Здравствуй, физика! - Гальперштейн Леонид Яковлевич - Страница 27

Наш опыт не очень интересен на первый взгляд. В нем ничто не вертится и не крутится, не летит и не взрывается, не подпрыгивает и не бьет фонтаном. Но результат получился очень важный: при нагревании воздух расширяется. И расширяется сильно, если даже теплота твоих рук дала заметное действие.

А теперь о весе. Скажем, был у тебя один литр воздуха. И весил этот воздух 1,2 г (одну целую и две десятых грамма). Столько примерно он и весит. А потом ты этот воздух нагрел, да так сильно, что он расширился вдвое и стал занимать уже не 1 л, а 2. Сколько же он теперь весит? Да те же самые 1,2 г. Воздух ведь ниоткуда не прибыл и никуда не убыл. Просто он расширился, сделался более редким. Значит, общий вес нагретого воздуха не изменился.

Что же тогда изменилось? Изменился вес 1 л. Если литр холодного воздуха весил 1,2 г, то 2 л горячего воздуха весят те же самые 1,2 г. Значит, 1 л теперь весит 1,2: 2 = 0,6 г! Горячий воздух стал как бы легче потому, что он стал реже.

В действительности, для того чтобы воздух расширился вдвое, его нужно нагреть очень сильно, примерно до 300°. В наших опытах он нагревается гораздо слабее. Но все равно: даже и при небольшом нагревании воздух на сколько-то расширяется. Значит, каждый литр, даже каждый кубический сантиметр его становится хоть немного легче. И он теперь всплывет, поднимется в более холодном, более плотном окружающем воздухе. Он сможет крутить вертушку. Он сможет поднять легонькую оболочку мыльного пузыря. А если его будет очень много, разница в весе окажется достаточной, чтобы поднять целый монгольфьер!

Ну, а если воздух снова охладить? Отними ладони от бутылки, через некоторое время вода в трубке опустится и все придет в прежнее положение. Значит, при охлаждении воздух занимает меньше места, он сжимается. Это мы с тобой тоже уже видели. Сжавшийся воздух втянул воду под стакан в опыте «Сухим из воды».

Воздух при нагревании расширяется. Ну, а при чем здесь какой-то ползущий стакан? Сейчас увидишь. Возьми кусок оконного стекла или зеркало длиной около 40 см. Чисто вымой это стекло и под один его край подложи два спичечных коробка. Поставь на стекло тонкий стакан вверх дном. Он, конечно, будет стоять на месте: ведь наклон стекла очень мал.

Хорошенько смочи края стакана водой. Нет, и водяная «смазка» не помогает. Стакан все равно стоит на месте. Ничего, сейчас мы заставим лентяя двинуться в путь! А ну-ка, поднеси к нему горящую свечу или лучинку. Ближе, ближе, пусть почувствует жар.

Стакан все еще стоит…

Смотри-ка: двинулся! Быстрее, быстрее ползет вниз, словно спасаясь от огня!

Что же здесь произошло? Воздух в стакане нагрелся и немного расширился. Он чуть-чуть приподнял стакан и вышел бы наружу, да мешает вода, которой смочены края. Стакан словно «повис» на водяной прослойке. Трение резко уменьшилось, и он пополз, вернее, поплыл вниз!

Надеюсь, у тебя еще сохранился аппарат, в котором мы недавно нагревали воздух? Да, да, тот самый: бутылка с пробкой и трубочкой. Сейчас мы его используем для нового опыта. Будем нагревать уже не воздух, а воду.

На этот раз наполни бутылку водой до самого верха, до краев горлышка. Трубку выдвинь повыше и заткни бутылку пробкой. Вытесненный пробкой излишек воды поднимется по трубке. Пусть он там установится на высоте 1–2 см над пробкой. Если будет больше, отлей. Хорошо и здесь подкрасить воду чернилами.

