Файл: Перельман Я. И. - Занимательная физика. Книга 1 - 1983.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.10.2020
Просмотров: 1551
Скачиваний: 12
даже
читать
о
сапоге
в
бане
,
не
вдевающем
на
разгоряченную
ногу
будто
бы
потому
,
что
«
нога
при
нагревании
увеличилась
в
объеме
»?
Этот
знаменитый
пример
сделался
чуть
ли
не
классическим
,
а
между
тем
ему
дают
совершенно
превратное
объяснение
.
Прежде
всего
,
температура
человеческого
тела
в
бане
почти
не
повышается
:
повышение
температуры
тела
в
бане
обычно
не
превосходит
1 °
С
.
Человеческий
организм
успешно
борется
с
тепловым
влиянием
окружающей
среды
и
поддер
-
живает
собственную
температуру
на
определенной
точке
.
Но
при
нагревании
на
1 °
С
увеличение
объема
нашего
тела
так
ничтожно
,
что
его
нельзя
заметить
при
надевании
сапог
.
Коэффициент
расширения
твердых
и
мягких
частей
человеческого
тела
не
превосходит
нескольких
десятитысячных
.
Следовательно
,
ширина
ступни
и
толщина
голени
могли
бы
увеличиться
всего
на
какую
-
нибудь
сотую
долю
сантиметра
.
Неужели
же
сапоги
шьются
с
точностью
до
0,01
см
–
толщины
волоса
?
Но
факт
,
конечно
,
несомненен
:
сапоги
трудно
надевать
после
бани
.
Причина
,
однако
,
не
в
тепловом
расширении
,
а
в
приливе
крови
,
во
влажной
поверхности
кожи
и
тому
подобных
явлениях
,
не
имеющих
ничего
общего
с
тепловым
рас
-
ширением
.
Как
устраивались
чудеса
Древнегреческий
математик
и
механик
Герон
Александрийский
,
изобрета
-
тель
фонтана
,
носящего
его
имя
,
оставил
нам
описание
двух
остроумных
спосо
-
бов
,
с
помощью
которых
египетские
жрецы
обманывали
народ
,
внушая
ему
веру
в
чудеса
.
Рис
. 73.
Разоблачение
«
чуда
»
египетских
жрецов
:
двери
храма
открываются
действием
жертвенного
огня
.
На
вы
видите
пустотелый
металлический
жертвенник
,
а
под
ним
скрытый
в
подземелье
механизм
,
приводящий
в
движение
двери
храма
.
Жерт
-
венник
стоял
снаружи
его
.
Когда
разводят
огонь
,
воздух
внутри
жертвенника
вследствие
нагревания
сильнее
давит
на
воду
в
сосуде
,
скрытом
под
полом
;
из
сосуда
вода
вытесняется
по
трубке
и
выливается
в
ведро
,
которое
,
опускаясь
,
приводит
в
действие
механизм
,
вращающий
двери
Изумленные
зрите
-
ли
,
ничего
не
подозревающие
о
скрытой
под
полом
установке
,
видят
перед
собой
79
«
чудо
»:
как
только
на
жертвеннике
запылает
огонь
,
двери
храма
, «
внемля
молит
-
вам
жреца
»,
растворяются
словно
сами
собой
...
Другое
«
чудо
»,
устраивавшееся
жрецами
,
изображено
на
Когда
на
жертвеннике
запылает
пламя
,
воздух
,
расширяясь
,
выдавит
масло
из
нижнего
резервуара
в
трубки
,
скрытые
внутри
фигур
жрецов
,
и
тогда
масло
чудесным
образом
само
подливается
в
огонь
...
Но
стоило
жрецу
,
следившему
за
этим
жерт
-
венником
,
незаметно
вынуть
пробку
из
крышки
резервуара
–
и
излияние
масла
прекращалось
(
потому
что
избыток
воздуха
свободно
выходил
через
отверстие
);
к
этой
уловке
жрецы
прибегали
тогда
,
когда
приношение
молящихся
было
слишком
скудно
.
Рис
. 74.
