Читать книгу Фізика - Группа авторов - Страница 13

Про життя видатного філософа Архімеда із Сиракуз відомо дуже мало, а те, що відомо, більше схоже на легенди. Однак, мабуть, і ці численні легенди передають відповідні уявлення про цю видатну людину.

Архімеда можна назвати інженером – йому приписують близько сорока винаходів, у тому числі гвинт і поліспаст. Його можна назвати й математиком – ним розроблені цікаві геометричні методи, прийоми обчислення поверхонь та об’ємів складних фігур на основі простих. Підхід Архімеда до фізичних проблем теж часто базується на геометричних доказах, у чому можна переконатися, наприклад, ознайомившись з його трактатом «Про рівновагу плоских фігур, або Про центр ваги плоских фігур».

Твір «Про плаваючі тіла» дослідники відносять до найпізніших (деякі навіть вважають його останнім твором Архімеда). Він складається з двох книг. У першій книзі Архімед розглядає питання, які пов’язані із зануренням твердих тіл у рідину, і формулює закон, який зараз є в шкільному підручнику з фізики. (Цікаво, що тут Архімед розглядає вільну поверхню рідини як сферу.)

У другій книзі Архімед, вважаючи поверхню рідини плоскою, розглядає принцип дії ареометра1 й умови рівноваги в рідині тіл, які мають особливу форму – параболоїда. Висновки Архімеда становили інтерес для суднобудування.

А чи знаєте ви, як саме в першоджерелі записані формулювання того положення, яке ми називаємо законом Архімеда? Подивіться:

«Тіло більш легке за рідину, опущене в цю рідину, занурюється настільки, щоб об’єм рідини, який відповідає зануреній частині тіла, мав вагу, що дорівнює вазі всього тіла…

Тіла більш легкі за рідину, опущені в цю рідину насильно, виштовхуватимуться вгору силою, яка дорівнює тій вазі, на яку рідина, що має рівний з тілом об’єм, буде важче цього тіла…

Тіла, що є більш важкими, ніж рідина, опущені в цю рідину, занурюватимуться, поки не дійдуть до самого низу, та в рідині стануть легше на величину ваги рідини в об’ємі, який дорівнює об’єму зануреного тіла…»

Нам із вами, мабуть, дуже нелегко зараз читати ці важкі фрази – стиль мовлення тих часів значно відрізнявся від сучасного. Погодьтеся, що у вашому підручнику написано простіше!.. Проте, все рівно цікаво зазирнути туди, вглиб століть, щоб дізнатися, як саме йшов шлях пізнання, як народжувалося нове знання…

У цьому ж творі описано ідею приладу для визначення густини рідини (як сказали б ми зараз). Однак перший справжній ареометр був зроблений тільки у V ст. н.е. Синезієм.

Повернемося до закону плавання тіл. Його сутністю є те, що на тіло, занурене в рідину, в результаті гідростатичного тиску діє сила, яка напрямлена вертикально вгору та чисельно дорівнює вазі води, яку це тіло витіснило.

Одна з численних легенд про Архімеда (до речі, її розповів Плутарх) пов’язана з відкриттям цього закону. Сиракузький цар Гієрон доручив Архімеду з’ясувати, чи з чистого золота його царська корона. І ось ніби після довгих роздумів з цього приводу Архімед вирішив відпочити у ванні, де до нього й прийшло рішення проблеми: він власним тілом відчув дію виштовхувальної сили. Вигукнувши «Еврика!..» (що означає «знайшов»), Архімед вискочив із ванни і побіг за короною, щоб негайно визначити втрату її ваги у воді.

Втрата ваги тіла у воді дорівнює вазі води, яку витіснило тіло. Тоді, знаючи цю вагу води, треба визначити її об’єм, який дорівнює об’єму корони. А знаючи вагу корони, можна знайти густину речовини, з якої вона зроблена.

Ніхто точно не знає, чи було то насправді, проте науковий зміст відкритого Архімедом закону дійшов до нас завдяки його книгам.

І сьогодні методом Архімеда можна визначати чистоту матеріалів, визначати наявність домішок та їх відсоткову долю.

На поверхні та в глибині: прояви та застосування архімедової сили

Закон Архімеда пізніше стали застосовувати для свідомого визначення розмірів та форми кораблів – раніше це робили, скоріше покладаючись на інтуїцію та досвід, а не на розрахунки. Відомо, як у 1666 р. англійський корабельний інженер Антоні Дін спускав на воду побудований ним корабель «Рупперт». На цю церемонію прибув король Англії з усіма адміралами свого флоту. Всіх їх цікавило, наскільки точними виявляться ті обчислення, що їх зробив Дін, і чи справдяться його передбачення щодо глибини, на яку зануриться корабель під час спуску. Більшість присутніх вважала, що вода ринеться через гарматні отвори і корабель потоне. Проте розрахунки інженера виявилися точними, і корабель занурився у воду саме до передбаченої глибини.

