Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Об авторе
Гастон Тиссандье - французский химик, метеоролог, авиатор, писатель и издатель. Он родился в Париже 21 ноября 1843 г. Его старший брат Альберт Тиссандье (1839-1906) был известным иллюстратором. У братьев было много общих начинаний.
Научные интересы Гастона Тиссандье были разносторонними, но преимущественно он занимался химией и в 1864-1874 гг. возглавлял исследовательскую лабораторию Национального союза Франции. Тиссандье был вицепрезидентом французского Общества воздухоплавателей, профессором Политехнического Союза и членом французского Почетного легиона.
В авиацию Гастона Тиссандье привел интерес к метеорологии. Его первый полет на воздушном шаре состоялся в Кале в 1868 г., впоследствии они вместе с братом совершили их более двадцати. Тиссандье обладал и авантюрной жилкой. В сентябре 1870 г., во время франко-
прусской войны, он ухитрился покинуть осажденный Париж на воздушном шаре. Однако, самым известным стал второй совместный с Г. Т. Сивелем и Ж. Э. Кроче-Спинелли полет, который был совершен в апреле 1875 с целью проведения спектроскопических исследований. Воздухоплаватели достигли высоты 8600 м, причем оба спутника Тиссандье погибли. Сам он выжил, но лишился слуха.
В 1883 г. Тиссандье совершил первый полет с использованием электрического двигателя, снабдив дирижабль электрическим мотором Сименса.
Гастон Тиссандье неоднократно докладывал о результатах своих метеорологических наблюдений во Французской академии наук. В1873 г. он создал научный журнал «La Nature» («Природа»), главным редактором которого был до 1896 г., после чего журнал продолжил свое существование.
Кроме целого ряда научных трудов Тиссандье опубликовал несколько произведений, в которых выступил в роли талантливого популяризатора науки. В 1880 г. вышла в свет книга «Научные развлечения», она была одной из самых первых книг о простых научных экспериментах, которые каждый может провести у себя дома. В ней использованы материалы из колонки «Физика без приборов» в журнале «Природа».
Тиссандье умер в Париже 30 августа 1899 г. Его сын Поль Тиссандье также был хорошо известным авиатором.
Введение
Еще в XVII в. известный французский математик Жак Озанам, академик и автор многих серьезных сочинений, издал книгу под названием «Досуги, посвященные изучению математики и физики». Книга эта назначалась для юношества, и серьезная наука усваивалась по ней легко, благодаря интересным и живым опытам.
«Упражнения ума, - говорит Озанам, - необходимы для всех возрастов и удобны во всякое время. Занятия естественными науками обогащают ум юности, примиряют с жизнью старость и доступны даже при самых маленьких средствах».
Предлагаемая книга точно также имеет целью, шутя и как бы забавляя, познакомить читателя с природой во всех ее проявлениях; мы умолчали о таких физических опытах, которые служат лишь забавой праздного общества; мы поместили только такие опыты, которые, объясняясь научным путем, могут
быть приведены как точные выводы науки и представляют собой истинно полезное занятие физикой, химией и механикой. Нам думается, что обращать науку в забаву - плохая услуга обществу.
Прежде всего мы обращаем внимание читателя на те занятия, которые возможны на открытом воздухе - в поле, в саду; они наглядно показывают, как в деревне, наслаждаясь воздухом и прогулкой, можно с пользой проводить время: собирать насекомых, инфузорий или наблюдать атмосферные явления природы.
Во втором отделе мы даем физические опыты, не требующие приборов, которые иллюстрируют тяготение тел, теплоту, оптические явления и электричество с помощью простых стаканов, графинов, сургуча - таких вещей, которые всегда под рукой у каждого. Ряд химических опытов, производимых с помощью нескольких склянок и дешевых приборов, дополняет этот отдел естественных наук.
Предлагаемый труд предназначается не только для юношества; мы надеемся, что все, кто прочтет нашу книгу, вынесут из нее немало полезных сведений и приятно проведут время.
Открывая эту книгу, вспомните, что она была написана более века назад. Естественные науки в то время интенсивно развивались, были сделаны великие открытия, и мно-
гое было известно. Тем не менее, физика и химия за последние сто лет шагнули далеко вперед. Многие явления природы, прежде казавшиеся загадочными, получили научное объяснение, взгляд на другие переменился в соответствии с новыми данными и теориями. Не смотря на это, поскольку автор ставил своей целью познакомить читателя с основными законами природы, книга не утратила своего значения по сей день и наверняка заинтересует пытливого читателя.
Текст русского издания 1890 г. оставлен почти без изменений, за исключением некоторых разделов, приводимые в которых данные совершенно устарели. Многие явления, описанные автором, невозможно наблюдать вследствие того, что окружающая обстановка сильно изменилась. Например, нет газовых фонарей и не продаются светящиеся в темноте цветы. Тем не менее, они очень интересны и познавательны. Многие широко доступные во времена написания книги вещества очень ядовиты или представляют опасность для здоровья, поэтому не следует проводить опыты с ртутью или плавить серебро в домашних условиях. Разделы, в которых автор описывает опасные опыты, имеющие скорее историческое, чем практическое значение, отмечены значком ^'.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
НАУЧНЫЕ ЗАНЯТИЯНА ОТКРЫТОМВОЗДУХЕ
Бернар Палисси некогда сказал, что лучшая в мире книга - природа и что все должны бы заняться ее изучением. Известный керамист и естествоиспытатель XVI в. придавал большое значение естественным наукам.
Знаменитый ученый был прав, так как изучение природы обогащает науку открытиями. Поясню примером из физики. Теорию преломления лучей открыли, наблюдая, как луч, входя в воду, отклоняется от прямой линии. Говорят, что Ньютон открыл закон тяготения, наблюдая, как яблоко падало с дерева. Первые воздухоплаватели придумали аэростаты, наблюдая, как легко туман поднимался в воздухе. Идея о камере-обскуре родилась в уме наблюдателя, когда он, сидя в тени деревьев, внимательно присматривался к солнечным лучам, кружками мелькавшим сквозь листву.
Конечно не все, занимающиеся естественными науками, делают великие открытия. Но я не видел человека, который не старался бы обогатиться познаниями и не желал бы, в свою очередь, послужить науке.
Многие ошибаются, предполагая, что для занятий естественными науками необходимо
заводить химическую лабораторию или физический кабинет. Книга природы, о которой говорит Палисси, постоянно перед нами, и везде - куда ни взглянешь - ее страницы открыты нашему взору.
МУРАВЬИ И ТЛИ
Несколько лет тому назад, я гостил в Нормандии близ города К., наслаждаясь спокойствием, которое можно обрести лишь в деревне. Мои хозяева вместе со мной занялись изучением природы. Я вспоминаю об этом времени как о лучшем в моей жизни: все наши досуги были посвящены самому высокому умственному наслаждению. Каждый из нас умудрялся отыскать предмет для наблюдений или для опытов; все были заняты: кто составлял коллекцию насекомых, кто занимался ботаникой. Днем мы с лупой в руках рассматривали в увеличительное стекло веточку розового куста или наблюдали за муравьями (рис. 1), как они доили тлей; вечером, вооружась подзорной трубой, любовались луной и звездами. Если небо было покрыто ту-
Рис. 1. Муравьи доят тлей (размер насекомых сильно увеличен).
нами, мы сидели дома и под микроскопом изучали цветочную пыльцу или инфузорий: для последней цели мы брали каплю стоячей воды.
ИСПАРЕНИЕ ВОДЫ ЛИСТЬЯМИ
Часто самое незначительное явление становилось предметом спора, который затем оканчивался проверкой на опыте. Я припоминаю,
как однажды кто-то из нас заметил, что после недельной засухи наш пруд почти высох, хотя он был густо защищен от солнца ветвистыми деревьями, что несомненно должно было предохранить его от палящего зноя. Приятель мой, открывший это странное явление, был поражен таким быстрым испарением воды. У нас гостил в это время один сельский хозяин. Он объяснил нам, что корни деревьев интенсивно всасывают воду, а листья испаряют, вызывая понижение уровня грунтовых вод. Но так как наш приятель, сделавший это открытие, не мог понять такого объяснения, то решено было проверить его на опыте: мы взяли ветку, густо покрытую листьями, и опусти-
Рис. 2. Опыт, доказывающий испарение воды листьями.
ли ее в стеклянный узкий сосуд с тонкой стеклянной же трубкой, наполнили его водой (рис. 2), опустили туда ветку и при помощи куска резины с отверстием посередине плотно закупорили сосуд, плотно перевязав резину шнуром у ветки и вокруг сосуда. В начале опыта уровень воды в сосуде А, где находилась ветка, был несколько ниже, чем в трубке В, где жидкость подымалась вследствие капиллярности; но затем испарение воды пошло так быстро, что в самое непродолжительное время она опустилась до С и наконец до С’.
Таким образом, все, что казалось непонятным, проверялось опытами - и такой способ уяснения различных явлений природы приводил нас к весьма интересным выводам.
КОЛЛЕКЦИОНИРОВАНИЕ И СОДЕРЖАНИЕ НАСЕКОМЫХ
В той семье, где я гостил, были дети и молодые люди в том возрасте, когда любознательность бывает сильно развита. Нам доставляло истинное удовольствие посвящать их в наши научные занятия, и мы зачастую указывали им незатейливые способы изучения естественных наук. Молодежь с жаром принялась за ученье, и мы воочию убедились, что наш метод обучения приносит гораздо более пользы, нежели сухое изложение в классе.
Мы собирали насекомых и сохраняли их в сосуде, куда впускали каплю сернистого углерода; насекомое обмирало, и таким образом мы избегали ужасного способа насаживания насекомых живьем на булавки.
Сохранение насекомых - очень трудное дело, и обращаться с ними нужно с большими предосторожностями. Энтомологи (ученые, которые изучают насекомых) используют несколько способов хранения коллекционного материала. Самый обычный - закрытые стеклом деревянные или картонные коробки, в дно которых воткнуты булавки с расправленными насекомыми, каждое из которых снабжено этикеткой.
Личинок и гусениц можно держать в горшках с землей, прикрываемых сверху кисеей или частой металлической сеткой. Следя за их размножением и превращением, можно сделать много интересных наблюдений.
АКВАРИУМЫ
Собрав достаточное количество бабочек и насекомых, мы принялись за наблюдения над водными обитателями, которые водились во множестве в озерах, прудах, ручьях и лужах нашей местности. Для этой цели я смастерил
сачок, прикрепив сетку к железному обручу, насаженному на деревянную рукоятку. Мы погружали его в воду и быстро вытаскивали обратно; почти всегда он был полон тины, и в этой-то грязной каше мы находили водяных жуков, тритонов, водяных клопов, личинок ручейников в домиках и много другого. Случалось, попадались и лягушки, ошеломленные быстротой нападения. Все пойманное мы осторожно относили домой. В тени огромного, развесистого дерева, в прелестном, уютном уголке, я устроил незатейливый аквариум. Прежде всего я вбил в землю четыре колышка; на них приладили толстую доску и посередине выдолбили углубление, куда поставили большой стеклянный сосуд в форме широкой банки. На дно сосуда я разложил ноздреватые камни, раковины, укрепил на самой середине несколько водяных растений, тростинок, бросил горсть ряски, налил воды и пустил туда тритонов, головастиков и других водяных обитателей (рис. 3). Все они нашли в аквариуме довольно удобный приют, а для нас он стал любимым развлечением. Аквариум помещался под тенью развесистого дерева и был окружен цветами.
Мы целыми часами с интересом наблюдали за жизнью наших пленников; иногда нам приходилось быть свидетелями кровавых сцен: алч-
Рис. 3. Аквариум из стеклянной банки.
ный водяной жук бросался на бедного беззащитного головастика и безжалостно пожирал его. Тритоны в таких случаях отчаянно защищались, но порой изнемогали и делались жертвами сильного противника.
Несколько дней спустя наша коллекция увеличилась еще одним полезным и занимательным предметом - лестницей для лягу-
шек. Мы устроили ее довольно искусно: взяли большой стеклянный сосуд, сделали лесенку из тонких, но крепких прутьев, и даже не сняли с них коры, что вышло еще живописнее, укрепили широкие ступени, а на самом верху устроили площадку, на которую по лесенке взбирались наши квакши. Теперь они могли забавляться, как хотели, и даже имели воз-
Рис. 5. Маленький аквариум с лестницей для лягушек.
можность взбираться на ветку березы, которую мы нарочно для этой цели укрепили в сосуде (рис. 5). Банку налили до половины водой и покрыли частой сеткой, чтобы лягушки не выпрыгнули. Кормили квакш мухами, и они удивительно ловко охотились на них; такой корм мы давали им потому, что несколько раз замечали, как находящиеся на свободе квакши сторожили мух, внезапно бросались и схватывали их, как это делают кошки с птицами (рис. 6).
Рис. 6. Лягушка, ловящая муху.
гипнотизм
Наблюдения над всеми нашими пленниками побудили нас предпринять целый ряд опытов совершенно своеобразных, а именно: мы вызывали явление каталепсии или столбняка. Первым предметом для опыта нам послужил петух. Вот в чем заключается это замечательное явление: берут петуха и, поставив его на темный полированный стол, крепко прижимают крикуна носом к столешнице, после чего мелом проводят черту от его клюва по прямому направлению, как показано на рис. 7. При этом надо не забыть приподнять гребень, чтобы он не закрывал глаза петуха, и тот мог видеть черту. Едва вы проведете линию длиной от 45-50 см, петух уже поражен каталепсией; другими словами, на него напал столбняк. Он будет неподвижно стоять целую минуту с головой, крепко прижатой к столу, словом - так, как вы видите на рисунке.
Этот опыт мы производили всегда с большим успехом над различными особями. Для этого мы почти всегда брали аспидную доску, так как на ней удобнее проводить черту мелом. Можно достичь того же результата, проводя черту углем по белой поверхности. В XIX в. немецкие студенты со страстью предавались подобным опытам и всегда с большим успехом.
Необходимо заметить, что курица не так легко впадает в состояние каталепсии, как петух; но с курицей следует употребить другой
Рис. 7. Петух в столбняке.
прием, а именно: держать ей голову прямо и неподвижно в течение нескольких минут. Явление это известно уже с 1843 г. под названием гипнотизма. Уже в XIX в. в словарях дается довольно подробное описание гипнотического состояния. Опыт с петухом впервые был известен под названием чудесного опыта {experimentum mirabile); о нем писал Кирхер в Риме еще в 1846 г.
Опыт гипнотизирования производится таким образом: берут какой-нибудь блестящий предмет, например осколок стекла, кружок золотой бумаги, налепленный на белую блестящую поверхность, и т. п. и держат его на расстоянии 20-30 см перед глазами субъекта, над которым производится опыт; через полчаса беспрерывного созерцания блестя-
щего предмета, субъект неизбежно впадает в бесчувственное состояние - гипнотический сон. Приводя пациентов в состояние каталепсии, можно производить очень серьезные операции, причем больные не чувствуют никакой боли.
СОВЕРШЕНСТВО ПРИРОДЫ
Таким образом, как видите, наши научные занятия были очень разнообразны и мы легко находили во всем окружающем нас предметы для изучения. Я уже говорил выше, что в дождливые, пасмурные дни мы занимались наблюдениями под микроскопом. Мы рассматривали и изучали все, что нам попадало под руку: насекомых, растения, нашу пищу.
Однажды, приготовляясь работать с микроскопом, я взял стальную иглу, обыкновенно употребляемую при подобном занятии, и, случайно проведя ею под микроскопом, был несказанно удивлен, - такой она показалась мне толстой и шероховатой. Это случайное открытие подало мне мысль сделать целый ряд сравнительных опытов, которые и представлены мной на прилагаемом рисунке (рис. 8). В высшей степени интересно проследить, насколько произведения природы совершеннее по сравнению с лучшими продуктами нашей промышленности. На рис. 8-1 представлена обыкновенная булавка, увеличенная в 500 раз,
Рис. 8. 1 - булавка; 2 - стальная игла;
3 - шип розы; 4 - жало осы. Увеличено в 500 раз.
8-2 - стальная игла. Посмотрите, как она кажется груба, несовершенна! Наоборот, рис. 8-3 представляет предмет необыкновенно тонкой и отчетливой работы - это розовый шип! То, что изображено на рис. 8-4, может служить образцом ровности, изящества и чистоты отделки, а между тем это не что иное, как жало осы! Точность микроскопических рисунков позволила мне сделать вычисления, которые приводят к весьма интересным результатам. На расстоянии 1 /4 линии (0,635 мм) от острия диаметры сравниваемых предметов в миллионных долях линии равны 1,7; 1,1; 0,5; 0,2. Иными словами, поперечные их сечения в этом месте будут относиться друг к другу как числа 908, 380, 95 и 11. Если допустить, что давление, производимое на острие, должно быть пропорционально сечению, то для того,
чтобы вонзить жало осы в какую-либо ткань, достаточно силы, пропорциональной 0,11 г, а для булавки - 8,97 г, т. е. в 82 раза более пер-
Рис. 9. Вишни садовые и вишни лесные (в натуральную величину).
вого. На самом деле различие, по всей вероятности, должно быть еще больше, так как мы не принимали в расчет самой формы острия, которое у шипа розы представляет ровный округленный клин, тогда как у булавки оно походит на шапочку гриба или почти плоское.
Тем же наблюдениям можно подвергнуть и другие предметы, и те же особенности мы найдем и там; например нельзя отрицать, что паутина тоньше самых тонких кружев и что, следовательно, природа производит предметы совершеннее самых утонченных наших работ. В большинстве случаев это так, но и человеческое искусство иногда приходит на помощь природе и, в свой черед, совершенствует ее произведения. Доказательством тому служит прилагаемый рисунок (рис. 9). Здесь представлены в натуральную величину вишни лесные и вишни садовые: какая разница в объеме, во внешнем виде и во вкусе!
НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СУВОЙКАМИ
С особенным интересом мы наблюдали за инфузориями и другими микроскопическими существами, которые нам попадались в стоячей воде, в слизи, приставшей к кустарникам, растущим около пруда, или в тине, покрывающей пруд. Таким образом мы легко добывали сувоек (сидячие инфузории рода Vorticelld) и наблюдали их под микроскопом. Это очень
интересное и поучительное зрелище. Эти микроскопические создания похожи на прозрачные тюльпаны с длинными стебельками, иногда на
Рис. 10. Аквариум для размножения инфузорий.
гроздья ягод; порой они удлиняются и как бы распускаются, затем с необыкновенной быстротой сокращаются, так что с большим трудом можно уловить их своеобразные движения. Иногда стебли складываются и гроздья принимают шарообразную форму, - мгновение - и стебли вновь удлиняются, и опять перед нами живые тюльпаны.
Размножить этих инфузорий очень легко: стоит только устроить маленький аквариум, наполнить его илом - подходящей для их развития средой, налить воды и положить несколько листочков, самое лучшее - ветку петрушки, настой которой не делает жидкости мутной. Стеклянный аквариум прикрывают прозрачным колпаком и ставят на солнце (рис. 10). Спустя дня два одна капля этой воды под микроскопом даст нам богатый материал для наблюдений. С течением времени можно даже наблюдать подвижные стадии (бродяжки), с помощью которых происходит расселение, а также цисты, покрытые плотной оболочкой, которые образуются при неблагоприятных условиях.
СБОР ЭНТОМОЛОГИЧЕСКИХ КОЛЛЕКЦИЙ
И ГЕРБАРИЕВ
Когда погода была хороша, мы шли гулять; наша молодежь принималась бегать и ловить бабочек.
Как известно, бабочек ловят легкой, частой сеткой или сачком; процесс ловли очень занимает детей и, понятно, очень полезен для них, как всякое физическое упражнение на чистом воздухе. Иногда множество бабочек скапливается в одном месте, и тогда очень легко набрать разные виды.
В июне 1879 года в Западной Европе прошли целые легионы ванесс, которые были до такой степени многочисленны, что обратили на себя внимание всех энтомологов (рис. 11). Это дало возможность произвести над ними чрезвычайно интересные наблюдения.
Собирание насекомых - полезная гимнастика и приятное развлечение, да к тому же весьма доступно всем и каждому, так как для
Рис. 11. Перелет бабочек, наблюдавшийся 5 июня 1879 года.
этого требуются самые незатейливые приспособления.
Ботаник, желающий сбирать растения, должен непременно вооружиться мотыгой с крепкой рукояткой, лопаткой и ножом с острым лезвием. Для растений всегда нужно иметь при себе гербарную папку.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
И ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЕ СБОРЫ
Геолог или минералог должен предусмотрительно запастись более сложными орудиями: молотом, резцом, киркой с заостренным кон-
Рис. 12. Скалы на мысе Серый Нос.
цом, чтобы пробивать скалы, и мешком из грубого холста, куда сбираются образцы горных пород.
Частенько мы ходили гулять по морю и там собирали раковины по берегу или искали окаменелости в утесистых скалах. Я помню, как однажды, гуляя у подошвы утеса, на мысе Белый Нос возле Кале, я случайно нашел
Рис. 13. Горный хрусталь.
окаменелого аммонита, выделявшегося своими размерами, которые долго поражали и восхищали знатоков; этот аммонит имел не меньше 30 см в диаметре.
Скалы на мысе Серый Нос (рис. 12), близ Булони, представляют для геолога замечательное место для наблюдений. Мне часто доводилось находить отличные образчики минералов: превосходный колчедан в Арденнах и прекрасные обломки горного хрусталя в Альпах (рис. 13).
Я обратил на это внимание нашей молодежи и предложил ей заняться минералогическими экскурсиями.
СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ОБЛАКАХ
Трудно себе представить, до чего бывают интересны атмосферные явления, зачастую проходящие незамеченными перед глазами тех, кто не дает себе труда проследить за ними. Я припоминаю, как однажды, именно 24 июня 1877 г., часов в 8 вечера, я наблюдал на острове Жерсее замечательное явление природы: светящийся огненный столб над заходящим солнцем. Из всей массы гуляющих едва двое-трое остановились, чтобы
вместе со мной полюбоваться этой грандиозной картиной!
Светящиеся столбы и кресты являются гораздо чаще, чем это обыкновенно полагают; но они проходят незамеченными для невнимательных зрителей.
Постараюсь описать одно из таких явлений, наблюдавшееся в Гавре 7 мая 1877 г. На небе появился огненный крест. Солнце находилось в самом его центре. Верхняя часть вертикальной полосы была гораздо ярче нижней, существенно более короткой, как это видно на прилагаемом рисунке, сделанном тогда же моим братом Альбертом Тиссандье (рис. 14). Обе части горизонтальной полосы по временам совсем исчезали - они как бы сливались с перистыми облаками, занимавшими значительную часть горизон-
Рис. 14. Огненный крест, наблюдавшийся в Гавре 7 мая 1877 г.
та. Полоса перистых облаков, окрашенная лучами заходящего солнца в темно-лиловый цвет, составляла первый план этой картины.
Над морем стоял сильный туман. Все явление длилось не более 15 минут, но исчезновение его сопровождалось интересным обстоятельством: три полосы исчезли совершенно и только одна верхняя сияла еще несколько минут; она образовала над солнцем вертикальный столб, сходный с тем, который наблюдали Кассини 21 мая 1672 г. и Рену с Гильеменом 12 июля 1876 года. Вертикальные сияющие столбы - явление чрезвычайно редкое - может быть, есть ничто иное, как часть креста, который, по некоторым особенностям атмосферы, не ясно и не весь выделяется на небе.
МИРАЖИ И ДРУГИЕ ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В жаркую, тихую погоду мы с морского берега любовались замечательными по красоте миражами. Явление это происходит вследствие отражения от границы разных по плотности (обычно из-за разной температуры) слоев воздуха. Казалось, что громадные деревья, дома
и башни вздымаются на горизонте, над серебристой полосой, в которой отражался весь пейзаж как в тихих водяных струях.
