Занимательные опыты, или Чудеса без чудес. Увлекательная физика для маленьких учёных

Бегающая капля

Воздух также расширяется от нагревания. Это свойство воздуха позволяет сделать очень любопытный опыт. Устройте прибор, представленный на рис. 9. Для этого согните трубку 2 раза под углом и вставьте её в пробку. Вгоните в трубку одну капельку воды, чуть-чуть подкрашенной чернилами. Для этого смочите конец проволоки так, чтобы на ней висела капелька, и стряхните эту капельку в трубку. Если сама она не пойдёт туда, то вдуйте её ртом. Вставьте после этого пробку в колбу. Положите колбу на стол. Нагрейте руку, подержав её под горячей водой. Смотрите только, не ошпарьтесь! Возьмите теперь колбу в горячую руку. Капелька сейчас же побежит вверх. Почему? Воздух сильно расширился от теплоты и поднял капельку. Как только вы отнимете руку, капелька опять опустится. Чтобы при расширении воздуха она не выскочила совсем из трубки, надо правый конец последней сделать подлиннее.

Рис. 9

Забавный шарик

Однажды мне подарили преинтересный шарик. К нему было прилажено кольцо с деревянной ручкой, через которое он свободно проходил. И кольцо, и шарик были сделаны из жёлтой меди. Для шарика была тоже деревянная ручка, но он не был к ней прикреплён неподвижно, а висел на проволоке.

С этим шариком я часто проделывал такой опыт. Возьму, бывало, кольцо в левую руку, а шарик в правую и пробую, проходит ли шарик сквозь кольцо. Оказывается, проходит свободно. После этого я нагревал шарик над огнём и опять пробовал пропустить его через кольцо. Шарик не проходил, а задерживался в кольце. Я ждал. Проходило несколько минут. Шарик остывал и сам собой проваливался через кольцо. Сколько раз я ни повторял опыт, всегда выходило одно и то же.

Рис. 10. Забавный шарик

Что же этот опыт показывает? Ясно, что шарик от нагревания делается больше. Поэтому он и не может пройти через кольцо. Охладившись, он снова делается меньше и проваливается. Стало быть, и твёрдые тела от теплоты расширяются, а от холода сжимаются.

Расширением тел объясняется много явлений. Сделайте такой опыт. Вскипятите на плите в кастрюле воду. В другую кастрюлю налейте холодной воды и, если можно, положите в неё кусок льда – от этого она станет ещё холоднее. Опустите в холодную воду маленький стеклянный пузырёк и, когда он сам станет там совсем холодным, выньте и положите в кипящую воду. Пузырёк тотчас же лопнет. Значит, холодное стекло, брошенное в горячую воду, лопается. Отчего? От холодной воды пузырёк сжался. Когда его положили в горячую воду, он сразу расширился, но наружная сторона стекла расширилась сильнее, чем внутренняя, и потому пузырёк лопнул. Если бы мы положили его в холодную воду и стали медленно нагревать её, то внутренняя сторона стекла успела бы так же нагреться и расшириться, как наружная, и пузырёк остался бы цел.

С вами, вероятно, случалась такая неприятная история. Вам подарили флакончик со стеклянной пробкой. Вы хотите его открыть, но пробка не вынимается. Вы начинаете тащить её щипцами, стараетесь выколотить её прочь ручкой ножа, и кончается вся эта история тем, что вместе с пробкой отскакивает и шейка флакончика… Флакончик погиб. А открыть его было так просто. Стоило только быстро нагреть над свечой шейку, и пробка вышла бы без всякого труда. Почему? От огня нагрелась бы и шейка, и пробка, но первая больше второй. Значит, шейка расширилась бы больше, чем пробка, и последнюю можно было вынуть без всякого труда.

Мы узнали, что медь и стекло расширяются от теплоты. То же самое происходит и со всеми другими твёрдыми телами.

От холода все тела – и твёрдые, и жидкие, и газообразные – сжимаются. Однако при замерзании вода расширяется.

Опыт моего товарища

Как-то я ещё мальчиком зашёл к своему товарищу. Он был большим любителем опытов и целыми днями возился со своими склянками и приборами. В этот день мы мирно сидели за чайным столом и разговаривали. Вдруг послышался треск, точно выстрел из ружья, зазвенели и посыпались стёкла. Все вздрогнули и невольно обернулись к окну столовой, выходившему в сени, – оттуда послышался зловещий звук… Только один мой товарищ оставался спокойным. «А ловко же удался опыт!» – в раздумье наконец произнёс он. Тут все поняли, кто был виновником происшествия. Мать обратилась к нему с упрёками, но мой приятель в оправдание стал рассказывать о своём опыте, и скоро все им невольно заинтересовались. Что же он такое сделал? Он просто поставил между оконными рамами бутылку, наполненную водой до самого верха и плотно закупоренную, пробка была даже привязана к горлышку проволокой. На дворе в тот день стоял сильный мороз, и вода в бутылке замёрзла. Замерзая, она разорвала бутылку. Ясно, что при замерзании вода расширяется, и лёд занимает больше места, чем вода, из которой он получился.