Схема
устройства
дверей
храма
,
которые
сами
открываются
,
когда
на
жертвеннике
пылает
огонь
.
Рис
. 75.
Другое
«
чудо
»
древности
:
масло
само
подливается
в
жертвенное
пламя
.
Часы
без
завода
Мы
уже
описывали
раньше
часы
без
завода
(
вернее
,
без
специального
завода
),
устройство
которых
основано
на
переменах
в
давлении
атмосферы
.
Опишем
теперь
подобные
же
самозаводящиеся
часы
,
основанные
на
тепловом
расширении
.
Механизм
их
изображен
на
Главная
часть
его
—
стержни
Z
1
и
Z
2
,
сделанные
из
особого
металлического
сплава
с
большим
коэффициентом
расширения
.
Стержень
Z
1
упирается
в
зубцы
колеса
X
,
так
что
при
удлинении
этого
стержпя
от
нагревания
зубчатое
колесо
немного
поворачивается
.
Стержень
Z
2
зацепляет
зубцы
колеса
Y
при
укорочении
от
холода
и
поворачивает
его
в
том
же
направлении
.
Оба
колеса
насажены
на
вал
W
1
,
при
вращении
ко
-
торого
поворачивается
большое
колесо
с
черпаками
.
Черпаки
захватывают
ртуть
,
налитую
в
нижний
желоб
(
R
1
)
и
переносят
в
верхний
(
R
2
);
отсюда
ртуть
течет
к
левому
колесу
,
также
с
черпаками
;
наполняя
последние
,
ртуть
заставляет
колесо
вращаться
;
при
этом
приходит
в
движение
цепь
KK
,
охватывающая
колеса
K
1
(
на
общем
валу
W
2
с
большим
колесом
)
и
K
2
;
последнее
колесо
закручивает
за
-
водную
пружину
часов
.
Что
же
делается
с
ртутью
,
вылившейся
из
черпаков
левого
колеса
?
Она
стекает
по
наклонному
желобу
R
1
снова
к
правому
колесу
,
чтобы
отсюда
опять
начать
свое
перемещение
.
80
Механизм
,
как
видим
,
должен
двигаться
,
не
останавливаясь
,
до
тех
пор
,
пока
будут
удлиняться
или
укорачиваться
стержни
Z
1
и
Z
2
.
Следовательно
,
для
завода
часов
необходимо
только
,
чтобы
температура
воздуха
попеременно
то
по
-
вышалась
,
то
понижалась
.
Но
это
именно
и
происходит
само
собой
,
не
требуя
забот
с
нашей
стороны
:
всякая
перемена
в
температуре
окружающего
воздуха
вы
-
зывает
удлинение
или
укорочение
стержней
,
вследствие
чего
медленно
,
но
постоянно
закручивается
пружина
часов
Можно
ли
назвать
эти
часы
вечным
двигателем
?
Конечно
,
нет
.
Часы
будут
идти
неопределенно
долго
,
пока
не
износится
механизм
,
но
источником
их
энергии
служит
теплота
окружающего
воздуха
;
работа
теплового
расширения
накопляется
этими
часами
по
маленьким
порциям
,
чтобы
непрерывно
расходовать
ее
на
движение
часовых
стрелок
.
Это
даровой
двигатель
,
так
как
не
требует
забот
и
расходов
на
поддержание
своей
работы
.
Но
он
не
творит
энергии
из
нпчего
:
первопсточником
его
энергии
является
теплота
Солнца
,
согревающего
Землю
.
Рис
. 76.
Часы
,
которые
заводятся
сами
собой
.
Другпе
образцы
самозаводящихся
часов
сходного
устройства
изображены
на
и
78.
Здесь
главной
частью
является
глицерин
,
расширяющийся
с
повышением
температуры
воздуха
и
поднимающий
при
этом
некоторый
груз
;
падение
груза
и
движет
механизм
часов
.
Так
как
раствор
глицерина
не
затвердевает
при
больших
морозах
,
то
механизм
этот
пригоден
для
часов
на
городских
площадях
и
других
открытых
местах
.
Колебания
температуры
на
2 °
С
уже
достаточно
для
обеспечения
хода
таких
часов
.