Очень интересны также крутящиеся в воздухе и несущиеся по тому или другому направлению столбы пыли (вихри), которые представляют собой в миниатюре грозные морские смерчи. Очень красива прозрачная, пестрая лента радуги; не менее красивы огненные кольца вокруг солнца или других небесных светил; словом сказать, каждое явление природы может подать повод к обогащению ума и доставить истинное наслаждение взору. Путешествуя, или даже просто гуляя, можно многому научиться; такого рода изучение на чистом воздухе возвышает дух, облагораживает душу и укрепляет тело. Вообще сближение с природой оживляет и, если можно так выразиться, очищает нас.
НАБЛЮДЕНИЯ В ГОРОДАХ
Желание заняться изучением природы может найти себе пищу везде, даже в городах; например, наблюдения за метеорологическими явлениями. Я приведу пример.
Обилие снега, непрерывно падавшего в Париже в продолжение 10 часов 22 января 1880 г., есть замечательное метеорологическое явление. Глубина выпавшего тогда снега превышала 30 см. Перед этим шел мелкий
град («крупа») и быстро образовалась гололедица. Вечером 22 января снежные хлопья падали, как огромные груды пуха. Фонари были залеплены снегом и на многих из них образовались ледяные сталактиты, привлекавшие любопытных прохожих. Образование таких сталактитов (рис. 15) произошло
Рис. 15. Ледяные сталактиты, образовавшиеся на уличном фонаре.
вследствие того, что снег, падая на стекло фонаря, нагретое газом, таял, превращался в воду и затем застывал в форме сталактитов, так как у дна фонаря температура была ниже 0°.
Итак, в городах можно также найти предметы для наблюдений. Вот что говорил по этому поводу уже в XIX веке молодой ученый Дюбуа: «Повсюду можно встретить жесткокрылое насекомое (жуков), и мне думается, что не мешает напомнить об этом всем занимающимся энтомологией. Я должен заявить, что даже в больших городах есть такие уголки, где подчас можно обрести драгоценные экземпляры. Например, если мы заглянем на уступы набережной, то будем несказанно удивлены, найдя таких особей, которые водятся лишь в далеких краях и за которыми приходится ездить».
Такое заявление ученого подтверждается перечнем интересных находок. «Один из моих друзей, - говорит тот же энтомолог, - нашел в июне месяце в Париже, на улице, Obrium сап- tharinum, а на бульваре Мазас - пропасть Simplocaria semistriata».
Изучать насекомых можно, отыскивая их в старых домах, в конюшнях, в погребах, одним словом, повсюду, лишь бы была охота.
Великий Бэкон был прав, говоря: «Книга природы всегда открыта, и на земле все готово к услугам наблюдателя».
ГЛАВА ВТОРАЯФИЗИЧЕСКИЕ ОПЫТЫБЕЗ ПРИБОРОВ
Всякий занимающийся естественными науками прекрасно знает, насколько полезно теоретические знания проверять опытами. Я, со своей стороны, всегда убеждаю юных ученых, чтобы они сами старались устраивать нужные для них приборы и совершенствовали бы те, которые теперь существуют в продаже. В большинстве случаев с малыми средствами можно изготовить очень тонкие инструменты, годные для тех же опытов, что и дорогие. Многими учеными были произведены замечательные опыты, между тем как у них была самая несложная лаборатория, самые простые приборы; но знаменитые труженики ловкостью, уменьем и настойчивостью сумели достичь великих результатов.
Простейшие приборы
КРУТИЛЬНЫЕ ВЕСЫ
Для примера возьмем точные весы - этот необходимый для химика и физика прибор, - такие весы можно устроить самым дешевым способом.
Чтоб устроить крутильные весы, на которых можно было бы взвешивать с точностью до долей грамма, достаточно запастись тонкой проволокой и деревянной дощечкой.
На рис. 16 представлены небольшие крутильные весы весьма простого устройства. Тонкая проволока посредством двух скоб натягивается горизонтально между подпорками А и В, выпиленными из еловой доски. Посередине проволоки в точке Н утвержден легкий и тонкий рычаг CD, сделанный из лучинки или просто даже из соломинки. Этот рычаг так ук-
Рис. 16. Прибор, заменяющий весы.
репляется, чтобы он несколько приподнимался над горизонтом, т. е. смотрел своим коротким концом D вверх, причем на этот конец наклеивается маленькая картонная пластинка, на которую кладется пятиграммовая гирька. Затем на стойке GF отмечаются черточками положения конца D рычага до взвешивания гирьки и после ее взвешивания, когда рычаг более или менее наклоняется вниз, скручивая проволоку АВ. Расстояние между этими черточками делится на 10 равных частей. Каждая из них будет представлять путь, проходимый концом рычага под тяжестью половины грамма. Таким образом, если рычаг опустится на 5 делений, то это значит, что взвешиваемый предмет весит 2,5 г.
Если при таком точно устройстве взять проволоку потолще и сделать рычаг короче, то на приборе можно будет взвешивать лоты (12,8 г). Очевидно, что по такому образцу легко устроить весы и для больших тяжестей - для этого можно натянуть толстую железную проволоку, а рычаг сделать из прочного деревянного бруска. Можно наоборот сделать весы для самых незначительных по массе предметов. Для этого взять более длинную и тонкую платиновую проволоку, рычаг приделать самый легкий и самый длинный. Таким образом можно дойти до измерения веса с точностью до сотых долей грамма.
АРЕОМЕТР НИКОЛЬСОНА
Для весьма чувствительных гидростатических весов - которые необходимы при определении удельного веса тел - также необходимо иметь только маленький стеклянный сосуд.
На рис. 17 представлен ареометр Никольсона. Такой ареометр может устроить себе каждый: стеклянный шар В, наполненный воздухом, герметически закупоривается пробкой; посредине пробки укрепляется деревянный прутик цилиндрической формы, на конце которого прилажен деревянный кружок D. К нижней части шара приделана маленькая дощечка С, куда кладется балласт из кусочков свинца. Весь прибор погружают в глубокий стеклянный
Рис. 17. Ареометр Никольсона.
сосуд, наполненный водой. Кусочки свинца на площадку С кладутся в таком количестве, чтоб стержень прибора выходил почти весь над уровнем жидкости; а для того, чтоб этот стержень держался прямо, его пропускают через кресто- винку из четырех железных прутиков с отверстием посередине и загибами на концах, которыми она плотно обхватывает края сосуда.
Стержень разделен таким образом, что пространство между двумя делениями соответствует объему 5 г воды (5 мл). В таком виде прибор этот представляет собой настоящие весы. Взвешиваемый предмет кладут на кружок D, причем ареометр, опускаясь в воду, сначала колеблется, а затем приходит в равновесие. Если, например, стержень опустился на пять делений, то масса предмета равна 25 г.
Давление воздуха Падение тел Различные силы Инерция
Обращаясь к юным слушателям, начинаю с объяснения элементарных понятий о давлении воздуха. Для первоначальных опытов нам достаточно рюмки или стакана на ножке, тарелки и воды.
УРОВЕНЬ ВОДЫ
И АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ
Наливаю воду в тарелку, зажигаю бумажку, положенную на маленький поплавок из пробки, и пламя прикрываю опрокинутым стаканом (рис. 18). Что же происходит? Вода поднимается в стакане. Почему? Потому что бумага, сгорая, поглотила часть воздуха; с уменьшением же объема газа в сосуде, давление наружного воздуха втесняет в него жидкость.
Рис. 18. Поднятие воды в рюмке вследствие давления воздуха.
ОПРОКИНУТЫЙ СТАКАН
Вот еще опыт: наливается вода в стакан до краев и прикрывается листом бумаги, но так, чтобы лист плотно пристал к стенкам стакана и к жидкости; когда это сделано, стакан быстро переворачивают кверху дном (рис. 19): листок бумаги, поддерживаемый атмосферным давлением, мешает вытекать воде. Случается, что этот опыт не удается по неловкос-
Рис. 19. Вода в опрокинутой рюмке с приложенным к ее краям листом бумаги поддерживается действием атмосферного давления.
ти юного естествоиспытателя, поэтому советую опрокидывать стакан над тазом.
ОПРОКИНУТАЯ БУТЫЛКА С ЖИДКОСТЬЮ
Еще похожий опыт: берется сосуд с водой и наполненная той же жидкостью бутылка, причем горло ее затыкается пальцем, а сама она опрокидывается и в таком положении погружается в воду сосуда. Отнимая затем палец и поддерживая бутылку в вертикальном положении, мы увидим, что вода из нее не выливается. Явление это происходит опять-таки из- за давления внешнего воздуха.
Если воду в сосуде заменить молоком или растительным маслом, плотность которых меньше воды, результат будет тот же, но внимательно приглядываясь, мы увидим, что вода выливается из бутылки в сосуд с жидкостью, а масло или молоко поднимается в бутылку.
Здесь так же, как и в предыдущем случае, жидкость в бутылке удерживает атмосферное давление. Вода же выходит потому, что различные по плотности жидкости всегда держатся одна над другой, причем, конечно, наиболее плотная опускается на дно сосуда. Закон этот легко проверить, взяв стеклянный пузырек и налив в него поровну соленой воды, масла и спирта. Все эти три жидкости будут размещаться в бутылке слоями. Приведу еще несколько опытов.
ПРИЛИПШАЯ МОНЕТА
Возьмите какую-нибудь монету, приложите ее к деревянной стене, несколько раз сильно потрите монетой стену и затем отнимите руку: монета не упадет, но будет держаться как бы приросши к дереву (рис. 20). Вот объяснение этого явления: сильным трением по дереву, вы устраняете воздух, который находился между монетой и деревом, а для того, чтобы удержать монету, достаточно давления внешнего воздуха.
Рис. 20. Монета, прижатая к гладкой деревянной стене, удерживается на месте давлением воздуха.
ВОЗДУШНЫЙ НАСОС
Дополняя наши приборы графином, возьмем яйцо: мы получаем возможность устроить воздушный насос (рис. 21).
Открытый графин, понятно, наполнен воздухом. Зажигаю бумагу, оцускаю ее в графин и через несколько секунд ее горения прикрываю отверстие графина яйцом, сваренным вкрутую, предварительно очистив его от скорлупы. Таким образом яйцо как пробка закупо-
Рис. 21. Очищенное от скорлупы яйцо входит в графин под действием атмосферного давления.
ривает горлышко графина. Бумага при горении поглощает часть воздуха из графина, и яйцо втягивается в горло графина. Оно опускается довольно медленно и как только войдет все в графин, мы слышим нечто вроде хлопка, когда внешний воздух врывается в сосуд. Вот вам дешевые опыты, вполне объясняющие давление атмосферы.
ИГРУШКА ПАРИЖСКИХ МАЛЬЧИШЕК
Простая детская игрушка парижских уличных мальчишек может служить прекрасным доказательством давления воздуха. Игрушка эта состоит из смоченного водой кружка сыромятной кожи, посередине которого привязан шнурок. Кружок бросают на мостовую и придавливают ногой. Если потом потянуть шнурок, то в кожаном кружке образуется пустое гнездо и его с трудом можно оторвать от мостовой.
Как видите, этот несложный прибор с успехом заменяет известные магдебургские полушария.
МОНЕТА И БУМАЖНЫЙ КРУЖОК
Законы тяготения и тяжести, как мы сейчас увидим, легко усвоить себе, производя соответствующие опыты относительно падения
тел, силы притяжения и инерции. Все эти опыты могут быть выполнены без больших издержек, так сказать домашним образом.
Возьмем, например, монету и равный ей по величине бумажный кружок и бросим то и другое на пол. Оказывается, монета падает несравненно быстрее бумажного кружка. Законы тяготения одинаковы для всех тел, но тут, очевидно, многое зависит от плотности тела и от различного вследствие этого сопротивления воздуха. Попробуйте положить бумажный кружок на монету - и оба кружка упадут разом на землю. В данном случае монета предохраняет бумажный кружок от действия на нее воздуха.
Этот опыт так общеизвестен, что мы не будем на нем останавливаться. Но очевидно, что это явление может подать повод к дальнейшему уяснению и открытиям явлений, представляемых падением тел.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ШАРИКОВ
Очень интересен следующий опыт. В сосуд с водой бросают два маленьких шарика из пробки. Если их приблизить один к другому так, чтобы между ними оставалось расстояние не более полутора сантиметров, они быстро притягиваются друг к другу, как железо к магниту. Еще лучше насадить такой же шарик на острие ножа и им притягивать остальные,
плавающие в воде. Если шарики покрыть легким слоем сала, они, вместо взаимного притяжения, будут отталкиваться друг от друга. Если сближенные шарики смачиваются жидкостью, то она в промежутке между ними принимает вогнутую форму, и наоборот - выпуклую, когда этому смачиванию препятствует сало (рис. 22).
Рис. 22. Опыт с притяжением шариков.
БУМАГА ПРОЧНЕЕ ДЕРЕВЯННОЙ ПАЛКИ?
Для уяснения силы инерции укажу на несколько опытов, чрезвычайно простых и удобных относительно их выполнения.
Как-то раз, во время прогулки, Случай натолкнул меня на одно поразительное явление: я проходил по довольно многолюдному кварталу Обсерватории, когда мое внимание было привлечено Огромной толпой. Подойдя ближе, я увидел какого-то господина, который на открытом воздухе проделывал разные штуки и между прочим показал один очень интересный фокус, который я и желаю описать. Он взял палку от метлы и, положив ее горизонтально на две свернутые кольцом полоски бумаги, попросил двоих детей подержать эти бумажные кольца на остриях двух бритв. После этого фокусник взял толстую палку и со всей силы ударил ручку метлы по самой середине; последняя сломалась вдребезги, между тем как бумажные кольца не порвались даже в месте контакта с бритвами.
РЮМКИ ПРОЧНЕЕ ПАЛКИ?
Один из моих друзей, художник М. показал мне подобный же опыт так, как он изображен на рис. 23. На два раздвинутые стула
Рис. 23. Быстрое переламывание палки, лежащей на двух рюмках. Опыт, основанный на законах инерции.
ставят рюмки и на них кладут палку с воткнутыми в ее концы иглами, чтобы на краях рюмок лежали одни лишь иглы. Если теперь ударить ее по самой середине другой толстой и крепкой палкой, то первая из них переломится пополам, рюмки же останутся целы, и чем сильнее удар, тем удачнее опыт. Явление это объясняется инерцией. При быстром ударе толчок не успевает сообщиться от непосредственно претерпевающих его частиц соседним. Они разделяются прежде, чем движение передается крайним частицам. Описанный нами опыт не нов: подобный описан у Рабле.
ШАРИК НА ШНУРКЕ
Подобный же опыт изображает рис. 24. К потолку подвешен на не очень крепком шнурке деревянный шарик, от которого спускается
Рис. 24. Другой опыт относительно инерции.
вниз небольшой отрезок шнурка; если сильно дернуть за его конец, он оборвется, но это движение не передается шару; если же тянуть потихоньку, то оборвется верхний шнурок, так как он сдерживает всю тяжесть шара.
ВЫБИТАЯ ИЗ СТОЛБИКА МОНЕТА ИЛИ ШАШКА
Много можно привести опытов, уясняющих то же явление, например пуля, пущенная из ружья в оконное стекло, пробьет в нем круглое отверстие, тогда как та же пуля, кинутая
Рис. 25. Выбивание шашек из их колонны без всякого ее перемещения.
рукой, разобьет стекло вдребезги. Стебель гибкого растения можно подрезать простым прутом, если ударить им сильно и быстро. Здесь большую роль играет быстрота. Это подтверждается еще следующим опытом: из монет выкладывают столбик и быстрым, подкашивающим ударом линейки вышибают одну из них (нижнюю), не разрушая всего столбика. Необходимо только, чтоб удар был силен, быстр и строго горизонтален. Тот же опыт можно произвести с шашками (рис. 25).
КАК ВЫДЕРНУТЬ БУМАГУ
ИЗ-ПОД МОНЕТКИ
Вот еще несколько опытов, объясняющих косность или инерцию: берут полоску бумаги, кладут ее хоть на мраморный камин так, чтобы один конец свисал. Ставят на ее середине ребром какую-нибудь монету. Если теперь, взявшись рукой за свободный конец бумажной ленты, быстро и сильно дернуть ленту к себе, то полоска выдергивается из-под монеты, а последняя остается на своем месте в прежнем положении (рис. 26).
Точно также очень легко снять со стола салфетку, нисколько не потревожив стоящего на ней прибора. Для этого салфетку необходимо стремительно дернуть к себе, натянувши предварительно ее края.
Рис. 26. Опыт, основанный на законах инерции.
КАК ВЫНУТЬ МОНЕТУ ИЗ-ПОД СТАКАНА, НА КАСАЯСЬ ЕГО
Рис. 27 представляет другой опыт: накрывают скатертью стол и на него ставят опрокинутый стакан, под края которого подкладывают две монеты, третью же кладут под стакан на сере-
дину. Задача состоит в том, чтобы вынуть монету, не трогая стакана. Достигается это следующим способом: ногтем указательного пальца царапают по скатерти, причем упругость ее ткани сообщает легкое движение монете. Вследствие инерции она мало-помалу двигается и в конце концов выходит из-под стакана.
Рис. 27. Сообщение монете движения.
ИГРЫ И ФОКУСЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ИНЕРЦИИ
Существует много игр, основанных на инерции. Так, например, ставят посередине круга войлочную коническую трубу, на верхнем конце которой кладутся монеты. Задача играющих состоит в том, чтоб вывести ставку из круга с помощью палки. При ударах палкой по трубе ставка падает вниз, поэтому нужно стараться избежать ударов по войлочному колпаку.
Инерцией же можно объяснить такое простое действие, как выколачивание пыли из платья: при быстрых ударах по материи, частички пыли не успевают следовать за ее движениями и таким образом отделяются от нее. Если быстро взмахнуть бичом и внезапно остановить это движение, то свободный конец, продолжая двигаться, получает стремление отделиться от остальных частей и производит при этом быстрое сотрясение в воздухе, сопровождающееся характерным звуком.
Лишь инерцией можно объяснять возможность кулаком разбивать камни. Этот опыт показывали фокусники на ярмарках. Вот как он делается: правую руку обертывают тряпкой, в левую берут камень, который требуется разбить (большею частью круглый кремень) и кладут его на мостовую или на наковальню, потом правой рукой, сжатой в кулак, сильно ударяют камень, но при этом чуть-чуть приподнимают его с наковальни. При ударе камень сталкивается с наковальней и быстро
разбивается на мелкие куски. Как ни прост этот фокус, он всегда с одинаковым успехом удивляет простодушных крестьян.
МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ВОЗДУХА
Небесполезно заметить, что воздух, будучи приведен в движение, может производить такие же механические действия, как и дру-
Рис. 28. Выдувание яйца из одной рюмки в другую.
гие тела. Если например в рюмку положить яйцо и сильно дуть в образовавшийся между ними промежуток, то оно выскочит из рюмки (рис. 28). Мало того, при ловкости и до-
Рис. 29. Картонная спираль, приводимая во вращательное движение восходящим током нагретого воздуха.
статочно здоровых легких, нетрудно перебросить яйцо в другую, рядом поставленную рюмку.
Рис. 29 представляет собою опыт, принадлежащий к тому же роду явлений. Он очень интересен, и его можно разнообразить по желанию. Игральную карту вырезают спиралью и, оттянув ее обороты, вешают ее на согнутой железной проволоке. Если эту спираль подвергнуть действию нагретого воздуха, - например, как это показано на нашем рисунке, подержать ее над стеклом горящей лампы, - то спираль начнет быстро вертеться. С таким же успехом ее можно ставить на теплую печку.
Этот опыт дает возможность делать массу интересных заключений и выводов относительно наклонной плоскости движения воздуха, превращения теплоты в движение и т. д.
ОПЫТ С МОНЕТАМИ
Разложите на столе несколько монет, так чтобы они касались одна другой и лежали бы ровной линией. Возьмите еще монету и ею ударьте весь ряд. Ровность его не расстроится, но монета на другом его конце вследствие удара, передаваемого упругостью промежуточных монет, отлетит прочь (рис. 30). Произведите
Рис. 30. Передача удара через посредство упругости.
такой же скользящий удар двумя монетами, - с противоположной стороны отскочат тоже две и т. д.
ДЕЙСТВИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ
Поговорим теперь о другой силе, а именно о центробежной. Чтобы уяснить себе ее действие, всего лучше произвести следующий опыт. Возьмем простой стакан и опустим его в картонную коробку, к краям которой нужно привязать шнурочки. Нальем в стакан воды и станем вертеть его, как мечут пращой.
£9 90d09HdU £39 l«UI4U0 аИМЭЗЬИЕИФ
•ияяохохУоп HOHqifaxHdBHtfadn иоякэя eag HxoaHenodn ояхэк OHHBiiiqHeadb хнпо xoxg
♦(Xg ‘and) конЬ
AxdaHH nataedgo но вУхоя ‘иинэжохгоп oxa мох я эжвУ внияяхэ ей кэхэвяигня эн woxe ndn вУоя охи ‘кэхэвянееяо ошнаияиНЛ ЛмэУпдо эд
•Гилго ионжэдобхнэй иэияхэиэУэнвявхэ я ввиэвяижйэОТоп ‘Btfog ’jg ‘Эйд
Гидростатика Сифоны Волосность
ЗАКОНЫ ГИДРОСТАТИКИ
Законы гидростатики можно легко объяснить. Для этого можно взять тело какой угодно неправильной формы, например камень, который привязывают к нитке и затем опускают в стакан, наполненный до краев водой. Понятно, что при этом из него должно вылиться количество воды, по своему объему (но не по весу: камень тяжелее) равное объему камня. Вынув затем камень из стакана, ставят стакан с остатками воды на чашку весов, а камень подвешивают к ней снизу на тонкой нити, после чего весы уравновешиваются при помощи гирек. Если теперь погрузить камень, висящий снизу чашки весов, в какой-нибудь сосуд другой с водой так, чтобы он, не ложась на дно, был полностью в воде, а нить была натянута, то равновесие нарушится. Чтобы восстановить его снова, надо долить воды в стакан на чашке весов до краев, т. е. прибавить массу, которую имеет объем воды, равный объему камня.
СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ
Для уяснения себе законов, относящихся к равновесию жидкостей в сообщающихся сосудах, для того чтобы дать понятие о фонтане, артезианском колодце и т. д., можно произвести опыт с двумя воронками, узкие части которых соединены между собой с помощью простой резиновой трубки. Явления станут наглядными, если показать, как вода выливается из одной воронки, когда в другую, поднятую выше, лить воду.
ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Кружок из картона и ламповое стекло дают нам возможность понять сущность закона Паскаля: давление, оказываемое на жидкость, передается ею одинаково во всех направлениях. Если картонным кружком закрыть нижнее отверстие лампового стекла, а затем, удерживая его на своем месте помощью шнурочка, погружать стеклянную трубку в сосуд с водой, донышко будет держаться на своем месте уже само вследствие давления жидкости снизу вверх. Чтобы отверстие трубки открылось, надо в трубку налить воды до внешнего уровня (рис. 32). Давление, производимое на кружок как окружающей трубку жидкостью, так и заключающейся внутри трубки, соответствует массе водяного столба, основание кото
Рис. 32. Опыт, иллюстрирующий давление жидкостей снизу вверх.
рого равно величине отверстия лампового стекла, а высота - расстоянию от кружка до поверхности воды.
ДАВЛЕНИЕ
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
Жидкости и газы - сплошные среды, подчиняющиеся общим законам. Шприцы, насосы
и т. п. действуют благодаря давлению атмосферы. Воздушные шары поднимаются вверх по той же причине: аэростат представляет собою тело, погруженное в газ, а следовательно подчиняется тем же законам, какие существуют для тел, погруженных в жидкость.
Если поместить изюминку на дно стакана и наполнить его шампанским, то мы заметим, что к ней пристают пузырьки газов. Изюминка поднимается на поверхность жидкости, где пузырьки лопаются и исчезают, после чего изюминка падает опять вниз и затем снова поднимается вверх.
ДАВЛЕНИЕ ВОДЫ
Лодки плавают вследствие давления жидкости. Фонтаны бьют по той же самой причине.
