголь и кислород. Следовательно, при образовании дерева поглощается столько же теплоты, сколько развивается при его горении. Откуда же дерево может брать теплоту, как не от солнца? Другого источника теплоты мы не знаем.
      Итак, основываясь на этих двух данных опыта, что при образовании дерева действительно происходит процесс, обратный горению, и что при обратных химических действиях (т.-е. при разложении и горении) всегда одинаковое количество теплоты поглощается или выделяется, мы в праве сказать, что теплота, отделяющаяся при горении дерева, есть теплота, поглощенная при его образовании, т.-е. что это есть солнечная теплота *)...
      *) При этом растения используют лишь незначительную часть получаемой от Солнца энергии. «Зная, с одной стороны, сколько горючего материала заключает урожай, получаемый с известной площади (а это мы узнаем из анализа), зная, с другой стороны, какое количество тепла посылает солнце на эту площадь, мы имеем все необходимые данные для суждения о количестве поглощенной растением энергии... Производя вычисления, приходим к тому заключению, что наибольший ежегодный прирост леса заключает в себе около 1/700 всего количества тепла, посылаемого на соответствующую площадь земли за шестимесячный период растительности... Самые большие урожаи овса, ржи (зерна, солома и корневые остатки) представляют 1/80 всей полученной энергии. Таким образом, при помощи растения мы в состоянии воспользоваться примерно от 0,001 до 0,01 всего того количества солнечных лучей, которые выпадают на поверхность наших лесов и полей за период деятельной растительности». (К. А. Тимирязев) — Сост.
      Мало того, мы можем даже сказать, что теплота, которую солнце разливало по Земле в самые отдаленные геологические эпохи, когда еще не было человека и когда рос тот лес, который дошел до нас в виде неисчерпаемых пластов каменного угля, — что эта теплота сохранилась до нас вместе с этим углем и доставляет нам теперь и долго будет доставлять и тепло и паровую силу.
      Эти мысли были высказаны еще знаменитым изобретателем локомотивов и железных дорог Стефенсоном, который, показывая на движущуюся машину, говорил, что теплота, приводящая ее теперь в движение, есть теплота солнца, когда-то согревавшая Землю.
      Акад. Н. Н. Бекетов.
      «Речи химика», 1862.
     
      Способы получения высоких температур.
     
      Стремление получать более или менее высокие температуры для обогревания, приготовления пищи и искусственного освещения мы встречаем при первых шагах культурного развития человека. Сказание о подвиге Прометея, научившего людей пользоваться огнем и тем освободившего их от безропотной покорности слепым силам природы, в поэтической форме передает то, чему учит современная антропология, считающая умение пользоваться огнем первым культурным шагом первобытного человека; дальнейшее усовершенствование в приемах пользования огнем, необходимое для выплавки руд, сопровождалось колоссальным шагом вперед, переходом от «каменного» века к «бронзовому».
      За те тысячелетия, которые протекли с начала бронзового века до начала истекающего столетия, технический прогресс в приемах получения тепла ограничивался употреблением горения твердого топлива (дерева, каменного угля, торфа) и в редких случаях жидких веществ (растительных масл). Совершенно йовая эра, еще более отличная от предыдущей, чем бронзовый век от каменного, начинается вместе с развитием естествознания, благодаря заботливому, систематическому изучению явлений природы; здесь первые шаги современной химии сопровождались переворотом всего миросозерцания человека, и объяснение горения, как реакции окисления, которое установил Лавуазье, впервые вывело вопрос о получении высоких температур на научную почву. С другой стороны, развитие учения об электричестве, практические приложения которого создали современную электротехнику, в свою очередь, дало нам в руки ряд весьма удобных приемов получать весьма высокие температуры. Ознакомимся теперь с наиболее часто употребляемыми способами и приборами, назначенными для получения высоких температур.