Рис. 11. Как вода замерзает в бомбе

Я советую вам повторить опыт. Только не делайте его между оконными рамами, чтобы не повредить стёкол и никого не испугать. Бутылку, наполненную водой и крепко закрытую пробкой, положите в морозилку. Как только вода замёрзнет, бутылка лопнет, а вы получите кусок льда в форме бутылки.

Пробовали сдержать силу замерзающей воды чугунными стенками, наполняли водой чугунный шар и плотно забивали отверстие деревянной пробкой. На морозе эта пробка с силой вылетала вон, а из отверстия выходила ледяная палочка. Если вместо простой пробки делали винтовую, которую лёд не мог вытолкнуть, тогда разрывались сами стенки шара (рис. 11).

Можно убедиться, что вода начинает расширяться ещё незадолго до замерзания. Для этого возьмите ту же колбу, которая служила нам при опыте с расширением воды от нагревания. Наполнив колбу водой, поставьте её в большую кастрюлю, обложите высоко смесью льда с солью6* и наблюдайте, что будет. Как только вода сильно охладится, она станет подниматься вверх по трубке. Стало быть, в отличие от всех других тел природы, вода перед замерзанием расширяется, хотя она при этом и охлаждается7.

И камни разрушаются

Вам, вероятно, не раз попадались камни, которые при одном только прикосновении к ним или при лёгком толчке рассыпаются в песок. Обратите внимание на каменные памятники ближайшего кладбища. Только самые новые среди них отличаются блеском. А на старых плитах и крестах видно множество трещин, тут и там отвалились целые куски8.

Отчего же разрушаются камни? Понаблюдайте за ними летом. Полуденное солнце накаливает их своими жгучими лучами. Ночью камни сильно остывают. От нагревания и охлаждения они то расширяются, то сжимаются. Вы помните, что сталось со стеклянным пузырьком, который мы бросили в кипяток. То же самое происходит и с камнями. Они мало-помалу прорезываются трещинами.

Но эти трещины ещё очень малы. Их расширяет вода. Она забирается в них осенью и с наступлением морозов замерзает. Лёд занимает больше места, чем вода, а потому трещины всё более и более расширяются, и наконец камень разваливается.

Из камня сложены целые горы. Красиво и причудливо иззубрены их вершины. Эта красота зависит от разрушения. Зубья, столбы и пики – только уцелевшие части скал. Иногда огромная скала вся прорезана трещинами. Только корни деревьев и травяной покров скрепляют её. Бывали случаи, когда такие скалы мгновенно обваливались, производя большие разрушения.

Обвал горы

Осенью 1806 г. в Альпах случился грозный обвал.

Всё лето шли, не переставая, проливные дожди. Ручьи вышли из берегов и затопили окрестность. Пастухи, бродившие со стадами по зелёным склонам гор, были в тревоге. Лачужки их, кое-как сделанные из драни, сломало бурей. Ветер грозил всё разрушить. Дёрн, размытый водой, в некоторых местах совсем сполз, и в обнажённых камнях виднелись глубокие трещины. В лесу слышался шум, точно какая-то могучая сила ломала корни громадных сосен, скалистые обломки обрывались тут и там… Наступил сентябрь. Пастбища были усыпаны обломками камней, и скоту негде было пастись. Пастухи собирались гнать в долины своих коз и коров. В ночь на 2 сентября дождь ещё усилился. Это был какой-то потоп. Раскаты грома и завывание бури заглушали человеческий голос. В лесу высокие сосны колыхались, будто колосья на ниве. Заалела бледная заря, и день озарил ужасную картину: почва была усеяна огромными камнями и обломками деревьев, трава выдернута и смята. Вдруг что-то загрохотало наверху. Перепуганные птицы – вороны, галки, ястребы, испуская жалобные крики, поднялись стаями и полетели. Земля заволновалась, и с вершин стал скользить дёрн, песок, камни, сначала медленно, а потом всё скорее и скорее. Пастухи чувствовали, как почва уходила из-под их ног, и бросились бежать, сами не зная куда. Перепуганные стада с рёвом неслись за ними, но сосны и камни, падая с высоты, убивали их и влекли за собой.