Помнится, я где-то читал об одном весьма полезном способе применения давления жидкостей. Чтобы набрать запас воды, лошадь навьючивают двумя кадками, у которых днище снабжено клапаном, открывающимся снизу вверх. Лошадь входит в реку и погружает кадки в воду. Клапан вследствие давления жидкости открывается, и вода набирается в кадки. Как только они наполнятся, лошадь поворачивает назад и выходит на берег, причем жидкость, находящаяся в кадках, своим давлением запирает клапаны.
СИФОНЫ
Мы еще ничего не говорили до сих пор о сифоне - трубке с двумя коленами, длинным и коротким. Он представлен нами здесь в одной весьма любопытной форме, известной под именем кубка Тантала.
Внутрь стеклянного сосуда помещена небольшая фигурка человека, собирающегося напиться, вырезанная из дерева. Если мы будем тихонько наливать воду в этот сосуд, то
Рис. 33. Кубок Тантала.
скоро убедимся, что уровень ее не может подняться выше горизонтальной линии АВ (рис. 33), так что фигурка подобна несчастному Танталу, который ощущает жидкость около своих воспаленных губ, но не может напиться. Секрет заключается в сифоне, скрытом в фигурке. Длинное колено этого сифона проходит через основание сосуда в отверстие, проделанное в столе. Когда вода поднимается до линии АВ и покрывает сифон, как показано пунктиром на рис. 33, жидкость начинает
Рис. 34. Сифон из полоски сукна.
вытекать из нижнего конца сифонной трубки под стол, в С.
Вырежем узкую полоску сукна, смочим ее водой и расположим таким образом, чтобы ее концы лежали в двух стаканах, из которых один стоит выше другого (рис. 34). Если верхний стакан наполнить водой, то за какой-нибудь час вода из верхнего стакана перейдет в нижний. В этом случае полоска сукна играет роль сифона.
КАПИЛЛЯРНОСТЬ
И СИЛЫ ПОВЕРХНОСТНОГО
НАТЯЖЕНИЯ
Явления капиллярности, свойственные жидким телам, занимающим небольшие пространства, например в тонкой стеклянной трубке или между двумя очень близкими твердыми телами, не требуют для своего воспроизведения никаких специальных приборов.
То же самое можно сказать и относительно поверхностного натяжения. Рис. 35 представляет нам очень хороший опыт подобного рода. Берут стеклянный стакан и наполняют его до краев водой, причем стараются, чтобы поверхность ее была вогнутая. Рядом с сосудом поставьте столбик серебряных монет. Для большего эффекта спросите присутствующих: сколько монет можно опустить в стакан, что-
Рис. 35. Опыт, иллюстрирующий действие сил поверхностного натяжения.
бы из него не вылилась вода. Все, не знающие законов физики, ответят наверно: «Одну, максимум две». На самом деле их можно опустить гораздо больше - от десяти до двенадцати, и вода не выльется. Если опускать монеты осторожно и привычною рукой, то поверхность воды постепенно становится выпуклой.
Равновесие тел Центр тяжести
Понятия о весе тел, центре тяжести, устойчивом и неустойчивом равновесии могут быть легко даны при помощи множества самых обыкновенных предметов. Известная кукла «Ванька-встанька», имеющая круглое тяжелое основание, уже дает случай ребенку для первоначального знакомства с центром тяжести. По словам жонглеров, нет ничего невозможного в том, чтобы установить в равновесии яйцо на одном из его концов. Чтобы опыт имел успех, необходимо делать его на плоскости совершенно горизонтальной, вроде зеркального стеклышка. Желаемый результат достигается, когда отвесная линия из центра тяжести яйца проходит через точку прикосновения его оконечности к плоскости, на которую оно опирается.
РАВНОВЕСИЕ ПРОБКИ
Рис. 36 изображает один занимательный опыт равновесия, который легко поставить. Две вилки втыкают в обыкновенную пробку и ставят последнюю на край горлышка бутылки. Вилки вместе с пробкой образуют одно целое, центр тяжести которого находится постоянно
ниже точки опоры. Можно наклонять бутылку сколько угодно и даже выливать из нее жидкость, не нарушая при этом равновесия системы. Отвесная линия из центра тяжести проходит здесь всегда через точку опоры, и вилки качаются вместе со служащей для них подставкой пробкой, образуя сооружение хотя и подвижное, но несравненно более устойчивое, чем оно кажется с первого взгляда. Этот забавный опыт часто практикуется фокусниками, которые объявляют публике, что могут опорожнить бутылку, не уронив с ее горлышка пробки.
Этот опыт можно усложнить. Когда за столом подается бекас или какая-нибудь другая
Рис. 36. Опыт, основанный на законах центра тяжести.
птица с длинным клювом, ей отрезают голову вместе с шеей и вправив ее в пробку, втыкают по бокам две вилки точно как в предыдущем опыте. Затем снизу в пробку вкалывают булавку и весь этот маленький снаряд ставят на небольшую монету, прикрывающую горлышко бутылки. Наконец, когда равновесие установится, сообщают системе вращательное движение, причем довольно быстрое, избегая только по возможности при этом толчка (рис. 37). Тогда обе вилки и пробка с возвышающейся над нею головой бекаса начнут вертеться на конце
Рис. 37. Другая равновесная система.
своей оси - булавочной головке. Нет ничего комичнее этой головы с длинным клювом, когда она поворачивается к каждому из сидящих за столом и время от времени многозначительно кивает, приобретая сходство с головой живой птицы. Это круговое движение продолжается довольно долго. Часто даже возникают пари о том, на кого из собеседников укажет клюв.
УСТОЙЧИВОЕ РАВНОВЕСИЕ
А вот и еще опыт равновесия, чрезвычайно наглядный и очень легкий. Берут ключ и в бородку его втыкают гвоздь с крючком, который крепко привязывают к деревянному бруску. На другом конце бруска подвешивают гирьку в 50-100 г, после чего, воткнув в край стола булавку с большой головкой или гвоздь, приводят всю систему в равновесие, как показано на рис. 38. Равновесие это до такой степени устойчиво, что ключ со всеми прикрепленными к нему частями может даже вертеться и качаться, не падая со своей узкой подставки. Нужно ли говорить, что описанное нами явление объясняется действием груза, который, вследствие отклонения от отвесного направления деревянной линейки, располагается под столом? Центр тяжести системы таким образом находится как раз под точкой опоры.
Если воткнуть два ножа их остриями в деревянный брусок, как показано на рис. 39,
Рис. 38. Равновесная система из бруска, гири ключа и гвоздя, опирающаяся на булавку.
Рис. 39. Равновесная система из бруска и двух ножей.
и укрепить на ее конце, между рукоятками двух ножей, иголку, то эта система может быть приведена в равновесие на конце другой булавки, воткнутой вертикально.
ГРАФИН НА СОЛОМИНКЕ
Можно придумать бесчисленное множество физико-механических опытов. Чтобы закончить
Рис. 40. Графин с водой, поднятый на соломинке.
их ряд, собранный нами в этой главе, сообщим, как можно поднять наполненный водою графин при помощи обыкновенной соломинки.
Предварительно соломинку сгибают так, чтобы ее отогнутый конец упирался между стенками графина. На рис. 40 представлено довольно отчетливо, как поступают в этом случае. Хорошо запастись несколькими совершенно целыми стебельками соломы, чтобы иметь возможность повторить опыт, если он не удастся с первого раза.
Теплота
К краткому изучению теплоты и теплоемкости можно приступить без всяких сложных приборов.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
МЕТАЛЛОВ
Чтобы наглядно показать, насколько велика теплопроводность металлов, берут какую-нибудь полированную металлическую вещь и обтягивают ее как можно плотнее лоскутком кисейной материи, а затем, положивши на кисею горячие угли, раздувают их. Опыт показывает, что кисея при этом остается непо-
врежденнои: теплота всецело поглощается металлом, который вбирает ее в себя через ткань и рассеивает по своей массе.
На рис. 41 представлен другой опыт, сходный с предыдущим: над пламенем спиртовой лампы в коробочке, свернутой из игральной карты, расплавляют свинец, причем самая карта не только не воспламеняется, но даже не обугливается.
Здесь однако нужно быть очень осторожным и тщательно стараться нагревать карту в
Рис. 41. Плавление свинца на игральной карте.
том месте, где она соприкасается со свинцом. Вся теплота при этом поглощается металлом, плавление которого наглядно свидетельствует о ее значительной степени.
Такого рода опыты иногда требуют от производящего их несколько повторений и даже предварительных упражнений. В случае неудачи, их следует повторять несколько раз, пока не будет достигнут желаемый результат.
По той же самой причине металлы кажутся нам холодными, когда мы берем их в руки: вследствие своей высокой теплопроводности они поглощают теплоту нашей руки. Такого ощущения не возникает, когда прикасаемся к телам с низкой теплопроводностью, например дерева или шерстяной материи.
Серебряная ложка нагревается, когда погружаешь ее в горячий чай опять-таки потому же, что хорошо проводит теплоту. Ложка из дерева или слоновой кости не нагревается.
ИЗ ПИСЕМ ЧИТАТЕЛЕЙ
«Ваша Физика без приборов напомнила мне один опыт, может быть, вам известный, но который мне казался поразительным, когда я был ребенком. Ставят на огонь чугунный котелок, наполненный водой, и когда вода сильно закипит, его снимают. Если теперь дотронуться до дна котла, то не почувствуешь ничего кроме умеренной теплоты. Но как только вода
перестает кипеть, рука тотчас же получит впечатление ожога. Этот опыт произвести очень легко, и вы рискуете только замарать пальцы. Что же касается объяснения, то оно не нужно любому, кто знаком с законами физики».
КИПЯЧЕНИЕ ВОДЫ В БУМАГЕ
Для этого приготовляют из бумаги простую коробочку, какую сумеет сделать всякий школьник, и подвешивают ее на четырех нитках к деревянному стержню, установленному горизонтально на приличной высоте, после чего в этот импровизированный сосуд наливают воды и помещают его над пламенем спиртовки. Через несколько минут вода начинает кипеть, испаряться, между тем бумага остается невредимой, поскольку вся прибывающая к ней от пламени теплота поглощается жидкостью и идет всецело на перемену ее состояния - превращение в пар. Во время опыта не мешает под коробкой ставить глубокую тарелку, куда могла бы стекать вода в случае каких-либо неудач. Бумажный сосуд должен быть нагреваем таким образом, чтобы пламя касалось только тех частей, которые находятся в соприкосновении с водой. В противном случае он немедленно загорится.
Этот опыт очень деликатен и требует некоторых предосторожностей, но после нескольких повторений, производя его так, как показано на рисунке, мы достигли желаемых
Рис. 42. Способ кипячения воды в бумаге.
результатов. Линейка, служащая подставкой, была расположена горизонтально на двух графинах.
Для кипячения воды можно также употребить яичную скорлупу. Когда яйцо съедено, берут скорлупку, наливают туда небольшое количество воды и затем ставят ее на приготовленное заранее маленькое проволочное колечко. При таких условиях она может быть нагрета на пламени спиртовки без всяких повреждений.
ТЕЛЕПОРТАЦИЯ
Рис. 43 иллюстрирует замечательный и малоизвестный опыт над смерзанием льда. Берут большой кусок льда и кладут его на края двух железных стульев или на какие-нибудь две другие подставки. Затем перекидывают через него проволочную петлю с привешенною к ней гирей весом 4-5 кг. Проволока мало-помалу проникает в ледяную массу. По прошествии
Рис. 43. Опыт над смерзанием льда.
двух часов, она прорезывает ее совсем и вместе с грузом падает на пол.
Что же сделалось с куском льда? Вы, может быть, предположите, что его разрезало надвое? Ничуть не бывало: он остался таким же целым, как и прежде. По мере того как проволока проникала в его массу, образуемая ею трещина затягивалась снова вследствие смерзания льда.
ПОГЛОЩЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ЛУЧЕЙ
Зимой лед и снег могут служить для производства весьма многих опытов над теплотой. Если желают показать влияние цвета на отражение теплоты, берут два лоскутка сукна равной величины - один белого, другой черного цвета - и кладут их оба на снег, выбирая для этого солнечный день. После довольно короткого промежутка времени оказывается, что снег, находившийся под черным сукном, растаял несравненно больше того, который был накрыт сукном белым. Это значит, что черный цвет поглощает больше теплоты, нежели белый, который, наоборот, имеет свойство ее отражать. Самое прикосновение руки ощутительно показывает разницу в их температуре: белое сукно кажется холодным в сравнении с черным.
Эти простые факты объясняют нам причину, почему в теплых странах носят одежду белого цвета: она обладает большей отражательной способностью.
Колебания и звуки
Изучение акустики точно также, как и других отделов физики, может быть начато без приборов.
УСИЛЕНИЕ ЗВУКОВ
Вот один очень интересный опыт, хорошо объясняющий понятие о передаче звука твердыми телами. К серебряной или мельхиоровой ложке привязывают проволоку, концы которой вкладывают в уши, как указано на рис. 44. Если ложку заставить качаться, и притом так, чтобы она ударялась о край стола, то передача звука в момент удара будет до такой степени сильна, что наблюдателю кажется, будто он слышит звон церковного колокола.
Этим же опытом превосходно объясняется и передача человеческой речи по шнурочному телефону - прибору, который очень легко сделать самим. Основания двух жестяных цилиндров высотой около 10 см и шириной с ламповое стекло заделываются картонными кружками. Если соединить эти кружки шелковым шнурком, длиною от 25 до 30 аршин, то явится возможность передавать свою речь на расстоянии от одного конца натянутой нитки до другого. Тот, кто говорит, направ-
Рис. 44. Проводимость звука через твердые тела.
ляет звуки своего голоса в первый цилиндр, слушающий же прикладывает к своему уху второй.
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
В ряду весьма сложных опытов, показываемых на курсах преподавателями, имеющими в своем распоряжении целые физические кабинеты, есть, между прочим, несколько та-
ких, которые можно воспроизвести с помощью предметов домашнего обихода. Что может быть интереснее акустического опыта Лиссажу, который с помощью друммондова света отражал на экран вибрационные кривые, описываемые одной из ветвей камертона, издающего звук?
Упрощенный вариант опыта легко произвести при помощи обыкновенной вязальной спицы. Воткните поглубже гибкий прут в пробку, служащую ему подставкой, приклейте сургучом к свободному его концу бу-
Рис. 45. Колебания спицы.
мажный кружок, не превышающий диаметром размеров горошины. Затем, крепко придерживая пробку рукой, отогните прут в сторону или ударьте по нему линейкой, чтобы заставить свободный конец спицы колебаться. Вы отчетливо увидите, что приклеенный бумажный кружок описывает в воздухе более или менее удлиненные эллипсы или круги, смотря по силе и частоте колебаний спицы.
Опыт этот становится особенно эффектным, когда вязальная спица колеблется при ярком свете лампы. В этом случае способность глаза сохранять получаемые им впечатления позволит видеть быстро колеблющуюся спицу во всех ее последовательных положениях разом, так что перед вашими глазами будет рисоваться изображение очень удлиненной конической вазы вроде шампанского бокала (рис. 45).
СКОРОСТЬ ЗВУКА
Нетрудно показать, что звук требует известного промежутка времени для своего распространения от одного места к другому. При виде плотника, вколачивающего кол, замечают, что звук, производимый ударом молотка по дереву, достигает уха несколько секунд спустя после их прикосновения друг к другу. Воспламенение пороха при выстреле из ружья издали
всегда замечается гораздо раньше, чем слышится производимый при этом звук. И наконец классический пример: сначала мы видим вспышку молнии, а уж только спустя некоторое время слышим гром, причем чем дальше грозовое облако, тем больше разрыв.
ВЫСОТА ЗВУКА
Происхождение гаммы можно показать на небольших, различной величины дощечках, бросая их последовательно на стол. Производимые звуки будут различаться в зависимости от величины деревянных брусочков.
Рис. 46. Звучащие рюмки.
Намного нагляднее это явление можно проиллюстрировать с помощью рюмок, наполненных более или менее водой. При ударе по ним палочкой они издают звуки, изменяющиеся в зависимости от количества находящейся в них воды. Если производящий опыты одарен музыкальным слухом, то он может получить полную музыкальную гамму, имея в своем распоряжении только семь рюмок, каждая из которых издает соответствующую ноту (рис. 46). Таким образом можно даже разыгрывать музыкальные пьесы. Звучащие стаканы производят очень серебристый тон.
ГАРЛЛОНОГРАФ
Заключим сообщенные нами элементарные понятия об акустике описанием весьма замечательного прибора, известного под названием гармонографа. С его помощью можно произвести чрезвычайно интересные наблюдения.
Принцип устройства гармонографа - механический. Рассмотрим сначала сам прибор. Он состоит из двух маятников А и В (рис. 47), привешенных по способу кардана. Маятник В поддерживает платформу Р, где кладется листочек бристольского картона, удерживаемый двумя маленькими латунными щипчиками. Маятником А поддерживается горизонтальный прут, на конце которого находится стеклянная трубочка Т, открывающаяся внизу ка-
Рис. 47. Гармонограф.
пиллярным отверстием. Трубочка эта наполнена анилиновыми чернилами и опирается на бристольский картон. Вместе с поддерживающим ее горизонтальным прутом она уравновешивается помещенным на противоположной стороне противовесом, который можно передвигать по винтовой нарезке. Оба маятника снабжены свинцовыми грузами в виде кружков, которые могут по желанию подниматься и опускаться, что дает возможность регулировать в известных границах продолжительность их колебаний. Но для того чтобы уста-
новить точное отношение между временами этих последних, служит находящийся на стержне А привесок, высота которого изменяется посредством небольшого валика и винта.
Сообщив маятнику А колебательное движение, мы увидим, что конец трубки Т будет чертить по лежащему на платформе Р бристольскому картону прямую линию. Но если в то же время заставить колебаться маятник В, то картон станет также перемещаться и конец трубки Т начнет чертить кривые различного вида, смотря по характеру движения стержня В, по отношению между частотами колебаний обоих маятников, амплитуде этих колебаний и т. д. Если бы движение маятников происходило без трения, - кривая на картоне не меняла бы своего вида и конец трубки оставлял бы за собою постоянно тот же самый след. Но амплитуда колебаний постепенно уменьшается, вследствие чего кривая, сохраняя постоянно свою форму, также становится все меньше и меньше, пока не превратится в точку, соответствующую положению покоя маятников А и В. Отсюда следует, что начерченные этим прибором кривые, три образца которых мы даем на рис. 48, 49 и 50, представляют собою непрерывный след движущегося конца трубки, начиная с точки, соответствующей наибольшей амплитуде колебаний.
Изменяя отношение между амплитудой колебаний маятников, а также разность фаз их колебаний, можно получить кривые, бес-
конечно разнообразные по виду. Каждому из отношений между этими показателями соответствует своя особая группа кривых, общий характер которых может быть определен с по-
Рис. 48. Соотношение частот колебаний 1:2.
Рис. 49. Соотношение частот колебаний 2:3.
мощью математических уравнении, но это вопрос, выходящий за рамки нашего повествования.
Гармонограф может служить прибором для акустических исследований. Ножки камертона вибрируют взад и вперед как настоящие маятники, только несравненно быстрее их. Это показал своими опытами французский ученый Лиссажу в XIX в. С помощью этого прибора можно, следовательно, воспроизвести все опыты Лиссажу, только движения будут более медленными, а стало быть легче поддающимися исследованию и требующими меньших трудностей для вычерчивания их на бумаге.
Когда отношение между частотами колебаний выражается целыми числами, то получаются фигуры как на рис. 48 и 49. Наоборот, если это отношение сложное, то получится фигура как на рис. 55 - довольно неправильной формы, соответствующая искажениям при опытах Лиссажу.
Рис. 50. Соотношение частот колебаний 1:2 с небольшим.
Фигура как на рис. 49 получается при соотношении частот колебаний 2:3; фигура как на рис. 48 - при отношении 1:2; фигура же с рис. 50 соответствует соотношению частот колебаний, которое нельзя описать целыми числами, чем и обусловливается ее запутанность. С точки зрения музыкальной гармонии фигуры с рис. 48 и 49 соответствуют октаве и квинте, между тем как фигура с рис. 50 соответствует нонне, диссонирующему интервалу. Не было ли попыток и раньше считать основной закон простых отношений базисом всей гармонии? Для глаза теперь уже это не подлежит никакому сомнению. Но удовлетворит ли такое объяснение музыкантов?
КАК СМАСТЕРИТЬ ГАРМОНОГРАФ
Гармонограф - прибор довольно сложный. Мне остается только показать, каким образом, произведя в нем некоторые упрощения, его легче смастерить.
Я старался устроить такой же прибор по возможности проще и из самых обыкновенных материалов, какие только находились у меня под руками, считая это наиболее верным средством сделать его доступным для всех, желающих воспроизвести изящные кривые музыкальных интервалов. В конце концов мне удалось совершенно устранить металл при его устройстве и ограничиться од-
Рис. 51,52. Устройство упрощенного гармонографа. ними лишь деревянными пластинками и дощечками.
Вот как я поступал при этом: к двум соседним краям рисовальной доски я прикрепил по паре маленьких деревянных параллельных пластинок (рис. 51), обитых на свободных концах небольшими кусочками жести, образующими углубления (рис. 52).
В эти углубления кладутся гвозди, поддерживающие маятники. Доска помещается на угол стола так, чтобы маятники совершали колебания в плоскостях, приблизительно, параллельных его краям.
Маятники сделаны мною из тонких планок с прикрепленными к ним перпендикулярно их длине небольшими деревянными брусками, на которых находятся по паре острых гвоздей, служащих им точками опоры. Приложенный здесь рис. 53 дает об этом понятие.
В верхние концы стержней маятников воткнуто мною вертикально по булавке, сквозь каждую из которых продеты стержни, соединяющие при помощи шарнира вершины обо-
Рис. 53. Детали механизма.
их маятников. Такое скрепление булавкой оказывается чрезвычайно удобным, и если постараться сделать отверстие стержней в шарнире в виде двойного конуса, как показано на рис. 53 с, то получится настоящее универсальное сочленение, позволяющее стержню всякого рода движения в небольших пределах.
Чтобы окончить с описанием устройства прибора, прибавим, что в месте соединения стержней, соединяющих вершины маятни-
Рис. 54. Форма шарнира.
Рис. 55. Общий вид гармонографа.
ков, помещается тонкая трубка, которая чертит кривые (рис. 55). Детали изображены на рис. 54.
Снизу к стержням маятников прикрепляются свинцовые грузы в форме кружков, которые можно устанавливать на желаемой высоте с помощью нажимного винта.
Свет и оптика
Произведя несколько опытов с механическими колебаниями, мы приблизились к изучению элементарной оптики.
ОЦЕНКА ИСТОЧНИКА СВЕТА
Часто затрудняются решить, какой из источников света наиболее выгоден. А между тем ничего не может быть проще решения этого вопроса.
Сравнивая различные источники света нужно иметь в виду требуемые ими расходы в течение определенного времени, цвет их пламени, их световую силу и ее постоянство.
Световая сила горелки выражается обыкновенно числом свеч, могущих ее заменить. При точных исследованиях этого рода употребляются дорогие приборы, но в данном случае, для того чтоб дать себе отчет о различных способах общеупотребительного освещения, легко обойтись домашними средствами.
Предположим, что требуется произвести световую оценку лампы, т. е. сравнить ее по яркости пламени со свечой. Для этого ставят на столе испытываемые источники света В и С (рис. 56), уравнивают их высоты и затем помещают перед ними непрозрачное тело А, а сразу за ним вертикально - большой лист бумаги, который послужит экраном.
Непрозрачное тело даст на экране две тени Е и F, одинаковой густоты которых легко достигнуть, приближая или удаляя от экрана какой-нибудь из двух сравниваемых источников света.
Достигнув этого, определяют световую силу на основании закона, по которому сила света двух источников обратно пропорциональна
Рис. 56. Простейший фотометрический прибор.
квадратам их расстояний АВ и АС от освещаемой поверхности.
Произведя целый ряд таких операций, можно составить таблицу мощности разных источников света (здесь не идет речь об электрических).