      Рассмотрим сперва тепловые процессы, сопровождающие химическую реакцию окисления: сгорая в кислороде, каждый грамм данного вещества выделяет совершенно определенное количество тепла *); если мы будем производить наши опыты при наивыгоднейших условиях — в замкнутой оболочке, совершенно не пропускающей тепла, — то вся выделившаяся теплота потратится на нагревание полученных продуктов горения; подводя новые порции кислорода и горючего материала, мы не можем достигнуть более высокой температуры, так как вся вновь выделяющаяся теплота потратится на нагревание вновь образовавшихся продуктов сгорания до той температуры, которой мы уже достигли раньше. Дальнейшее повышение температуры можно, впрочем, получить, если как горючий материал, так и необходимый для сжигания кислород предварительно нагревать до возможно высокой температуры. Этот прием, казалось бы, открывает возможность достигнуть любой температуры, если воспользоваться полученною более высокою температурою снова для подогревания продуктов горения, долженствующих дать еще более высокую температуру и т. д. Здесь, однако, приходится сталкиваться с новыми явлениями: при очень высоких температурах химическое сродство кислорода и сжигаемого материала начинает делаться все меньше и меньше, количество тепла, выделяемого каждым граммом вещества, все убывает, сгорание делается неполным, а если какими-либо другими источниками тепла и удается достигнуть еще более высокой температуры, то реакция окисления прекращается или даже идет в обратном порядке — продукты реакции распадаются на свои составные части, они диссоциируют; таким образом температура, близкая к температуре диссоциации продуктов горения, есть наивысшая температура, которую мы можем получить, пользуясь химическою реакциею.
      На пути к достижению этих теоретически возможных наивысших температур встречаются, однако, большие затруднения: так, вводя нагреваемый предмет в свободное пламя, мы не можем нагреть его до температуры пламени: огромное количество тепла теряется излучением раскаленной поверхности в окружающее пространство. До значительно более высокой температуры мы можем нагреть тело, окружая его стенками печи, раскаляемыми тем же пламенем; но и в этом случае еще большое количество тепла беспрерывно уводится стенками печи и передается воздуху, окружающему печь.
      Если же, несмотря на эту беспрерывную непроизводительную потерю тепла, хотим достичь возможно высоких температур, необходимо поставить процесс окисления так, чтобы в данном объеме возможно большее количество материала успевало окислиться в единицу времени, чтобы горение происходило возможно энергично. Весьма важным фактором при выборе материалов и приемов является вопрос о стоимости эксплоата-
      *) Количество граммокалорий, выделяемое при сгорании одного грамма вещества, приблизительно таково: уголь — 8000, дерево — 4000, нефть — 11000, водород — 34000, светиль. ный газ — 5500.
      220
      ции; поэтому в последующем я ограничусь рассмотрением лишь тех способов, которые уже нашли обширное применение в лабораторной или технической практике.
      Один из наиболее известных примеров печи, в которой получается высокая тампература, — это доменная печь, служащая для выплавки чугуна из руды: цилиндрическую башню ТТ (см. рис.), сложенную из огнеупорного кирпича *), наполняют попеременно слоями топлива (каменного или древесного угля) и слоями руды, и затем внизу зажигают уголь; чтобы обеспечить быстрое сгорание, по трубе G нагнетают воздух при помощи паровой воздуходувной машины. При такой высокой температуре, которая развивается в доменной печи (1400 — 1500°Ц), происходит интересная реакция: руда, представляющая собою окислы железа, раскисляется, так как при этой высокой температуре химическое сродство между железом и кислородом меньше, чем между углем и кислородом; кислород переходит от железа к углю и освобожденное железо — жидкое при этой высокой температуре — стекает в нижнюю часть печи, Е, и оттуда поступает в приготовленные формы **); выплавка идет беспрерывно,, достигая в сутки до 60 — 90 тыс. килогр. чугуна; содержимое печи постепенно оседает и постоянно пополняется новыми запасами угля и руды, которые подвозятся вагонетками W к верхней части печи.
