Физика на каждом шагу - Яков Перельман

«Однажды утром толпа любопытных заметила рабочих, которые, стоя на легких подмостках, привешенных к выступающим концам болтов, завинчивали гайки. Через несколько времени работа прекратилась, и зрители разошлись с убеждением, что все предприятие имело еще менее прочное основание, нежели исправляемое здание.

«На следующее утро с удивлением заметили, что гайки всего нижнего ряда болтов ослабели и отстали от стен на целый дюйм; рабочие опять занялись завинчиванием гаек. Это возбудило всеобщее любопытство. На третье утро ослабели все гайки верхнего ряда болтов, а когда их завинчивали, можно было заметить, как ослабевали гайки нижнего ряда. Подобная работа продолжалась около 14 дней; по истечении их стены исправляемого здания примкнули к стенам других строений; все убедились, что они уже не косы. Насмешливые лица членов обеих комиссий сделались очень серьезны, когда они узнали, что помощью неизвестного, но, по-видимому, чрезвычайно простого средства достигнуто было то, что они считали почти невозможным.

«Дело было в следующем. Молар пропустил через стены два ряда болтов, а снаружи прижал к ним якоря посредством прочных гаек. Когда это было исполнено, то на очагах под нижним рядом болтов был разведен огонь; болты нагрелись и удлинились. В этом положении болты выступили из стен наружу более, чем прежде, а следовательно, гайки могли быть снова навинчены вплотную. Это довинчивание гаек и составило работу первого утра. Когда погасили огонь, болты охладились и укоротились настолько, насколько они удлинились при нагревании; а так как это движение преодолевает большое сопротивление, то стены строения сблизились на столько же, на сколько стянулись болты. Если бы болты были тоньше, они должны были бы разорваться, потому что при охлаждении не могут сохранять той длины, которой достигли благодаря нагреванию. Обратно: если защемить железный болт между двумя стенами и в этом положении нагреть его, то он или раздвинет и опрокинет стены, или же согнется сам.

Рис. 78

«Железные болты, употребленные Мол аром, были достаточно прочны: они не разорвались, но подтянули стены. По этой-то причине верхний ряд болтов выдался из стен; гайки уже неплотно прилегали к ним, и работа второго утра состояла в том, чтобы снова довинтить их. После этого нижний ряд болтов был нагрет вторично. Во время его расширения верхний ряд удерживал стены (иначе они пришли бы в первоначальное положение), нижние же болты, сделавшись через нагревание длиннее, дали возможность навинтить гайки еще более. При остывании они сблизили стены еще на один дюйм и тем опять ослабили верхний ряд болтов.

«Такая работа продолжалась часа два каждое утро, до тех пор, пока цель была достигнута – стены подтянуты; потом исправили и фундамент. На всю работу употреблено было менее половины выданной Мол ару суммы. Остальные пол-миллиона Наполеон подарил искусному инженеру и кроме того наградил орденом.

«Один ряд болтов был оставлен в стенах для воспоминания о способе поправки здания. Этот ряд существует и теперь и служит доказательством того, каких счастливых результатов можно ожидать от разумного применения законов природы».

Греет ли снег?

Часто говорят: «снег греет землю». Верно ли это? Ведь снег – тот же лед, только в размельченном виде. Как же может лед греть?

Послушаем сначала, что говорит опыт. Зароем в землю на небольшую глубину два термометра: один – под почву, покрытую снегом, другой – под почву обнаженную. Мы убедимся, что тот градусник, который под снегом, покажет более высокую температуру. Разница в морозные дни бывает очень заметна. Например, при опытах, которые делались в парке Лесной академии (Санкт-Петербург), градусник, зарытый на 40 см в землю под снегом такой же толщины, показывал на 12° выше, чем градусник под землей без снега. А когда градусники помещались у самой поверхности земли, разница доходила в сильные морозы до 32°. Подобные

же опыты делались и под Москвой; здесь в 21-градус-ный мороз градусник под снегом показывал всего на пол градуса ниже нуля.

Значит, – как ни странно, – снег действительно греет землю. Нужно ли говорить, как важно это для земледелия? Ведь иначе семена озимого хлеба, не защищенные от морозов снежным покровом, погибли бы. Земледелец страшится бесснежной зимы и не сеет озимей в тех местах, где снега выпадает слишком мало. В Чите, например, где из-за недостатка снега нередко всю зиму ездят на колесах, сеют только ячмень, яровую рожь и пшеницу. В Восточной Сибири из-за малоснежья не разводят фруктовых деревьев, так как корни их вымерзли бы. А в других частях Сибири, где морозы не слабее, зато снега больше, сеют озими и разводят фруктовые сады.