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
В ГРАФИНЕ
Преломление света можно наблюдать на самых обыденных явлениях. Например, погруженная в воду палка кажется нам надломленной. Можно также положить монету на дно чашки и, опуская понемногу голову, постараться сделать так, чтобы монета скрылась за краем сосуда. Но если при этом на-
полнить чашку водой, то монета появится снова, как будто дно, на котором она лежит, приподнялось.
Употребляемые физиками увеличительные стекла с большим успехом заменяются обыкновенным круглым графином, наполненным водой.
В темной комнате зажжена свеча. Если поместим графин между этим источником света и стеной, служащей в данном случае экраном, то увидим изображение предмета в обратном виде, что объясняется свойствами импровизированного нами увеличительного стекла (рис. 57).
Рис. 57. Графин, употребленный в качестве собирательного стекла.
ИМПРОВИЗИРОВАННАЯ ЛУПА
Превосходным «микроскопом» может служить стеклянный шар. Для этого достаточно только наполнить его чистой прозрачной водой и закрыть пробкой. Железная проволока, обмотанная вокруг горлышка этого шара и доходящая одним из своих концов до его фоку-
Рис. 58. Простой микроскоп, составленный из стеклянного шара, наполненного водой.
са, служит подставкой предмету, который желают рассмотреть в увеличенном виде. Наколотая, например, на конец проволоки муха будет казаться при этом чрезвычайно большой (рис. 58). Таким образом эта весьма простая по своему устройству лупа дает возможность рассматривать насекомое и различать подробности внешнего строения его тела. Ею можно пользоваться также еще и для того, чтобы усилить яркость слабого источника света, вроде стеариновой свечи, что практикуется нередко часовщиками.
Если находящийся на столе графин поставить так, чтобы на него падали лучи солнца, и в наиболее светлом месте фокуса, образуемого встречей преломленных лучей, поместить головку зажигательной спички, то последняя не замедлит воспламениться. Этот опыт мне удавался даже при октябрьском солнце, а тем с большим успехом, следовательно, его можно произвести в теплое время.
КРИВЫЕ ЗЕРКАЛА
Раз я проходил по галереям Парижской консерватории искусств и ремесел, когда они были открыты для публики и осаждались толпой любопытных. Число посетителей, теснившихся в оптическом кабинете перед искажающими изображения выпуклыми и вогнутыми зеркалами, было так велико, что сторожу при-
ходилось допускать к ним зрителей друг за другом, по очереди. Сколько тут было веселого детского смеха и несмолкаемых криков, когда посетители видели свои лица то вытянутыми - в одном зеркале, то сплюснутыми - в другом. Вот наблюдения чрезвычайно про-
Рис. 59. Искажение изображений в серебряном кофейнике. Вогнутые и выпуклые зеркала.
стые и обещающие большой успех, сказал я сам себе. Немногим приходило в голову их делать, а между тем у всякого найдутся к этому средства. Стоит только посмотреться в хорошо вычищенную мельхиоровую ложку или, еще лучше, в серебряный кофейник, а за неимением его - в медный блестящий самовар. Выпуклые части их представляют превосходные оптические зеркала: если к ним приблизить руку, то изображение ее получится в увеличенном виде и будет точно также обезображено, как в изящных приборах консерватории искусств и ремесел (рис. 59).
МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ
Далеко не все замечательные и блестящие явления требуют для своего воспроизведения сложных приборов. Примером этого служит мыльный пузырь, выдуваемый на конце соломинки (рис. 60).
В начале, когда диаметр жидкой сферы еще незначителен, окружающая ее оболочка бесцветна и прозрачна. Мало-помалу вдуваемый во внутрь пузырька воздух, производя равномерное давление на все части вогнутой поверхности, увеличивает ее размеры за счет толщины стенок, делающихся все более и более тонкими. С этого времени появляются один за другим, сначала в слабой степени, потом все ярче и ярче, ряд цветов, образующих
Рис. 60. Выдувание мыльных пузырьков с помощью соломинки. Явление цветных колец.
при своем смешении множество радужных оттенков. Наконец пузырек уступает давлению газа на его внутреннюю поверхность, на нем начинают являться черные пятна, и он разрывается. Этот простой опыт, эта столь
привлекательная для глаза детская забава не менее интересна с точки зрения ученых. Великий Ньютон первый сделал ее предметом своих исследований и глубоких размышлений. С тех пор цвета мыльного пузыря заняли подобающее им место между самыми интересными явлениями оптики. В физике они известны под именем цветных колец в тонких пластинках.
Электричество
Предметы домашнего обихода дают нам возможность познакомиться также и с электричеством.
ПРИТЯГИВАНИЕ И ОТТАЛКИВАНИЕ НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫХ
ПРЕДМЕТОВ
Достаточно потереть о сукно сургучную палочку, чтоб она тотчас же приобрела свойство притягивать к себе маленькие кусочки бумаги.
Нет ничего проще, как устроить небольшой маятник, при помощи которого можно наглядно показать явление электрического притяжения и отталкивания. Если к укрепленному в куске дерева железному стержню
привесить шелковинку с привязанным на конце ее пробковым шариком, то наэлектризованная трением палочка сургуча тотчас же притянет этот маленький шарик, как показывает рис. 61.
Рис. 61. Наэлектризованная палочка сургуча, притягивающая пробковый шарик.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
ИСКРА
Для получения электрической искры берут лист плотной рисовальной бумаги большого формата и, высушив его хорошенько перед топящейся печкой, расстилают на деревянном столе, после чего трут куском шерстяной материи до тех пор, пока он не пристанет к столу. Если теперь положить посередине листа связку ключей и поднять его за края, то, приближая палец к связке, из нее можно извлечь блестящую электрическую искру - электричество, накопившееся в бумаге, перешло на металл. При сухой погоде и достаточном нагревании бумаги, искра может достигать длины почти 2 см.
ЭЛЕКТРОФОР
Берут лакированный жестяной чайный поднос около 40 см длиной и обрезают по его формату лист толстой оберточной бумаги так, чтобы он легко укладывался на плоской части подноса, причем с каждой его стороны приклеивают сургучом по бумажной ленте для того, чтобы иметь возможность без труда снимать лист с подноса, который помещается на двух рюмках, служащих ему подставками. Вот вам и электрофор. Посмотрим теперь, как он действует.
Вырезанный лист держат некоторое время над сильным пламенем обыкновенной печки или хорошо разгоревшегося очага и повторяют эту операцию несколько раз так, чтобы бумага хорошо просохла и по возможности сильнее нагрелась. После этого, раньше чем лист
Рис. 62. Электрофор, устроенный из чайного подноса и листа бумаги.
охладится, его кладут на деревянный стол и сильно трут сухой и довольно твердой одежной щеткой. Потом перекладывают бумагу на поднос и, коснувшись к последнему пальцем, тотчас приподнимают ее за обе ленты. Теперь уже нетрудно извлечь из подноса заметную для глаз электрическую искру (рис. 62): стоит только к его краю приблизить палец. Затем можно снова положить бумагу на поднос и, повторяя предыдущий прием, получить вторую искру, потом - третью и т. д. до семи или восьми раз.
ЛЕЙДЕНСКАЯ БАНКА
Мы уже смастерили настоящую электрическую машину. Остается только смастерить лейденскую банку. Это очень просто сделать. Возьмем наполненный дробью стакан и воткнем туда металлическую ложку. Если все эти предметы достаточно сухи, то у нас получится превосходная лейденская банка.
Чтобы зарядить ее, обратимся к помощи нашего электрофора и заставим его действовать, как показано раньше. В то время, когда производящий опыты прикасается к краю подноса и поднимает лист бумаги, помощник его, взяв стакан за дно, приближает его к подносу таким образом, чтобы маленькая искра ударила в конец ложки. После нескольких последовательных искр лейденская банка заря-
дится. Теперь уже можно получить с помощью ее маленький электрический удар, если одной рукой держать стакан за дно, а другою прикоснуться к ложке (рис. 63).
Рис. 63. Лейденская банка, сделанная из стакана, столовой ложки и охотничьей дроби.
ВОЛЬТОВ СТОЛБ
Знаменитый французский естествоиспытатель XIX в. Луи Фигье в своей книге рассказывает, как сделать миниатюрный вольтов столбик. Для этого нужно удалить дно медного наперстка, например, сплюснув ударом камня его стенки почти до взаимного прикосновения, затем между ними нужно поместить маленькую цинковую пластинку, отделив ее от медной поверхности небольшим количеством сургуча. Эту микроскопическую пару помещают в стакан, наполненный слабым водным раствором серной кислоты. Если теперь соединить цинковую пластинку и окружающую ее медную муфту тонкой платиновой проволокой, последняя под влиянием проходящего через нее электрического тока сильно раскалится. Только размеры этой проволоки должны быть очень малы: всего около 0,001 мм в диаметре и 1 мм в длину.
Вследствие своих маленьких размеров проволока может не только раскалиться, а даже расплавиться под действием на нее миниатюрной батареи. Свидетель этого опыта, как пишет в своей книге Л. Фигье, даже успел зажечь от нее трут.
В этой маленькой батарее медь окружает цинковую пластинку со всех сторон. Следовательно, отрицательный электрод имеет большую поверхность, чем положительный.
простейшая буссоль
Нет ничего проще, как от электричества перейти к изучению магнитного поля и даже устроить буссоль. Возьмем маленькую пробку и проткнем ее насквозь в поперечном направлении металлической вязальной спицей (рис. 64). Последнюю предварительно намагнитим, расположив ее в направлении от N к S и слегка проводя по ней в одну и ту же сторону игрушечным подковообразным магнитом. Затем посадим пробку на швейную иглу, или лучше на булавку, конец которой помещается в одно из углублений на дне наперстка. Для того чтобы конструкция держалась в равновесии, в пробку следует воткнуть с двух противоположных сторон по спичке, к концу каждой из которых приклеить по восковому шарику. Так как весьма важно, чтобы столь чувствительный прибор был защищен от колебаний воздуха, то
В:А
D
Рис. 64. Экономическая буссоль.
поместите все сооружение на дно обыкновенной глиняной чашки (рис. 64), которую следует закрыть куском оконного стекла. Теперь остается только снабдить прибор делениями. Для этого на листе плотной бумаги вычерчивается циркулем круг, на который и наносятся деления. Кружок этот прикрепляется внизу, как показывает рис. 64. Наконец внутри чашки, против северного конца стрелки, приклеиваем воском заостренный кусок спички N. Таким образом мы получили неплохую и крайне дешевую буссоль.
Можно сделать компас по-другому - намагнитить швейную иголку и, смазав ее немного салом, поместить в стакан с водой. При таком условии она становится способной плавать на поверхности воды, обращаясь всегда одним из своих концов к северному магнитному полюсу.
На этом описании простейшего устройства буссоли мы считаем возможным закончить нашу попытку элементарного исследования физических явлений. Ничего нет полезнее такого рода практических работ и всевозможных наблюдений в области материального мира. Галилей открыл закон колебания маятника, наблюдая в церкви движение качающейся лампады. Ньютона навело на мысль о всемирном тяготении упавшее с дерева яблоко. У Паскаля в первый раз явилась идея об исследовании законов акустики, когда он услышал за столом звук фаянсового блюда,
по которому по неосторожности кто-то ударил ножом.
Мы могли бы дать описание гораздо большего числа физических опытов, не требующих для своего производства особых приборов, но полагаем, что их приведено здесь достаточно для того, чтобы наши читатели приобрели навык самостоятельно изобретать новые. В следующей главе перечисляется, из другой области, множество явлений, которые могут быть изучаемы без помощи каких-либо аппаратов.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ЗРЕНИЕИ ОПТИЧЕСКИЕИЛЛЮЗИИ
Глаз - чрезвычайно деликатный оптический инструмент, и явления, обусловливаемые зрением, можно отнести к числу наиболее сложных. Эту главу мы исключительно посвятим описанию интересных иллюзий, составляющему как бы продолжение только что изложенного сюжета. Наблюдение этих иллюзий, как мы сейчас увидим, не требует никаких дорогостоящих аппаратов. Приведем несколько примеров.
ЧЕРНЫЙ И БЕЛЫЙ КВАДРАТЫ
Мы не можем точно определить размеры щелей или узких отверстий, через которые проходит яркий свет: они кажутся нам всегда шире. В решетке из тонких прутьев, толщина которых равна ширине промежутков между ними, последние всегда кажутся шире, когда через них проходит свет. Рис. 65 представляет белый квадрат на черном поле и черный квадрат - на белом. Хотя оба эти квадрата совершенно одинаковых размеров, белый кажется больше черного.
Рис. 65. Белый квадрат кажется больше, чем черный.
ШАХМАТНАЯ ДОСКА
Тонкую проволоку перестают видеть, когда она находился между глазом и солнечным диском или пламенем яркой лампы: две освещенные поверхности, расположенные в поле зрения по обе стороны тонкой нити, расплываются и как бы захватывают одна другую своими соседними краями. На рисунках вроде шахматной доски, составленных из белых
Рис. 66. Углы белых квадратов кажутся сливающимися.
и черных квадратов (рис. 66), углы белых квадратов сливаются и разделяют черные квадраты.
Если держать край линейки между глазом и солнечным или ярким ламповым светом, то на ее ребре, обращенном к источнику света, чрезвычайно отчетливо заметим выемку.
ВРАЩАЮЩИЕСЯ ДИСКИ
Когда какая-нибудь точка ретины испытывает световое ощущение, подвергающееся коротким периодическим переменам, то результатом этого явится постоянное зрительное впечатление, подобное тому, какое должно было бы произойти, если бы действие света в продолжение каждого из периодов было распределено между ними равномерно.
Чтобы проверить точность этого закона, можно воспользоваться диском вроде изображенного на рис. 67, если заставить его вращаться с помощью волчка, который мы не замедлим описать ниже. Внутренний круг диска — наполовину белый, наполовину черный. В средней его части белый и черный цвета чередуются по четвертям круга, а во внешней - по восьмым его частям. Если подобный диск заставить вращаться, то он покажется нам весь окрашенным в равномерно серый цвет. При этом только его следует вращать по возможности быстро, чтобы производимый им
Рис. 67. Диск, кажущийся при вращении серым.
эффект был одинаков во всех его частях, не исключая внутренней. Можно распределить в этом диске белый и черный цвета и не в равной пропорции, лишь бы только во всех кружках сумма углов, занятых белым цветом, была одинакова. Вместо взятых нами цветов можно брать какие угодно, лишь бы только они были распределены в одной и той же пропорции в
Рис. 68. Диск со звездой, нарисованной на светлом фоне.
каждом из кругов, и мы всегда получим при вращении прибора равномерно распределенный на нем составной цвет.
Если на диске нарисована звезда, окрашенная в другой цвет, нежели ее фон (рис. 68), то, при быстром вращении этого диска, центр его будет казаться одинакового цвета со звездой, окраины примут окраску фона, а промежуточные части диска дадут непрерывный ряд переходных оттенков от одного из употребленных цветов к другому.
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВРАЩЕНИЯ ДИСКОВ
Вращающиеся диски, вошедшие в употребление при физико-оптических опытах, были впервые применены Мушенброком. В простейшем случае можно воспользоваться обыкновенным волчком. Наиболее практичным приспособлением является рукоятка, представленная на рис. 69.
Несколько в другом роде устроен волчок Бюзольда (рис. 70), которым пользуются для получения очень быстрого вращения. Диск его, приготовленный из сплава свинца с цинком, весит пять фунтов и достигает 11 см в диаметре. Латунная ось волчка оканчивается снизу притупленным острием из мягкой стали, а ее верхняя цилиндрическая часть имеет шероховатую поверхность, что способствует более плотному прилеганию к ней обвиваю-
Рис. 69. Запускание волчка с раскрашенными кружками.
щей ее нити. При «запускании» волчка, его ось предварительно обвивают шнурком и помещают во впадины железного стремени, затем подставляют под него тарелку и, придерживая левой рукой скрепленный со стременем рычаг, сильным движением правой руки
Рис. 70. Хроматический волчок Бюзольда.
разматывают нить. Когда прибор начнет вращаться, его освобождают из стремени и снимают прямо на тарелке. Если сматывать шнурок сильно, то можно заставить волчок вращаться со скоростью шестидесяти оборотов в секунду, причем движение его сохраняется очень долго.
СТРОБОСКОПИЧЕСКИЕ КРУГИ
Стробоскопические диски представляют собою картонные кружки от 15 до 20 см в диаметре (рис. 71) по окружности которых расположено, в равном друг от друга расстоянии, некоторое число (8-12) фигур, представляющих последовательные фазы какого-нибудь периодического движения. Этот диск помещают на другой непрозрачный круг, по краям которого столько же отверстий, сколько на первом находится фигур, и затем посредством гайки оба кружка прикрепляют к внешнему концу маленькой железной оси, противоположная оконечность которой поддерживается рукояткой. Желая воспользоваться прибором, держат его перед зеркалом той стороною, где нарисованы фигуры и помещают глаз так, чтобы видеть изображения этих фигур сквозь щели большего диска.
Когда прибор начнет вертеться, отражающиеся в зеркале стробоскопические рисунки покажутся совершающими на одном месте те
самые движения, различные фазы которых они изображают. Означим цифрами 1, 2, 3 и т. д. последовательно открывающиеся глазу отверстия непрозрачного кружка и теми же цифрами отметим фигуры, находящиеся на соответствующих им радиусах. Наблюдатель, смотрящий в зеркало через отверстие 1, увидит тотчас же и отраженную в нем соответствующую фигуру; как только вращением диска отверстие переместится, картон закроет зеркало до того момента, когда перед глазом появится отверстие 2 и находящаяся под ним фигура займет место предыдущей; потом снова все исчезнет до появления отверстия 3 и ле
Рис. 71. Стробоскопический кружок.
жащей ниже его фигуры и т. д. Если бы рисунки были одинаковы между собой, наблюдатель получил бы ряд подобных одно другому зрительных впечатлений, которые, при достаточной быстроте вращения, слились бы вместе и дали бы изображение одного неподвижного предмета. Если фигуры несколько различны между собою, то световые ощущения и здесь сольются в одно, но теперь они уже произведут впечатление непрерывно изменяющегося предмета, сообразно различию последовательных фигур.
ВОЛЧОК ДАНСЕРА
При неодинаковой скорости вращения дисков получается новый ряд явлений. Между приборами, служащими для этой цели, проще других волчок Дансера из Манчестера (рис. 72). Из приложенного рисунка видно, что на оси волчка есть еще второй диск, с прикрепленной к его краю нитью и испещренный отверстиями различной формы. Этот второй диск, вследствие своего трения об ось, также принимает участие в общем движении волчка, но вращение его менее быстро по причине сопротивления, оказываемого воздухом нити, которая движется в общем круговороте. Если секторы нижнего диска окрашены различными цветами, то при вращении волчка нам будет казаться, что число отверстий верхнего диска
Рис. 72. Волчок Дансера.
увеличилось. При этом цвета нижнего кружка образуют очень пеструю фигуру, движущуюся то равномерно, то скачками.
ОЦЕНКА ГЛАЗОМ РАССТОЯНИЙ
Будем продолжать наши наблюдения и расскажем об иллюзиях, который известны под именем оценки глазом расстояний.
Так, например, одно и то же пространство кажется всегда больше, если его разделить на части. Поэтому длина ab на рис. 73 кажется равной Ъс, хотя в действительности ab
длиннее.
Рис. 73. Длина ab кажется равной Ъс.
Рис. 74. А и В вполне - правильные квадраты.
Иллюзии этого рода становятся еще более разительными, когда сравниваемые пространства разделены в различных направлениях. Из двух фигур А и В (рис. 74), представляющих собою точные квадраты, А кажется более длинной чем широкой, В, наоборот, более широкой, чем длинной.
Та же иллюзия является в большинстве примеров, известных из обыденной жизни. Пустая комната кажется меньше меблированной; стена, оклеенная обоями, - больше голой стены. Женщина, одетая в платье с поперечными полосками, всегда кажется выше ростом.
Нередко в обществе, в виде забавы, предлагают кому-нибудь шляпу и просят его отметить знаком на стене ее высоту, считая от пола. Обыкновенно в этом случае высота определяется в полтора раза больше надлежащего.
Приведем описание одного факта, замеченного Браве: «Если наблюдатель, находясь в открытом море, на некотором расстоянии от берега, имеющего неровную поверхность, срисовывает местность так, как она представля-
ется глазу, то после проверки сделанного оказывается, что при известном масштабе горизонтальных размеров картины вертикальные расстояния на ней будут вдвое больше по сравнению с действительностью. Эти неизбежные иллюзии в такого рода оценках расстояний не зависят от индивидуальных особенностей рисующего: общность их доказывается многочисленными наблюдениями».
ПРЕРВАННАЯ ЛИНИЯ
Несколько оптических иллюзий обнаружил Гельмгольц.
На рис. 75 продолжением линии а кажется не d, как это есть на самом деле, а /, лежащая несколько ниже. Эта иллюзия увеличивается еще больше, если фигуру сделать в меньшем
Рис. 75. d есть продолжение линии а.
Рис. 76. Тонкие линии по обе стороны фигуры Влежат на продолжении друг друга.
масштабе (рис. 76). Две тонкие линии на рис. 76В хотя и служат продолжением одна другой, но на самом деле не кажутся такими. Напротив, на рис. 76С они сливаются для глаза в одну прямую, тогда как на самом деле это не так. Если нарисовать несколько фигур подобных А (рис. 76), но без части d, и рассматривать их, постепенно удаляя от глаза на большее и большее расстояние, то увидим, что, чем дальше отстоит от нас рисунок, тем ниже пдолжна быть опущена часть f для того, чтобы она казалась продолжением линии а.
ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ
На рис. 77, А и В представляют образчики иллюзий, указанные Герингом: прямые линии ab и cd на самом деле параллельны, а между тем они кажутся выгнутыми на рис. А и вогнутыми на рис. В.
Но самый разительный пример представлен на рис. 78. Он был опубликован Цольнером.
Рис. 77. Горизонтальные линии ab и cd строго параллельны между собой, но под влиянием наклонных линий кажутся выпуклыми и вогнутыми.
Черные вертикальные полосы на рис. 78 в действительности параллельны между собой, но кажутся сходящимися и расходящимися в стороны, обратные направлению наклонных линий, которые их пересекают. В то же время половины последних перемещаются, подобно тому, как половины тонких линий на рис. 76. Если повернуть рисунок так, чтобы толстые линии составили с горизонтом угол в 45°, то кажущаяся расходимость их сделается еще резче, между тем как в половинах коротких поперечных линий уклонение от прямолинейности теперь замечается меньше. Отсюда можно заключить, что направление линий горизонтальных и вертикальных слабее подвергается кажущемуся изменению, нежели тех, которые пересекают поле зрения наискосок.
Рис. 78. Вертикальные полоски, параллельные между собой, кажутся сходящимися или расходящимися под влиянием наклонных линий.
Еще римлянам очень хорошо было известно действие на глаз наклонных линий. На картинах стенной живописи в Помпее встречаются такие линии, чтобы удовлетворить зрительному впечатлению, находящемуся под влиянием соседних с ними линий. Граверы на меди точно также изучили влияние штрихов на параллелизм линий и часто принимают в расчет эффекты, производимые этими побочными штрихами на гравюру.
В некоторых орнаментациях, где не обращено внимания на физиологический эффект, встречаются иногда параллельные линии, которые вовсе не кажутся такими, вследствие находящихся рядом с ними наклонных, пря-
мых. Подобное явление можно видеть в Лионском вокзале в Париже, а именно на потолке одного из залов (la halle), крытого паркетом в венгерском вкусе: длинные линии, параллельные потолку, кажутся сходящимися под действием на них наклонных линий, образуемых кусками паркета.
ТОМАТРОП
Мы переходим теперь к тому ряду опытов, или приборов, которые основаны на зрительных иллюзиях, происходящих вследствие способности глаза удерживать получаемые им впечатления. Томатроп принадлежит к весьма старинным игрушкам, где применяется только что указанный принцип.
Этот прибор представлен на рис. 79 и 80 и состоит из картонного диска, приводимого пальцами во вращательное движение вокруг оси, образуемой двумя шнурками. На одной стороне кружка нарисована клетка а, на другой - птица b (рис. 79). Если прибору сообщить
Рис. 79. Кружки томатропа с разных сторон.