Вдруг раздался такой треск, будто разрывалась вся земля. Всё закружилось, запрыгало – камни, земля, трава, кустарники и деревья… Огромные скалы летели вниз, встречались и, точно бомбы, брошенные невидимым снарядом, отскакивали, прыгали по земле, то останавливались, то снова неслись с грохотом и стоном. Иные разбивались вдребезги, и тучи щебня и пыли устремлялись вниз. Пастухи, не помня себя, бежали через пропасти, думая только о своём спасении… Каменные глыбы настигали их и увлекали за собой.

В то время склоны Рассберга были покрыты жилищами, а у подошвы лежали богатые деревни (Гольдау, Безинген, Ловерц). Грозный обвал уничтожил их в мгновение ока. На месте их лежала безотрадная пустыня, усеянная обломками скал, деревьев и брёвен… Всего было разрушено более 100 домов, а число человеческих жертв доходило до 4,5 сотни. Они заживо были погребены под развалинами или погибли от ран.

Такие же обвалы случались не раз и у нас на Кавказе.

Странный случай с самоваром

Однажды мне пришлось наблюдать такое интересное явление. Был подан на стол самовар. Из-под крышки валил пар. Стали заваривать чай, и оказалось – вода холодная! Попробовал я самовар рукой: вверху и дотронуться нельзя – так он горяч, а внизу совсем холодный. Первый раз в жизни наблюдал я такой удивительный случай! Посмотрел я в трубу: она полна углей. Угли так и пышут; над ними длинные синие языки: самовар разогрет на славу. Но когда я вылил воду и опростал от углей трубу, всё объяснилось. Оказывается, наложили в трубу плотных покупных углей почти до самого верха и на них насыпали горячих углей из-под плиты. Верхние угли разгорелись, а нижние как были положены, так и остались тёмными. Вверху вода сильно нагревалась и скоро закипела, внизу осталась холодной. Вышел преинтересный опыт, которого нарочно, пожалуй, и не сделаешь.

«Странно! – скажете вы, если видели, как работает самовар. – Сколько раз приходилось видеть, что в самоварной трубе лежит угольков чуть на донышке, а самовар отлично нагревается весь, и вода закипает не только внизу, а вся»9*.

Но в этом странного ничего нет: так и быть должно. Если самовар или какой-нибудь сосуд нагревается снизу, то находящаяся в нём вода скоро закипит вся; а если мы станем нагревать сосуд сверху, то произойдёт что-нибудь вроде того, что сейчас было рассказано; во всяком случае, нагреется только верхний слой. Почему же? Дело очень просто.

В воде теплота медленно передаётся от частицы к частице, и наш самовар не нагрелся бы никогда, если бы частички воды оставались неподвижными. А они приходят в движение, и вот почему. Тёплые, нагревшиеся внизу слои воды расширяются, делаются легче и потому всплывают наверх. Их вытесняют сверху холодные частички, которые нагреваются, делаются лёгкими и опять идут вверх. И чем больше мы нагреваем самовар, тем всё быстрее и быстрее движутся частички. Скоро вода начинает кипеть. Она нагрелась потому, что частички воды забирали тепло внизу, где больше всего горячих углей, и переносили его вверх.

Теперь посмотрим, что произойдёт, если мы станем нагревать воду сверху. Верхние слои воды нагреются, сделаются легче, чем были, и останутся на своих местах. Тяжёлая холодная вода не может прийти на их место; она останется внизу. Никакого движения в самоваре не произойдёт: всё останется спокойным. Между тем верхний слой будет нагреваться всё больше и больше, и может случиться, что он закипит в то время, как большая часть воды под ним останется холодной. Вот почему в самовар не следует накладывать много углей, пока не разгорелись угли в нижней части трубы.

Но вот вода в нашем самоваре закипела, и пар клубами валит из-под крышки. Не правда ли, хорошо понаблюдать над этим интересным, хотя и таким обыкновенным явлением? Но что делается в самоваре, не видно. Поэтому сделаем особый опыт в стеклянной посуде…

Как кипит вода

Возьмём хорошую стеклянную колбу, наполним её водой и вскипятим на пламени спиртовой лампы. Вот вода начала нагреваться, и снизу побежали пузырьки: один, другой, третий… Что это такое? Пузырьки какого-то газа. В воде растворён воздух: это ясно хотя бы из того, что в воде живут рыбы; без воздуха вся рыба, живущая в воде, погибла бы, ей воздух нужен для дыхания. Но в холодной воде воздуха растворяется больше, чем в горячей; и вот, как только вы начинаете нагревание, лишний воздух выходит пузырьками и поднимается. Чем больше вы нагреваете, тем больше пузырьков поднимается. Наконец вода начинает кипеть, и к пузырькам газа присоединяются пузыри пара. Эти пузыри поднимаются и лопаются; колба всё более и более наполняется парами, но они невидимы и только по выходе из горлышка образуют белые клубы видимого пара; от соприкосновения с воздухом невидимый водяной пар охлаждается и превращается в видимые мельчайшие водяные капли10.

