Физика на каждом шагу - Яков Перельман

Для того же опыта можно воспользоваться и картофелиной; она тоже тонет в пресной воде и всплывает в густосоленой; легко поэтому приготовить рассол, в котором картошка не будет ни тонуть, ни всплывать.

Рис. 36. Подводная лодка держится под водой по той же причине, по какой не тонет и не всплывает яйцо в густом рассоле

В подобном состоянии находятся подводные лодки – длинные сигарообразные суда, могущие двигаться и маневрировать, находясь ниже уровня воды. Сейчас такие суда строятся исключительно для военных целей[8] и достигают, несмотря на свое, скромное название («лодка»), внушительных размеров – 100 и более метров длины.

Подводная лодка не всегда плавает под водой: во время переходов и стоянки суда эти находятся в непогруженном состоянии, как корабли обычного типа, они даже снабжены мачтами, мостиком и прочими частями надводного судна. И только находясь вблизи неприятельского корабля, подводная лодка погружается ниже уровня воды, выставляя над нею конец своего «перископа» (наблюдательной трубы).

Опускаются подводные лодки на глубину и в тех случаях, когда спасаются от артиллерийского обстрела, когда ищут спокойной ночевки и т. п.

Погружают подводную лодку тем, что из-за борта впускают воду в особые «балластные цистерны», т. е. в запасные баки, установленные внутри лодки и остающиеся порожними, когда лодка плывет в надводном положении. При заполнении цистерн вес лодки, бывший до погружения меньше веса равного объема воды, становится одинаковым с весом равного объема воды; по закону Архимеда, такое тело не должно под водой ни всплывать, ни тонуть.

Ниже 70 м под уровнем воды современные подводные лодки не погружаются, чтобы не пострадать от давления воды: на 70-метровой глубине каждый квадратный метр поверхности судна испытывает со стороны воды давление в 70 т. Впрочем, в Америке недавно сооружены подводные лодки, способные погружаться глубже указанной границы. Это настолько крупные суда, что для них название подводной лодки уже никак не подходит; лучше называть их подводными крейсерами. Такое судно может по три месяца плавать в открытом море, не возобновляя в гаванях своих запасов и покрывая расстояние в 25 тыс. морских миль (45 тыс. км). Имея все преимущества крейсера, новое подводное судно может погружаться на невероятную глубину – 112 м! Без добавочных приспособлений новый подводный корабль способен оставаться под водой трое суток, а при наличии особых аппаратов – даже целый месяц.

Рис. 37

Возвращаясь к нашим опытам, расскажем, как можно изготовить модель подводной лодки. Надо вырезать из дерева веретенообразное подобие подводной лодки и обмотать его нетолстой медной проволокой. Постепенно сматывая проволоку и отрезая ее по кусочку, можно добиться наконец того, что модель лодки не будет в соленой воде ни тонуть, ни всплывать.

Подобно подводной лодке в воде, держится в воздухе дирижабль: он вытесняет ровно столько тонн воздуха, сколько весит его оболочка с наполняющим его легким газом, гондолой и прочим снаряжением.

Плавание в тяжелой жидкости

Кто знает закон плавания и помнит удельные веса разных материалов, тот может предвидеть, какие материалы будут в воде плавать и какие тонуть. Если удельный вес материала больше удельного веса воды, материал тонет; если меньше – плавает. Не думайте, что материал, тонущий в воде, потонет и во всякой другой жидкости; в более тяжелой жидкости он может и не тонуть. Возьмем, например, ртуть – металлическую жидкость, которая тяжелее воды почти в 14 раз. Бросьте в нее кусок железа – он не потонет, а будет плавать. Это и понятно: железо имеет удельный вес 8, ртуть – 14. Медь, цинк, олово, даже серебро и свинец в ртути плавают; только золото, платина и некоторые другие металлы из числа самых тяжелых в ртути не плавают. Кусок дерева в ртути конечно тоже плавает, погружаясь при этом так мало, что кажется, будто он лежит на ртути, как на льду.