Рис. 80. Вид томатропа при вращении.
быстрое вращательное движение, то глаз увидит оба рисунка одновременно, вследствие чего получается одно изображение птицы, сидящей в клетке (рис. 80). Понятно, что для томатропа можно использовать самые разнообразные рисунки.
СТРОБОСКОП
Многим из читателей, по всей вероятности, известны иллюзии, производимые вращающимся диском Плато. Этот прибор называется стробоскопом. Сквозь узкие щели его видны
Рис. 81. Стробоскоп Плато.
рисунки, где изображен какой-нибудь движущийся предмет в различных его положениях. Вследствие способности глаза удерживать получаемые им впечатления, человеку представляется нарисованный предмет совершающим те самые движения, отдельные фазы которых изображают рисунки (рис. 81).
ЗООТРОП
Зоотроп (рис. 82) представляет собою усовершенствование предыдущего прибора. Он состоит из вращающегося вокруг центральной
оси картонного цилиндра с проделанными в нем на равном расстоянии вертикальными щелями; сквозь них можно видеть фигуры, нарисованные на бумажной ленте, находящейся внутри цилиндра напротив каждой щели. Фигуры эти представляют последовательные фазы движений, взятые между их крайними пределами. При таких условиях наблюдателю, смотрящему внутрь вращающегося прибора, представляется правильно движущаяся фигура.
Мы даем (рис. 83) миниатюрные образцы нескольких рисунков, предназначенных для зоотропа. На них изображены обезьяна, скачущая через изгородь; танцующий полишинель; жандарм, преследующий вора; некий
Рис. 82. Зоотроп.
лишний SSSISS^^
Рис. 83. Образцы зоотропических фигур.
франт, старающийся удержать за хвост черта; вор, пытающийся выйти из сундука, но постоянно удерживаемый в нем усилиями жандарма; охотник, убивающий птицу. Крайние пределы движений представлены на правом и левом рисунках, промежуточные же фигуры изображают последовательные переходы от первых ко вторым. Рисунков по числу столько же, сколько щелей.
Подобный прибор нетрудно сделать самому. Сюжеты рисунков можно выбрать для него более содержательные, чем нарисованные нами здесь лавочные картинки. Можно, например, представить земной шар, вращающийся в пространстве, или двигающийся вверх и вниз поршень насоса. При таком употреблении зоотроп сделается настоящим научным прибором.
Только что описанный нами инструмент принадлежит к самым любопытным оптическим приборам и возбуждает собою всегда живой интерес. Во всех этих несомненно остроумных аппаратах, воспроизводящих зрительные иллюзии, одну из главных ролей играют узкие щели, которые в довольно сильной степени уменьшают световую силу прибора. Но этого мало. Ослабляя в значительной пропорции освещение и, следовательно, вместе с ним ясность и отчетливость рисунка, они, кроме того, требуют еще большой скорости вращения, без которой отдельные зрительные ощущения не могли бы слиться в одно цельное впечатление.
ПРАКСИНОСКОП
Мы представим теперь прибор, основанный на совершенно других началах. В праксиноскопе (этот новый прибор назван так самим изобретателем его, Эмилем Рейно, французским изобретателем и популяризатором науки, предвосхитившим анимационное кино) замена одного рисунка следующим делается без всякого перерыва в зрительном ощущении, сплошным образом и, следовательно, без заметных уменьшений в световой силе. Словом, глаз постоянно видит изображение, которое тем не менее не перестает перед ним непрерывно изменяться.
Вот каким образом был достигнут этот результат. После тщетных усилий найти возможность заменять механическими средствами последовательные рисунки один другим, не нарушая непрерывности зрительного впечатления, изобретатель напал на мысль произвести такую замену не на самих рисунках, а на их отражениях в зеркале. Ниже приведем принцип действия прибора.
Предположим (рис. 84), что зеркало АВ поставлено на некотором расстоянии от рисунка CD, тогда мнимое изображение последнего будет видно в C'D'. Вокруг точки О, средины C'D', как центра, заставим вращаться с одинаковой скоростью зеркало и находящийся против него рисунок. Пусть BE и DF будут их новые положения. Тогда изображение пе-
Рис. 84. Объяснительный чертеж к праксиноскопу.
реместится в C"D", а ось врахцения останется на том же месте.
В АВ и CD, где первоначально находились зеркало и рисунок, поставим теперь другое зеркало и другой рисунок. Предположим, что глаз находится в точке М, тогда в OD” он увидит половину первого рисунка, а в ОС' - половину второго. Продолжая движение системы, мы вскоре увидим зеркало № 2 в ТТ, а рисунок № 2 в SS'; изображение же последнего в этот момент будет находиться в C"'D"' и представится глазу в целом виде. Вслед затем зеркало № 2 и соответствующий ему рисунок перейдут в BE и DF: теперь представим себе новое зеркало с соответствующим рисунком в АВ и CD, и явление повторится в той же последовательности. Таким образом получается непрерывный ряд сменяющихся изображений.
В действительности прибор Рейно состоит из многогранной или цилиндрической коробки (рис. 85) с помещенной на ее оси призмой вдвое меньшего диаметра, грани которой снабжены плоскими зеркалами. Картонная полоска, на которой изображен ряд рисунков одного и того же сюжета, но в различных фазах действия, кладется внутри коробки вдоль ее стенок таким образом, чтобы каждая фигура находилась перед соответствующей гранью зеркальной призмы. Достаточно сообщить прибору умеренное вращательное движение, и в центре призмы зритель увидит непрерывно разворачивающееся действие.
Рис. 85. Праксиноскоп Рейно.
Вечером достаточно одной свечи над стержнем коробки, чтобы дать возможность большому числу окружающих лиц быть одновременно свидетелями производимого действия.
Рейно сделал праксиноскоп большого размера, позволяющий производить демонстрации перед многочисленной аудиторией. Помимо этого остроумный изобретатель усовершенствовал свой прибор. В так называемом праксиноскоп-театре ему удалось получить
картины с декорациями, нечто вроде маленькой сцены лилипутов, на которой чрезвычайно рельефно выступают оживленные предметы.
Для этого Рейно использовал в праксино- скопе силуэты на черном фоне. Затем, чтобы получить декорации, он проецировал на черный фон изображений цветной рисунок с помощью зеркального стекла без наводки на него амальгамы. Известно свойство прозрачного стекла давать изображения предметов, находящихся перед ними, не скрывая в то же время тех, которые лежат по другую их сторону. Подобного рода оптические эффекты получили применение в театрах и известны в физических курсах под именем неосязаемых призраков, о чем мы расскажем позже.
Декорации помещены в крышке, удерживаемой в вертикальном положении с помощью крючка и служащей передней стенкой прибора (рис. 86). В этой перегородке сделано также прямоугольное отверстие, через которое зритель, смотрящий обоими глазами сразу, видит одновременно оживленное изображение, даваемое праксиноскопом, и отражающуюся в прозрачном стекле неподвижную декорацию.
Наклон этого прозрачного стекла к декорации и расстояние между ними таковы, что изображение переносится за оживленный предмет, который как бы выступает на фоне декорации. Эффект усиливается еще более при рассматривании картинки обоими глазами.
Рис. 86. Новый праксиноскоп-театр Рейно.
Понятно, что для перемены декораций достаточно поместить рисунки пейзажей, монументов и т. д. на отдельной движущейся в пазах дощечке.
Праксиноскоп-театр действует вечером так же хорошо, как и днем; разница лишь в том, что в первом случае его освещают посредством свечи, снабженной посеребренным рефлектором и абажуром, а во втором - ставят перед хорошо освещенным окном.
ВОЛШЕБНЫЙ ВОЛЧОК
Из других игрушек, основанных на способности глаза сохранять впечатления, мы упомя-
нем о волшебном волчке. Этот маленький прибор до такой степени замечателен, что должен бы был, по нашему мнению, составлять принадлежность каждого физического кабинета; его можно считать остроумным усовершенствованием волчка с цветным диском Гельмгольца. Он состоит из металлического, довольно массивного волчка, приводимого в движение с помощью бечевки, навивающейся на шейку вокруг верхней части его оси. Последняя просверлена внутри, вследствие чего в ней может помещаться металлический стержень с рукояткой, за которую его держат в руке.
Волчок ставят в маленькую фарфоровую чашечку и приводят в вертикальное положение с помощью находящегося в левой руке стержня, вокруг которого он свободно вращается. Затем сильно тянут веревку правой рукой, после чего выдергивают стержень. Волчок переходит во вращение, продолжающееся довольно долго. На него кладут просверленные в центре диски всевозможных цветов и различных размеров; все они вращаются вместе с волчком и смешением своих цветов производят самые разнообразные эффекты. Диски желтые, синие, красные, будучи наложены последовательно друг за другом, дают впечатление зеленых, фиолетовых, оранжевых концентрических кругов, в высшей степени эффектных. Кроме того, в отверстие оси волчка можно вставлять длинные металлические прутья, накалывая на
них тонкие вырезки из картона, сходные с теми, который показаны слева на рис. 87. Скрепленные между собою спицы и картонные фигуры принимают участие во вращательном движении волчка и, представляясь глазу наблюдателя одновременно во всех сво-
Рис. 87. Волшебный волчок во время вращения.
их последовательных положениях, производят впечатление то вазы (рис. 87), то шара, то чаши, смотря по форме употребленной вырезки.
Явления, производимые волшебным волчком, до крайности разнообразны. Можно, кроме того, заставлять вращаться картонные диски на различных уровнях или надеть на центральный стержень картонный кружок с нарисованными на обеих его сторонах фигурами, причем они будут производить явления, встречающиеся в томатропе.
ВРАЩАЮЩИЕСЯ КРУГИ
Ряд оптических иллюзий до того обширен, что перечислить их все нет никакой возможности. Из них мы приведем лишь несколько примеров в другом роде и тем закончим эту главу.
Сильван Томсон, профессор университетской коллегии в Бристоле, открыл замечательные примеры оптической иллюзии. Рассмотрим сначала, в чем состоит открытое Томсоном явление. Строго говоря, мы должны были бы сказать не «явление», а явления, потому что в действительности их два: впрочем приложенные здесь рисунки лучше всего выразят нашу мысль (рис. 88-90).
Первый стробоскопический кружок (так назвал его сам изобретатель) состоит из кон
Рис. 88.Рис. 89.
Оптические иллюзии Томсона. Сообщите круговое движение этим фигурам, и они покажутся вращающимися вокруг своего центра.
центрических колец, каждое приблизительно в 1,2 мм в ширину, разделенных такими же промежутками (рис. 88); эти размеры, однако, не составляют непременного условия в приборе и изменяются вместе с расстоянием, на котором он должен рассматриваться. В том случае, когда прибор желают показать перед более или менее многолюдной аудиторией, ширина его колец может достигать нескольких сантиметров. Если взять листок с рисунком в руку и сообщить ему незначительное круговое движение в плоскости рисунка, то изображенный на нем кольчатый диск покажется вращающимся вокруг своего центра, в сторону движения рисунка и с той же скоростью. Для усиления эффекта стараются смот-
реть не прямо на круг, а на какую-нибудь соседнюю с ним точку.
Для второго опыта берут черный круг, на поверхности которого находятся зубцы, отделенные один от другого правильными промежутками (рис. 89). Поступая с ним так же, как указано выше, мы заметим, что он вращается вокруг своей оси, но в сторону, обратную действительному движению рисунка. Эффект усиливается, если не смотреть прямо на фигуру, и достигает своей наибольшей силы, когда зубчатое колесо окружено изображенными на рис. 90 кольчатыми кругами, пестрота которых не позволит останавливать на первом исключительное внимание глаза.
Рис. 90. Круги кажутся вращающимися, если рисунку сообщают слабое круговое движение.
ОБМАН ЗРЕНИЯ
Если пристально смотреть две-три минуты на водопад и затем быстро перенести взгляд на соседние скалы, то последние покажутся движущимися снизу вверх. Понятно, что здесь речь идет не об эффекте относительного движения, который можно получить, смотря одновременно на воду и на скалы. В указанном нами случае приходится смотреть последовательно - сначала на воду, а потом на скалы.
На быстрой реке, например на Рейне, выше водопада Шаффуза, течение воды не везде имеет одинаковую скорость: в середине оно значительно быстрее, чем у берегов. Если пристально посмотреть сначала на центральную часть реки, а потом быстро перенести взгляд к берегам, то нам покажется, что там вода поднимается к истоку.
Похожий эффект имеет место, когда с железнодорожного поезда на большой скорости смотрят на остающуюся позади него, например, деревню. Удаляющиеся предметы кажутся пристально устремленному на них глазу постепенно уменьшающимися. Если теперь моментально перенести взгляд внутрь вагона на неподвижные относительно наблюдателя предметы вроде перегородок или фигур попутчиков, то они покажутся и увеличивающимися в размерах, и приближающимися.
Таковы несколько интересных фактов, которые могут быть присоедины к явлениям, обязанным своим открытием Томсону.
ПРИЗРАЧНАЯ ФИГУРКА
Брюстер и Аддамс описали не менее интересные иллюзии. Опыт, который можно произвести с помощью приложенного здесь рисунка, основан на некоторой продолжительности зрительных впечатлений и на оптическом свойстве дополнительных цветов.
Мы помещаем здесь небольшую фигурку на черном фоне (рис. 91). Попробуйте пристально смотреть на черное ромбическое пят-
Рис. 91. Смотрите пристально на эту фигуру, фокусируя взгляд на черном ромбическом кружке посередине, затем направьте быстро ваш взгляд в какую-нибудь точку на потолке, и вы увидите там изображение такой же точно черной фигуры на белом фоне.
но в ее середине, и когда почувствуете некоторое утомление глаз (для чего нужно не более полуминуты), перенесите взгляд на белый потолок. Через 15—20 секунд вы увидите на нем отчетливый силуэт черной фигуры на белом фоне.
Этот весьма несложный опыт лучше производить при ярком свете. Существует еще один случай подобного же явления, основанный на свойстве дополнительных цветов. Если смотреть таким же образом на хорошо освещенный красный рисунок, например, на туза червей, то на потолке увидим его силуэт, но окрашенный в зеленый цвет.
МЕРТВАЯ ТОЧКА
Напомним нашим читателям еще об одном замечательном опыте, которым доказывается существование так называемой мертвой точки на сетчатке глаза. Опыт этот легко удается при помощи рис. 92. Закройте левый глаз левой же рукой, а в правую возьмите эту книгу, открыв ее на рис. 92. Смотрите теперь только на один маленький черный крест, приближая в то же время книгу к ва-
Рис. 92. Определение мертвой точки глаза.
шему лицу: в определенный момент ваш глаз перестанет видеть черный круг. Приблизьте рисунок еще немного, и два изображения - крест и черный круг - появятся снова. Такое явление объясняется существованием в глазу точки, нечувствительной к действию световых лучей; она-то и называется мертвой точкой.
ТРУБКИ
И ОТВЕРСТИЯ
Проколите булавкой отверстие в визитной или обыкновенной игральной карте. Рассматривая сквозь него какой-нибудь предмет на весьма близком расстоянии (например, печатный шрифт на расстоянии около 2 см), вы увидите, что оно, подобно лупе, увеличивает изображение предмета.
Рис. 93 представляет весьма занимательный и легко воспроизводимый физический опыт. Сверните в трубку лист почтовой бумаги, и, взяв трубку в левую руку, посмотрите через нее на какой-нибудь предмет правым глазом, не закрывая при этом левого. Если вы рассматриваете предмет, находящийся от вас на расстоянии нескольких метров, например статуэтку, то вам покажется, что вы видите его левым глазом сквозь кольцо, точно так, как показывает верхняя часть рисунка (рис. 93).
Рис. 93. Опыт, при котором трубка кажется отверстием в плоской поверхности.
КОЛЕНЧАТАЯ ЗРИТЕЛЬНАЯ ТРУБА
Множество чрезвычайно интересных оптических иллюзий получается с помощью зеркал. Примером подобного рода опытов может служить коленчатая зрительная труба, установленная на закрытом со всех сторон пьедестале и позволяющая видеть предметы через не-
Рис. 94. Коленчатая зрительная труба.
прозрачные перегородки. Рис. 94 помогает понять устройство этого прибора. Наблюдатель видит через окуляр помещенный перед объективом предмет несмотря на то, что трубу разделяет большой непрозрачный куб. Изображение предмета отражается от четырех скрытых в нижней части инструмента наклонных зеркалах. Пьедестал трубки с ее нижней частью, представленный у нас на рисунке открытым, в действительности нужно закрыть со всех сторон, тогда иллюзия получится полной.
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ
И КОНИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА
Вогнутые и выпуклые зеркала странно искажают изображения и производят чрезвычайно интересный эффект. При опытах с ними часто употребляются особые рисунки, известные под именем превратных изображений
Рис. 95. Анаморфический рисунок жонглера.
или анаморфоз. Они представляют собой изображения предметов, нарисованные по известным правилам и до такой степени искаженные, что если их рассматривать без помощи зеркала, то в них ничего нельзя заметить, кроме безобразных очертаний. На рис. 95 показана анаморфоза для цилиндрического зеркала. Уродливый рисунок на положенной горизонтально бумаге, отражаясь в зеркале, дает изображение жонглера. Маленький жонглер отчетливо виден в зеркале и совершенно неузнаваем на рисунке. Можно употреблять также конические зеркала, дающие эффекты, не менее интересные. Легко приготовлять самим подобные изображения, что может служить и превосходным упражнением, и в то же время дает возможность приятно провести время.
ЖИВАЯ ГОЛОВА
Одним из самых замечательных приложений зеркал к увеселительной физике должно считаться, бесспорно, то, которое встречается в опыте с говорящей головой.
В позапрошлом веке говорящая голова считалась редкостью и пользовалась в Париже, а также в большей части других городов Европы, громадным успехом. Посетители смотрели издали в маленькую залу, вход в которую не был дозволен, и их глазам представлялся треножный столик, а на нем блюдо, где л ежа-
ла отрезанная человеческая голова. Голова эта двигала глазами, делала гримасы, говорила и, конечно, принадлежала живому человеку, туловище которого было каким-то образом скрыто (рис. 96).
Зрителям казалось, что они видят под сто
лом пустое пространство, но на самом деле именно там и сидел человек, скрывавшийся
между двух зеркал, поставленных между ножками стола под углом в 45° к правой и левой стенам охраняемой от входа залы. В комнате все было расположено таким образом, что изображения в зеркалах совпадали с видимыми частями стены, находившейся в глубине залы. Если бы кто-нибудь бросил камень между ножками стола, то разбившееся зеркало тотчас открыло бы весь секрет замечатель-
Рис. 96. Говорящая голова.
ного фокуса. Подобная злая шутка в конце концов и случилась. Для достижения полной иллюзии необходимо, чтобы стены были совершенно одинаковы как по окраске, так и по ширине карниза.
ТЕАТРАЛЬНЫЕ ПРИЗРАКИ
В последнее время на многих лондонских и парижских театрах получило большую популярность оптическое явление, известное под именем живых призраков, изобретенных Робеном. Чтобы лучше уяснить себе причину появления «призраков», упомянем о явлении, которое приходилось наблюдать каждому из нас. Если во время ночного движения железнодорожного поезда посмотреть на стекло вагонного окна, то мы заметим в нем бледное и несколько расплывчатое изображение пассажиров, сидящих на противоположных скамьях. Причину этого явления следует искать в отбрасывании света стеклами, который, действуя наподобие зеркал отражают падающие на них лучи; что касается бледности и неясности изображений, причиной является то, что большая часть падающего на стекла света проникает сквозь них, отражается же лишь небольшое его количество. То же самое происходит, если вечером с хорошо освещенной улицы смотреть на витрину магазина, в котором темно: мы увидим в нем изображение противоположной стороны улицы со сную-
щими по ней пешеходами и автомобилями. Днем подобные явления не случаются, потому что сильный солнечный свет делает бледные изображения невидимыми для нас, подобно тому, как мы не видим днем звезд.
Эти-то световые явления и были использованы Робеном для показа в театрах живых привидений. Рис. 97 представляет устройство всех приспособлений. Под помостом сцены, невидимо для зрителей, помещался драпированный в саван актер, изображение которого должно представлять привидение. Сразу за перегородкой, которая отделяет актера от публики, усаживался скромный служитель с потайным фонарем, внутри которого горел так называемый гремучий газ, накаливающий добела кусок мела. Свет этой горелки, нисколько не уступающий по своей силе электрическому, направлял-
Рис. 97. Живые призраки.
ся на актера, от которого лучи его отбрасывались на наклонное зеркальное стекло, находящееся сбоку от служителя. От этого зеркала почти все лучи отражались на прозрачное стекло, также наклоненное. Последнее действует подобно вагонным окнам и магазинным витринам, о которых мы говорили, и пропускает через себя большую часть падающего на него света, отражая лишь незначительное его количество, но так как во время подобных представлений зал всегда остается в полумраке, то его бывает достаточно для образования перед зрителями туманного изображения призрака. Если затем на сцену выйдет другой актер, то публика будет его видеть весьма отчетливо через стекло, которое, для большей незаметности, тщательно декорируется. Актер этот обыкновенно становится на одном расстоянии с изображением и производит ряд движений, согласующихся с заранее условленными движениями своего нижнего товарища, вследствие чего достигается полный обман зрения. Результаты, полученные Робеном в подобных иллюзиях, превосходили пределы вероятного. Особенно обращал на себя внимание публики фантастический Сон Паганини.
Те же самые явления можно было бы получить и с одним стеклом, но так как при этом вследствие законов преломления изображение призрака получалось бы очень наклонным, то для выпрямления последнего актеру было бы необходимо принимать неестественное положение, сильно затрудняющее как его тело, так и
саму игру. Напротив, с двумя стеклами, представленными на предыдущей фигуре, актер сохраняет свою натуральную позу.
ПРИБОР ДЛЯ РИСОВАНИЯ
В последнее время изображениями, получаемыми аналогичным способом, воспользовались для того, чтобы облегчить обучение рисо-
Рис. 98. Прибор для рисования посредством оптического изображения оригинала.
ванию, используя их в устройстве небольшого, весьма остроумно придуманного прибора.
На черной доске вертикально укреплено стекло (рис. 98). По одну сторону этого стекла кладут рисунок для копирования. Если теперь поместиться таким образом, чтобы зрительная ось проходила через стекло наклонно, то легко заметить по другую его сторону весьма отчетливое изображение оригинала, которое легко воспроизвести карандашом на белой бумаге, для чего стоит только обвести его. Получаемые таким образом изображения всегда перевернуты справа налево, зеркально симметричны оригиналу, что ограничивает возможности использования прибора.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
АНАЛИЗСЛУЧАЙНОСТЕЙИ МАТЕМАТИЧЕСКИЕИГРЫ
Скажем теперь несколько слов об анализе случайностей, или теории вероятностей.
Явившийся по капризу остроумия кавалера Мере (Mere), предложившего Паскалю в 1654 году разрешить два затруднения, встретившиеся при игре, анализ случайностей требует измерения степени математической вероятности события, являющегося результатом предшествующих.
Итак, предметом первых исследований теории вероятностей послужили комбинации различных случаев, представляющихся в играх.
ЗАДАЧА, ПРЕДЛОЖЕННАЯ КАВАЛЕРОМ МЕРЕ
Два равно искусных игрока А и В условились, что выиграет партию и возьмет всю ставку тот, кто первый победит другого данное число раз. По прошествии некоторого времени они соглашаются разойтись, не окончив игры. Спрашивается, каким образом должна быть разделена между ними ставка? Части должны быть пропорциональны относительным вероятностям выиграть партию, зависящим в свою очередь от числа очков, которых недостает у каждого игрока до полного окончания игры.
Определяют вероятность выигрыша для А, учитывая, что эта вероятность равна единице в том случае, когда у него вовсе нет недостающих очков, и что в каждой игре один из игроков по условиям обязательно выигрывает. Если предположить, что А недостает одного очка, то в зависимости от того, скольких очков не хватает у В - одного, двух, трех и т. д., для него вероятность выиграть будет составлять 1 /2, 3/4, 7/в и т. д., поскольку в этом случае вероятность выиграть для В будет 1/2в, где в - число недостающих ему очков.
