Занимательная физика.

Знание удельного веса дает возможность, не распиливая изделия, как бы
заглянуть внутрь него и установить, есть ли в нем пустоты или же оно
сплошное. Приведем пример.
Пусть у вас в руках медное изделие - скажем, статуэтка - и вы желаете
узнать: сплошная она или внутри нее имеется полость? Просверливать или
вообще повреждать статуэтку вы, конечно, не желаете. Как поступить?
Прежде всего нужно определить объем статуэтки. Для этого
наливаем в прямоугольную банку воды, замечаем высоту уровня и погружаем
нашу статуэтку: по повышению уровня воды легко вычислить объем изделия.
Пусть ширина банки 12 см, длина 15 см, а уровень воды поднялся на 1,5
см. Тогда объем воды, вытесненной изделием, равен 12x15x1,5=270 куб. см.
Но эта прибавка и есть, конечно, объем статуэтки. 1 куб. см меди весит
около 9 г. Поэтому, если бы вещь была сплошная, она весила бы примерно
270x9=2430 г.
Теперь вы обращаетесь к весам (без которых в данном случае обойтись
нельзя) и узнаете, что в действительности статуэтка весит 2200 г, т. е.
на 230 г меньше. Это показывает, что внутри нее имеется одна или
несколько полостей, общий объем которых равен объему недостающих 230 г
меди. Какой объем занимают 230 г меди? Мы узнаем это, разделив 230 на 9.
Получим 25,5 куб. см.
Таким образом, не повреждая статуэтки, мы не только узнали то, что
статуэтка заключает внутри себя полость или несколько полостей, но
определили даже и объем этих пустот - около 25 куб. см.

Люди, упавшие в воду, если не умеют плавать, часто делают роковую
ошибку: они поднимают руки из воды - и тем губят себя. Всякое тело под
водой легче, чем вне воды; следовательно, держа руки над водой,
утопающий увеличивает вес своего тела, и тогда голова увлекается
отяжелевшим туловищем под воду.
Вы можете сделать несложный прибор, чтобы показать, как должен и как
не должен держаться утопающий. Насыпьте немного дроби на дно пробирки,
кроме того, вдвиньте в пробирку пробочку, как показано на рисунке,
внизу, и насыпьте тоже немного дроби в верхнюю часть пробирки. Закрыв
пробирку другой пробкой, приделайте к выступающей ее части две
деревянные палочки, которые будут играть роль рук, тогда как вся
пробирка будет представлять подобие тела утопающего.
Добейтесь того, чтобы наружная пробка лишь немного поднималась над
водой, когда "руки" погружены под воду: для этого придется, быть может,
намотать на "руки" несколько витков медной проволоки. В таком положении
наше устройство изображает утопающего, держащего руки под водой:
"голова" его возвышается над водой. Но вот утопающий поднимает "руки" из
воды (палочки поворачиваются вверх), и "голова" погружается в воду -
утопающий захлебывается. <Продемонстрируйте этот опыт обучающимся
плавать и тем, кто еще неуверенно чувствует себя в воде.>

Интересно подсчитать, сколько весит тот воздух, который мы вдыхаем и
выдыхаем в течение одних суток. При каждом вдохе человек вводит в свои
легкие около полулитра воздуха. Делаем же мы в минуту, средним числом,
16 вдыханий. Значит, за одну минуту в нашем теле успевает побывать 18
полулитров, или 9 целых литров, воздуха. Это составляет в час 9ґ60, т.
е. 540 л. Округляем до 500 л, или до половины кубического метра, и
узнаем, что за сутки человек вдыхает не менее 12 кубометров воздуха.
Такой объем весит 14 кг.
Вы видите, что за одни сутки человек проводит через свое тело гораздо
больше воздуха, чем пищи: никто не съедает и 3 кг в сутки, вдыхаем же
мы воздуха
14 кг. Впрочем, если принять в расчет, что вдыхаемый воздух состоит на
четыре пятых из бесполезного для дыхания азота, то окажется, что тело
наше потребляет всего 3 кг, т. е. примерно столько же по весу, сколько и
пищи (твердой и жидкой). <Нужно ли другое доказательство
необходимости обновления воздуха в жилой комнате?>

