Опыт, доказывающий, что два полушария, стиснутые давлением воздуха, нельзя разнять усилиями 16 лошадей

«Я заказал два медных полушария диаметром в три четверти магдебургских локтя (т. е. около 40 см). К одному полушарию был приделан кран; с помощью его можно было удалить воздух изнутри и препятствовать проникновению воздуха снаружи. Кроме того к полушариям прикреплены были 4 кольца, через которые продевались канаты, привязанные к упряжи лошадей. Я велел также сшить кожаное кольцо и напитать его смесью воска со скипидаром; зажатое между полушариями, оно не пропускало в них воздух. В кран вставлена была трубка воздушного насоса, и был удален воздух внутри шара. Тогда обнаружилось, с какою силою оба полушария придавливались друг к другу через кожаное кольцо. Давление наружного воздуха стискивало их так крепко, что 16 лошадей не могли их разнять вовсе или достигали этого лишь с трудом. Когда же полушария, уступая всей силе лошадей, разъединялись, то раздавался звук, как от ружейного выстрела.

«Но стоило поворотом крана открыть свободный доступ воздуху, и оба полушария нетрудно было разнять руками.

«На основании этого опыта я рассчитал, что если оба приложенных полушария подвесить и к нижнему подвязать груз в 2 686 фунтов, то оно будет этим весом оторвано от верхнего полушария. Вес этот зависит однако несколько и от состояния воздуха, так как давление воздуха бывает порою сильнее, порою слабее. В этом грузе для данного основания цилиндра как бы воплощен вес неба (т. е. воздушного столба до границ атмосферы). Кто желает узнать вес всего воздуха на Земле, тот должен сначала определить поверхность Земли в квадратных милях; затем, переведя в квадратные локти, можно уж найти искомый вес».

Сходный опыт, при котором полушария, неразделимые силами 24 лошадей, разъединены были дуновением воздуха

«Сейчас упомянутые полушария, ударяясь о землю при их разъединении, когда лошади выпрягались, повредились и утратили свою шаровидную форму. Я заказал поэтому два полушария больших размеров, диаметром в целый локоть (55 см). Величина их была выбрана такой, чтобы в пустом состоянии их не могли разъединить 24 лошади. Воздушный цилиндр с таким основанием должен весить 5 400 фунтов. В предыдущем опыте разъединение грузов в 2 686 фунтов потребовало силы 16 лошадей. Какая сила нужна, чтобы преодолеть груз в 5 400 фунтов? Расчет показывает, что нужны 34 лошади. А так как впрягалось только 24 лошади, то можно было с уверенностью предвидеть, что полушария не будут разняты. Они и остались соединенными, и воздух внутрь не проник. Но, открыв кран, можно было впустить воздух, и тогда полушария сами распались.

Рис. 76. Опыт Герике с медными полушариями

«Мы можем, следовательно, действительно сказать, что разъединение полушарий, недостижимое силою 24 лошадей (а при еще больших полушариях даже силою 100 лошадей), может выполнить всего лишь один человек простым дуновением».

Опыт, показывающий, что полушария могут быть разняты грузом

«Чтобы упомянутые ранее меньшие полушария не оставались без употребления, я приказал на дворе моего дома, у угла садовой ограды, врыть прочный отвесный столб, вверху устроить поперечную балку, к которой прикрепить крепкий железный крюк. На этот крюк я с помощью железного кольца повесил оба полушария. К нижнему полушарию на четырех цепях, продетых через кольца, подвешена была квадратная доска, наподобие чашки весов городской важни. На нее накладывалось столько гирь, сколько требовалось для разъединения полушарий.

Рис. 77

«Выше было определено, что воздух давит на каждое полушарие с силою 2 686 фунтов. Следовательно, оба полушария разнимутся, если на чашку будет положен груз в 2 686 фунтов. Это разъединение и последовало с глухим звуком».

Глава четвертая Тепло и холод

Выпрямление каменной стены

Главу о теплоте начнем с поучительной истории о том, как во Франции выпрямили покосившуюся стену большого здания. История эта – с легкой руки Л.H. Толстого[18]– давно уже попала во многие школьные книги для обучения чтению. Там она однако рассказывалась чересчур кратко. В полной передаче она гораздо интереснее.

