Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Вы можете без труда устроить демонстрацию реактивной подъемной силы, когда будете ехать в автомобиле. На самом деле ребенком вы наверняка уже не раз это делали. Сидя в движущемся автомобиле, опустите окно, высуньте руку наружу и поставьте ладонь пальцами по направлению движения, немного задрав пальцы по отношению к запястью. Вы обязательно почувствуете, что поток воздуха толкает вашу руку вверх. Вуаля! Это и есть реактивная сила.

Тут вам, возможно, покажется, что теперь вы поняли, почему некоторые самолеты могут летать вверх тормашками. Но понимаете ли вы, что если самолет переворачивается на 180 градусов, то и сила Бернулли, и реактивная подъемная сила (сила противодействия) будут направлены вниз? Помните, что при нормальном полете реактивная сила направлена вверх, потому что крылья расположены под углом в этом направлении, но после переворота на 180 градусов обе силы будут направлены вниз.

Чтобы почувствовать реактивную подъемную силу на своей ладони, проделайте еще раз описанный выше эксперимент. Пока вы держите пальцы с наклоном вверх, вы чувствуете силу, толкающую ладонь вверх. Теперь измените угол наклона так, чтобы пальцы были наклонены вниз, и почувствуете, как поток воздуха толкает руку вниз.

Но почему же тогда самолеты могут летать вверх ногами, простите, вверх шасси? Необходимый подъем должен в любом случае обеспечиваться восходящей реактивной силой, тут иных вариантов нет. Это становится возможным, если пилот в таком полете поднимает переднюю часть самолета так, чтобы крылья опять встали под углом, направленным вверх. Это очень сложный маневр, и только самые опытные пилоты могут выполнить его. Кроме того, полагаться исключительно на реактивную подъемную силу весьма опасно, поскольку она по своей природе не слишком стабильна. Вы можете сами прочувствовать это, опять проделав эксперимент с рукой, высунутой из окна автомобиля. Ваша ладонь меняет свое направление совсем чуть-чуть, но направление давления изменяется радикально. На самом деле именно этой трудностью контроля над реактивной подъемной силой объясняется, почему большинство авиакатастроф случаются на этапе взлета или посадки. Доля вертикальной тяги в результате воздействия подъемной силы при взлете и посадке выше, чем во время полета на нормальной высоте. Вот почему при приземлении большого авиалайнера иногда чувствуется, как его бросает из стороны в сторону.

Пьяница-воришка

По правде говоря, тайнам давления практически нет конца. Чего стоит, например, физическое обоснование пития через соломинку. Но предлагаю рассмотреть еще одну, последнюю, поистине замечательную головоломку.

Однажды, сидя дома в выходные, я сказал себе: «Интересно, а какой длины была бы самая длинная соломинка, через которую можно было бы пить сок из стакана?» Все видели такие супердлинные соломинки, часто с причудливыми изгибами, которые так обожают дети.

Как мы с вами уже убедились: чтобы переместить сок не более чем на метр – и то всего на нескольких секунд, – нужно довольно сильно тянуть его через трубку. Получается, что я не смогу попить его через соломинку, если она будет хоть немного длиннее метра. Я решил отрезать метровый кусок тонкой пластиковой трубки и посмотреть, как это будет работать. Никаких проблем – я прекрасно напился через нее сока. Тогда я решил отрезать 3-метровый кусок, поставил на полу на кухне ведро воды, сам залез на стул, и, знаете, у меня опять все отлично получилось. Потрясающе. И я подумал: а что если бы я сидел на втором этаже своего дома и, посмотрев вниз, увидел там человека с большим стаканом сока, вина или чего-то еще, например с очень большим бокалом клюквенного сока с водкой? Смог бы я украсть у него напиток, коварно высосав его, будь у меня достаточно длинная соломинка? Я решил выяснить это, что в итоге привело к одной из моих самых любимых учебных демонстраций. Она неизменно вызывает бурный восторг и не перестает удивлять моих студентов.

Я вытаскиваю рулон длинной прозрачной пластиковой трубки и приглашаю добровольца из первого ряда. Затем ставлю большой стеклянный стакан клюквенного сока – но без водки! – на полу так, чтобы он был виден всем студентам. Держа трубку, я начинаю подниматься на высокую, почти пятиметровую, лестницу!