От чего же зависит греющее действие снега? Не надо думать, что снег придает почве теплоту, как пламя примуса придает тепло воде или печка – воздуху. Снег не может сообщить другим вещам того тепла, которого в нем самом нет. Он греет почву лишь в том смысле, в каком шуба или одеяло греют наше тело. Если вы закутаете в шубу куклу, она нисколько не согреется. Лучший способ предохранить лед от таяния – завернуть его в шубу. Вы понимаете, в чем тут дело: шуба греет нас потому, что в нашем теле имеется теплота, которой шуба мешает уходить наружу. Снег тоже мешает теплоте, которая запасена почвой, уходить из нее. Когда поздней осенью почва поступает под снег, она еще заключает в себе немало теплоты из той, которая внесена была в нее лучами летнего солнца. Снег не дает этой теплоте так быстро уходить, как из почвы обнаженной; оттого и наблюдается заметная разница температур, которая дает нам право говорить, что снег «греет» землю.

Что однако общего между снегом и шубой? Почему два столь разнородных материала обладают одинаковым свойством – слабо пропускать сквозь себя теплоту? Чтобы хорошенько в этом разобраться, надо знать, чему обязаны своим греющим действием наша одежда и стены наших домов. Многим покажется невероятным, что греющее действие одежды и стен жилища зависит не от их плотного материала, а от содержащегося в них… воздуха! Между тем это неоспоримо установленный факт.

Измерениями доказано, что твердое вещество шерсти проводит теплоту в 9 раз лучше, чем воздух, шелка – в 17 раз, льна и хлопка – в 27 раз. Это значит, что, если бы наша одежда была сильно спрессована и воздух из ее пор выгнан, она быстро передавала бы теплоту вашего тела наружу и вам было бы в ней холодно. В действительности же все ткани и материалы, из которых мы шьем одежду, заключают в своих порах очень много воздуха, – по объему гораздо больше, чем плотного вещества. Бумажная ткань состоит из воздуха наполовину, а шерсть и мех – на 90 %. Человек в шерстяной одежде или в мехах в сущности одет в воздух!

То же можно сказать и о стенах домов. Дерево содержит в своих порах воздух в количестве, составляющем 60–70 % объема древесины. В кирпиче меньше воздуха – всего 20 %; оттого стены кирпичных домов приходится делать значительно толще деревянных; ведь греющее их действие зависит только от воздуха, а не от древесины или глины. Что воздух чрезвычайно медленно проводит теплоту и потому отлично ограждает вещи от охлаждения, известно, вероятно, всем. Двойные рамы «греют» потому, что между ними замкнут слой воздуха.

Снег сходен с шерстью, мехом, деревом тем, что заключает в своих порах очень много воздуха. Из 10 л снега получается после таяния всего 1, много – 2 л воды; остальные 8 или 9 л объема снега составляет воздух в его порах. Значит, в снеге 80–90 % воздуха. Чем больше воздуха в снеге, т. е. чем он рыхлее, тем хуже проводит он теплоту и тем, следовательно, лучше предохраняет от охлаждения. Зависимость здесь такая: вдвое менее плотный снег проводит теплоту вчетверо хуже; втрое менее плотный – в 9 раз хуже и т. д.

Свежевыпавший снег, состоящий на 9/10 из воздуха, в 6 раз лучше предохраняет от охлаждения, чем такой же толщины слой кирпичной кладки; в 2 раза лучше, чем сосновая стена, и даже немного лучше, чем войлок. Вата отепляет всего вдвое лучше такого снега. Снег слежавшийся, вдвое более плотный, чем предыдущий, отепляет в 4 раза хуже свежевыпавшего, но все еще в 1 1/2 раза лучше кирпичной кладки.

– Однако, – скажет иной читатель, – если все дело в воздухе, то ведь он всегда прилегает к почве, всегда окружает наше тело, даже и тогда, когда нет снега, нет одежды. Почему же свободный воздух не греет, а такой же воздух, замкнутый в порах снега и одежды, греет?

Во-первых, и свободный воздух до некоторой степени греет, т. е. предохраняет от охлаждения. Почему нам тепло в натопленной комнате? Оттого, думаете, что теплота нагретого воздуха переходит в наше тело? Нет, такого перехода быть не может (разве лишь в бане), потому что наше тело теплее воздуха в комнате, а теплота переходит только от более нагретого тела к менее нагретому. В действительности теплый воздух в натопленной комнате, как плохой проводник, лишь замедляет отток теплоты из нашего тела; это и ощущается нами как согревание.