Один
экземпляр
их
испыты
-
вался
в
течение
года
и
показал
вполне
удовлетворительный
ход
,
хотя
в
течение
всего
года
к
механизму
не
прикасалась
ничья
рука
.
Выгодно
ли
по
тому
же
принципу
устраивать
двигатели
более
крупные
?
На
первый
взгляд
кажется
,
что
подобный
даровой
двигатель
должен
быть
очень
Рис
. 77.
Схема
устройства
самозаводящихся
часов
другого
образца
.
Рис
. 78.
Самозаводящиеся
часы
;
В
цоколе
часов
скрыта
трубка
с
глицерином
.
81
экономичен
.
Вычисление
дает
,
однако
,
иной
результат
.
Для
завода
обык
-
новенных
часов
(
будильника
)
на
целые
сутки
нужно
энергии
всего
около
1
Дж
.
Это
составляет
в
секунду
круглым
счетом
100 000-
ю
долю
джоуля
,
а
так
как
1
кВт
равен
1000
Дж
в
секунду
,
то
мощность
одного
часового
механизма
составляет
всего
100 000 000-
ю
долю
киловатта
.
Значит
,
если
стоимость
самозаводящихся
часов
оценим
хотя
бы
в
одну
копейку
,
то
капитальный
расход
на
один
киловатт
подобного
двигателя
составит
1
коп
. · 100 000 000 = 1 000 000
руб
.
Миллион
рублей
на
киловатт
–
пожалуй
дороговато
для
«
дарового
»
двигателя
...
Поучительная
папироса
На
коробке
лежит
папироса
. 79).
Она
дымится
с
обоих
концов
.
Но
дым
,
выходящий
через
мундштук
,
опускается
вниз
,
между
тем
как
с
другого
конца
он
вьется
вверх
.
Почему
?
Ведь
,
казалось
бы
,
с
той
и
с
другой
стороны
выделяется
один
и
тот
же
дым
.
Да
,
дым
один
и
тот
же
,
но
над
тлеющим
концом
папиросы
имеется
восходя
-
щее
течение
нагретого
воздуха
,
которое
и
увлекает
с
собой
частицы
дыма
.
Воз
-
дух
же
,
проходящий
вместе
с
дымом
через
мундштук
,
успевает
охладиться
и
не
увлекается
уже
вверх
;
а
так
как
частицы
дыма
сами
по
себе
тяжелее
воздуха
,
то
они
и
опускаются
вниз
.
Рис
. 79.
Почему
дым
папиросы
у
одного
конца
поднимается
вверх
,
у
другого
опускается
вниз
?
Лед
,
не
тающий
в
кипятке
Возьмите
пробирку
,
наполните
водой
,
погрузите
в
нее
кусочек
льда
,
а
чтобы
он
не
всплыл
вверх
(
лед
легче
воды
),
придавите
его
грузиком
;
при
этом
,
однако
,
вода
должна
иметь
свободный
доступ
ко
льду
.
Теперь
приблизьте
пробирку
к
спиртовке
так
,
чтобы
пламя
лизало
лишь
верхнюю
часть
пробирки
(
Вскоре
вода
начинает
кипеть
,
выделяя
клубы
пара
.
Но
странная
вещь
:
лед
на
дне
пробирки
не
тает
!
Мы
имеем
перед
собой
словно
маленькое
чудо
:
лед
,
не
таю
-
щий
в
кипящей
воде
...
Разгадка
кроется
в
том
,
что
на
дне
пробирки
вода
вовсе
не
кипит
,
а
остается
холодной
;
она
кипит
только
вверху
.
У
нас
не
«
лед
в
кипятке
»,
а
«
лед
под
кипят
-
ком
».
Расширяясь
от
тепла
,
вода
становится
легче
и
не
опускается
на
дно
,
а
оста
-
ется
в
верхней
части
пробирки
.
Перемешивание
слоев
воды
будет
происходить
82
лишь
в
верхней
части
пробирки
и
не
за
-
хватит
нижних
,
более
плотных
слоев
.