Если вспомним, что еловая древесина чуть не в тридцать раз легче ртути, то поймем, что кусок такого дерева, плавая в ртути, должен погружать под ее уровень всего лишь 30-ю долю своего объема. Примерно так же мелко плавало бы в ртутном озере и человеческое тело; восковая кукла, изображенная на рис. 38, наглядно показывает различие между плаванием человеческого тела в воде и в ртути. В воде, как мы знаем, кукла едва выступает над уровнем жидкости; в ртути та же кукла, напротив, почти целиком находится вне жидкости, погружаясь в нее чуть заметно для глаза.

Рис. 38. Выталкивающее действие жидкости: восковая кукла, плавающая в ртути

Задача о пробке

Вот простой вопрос, над которым однако полезно подумать.

В бутылку с водою попал кусочек пробки. Он свободно мог бы пройти через ее горлышко. Но при наклонении и опрокидывании бутылки выливающаяся вода почему-то не выносит этого кусочка пробки; он покидает бутылку только с последней порцией воды.

Почему?

Вода не выносит с собой пробки по очень простой причине: пробка легче воды и потому всегда держится на ее поверхности; очутиться внизу, у отверстия бутылки, пробка сможет только тогда, когда вся вода выльется. Оттого-то пробка и выскальзывает из бутылки лишь с последней порцией воды.

Рис. 39

Весы под водой

Килограммовую гирю можно изготовить и из железа, и из алюминия. Но так как алюминий примерно втрое легче железа, то при одинаковом весе гиря алюминиевая будет по объему втрое больше железной. Поставим на одну чашку весов железный килограмм, на другую – алюминиевый; весы, конечно, будут в равновесии. Теперь вообразите, что наши весы с гирями очутились под водою. Сохранится ли равновесие? Если нет, то которая чашка перетянет?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что каждая вещь теряет в жидкости столько веса, сколько весит вытесняемая вещью жидкость.

В нашем случае чашки весов сами по себе теряют под водою одинаковый вес (они одной величины). Но гири теряют в весе не одинаково: крупная алюминиевая вытесняет больше воды, нежели мелкая железная; поэтому алюминиевая теряет в весе больше железной; останется же веса в алюминиевой гире меньше, чем в железной.

Рис. 40. Задача о весах под водою (ответ)

Значит, под водой весы никак не сохранят равновесия: чашка с железной гирей перетянет.

Чтобы не утонуть

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 устроить несложный прибор, чтобы наглядно показать, как должен и как не должен держаться утопающий. Насыпьте немного дроби на дно пробирки; кроме того вдвиньте в пробирку пробочку, как показано на рис. 41, и насыпьте немного дроби в верхнюю часть пробирки. Закрыв пробирку пробкой, приделайте к выступающей ее части две деревянные палочки, которые будут играть роль рук, между тем как вся пробирка представляет подобие тела утопающего.

Рис. 41. Утопающий не должен выставлять рук над водой

Добейтесь того, чтобы наружная пробка лишь немного поднималась над водою, когда «руки» погружены под воду; для этого придется, быть может, намотать на «руки» несколько витков медной проволоки. В таком положении наш приборчик изображает утопающего, держащего руки под водою; «голова» его возвышается над водою. Но вот утопающий поднимает «руки» из воды (палочки поворачиваются вверх), и «голова» погружается в воду – утопающий захлебывается.

Волны и качка

Волны на море, бросающие корабль, то вздымающие его высоко на гребень, то погружающие в глубокую водяную долину, кажутся нам огромной высоты – выше многоэтажного дома. Однако это заблуждение: волны вовсе не так высоки, как кажется пассажиру корабля. Самые высокие волны, какие когда-либо наблюдались, не превышают 16 м. Это единичные исключения, которыми может похвастать только безбрежный океан Южного полушария. В океанах Северного полушария, стесненных материками, предельная высота волн – 13,5 м. Но это, повторяю, исключения, а не правило. В Бискайском заливе, который славится своими бурями, не бывает волн выше 8 м; в Средиземном море наибольшая высота волн – 4,5 м, а на Балтийском – всего лишь 2–3 м.

Почему же волны представляются пассажиру корабля гораздо более высокими? Причина станет вам ясна, если вы взглянете на рис. 42. Вы поймете, в чем ошибка пассажира: он принимает – невольно, конечно – наклоненную палубу корабля за горизонтальную и от этого будто бы горизонтального уровня считает высоту волны. Неудивительно, что результат такой оценки высоты получается преувеличенный.