Далее, предположив, что А не хватает двух очков до окончания партии, смотря по тому, скольких очков недостает у В - одного, двух, трех и т. д., для него вероятность выиграть будет 1 /4, 1 /2, 11/i6 и т- Д- Рассмотрим пример, в котором игроку В не хватает 3 очков.
В не хватает
Игрок ИгрокРА х Рв
АВ
1 1 очка
2 2-х очков
3
4 3-х очков
5
6
1100(72°=1)74х1 = 74
101010 (7г1 = 7г)74 х 7г = 7s
011100 (7г1 = 7г)74х72 = 78
ООПпоо(722 = 74)74х74 = 716
0101юю(722 = 74)74х74 = 716
юо1юю(722 = 74)74х74 = 71в
Рис. 99. Все возможные пути выиграть для игрока А, если ему не хватает двух, а игроку В трех очков. Единицами обозначены выигрыши, а нулями - проигрыши в партиях, которые могли бы состояться. В скобках указана вероятность набрать соответствующее число очков для игрока В (Рв).
А может выиграть только в тех случаях, когда он набирает 2 очка раньше, чем игрок В - 3. Вероятность набрать 2 очка для А всегда составляет 1 / 4. Но игрок В тоже может успеть набрать определенное количество очков до того как А наберет свои 2 очка, и вероятности этих событий связаны. Вероятность события (игрок А набирает 2 очка), описанного в строке 2 или 3 составит Хк х V2 = Vs, а в строках 4, 5 и 6 - V4 х V4 = Vie- Полная вероятность выиграть для игрока А будет V4 + Vs +Vs +V16 +V16 +V16 = И/1б- Если игроку В не хватает только двух или одного очка, то принимаются во внимание только три или одна первая строка.
Заметим, мимоходом, что это решение было изменено Даниилом Бернулли, принявшим в расчет денежные средства игроков, что привело его к понятию о нравственном ожидании. Это знаменитое в истории науки решение известно под именем петербургской задачи, потому что оно было в первый раз опубликовано в мемуарах Петербургской академии наук.
ИГРА С ИГЛОЙ
Приступим теперь к объяснению игры с иглой. Она представляет собой чисто математическую забаву, результат которой предсказывается с помощью теории вероятностей и неизменно приводит в изумление своей простотой.
Если начертить на бумаге ряд параллельных равноудаленных между собой линий АА1, ВВ1, СС1, DD1 и бросать на нее совершенно цилиндрическую иголку, длина которой равна половине расстояния между параллельными прямыми (рис. 100 и 101), то если опыт продолжается долго (например, иголку бросают наугад сто раз), то во время этих ста испытаний она коснется при падении какой-нибудь из параллельных прямых известное число раз. Разделив число всех испытаний на число встреч, получим в результате величину, тем более приближающуюся к численному значению отношения между окружностью и диаметром, чем больше будет число испытаний.
Отношение это, как известно из геометрии - число постоянное, и равно 3,1415926.
После ста испытаний обыкновенно находят величину с точностью сотых долей -3,14.
Как объяснить столь неожиданный результат?
На этот вопрос отвечает теория вероятностей. Указанное отношение числа всех испытаний к числу касаний выражает вероятность встречи, которая равна соотношению числа всевозможных случаев и случаев, благоприятствующих событию.
Легко видеть, что достаточно одного лишь определения различных шансов при падении иголки между двумя определенными параллельными АА1 ВВ1 (рис. 100) и даже довольно только рассмотреть, что происходит в промежутке, между этими двумя параллельными.
Рис. 100. Чертеж к игре в иглу, основанной на теории вероятностей.
Для касания должны быть соблюдены следующие условия:
Чтобы середина иголки упала между тп и I, которая делит тпо пополам.
Чтобы угол наклона иголки к линии тпо был меньше угла mcb.
Определение вероятностей каждого из этих событий и перемножение их между собою, согласно закону сложных вероятностей, дает окончательно число р, выражающее искомую вероятность сложного события.
Этот замечательный пример подтверждает теорему Бернулли относительно повторяю-
Рис. 101. Игра с иглой.
щихся событий. Как бы велико ни было число испытаний, приближение этого результата не имеет предела.
Когда длина иголки не равна половине расстояния между параллельными (она может быть какая угодно, лишь бы только длина ее не превышала этого расстояния), результат не изменится, но немного усложнится рассчет.
Нужно помножить отношение числа бросков к числу касаний на двойное отношение длины иголки к расстоянию между параллельными. В указанном выше частном случае последняя величина равнялась единице. Мы дадим численный пример, приведенный у самих авторов описания этой игры.
Иголку длиной 50 мм бросали 10 000 раз на ряд параллельных линий, расстояние между которыми равно 63,5 мм, и выпало 5009 касаний.
Берем отношение 10 000/5009, умножаем его на удвоенное отношение длины иголки к расстоянию между соседними параллельными на 100/63,5 и в произведении получим 3,143.
Истинная же величина л равна 3,141...
Следовательно достигнутое приближение составляет 0,001.
Мы закончим рассмотрение этой игры несколькими мыслями, заимствованными у Лапласа.
Человеческому духу присущи свои иллюзии, равно как и чувству зрения. И как второму помогает устранять их осязание, точно также размышление и точный анализ гарантирует первый от обусловливаемых ими ошибок. Вероятность, вытекающая из ежедневного опыта или увеличенная страхом и надеждой, поражает нас гораздо более, нежели вероятность явлений высшего порядка, но представляющая собою ничто иное, как результат вычисления...
«В длинном ряду явлений одного и того же рода успех или неудача, в которых большая часть игроков не замедлит тотчас же признать нечто роковое, зависят иногда от шансов совершенно случайных. Часто бывает, что в игре, зависящей одинаково как от случая, так и от искусства игроков, тот, кто проигрывает, старается поправить дело, возвышая ставку и пересаживаясь на другое, счастливое место; но он усугубляет, таким образом, только свою неуда-
чу, увеличивая ее продолжительность. А между тем именно теперь-то для него всего более и необходима осторожность, теперь-то ему и важно уверить себя что нравственный упадок духа, вызванный неблагоприятными шансами, увеличивается вместе с самой неудачей»*.
МАГИЧЕСКИЕ КВАДРАТЫ
Магическим квадратом называют квадрат, разделенный на несколько меньших квадратных клеток. Все числа расположены так, что их суммы в каждом ряду - продольном, поперечном и по диагонали - равны между собой.
Существуют различные магические квадраты. Квадраты п х п, заполненные целыми числами от 1 до п2, называется нормальным, п - порядок квадрата. Магические квадраты существуют для всех n > 1 за исключением 2. Магический квадрат называют нечетным, если п - нечетное число, порядка одинарной четности - если п является удвоенным нечетным числом и порядка двойной четности, если порядок равен учетверенному нечетному числу.
Сумма чисел в каждой строке, столбце и по диагоналям называется магической константой. Магическая константа определяется по формуле:
М (п) = п(п2 + 1) / 2
* Из заметки Бонтама (Bontemps) в «La Nature». Прим, автора.
Мы предлагаем здесь несколько примеров нормальных магических квадратов (рис. 102).
М= 15
2
7
6
= 15
9
5
1
= 15
4
3
8
= 15
= 15
= 15
= 15
= 15
М = 34
14
12
5
3
= 34
7
1
16
10
= 34
4
6
11
14
= 34
9
15
2
8
= 34
= 34
= 34
= 34
= 34
= 34
М = 65
6
3
20
12
24
= 65
15
22
9
1
18
= 65
4
16
12
25
7
= 65
23
10
2
19
11
= 65
17
14
21
8
5
= 65
= 65
= 65
= 65
= 65
= 65
= 65
Рис. 102. Примеры нормальных магических квадратов.
Математики написали о магических квадратах целые трактаты. Френикль де Бесси (Frenicle de Bessy), один из знаменитых французских математиков семнадцатого столетия, посвятил половину своей жизни изучению магических квадратов. Он открыл
новые правила составления для нечетных квадратов и, сделав то же для четных, нашел средство варьировать их на множество ладов. Обширная работа этого ученого математика под заглавием «Квадраты или математические таблицы», была опубликована в «Мемуарах Королевской академии наук» в 1666-1699 гг.
Мы даем также пример нетрадиционного магического квадрата, составленного из членов геометрической прогрессии 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, знаменатель которой равен двум (рис. 103). Расположение этих чисел таково, что произведение их при перемножении трех членов одного какого-нибудь ряда или диагонали всегда будет равно 4096, т. е. кубу среднего члена 16.
= 4096
8
256
2
= 4096
4
16
64
= 4096
128
1
32
= 4096
4096
= 4096
= 4096
= 4096
Рис. 103. Магический квадрат из членов геометрической прогрессии.
Некоторые магические квадраты во времена господства алхимии и астрологии были посвящены семи планетам и вырезались на пластинках того металла, который, по понятиям древних, имел с данной планетой симпатическое сродство.
ТАКЕН
Очень похожа на магические квадраты математическая игра такен (taquin), или игра в пятнадцать.
Это американское изобретение, родственник широко известных паззлов, состоит из прямоугольной коробочки, в которой находятся шестнадцать маленьких, подвижных кубиков с номерами от 1 до 16 (рис. 104). Игра такен заключается в следующем. Вынимают из ящика кубик № 16 и затем все остальные кладут в него как попало (см. рис. 105). Задача состоит в том, чтобы, двигая кубики с одного места на другое, разместить их в порядке от 1 до 15, не вынимая из коробки.
Рис. 105. Кубики такена, расположенные как попало (№ 16 вынут).
В этой игре возможны бесчисленные, часто интересные комбинации, можно ставить разные задачи. Например, в середине XIX века журнал «Presse illustree» предложил премию в 500 франков тому, кто решит следующую задачу:
Вытряхнуть пятнадцать кубиков из ящика, снова положить их туда как попало, и потом, переставляя их между собой, привести в порядок, указанный в таблице А (рис. 106).
Но никто не решил предложенной в такой форме задачи по той весьма простой причине, что она решается лишь в половине всех возможных случаев.
Таблица А.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Таблица Б.
4
3
2
1
8
7
6
5
12
11
10
9
15
14
13
Рис. 106. Таблицы для варианта игры в такен.
Перемещая кубы, вы можете всегда привести 12 первых номеров на свое место; можно достигнуть этого даже относительно № 13. Вместо же того, чтобы получить в последнем ряду порядок 13, 14, 15, вы из двух случаев в одном будете иметь 13, 15, 14. Но тогда удается привести кубы в порядок, указанный в таблице В, которая симметрична таблице А.
Таким образом всякий предложенный случай может быть разрешен в форме той или другой из двух таблиц А и В.
Как же предсказать заранее, не перемещая ни одного куба, к которой из двух таблиц приведет предложенный случай? Легче всего пояснить это на примере.
Возьмем первый пример. Я вытряхиваю кубики из ящика и привожу их потом в порядок, указанный на рис. 107.
154122
38117
145110
9136
Рис. 107.
715118
13613
101425
1294
Рис. 108.
Затем надо определенным образом подсчитать все кубики, лежащие не на своем месте. Для этого возьмем любой кубик, лежащий не на своем месте (начнем с наименьшего числа): 1 лежит на месте 11, 11 на месте 7, 7 на месте 8, 8 на месте 6, 6 на месте 15 и 15 на месте 1 (следя за числами с помощью карандаша, вам будет легче понять это рассуждение).
Запишем это первое замечание в таком виде:
1-й ряд: 1 - 11. 7. 8. 6. 15. 1. (6) чет.
Теперь сосчитаем число не находящихся на своих местах кубиков, записанных в этом
ряду, и, найдя, что их 6, обозначим в скобках - (6).
Так как число 6 четное, то я ставлю у этого ряда отметку чет и затем составляю подобную же запись второго ряда, начиная с числа 2, наименьшего из тех, которые не встречаются в первом ряду.
2-й ряд: 2 - 4. 2. (2) чет.
Потом третьего, начиная с 3.
3-й ряд: 3-5. 10. 12. 3. (4) чет.
Наконец, четвертый и последний ряд, начиная с 9:
4-й ряд: 9 - 13. 14. 9. (3) нечет.
Таким образом у нас получилось 4 ряда, в которых общее число не находящихся на своих местах кубов равно 15, что и должно быть на самом деле, потому что ни один куб не находится на своем месте.
Теперь я составляю ряды второго примера (см. рис. 108).
Записываю их так же, как в предыдущем случае:
1-й ряд: 1 - 7. 1. (2) чет.
2-й ряд: 2 - 11. 3. 8. 4. 15. 2. (6) чет.
3-й ряд: 5 - 12. 13. 5. (3) нечет.
4-й ряд: 9 - 14. 10. 9. (3) нечет.
Общее число не находящихся на своих местах кубиков дает только 14 вследствие того, что кубик 6 не переместился.
Чтобы предсказать заранее, к какой из двух таблиц, А или В, приведет предложенный случай, нужно руководствоваться следующим правилами: во-первых, подсчитывать
только кубики, оказавшиеся не на своих местах; во-вторых, подсчитывать только четные ряды.
Если четных рядов не окажется вовсе, или получится 2, 4, или 6, то случай приведет к таблице А; если же их будет 1, 3, 5 или 7 - решение выразится таблицей В.
Приложим это простое правило к двум взятым нами примерам.
В первом мы находим 3 четных ряда; следовательно, он относится к таблице В.
Во втором - два четных ряда и, стало быть, его решением служит таблица А.
Не подумайте, что эти два случая приготовлены заранее. Вы можете убедиться сами в справедливости моего правила на каком угодно числе выбранных вами примеров.
Только для проверки этого правила на всевозможных случаях не хватило бы всей жизни. Вам, может быть, неизвестно, что число их равно произведению 2хЗх4х5х6х7х8х9х10х х 11 х 12 х 13 х 14 х 15, т. е. 1.307.674.3680.00, или более 13 тысяч биллионов.
СОЛИТЕР
Отцы наши предавались часто со страстью этой игре, в настоящее время уже отчасти оставленной. Впрочем, многим теперь еще знакомо устройство солитера, который состоит из подноса с проделанными в нем отверстиями
для колок, или, еще лучше, с гнездами для маленьких шариков (рис. 109 и 110).
Обыкновенно солитер содержит 37 клеток (рис. 109); но играют также и в солитер с 33-мя клетками, который только тем и отличается от первого, что в нем недостает четырех клеток.
Цель игры заключается в том, чтобы оставить на поле только один шар в центре или определенную комбинацию шаров, например пару - два шара, расположенные по диагонали ( 9-17, 25-29 и т. д.) или тройку - три шара, лежащие по прямой линии (9-16-23, 4-5-6 и т. д.).
Механизм игры состоит в том, чтобы брать данный шар, перескочив через него другим,
Рис. 109. Солитер с колками.
Рис. 110. Солитер с шариками.
но только по горизонтали, вертикали или под прямым углом.
Теорией этой игры - гораздо более замысловатой, чем это можно подумать о ней с первого взгляда - занимались несколько авторов. Существует много способов найти решение. Я ограничусь, вместе с Пиарроном де Монде- зиром, только указанием двух из них, которые, надеюсь, заинтересуют читателя.
Первый способ - правило замен, который позволит вам использовать несколько попыток разыграть предложенный случай и дойти до окончательного решения. Второй - правила колец (anneaux), которые дают возможность указать, не переставляя ни одного шара, каково будет это решение.
Правило замен состоит в том, что вместо одного шара ставят два по определенным правилам, которые я вам объясню на примере (рис. 111). Предположим, что вы хотите решить главную задачу солитера из 33 клеток,
т. е. заместив шарами все его гнезда, кроме центрального, - пытаетесь принятым в этой игре способом взять последовательно все шары, оставив только один средний. Но допустим, что вы неопытный еще игрок и потому пришли к несократимой системе из 5 шаров, находящихся в клетках 4, 11, 15, 28 и 30.
Чтобы обратить этот случай в другой, удобный для решения и довести игру до конца, я замещаю шар 11 двумя равнозначными
Рис. 111. Иллюстрация правила замен.
ему 9 и 10, шар 28, - двумя другими 23 и 16 и, наконец, шар 30 - снова двумя 25 и 18. Эти замещения не изменяют предложенного случая, так как я всегда могу получить его снова, 10 взяв 9-ю, 23 - 10-ю и 25 - 18-ю. Зато вследствие подобной замены несократимой системы из 5 шаров я получу новую систему из 8 шаров, которая и приведет меня к одному шару в центре, т. е. к окончательному решению. Если нужно, правило замен можно применять несколько раз.
Кольца применяются для того, чтобы узнать решение определенной комбинации без перемещения шаров. Для этого используются правила колец, которые приведены ниже (рис. 112).
Замещение двух шаров, расположенных в одном ряду и разделенных пустой клеткой, одним шаром, помещенным в эту клетку. Так, в 5-м ряду два шара 23 и 25 можно заменить одним — 24.
Снятие тройки. Так например, можно поступить с тройкой 9-16-23.
Две клетки одного и того же ряда, отделенные двумя гнездами, называются соответствующими. Если они замещены шарами, то эти последние, например шары 4-23, можно снять.
Можно перенести шар в одну из соответствующих ему клеток, если она свободна. Так, шар 10 можно перенести в клетку 29.
Эти четыре преобразования, которые производятся с помощью колец, без перемещения шаров, позволяют свести предложенную задачу
к системе, по крайней мере, трех колец, заключающихся в центральных квадратах солитера.
Для применения последнего правила достаточно иметь семь колец немного большего диаметра, чем какой имеют шары, что позволяет им окружать гнезда, не задевая шара.
Теперь обратимся к примеру:
Солитер в 33 клетки (рис. 112). Окончательное решение - одиночка.
1-й вертикальный ряд: два шара из гнезд 7 и 21 замещем на один, помещенный в пустое промежуточное гнездо 14. Вместо перемещения шаров кладем кольцо на 14.
2-й вертикальный ряд. 8 берет 15 и становится на 22. Кладем кольцо на 22.
Рис. 112. Иллюстрация правил колец.
3-й вертикальный ряд. Снимаю соответствующие шары 4-23 и 16-31, остается один на 9. Ставим кольцо на 9.
4-й вертикальный ряд. Снимаем два соответствующих шара 10-29, переносим 2 на 17 и ставим кольцо на 17.
5-й вертикальный ряд. Снимаем два соответствующих шара 6-25, переносим 33 на 18 и ставим кольцо на 18.
6-й вертикальный ряд. 12 берет 19 и помещается на 26, ставим кольцо на 26.
7-й вертикальный ряд. Занята только одна ячейка 20, ставлим кольцо на 20.
(Понятно, что все описанные здесь операции производятся в уме, без перемещения шаров. Действия производятся с кольцами.)
Таким образом предложенный случай приводится к 7 кольцам, которые расположены на клетках 14, 22, 9, 17, 18, 26 и 20, отмеченных на рисунке кольцами с вертикальными чертами и находящихся в трех горизонтальных рядах - 3, 4 и 5-м.
Буду теперь поступать с этими тремя горизонтальными рядами точно так же, как раньше с вертикальными, принимая кольца за шары.
3-й горизонтальный ряд. Я нахожу только 9, оставляю кольцо на 9.
4-й горизонтальный ряд. Снимаем два соответствующих кольца, переносим кольцо 14 на 17; 18 берет 17 и становится на 16; оставляем кольцо на 16.
5-й горизонтальный ряд. Переносим кольцо 26 на 23. 22 берет 23 и становится на 24; оставляем кольцо на 24.
(Понятно, что и в этом примере все описанные операции с кольцами также должны совершаться без всякого перемещения шаров.)
Предложенный случай приводится, таким образом, к системе трех колец 9,16 и 24, находящихся в центральных квадратах, которые расположены в трех горизонтальных рядах. На рисунке эти кольца означены горизонтальными чертами.
Легко видеть, что кольцо 9 берет последовательно 16 и 24 и становится в гнездо 25, отмеченное на рисунке концентрическим кругом. Такое решение и будет окончательным.
Вы можете разыграть этот случай, применяя к нему сколько необходимо правило замен, и всегда придете к одному шару в гнезде №25.
Если мне удалось этим примером объяснить вам сущность второго из указанных правил, то вы теперь будете в состоянии не только привести какой угодно случай игры к его окончательному решению, применяя правило замен, но, кроме того, и предсказать это окончательное решение, пользуясь правилами колец и не переставляя ни одного шара.
После нескольких опытов, вы овладеете этими правилами вполне.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ХИМИЯ БЕЗЛДБОРДТОРИИ
Раньше мы показали возможность изучения физики без приборов, попробуем теперь сделать то же самое относительно химии. Наши читатели сейчас увидят, что многие химические опыты можно производить без всякой лаборатории, имея под рукой лишь самые простые и дешевые аппараты. Добывание таких газов, как водород, углекислота и кислород, до крайности легко и требует весьма незначительных расходов, а потому мы и не будем о них говорить, сосредоточив наше внимание на других, менее известных опытах.
Кислоты, основания и соли
АММОНИЙ
Аммоний образуется при растворении аммиака в растворах кислот. В солях он играет роль одновалентного металла.
Между солями аммония есть одна чрезвычайно драгоценная по своему свойству делать невоспламенимыми легкие ткани вроде газа, муслина и т. п. Это фосфорнокислая соль ам-
мония (фосфат аммония). Всякая ткань, смоченная в ее растворе и высушенная затем на воздухе, совершенно теряет способность воспламеняться. Вы можете ее обуглить, но тщетно будете стараться получить при ее горении хоть какое-нибудь пламя. Может быть, чтобы этими замечательными свойствами фосфорнокислого аммиака неплохо было бы воспользоваться в позапрошлом веке для бальных платьев, которые, вследствие своей легкой воспламеняемости, часто бывали причиною страшных несчастий.
Растворение нитрата аммония в воде сопровождается поглощением тепла, происходит сильное понижение температуры раствора.
Нашатырный спирт, хорошо помогающий при укусах насекомыми - это раствор газа аммиака в воде; летучая английская соль, острый запах которой приводит в сознание больных, находящихся в обмороке, - углекислая соль аммония. Эти названия часто встречаются в литературе XIX века.
^ ЙОДИСТЫЙ ЦИАН
В XIX веке в аптеках очень часто встречались большие стеклянные банки, внутренняя поверхность которых усеяна белыми, прозрачными, шелковистыми, чрезвычайно красивыми кристаллами, образовавшимися над красным порошком, лежащим на дне сосуда. Это - про
дукт соединения синерода (устаревшее название синильной кислоты, или циана) с йодом.
Приготовить йодистый синерод (CNJ) - вещество летучее и обладающее большой способностью принимать определенную кристаллическую форму - предлагалось следующим образом. В ступке надо было мелко растолочь смесь из 50 г цианида ртути со 100 г кристаллического йода. После довольно продолжительного растирания порошок, сначала буроватый, станет киноварно-красным, очень блестящим. Синерод соединился с йодом. Если положить этот красный порошок на дно стеклянного сосуда с притертой пробкой, то пары йодистого синерода не замедлят сгуститься и почти тотчас же начнут появляться кристаллы, достигающие нередко весьма большой длины (рис. 113).
Рис. 113. Йодистый синерод.
Г ФАРАОНОВЫ ЗМЕИ
С серой синерод образует замечательное вещество, известное под именем родановой кислоты (тиоциановая кислота, HCNS). Мы ограничимся лишь тем, что укажем на одно из ее соединений с ртутью, получившее в XIX веке большую известность благодаря своим особенным свойствам. Это - тиосинеродистая ртуть (тиоцианид ртути), шедшая на приготовление маленьких, легко воспламенимых конусов, которые были известны под названием фараоновых змей.