Теперь воду в бутылке надо нагреть. Но здесь уже тепла твоих рук не хватит. Придется установить бутылку в кастрюлю с водой, подложив две палочки, чтобы под дном бутылки тоже была водяная прослойка, и все это сооружение поставить на огонь. Это называется «нагревать на водяной бане». Прямо ставить бутылку на огонь нельзя: она лопнет.

Следи внимательно за уровнем воды в трубке. Надеюсь, ты и на этот раз не забыл подкрасить воду чернилами? Смотри-ка: уровень немного опустился… Что же это, неужели вода при нагревании сжимается? Но не спеши с выводами. Уровень воды в трубке снова пополз вверх и поднимается все дальше и дальше. Он теперь выше, чем был с самого начала.

Значит, вода при нагревании все-таки расширяется. Ну, а почему же сначала уровень шел вниз? Не догадываешься? Да потому, что первой нагрелась бутылка и тоже расширилась. А потом уже тепло дошло до воды!

Надеюсь, нормальная? Впрочем, это легко проверить. Возьми-ка термометр и подержи его под мышкой. Через несколько минут вынь и посмотри на шкалу. Видишь блестящий столбик ртути? Когда ты термометр ставил, этого столбика не было. Откуда же он взялся?

Ты скажешь: выполз снизу? Там ведь вон какая здоровая капля ртути в самом кончике трубочки! Совершенно верно, ртуть поднялась по трубочке именно из этой капли. Поднялась потому, что термометр нагрелся и жидкая ртуть в нем расширилась. Совсем как вода в нашем предыдущем опыте!

Есть еще термометры комнатные, и наружные, и водяные, которые пускают плавать в ванну. В тех не ртуть налита, а какая-то красная жидкость. Это спирт, подкрашенный, чтобы лучше было видно. Значит, спирт тоже при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

Как ты думаешь, что делается при нагревании с твердыми телами? Газы расширяются, жидкости расширяются. Наверное, и твердые тела тоже? Да, они тоже расширяются. Ты уже заметил это в опыте с нагреванием воды. Помнишь, уровень воды в трубке сначала немного понизился? Это ведь получилось потому, что бутылка расширилась. А бутылка — твердое тело.

Кстати, расширение бутылки может тебе пригодиться. Духи и одеколон часто продают во флаконах со стеклянными пробками. Пробки эти плотно пригнаны к горлышку, притерты, чтобы ценная жидкость не испарялась зря. Иногда такая пробка «заедает» и ее невозможно открыть. Что делать? Попросить кого-нибудь, кто посильнее? Силач охотно берется за дело. Трах! Пробка ломается — и все же флакон остается закрытым.

А ведь «ларчик просто открывался». Достаточно было несколько секунд подержать горлышко флакона в горячей воде или осторожно подогреть на спичке. Горлышко расширилось бы, и пробку можно было бы вынуть без усилия. Только не грей слишком долго, иначе пробка успеет нагреться и тоже расширится!

Впрочем, мы собирались нагревать иголку. Вырежь из пробки, из дощечки или выпили из фанеры такую дужку, как у нас на рисунке.

Иглу воткни острием в целый конец дужки (на рисунке — левый), а ушком свободно положи на правый, срезанный. Подбери другую иголку, потоньше. Ее острие должно пройти сквозь ушко первой, горизонтальной иглы да еще войти в дерево на 2–3 мм. Эта вертикальная игла будет стрелкой нашего приборчика. Чтобы ее движение было заметнее, рядом воткни вторую, контрольную.

Контрольная иголка должна быть параллельна иголке-стрелке.

Нагрей теперь горизонтальную иглу на свече или спичке. Она удлинится, ушко поползет вправо и отклонит вертикальную стрелку!

Красивый опыт можно сделать со стальной вязальной спицей. Пропусти ее сквозь пробку (или обрезок моркови). По обе стороны спицы воткни в эту пробку две булавки, как показано на рисунке. Они должны стоять острыми концами на донышке стакана.

На концы спицы насади по морковке. Лучше не серединкой, а так, чтобы основная часть каждой морковки была внизу. Это сделает равновесие спицы более устойчивым: ведь центр тяжести опустился ниже!