Теперь вооружимся хорошим термометром и опустим его в воду. Удивительное явление! Сколько мы ни нагреваем колбу, температура остаётся та же – 100 °C. А вода всё кипит и кипит, всё меньше и меньше становится её в колбе… Если мы поднимем термометр так, чтобы он не касался воды, а стоял в горлышке, в водяном паре, то и здесь он не изменит своих показаний: ртуть будет стоять всё на 100 °C… Неужели же наша лампа более не греет? Куда девается её тепло? Тепло затрачивается на превращение воды в пар. Оно, как говорят, переходит в скрытое состояние. Водяной пар набирает тепло и, поглощая, сохраняет. Когда же, наоборот, мы пар охладим и он превратится в воду, скрытая теплота опять станет явной. Поэтому паром можно пользоваться для нагревания. На этом и основано бывшее ранее в широком ходу паровое отопление. В подвальном этаже устраивают печь и в неё вмазывают большой котёл. От этого котла проводят трубы по всему дому. Котёл наполняют водой. Вода обращается в пар. Пар расходится по трубам, сгущается здесь в воду, отдаёт им своё скрытое тепло; трубы нагреваются и нагревают окружающий их воздух.

Но ведь испарение воды часто происходит и без нагревания. Мы знаем, что небольшое количество воды, оставленное на блюдечке, исчезает, испаряется. Каким же образом здесь превращается вода в пар? Без затраты теплоты? Конечно нет. Откуда же она берёт теплоту? Из себя и окружающего воздуха. Вот почему всякое испарение понижает температуру. Летом в местностях, богатых водой (где, следовательно, происходит сильное испарение), всегда бывает прохладнее, чем в местностях сухих.

Не только при испарении воды охлаждается окружающий воздух. То же самое происходит при испарении всякой жидкости; и если взять жидкость, испаряющуюся быстрее воды, то можно получить даже очень низкую температуру. Так, испарением эфира можно воспользоваться для замораживания воды. Для этого обёртывают нижнюю часть пробирки слоем ваты, наливают в пробирку немного холодной воды и, обильно смачивая вату эфиром, направляют на неё струю воздуха (можно просто махать плоским предметом). Вода в пробирке сильно охладится и наконец замёрзнет.

Чай изо льда

Не всегда можно достать для чая воду. Я не говорю уже о полярных странах, где в долгую холодную зиму вся вода превращается в лёд и даже нередко реки промерзают до самого дна. Но иногда и в жаркой местности приходится самовар наполнять не водой, а льдом.

Однажды, проводя лето в Крыму близ Алупки, задумал я в компании добрых друзей подняться на Ай-Петри. Это красивая вершина яйлы, причудливыми зубцами поднимающаяся над её гребнем. Мы взяли проводника-татарина, запаслись на всякий случай верховыми лошадьми, которые, кстати, везли наш багаж, а сами пошли пешком. Я не стану рассказывать о том, как дивно прекрасна была дорога, как скоро вступили мы в лес и встретили в нём наших северных знакомых – сосны, как временами на крутых обрывах перед нашим взором развёртывались дивные пейзажи. Наконец после пятичасового утомительного пути с несколькими передышками мы были на вершине. Перед нами – свет и простор. Внизу плывут и останавливаются облака, а под ними чистейшей синевой сверкает море. Кругом ровная степь, сухая трава, камни, кое-где жалкий кустарник. Полюбовались мы дивной картиной и вспомнили о чае. Надо достать воды. Проводник объявил нам, что до ключа далеко и надо спускаться, а снега – сколько хочешь. Мы заинтересовались. Проводник повёл нас к яме, которая воронкой суживалась книзу, – это, должно быть, провал над какой-нибудь бездонной пещерой. Кругом ямы, кустарник. Мы раздвигаем его и спускаемся в яму. Она полна снегом, белым, чистым; на нём нет и следов пыли или копоти, как на нашем городском снегу. Мы наполнили им чайник, взяли ещё про запас в большую салфетку и развели костёр. В чайнике снег таял и превратился в чистую воду. Но её было немного. Мы стали прибавлять в неё снег, принесённый в салфетке, и мало-помалу чайник наполнился доверху.