      *) Обычные размеры подобной печи: 15 метров высоты при 4 м. внутреннего диаметра. — 77. Л.
      **) Надо заметить, что жидкое железо растворяет в себе уголь (3 — 4%), почему получаемый при выплавке продукт не чистое железо, а чугун; для удаления растворенного в нем углерода и получения стали или чистого железа, чугун подвергают дальнейшей обработке. — П. Л.
      Заметим здесь, что тот же прием раскисления оказывается неприложимым для получения металлического алюминия из глины: приходится прибегать к электрической печи для получения достаточно высокой температуры.
      Не только уголь, но и жидкое топливо — нефть может служить для получения высоких температур. Обычный способ сжигать нефть (керосин) при помощи фитиля, как им пользуются для освещения, не пригоден для этой цели: испаряясь от нагревания горящим над фитилем пламенем, столб образующегося керосинового пара только своею наружною поверхностью соприкасается с окружающим воздухом и горит здесь в виде синего, несветящего, очень теплого пламени: развиваемое тепло настолько нагревает несоприкасающийся с воздухом пар углеводородов, то он химически разлагается (диссоциирует), причем выделившийся уголь раскаливается и дает светящую часть пламени, чтобы потом, подымаясь выше, сгореть в окружающем его воздухе. Для получения более высокой температуры необходимо ускорить сгорание: это достигается тем, что нефть предварительно распыляется, и затем эта пыль зажигается: каждая пылинка со всех сторон окружена воздухом, содержащим необходимый кислород; благодаря этому, сгорание происходит весьма быстро, и температура соответственно этому сильно подымается. Для распыления нефти служит пульверизатор (форсунка): струя водяного пара из котла поступает во внутреннюю трубку прибора а (р. стр. 222) и, вырываясь наружу, разбивается в мелкую пыль и увлекает с собою ту нефть, которая поступает в наружную оболочку b из нефтяного резервуара; в пламени нефтяной форсунки легко плавится огнеупорный кирпич.
      Гораздо более удобным горючим материалом является газообразное топливо; в лабораторной практике пользуются почти исключительно светильным газом *), доставляемым городскою газовою канализациею.
      *) Светильный газ получается при сухой перегонке каменного угля: каменный уголь помещается в закрытые глиняные реторты и без доступа воздуха подвергается сильному нагреванию; при краснокальной жаре происходит разложение: выходящий из реторты газообразный продукт очищается, собирается в газометры и оттуда поступает в канализационную сеть; в ретортах остается кокс. Светильный газ представляет собою смесь водорода (4О%) и газообразных углеводородов. — П. Л.
      Чтобы получить высокую температуру, надо газ возможно хорошо смешать с воздухом; это легко достигается следующим простым приемом, указанным знаменитым химиком Бунзеном: вытекающий из трубочки а (см. рис.) светильный газ попадает в канал Ь, снабженный отверстиями сс; быстро протекая мимо этих отверстий, он увлекает с собою прилегающий воздух и внутри канала b смешивается с ним; зажигая у верхнего конца вытекающую смесь, мы получаем несветящее, очень горячее пламя. Убедиться в высокой температуре бунзеновского пламени всего нагляднее можно, внося в него небольших размеров тугоплавкие вещества, которые тотчас же до-бела раскаливаются: газокалильная горелка Ауэра, которою теперь так часто пользуются для освещения магазинов и улиц, представляет собою не что иное, как бунзеновскую горелку, в пламени которой раскаливается тонкая сетка («чулок» Ауэра), сделанная из окислов циркона, лантана и дидима.
      Огромное удобство пользования газом для нагревания создало в лабораторной практике целый ряд печей, предназначенных для различных специальных целей, в которых бунзеновское пламя сгорает внутри глиняных (шамотных) сосудов; чтобы увеличить количество выделяемого тепла, увеличивают количество притекающего газа и воздуха, пользуясь побудительными тягами или воздуходувными приспособлениями (мехами): так называемая, «паяльная горелка Бунзена», дающая возможность очень просто получать более высокие температуры, по конструкции походит на нефтяную форсунку с тою разницею, что по внутреннему каналу а идет воздух, подаваемый мехами, а по наружному b подтекает светильный газ; эта паяльная горелка особенно часто употребляется для прокаливания и для приготовления различных аппаратов из стеклянных трубок *).