Готовили состав для приготовления змей следующим образом: наливали роданид натрия в слабый раствор нитрата ртути, при этом роданид ртути выпадал в виде обильного осадка, представлявшего собой белый легковоспламеняющийся порошок. Его собирали на фильтре и превращали в твердое тесто посредством растирания с раствором камеди в воде. Прибавив затем к этому тесту небольшое количество нитрата натрия, делали из него конусы или цилиндры приблизительно 2,5 см высотой, и тщательно высушивали их над водяной ванной. Когда такое змеиное яйцо вполне просохнет, из него вылупляется детеныш: как только вы прикоснетесь к нему обыкновенной зажженной спичкой, тиосинеродистое соединение мало-помалу вздувается, цилиндр на глазах растет и превращается в желтоватую массу, которая расширяется и вытягивается от 45 до 60 см в длину. Можно подумать, что перед вами из-
вивается кольцами настоящая змея, только что появившаяся на свет из своей тесной темницы, где она была сжата со всех сторон (рис. 114).
Образующийся после этого химического процесса остаток, заключая в себе между прочим синеродистую ртуть и парациан (полимер циана, (CN)2) ядовит, и поэтому его выбрасы-
Рис. 114. Фараоновы змеи.
вали или сжигали. Он отличается рыхлым строением и от малейшего прикосновения распадается в порошок.
Во время процесса разложения тиосинеро- дистой ртути выделяется в большом количестве сернистый газ, сопровождая появление на свет фараоновых змей неприятным, удушливым запахом.
Очевидно, что в наше время такие забавы не могут быть популярными вследствие того, что для их изготовления и в процессе использования применяются и образуются очень ядовитые вещества.
НАТРИЙ И ПОВАРЕННАЯ СОЛЬ
Известно, что поваренная, или морская, соль смотря по степени ее чистоты имеет белый или сероватый цвет, обладает свойственным ей вкусом, растворима в воде и, будучи брошена на горячие уголья, производит сильный треск. Не ознакомившись с ее главными физическими свойствами, мы не могли бы хорошо знать и химическую ее природу, или элементарный состав.
Поваренная соль - соединение натрия и хлора. Научное название вещества, постоянно фигурирующего у нас за столом, - хлорид натрия.
Металл, входящий в состав обыкновенной соли, вовсе не походит на то, что мы привыкли разуметь под этим названием. Правда, он та-
кой же белый, как серебро, но на воздухе тотчас же тускнеет, соединяясь с кислородом. Чтобы сохранить этот странный металл, необходимо его изолировать от воздуха, заключив в герметично запаянный стеклянный сосуд, или хранить его под слоем керосина. Натрий до такой степени мягок, что его можно резать ножницами, как скатанный в руках хлебный шарик. Он легче воды и плавает на ее поверхности, как пробка. Это движение сопровождается сильным кипением, потому что натрий бурно реагирует с водой даже при комнатной температуре, так нагреваясь при этом, что плавится и принимает форму маленького блестящего шарика. Маленький металлический шарик уменьшается в объеме и вскоре исчезает совершенно, причем он часто даже вспыхивает, если остановится на несколько мгновений (рис. 115).
Этот замечательный опыт легко произвести. В результате химической реакции образуется гидроксид натрия и выделяется водород. В последнем нетрудно убедиться, приблизив к
Рис. 115. Реакция натрия с водой.
сосуду, где происходит реакция, зажженную спичку, которая заставит вспыхнуть способный воспламениться газ.
Гидроксид натрия (каустическая сода, едкий натр) представляет собою твердый, белого цвета продукт, отличающийся свойством жечь и разъедать кожу. Едкий натр жадно поглощает воду. Как и все щелочи, он возвращает покрасневшей от действия кислоты синей лакмусовой бумажке ее первоначальный цвет.
Натрий легко соединяется и с хлором. Будучи помещен в сосуд, наполненный этим газом, он превращается в твердое вещество, которое есть ничто иное, как поваренная соль. Если при этом хлора окажется слишком много, то часть его останется свободной, потому что простые тела соединяются между собою всегда только в определенных пропорциях, так что 35,5 долей сухого хлора химически связывают с собою постоянно одно и то же количество натрия, равное 23 долям. Следовательно, килограмм поваренной соли состоит из 607 граммов хлора и 393 граммов натрия.
Г СОЛИ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СУЛЬФАТА НАТРИЯ
Наряду с хлористым натрием существует большое число других солей, могущих быть предметом интересных опытов.
Возьмем серную кислоту, которая обладает не меньшей химической силой, чем едкий натр: одна капля ее, упавшая на руку, производит острую боль и причиняет сильный ожог; кусок дерева, если его погрузить в эту кислоту, почти тотчас же обугливается.
Если смешать 49 долей серной кислоты с 30 долями едкого натра, то произойдет чрезвычайно сильная реакция, сопровождающаяся значительным повышением температуры. По охлаждении смеси получается вещество, которое можно брать в руки без всякого вреда: кислота соединилась с щелочью и едкие свойства их взаимно уничтожились. Из них получилась соль, известная под именем сернокислого натра (сульфат натрия). Она не оказывает никакого действия на лакмусовую бумажку и не имеет ни малейшего сходства с веществами, из которых получилась.
В химии соли - это соединения, получающиеся вследствие реакции между кислотой и щелочью, или основанием. Солей бесчисленное множество. Некоторые из них, как сернокислая окись меди, хромовокислый кали - обладают характерной окраской; другие же, например сернокислый натр, - бесцветный.
Последнее из этих веществ, подобно большей части солей, может принимать кристаллическую форму: если распустить его в кипятке и оставить раствор в покое, то в нем скоро начнут образовываться прозрачные, весьма красивые призмы. Это вещество открыто Гла-
Рис. 116. Сосуд, содержащий пересыщенныйраствор сернокислого натра, кристаллизациякоторого показана в правой части рисунка.
убером и по тому называется иногда глауберовой солью.
Сернокислый натр принадлежит к солям, хорошо растворимым в воде. Лучше всего сульфат натрия растворяется при температуре 32,4°С, при повышении и понижении температуры она уменьшается. Если налить слой масла на поверхность насыщенного раствора глауберовой соли, то до тех пор, пока жидкость находится в покое, образования кристаллов в ней не происходит; но стоит погрузить в раствор стеклянную палочку, и кристаллизация немедленно начнется (рис. 116).
Рис. 117. Приготовление пересыщенного раствора сернокислого натра.
Это интересное явление становится еще нагляднее, если теплый концентрированный раствор поместить в тонкую стеклянную трубку АВ и запаять последнюю на спиртовой лампе после того, как из нее кипячением выгнан воздух (рис. 117). В запаянной таким образом трубке раствор сернокислого натра не дает кристаллов даже при температуре 0°, несмотря на то, что в охлажденной жидкости находится количество соли в десять раз большее, чем то, какое в ней может растворяться при этой температуре. Но стоит лишь отломить конец трубки, и кристаллизация произойдет мгновенно.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ТИОСУЛЬФАТА И АЦЕТАТА НАТРИЯ
Опишем другой замечательный и мало известный опыт, где мгновенная кристаллизация является во всей ее прелести. Раствор из 150 весовых частей серноватистокислого натра (тиосульфат натрия, или гипосульфит) и 15 частей воды осторожно выливают в цилиндр (он должен быть предварительно нагрет в горячей воде, а заполнить его надо до половины). После этого приготовляют другой раствор: 100 весовых частей уксуснокислого натра (ацетат натрия) в 15 частях горячей воды. Затем осторожно наливают его над первым, стараясь, чтобы они не смешивались между собой. Наконец поверх наливают небольшое количество горячей воды, слоя которой мы не представляем на рис. 118. В этом виде растворы оставляют в покое и дают им медленно охладиться.
Когда жидкость остынет, у нас получатся расположенные друг над другом пересыщенные растворы - серноватистокислого и уксуснокислого натра. Теперь возьмем прикрепленный к нити небольшой кристалл серноватистокислого натра и будем опускать его в стакан. Раствор ацетата натрия при прохождении через него кристалла не мутится, но как только он попадет в нижний слой - растворенная в нем серноватистокислая соль начнет немедленно кристаллизоваться (см. рис. 118 слева). После того как процесс образования кристаллов распрост-
Рис. 118. Опыт мгновенной кристаллизации.
ранится по всей массе жидкости, в верхний ее слой опускают подвешенный на нити кристалл ацетата натрия, тогда кристаллизация соли начнется и в верхнем растворе (см. рис. 118 справа). Опыт удается даже в том случае, если погрузить в раствор латунную проволоку, предварительно прикоснувшись ею к серноватистокислому натру. Вместо тиосульфата можно использовать углекислый или сернокислый натр (карбонат или сульфат натрия).
Этот впечатляющий опыт легко поставить. Постепенное образование кристаллов серноватистокислого натра, являющихся в форме больших ромбических призм, ограниченных с двух концов наклонными плоскостями, а также кристаллов уксуснокислого натра, имеющих вид ромбических косых призму невольно останавливает на себе внимание и поражает всякого новичка.
Металлы обыкновенные н металлы драгоценные
МАГНИЙ
Сколько больных поглощало магнезию, не подозревая, что в состав вещества, из которого состоит этот порошок, входит магний. В чистом виде магний - это металл, почти такой же белый, как серебро, ковкий и способный гореть с таким ослепительным блеском, что в этом отношении с ним может соперничать один только электрический свет.
Металл этот обладает громадным химическим сродством к кислороду. Он воспламеняется от простой свечи и горит с ослепительным светом, превращаясь при этом в белый порошок, известный под именем окиси магния или магнезии. Горение становится еще энергичнее в кис-
лороде: если порошок магния сыпать в склянку, наполненную этим газом, то он производит чрезвычайно эффектный огненный дождь.
АЛЮМИНИЙ
Повсюду распространенная глина, на которую так мало обращают внимания, служит не только материалом в гончарном производстве, но в то же время источником для получения алюминия - металла легкого и звонкого, как хрусталь, ковкого, как серебро, и так же трудно поддающегося влиянию кислот, как золото. При соединенном действии на глину серной кислоты и хлористого калия, получаются алю- мо-калиевые квасцы. Квасцы - это двойные
Рис. 119. Кристаллы квасцов.
Рис. 120. Прокаленные квасцы.
соли, кристаллогидраты сульфатов трех- и одновалентного металлов. Алюмокалиевые квасцы представляют собой бесцветную соль, кристаллизующуюся при обилии воды в красивые октаэдры, удивительно правильной формы. Рис. 119 изображает группу таких кристаллов. Соль эта применяется при очистке воды, для дубления кожи, при изготовлении огнестойких тканей, а также как разрыхлитель при выпечке хлебо-булочных изделий. Нако
нец, раньше ею пользовались врачи как жгучим и вяжущим средством. Если ее прокалить в глиняном тигле, то она теряет свою кристаллизационную воду, вспучивается и выступает за края содержащего ее сосуда (рис. 120).
Г ЖЕЛЕЗО
Железо, самый важный из всех металлов, на влажном воздухе покрывается рыхлым слоем
ржавчины, которая не препятствует дальнейшему проникновению воздуха. В кислороде железо окисляется, покрываясь плотной пленкой оксида, которая препятствует дальнейшему окислению.
При высокой температуре железо окисляется гораздо интенсивней. Если, например, раскалить на огне гвоздь, прикрепленный к железной проволоке, и вращать его подобно камню в праще, то он будет разбрасывать во все стороны тысячи блестящих искр, обязанных своим происхождением химической реакции металла с кислородом. В сильно раз
мельченном виде железо загорается само собой, без всяких посторонних на него влияний, от одного только соприкосновения с воздухом
Рис. 121. Пирофорическое железо.
(рис. 121). Еще за несколько веков до нашего времени этим его свойством пользовались для добывания огня с помощью огнива: при ударе железной пластинкой о кремень, от нее отделяются маленькие частицы металла, которые вследствие трения раскаляются, возгораются и зажигают вещества, способные тлеть, такие как трут, угольный порошок и пр.
Как уже упоминалось, железо в крайне размельченном виде загорается при комнатной температуре при соприкосновении с воздухом. Чтобы получить так измельченный металл, восстанавливают водородом его щавелевокислую соль. Прибор для получения измельченного железа изображен на рис. 122. Газ из А проходит через осушающую трубку В и достигает стеклянного шарика С, заключающего в себе щавелевокислое железо. Под двойным влиянием - водорода с одной стороны и теплоты с другой - из этой соли восстанавливается металлическое железо в виде черного неосязаемо тонкого порошка. По окончании опыта запаивают шарик на лампе. Защищенное таким образом от соприкосновения с воздухом железо может сохраняться неопределенное время. Стоит только вытряхнуть его на воздух, отломив кончик пузырька, и оно тотчас же загорится, производя чрезвычайно красивый огненный дождь. В этом виде железо известно под именем самовозгорающегося или пирофо- рического (рис. 121). Опыт будет более блестящим, если сыпать пирофорическое железо в склянку, наполненную кислородом.
Рис. 122. Приготовление пирофорического железа.
Железо реагирует со многими кислотами. Если на железные гвозди налить обыкновенной азотной кислоты, то образуется целое облако красных азотистых паров и окислившееся железо растворяется в жидкости в виде азотнокислой соли (рис. 123). Этот весьма легкий опыт дает понятие об энергии некоторых химических реакций.
Дымящаяся азотная кислота (смесь азотной кислоты с азотноватым ангидридом) не только не действует на железо, но даже уничтожает реакцию на него обыкновенной азотной кислоты. На этом свойстве основан весьма замечательный опыт с «пассивным железом». Вот в чем он состоит: несколько гвоздей кладется в стакан с дымящейся азотной кислотой, не оказывающей на них никакого действия. Затем ее сливают и заменяют азотной
Рис. 123. Железо и азотная кислота.
кислотой, которая теперь точно также не произведет никакого действия на железо, сделавшееся пассивным под влиянием дымящейся азотной кислоты. Затем, если прикоснуться к гвоздям железным прутом, не подвергавшимся действию дымящейся азотной кислоты, то в стакане немедленно начнется реакция, сопровождаемая весьма энергичным выделением азотистых паров.
СВИНЕЦ
Свинец - металл очень мягкий, так что его безо всякого труда можно царапать ногтем, он легко гнется, не обладает упругостью, т. е. после сгибания не принимает своей первона-
- платина (21,5)
— золото (19,25)
- ртуть(13,56)
- свинец (11,35)
- серебро (10,47)
- висмут (9,82)
- медь (8,78)
- никель (8,27)
- олово (7,29)
- железо (7,20)
- цинк (6,86)
- алюминий (2,56)
- магний (1,43)
- натрий (0,97).
12 34 56 7 8 9 10 11 12 13 14
Рис. 124. Стержни из разных металлов, имеющие один и тот же вес.
В скобках приведена плотность (г/см3).
чальной формы, и весьма тяжел - плотность его равна 11,4 г/см3. Это значит, что если вес данного объема воды равен 1 кг, то вес того же объема свинца будет 11,4 кг. На рис. 124 представлены цилиндрические стержни более из
вестных металлов, имеющие один и тот же вес и показывающие таким образом наглядно их
относительную плотность.
Свинец и олово принимают весьма красивые кристаллические формы в том случае, когда замещаются в растворах своих солей слабее окисляющимся металлом. Результат кристаллизации свинца, представленный на рис. 125, назывался раньше сатурновым деревом. Вот каким образом оно получается: растворяют 34 г
уксуснокислого свинца в кружке воды и вливают полученную жидкость в сосуд сферической формы. К пробке последнего прикрепляют кусок свинца, к которому привязано пять или шесть латунных проволок, удаленных одна от другой (рис. 125). Вскоре после погружения этой системы в раствор куски латунных проволок начнут покрываться кристаллическими
Рис. 125. Сатурново дерево.
блестками свинца, число которых растет и увеличивается со дня на день.
Этот опыт был известен еще алхимикам, и они думали, что в данном случае происходит преобразование меди в свинец, тогда как на самом деле здесь мы видим только замещение одного металла другим. Медь растворяется в жидкости, а свинец, наоборот, отлагается из нее и становится на место меди; превращений же тут нет никаких. Понятно, что форму сосуда и расположение проволок, на которых образуются кристаллы свинца, можно изменять как угодно. Если изготовить латунные буквы, цифры или какие-нибудь фигуры, тогда получатся правильные изображения, состоящие из блестящих кристаллических частичек свинца.
МЕДЬ
Медь в чистом виде обладает характерным красным цветом, отличающим ее от других металлов. Она растворяется в азотной кислоте, причем эта последняя сильно шипит и отделяет от себя облако золотистых паров. Этим свойством меди пользуются для изготовления гравюр, известных под названием офортов. Медную пластинку покрывают лаком и, дав ему просохнуть, вырезают гравюры с помощью резца. Когда рисунок готов, наливают на пластинку азотной кислоты, ко
торая своим действием в обнаженных частях пластинки превращает обыкновенный рисунок в настоящее клише. Затем придется только смыть лак, чтобы можно было приступить к печатанию.
ОЛОВО
Олово обладает сильным стремлением принимать кристаллическое строение, в чем легко убедиться на следующем опыте. В пробирный стакан наливают концентрированный раствор хлорида олова, который в лаборатории можно получить путем растворения металла в нагретой соляной кислоте. Затем кладут туда оловянный прут, как показано на рис. 126 справа, и осторожно приливают воды, стараясь, чтобы она не смешалась с раствором (рис. 126, слева). Спустя несколько времени в жидкости начнут появляться блестящие кристаллы, как бы вырастающие из прута и подобные ветвистому стеблю папоротника. Без водяного слоя кристаллизации не происходит. Такое расположение оловянных кристаллов носит название дерева Юпитера. Дело в том, что алхимики стремились показать некоторую таинственную связь между семью известными тогда металлами и столькими же главными планетами. Каждый металл был посвящен ими одной из планет, причем олово называлось Юпитером, серебро - Луной, золото - Солнцем, свинец -
Рис. 126. Дерево Юпитера.
Сатурном, железо - Марсом, ртуть - Меркурием и медь - Венерой.
Кристаллизацию олова можно вызвать, натирая листок этого металла соляной кислотой. Результатом такой операции обыкновенно являются кристаллические разветвления, напоминающие серебристые снежные узоры, которыми покрываются окна во время сильных морозов. При сгибании оловянного прута происходит смещение кристаллов, отрывание их друг от друга, вследствие чего оно обыкновенно сопровождается характерным треском.
г золото
Начиная повествование о драгоценных металлах, мы прежде всего должны вспомнить о золоте. Алхимики считали золото царем металлов, а другие редко встречающиеся в природе металлы называли благородными. Совершенно иной результат получился бы в том случае, если бы было принято считать драгоценным полезное, потому что тогда на первом месте пришлось бы поставить железо и медь. Если бы золото было в изобилии на земной поверхности, а железо, напротив, сделалось редким, с какой бы жадностью отыскивали этот необходимый металл и с каким презрением относились бы к золоту, из которого нельзя сделать ни сошника для плуга, ни самых нужнейших инструментов во всякого рода производствах! Тем не менее, редкость золота, его прелестный желтоватый блеск и устойчивость к химическим воздействиям дают ему первое место в ряду драгоценных металлов.
Золото принадлежит к числу тяжелых металлов; плотность его равна 19,5 г/см3. Оно отличается необыкновенной ковкостью и тягучестью и под ударами молота расплющивается в такие тонкие листки, что в слое толщиной 2,5 мм их помещается 25 000 штук. Из 4 г золота можно приготовить проволоку в 18 км длиной и до того тонкую, что ее нельзя отличить от паутины. Золото в тонких листочках делается прозрачным. Если такой листок наклеить гуммиарабиком на стеклянную плас-
тинку, то оно просвечивает и принимает зеленоватый оттенок.
Этот драгоценный металл обыкновенно встречается в природе в чистом виде без посторонних примесей, его часто находят в песке в виде мелких крупинок, а иногда в целых более или менее объемистых кусках неправильной формы - самородков.
Золото подвержено внешним влияниям меньше других металлов. В сыром воздухе оно не окисляется ни при каких условиях. Самые сильные кислоты на него не действуют, оно растворяется только в смеси концентрированных азотной и соляной кислот, называемой царской водкой. До какой степени золото нечувствительно к действию на него кислот, можно проиллюстрировать следующим опытом, который
Рис. 127. Золотой листок, подвергнутый действию ртутных паров.
можно проделывать только в лаборатории с соблюдением мер безопасности. В две небольшие колбочки, из которых в одной налита концентрированная азотная, а в другой - соляная кислоты, кладут по золотому листочку. Оба сосуда нагреваются. Сколько бы времени ни продолжалось кипение этих жидкостей, золотые листки остаются без всякого изменения. Но стоит только слить вместе азотную и соляную кислоты, золотые листочки тотчас растворятся без остатка. Золото изменяется также в присутствии ртути. Это иллюстрирует рис. 127, на котором изображен золотой листочек, подвешенный над слоем жидкого металла. Он покрывается сероватым налетом, потому что в парах ртути образуется амальгама - сплав ртути с другими металлами. Амальгама золота жидкая.
Г СЕРЕБРО
Серебро менее инертно, чем золото, и, будучи ослепительно белым в расплавленном виде, довольно быстро тускнеет на воздухе вследствие того, что легко реагирует в присутствии влаги с сероводородом. При этом образуется темный налет сульфида серебра. Серебро не окисляется и не соединяется с кислородом воздуха при обычной температуре. Жидкое серебро поглощает большое количество кислорода, образуя окислы и закислы. Если его расплавить в маленьком тигельке при доступе воздуха, а затем
быстро охладить, то кислород начинает активно выделяться, на застывающей поверхности образуются пузыри, которые лопаются, и металл разбрызгивается. В этом случае говорят, что «серебро бликует». Это красивое, но опасное явление известно с древних времен.
Азотная кислота растворяет серебро очень легко, выделяя при этом много золотистых паров. После выпаривания жидкости получаются белые пластинчатые кристаллы азотнокислого серебра, которое в кусках известно под именем ляписа или адского камня и употреблялось раньше в медицине как прижигающее средство. Азотнокислое серебро - вещество очень ядовитое, при действии на него света оно чернеет, так как восстанавливается до металлического серебра.
Соли серебра, растворенные в воде, обладают свойством осаждаться от действия хлористых соединений, например поваренной соли. Если в раствор азотнокислого серебра бросить несколько ее крупинок, то выпадет обильный творожистый осадок хлористого серебра, которое под влиянием на него света чернеет. Хлорид серебра практически нерастворим в воде, но растворяется в аммиаке.
Г ПЛАТИНА
Платина, последний из металлов, который мы рассмотрим, отличается серовато-белым цве-
том. На платину, как и на золото, не действуют никакие химические реагенты, кроме царской водки. Это очень тяжелый металл: его плотность равна 21,5 г/см3. Он очень ковок и крайне тягуч: можно получить чрезвычайно тонкие листочки платины и вытягивать проволоку еще более тонкую, чем из золота. Температура плавления платины очень высока. Такие физические и химические свойства платины сделали этот металл драгоценным для лабораторий. Из него издавна изготавливаются маленькие термостойкие тигли для химического анализа.
Платина, измельченная в тонкий порошок, известна под названием платиновой черни. Еще в 1821 г. немецкий химик И.В. Дёберей- нер обнаружил, что платиновая чернь способствует протеканию ряда химических реакций, при этом сама не претерпевает никаких изменений. Такие вещества называются катализаторами. Через два года Дёберейнер открыл способность губчатой платины (это нековкая платина - промежуточный продукт при получении платины из природного сырья, которую очень долго не удавалось переплавить вследствие того, что для этого нужна очень высокая температура) при комнатной температуре воспламенять водород. Если наполнить склянку гремучей смесью из двух объемов водорода и одного объема кислорода, а затем погрузить в нее небольшой кусочек губчатой платины, то оба газа тотчас же соединятся между собой с оглушительным взрывом.
На основании своего открытия Дёберейнер сконструировал «водородное огниво» — прибор, широко применявшийся для получения огня до изобретения спичек. Внутренняя часть прибора состоит из стеклянного колокола В, наполняющегося постепенно водородным газом, получаемым вследствие действия
цинка на заключенную здесь же перекись водорода (рис. 127). Если повернуть кран трубки НЕ, то струя водорода, ударяя в кусок D губчатой платины, загорится от него, вследствие окисления и в свою очередь зажжет неболь
шую масляную лампочку, находящуюся против газовой струи. Губчатая платина одним только своим прикосновением может содействовать множеству химических реакций.