«Итак, это моя соломинка», – говорю я, бросая один конец трубки студенту-добровольцу. Он держит его в стакане, а я чувствую, как в аудитории нарастает предвкушение. Ребята не верят, что у меня что-то получится. Помните, они ведь уже были свидетелями другого эксперимента, когда мне удалось сместить клюквенный сок всего лишь приблизительно на метр? А сейчас я нахожусь почти в пяти метрах от пола. И на что я рассчитываю?

Я начинаю, покряхтывая, сосать, и сок медленно-медленно поднимается по трубке вверх: первый метр, второй, третий. Затем уровень немного падает, но вскоре сок возобновляет свое медленное восхождение – до тех пор, пока не достигает моего рта. Я громко говорю «ням-ням», и аудитория взрывается аплодисментами. Что же только что произошло? Почему мне удалось втянуть жидкость на такую высоту?

Откровенно говоря, я немного смошенничал. Но это не так уж важно, поскольку тут нет правил игры. Каждый раз, пососав трубку и поняв, что больше воздуха вытянуть не получится, я затыкал языком ее конец. Иными словами, я герметизировал ее, и, как мы видели ранее, это удерживало сок в трубке. Затем я делал выдох и начинал тянуть снова, повторяя этот сценарий много раз. Мой рот, по сути, превращался в своего рода всасывающий насос, а мой язык – в стопорный вентиль.

Чтобы сок поднялся на пятиметровую высоту, мне нужно понизить давление воздуха в трубке примерно на половину атмосферы. Кстати, если вам интересно, я мог бы использовать тот же трюк с манометром, и тогда вытянул бы гораздо более высокий столб клюквенного сока. Но значит ли это, что я мог бы плавать с маской и трубкой намного глубже поверхности озера или моря?

А вы как думаете? Если знаете ответ, не поленитесь, черкните письмишко!

5. Над и под радугой – а также снаружи и внутри

Как много маленьких чудес повседневной жизни (красивых и впечатляющих) проходят мимо нас незамеченными просто потому, что никто не научил нас их видеть. Помню, например, как однажды утром, лет пять назад, пил кофе, сидя на любимом красно-синем стуле Ритвельда, и вдруг заметил на стене невероятно красивый узор из круглых пятен света среди мерцающих теней, отбрасываемых листьями деревьев за окном. Я был так рад, что увидел их, что мои глаза загорелись. Я так и не знаю, что тогда случилось, но моя на удивление проницательная жена Сьюзен тут же поинтересовалась, что со мной.

«Знаешь, что это такое? – спросил я в ответ, указывая на световые круги. – Знаешь, почему это происходит?» А потом объяснил. В том, что свет отбрасывает на стену множество маленьких мерцающих пятнышек, нет ничего особо удивительного, не так ли? Но на сей раз каждое из маленьких отверстий между листьями действовало как камера-обскура, камера с малым отверстием, и она воспроизводила изображение источника света – в данном случае солнца. Если отверстие, через которое поступает свет, мало, то независимо от его формы на стене воссоздается форма самого источника света.

Следовательно, во время частичного солнечного затмения солнечный свет, льющийся через мое окно, создавал бы на стене не полные круги, а такие, словно от них кто-то откусил кусочек, то есть точно в форме затемненного солнца. И, что любопытно, Аристотель знал об этом более двух тысяч лет назад! Как восхитительно – видеть эти светлые пятна прямо на стене моей спальни, потрясающую демонстрацию замечательных свойств света.

Секреты радуги

По правде говоря, удивительные эффекты физики света можно увидеть в нашем мире везде, куда ни посмотри, иногда в самых обычных и привычных проявлениях, а порой в виде красивейших явлений природы. Возьмите, например, радуги: фантастическое, чудесное явление. И они встречаются повсюду. Многие великие ученые – в том числе Ибн аль-Хайтам, мусульманский ученый и математик XI века, известный как отец оптики; французский философ, математик и физик Рене Декарт и сам сэр Исаак Ньютон – считали радуги невероятно интересными и пытались объяснить их природу. Но большинство современных учителей физики почему-то игнорируют это потрясающее явление на своих уроках. Я просто не могу в это поверить; на самом деле я считаю это настоящим преступлением перед учениками.

Конечно, радуга – очень непростое физическое явление. Ну и что с того? Разве можно отказываться от попытки разобраться в чем-то, что так мощно воздействует на человеческое воображение и притягивает нас? Разве можно не хотеть разгадать тайну, лежащую в основе красоты этих потрясающих творений природы? Я люблю читать лекции о радугах и неизменно перед ними говорю студентам: «К концу этой лекции ваша жизнь уже никогда не будет прежней». Это относится и к вам.