      *) В помещениях, не имеющих газопровода, пользуются парами летучих веществ (напр. бензина), смешивая их с воздухом или кислородом; на опасность взрыва и пожара в этих случаях следует обращать особое внимание. — П. Л.
      Во всех процессах горения, в которых из экономии пользуются кислородом воздуха, в пламя приходится вводить и азот, объем которого в четыре раза больше объема кислорода: развиваемая в пламени теплота расходуется на совершенно бесполезное нагревание азота, что отзывается и на температуре пламени. Устранить этот охлаждающий фактор нетрудно, если пользоваться не атмосферным воздухом, а чистым кислородом, вводя его вместо воздуха во внутренний канал паяльной лампы: при раскаливании в этом пламени известкового цилиндра или пластинки из окиси циркона мы получаем ослепительный свет (друм-мондов свет) и можем пользоваться этим источником для проекционного фонаря. Еще несколько более высокую температуру мы получаем, заменяя светильный газ чистым водородом: в этом пламени легко плавится платина и иридий, чем и пользуются при изготовлении разных аппаратов из этих металлов: получаемая здесь температура доходит до 2500°.
      В технике пользование газообразным топливом также распространено с тою разницею, что здесь, вместо дорогого светильного газа, применяют гораздо более дешевый, так называемый, «генераторный газ», получаемый при неполном сгорании топлива *) в специально устроенном генераторе.
     
      В целом ряде производств,, не допускающих копоти в нагревающем пламени и требующих тщательной регулировки температуры (приготовление оптического и других высоких сортов стекол, глазирование фарфора и т. д.), газовое топливо находит себе широкое применение.
      До сих пор мы рассматривали химические источники тепла; наивысшая температура, которой мы можем тут достигнуть, обусловливается температурой диссоциации, как было указано выше. В настоящее время лаборатория и техника все шире и шире пользуются другим приемом получения высоких температур, и достижение высшего их предела стесняется здесь только недостаточною тугоплавкостью печей; этот прием заключается в применении электрической энергии к нагреванию.
      П. Н. Лебедев**).
      «Физическое обозрение, 1900.
      *) При обильном подтоке воздуха происходит полное сгорание и образование углекислоты (CO2); проходя сквозь слой сильно нагретого угля, лежащий над горящим углем, углекислота раскисляется, соединяясь с новым количеством угля и давая окись углерода (СО); эта последняя и есть .генераторный газ», который в присутствии кислорода воздуха легко окисляется (горит), образуя углекислоту (СО2). — П. Л.
      **) Петр Николаевич Лебедев (1866 — 1912) — один из величайших русских физиков.
     
      Источник энергии животных.