Між іншим, не всі навіть і через сімнадцять століть були знайомі із законом Архімеда та його застосуванням до кораблебудування. Зокрема, німецький імператор Вільгельм II, вважаючи себе знавцем та спеціалістом у кораблебудуванні, розробив проекти бойових кораблів. Коли ці проекти було передано на розгляд італійському адміралу Бріну, він сказав, що ці кораблі надзвичайно красиві, вони мають тільки один недолік – як тільки їх спустять на воду, вони відразу підуть на дно…

Знання дії сили Архімеда допомагає зараз підводникам. Чи замислювалися ви над тим, як підводний човен може плавати на різних глибинах?

Адже об’єм човна не змінюється, густина води практично не змінюється (у звичайних морях і океанах), тобто архімедова сила, що діє на човен, є сталою, однак човен може випливати на поверхню та занурюватися в глибини.

Справа в тому, що човен обов’язково має баласт (баластні цистерни з водою), завдяки якому човен змінює свою вагу.

Вважають, що перший підводний човен з’явився в Англії в 1620 р. Цей човен побудував голландський лікар Корнеліус ван Дреббель. Корпус човна, виготовлений з дерева, зверху був покритий промасленою шкірою. Перед зануренням водяний баласт приймали у спеціальні міхи; роль силової установки виконувала дюжина веслярів.

У 1776 р. були зроблені спроби застосувати підводний човен у військових справах – одномісний підводний човен «Черепаха» інженера Д. Бушнелла вміщав також і міну із 65 кг пороху.

Більш оснащеним був відомий підводний човен американця Роберта Фултона, який у 1801р. в Парижі побудував човен «Наутілус». Цікаво, що корпус цього човна вже був іззовні схожий на сучасні човни (мав форму сигари), а крім того цей човен мав гребний гвинт та горизонтальні рулі, за допомогою яких регулювали глибину занурення. Бочонки з порохом, за допомогою яких планували підривати ворожі кораблі, Фултон назвав торпедами.

У 1834 р. підводний човен сконструював російський військовий інженер Карл Андрійович Шілдер. Його човен можна назвати першим у світі ракетоносцем, бо він мав порохові ракети.

А втім, залишимо осторонь військові підводні човни, хоча, безумовно, зараз вони дуже великі, потужні й добре озброєні. У морських та океанських глибинах плавають ще й науково-дослідні апарати, які називають батисферами та батискафами.

У 1934р. Вільям Бііб опустився у батисфері на глибину 923 м. Його батисфера мала вигляд кулі діаметром 1,5 м при товщині стінок 4 см.

Батисфери зазвичай зв’язані з надводним кораблем, а батискафи – це вже глибоководні апарати для автономної роботи.

Глибоководні населені апарати «Мир» – це справжні наукові лабораторії під водою. Вони мають телевізійні відеокамери, фото-обладнання, потужні освітлювачі. За допомогою маніпуляторів можна відібрати проби ґрунту, рослин. Є також спеціальні батометри для забирання проб води на різних глибинах. Апарат має бурову установку для дослідження скельного ґрунту.

За допомогою підводних апаратів «Мир» було обстежено легендарний корабель «Титанік», що затонув на глибині 4000 м. Відеокадри, зроблені цими апаратами, ввійшли до знаменитого фільму Дж. Камерона.

Повернімося з океанських глибин на поверхню. Чи знаєте ви про існування такого моря, в якому неможливо потонути? Так, це Мертве море, яке знаходиться на кордоні між Йорданією та Ізраїлем. Там дуже цікаво було б на власному досвіді відчути архімедову силу!

Річ у тому, що Мертве море є дуже й дуже солоним, тому його густина сягає 1160 кг/м³. Якщо людина купається в цьому морі, то вона зовсім не набагато занурюється у воду. Це відбувається саме завдяки величезній виштовхувальній силі. Американський письменник Марк Твен, відомий своїм незрівнянним почуттям гумору, так описував купання в Мертвому морі:

«Якщо підтримувати рівновагу руками, можна преспокійно лежати на спині так, щоб голова і ноги від колін до п’ят стирчали над водою. Можна сісти, підтягнувши коліна до самого підборіддя і охопивши їх руками, але швидко перекидаєшся, тому що тут ніяк не втримати рівновагу. Можна стати у воді і вище пояса залишитися сухим, хоча глибина тут більша за зріст людини. Але й так довго не простоїш – дуже швидко вода виштовхне на поверхню. Не намагайтеся плавати на спині, оскільки ступні вилазять на поверхню і відштовхуватися можна хіба що п’ятами. Пробуєш плавати на животі. Загрібаєш воду, мов колісний пароплав, – і не рухаєшся з місця.»