Платина в обычном виде в меньшей степени обладает каталитическими свойствами.
Рис. 127. Водородное огниво, платиновая спираль над спиртовой горелкой и платиновая спираль в сосуде со смесью спирта и эфира.
Если над зажженной спиртовой лампой поместить спиральную платиновую проволоку (рис. 127) и затем, когда она накалится, задуть пламя, то спираль остается накаленной, так как пары спирта продолжают окисляться кислородом. То же самое происходит и в том случае, если, не накаливая спираль, просто опустить ее в сосуд, в котором налито немного спирта в смеси с эфиром (рис. 127).
В настоящее время платина широко применяется в промышленности в качестве катализатора, в лабораторных исследованиях используется платиновая посуда, а также этот металл употребляется для изготовления электродов, в медицине, в ювелирном деле и как монеты. В ювелирном деле и как монеты платина долго не могла применяться вследствие своей тугоплавкости.
Изменение окраски цветков
Г ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ СЕРНИСТОЙ КИСЛОТОЙ
Существует обычай показывать на лекциях по химии действие, производимое сернистой кислотой на пигменты растений. Под действием сернистого газа, который получается при разложении нестойкой кислоты, фиалка моментально обесцвечивается. Вследствие высо-
кой химической активности сернистый газ обесцвечивает большую часть цветов, например розы, барвинки и т. п. Этот опыт чрезвычайно хорошо удается с помощью изображенного здесь прибора (рис. 128). В маленьком открытом фарфоровом тигле расплавляют серу, которая, соединяясь с кислородом воздуха, воспламеняется и дает сернистый газ. Тигель накрывают конической медной трубой, обращенной узким концом к испытуемым цветкам. Действие кислоты дает себя знать немедленно: в несколько секунд розы, барвинки,
Рис. 128. Обесцвечивание барвинка сернистой кислотой.
иван-да-марья совершенно белеют. Сернистый газ ядовит и может вызывать тяжелые отравления.
Г ДЕЙСТВИЕ СМЕСИ
СЕРНОГО ЭФИРА И АММИАКА
Известный ученый Филоль некогда демонстрировал перед членами Научной Ассоциации свои изыскания по этому предмету, повергая цветы различных растений действию смеси серного эфира с несколькими каплями аммиака. Он показал, что под влиянием упомянутой жидкости большая часть фиолетовых или розовых цветов приобретает очень яркую зеленую окраску. Мы сообщим здесь результат ряда таких же опытов, но произведенных нами самими.
Мы наливали в стакан обыкновенного эфира и прибавляли к нему 1/10 часть (по объему) нашатырного спирта, а затем погружали в полученную смесь испытуемые цветы (рис. 129).
Некоторые из цветов, имеющих природную фиолетовую или розовую окраску, мгновенно становятся ярко-зелеными. Сюда относятся герань, фиолетовый барвинок, лиловая ночная фиалка и ярутка, розовая и красная розы, левкой, тимьян, маленький синий колокольчик, незабудка и гелиотроп. Другие же цветы, окраска которых неравномерна, принимают от действия смеси аммиака с эфиром более или менее различные оттенки.
Рис. 129. Окрашивание фиолетового цветка водосбора в зеленый цвет.
Верхний фиолетовый лепесток душистого горошка становится синим, тогда как нижний принимает бледно-зеленую окраску. Белые цветы обыкновенно желтеют, например белый мак, полосатый жабрей, становящийся желтым и темно-фиолетовым, белая роза, окрашивающаяся в палевый цвет, белый водосбор, чернокорень, ромашка, душистый чубушник, маргаритка, картофель, ночная фиалка, каприфолий, цветы бобов, лабазник, наперстнянка и пр. Белый пи-
кульник становится желтым и темно-оранжевым.
У розового душистого горошка верхний лепесток превращается в голубой, а нижний - в зеленый весьма нежного оттенка; розовая герань делается голубой; в губастике в коричнево-зеленый цвет окрашиваются только красные пятна; красный пикульник принимает прелестный коричневый цвет с металлическим отливом; цветок валерьяны приобретает сероватый оттенок, а красный мак становится темно-фиолетовым.
На желтые цветы смесь не действует: лютик и ноготки сохраняют свою естественную окраску. Осенние листья деревьев красного цвета мгновенно зеленеют. Действие этой жидкости до того быстро, что лист от ее разбрызгивания испещряется зелеными крапинками. Подобным же образом можно произвести белые пятна на фиолетовых цветах, например, на барвинках, не срывая их со стеблей.
ОКРАШИВАНИЕ
НАШАТЫРНЫМ СПИРТОМ
Дополним наши сообщения описанием опытов, которые Габба производил в Италии с помощью одного только аммиака без всякой примеси к нему других веществ. Он поступал весьма просто, наливая на тарелку немного нашатырного спирта и ставя на нее опрокину-
тую воронку, в горлышко которой помещались испытуемые цветы. Исследования показали, что голубые, фиолетовые и пурпуровые цветы под действием аммиака становятся ярко-зелеными, темно-малиновые (гвоздика) превращаются в черные, белые желтеют и т. д.
Самые необыкновенные изменения в окраске замечались у цветов, где было соединено несколько различных оттенков. У них красные жилки зеленели, белые желтели и т. д. Другим замечательным примером служит фуксия с цветами двойной - белой и красной - окраски; от действия паров аммиака эти последние становятся желтыми, голубыми и зелеными. Если изменившиеся таким образом цветы погрузить в чистую воду, то они сохраняют приобретенные цвета в продолжение нескольких часов, но затем снова принимают свою прежнюю окраску.
Другое интересное наблюдение Габба состоит в том, что цветы астр, не имеющие в естественном состоянии никакого запаха, под влиянием аммиака становятся чрезвычайно ароматны. Цветы тех же астр с природной фиолетовой окраской, если их смочить разведенной азотной кислотой, делаются красными. С другой стороны, те же самые цветы, будучи подвергнуты действию паров соляной кислоты, в закрытом деревянном ящике приобретают через шесть часов великолепный карминово-красный цвет, который сохраняется у них, если их держать в сухом месте и в тени, просушив предварительно на воздухе и в темном помещении.
Мы закончим это исследование, указав на то, что аммиак в смеси с эфиром действует несравненно быстрее, нежели в том случае, когда он употребляется один.
Свечение
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
В XIX веке часто случалось видеть выставленные на продажу у оптиков искусственные цветы особого приготовления. Они обладали способностью светиться в темноте, если предварительно были подвергнуты действию солнечного, электрического или магниевого света. Эти химические игрушки находятся в связи с весьма интересными явлениями и очень замечательными, но в настоящее время мало известными опытами, на которые мы желаем обратить внимание читателей.
Итальянский башмачник Винченцо Каска- риоло, занимавшийся алхимией, уже в 1630 г. заметил, что встречающийся в окрестностях Болоньи минерал (тяжелый шпат), будучи выставлен долгое время на солнце, получает свойство слабо светиться в темноте. Возможно, эта особенность тяжелого шпата была известна уже Галилею до 1612 г. Кирхер в 1645 г. с точностью описывает этот минерал и отмечает, что он светится сильнее, если его предварительно истолочь в порошок, смешать с водой,
яичным белком, льняным маслом и потом прокалить в печи. Такие светящиеся камни раньше называли фосфорами (слово фосфор по-гречески означает светоносный^. Этот минерал назывался болонским фосфором, болонским камнем или искусственным фосфором.
Такие природные явления, как северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева, были известны с очень давних времен, однако систематически изучать люминесценцию стали с конца XIX века. Интерес к исследованию свечения различных веществ привёл В. К. Рентгена к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 А. Беккерель, занимавшийся изучением люминофоров, открыл явление радиоактивности. В установлении основных законов люминесценции, а также в развитии ее применений исключительное значение имели работы советской школы физиков, созданной С. И. Вавиловым, младшим братом известного советского генетика Н. И. Вавилова.
Люминесценция (от латинского lumen - свет, суффикс -escent означает слабое действие), если дать ей научное определение - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения позволяет отделить люминесценцию от теплового излучения. Она может проявляться при низких температурах, так как не использует тепловую энергию системы. Поэтому ее часто называют холодным
свечением. А вторая часть определения отделяет люминесценцию от других типов излучения, таких как рассеяние, отражение света, излучение Вавилова-Черенкова. Дело в том, что при люминесценции между поглощением и испусканием света происходят процессы, длительность которых превышает длительность фазы световых колебаний. Поэтому в отличие, например, от рассеяния теряется связь между фазами поглощенного и излученного света.
Явление люминесценции может быть вызвано не только светом (фотолюминесценция), но и проникающим излучением, действием пучка электронов, магнитными полями, химическими процессами и другими явлениями. Фотолюминесценцию традиционно принято делить на длительную фосфоресценцию и кратковременную флюоресценцию.
Г СУЛЬФИДЫ
ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ
В XVIII столетии было открыто много само- светящихся тел и в числе их фосфор Кантона (по имени английского физика Кантона), получаемый из устричных раковин и серы. Все известные в то время искусственные фосфоры, светящиеся наиболее сильно и продолжительно, являлись сернистыми соединениями щелочноземельных металлов, а именно: сернистые кальций, стронций и барий.
Фосфорический сернистый кальций (кантонский фосфор) готовили посредством прокаливания в глиняном тигле смеси из серного цвета и углекислой извести. Но это удается не со всяким углекислым известняком. Лучшие результаты дает тот, который получается при обжигании устричных раковин. Если три части такой извести смешать с одной частью серного цвета и приготовленную смесь накалить докрасна в плотно закрытом тигле, то получается кантонский фосфор, который после воздействия солнечных лучей испускает в темноте желтые фосфорические лучи.
Известковые устричные раковины не всегда бывают чисты, вследствие чего и результаты оказываются иногда не вполне удовлетворительны. Несравненно лучше употреблять вещества, имеющие определенный состав. Э. Беккерель давал следующие указания: «Если желают приготовить фосфорическое сернистое соединение из извести или ее углекислой соли, то более удачные пропорции будут те, где на 100 частей всего вещества берется 80 процентов серного цвета в первом случае и 48 во втором, т. е. где находится столько серы, сколько ее требуется для химической реакции с образованием односернистого соединения» . Составные вещества смеси должны быть превращены в очень тонкий порошок и как можно лучше смешаны между собой. При этом нужно строго наблюдать как за высотой температуры, так и за продолжительностью нагревания. В самом деле, производя опыт с из-
вестью, полученной из волокнистого арагонита, и нагревая тигель до температуры 400 градусов в течение времени, достаточного для того, чтобы между серой и известью произошла реакция, мы получим после освобождения смеси от излишка серы массу, светящуюся очень слабым голубоватым светом. Если это вещество подвергать в течение 25-30 минут нагреванию до температуры 650-750 градусов, то фосфоричность его значительно усиливается.
Сернистый кальций светится по-разному в зависимости от соли, служившей для получения употребляемой при опытах углекислой извести (карбоната кальция). Если получить азотнокислую известь (нитрат кальция) из белого мрамора, действуя на него сильно разведенной азотной кислотой, а потом осадить с помощью углекислого аммония, то из полученной таким образом углекислой извести можно приготовить сернистый кальций, светящийся розово-фиолетовым светом. Если же употребляемая при опыте углекислая известь получена из хлористого кальция, осажденного углекислым аммонием, то фосфорические лучи принимают желтый оттенок. Если углекислую известь получить из известковой воды (раствор гидроксида кальция), пропуская через нее струю нее углекислого газа, прокаливая ее с серным цветом, мы получим сернистое соединение, светящееся опять-таки фиолетовым, очень чистым цветом.
Светящиеся сернистые соединения стронция могут быть получены, подобно предыдущему, взаимодействием серы и углекислой соли стронция, а также восстановлением сернокислого стронциана (сульфата стронция) посредством угля. Обычно эти соединения фос- форецируют зеленым и голубым.
Сернистый барий также отчетливо светится в темноте. Но для получения хорошо фосфоресцирующих смесей здесь требуется более продолжительное нагревание при более высоких температурах. Наиболее сильного свечения достигают при восстановлении встречающегося в природе сернокислого барита посредством угля. Свечение от красно-оранжевого до зеленого.
СВЕТЯЩИЕСЯ ЦВЕТЫ
Способ приготовления светящихся цветов, на которые мы указали в начале этого отдела, очень просто описать. Искусственные цветы покрывают сначала жидким клеем, например, раствором гуммиарабика в воде, а потом их опудривают порошком фосфорического сернистого металла. Затем дают хорошенько высохнуть клею, и светящиеся цветы готовы. Будучи подвергнуты действию солнечного или магниевого света (рис. 130), они тотчас же становятся фосфорическими, так что если их перенести в темную комнату (рис. 131), то они чрезвычайно эффектно светятся. Сернистыми
Рис. 130. Искусственные цветы, опудренные фосфоресцирующим порошком, подвергаются действию света от горящей магниевой проволоки.
самосветящимися смесями можно пользоваться для нанесения на бумагу рисунков, имен и т. п., эти опыты могут легко видоизменяться по желанию экспериментатора.
Рис. 131. Те же цветы, светящиеся в темноте.
ПРИМЕНЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
Нельзя ли этим веществам дать более серьезное применение, не могут ли и они быть причислены к полезным продуктам? Полагаем, что да. В самом деле, ими можно пользоваться
для приготовления светящихся в темноте часовых циферблатов, лавочных вывесок, домовых номеров, подсвечников, розеток, спичечниц и т.д.
Американский профессор Нортон в XIX веке предлагал в одной из своих публикаций покрывать самосветящимися веществами не только внутренние стены, но даже внешние фасады домов. По его мнению, тогда можно было бы совсем прекратить освещение улиц, так как фасады зданий, поглотив достаточное количество света в продолжение дня, светились бы всю ночь.
В наше время люминесценция имеет широкое применение. Во-первых, имеют широкое распространение люминесцентные лампы, дающие яркий свет и имеющие высокий коэффициент полезного действия. Большое значение имеет люминесцентный анализ, позволяющий обнаружить незначительные примеси некоторых веществ. Люминесценция лежит в основе свечения экранов многих приборов, а также в дефектоскопии. Радиолюминесценция применяется в ядерной физике.
Биолюминесценция распространена в природе, особенно среди морских обитателей. Светятся некоторые бактерии, грибы, ракообразные, насекомые, а также рыбы. Правда, в ряде случаев светятся не сами животные, а бактерии-симбионты.
Приложение химии и фокусам
Химия дает весьма немного материала для различного рода фокусов и, следовательно, представляет в этом отношении весьма слабую конкуренцию физике. Роберт Гу цен некогда употреблял электричество для приведения в движение стрелки своих магических часов и электромагнит - для сообщения железному сундуку такого веса, что никто из публики не мог его поднять. Робен пользовался оптикой, чтобы вызвать появление на сцене своих призраков, или говорящей головы и т. д. Любители такого рода развлечений могут, однако, и из химии заимствовать несколько оригинальных опытов, не требующих особенных приборов. Чтобы закончить эту главу, я приведу описание одного виденного мной фокуса, который имел большой успех у многочисленной публики.
ТАБАЧНЫЙ ДЫМ В СТАКАНЕ
Фокусник взял совершенно прозрачный стакан, поставил его на стол и, накрыв его блюдечком, объявил, что, находясь на некотором расстоянии, он заставит проникнуть в него дым от папиросы. И, действительно,
как сказал, так и сделал: едва была закурена папироса, стакан, как бы по мановению волшебника, начал наполняться густым белым дымом (рис. 132). Это очень легкий фокус. Поместите в стакан две-три капли соляной кислоты и смочите дно блюдечка, которым он накрывается, нашатырным спиртом - вот и все приготовления. Обе жидкости образуют здесь два тонких слоя, совершенно незаметные для глаз, но вполне достаточные для протекания химической реакции. Когда стакан будет накрыт блюдечком, в нем появятся белые пары нашатыря (хлорида аммония), весьма сходные по цвету с табачным дымом.
Рис. 132. Опыт из увеселительной химии.
Этот опыт произвел сильное удивление в публике, перед которой он был произведен. Вместе с тем, достаточно иметь лишь элементарные понятия из химии, чтобы дать ему объяснение.
Та же самая реакция демонстрируется и на лекциях химии, только более простым способом и без всякого обмана, а именно - приближая одну к другой две пробки от флаконов с аммиаком и с соляной кислотой. Вследствие взаимного прикосновения паров этих веществ образуется густой дым, оседающий в виде вещества, похожего на соль и являющегося хлористым аммонием или нашатырем.
Содержание
Об авторе 3
Введение5
ГЛАВА ПЕРВАЯ
НАУЧНЫЕ ЗАНЯТИЯ НА ОТКРЫТОМ ВОЗДУХЕ . . . .9
Муравьи и тли 11
Испарение воды листьями12
Коллекционирование и содержание насекомых 14
Аквариумы 15
Гипнотизм 20
Совершенство природы22
Наблюдения за сувойками25
Сбор энтомологических коллекций и гербариев27
Геологические и палеонтологические сборы29
Световые явления в облаках 31
Миражи и другие природные явления 33
Наблюдения в городах34
ГЛАВА ВТОРАЯ ФИЗИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ БЕЗ ПРИБОРОВ 37
Простейшие приборы Крутильные весы39
Ареометр Никольсона 41
Давление воздуха. Падение тел
Различные силы. Инерция Уровень воды и атмосферное давление 43
Опрокинутый стакан 44
Опрокинутая бутылка с жидкостью 45
Прилипшая монета 46
Воздушный насос47
Игрушка парижских мальчишек 48
Монета и бумажный кружок48
Взаимодействие шариков 49
Бумага прочнее деревянной палки? 51
Рюмки прочнее палки? 51
Шарик на шнурке 53
Выбитая из столбика монета или шашка 54
Как выдернуть бумагу из-под монетки55
Как вынуть монету из-под стакана, не касаясь его . . . .56
Игры и фокусы, основанные на инерции 58
Механическое действие воздуха 59
Опыт с монетами 61
Действие центробежной силы62
Гидростатика. Сифоны. Волосность Законы гидростатики 64
Сообщающиеся сосуды 65
Давление жидкостей 65
Давление атмосферного воздуха 66
Давление воды 67
Сифоны 68
Капиллярность и силы поверхностного натяжения 70
Равновесие тел. Центр тяжести Равновесие пробки72
Устойчивое равновесие 75
Графин на соломинке 77
Теплота Теплопроводность металлов 78
Из писем читателей 80
Кипячение воды в бумаге 81
Телепортация83
Поглощение и отражение лучей 84
Колебания и звуки Усиление звуков 85
Гармонические колебания86
Скорость звука88
Высота звука 89
Гармонограф 90
Как смастерить гармонограф95
Свет и оптика Оценка источника света 99
Преломление света в графине 100
Импровизированная лупа 102
Кривые зеркала 103
Мыльные пузыри105
Электричество
Притягивание и отталкивание наэлектризованных предметов107
Электрическая искра109
Электрофор 109
Лейденская банка 111
Вольтов столб112
Простейшая буссоль 113
ГЛАВА ТРЕТЬЯ ЗРЕНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ИЛЛЮЗИИ 117
Черный и белый квадраты118
Шахматная доска 119
Вращающиеся диски 120
Устройства для вращения дисков 122
Стробоскопические круги124
Волчок Дансера 126
Оценка глазом расстояний 127
Прерванная линия129
Взаимное расположение 130
Томатроп133
Стробоскоп134
Зоотроп 135
Праксиноскоп 138
Волшебный волчок 143
Вращающиеся круги 146
Обман зрения149
Призрачная фигурка 150
Мертвая точка 151
Трубки и отверстия 152
Коленчатая зрительная труба 153
Цилиндрические и конические зеркала 155
Живая голова156
Театральные призраки 158
Прибор для рисования161
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
АНАЛИЗ СЛУЧАЙНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ИГРЫ 163
Задача, предложенная кавалером Мере 164
Игра с иглой166
Магические квадраты171
Такен 174
Солитер179
ГЛАВА ПЯТАЯ ХИМИЯ БЕЗ ЛАБОРАТОРИИ 187
Кислоты, основания и соли Аммоний 188
^ Йодистый циан 189
^ Фараоновы змеи 191
Натрий и поваренная соль193
^ Соли и кристаллизация сульфата натрия195
Кристаллизация тиосульфата и ацетата натрия199
Металлы обыкновенные и металлы драгоценные < Магний 201
Алюминий202
^ Железо 203
Свинец 208
Медь210
Олово 211
Золото212
Г Серебро 215
^ Платина216
Изменение окраски цветков ^ Обесцвечивание сернистой кислотой 219
^ Действие смеси серного эфира и аммиака221
Окрашивание нашатырным спиртом 223
Свечение Люминесценция 225
^ Сульфиды щелочноземельных металлов227
Светящиеся цветы 230
Применение люминесценции 232
Приложение химии к фокусам Табачный дым в стакане234
^^В Гастон Тнссандье ^-^Научные развлечениязнакомство с законами природы^ путем игр, забав и опытов ^
Прочитав эту книгу, вы узнаете о том,
как загипнотизировать петуха
как бумага или рюмка может оказаться прочнее деревянной палки
как поднять стеклянный графин на соломинке
как расплавить свинец на игральной карте
как сделать изображение подвижным
как устроена живая говорящая голова
как вызвать призраков на театральную сцену
как получить самовозгорающееся железо.
Из этой книги вы не только получите представление о том, как люди скрашивали свой досуг полтора века назад, что было вместо кино и компьютерных эффектов, но и сможете проделать это самостоятельно, попутно получив наглядное представление об основных законах физики и химии.
t^M^ Гастон Тиссандье <^» НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ знакомство с законами природы ^ путем игр, забав и опытов ^
Гастон Тиссандье
НАУЧНЫЕ
РАЗВЛЕЧЕНИЯ:знакомство с законами природыпутем игр, забав и опытов
Москва
ACT • Астрель
УДК 5 ББК 22+24 Т44
Компьютерный дизайн обложки - дизайн-студия «Дикобраз»
Тиссандье, Гастон
Т44 Научные развлечения: знакомство с законами природы путем игр, забав и опытов : пер. с фр. / Гастон Тиссандье. - М.: ACT: Астрель, 2008. - 239, [1] с.
ISBN 978-5-17-049646-4 (ООО «Издательство ACT*)
ISBN 978-5-271-19273-9 (ООО «Издательство Астрель*)
В увлекательной форме автор знакомит читателя с основными законами природы. Его талантливые описания и необычные рассуждения будут интересны читателям всех возрастов. Книга, написанная больше века назад, дает превосходный исторический экскурс.
УДК 5
ББК 22+24
Издание для досуга
НАУЧНЫЕ РАЗВЛЕЧЕНИЯ: ЗНАКОМСТВО С ЗАКОНАМИПРИРОДЫ ПУТЕМ ИГР, ЗАБАВ И ОПЫТОВ
Зав. редакцией Е. М. ИвановаРедактор Е. Ю. ЦеллариусХудожественный редактор О. А. ГерасинаТехнический редактор Н. И. ГерасимоваКомпьютерная верстка Е. М. Илюшиной
Общероссийский классификатор продукцииОК-005-93 - книги, брошюры
Санитарно-эпидемиологическое заключение№ 77.99.60.953.Д.009163.08.07 от 03.08.2007 г.Подписано в печать 30.01.2008. Формат бОхЭО1/^.Усл. печ. л. 15,00. Тираж 7000 экз. Заказ № 0815350.
ООО «Издательство ACT*
141100, РФ, Московская обл., г. Щелково, ул. Заречная, д. 96
ООО «Издательство Астрель*
129085, г. Москва, пр-д Ольминского, д. За
Наши электронные адреса: www.ast.ruE-mail: astpub@aha.ru
Отпечатано в полном соответствии с качеством ■предоставленного электронного оригинал-макета
I япк в ОАО «Ярославский полиграфкомбинат* arvato 150049, Ярославль, ул. Свободы, 97
ISBN 9 78-5-17-049646-4 (ООО «Издательство ACT*)
ISBN 978-5-271-19273-9 (ООО «Издательство Астрель*)