     
      Чем объяснить способность передвижения живых существ, и в чем источник их силы? Строителям автоматов люди и животные казались механизмами, не нуждающимися в заводе, т.-е. носящими в себе источник живой силы; они не знали еще о зависимости живой силы, которая существует между принятием пищи и восстановлением сил. Но после того, как мы познакомились с источником двигательной силы паровых машин, приходится спросить, не происходит ли чего-нибудь подобного и у людей? В действительности, сохранение жизни находится в прямой зависимости от пищи, которая, будучи переварена, продолжает свою деятельность, переходя в кровь и подвергаясь в легких медленному окислению; продукты его почти те же, что при горении на открытом воздухе. А так как количество выделяющейся теплоты не зависит ни от хода, ни от продолжительности реакции, то, зная количество принятой пищи, можно вычислить в точности количество выделившейся теплоты, а следовательно, и эквивалентное ему количество работы. К сожалению, затруднения при производстве соответствующих опытов еще очень велики; однако, сделанное до сих пор вполне подтверждает это количественное отношение. Таким образом, живые организмы отличаются от паровых машин не источниками двигательной силы, а целями и способами ее применения. Далее, они в выборе горючего материала более ограничены, чем паровая машина. Последняя с одинаковым успехом может быть истоплена сахаром, крахмалом, маслом или углем и дровами Животный организм должен искусственно превратить в жидкое состояние свое топливо, распределить его между различными органами; сверх того, он должен постоянно возобновлять легко утрачивающийся материал своих органов и, не имея возможности выработать нужные для того вещества, принимать их извне. Либих был первый, обративший внимание на существенно различные назначения принятой пищи. Для восстановления израсходованного материала могут служить, как оказалось, одни лишь белковые вещества, вырабатываемые растениями и составляющие, повидимому, главную составную часть животного организма. Но они представляют собою лишь незначительную часть пищи; большая часть состоит из сахара, крахмала, жиров, — это топливо, при сгорании которого вырабатывается живая сила наших органов; и, может быть, оно потому лишь не может быть заменено углем, что последний нерастворим.
      Если процессы в организованных телах в этом отношении ничем не отличаются от неорганических, то возникает вопрос: откуда доставляются им питательные вещества, служащие для них источником силы? Из царства растений, так как лишь растения и мясо травоядных животных могут быть употребляемы в пищу. Травоядные представляют промежуточную ступень, посредством которой плотоядные, к которым надо отнести и человека, получают тот необходимый дчя питания материал, которого они непосредственно переварить не могут. Сено и трава содержат те же питательные вещества, что и рожь, но в меньшем количестве. А так как пищеварительные органы человека не в состоянии извлечь малого количества ценного материала из нерастворимой массы, то-мы подвергаем его сперва обработке со стороны могучих органов питания рогатого скота, предоставляем ему скопиться в его мышцах для того, чтобы затем воспользоваться ими в более приятной и удобоперевариваемой форме. Таким образом, для разрешения нашего вопроса надо обратиться к миру растений.
      Изучение органической жизни растений указывает, что они живут на счет продуктов горения, выделяемых животными. Они вдыхают из воздуха сгоревший уголь в виде углекислоты, сгоревший водород — в виде воды, азот в его простейших соединениях, напр., в виде аммиака, и вырабатывают из этих соединений, при помощи немногих веществ, получаемых из почвы, питательные вещества, для царства животных — белок, сахар, крахмал и масла. Таким образом, мы пришли к некоторому круговороту, к кажущемуся неиссякаемым источнику сил. Растения заготовляют горючие и питательные вещества, животные IX потребляют, переваривают и подвергают медленному окислению, продукты которого идут вновь на пищу растений. Одни служат вечным источником химических процессов, другие, — механической силы. Может быть, совокупность двух органических миров и даст искомое вечное движение? Но такого рода заключение было бы слишком поспешным. Дальнейшие изыскания показывают, что растения способны вырабатывать горючие вещества лишь при содействии солнечных лучей. Солнечный свет, падая на зеленые части растений, совершенно утрачивает «химические» лучи; потому-то листья на фотографиях выходят черными: исходящий из них свет не содержит голубых и фиолетовых лучей и, следовательно, лишен способности разлагать соединения серебра. Кроме голубых и фиолетовых лучей, выдающуюся роль в жизни растений играют желтые: они также поглощаются листьями.
      Таким образом, деятельная сила солнечных лучей исчезает в то время, как в растениях образуется и накапливается горючий материал, и мы можем считать весьма вероятным, что это исчезновение является причиною последнего. Надо заметить, что мы не имеем еще опытов, подтверждающих эквивалентность силы исчезнувших солнечных лучей и накопившегося запаса химической силы, и пока их нет, нельзя эту эквивалентность считать доказанной. Если это предположение подтвердится на опыте, то мы будет иметь лестную для нас уверенность в том, что источник жизни, которою живет и движется наш организм, заключается в лучах солнца и что, следовательно, в благородстве происхождения мы все не уступаем китайскому императору, величающему себя сыном неба. Но то же эфирное происхождение разделяют с нами и нисшие существа, жабы и пиявки, весь мир растений и даже топливо, скопившееся веками или вновь растущее, употребляемое для наших печей и паровых машин.