Стакан чая был горяч, а теперь остыл. Теплота вышла из него и
рассеялась кругом. Вы и не подозреваете, какой могучий богатырь вышел
вместе с теплотой из этого чая. Он невидим, этот богатырь, но о его
могуществе вам может рассказать несложный расчет.
В нашем стакане было примерно четверть килограмма горячей воды,
значит, при остывании на каждый градус она теряла четверть калории. А
так как чай остыл со 100^оС до 20^оС (от температуры кипения до комнатной), т. е. на 80^оС, то всего чай потерял 1/4x80=20 калорий.
Двадцатью калориями можно сделать очень много, если превратить всю
эту теплоту в механическую работу. Одна калория, превращаясь полностью в
работу, могла бы поднять груз в 1 кг на высоту 427 м, округляя - на 430
м. Значит, та теплота, которая вышла из нашего чая (20 калорий), могла
бы поднять на 430 м 20 кг, или на 1 м огромный груз - 8600 кг. Такую же
работу совершает молотобоец, делая
400 ударов, или огромный 5-тонный паровой молот, падающий с высоты
человеческого роста. Разве не богатырская мощь скрывается в стакане
горячего чая?
Вот еще более поразительное сопоставление. Та же самая энергия
заключается в 20 ружейных пулях, летящих со скоростью 700 м в секунду.
Залп из 20 винтовок - вот мощность, скрытая в стакане горячего чая!
Можно было бы заставить этого богатыря выполнять другую работу,
например, светить в электрической лампочке. Тогда он сможет в течение
целого часа посылать вам свет 25-ваттной лампочки. Это тоже очень
почтенная работа.
Не так-то просто, однако, заставить этого богатыря работать нам на
пользу. Теплоту вообще трудно превратить в механическую работу;
человеческой изобретательности удается пока заставить теплоту выполнять
только часть - меньшую часть - той механической работы, на которую она
способна.
Как известно, звук передается не только через воздух. Он может
проходить и через другие вещества - газообразные, жидкие, твердые. В
воде звук бежит в четыре с лишком раза быстрее, чем в воздухе.
Работавшие в подводных сооружениях подтверждают, что под водой
отчетливо слышны береговые звуки, а рыбаки знают, что рыбы уплывают при
малейшем подозрительном шуме на берегу.
Ученые почти 170 лет назад в точности измерили, с какой скоростью
бежит звук под водой. Сделано это было на одном из швейцарских озер - на
Женевском. Два физика сели в лодки и разъехались километра на три один
от другого. С борта одной лодки свешивался под воду колокол, в который
можно было ударить молотком с длинной ручкой. Ручка эта была соединена с
приспособлением для зажигания пороха в маленькой мортире, укрепленной
на носу лодки: одновременно с ударом в колокол вспыхивал порох, и яркая
вспышка видна была далеко кругом. Мог видеть эту вспышку, конечно, и тот
физик, который сидел в другой лодке и слушал звук колокола в трубу,
спущенную под воду. По запозданию звука в сравнении с вспышкой
определялось, сколько секунд бежал звук по воде от одной лодки до
другой. Такими опытами найдено было, что звук в воде пробегает 1440 м в
секунду. (Напомним, что скорость распространения звука в воздухе - 340
м/с - впервые была рассчитана П. Лапласом в начале XIX в.)

На двойном расстоянии свеча светит, разумеется, слабее. Но во сколько
раз? В два? Нет, не в два: если вы поставите на двойном расстоянии две
свечи, они не дадут прежнего освещения. Чтобы получить такое освещение,
надо на двойном расстоянии поставить не две, а дважды две - четыре
свечи. На тройном расстоянии придется поставить не три, а трижды три, т.
е. девять свечей, и т. д. Это показывает, что на двойном расстоянии
сила освещения ослабевает в 4 раза, на тройном - в 9 раз, на четверном -
в 4x4, т. е. в 16 раз, на 5-кратном - в 5x5, т. е. в 25 раз, и т. д. Мы
напомнили закон ослабления света с расстоянием. (Заметим, что таков же и
закон ослабления звука: например, звуки ослабевают на 6-кратном
расстоянии не в 6, а в 36 раз.)
Зная этот закон, мы можем воспользоваться им, чтобы сравнить между
собой яркость двух источников света различной силы. Вы желаете,
например, узнать, во сколько раз ваша электролампа светит сильнее
простой свечи, - другими словами, хотите определить, сколькими
обыкновенными свечами нужно было бы эту лампу заменить, чтобы получить
такое же освещение.
Для этого вы располагаете лампу (лучше - минимальной мощности) и
зажженную свечу на одном конце стола, а на другом ставите отвесно
(зажав, например, между страницами книги) лист белого картона. Недалеко
от него, впереди, устанавливаете, также отвесно, какую-нибудь палочку,
например, карандаш. Он отбрасывает на картон две тени: одну - от лампы,
другую - от свечи. Густота этих теней, вообще говоря, различна, потому
что они получены: одна - от яркой лампы, другая - от тусклой свечи.
Приближая свечу к картону, вы можете достигнуть того, что обе тени
сравняются в густоте. Это будет означать, что сейчас сила освещения
лампы как раз равна силе освещения свечи. Однако лампа находится дальше
от освещаемого ею картона, нежели свеча; измерьте, во сколько раз она
дальше, и вы сможете определить, во сколько раз лампа ярче свечи. Если,
например, лампа в 3 раза дальше от картона, чем свеча, то яркость ее в
3x3, т. е. в 9 раз больше яркости свечи. Почему так - легко понять, если
вспомнить закон ослабления света.
Другой способ сравнить силу света двух источников состоит в том, что
пользуются масляным пятном на бумаге. Такое пятно кажется светлым, если
освещено сзади, и темным - если освещено спереди. Но можно расположить
сравниваемые источники по обе стороны пятна на таких расстояниях, что
пятно кажется освещенным с обеих сторон одинаково. Тогда остается лишь
измерить расстояния источников от пятна и сделать те вычисления, которые
мы предлагали в предыдущем случае.