Интересно наблюдать с термометром над таянием льда. Возьмём чашку с водой, положим в неё кусок льда и поставим в неё термометр. Если вода была комнатной температуры, то температура начинает падать. Но вот она дошла до нуля и остановилась. Пока в чашке имеется лёд, температура не изменяется. Но ведь в комнате тепло! Отчего не нагреется вода от окружающего воздуха? Она и получает от него тепло, но только отдаёт его тающему льду. Тепло затрачивается на превращение льда в воду, переход в «скрытое» состояние. Это тепло снова вернётся, перейдёт в явное состояние, как только вода опять замёрзнет. Как ни странно, но при замерзании воды остальная, незамёрзшая вода и, частью, окружающий воздух приобретают от неё некоторый запас тепла.

Испарение и замерзание воды происходят в природе постоянно. Невидимым паром вода поднимается в верхние слои атмосферы, там превращается в облака и, сгустившись, снова падает на землю. С места своего падения она бежит опять к морю, отчасти по земле, отчасти под землёй. Реки, озёра, болота, родники – всё это вода, возвращающаяся к океану, из которого она пришла. Каждая капелька соседнего ручья могла бы много рассказать вам о своих странствованиях: как она была облаком, снегом, туманом, инеем; как она прыгала в волнах далёкого моря и тихо пробиралась подземным ручьём между каменными пластами; как, наконец, она вышла на дневной свет и попала в наш ручеёк.

Несгораемая карта

Не только лёд можно превратить в воду, но и всякое другое твёрдое тело можно сделать жидким. Немногие тела, однако, не удалось ещё расплавить, так как для этого понадобился бы слишком большой жар; наоборот, другие тела плавятся даже на свече. Последние называются легкоплавкими. Примером может служить свинец, из которого, между прочим, ранее изготавливали блестящие листы (фольгу) для завёртывания чая, и олово, в которое раньше заворачивали шоколад11*.

Рис. 12. Плавление олова на игральной карте

Можно олово или свинец расплавить на игральной карте с загнутыми краями (рис. 12) или в крепкой коробке, выдавленной из целого куска картона. Карта или коробка не успевает сгореть, потому что вся теплота, которую она получает, отнимается оловом; надо только нагревать карту как раз под самым металлом; если же огонь попадёт в такое место, над которым олова нет, то, разумеется, папка загорится.

Точно так же возможно вскипятить воду в бумажной коробке (это показано на рис. 13), но гораздо удобнее взять для опыта опять-таки картонную коробку. Картон не сгорит потому, что вода поглотит всю теплоту, доставляемую лампочкой. Коробку, в которой производится опыт, лучше всего подвесить при помощи шнурков на деревянном бруске, который можно положить концами на двух бутылках.

Рис. 13. Кипячение воды в бумажной коробке

Разумеется, оба опыта доставят вам надёжную репутацию фокусника, если вы удачно произведёте их перед товарищами, не знающими, в чём дело.

Погода в комнате

Погода в домах меняется так же, как и на дворе. На улице бывает и ветер, и затишье, и туман, и роса. В поле ветер ломает толстые деревья, опрокидывает здания, выгоняет из рек воду, устраивает наводнения, затапливает деревни и сёла. Дождь льёт целыми потоками, буря носится со свистом… Ничего этого в комнате, конечно, не бывает: ветерок здесь слабенький, туман почти незаметный. Но всё-таки погода в комнате бывает разная.

Рис. 14. Воздушный шар, странствующий по комнате

День едва брезжит сквозь замёрзшие окна. Нехотя вы покидаете тёплую постель и, если окно было открыто, долго жмётесь от холода… Но вот вы затопили печку12*, и тепло распространяется по комнате… Вы вспоминаете о маленьком воздушном шарике, который вам подарили вчера. Он висит, привязанный, за окном… Не хотите ли проделать с ним интересный опыт, который покажет вам, что в комнате и в самом деле дует ветер?

Привяжите к ниточке шарика бумажку… Шарик упадёт на стол: бумажка перетянет его. Поднимите шарик и понемногу подрезайте снизу бумажку, пока шарик не повиснет в воздухе на любой высоте… Теперь поднесите шарик к печке. Шарик станет подниматься, и всё быстрее и быстрее… Вот он достиг потолка и остановился… Но остановка была минутная. Вы смотрите на шарик и видите, что он потихоньку ползёт к окну. Вот он дошёл до середины комнаты, вот он уже близко от окна. И что же? Он стал вдруг опускаться. Вот он уже над подоконником. Чуть задев за него, шарик скатывается вниз и продолжает медленно спускаться. Через несколько минут он уже на полу…