      Г. Гельмгольц.
      «О взаимодействии сил природы».
     
      Источники энергии в древности и в наше время.
     
      Источниками энергии в древности были: сила воды, ветра и институт рабства.
      На земле водяная сила заключает в себе громадные запасы мощности, но наиболее значительные из них географически распределены совершенно несоответственно экономическим потребностям населения.
      Широкое использование их стало возможным только в настоящее время, благодаря открытию электрической передачи силы, сообщившей перемещаемость водяным мощностям. В древности отсутствовали все условия, благоприятные их пользованию.
      Водяные двигатели, в форме подливных колес, имели очень малое распространение; они ставились в реках или каналах, подводивших воду, приспособлялись к незначительным падениям воды. Устройство было несовершенно и применение к размолу зерна незначительно, в виду более дешевого и производительного труда животных и рабов. При подсчете источников энергии в древности мы оставим по этим причинам в стороне водяную силу.
      Переходя к силе ветра, мы должны исключить ее применения на суше в форме ветряных двигателей. Ветряные мельницы были неизвестны ни древним азиатским народам, ни древним грекам и римлянам. Остатков старых мельниц не имеется на Востоке. Сила ветра находила себе применение в передвижении по большим водным поверхностям, в плавании по рекам и морям. Отметим прежде всего случайность этой силы и особенности древнего мореплавания. Оно происходило по-преимуществу вдоль берегов и при том днем; на ночь судно вытаскивалось обыкновенно на берег. Эти обстоятельства требовали употребления весел и человеческого труда. Кроме купеческих трирем, имевших три ряда весел, гиганты древности, суда Гиерона Сиракузского с водоизмещением в 2.700 тонн, имели по три мачты и по 20 ярусов весел. В виду исключительности применения силы ветра в далеко не обширной в то время отрасли народного хозяйства, мы также не введем ее в наш подсчет. Таким образом, фундаментом экономического прогресса древности является энергия рабов. Она и наиболее удовлетворяет тем условиям, которые должны выполняться источниками энергии.
      Какую энергию может дать человек-машина?
      Остановимся на человеке средней силы. Пища, им принимаемая в течение дня, развивает в теле от 3.000 до 4.000 больших калорий, что эквивалентно около полутора миллионам килограммометров. Свободный человек в 10-часовой рабочий день может произвести работу в 290.000 килограммометров, что соответствует 8 килограммометрам в секунду, или мощности в 1/10 лошадиной силы. Полезное действие или экономический коэффициент машины-человека представится отношением произведенной работы к потребленной энергии; оно равно 19%. Сравнительно с современным состоянием техники это — высокой степени совершенный двигатель: полезное действие в 19% является почти пределом для лучших паровых двигателей *).
      *) В двигателях внутреннего сгорания, нефтяных и бензиновых, коэффициент полезности значительно выше, чем в паровых, достигая почти 40% (двигатель Дизеля).
      Древность и современность в этом отношении стоят одинаково. Наукой установленная норма для мертвой машины и свободного человека считается недостаточной для раба, и из него выколачивается повышение коэффициента полезного действия. Этим определяются и способы управления энергией в древности, ничего общего с наукой и современной техникой не имеющие. Энергия в древности не привлекала научного ума для изучения ее законов: она привлекала неистощимый арсенал насилий...
      Рабство, как институт, постепенно чахло и, наконец, пало. Но что сделало возможным это падение, и не вернется ли когда-нибудь позорное учреждение на нашу Землю? Ответы на эти вопросы может дать только современное развитие физических наук и их намечающееся будущее.