На
-
гревание
может
передаваться
вниз
лишь
путем
теплопроводности
,
но
теплопро
-
водность
воды
и
стекла
чрезвычайно
мала
.
83
На
лед
или
под
лед
?
Желая
нагреть
воду
,
мы
помещаем
сосуд
с
водой
над
пламенем
,
а
не
сбоку
от
него
.
И
поступаем
вполне
правильно
,
так
как
воздух
,
нагреваемый
пламенем
,
стано
-
вится
более
легким
,
вытесняется
со
всех
сторон
кверху
и
обтекает
наш
сосуд
.
Следовательно
,
помещая
нагреваемое
тело
над
пламенем
,
мы
используем
теплоту
источника
самым
выгодным
образом
.
Ри
ду
с
. 80.
Вода
в
верхней
части
пробирки
кипит
,
меж
тем
лед
снизу
не
тает
.
Но
как
поступить
,
если
мы
хотим
,
напротив
,
охладить
какое
-
либо
тело
с
по
-
мощью
льда
?
Многие
,
по
привычке
,
помещают
тело
над
льдом
, –
ставят
,
напри
-
мер
,
кувшин
молока
поверх
льда
.
Это
нецелесообразно
:
ведь
воздух
над
льдом
,
охладившись
,
опускается
вниз
и
заменяется
окружающим
теплым
воздухом
.
Отсюда
практический
вывод
:
если
хотите
остудить
напиток
или
кушанье
,
поме
-
щайте
его
не
на
лед
,
а
под
лед
.
Поясним
подробнее
.
Если
поставить
сосуд
с
водой
на
лед
,
то
охладится
лишь
самый
нижний
слой
жидкости
,
остальная
же
часть
будет
окружена
неохлажден
-
ным
воздухом
.
Напротив
,
если
положить
кусок
льда
поверх
крышки
сосуда
,
то
охлаждение
его
содержимого
пойдет
быстрее
.
Охлажденные
верхние
слои
жид
-
кости
будут
опускаться
,
заменяясь
теплой
жидкостью
,
поднимающейся
снизу
,
пока
не
охладится
вся
жидкость
в
сосуде
*)
.
Кроме
того
,
охлажденный
воздух
вокруг
льда
также
будет
опускаться
вниз
и
окружит
собой
сосуд
.
Почему
дует
от
закрытого
окна
?
Часто
дует
от
окна
,
которое
закрыто
совершенно
плотно
и
не
имеет
ни
ма
-
лейшей
щели
.
Это
кажется
странным
.
Между
тем
здесь
нет
ничего
удивительно
-
го
.
Воздух
комнаты
почти
никогда
не
находится
в
покое
;
в
нем
существуют
не
-
видимые
для
глаза
течения
,
порождаемые
нагреванием
и
охлаждением
воздуха
.
От
нагревания
воздух
разрежается
и
,
следовательно
,
становится
легче
;
от
охлаж
-
дения
,
напротив
,
уплотняется
,
становится
тяжелее
.
Легкий
нагретый
воздух
от
батареи
центрального
отопления
или
теплой
печи
вытесняется
холодным
возду
-
хом
вверх
,
к
потолку
,
а
воздух
охлажденный
,
тяжелый
,
возле
окон
или
холодных
стен
,
стекает
вниз
,
к
полу
.
Эти
течения
в
комнате
легко
обнаружить
с
помощью
детского
воздушного
шара
,
если
подвязать
к
нему
небольшой
груз
,
чтобы
шар
не
упирался
в
потолок
,
а
свободно
парил
в
воздухе
.
Выпущенный
близ
натопленной
печки
,
такой
шар
путешествует
по
комнате
,
увлекаемый
,
невидимыми
воздушными
течениями
:
от
печки
под
потолком
к
окну
,
там
опускается
к
полу
и
возвращается
к
печке
,
чтобы
вновь
путешествовать
по
комнате
.
*)
Чистая
вода
охлаждается
при
этом
не
до
0 °
С
,
а
только
до
температуры
4 °
С
,
при
которой
она
имеет
наибольшую
плотность
.
Но
на
практике
и
нет
надобности
охлаждать
напитки
до
0 °
С
.