Слід зазначити, що без усякого знання закону Архімеда спокійно плавають собі «несвідомі» риби. Цікаво, що середня густина їхніх організмів дуже мало відрізняється від густини води, тому сила ваги, яка на них діє, зрівноважена ар-хімедовою силою. Завдяки цьому водним тваринам не потрібні такі масивні скелети, як у наземних.

Змінювати своє положення і опинятися на іншій глибині риба може завдяки плавальному міхуру, який може помітно стискатися грудними та черевними м’язами. Після цього в риби змінюється об’єм тіла (отже, й середня густина), через що міняється архімедова сила. Це приводить до можливості регулювання в певних межах глибини занурення.

Багато водних рослин зберігають вертикальне положення, незважаючи на надзвичайну гнучкість їхніх стебел. Цьому допомагають повітряні бульбашки, які знаходяться на кінцях розгалужень стебел, – вони виконують роль поплавців, що прагнуть піднятися вгору під дією сили Архімеда.

У природі немає нічого марного.

М. Монтень

Цікавим є «застосування» архімедової сили морськими тваринами – сифонофорами. Вони створюють складні колонії. На вершині колонії знаходиться міхур розмірами до 30 см, що містить газ. За допомогою цього міхура вся колонія тримається у товщі води та рухається. Газ виробляється особливими залозами сифонофор.

Повітроплавання

Польоти аеростатичних апаратів засновані теж на законі Архімеда: якщо тіло легше за навколишнє середовище, воно рухається вгору, а якщо важче – вниз.

Початок повітроплавання датують 5 червня 1783 р. – у цей день брати Монгольф’є – Жозеф Мішель та Жак Етьєн – запустили в небо перший аеростат.

Спостерігаючи за рухом хмар, винахідники намагалися розгадати природу їхнього руху. Потім вони спробували створити «штучну хмару» – за допомогою пари. Досліди з парою були невдалими, і тоді брати вирішили застосовувати дим, який утворюється під час горіння вовни та сирої соломи.

Перший аеростат, запущений у червні 1783 р., був зроблений з полотна, обклеєного папером і стягнутого мотузковою сіткою. Діаметр повітряної кулі був приблизно 11,5 м, а об’єм 600 м³.

Після того польоту аеростати, заповнені гарячим повітрям, на честь їх винахідників стали називати монгольф’єрами.

У серпні 1783 р. французький фізик Жак Шарль запустив аеростат власної конструкції. Оболонка його кулі була зроблена із шовку, який був просочений каучуком; оболонка була заповнена воднем. З тих пір аеростати, які працюють на легкому газі (водні, гелії або світильному газі), іноді називають шарльєрами.

Перший науковий проект керованого аеростата – дирижабля – створив у ті ж часи французький інженер Меньє. Винахідник запропонував використовувати повітряний гвинт, а оболонку зробити подовженою, незмінною. Передбачалося, що керувати цим аеростатом можна буде за допомогою керма. Усередині оболонки передбачалося помістити м’які ємності з повітрям. Коли дирижабль підніметься вгору, атмосферний тиск зменшиться, а водень розшириться. Тоді повітря з м’яких ємностей треба буде випустити і таким чином зрівняти тиск. Під час спуску повітря слід буде накачати знову. Так передбачалося забезпечити незмінність форми оболонки і постійний тиск у ній.

Реалізувати свої ідеї Меньє так і не вдалося, але через багато років його пропозиції були використані іншими конструкторами.

Тільки 23 серпня 1852 р., французький механік Анрі Жиффар піднявся в повітря на керованому аеростаті – дирижаблі.

Значний внесок в історію повітроплавання зробив німецький генерал Фердінанд фон Цепелін (1838—1917), який запропонував дирижабль особливої конструкції. Цей дирижабль мав жорсткий алюмінієвий каркас, бензинові двигуни, вертикальні та горизонтальний рулі.

Над Цепеліном глузували, називаючи його повітряний корабель чудовиськом через його великі розміри. Завзята праця Ф. Цепеліна все ж привела його до успіху. Його повітряні кораблі жорсткої конструкції зіграли провідну роль у дирижаблебудуванні, залишившись в історії під ім’ям «цепеліни».

Не треба вважати, що час аеростатів уже минув. За останні роки спостерігаємо їх повернення, але вже на основі сучасних технологій.

Сучасні дирижаблі застосовують для проведення геофізичної розвідки, спостереження за станом навколишнього середовища, патрулювання великих міст, картографування, фото-, кіно- та теле-зйомки.

Головним недоліком старих дирижаблів була підвищена пожежна небезпека, викликана застосуванням водню. Зараз ця небезпека зменшена завдяки застосуванню замість водню інертного газу гелію.

Деякі фахівці вважають, що в наш час корисно було б застосувати дирижаблі для доставки різних вантажів, щогл, бурових веж тощо. Існують проекти дирижаблів-санаторіїв. Пасажирські та туристичні дирижаблі теж змогли б бути корисними.