      Оценим меркой древнего мира, меркой раба, результаты пользования современными нам источниками энергии, наукой подчиненными воле человека. (По сказанному выше, одна лошадиная сила соответствует 10 рабам).
      Я говорил о морских гигантах древности в 2.700 тонн водоизмещения с 3 мачтами и 20 ярусами весел. Наибольшее современное нам (1912 г.) морское судно «Император» в 1/4 версты длиною имеет 65.000 тонн водоизмещения, машины в 70.000 лошадиных сил, принимает 4.100 пассажиров и обслуживается экипажем в 1.100 человек. Если бы пар мы хотели заменить рабами, численность последних должна простираться до 700.000 человек. Энергия рабов менее податлива, чем энергия пара в преобразованиях сил и скоростей, и для перевода медленной работы рук человеческих в работу быстро вращающихся мореходных винтов нужно было бы устроить по меньшей мере 70 заводов по 10.000 человек в каждом. Такой громадный механизм поглотит немалую долю энергии, и число рабов должно быть значительно увеличено. Чтобы держать в повиновении это население, нужен экипаж не в 1.000 человек Для заводов, тюрем, помещения населения со стражей и администрацией, магазинов для запасов пищи и т. д. нужен не корабль, а нечто такое, что по своей колоссальности не могло бы быть приведено в движение своим населением, если бы даже было построено. Мы можем вообще утверждать, что задачи современной техники не разрешимы без привлечения сил мертвой природы.
      Как поступил бы современный инженер, если бы ему пришлось демонстрировать воскресшему мудрецу древности Маллетовский локомотив, развивающий до 3.000 лошадиных сил, а временно и до 4.000? Чтобы быть понятым, он скажет: вот машина, приводимая в движение 30.000 рабов, несущихся с головокружительной скоростью экспрессов.
      Предложим далее вниманию мудреца проект электрической передачи мощности в 250.000 лош. сил от водопадов реки Замбези на расстояние 1.100 километров в мины Наталя и Трансвааля электрическим током в 150.000 вольт напряжения. На чертежах проекта инженер укажет металлическую проволоку, по которой моментально на 1.000 верст переносятся 2,5 миллиона рабов со всем запасом пищи, необходимым для их труда.
      В этих рассказах мудрец усмотрит кощунство над истиной и воскликнет: это буйство мысли, перешедшей все пределы разумности и очевидности...
      Еще несколько штрихов, характеризующих эту буйную мысль. Механическая энергия, потребляемая в настоящее время человечеством, соответствует мощности 225 миллионов лош. сил или 2,25 миллиардам рабов, трудящихся за совесть. Но население всего земного шара считает только 1,5 миллиарда людей. Обратив все это население в рабов, прекратив все другие виды деятельности, мы не получим той механической мощности, которая дается техникой, созданной современным физическим знанием.
      Географы и историки, подсчитывающие население государств древности, включают в него и рабов. Будем же последовательны и определим современное население не в 1,5, а в 3,75 миллиарда. Это совершенно точный подсчет с точки зрения техники, который в человеке усматривает только рабочую единицу. В течение миллионов веков природа довела население земли до 1,5 миллиардов, а буйный разум физических наук в полтора столетия создал человечеству почти вдвое большее число сотрудников...
      Каким образом все это совершилось? Открытием в теплоте источника энергии. Но первые применения пара к получению механических мощностей около начала 18-го столетия дали только 8/10% полезного действия, а в настоящее время в наиболее совершенных машинах этот коэффициент доходит до 18%. Успех повышения коэффициента преобразования тепловой энергии в механическую был обусловлен постепенным раскрытием свойств тепловой энергии, изучением управляющих ею законов... Эти знания, раскрывая природу тепловых процессов, дали возможность управлять ими сообразно этой природе и только этим путем извлекать из них наибольшую пользу.
      Н. А. Умов.
      «Культурная роль физических наук», 1912.