Физика - С. Каплун

Изменять свое положение и оказываться на другой глубине рыба может благодаря плавательному пузырю, который заметно сжимается грудными и брюшными мышцами. После этого у рыбы меняется объем тела (следовательно, и средняя плотность), из-за чего меняется архимедова сила. Это приводит к возможности регулирования в определенных пределах глубины погружения.

В природе нет ничего бесполезного.

Многие водные растения сохраняют вертикальное положение, несмотря на чрезвычайную гибкость их стеблей. Этому способствуют воздушные пузырьки, которые находятся на концах разветвлений стеблей – они играют роль поплавков, стремящихся подняться вверх под действием силы Архимеда.

Интересно «применение» архимедовой силы морскими животными – сифонофорами. Они создают сложные колонии. На вершине колонии находится пузырь размером до 30 см, содержащий газ. С помощью этого пузыря вся колония держится в толще воды и движется. Газ вырабатывается особыми железами сифонофор.

Полеты аэростатических аппаратов также основаны на законе Архимеда: если тело легче окружающей среды, оно движется вверх, а если тяжелее – вниз.

Начало воздухоплавания датируют 5 июня 1783 г. – в этот день братья Монгольфье – Жозеф Мишель и Жак Этьен – запустили в небо первый аэростат.

Наблюдая за облаками, изобретатели пытались разгадать природу их движения. Затем они пробовали создать «искусственное облако» – с помощью пара. Опыты с паром были неудачными, и тогда братья решили применить дым, образующийся при горении шерсти и сырой соломы.

Воздушный шар братьев Монгольфье (1782 г.)

Первый аэростат, запущенный в июне 1783 г., был сделан из холста, оклеенного бумагой и стянутого веревочной сеткой. Диаметр воздушного шара был примерно 11,5 м, а объем – 600 м3.

После этого полета аэростаты, наполненные горячим воздухом, в честь их изобретателей стали называть монгольфьерами.

В августе того же года французский физик Жак Шарль запустил аэростат собственной конструкции. Оболочка его шара была сделана из шелка, пропитанного каучуком и наполнена водородом. С тех пор аэростаты, которые работают на легком газе (водороде, гелии или светильном газе), иногда называют шарльерами.

Первый научный проект управляемого аэростата – дирижабля – создал в те же времена французский инженер Менье. Изобрететель предложил использовать воздушный винт, а оболочку сделать удлиненной, неизменной. Предполагалось, что управлять этим аэростатом можно будет с помощью руля. Внутри оболочки планировали поместить мягкие емкости с воздухом. Когда дирижабль поднимется вверх, атмосферное давление уменьшится, а водород расширится. Тогда воздух из мягких емкостей предстоит выпустить и таким образом уравнять давление. Во время спуска воздух нужно будет накачать снова. Так предполагалось обеспечить неизменность формы оболочки и постоянное давление в ней.

Реализовать свои идеи Менье так и не удалось, но через много лет его предположения были использованы другими конструкторами.

Только 23 августа 1852 г. французский механик Анри Жиффар поднялся в воздух на управляемом аэростате – дирижабле.

Значительный вклад в историю воздухоплавания внес немецкий генерал Фердинанд фон Цеппелин (1838–1917), который предложил дирижабль особой конструкции. Этот дирижабль имел жесткий алюминиевый каркас, бензиновые двигатели, вертикальные и горизонтальный рули.

Над Цеппелином смеялись, называя его воздушный корабль чудовищем из-за его больших размеров. Упорный труд Ф. Цеппелина все же привел его к успеху. Его воздушные корабли жесткой конструкции сыграли ведущую роль в дирижаблестроении, войдя в историю под названием «цеппелины».

Не следует считать, что время аэростатов уже отошло. В последние годы можно наблюдать их возвращение, но уже на основе современных технологий.

Современные воздушные шары

Дирижабль с паровым двигателем А. Жиффара (1852 г.)

Современные дирижабли используют для проведения геофизической разведки, наблюдения за состоянием окружающей среды, патрулирования крупных городов, картографирования, фото-, кино– и телесъемки.

Главным недостатком старых дирижаблей была повышенная пожароопасность из-за применения водорода. Сейчас эта опасность уменьшена благодаря использованию вместо водорода инертного газа гелия.

Некоторые специалисты считают, что в наше время полезно было бы применять дирижабли для доставки различных грузов, мачт, буровых вышек и т. п. Существуют проекты дирижаблей-санаториев. Пассажирские и туристические дирижабли тоже могли бы быть полезными.

IV. В мире звуков

Звук и его происхождение

Звуки окружали человека всегда. В далекие доисторические времена они помогали ему так же, как и живые существа. Благодаря им человек общался, ориентировался в пространстве, охотился и просто выражал свои эмоции. Шелест листьев в лесу, пение птиц, шум морского прибоя – эти естественные звуки человек сначала просто имитировал, а со временем появилась музыка.

Люди, пытаясь поставить звуки себе на службу, стали их изучать, создав науку о звуках – акустику.

Звук – это механические волны, которые воспринимаются ухом и распространяются в газах, жидкостях и твердых телах.

Человеческое ухо воспринимает как звук механические колебания, частота которых лежит в пределах от 20 до 20 000 Гц (20 кГц). Продольные волны с частотой менее 20 Гц называют инфразвуком, а с частотой большей 20 кГц – ультразвуком.

Напомним, что когда частота колебания какого-то тела (например, подвешенного на нити шарика) составляет 1 Гц (герц), это означает, что за одну секунду тело осуществило одно полное колебание. Если частота колебаний равна 1000 Гц (или 1 кГц), то за одну секунду тело совершает 1000 колебаний.

Источниками звука являются разные колеблющиеся тела, например, натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны. Источником чистого музыкального звука является камертон.

Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающей среде (если это осуществляется в воздухе – то прежде всего – воздуху). Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа, при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разряжается.

Камертоны – устройства для создания музыкальных звуков

При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разряжает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны и т. д. Сжатие и разряжение слоев воздуха, прилегающих к пластине, передаются соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая до полного прекращения колебаний.

Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку и вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое человеком как звук.

Если сравнить частоты колебаний различных источников звука – от человеческих голосов до звуков музыкальных инструментов, то получим такую картину:

Скорость распространения в пространстве звуковых колебаний (волн), зависит от плотности среды, в которой они распространяются, а также от температуры. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры.

Рассмотрите приведенную ниже таблицу, в которой представлена средняя скорость звука в воздухе при различных температурах:

Если посмотреть на значение скорости звука в воздухе на различных высотах от поверхности Земли, то можно заметить, что с высотой скорость звука уменьшается. Это связано не только с изменением температуры, но, прежде всего, с изменением атмосферного давления.

Для так называемой стандартной атмосферы температура на высоте 11–20 км постоянна и равна -56,5 °C, скорость звука на этих высотах составляет 295,07 м/с.

Скорость звука в жидкостях и твердых телах существенно больше, чем в воздухе, однако здесь тоже существует определенная зависимость от температуры:

Когда-то известный популяризатор науки Я. Перельман предложил поразмышлять над такой ситуацией: что произошло бы, если бы звук распространялся в воздухе не со скоростью 340 м/с, а гораздо медленнее – например, со скоростью 340 мм/с?