Далее приводится этот рассказ в том виде, в каком я нашел его в одной старинной книге:

«Фундамент здания Музея искусств и ремесел в Париже был испорчен до такой степени, что стены главного зала постоянно оседали, выдавались наружу и даже угрожали падением. Наполеон I приказал произвести по этому предмету исследование и представить смету издержек на поправку здания. Комиссия, назначенная для этой цели, после тщательных изысканий решила, что необходимо сломать стены, заложить новый фундамент на 10 футов глубже и вывести на нем новые стены. Расходы на все это должны были доходить до 10 млн. франков. Наполеон нашел, что сумма слишком велика, и дело остановилось.

«Через год опять заговорили об этом и представили Наполеону всю опасность, какой могли подвергнуться и жители, и посетители здания, если его оставить без исправлений. Наполеон приказал собрать новую комиссию. Комиссия произвела обширные работы, исследовала грунт и пришла к заключению, что нет надобности ломать стены, а достаточно вырыть под ними 10 колодцев около 40 футов глубиною и, достигнув скалистого грунта, подвести под стены толстые гранитные столбы; на этих столбах надо утвердить подъемные винты, с помощью их поднять стены и таким образом сохранить здание от разрушения. Что же касается издержек, то работа обойдется в 9 850 тыс. франков. Наполеон не утвердил предложения второй комиссии, и дело осталось по-прежнему нерешенным.

«Тогда к Наполеону явился инженер Молар, способный и изобретательный молодой человек, сообщивший ему, что он осматривал повреждения здания и считает возможным произвести все поправки на десятую часть тех сумм, которые требовали обе комиссии. Требуемая Моларом сумма была ему выдана, и он немедленно приступил к работе.

«Он начал с того, что в стенах строения на довольно значительной высоте приказал просверлить одно над другим два ряда отверстий величиною в руку. С любопытством ожидали, что из этого будет; но когда, спустя несколько недель, из отверстий показались концы толстых железных болтов с крупною винтовою нарезкою, то все, кто ждал от Моляра успеха, потеряли всякую надежду, а члены комиссий, начинавшие было сомневаться в правильности своих решений, ободрились. Стянуть дом болтами казалось слишком безрассудно. Откуда взять силу, чтобы навинтить гайки, преодолевая вес тяжелых стен? Между тем к каждому болту был прикреплен якорь о четырех лапах; якоря эти могли выдержать значительное давление. Под нижним рядом болтов, проходивших через все здание, были устроены четырехугольные очаги из листового железа, которые привешивались к болтам. Для чего они – никто не понимал.

«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.

Но свободный воздух «греет» слабо, и вот почему: нагретые телом слои воздуха, более легкие, оттесняются вверх более тяжелыми, ненагретыми, и, непрерывно сменяясь, уносят теплоту нашего тела. Чтобы сделать воздух дурным проводником тепла, надо ослабить его подвижность, лишить его возможности перемешиваться. В таком состоянии и находится воздух в порах одежды и снега.

Итак, вот в чем состоит греющее действие снега на покрытую им землю: он не повышает температуры почвы, а только замедляет остывание земли, нагретой лучами летнего солнца.

Где устраивать форточку?

Где надо устраивать форточку: вверху окна или внизу?

Рис. 79. Откуда воздух притекает, когда печь топится при открытой форточке?

Существуют квартиры, где форточки устроены внизу. Это, конечно, удобно: для их открывания и закрывания не приходится становиться на стул. Однако низкие форточки плохо выполняют свое назначение – вентилировать комнату. В самом деле: отчего происходит обмен наружного и комнатного воздуха через форточку? Оттого, что наружный воздух холоднее внутреннего и как более тяжелый вытесняет его. Но он заливает только ту часть помещения, которая лежит ниже форточки. Весь же тот воздух, который находится в комнате выше уровня форточки, не участвует в обмене, – он не вентилируется.